Схема электрической цепи – Электрическая цепь и ее элементы. Принципиальная схема электрической цепи. Схема замещения электрической цепи

stroymanual.com

Электрическая цепь и её элементы

Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока и предназначенных для передачи, распределения и взаимного преобразования электрической и других видов энергии.

Электромагнитные процессы, протекающие в устройствах электрической цепи, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (Э.Д.С.), токе и напряжении.

Электрические цепи, в которых получение электрической энергии, её передача и преобразование происходят при неизменных во времени токах и напряжениях, называют цепями постоянного тока. В таких цепях электрические и магнитные поля также не изменяются во времени. Так как токи и напряжения постоянны, то изменения этих величин во времени равны нулю:

;.

Поэтому и напряжение на индуктивности U_L, и ток через ёмкость, зависящие от изменения этих величин, также равны нулю:

;

Из этого следует, что в индуктивности сопротивление постоянному току равно нулю, а ёмкость, наоборот, представляет собой бесконечно большое сопротивление. Поэтому в цепи постоянного тока катушка индуктивности представляет собой закоротку (обычный провод, сопротивлением которого можно пренебречь), а ёмкость (конденсатор) – представляет собой разрыв цепи.

Основными элементами электрической цепи являются источники и приёмники электрической энергии, которые соединяются между собой проводами.

В источниках электрической энергии (электромагнитные генераторы, гальванические элементы, термопреобразователи и др.) происходит преобразование механической, химической, тепловой и других видов энергии в электрическую.

В приёмниках электрической энергии (электродвигатели, электротермические устройства, лампы накаливания, резисторы, электролизные ванны и др.), наоборот, электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую, механическую, химическую и др.

Схема электрической цепи

Графическое изображение реальной электрической цепи с помощью условных символов и знаков называется электрической схемой.

Такая схема представляет собой идеализированную цепь, которая служит расчетной моделью реальной цепи и иногда называется эквивалентной схемой замещения. Эта схема по возможности должна отражать реальные процессы, происходящие в действительности.

При проведении расчетов каждый реальный элемент цепи заменяется элементами схемы.

В цепях постоянного тока чаще всего используют два основных элемента: источник энергии с Э.Д.С. Е c внутренним сопротивлением r₀ и резистивный элемент (нагрузка) с сопротивлением R. Под внутренним сопротивлением генератора r₀ понимают сопротивление электрическому току всех элементов внутри генератора.

Сопротивление приёмникаR характеризует потребление электрической энергии, то есть превращение электрической энергии в другие виды с выделением мощности:

Для проведения анализа электрической цепи важно выделить такие понятия, как ветвь, узел и контур.

Ветвь – участок электрической цепи, образованный последовательно соединёнными элементами и характеризующийся собственным значением тока в данный момент времени.

Узел – это точка соединения трёх и более ветвей (если на электрической схеме в месте пересечения двух линий стоит точка, то в этом месте есть электрическое соединение 2х линий, в противном случае его нет).

Контур – замкнутая часть цепи, состоящая из нескольких ветвей и узлов. Различают такие понятия, как геометрический и потенциальный узел.

На рис. 1.2 приведена схема электрической цепи, содержащей 4 геометрических узла, 3 потенциальных узла и 5 ветвей.

Заземление любой точки схемы означает, что потенциал этой точки принят равным нулю. Токораспределение в такой схеме не изменяется, так как никаких новых ветвей, по которым могли бы протекать токи не образуется. Если же заземлить 2 точки схемы и более, то в этом случае в схеме токораспределение изменится.

Активные элементы

В линейных электрических цепях в качестве источников энергии различают источники Э.Д.С. и источники тока.

Идеальный источник Э.Д.С. имеет неизменное Э.Д.С. и напряжение на выходных зажимах при всех токах нагрузки. У реального источника – Э.Д.С. и напряжение на зажимах изменяются при изменении нагрузки (например, вследствие падения напряжения в обмотках генератора). В электрической схеме это учитывается последовательным включением резистора r₀. Идеальный источник напряжения изображен на рис. 1.3.

Напряжение U_ab зависит от тока приёмника и равно разности между Э.Д.С. генератора и падением напряжения на его внутреннем сопротивлении r₀:

. Ток, протекающий по цепи, также зависит от сопротивления нагрузки:

. Если принять Э.Д.С. источника его внутреннее сопротивление и сопротивление приёмника не зависящими от тока и напряжения, то внешняя характеристика источника энергии U₁₂ = f(I) и ВАХ приёмника U_ab = f(I) будут линейными (рис. 1.4).

