Схема замещения электрической цепи
Схема электрической цепи, которую составляют для расчета режима работы цепи, называют схемой замещения. Представление любой электрической цепи схемой замещения позволяет анализировать состояние и режим как всей цепи, так и ее частей.
Основными схемными элементами, используемыми для построения модели электрической цепи, являются: резистивный, индуктивный и емкостный. Эти элементы относятся к пассивным схемным элементам. К активным элементам относятся источники энергии.
Резистивным называют такой схемный элемент, в котором происходит только необратимое преобразование электромагнитной энергии в тепло. Внешняя характеристика резистивного элемента, связывающая падение напряжения на нем с проходящим через него током, определяется законом Ома. Согласно закону Ома, сопротивление участка цепи равно отношению напряжения на концах участка цепи к току в нем:
. (1.3)
Единица сопротивления называется Ом.
Индуктивным называют такой схемный элемент, в котором происходит только накопление магнитной энергии или только обмен магнитной энергией с цепью.
Емкостным называют такой схемный элемент, в котором происходит только накопление электрической энергии или только обмен электрической энергией с цепью.
Каждый элемент характеризуется только одним параметром: резистивный – сопротивлением, индуктивный – индуктивностью, емкостный - емкостью.
Все эти параметры могут быть либо постоянными, либо зависящими от значений и направлений напряжений и токов или от времени.
Активные схемные элементы представляют собой источники энергии, которые могут быть независимыми и зависимыми или управляемыми. Независимым источником ЭДС называют двухполюсник, напряжение на выходных зажимах которого задано для каждого момента времени и не зависит от проходящего через него тока. Напряжение на зажимах такого источника U(t) равно его ЭДС и может быть произвольной функцией времени. Если оно не зависит от времени, то источник называется источником постоянной ЭДС.
Основной характеристикой источника ЭДС является внешняя характеристика – зависимость напряжения на его зажимах от отдаваемого им тока. Для источника постоянной ЭДС внешняя характеристика представляет собой прямую линию, параллельную оси токов (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Внешняя характеристика источника постоянной ЭДС
Независимым источником тока называют двухполюсник, ток через выходные зажимы которого задан для каждого момента времени, и не зависит от напряжения на его зажимах. Ток такого источника может произвольно изменяться во времени. В частном случае, когда ток не зависит от времени, такой источник называют источником постоянного тока.
Основной характеристикой этого источника является внешняя характеристика – зависимость напряжения на его зажимах от тока источника. Для источника постоянного тока внешняя характеристика представляет собой прямую линию, параллельную оси напряжения (рис.1.2).
Рис. 1.2. Внешняя характеристика идеального источника постоянного тока
В отличие от независимых источников энергии, зависимые источники имеют не одну пару зажимов, а две: выходную и управляющую. Зависимые источники являются четырехполюсниками.
Зависимыми источниками ЭДС называют источники, электродвижущая сила которых зависит либо от тока, либо от напряжения на некотором участке цепи.
В общем случае связь между управляющей и выходной величинами в каждом источнике может быть сложной, но для решения задач теории цепей достаточно зависимых источников, у которых управляющие и выходные напряжения или токи связаны линейными зависимостями. В таких источниках выходной параметр Y прямопропорционален управляющему воздействию:
Y=kx.
Коэффициент пропорциональности kназывается коэффициентом управления, который в зависимости от типа источника может иметь размерность сопротивления, проводимости или быть безразмерной величиной. Если управляющие воздействия таких зависимых источников равны нулю, то на их выходе будут равны нулю соответственно ЭДС или токи.
Каждый активный элемент характеризуется только одним параметром – ЭДС или током на выходных зажимах источников.
С помощью активных и пассивных схемных элементов можно промоделировать любой элемент электрической цепи, представив его в виде схемы замещения.
На рис.1.3 приведена схема замещения для простейшей электрической цепи постоянного тока, состоящая из источника питания и приемника (потребителя). Источник питания на рис.1.3 представлен в виде двух элементов. Один из них, E, указывает, что в источнике есть ЭДС, стрелка показывает направление ЭДС – силы, действующей на положительные заряды. Второй – сопротивление Rвт – определяет преобразование электрической энергии в тепловую внутри источника. В потребителе происходит преобразование электрической энергии в другие виды: механическую, тепловую и пр. Для приемника задается его сопротивление R. Ток протекает по замкнутому контуру, состоящему из источника и приемника, в приемнике от вывода a к выводу b. В простейшей схеме не учтено сопротивление проводов, так как часто их сопротивление много меньше сопротивления потребителя.
