Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦІЯ 1
Вступ. Основні поняття теорії електричних кіл.
1. Вступ. Предмет і задачі дисципліни.
2. Електричне коло. Визначення, склад, класифікація.
3. Пасивні елементи, як моделі реальних пристроїв, їхні основні характеристики.
4. Поняття про дуальність. Дуальні елементи і ланцюги.
5. Джерела електричної енергії. .
6. Класифікація електричних кіл. Елементи топології.
Література: Л1. с.27 – 42, 62-67. Л6. с.4 - 15 Л8. с,5 - 36
1.1. Вступ. Предмет і задачі дисципліни СПТМ.
Шановні добродії. Ви приступаєте до вивчення однієї з основних загальінженерних дисциплін «Сигнали і процеси телекомунікаційних мереж» (СПТМ). Знання, отримані при вивченні цієї навчальної дисципліни, будуть основою для вивчення Основ теорії зв'язку, інформаційних, комп'ютерних технологій. Особливо, знания цієї дисципліни допоможуть освоїти й одержати теоретичні знання і практичні навички у вивченні методів і засобів інформаційної безпеки. А саме, різних видів розвідки, засобів радіо- електронного та іншого видів протидії.
Важливоюї її складовою, котра закладає основи знань електричних- і радіокіл є розділ «Теорія електричних кіл». Ви одержите узагальнюючі знання, що потрібні будуть у практичній діяльності, особливо, у наш час насичення складною електронною технікою всіх галузей народного господарства. Поява нових технологій, відкриття в галузі мікроелектроніки, створення надшвидких обчислювальних засобів, перехід засобів зв'язку до цифрової обробки сигналів підтверджує тенденцію швидкої зміни поколінь техніки. Для успішного рішення різних технічних задач фахівець повинен досконало знати довірену йому техніку, вміти в найкоротший термін освоювати нові зразки.
Щоб зрозуміти роль і місце досліджуваної дисципліни у підготовці спеціалістів варто привести один приклад. Представимо формально систему, що складається з комп'ютера й апаратури зв'язку.
ВИПРОМІНЮВАННЯ ПРИЙОМ ПЕРЕДАЧА
Мережа
Що означає саме поняття витік інформації?
Комп'ютер сам по собі випромінює електромагнітні хвилі в досить широкому діапазоні хвиль. У швидкодіючих комп'ютерах з так званими тактовими частотами більш 100 мегагерц умови виконання операцій у процесорах, в інших вузлах комп'ютера призводять до мимовільного випромінювання сформованих сигналів у простір. Випромінювання іноді виявляється настільки великим, що в межах міста при щільних забудовах можна, як говорять фахівці, «зняти» з конкретного комп'ютера всю оброблювану інформацію. Сильним джерелом випромінювання є монітор, побудований на базі электронно – променевої трубки. За допомогою спеціальних засобів можна «прочитати» з відстані від 50 до 200 метрів всю оброблювану інформацію.
Використання систем зв'язку з традиційними методами формування сигналів для передачі інформації, їхня передача, особливо за допомогою ліній радіопередач, обробка в приймачах, застосування для обробки тих же комп'ютерів завжди вимагає вживання спеціальних заходів для запобігання витоку інформації.
Для запобігання витоку інформації, тобто її захисту, необхідно використовувати як організаційні, так і технічні засоби. Для кваліфікованого використовування технічних заходів необхідно знати методи і засоби, що застосовуються в конкретних ситуаціях. З цією метою необхідно представляти види і структуру сигналів, що використовуються у системах обробки, а також при передачі і прийомі. Засоби захисту використовують різні методи фільтрації, обробки складових сигналів. У кожному конкретному випадку необхідно вибрати грамотно правильне рішення. Для цього потрібно знати, яким чином різні сигнали проходять через електричні кола, які зміни вони перетерплюють. Наприклад, при обробці сигналів, крім основних частот, на яких міститься корисна інформація, можуть з'явитися сигнали на так званих гармоніках. На жаль вони теж несуть корисну інформацію. Але їх часто необхідно усувати.