По рис. 1.4 видно, что по мере нарастания тока в цепи напряжение на нагрузке возрастает, а, следовательно, уменьшается напряжение на выходных зажимах источника.

Источник тока характеризуется бесконечным внутренним сопротивлением и бесконечным значением Э.Д.С., при этом выполняется равенство:

Если r₀>>R_H и I₀<<I, то есть источник энергии находится в режиме, близком к короткому замыканию, то можно принять ток I₀=0.

Такой источник с внутренним сопротивлением r₀ = ∞ (g₀=0) называют идеальным источником тока

Пассивные элементы

Основными пассивными элементами электрической цепи являются резистивные, индуктивные и емкостные. Рассмотрим их силовые характеристики при постоянном токе.

Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением и применяемое для ограничения тока, называется резистором. (рис. 1.9).

Идеализированные модели резисторов называются резистивными элементами (при идеализации пренебрегают токами через изолирующие покрытия резисторов, каркасы проволочных резисторов и т. п.).

Основной величиной, характеризующей резистор, является его сопротивление R, которое определяется из соотношения:

называемого законом Ома. Сопротивление измеряется в Омах: [R] = [U\I] = В\А = Ом. К пассивным элементам относят также и индуктивный элемент – катушку индуктивностью L (Рис. 1.11).

Катушкой называется обмотка изолированного провода, намотанного на каркас или без каркаса, имеющая выводы для присоединения.

L – параметр, который определяет способность катушки создавать магнитное поле. Он зависит от геометрических параметров катушки, числа её витков и от магнитных свойств сердечника, на который намотана катушка.

Из-за появления магнитного поля цепь будет пронизываться магнитным потоком. Для характеристики катушки индуктивности, как элемента электрической цепи достаточно вычислить потокосцеплениеψ. Индуктивность Lявляетсякоэффициентом пропорциональности между ψ и I:

Между двумя любыми проводниками, разделёнными диэлектриком, существует электрическая ёмкость. Коэффициент пропорциональности С называют ёмкостью

;

studfiles.net

Электрическая цепь и её схема. Что такое электрическая схема?

Ассоциативное представление

Какие ассоциации возникают при словосочетании электрическая цепь? Должно быть сразу возникает картина в виде источника питания, простой батарейки, потом от неё идут провода, которые подсоединены к лампочке, а её нить накала светится ярким светом. Это простейшая схема электрического фонарика с лампой накаливания, только вот ещё тумблер подключить и всё готово. Это бытовая, обыденная ассоциация, которая скорее всего возникнет у не специалиста в электротехнике.

Какая ассоциация возникает с электрической цепью у специалиста электротехника? Пожалуй, в первую очередь, это будет осветительная сеть, ну или электрическая цепь, где подключается асинхронный двигатель через магнитный пускатель. Это уже профессиональная ассоциация.

У физика, который занимается наукой и исследованиями в области электродинамики электрическая цепь будет ассоциирована с электромагнитными полями, источниками полей, с приборами и научной аппаратурой.

Занимающийся практической электроникой скорее всего представить печатную плату со множеством контактных дорожек на ней и впаянных в неё элементов. Специалист разработчик микроэлектронных схем, который создаёт новые микросхемы, чипы, драйвера устройств, будет ассоциировать электрическую цепь с топологией микросхем (микрочип).

Все эти ассоциации будут верными, но они не являются определениями электрической цепи. Понимание и знание того, что такое электрическая цепь и в чём её отличие от электрической схемы — это ключ ко всей теории электрических цепей.

Определение электрической цепи

Одно из самых лучших определений электрической цепи имеет следующее содержание.

Совокупность устройств и объектов, образующих пути для электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении, называют электрической цепью

Это полное определение, но возможен его сокращённый минимизированный вариант, который может быть вот таким:

Электрическая цепь — это соединение элементов образующих контур, в котором возможно существование электрического тока

Следует разобрать логически эти определения, чтобы получить тот самый ключ, о котором сказано выше. Давайте попробуем по порядку сделать такой разбор.

Логический разбор определений электрической цепи

В определениях, и в полном и кратком, речь идёт о совокупности и соединении элементов (устройств и объектов). Это означает, что не разрозненно, что имеется какое-то сочетание, объединение тех самых элементов. Это говорит нам также о том, что элементы способны к такому соединению. Далее можно сделать вывод, что должны существовать способы и виды таких соединений. Назовём это первым условием определяющим электрическую цепь.

