Электрические схемы - это визуальное отображение компонентов и соединений в электрической цепи. Понимание схем крайне важно для специалистов и любителей, работающих с электричеством.
Статья подробно рассматривает вопрос схем электрических цепей. Рассмотрены основные элементы и виды электрических схем, правила их чтения и выполнения. Описаны типовые ошибки при составлении схем и методы анализа и расчета электрических цепей по схемам. Представлены программные средства моделирования схем.
1. Основные понятия и определения
Схема электрической цепи - это графическое изображение элементов электрической цепи и их соединений между собой при помощи условных графических обозначений. Схемы позволяют наглядно представить принцип работы электрической цепи или электрического устройства.
Основными элементами электрической цепи являются:
- Источник электрической энергии (батарейка, аккумулятор, генератор)
- Потребитель электрической энергии (лампа, двигатель, нагреватель)
- Провода и кабели для соединения элементов
- Коммутационные и защитные аппараты (выключатели, предохранители)
- Измерительные приборы (амперметры, вольтметры)
- Дополнительные радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности)
Различают несколько основных типов электрических схем:
- Структурные схемы - отображают общую структуру устройства и основные функциональные узлы.
- Функциональные схемы - более детально отображают отдельные функциональные узлы устройства.
- Принципиальные схемы - полная схема устройства со всеми электрическими элементами и их соединениями.
- Монтажные схемы - отображают расположение элементов для физического монтажа устройства.
Ниже приведен пример очень простой схемы электрической цепи постоянного тока, состоящей из источника питания, лампочки и соединительных проводов:
2. Условные графические обозначения на схемах
Для условного графического изображения различных элементов электрических цепей и устройств на схемах используется система обозначений, регламентированная государственными стандартами.
Основные требования к условным графическим обозначениям:
- Простота и наглядность рисунка
- Стандартизация обозначений
- Однозначная идентификация элементов цепи
В России принята система обозначений, регламентированная ЕСКД (Единой системой конструкторской документации). За рубежом используются стандарты IEC и ANSI.
3. Виды электрических схем
Различают несколько основных видов электрических схем.
3.1 Структурные схемы
Схема электрической цепи в структурном виде используется на начальном этапе разработки устройства. Она отображает общую структуру устройства, его основные узлы и их взаимосвязи.
На структурной схеме узлы обозначаются прямоугольниками, а линии связи между узлами - стрелками. Внутри прямоугольников текстом или условными обозначениями указывается функциональное назначение каждого узла.
Структурная схема дает общее представление об устройстве, но не содержит информации о его электрической принципиальной схеме и параметрах отдельных элементов.
3.2 Функциональные схемы
Функциональные схемы электрических цепей более детально описывают отдельные функциональные узлы устройства со всеми входами и выходами.
На функциональной схеме узел изображается в виде пунктирного прямоугольника с входными и выходными стрелками. Внутри прямоугольника схематично показывается реализация функции узла.
Функциональные схемы используются при разработке сложных цифровых или аналоговых блоков устройства: усилителей, генераторов, фильтров и т.д.
3.3 Принципиальные схемы
Принципиальная схема электрической цепи полностью отображает все элементы схемы: источники питания, радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы), их номиналы и точные соединения.
Принципиальная схема - это полное "рабочее" представление электрической цепи или устройства. По принципиальной схеме можно полностью понять конструкцию устройства и принцип его работы.
3.4 Монтажные схемы
Если принципиальная схема отображает электрические соединения элементов, то монтажная схема показывает их реальное физическое расположение в устройстве, а также тип корпуса и способ монтажа (поверхностный, на печатной плате).
Монтажная схема необходима для сборки устройства.
На монтажной схеме указывают:
- Позиционные обозначения элементов
- Тип корпуса элементов
- Способ монтажа элементов (на печатной плате, на DIN-рейке, на панели и т.д.)
- Соединительные линии
- Клеммные колодки и разъемы
- Обозначения внешних подключений
Таким образом, принципиальная схема отвечает на вопрос "Что и как соединять?", а монтажная схема - "Где и как разместить?".