Якщо не застосувати спеціальні засоби, то виток інформації може відбутися і через мережу електричного живлення. Іноді застосування простих фільтрів, що складаються зі спеціально підібраних елементів – котушок індуктивностей, конденсаторів, опорів дозволяє захистити робочу станцію від витоку інформації.
Щоб правильно вибрати пристрій захисту інформації, його грамотно застосовувати, вчасно провести ремонтно – відбудовні роботи, а якщо потрібно удосконалити, необхідно одержати глибокі знання пропонованої вам дисципліни.
Теорія електричних кіл (ТЕК) є найважливішим інструментом, що широко використовується в двох суміжних напрямках науки і техніки – електротехніці і радіоелектроніці. В обох випадках в основі застосування цих напрямків лежать електромагнітні процеси. Тому вони мають багато загального, однак вирішують різні технічні задачі.
Основна задача електротехніки - виробництво і передача електричної енергії, перетворення її в інші види енергії, наприклад у механічну, теплову, світлову.
Основна задача радіоелектроніки - використання електромагнітних явищ для передачі і обробки информації, основними галузями радіоелектроніки є радіозв'язок, телебачення, радіолокація, радіонавігація, телекерування, телевимірювання, обчислювальна техніка, автоматизація різних процесів і ін.
Предметом ТЭК є аналіз і синтез різних ланцюгів у сталих і перехідному режимах роботи. Відповідно до програми вивчення необхідно засвоїти основні методи аналізу кіл у стаціонарному режимі і при проходженні сигналів.
Синтез кіл є зворотна задача. Вона складається у відшуканні структури кіл і її параметрів по заданих умовах. Вивчення цієї задачі в нашій дисципліні буде носити ознайомлювальний характер.
2.Електричне коло (ЕК) .
Електричним колом називається сукупність елементів і пристроїв, з'єднаних лініями передачі, що утворюють шлях для електричного струму. Вони призначені для генерації електромагнітних коливань (сигналів), передачі, прийому, а також їхньої обробки.
Електромагнітні процеси в ЕК можуть бути описані за допомогою таких фізичних величин, як струм, напруга, електро рушійна сила (ЕРС).
I. Електричний струм є упорядкований рух вільних носіїв електричного заряду (електрони, іони). За напрямок струму завжди приймають напрямок руху позитивних зарядів.
Ток може бути постійним або змінний. Величина струму вимірюється в амперах або в частках ампера: 1 ма = 10-3 А, 1 мка = 10-6 А.
Напруга між двома вузлами ланцюга визначається різницею потенціалів між цими вузлами. Воно спрямовано від вузла з великим потенціалом до вузла з меншим потенціалом, тобто збігається з напрямком струму на даній ділянці ланцюга.
2.Напруга вимірюється у вольтах. Часто для зручності застосовують похідні величини:
1 кв = 1000 в, 1 мв = 10-3 в. 1 мкв = 10-6 в.
3. ЕРС характеризує роботу сторонніх сил джерела енергії щодо переміщення зарядів. Сторонні сили - це сили неелектромагнітного походження. Вони обумовлені механічними, хімічними, світловими та ін. видами енергії. Напрямок ЕРС збігається з напрямком струму в джерелі і протилежно напрямкові напруги на затисках джерело.
ЕРС виміряється у вольтах. Вона чисельно дорівнює напрузі на затисках джерела при відсутності струму в ланцюзі. Для підключення в ланцюг кожен елемент ланцюга має зовнішні висновки які часто звуть полюсами або затисками. Кінцевий (вихідний) елемент ланцюга звичайно називають навантаженням.
При аналізі процесів у ЕК складають еквівалентну електричну схему, де всі реальні елементи заміняють спрощеними ідеалізованими електричними моделями. Застосовують дві групи моделей:
активні елементи або джерела електричної енергії,
пасивні елементи або споживачі (приймачі) електричної енергії.
Ці моделі з визначеною точністю відбивають залежність між струмом і напругою реального елемента, але не характеризують його конструктивні особливості.
