Электрическая цепь постоянного тока: законы и методы расчета

Электричество играет важнейшую роль в современном мире. Без него сложно представить нашу повседневную жизнь. Давайте разберемся, что же представляет собой электрический ток, как он возникает и распространяется по проводам.

Основные понятия и определения

Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц. Чаще всего это движение электронов в проводниках, таких как металлы. Электрическая цепь - совокупность устройств, соединенных проводниками таким образом, что обеспечивается замкнутое движение электрического тока.

В СИ единицей измерения электрического тока является ампер, напряжения - вольт, сопротивления - ом. Для участка цепи справедлив закон Ома: U = I * R, где U - напряжение, I - сила тока, R - сопротивление.

При последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление равно их сумме, при параллельном - величине, обратной сумме величин, обратных каждому сопротивлению.

Для упрощения расчетов цепей используют схемы замещения источников тока - идеальный источник ЭДС и идеальный источник тока.

Электрические цепи постоянного тока

Отличительной особенностью цепей постоянного тока является неизменность величины и направления электрического тока во времени. В таких цепях присутствуют активные элементы - источники энергии, и пассивные - приемники энергии.

Различают неразветвленные цепи, где ток одинаков во всех участках, и разветвленные. Для анализа разветвленных цепей используют понятия "узел", "ветвь" и "контур".

Расчет простых цепей постоянного тока производится по законам Кирхгофа - метод контурных токов, метод узловых потенциалов и метод наложения.

Электрические цепи постоянного тока широко используются на практике благодаря простоте получения постоянного тока и удобству расчетов таких цепей.

Нелинейные электрические цепи

Если хотя бы один элемент цепи обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой, такая цепь называется нелинейной. К нелинейным элементам относятся полупроводниковые и электровакуумные приборы, ферромагнитные материалы.

Для анализа нелинейных цепей используют:

• Графический метод
• Метод эквивалентного генератора
• Метод начальных приближений
• Метод гармонической линеаризации

Нелинейные цепи применяются в импульсных источниках питания, электронных усилителях, логических устройствах.

Таким образом, в статье рассмотрены основные понятия теории электрических цепей постоянного тока, особенности нелинейных цепей. Дальнейшие разделы будут посвящены переменному, трехфазному току, измерениям и другим вопросам.

Переменный электрический ток

В отличие от постоянного, переменный электрический ток меняет свое направление и величину с течением времени. Основными параметрами переменного тока являются период и частота, а также амплитуда и фаза.

При подключении к источнику переменного тока резистор ведет себя так же, как и в цепи постоянного тока. Однако конденсатор и катушка индуктивности оказывают сопротивление переменному току.

В цепях переменного тока может возникать резонанс - явление резкого возрастания амплитуды напряжения или тока. Расчет цепей переменного тока производится с помощью комплексных чисел.

Трехфазные цепи

Преимуществом трехфазного тока является возможность передачи больших мощностей. Соединение обмоток трехфазного генератора и нагрузки может быть звездой или треугольником.

Различают симметричный и несимметричный режимы работы трехфазной цепи. Для расчета используют метод симметричных составляющих.

Трехфазный ток широко применяется в электроэнергетике и промышленности для передачи и распределения электроэнергии.

Измерения в электрических цепях

Основными задачами измерений в электрических цепях являются определение параметров цепи и контроль ее режимов работы. Для измерения тока и напряжения используют амперметры, вольтметры и мультиметры.

Сопротивление измеряют с помощью омметра. Важно учитывать погрешности измерений и соблюдать правила электробезопасности.

Нелинейные искажения сигналов

Искажения формы сигналов в электрических цепях возникают из-за нелинейности вольт-амперных характеристик элементов. Это приводит к появлению гармоник.

Для борьбы с нелинейными искажениями применяют линеаризацию характеристик, фильтрацию гармоник, шунтирование нелинейных элементов.

Электромагнитные процессы в цепях

При изменении тока в цепи возникает электромагнитная индукция, которая проявляется в виде электродвижущей силы самоиндукции и взаимной индукции.

Это приводит к возникновению переходных процессов при коммутации цепей. Анализ переходных и установившихся процессов необходим для правильного проектирования цепей.

Нелинейные искажения сигналов

Искажения формы сигналов в электрических цепях возникают из-за нелинейности вольт-амперных характеристик элементов. Это приводит к появлению гармоник.

Для борьбы с нелинейными искажениями применяют линеаризацию характеристик, фильтрацию гармоник, шунтирование нелинейных элементов.

Виды нелинейных искажений

Основными видами нелинейных искажений являются:

• Гармонические искажения - появление гармоник сигнала
• Интермодуляционные искажения при наложении сигналов
• Перекрестные искажения в многоканальных системах
• Амплитудные искажения - ограничение амплитуды
• Фазовые искажения - изменение фазы сигнала

Влияние на работу цепи

Нелинейные искажения приводят к таким негативным эффектам, как:

• Ухудшение качества сигнала
• Нарушение работы схемы
• Перегрузка и перегрев элементов
• Сбои и отказы оборудования
• Снижение КПД и мощности

Методы оценки искажений

Для оценки искажений используют:

• Спектральный анализ сигнала
• Коэффициент гармоник
• Коэффициент нелинейных искажений
• Амплитудно-частотная характеристика
• Измерение фазовых сдвигов

Примеры применения

Устранение нелинейных искажений необходимо в таких устройствах, как:

• Звуковые усилители
• Радиопередатчики
• Измерительная аппаратура
• Системы связи
• Аналоговые вычислительные машины

Электромагнитная совместимость

Электромагнитная совместимость (ЭМС) - это способность оборудования работать без помех в условиях электромагнитных излучений.

Электромагнитная совместимость

Электромагнитная совместимость (ЭМС) - это способность оборудования работать без помех в условиях электромагнитных излучений.

Причины проблем ЭМС

Основными причинами проблем электромагнитной совместимости являются:

• Наведение помех в соседних цепях
• Излучение оборудованием электромагнитных волн
• Восприимчивость аппаратуры к внешним воздействиям
• Нелинейные искажения в цепях
• Несимметрия и неоднородность цепей

Последствия нарушения ЭМС

Нарушение электромагнитной совместимости приводит к:

• Ухудшению качества связи
• Сбоям в работе оборудования
• Помехам при приеме сигналов
• Невозможности нормальной работы
• Перегрузкам и выходу из строя элементов

Способы обеспечения ЭМС

Для обеспечения ЭМС применяют:

• Экранирование оборудования и кабелей
• Фильтрацию помех
• Заземление корпусов
• Симметрирование цепей
• Выравнивание потенциалов

Стандарты в области ЭМС

Разработан ряд стандартов, регламентирующих требования ЭМС:

• ГОСТ 30804.4.2-2013
• ГОСТ 30805.22-2013
• СТО 56947007-33.180.10.028-2009
• МЭК 61000-6-1, МЭК 61000-6-2
• СТО 34.01-2.3-011-2017

Испытания на ЭМС

Для подтверждения соответствия требованиям ЭМС проводят:

• Измерение уровня излучаемых помех
• Проверку помехоустойчивости
• Испытания на восприимчивость к электростатическим разрядам
• Испытания на устойчивость к радиочастотному излучению
• Измерение токов утечки