4. Порядок чтения схем
Чтобы правильно прочитать и понять электрическую схему (как принципиальную, так и монтажную), рекомендуется придерживаться следующего порядка:
- Определить назначение схемы, ее вид (структурная, принципиальная, монтажная) и формат (цифровая, аналоговая, силовая, управления). Эта информация обычно содержится в шапке чертежа
- Найти на схеме источник питания и провести его основные соединительные линии
- Проследить линии питания по всем узлам и элементам, определяя их тип и назначение
- Определить основные функциональные узлы на схеме
- В каждом узле найти входные и выходные сигналы, определить реализацию функций
- На монтажной схеме дополнительно проследить расположение элементов и внешние подключения согласно обозначениям
Такая последовательность позволяет "пройтись" по всей схеме, охватить ее целиком и понять назначение каждого функционального узла и отдельного элемента в общей работе.
5. Правила выполнения электрических схем
При выполнении электрических схем вручную или с использованием специализированного программного обеспечения необходимо придерживаться определенных правил, установленных ЕСКД:
- Форматы чертежей стандартизованы: А4, А3, А2, А1
- Тип и толщина линий регламентированы
- Предусмотрены условные графические обозначения элементов
- Требования к размерам и расположению обозначений на поле чертежа
- Правила нанесения размеров и пояснений
Соблюдение всех правил выполнения электрических схем по ЕСКД позволяет создавать качественную техническую документацию.
6. Программы для разработки схем
Схема замещения электрической цепи широко используется при анализе и расчете электрических цепей. В этом случае реальные элементы цепи замещаются идеализированными сосредоточенными параметрами.
Например, сопротивление реального резистора заменяется идеальным резистором, емкость реального конденсатора - идеальной емкостью и т.д. Это позволяет значительно упростить анализ сложных цепей.
6.1 Достоинства и недостатки
Создание эквивалентных схем электрических цепей позволяет анализировать их работу, не вдаваясь в сложные физические процессы внутри элементов. В то же время такая идеализация вносит определенную погрешность.
7. Порядок разработки схемы устройства
При разработке электрической принципиальной схемы для устройства рекомендуется следующий порядок:
- Составление структурной схемы устройства
- Детальная проработка отдельных узлов в виде функциональных схем
- Объединение функциональных узлов в единую принципиальную схему схеме
При этом рекомендуется сразу предусматривать место для элементов коммутации, индикации, защиты и т.д., которые будут добавлены в дальнейшем при разработке монтажной схемы.
8. Типичные ошибки при выполнении схем
Чтобы избежать типичных ошибок при выполнении электрических схем, рекомендуется:
- Проверять правильность обозначений элементов в соответствии со стандартами
- Тщательно выверять электрические соединения (отсутствие обрывов и коротких замыканий)
- Указывать номиналы и параметры всех элементов
- Проводить электрический контроль схемы перед запуском в производство
9. Анализ и расчет электрических цепей по схемам
Наличие подробной принципиальной схемы позволяет производить анализ и расчет любой электрической цепи. Для этого используют различные методы.
9.1 Законы Кирхгофа
Основным математическим аппаратом для расчетов электрических цепей являются законы Кирхгофа. Первый закон Кирхгофа используется для расчета разветвленных цепей, второй - для замкнутых контуров.
9.2 Метод узловых потенциалов
Для сложных разветвленных цепей удобен метод расчета по схеме с использованием узловых потенциалов. Суть метода - введение дополнительных неизвестных в виде потенциалов в узловых точках.
9.3 Метод контурных токов
Если в цепи много замкнутых контуров, выгоден метод расчета по контурным токам. Суть во введении дополнительных неизвестных - токов в выделенных замкнутых контурах.
9.4 Моделирование в программах
Еще один мощный инструмент анализа электрических цепей - это моделирование в специализированных программах, например Proteus, Multisim, QUCS. Программное моделирование позволяет визуально исследовать работу цепей.
10. Исследование цепей с помощью моделирования в программах
Одним из лучших инструментов для исследования и оптимизации параметров электрических цепей является моделирование в специализированных программах, например Proteus, Multisim, Qucs и др.
10.1 Моделирование простых цепей в Proteus
Даже для простой цепи с несколькими элементами моделирование позволяет сразу увидеть форму сигналов, значения напряжений и токов в разных точках. Это очень наглядно и полезно при отладке.