3. Пасивні елементи ланцюга
Пасивними називаються елементи ланцюга, що запасають электричну енергію, або перетворяють її в інші види енергії, наприклад, у механічну, теплову, звукову, світлову і т.д.
При аналізі ланцюгів усі реальні, пасивні елементи заміняються ідеальними пасивними моделями. Застосовують три види моделей: опір, ємність, індуктивність. Ці терміни мають два змісти: назва елемента й основна кількісна характеристика (параметр) цього елемента.
Параметри цих елементів можуть бути постійному або перемінними в часі. Елемент, параметр якого змінюється в часі, називається параметричним.
Крім того, елементи можуть бути лінійними і нелінійними. Лінійним називається пасивний елемент, параметр якого не залежить від величини струму (напруги). Якщо параметр залежить від величини струму (напруги), то елемент називається нелінійним
3.1. Опір.
Це є елемент еквівалентної схеми ланцюга, у якому проходить незворотнє перетворення електричної енергії в інші види енергія. Опором можна наприклад, представити резистор, гучномовець передавальну антену, електродвигун, лампу накалювання і т.п.
Реальні резистори дуже близькі за властивістю до опору. Здатність опору перетворювати електричну енергію кількісно характеризується величиною опору в Омах (кОм, мОм), або величиною провідності g= 1/r у сименсах.
У лінійному опорі струм і напруга зв'язані законом Ома. –
|
I r U |
r = U/I = const |
3.2.. Ємність
Це є елемент еквівалентної схеми ЕК, в якому запасається енергія електричного поля. Запасена знергія може переходити в ланцюг, але перетворення енергії не відбувається.
Величина запасеної енергії визначається зарядом q, що вимірюється в кулонах (Кл) за час t. У ємності накопичується заряд
q = idt (1)
Здатність елемента запасати енергію кількісно характеризується величиною ємності С в фарадах
C=q/U (2)
На практиці, над правило, ємність кзмеряется частками фаради:
мікрофарада 1 мк = 10-6 Ф,
нанофарада 1 нФ = 10-9 Ф,
пикофарада, 1 пф = 10-12 Ф.
Використовуючи (1) і (2) знайдемо зв'язок між напругою і струмом у ємності
U= q/C=1/C* (3.)
i = dq/dt = C dU/dt (4.)
Примітка: струм у ємності є умовним поняттям, тому що він обумовлений не рухом зарядів у діелектрику, а зміною напруги
між обкладками.
I
Uc
Реальний конденсатор за властивостями дуже близький до ємності.
3.3. Індуктивність.
Це є елемент еквівалентної схеми ЕК, у якому запасається енергія в магнітному полі. Запасена енергія може віддаватися в ланцюг, але перетворення енергії не відбувається.
Здатність елемента запасати енергію кількісно характеризується
величиною індуктивності , вимірюване в Генрі. практиці звичайно
застосовують більш дрібні одиниці виміру:
1 мГн = 10-3 Гн,
1 мкГн = 10-6 Гн.
Зв'язок між напругою і струмом в індуктивності визначається законом електромагнітної індукції:
UL= - eL = dψ/dt = L di/dt, (5)
T
i = 1/L UL dt, (6)
0
де ψ = i – потокорозщеплення,
i L
UL
Реальна котушка індуктивності близька по властивостях до індуктивності. Примітка
1. Ємність і індуктивність називають енергоємними елементами тому, що вони запасають электричну енергію.
2. Ємність і індуктивність дуже часто називають реактивними злементами, тому що вони здатні віддавати енергію, що накопичується.
Розглянуті ідеальні моделі дозволяють одержати еквівалентну схему будь-якого реального пасивного елемента. Наприклад, на високих частотах резистор, конденсатор і котушку індуктивності можна представити еквівалентними схемами, відповідно.
