Кіріспе

Электр элементтерінің байланысы, электр қуатын тарату желілері және тарату тораптары

Электр желісі – электр компоненттерінің (мысалы, батареялар, резисторлар, индукторлар, конденсаторлар, коммутаторлар, транзисторлар) немесе осындай байланыстың моделі, электр элементтерінен (мысалы, кернеу көздері, ток көздері, кедергілер, индуктивтіктер, сыйымдылықтар) тұрады. Электр контуры – тоқтың қайту жолын қамтамасыз ететін жабық циклдан тұратын желі. Осылайша, барлық контурлар желілер болып табылады, бірақ барлық желілер контурлар емес (жабық циклсыз желілер көбінесе «схемалар» деп дұрыс емес аталады). Сызықтық электр желілері – тек көздерден (кернеу немесе ток), сызықтық жиынтық элементтерден (резисторлар, конденсаторлар, индукторлар) және сызықтық таратылған элементтерден (тарату желілері) тұратын арнайы типтегі желілер, сигналдар сызықты түрде қосылу қасиетіне ие. Осылайша, оларды талдау оңай, мысалы, Лаплас түрлендірулері сияқты қуатты жиілік доменді әдістерді қолдану арқылы, тұрақты ток (DC), айнымалы ток (AC) және өткіш процестерге жауапты анықтау үшін. Кедергілік желі – тек кедергілер мен идеалды ток және кернеу көздерін қамтитын желі. Кедергілік желілерді талдау, конденсаторлар мен индукторларды қамтитын желілерді талдаудан қарапайым. Егер көздер тұрақты (DC) көздер болса, нәтижесі DC желісі болады. Кез келген резистор желілерінің тиімді кедергісі мен ток тарату қасиеттерін олардың график өлшемдері мен геометриялық қасиеттері арқылы модельдеуге болады. Белсенді электрондық компоненттерді қамтитын желі электрондық схема деп аталады. Мұндай желілер әдетте сызықты емес және күрделі жобалау мен талдау құралдарын қажет етеді.

Пассивтілікпен

Белсенді желіде кемінде бір кернеу көзі немесе ток көзі болады, ол желіге энергияны шексіз мөлшерде беруге қабілетті. Пассивті желіде белсенді көздер болмайды. Белсенді желіде бір немесе бірнеше электр қозғалтқыш күшінің көздері бар. Мұндай көздердің нақты мысалдары аккумулятор немесе генератор болып табылады. Белсенді элементтер тізбекке қуат жіберуге, қуатты күшейтуге және тізбектегі ток ағынын басқаруға мүмкіндік береді. Пассивті желілерде электр қозғалтқыш күшінің көздері жоқ. Олар резисторлар және конденсаторлар сияқты пассивті элементтерден құралады.

Сызықтыққа қарай

Егер оның сигналдары суперпозиция принципіне бағынса, желі сызықты болады; әйтпесе, ол сызықтық емес. Пассивті желілер көбінесе сызықты деп есептеледі, бірақ олардың арасында ерекше жағдайлар бар. Мысалы, темір өздігі бар индуктор, егер жеткілікті күшті токпен қозғалса, қанығуға түсуі мүмкін. Осы аймақта индуктордың мінез-құлқы өте сызықтық емес болады.

Қаттылықпен

Дискретті пассивті компоненттер (резисторлар, конденсаторлар және индукторлар) түйірленген элементтер деп аталады, себебі олардың сәйкесінше кедергісі, сыйымдылығы және индуктивтілігі бір нүктеде шоғырланған деп есептеледі. Бұл жобалау философиясы түйірленген элемент моделі деп аталады, ал осылай жобаланған тізбектер түйірленген элемент схемалары деп аталады. Бұл схемаларды жобалаудың дәстүрлі тәсілі. Жеткілікті жоғары жиіліктерде немесе ұзын тізбектерде (мысалы, қуат беру желілерінде) түйірленген шарт енді қолданылмайды, өйткені компонент өлшемдері бойынша толқын ұзындығының маңызды бөлігі бар. Мұндай жағдайларда үлестірілген элемент моделі деп аталатын жаңа жобалау моделі қажет. Осы модельге сәйкес жобаланған тізбектер үлестірілген элемент схемалары деп аталады. Кейбір түйірленген компоненттерді қамтитын үлестірілген элемент схемасы жартылай түйірленген жобалау деп аталады. Жартылай түйірленген схеманың мысалы – тарақты сүзгі.

Көздерді жіктеу

Көздерді тәуелсіз көздер және тәуелді көздер деп жіктеуге болады.

Тәуелсіз

Идеалдық тәуелсіз көз тізбектегі басқа элементтердің болуына қарамастан, кернеудің немесе тоқтың мәнін өзгеріссіз сақтайды. Оның шамасы тұрақты (DC) немесе синусоидты (AC) болуы мүмкін. Қосылған тізбектегі кез келген өзгеріс кернеудің немесе тоқтың күшіне әсер етпейді.

