Глава 1. Основные теории электрических цепей и сигналов.
§1. Основные понятия теории электрических цепей.
Электрической цепью называют совокупность связанных между собой электрических элементов, по которым протекает электрический ток. Электрическую цепь, например, представляют узлы и детали компьютера, по которым протекает ток от сети питания.
Составными частями электрической цепи является источники электрической энергии и приемники (нагрузки).
К первичным источникам электрической энергии относятся устройства, в которых происходит преобразование химической, тепловой, механической и других видов энергии в электрическую (гальванические элементы, аккумуляторы, солнечные батареи, гидрогенераторы и т.п.).
К вторичным источникам энергии относятся блоки питания, выпрямители, стабилизаторы, приемные антенны. В этих источниках осуществляются различные преобразования электрических токов и напряжений. Например, переменный ток преобразуется в постоянный или наоборот, изменение напряжений и т.п.
Приемники электрической энергии – это элементы цепи, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии, а так же ее запасание (двигатели, лампы, транзисторы, резисторы, конденсаторы, индуктивности, передающие антенны и т.д.)
Т
ок
и напряжение полностью характеризуют
состояние электрической цепи. В
радиоэлектронных устройствах и в
компьютерах ток и напряжение выполняют
функцию передачи информации.
Электрическим током называют направленное
движение заряженных частиц в цепи. Ток
характеризуется величиной и направлением.
Ток в радиоэлектронике обозначается
латинскими буквами
или
(рис. 1). Если
- заряд, прошедший через заданное
сечение элемента цепи к моменту времени
,
то величина тока рассчитывается по
формуле
|
(1) |
.
Ток в приведенной формуле измеряется
в амперах (A), заряд в
кулонах, а время в секундах. Часто
используются меньшие величины тока:
миллиамперы, микроамперы, наноамперы
и пикоамперы: 1мА=
А,
1мкА=
А,
1нА=
А,
1пА=
А.
Например, материнские платы персональных
компьютеров потребляют от источника
питания постоянный ток, порядка 5 ампер,
а микросхемы несколько миллиампер.
Направление тока
задается произвольно стрелкой. Если
после расчетов в заданный момент времени
получено положительное значение тока,
то направление тока соответствует
указанному на схеме. Если отрицательная
величина тока, то в действительности
ток протекает в противоположном
направлении (относительно указанного
на схеме).
Электрическое напряжение рассматривается
как физическая причина, обусловливающая
возникновение тока в цепи. Напряжение
определяется как отношение энергии
,
необходимой для перемещения положительного
заряда
из
одной точки цепи в другую, к величине
этого заряда
|
(2) |
.Напряжение может быть как положительным, так и отрицательным. Направление напряжения указывается стрелкой или знаками + и -.
Перед расчетом направление неизвестного напряжения выбирается произвольно. Если величина напряжения после расчетов получилась положительной, то направление указано правильно. В противном случае напряжение противоположно выбранному направлению.
Напряжение измеряется в вольтах (В). В
радиоэлектронных устройствах встречаются
милливольты и микровольты, реже
киловольты: 1мВ=
В,
1мкВ=
В
и 1кВ=1000В. Например, для работы цветного
кинескопа монитора компьютера требуется
напряжение питания не менее 20 киловольт,
а для питания современных микропроцессоров
требуется напряжение 3 вольта.
Ток и напряжение в радиоэлектронных устройствах и компьютерах используются для передачи информации, поэтому их называют сигналами.
Кроме основных характеристик состояния цепи – тока и напряжения, на практике часто требуется знать энергию и мощность электрического тока. Энергия и мощность используются в радиоэлектронике для оценки энергетических параметров цепи.
Из формул (1) и (2) следует, что энергия, потребляемая данным участком цепи равна:
Дифференцируя полученное выражение по времени , получим формулу для расчета мгновенной мощности, потребляемой цепью
.
При
энергия, потребляемая участком цепи,
увеличивается, а при
- уменьшается. Мощность измеряется в
ваттах (Вт).