4. ПОНЯТТЯ ПРО ДУАЛЬНІСТЬ
ДУАЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ І ЛАНЦЮГИ
Умова дуальності полягає в тім, що закон зміни струмів в одному ланцюзі подібний законові зміни напруг в іншому ланцюзі. Два ланцюги називаються дуальними, якщо рівняння для напруг однієї з них можна виразити через рівняння для струмів іншого ланцюга. Елементи ланцюга, що задовольняють умові дуальности, називаються дуальними. Такими є, наприклад, опір і провідність, індуктивність і ємність, джерело ЕРС і джерело струму (табл. 1.1).
Таблиця 1.1
При послідовному з'єднанні елементів (мал. 1,а) підсумовуваються напруги, при паралельному (мал. 1,6) – струми. Тому послідовному з”єднанню -дуально паралельне, і навпаки. Якщо, наприклад, послідовне з'єднання елементів r, L, C замінити рівноцінним з'єднанням дуальних їм елементів g, С, L, те це і будуть дуальні ланцюги (мал. 1).
Рівняння для напруг послідовного ланцюга відповідає рівнянню для струмів рівноцінного ланцюга. Току i у першому випадку відповідає напруга і в другому випадку.
Принцип дуальності часто використовується при аналізі і синтезі ланцюгів, а також у техніці моделювання.
a б
Мал. 1.
4. Джерела електричної енергії
Джерела здатні створювати (генерувати) електричну енергію і віддавати її в ланцюг. Тому їх називають активними елементами.
Розрізняють незалежні і залежні джерела. Незалежні і первинні джерела- це джерела, у яких електрична енергія створюється за рахунок сторонніх сил. До них відносяться акумулятори, гальванічні елементи, сонячні батареї, генератори різних електростанцій.
Залежними або керованими джерелами називають елементи ланцюга, що створюють електричну енергію тільки при впливі енергії первинного джерела.
До них в ТЕК відносяться електронні лампи, транзистори, й ін. електронні прилади, які використовуються для генерування, посилення і перетворення сигналів.
Примітка
До залежних джерел варто відносити також різні блоки живлення обчислювальних комплексів (ОК), радіолокаційних і зв'язних станцій, автоматизованих систем керування (АСК) і інших радіоелектронних засобів (РЭЗ). У складі блоків живлення можуть входити выпрямлячі, стабілізатори напруг і струмів.. Ці джерела мають назву вторинних.
У ТРК реальні джерела представляють однієї з двох ідеалізованих моделей: джерелом напруги або джерелом струму.
Ідеальним джерелом напруги називається активний елемент, напруга на затисках якого не залежить від величини струму, що віддається в ланцюг.
U
i
Отже, ідеальне джерело напруги не має власного (внутрішнього) опору, rі = 0, і має нескінченно велику потужність. Напруга на його затисках дорівнює ЕРС, u ( t) = e (t).
Умовне графічне зображення показує направленість ЕРС і напруги
i(t)
e(t) u(t)=e(t) Навантаження
Ідеальним джерелом струму називається активний елемент, у якого струм, що віддається в ланцюг не залежить від напруги на затисках.
U
i
Отже, він має нескінченно велику потужність, а його внутрішній опір нескінченно великий ri =
На умовному графічному зображенні показуються напрямки струму
у джерелі і напруги на його затисках.
i(t) =I(t)
j(t) U(t) навантаження
Характеристики реальних джерел істотно відрізняються від ідеальних. Лише тільки в окремих випадках є задовільний збіг. Наприклад, стартерна акумуляторна батарея близька до ідеального джерела напруги, тому що при короткочасному включенні напруга на її затисках дуже мало залежить від величини струму.
Принциповою відмінністю реальних джерел є кінцева потужність і кінцевий внутрішній опір. При цьому напруга на виходах затисків істотно залежить від величини струму в ланцюзі (або навпаки).
u ri =0
ri u(t)=e(t) ri1 0
ri2 ri1
i
i(t) j(t)
u ri2 < ri1 ri1 < ri=
ri
i
Розглянуті джерела є незалежними. Залежні або керовані активні елементи також можуть бути джерелами струму або напруги. Вони характерні тим, що мають дві пари затисків, вихідні і вхідні, через які виконується управління.
Розрізняють чотири види ідеальних керованих джерел:
1. Джерело напруги, керований напругою (ИНУН) ;
2. джерело напруги, керований струмом (ИНУТ).