Тәуелді

Тәуелді көздер қуатты, кернеуді немесе токты жеткізу үшін схеманың белгілі бір элементіне тәуелді, бұл көздің түріне қарай өзгереді.

Электрлік заңдылықтарды қолдану

Барлық сызықтық резистивтік желілерге бірқатар электр заңдары қолданылады. Оларға мыналар жатады:

Кирхгофтың ток заңы: Түйінге кіретін барлық токтардың қосындысы сол түйінден шығатын токтардың қосындысына тең. Кирхгофтың кернеу заңы: Контур бойындағы электр потенциалдарының бағытталған қосындысы нөлге тең болуы керек. Ом заңы: Резистор арқылы өтетін кернеу, оның кедергісі мен ток күшінің көбейтіндісіне тең. Нортон теоремасы: Кернеу немесе ток көздері мен резисторлардан тұратын кез келген желі, бір резистормен параллель қосылған идеал ток көзіне эквивалентті. Тевенин теоремасы: Кернеу немесе ток көздері мен резисторлардан тұратын кез келген желі, бір резистормен тізбектелген бір кернеу көзіне эквивалентті. Суперпозиция теоремасы: Бірнеше тәуелсіз көздері бар сызықтық желіде, барлық көздер бірдей әрекет еткендегі белгілі бір тармақтағы жауап, әрбір көзді жеке қарастырып есептелген жауаптардың сызықтық қосындысына тең. Осы заңдарды қолдану нәтижесінде бірнеше теңдеулер жиынтығы пайда болады, оларды алгебралық немесе сандық әдіспен шешуге болады. Заңдарды, әдетте, реактивті элементтері бар желілерге де қолдануға болады. Оларды сызықтық емес немесе уақытқа байланысты өзгеретін компоненттері бар желілерде қолдануға болмайды.

Құрылыс әдістері

Кез келген электр схемасын, аналогты немесе цифрлық, жобалау үшін электр инженерлері схеманың кез келген нүктесіндегі кернеу мен ток күшін болжауға қабілетті болуы керек. Қарапайым сызықтық схемаларды күрделі сандар теориясын қолдана отырып қолмен талдауға болады. Күрделірек жағдайларда схеманы арнайы компьютерлік бағдарламалармен немесе бөлшектік сызықтық модель сияқты шамалау әдістерімен талдауға болады. HSPICE (аналогтық схеманы модельдеу бағдарламасы) сияқты схемалық модельдеу бағдарламалық жасақтамасы және VHDL AMS және verilog AMS сияқты тілдер инженерлерге схема прототиптерін жасаумен байланысты уақыт, шығын және қателік қаупінсіз схемаларды жобалауға мүмкіндік береді.

Желілік симуляция бағдарламалық жасақтамасы

Күрделі схемаларды SPICE немесе GNUCAP сияқты бағдарламалық қамтамасымен сандық түрде талдауға болады, немесе SapWin сияқты бағдарламалық қамтамасымен символдық түрде.

Жұмыс нүктесі бойынша сызықтық

Жаңа схемамен кездескенде, бағдарламалық қамтамасыз ету алдымен тұрақты күйдегі шешімді табуға тырысады, яғни барлық түйіндер Кирхгоффтың ток заңына сәйкес келеді және схеманың әрбір элементі арқылы және оның ішіндегі кернеулер сол элементті басқаратын кернеу-ток қатынастарына сәйкес келеді. Тұрақты күйдегі шешім табылғаннан кейін, схемадағы әрбір элементтің жұмыс нүктелері белгілі болады. Кішкентай сигналдарды талдау үшін, әрбір сызықтық емес элементті оның жұмыс нүктесінің маңында сызықтық түрге келтіріп, кернеулер мен токтардың шағын сигналдық шамасын анықтауға болады. Бұл Ом заңының қолданылуы. Соның нәтижесінде алынған сызықтық схема матрицасын Гаусс әдісімен шешуге болады.

Бөлшек бойынша сызықтық шамалау

Simulink-ке PLECS интерфейсі сияқты бағдарламалық қамтамасыз ету, тізбектің элементтерін басқаратын теңдеулерді кезең-кезеңімен сызықтық жуықтау арқылы қолданады. Тізбек идеалды диодтардың толық сызықтық желісі ретінде қарастырылады. Диодтың қосылудан өшіруге немесе керісінше ауысуы сайын, сызықтық желінің конфигурациясы өзгереді. Теңдеулерді егжей-тегжейлі жуықтау симуляцияның дәлдігін арттырады, бірақ оның орындалу уақытын да ұзартуы мүмкін.