Слова о том, что такое соединение образует пути (контур), в котором может существовать электрический ток — это второе условие определяющее электрическую цепь. Отсюда следует, что возможны такие сочетания элементов, в которых тока быть не может в принципе. Самое важное здесь — это электрический ток, который хотя бы потенциально может осуществится в путях и контуре. Дело в том, что путь тока всегда замкнут, такова его природа. Поэтому путь всегда замкнут и он именуется контуром. Из этого второго условия следует, что существуют пути, которые можно назвать ветвями, и контуры, без которых ток не может образовать замкнутый путь. Отсюда возникает топология электрических цепей. Ток обязательно имеет источник, поэтому как минимум один элемент будет являться источником тока (ЭДС).

Остаётся только уточнение из полного определения, где говорится о свойстве совокупности устройств и объектов (элементов). В ней могут происходить электромагнитные процессы, что вполне объяснимо самой природой электрического тока. Там где не может быть потока электричества (ток), не может быть и электромагнитных явлений. Отсюда следует, что наличие электромагнитных процессов говорит нам о существовании тока. Зачем же нужно такое уточнение? Есть такое явление, как электромагнитная волна, которое для краткости можно объяснить как возмущение в электромагнитном поле. Для того, чтобы отмежеваться от волновых явлений, дальше по тексту сказано, что электромагнитные процессы ограничиваются лишь теми, которые описываются с помощью понятий об ЭДС, токе и напряжении. Это фактически третье условие, которое не заметно до тех пор, пока ничего не известно об электромагнитных волнах и излучении.

Чем глубже будут проанализированы логически определения, чем лучше знания слов, образующих определение, тем лучше (глубже) будут поняты эти определения. Такую процедуру можно провести с любыми грамматически верными выражениями, не только с вышеприведёнными.

Электрическая схема

Почти каждому человеку приходилось пользоваться хоть раз в жизни географической картой. Во всяком случае, ещё со школы с тем, что такое глобус и географические карты, знаком каждый. Географический глобус или карта не являются Землёй или частью её поверхности. Точно в таком же соотношении находятся электрическая схема и электрическая цепь. Схема метрополитена указывает где какие пути и станции, где узловые развязки, где с одной линии (кольца) можно перейти на другую. Схема всегда является символическим изображением чего-либо, но она никак не может заменить собой оригинал.

Достаточно кратко можно определить так:

Электрическая схема — это символическая запись электрической цепи

Точно также, как был сделан логический разбор определения цепи, можно сделать разбор определения схемы. Самое важное всего в двух словах. Это символ и запись. Способы и виды соединений в электрической цепи, а также элементы цепи, все они имеют свою символическую запись. Из многих символов, точно также как и из алфавита языка, собираются слоги, слова, фразы, простые и сложные предложения, и даже целые сочинения. Электрическая схема больше похожа на иероглифическую запись, потому как состоит из графических символов. Для того, чтобы уметь читать электрические схемы, нужно начинать с алфавита базовых символов, а затем надо научится правильно сочетать эти элементы, чтобы затем уметь составлять по ним реальные электрические цепи.

Электрические схемы бывают разными, в зависимости от своего функционального назначения. Есть схемы, где в первую очередь показаны функциональные узлы и их назначение. Это похоже на оглавление в книге, сразу виден план повествования, а в схеме ясно представляется, что именно каждая часть схемы делает. Есть схемы монтажные, где символически показано какие элементы цепи и где они расположены, как смонтированы на плате, в щите, в панели и т. д. Из монтажной схемы трудно сделать выводы о работе электрооборудования, но легко выполнять монтаж и демонтаж, замену и профилактику. Есть ещё принципиальные схемы, где символы элементов расположены так, что читая схему можно понять и описать всю работу электрической цепи.

Для расчётов и анализа электрических цепей, используют в первую очередь принципиальные схемы, а при разработке и модернизации цепи нужны в том числе и функциональные схемы и монтажные (установочные). Когда приходится иметь дело со сложным электрооборудованием, например, конвейерная линия или автоматический комплекс, то все схемы собираются в альбомы, которые могут иметь более 100 листов различных форматов.

Освоив алфавит электрических схем, или как иначе говорят — язык схемотехники, вы сможете научится не только читать схемы, но и самостоятельно проектировать новые электрические цепи.

Самая простая электрическая цепь и её схема

Пользуясь определением электрической цепи и схемы, можно изобразить схему простейшей электрической цепи. Такая комбинация элементов была представлена ещё в самом начале статьи. Это цепь состоящая минимум из одного источника тока (ЭДС) и одного нагрузочного элемента, которым для наглядности может служить электрическая лампа накаливания.

Дата: 20.06.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

electricity-automation.com

Как читать электрические схемы

Содержание:

electric-220.ru