3. джерело струму, керований напругою,
4. джерело струму керований, струмом.
5. Класифікація електричних ланцюгів.
У радіоелектроніці застосовується безліч ланцюгів різних по складу і призначенню. Для зручності їх прийнято класифікувати за різними критеріями. Розглянемо деякі, найбільш важливі для ТЕК, види ланцюгів.
1. При наявності активних елементів розрізняють пасивні й активні ланцюги. ЕК називається активним, якщо в ньому є хоча б одне внутрішнє залежне джерело енергії. Активні ланцюги здатні підсилювати сигнали, наприклад, змінювати їхню амплітуду.
2. По характеристиках елементів розрізняють лінійні і нелінійні ланцюги. Нелінійної називається ланцюг, що містить хоча б один нелінійний елемент.
3. Щодо тимчасової залежності параметрів елементів розрізняють ланцюги з постійними параметрами і параметричні ланцюги, у яких є хоча б один елемент зі змінюваним параметром.
4. За складом елементів ланцюг може бути резистивний, реактивний і змішаний.
Резистивний ланцюг складається тільки з опорів. Він не запасає енергію. Реактивний ланцюг містить тільки реактивні елементи, тому він запасає і не споживає енергію.
При аналізі склад і складність ланцюга часто характеризує поняттям "порядок” ланцюга. Порядок ланцюга визначається числом енергетично незалежних реактивних елементів. Резистивний ланцюг має нульовий порядок.
Ланцюг першого порядку має лише один реактивний елемент і т.д.
5. За числом зовнішніх полюсів (затисків) розрізняють двополюсні, триполюсні та, у загальному випадку, багатополюсні ланцюги. Найбільше часто в ТЕК мають справу з двополюсниками і чотириполюсниками.
6. За співвідношенням геометричних розмірів l ланцюга і довжини хвилі λ електромагнітних коливань сигналу розрізняють ланцюги з зосередженими (l<<λ) і розподіленими параметрами, коли розмір l порівнюється з довжиною хвилі, або менше неї.
6.1. Елементи топології ланцюгів.
Топологія - галузь математики, що вивчає властивості фігур, що не змінюються при перетвореннях. У ТЕК такими фігурами є эдектричні схеми ланцюгів. Основними топологічними елементами схеми. є гілка, вузол, контур.
На практиці розрізняють послідовне і паралельне з'єднання елементів.
1.Послідовним з'єднанням елементом називається таке з'єднання елементів, при якому через ці елементи проходить один і той же струм.
R C R C
Рис. 1
Гілка - це ділянка електричного ланцюга, вздовж якого тече один і той же струм. Гілка може бути утворена одним, або декількома елементами, з'єднаними послідовно.
Вузол - це місце з'єднання трьох і більш гілок. На схемі місце з'єднання позначене крапкою (Рис. 2).
2.Паралельним з'єднанням гілок, підключених до однієї пари вузлів, називається з'єднання, при якому всі гілки мають одну напругу (Рис. 2,б). Стосовно до гілок, що складаються з одного елемента, говорять про паралельне з'єднання елементів.
r C r C
L
L
а) Рис. 2 б)
Ток, що протікає через гілку від одного вузла до іншого, називається струмом гілки. У свою чергу, напругу між двома вузлами, з'єднаних гілкою, називається напругою цієї гілки.
Напруга між двома вузлами існує й у тому випадку, якщо вони не з'єднані одною гілкою. Наприклад, у ланцюзі з чотирма, або більш вузлами існує деяка напруга між різними вузлами. Крім того, у ланцюзі часто буває прийнято відраховувати напруга усіх вузлів щодо деякого базисного вузла. Базисний вузол вибирають довільно. Наприклад, їм може бути вузол, з'єднаний з корпусом электронного приладу, шасі. Останній, наприклад, з'єднується спеціальним проводом із землею.
Контур (коло) – являє собою сукупність елементів, що утворять замкнутий шлях для струму. Це замкнута ділянка ланцюга, утворена декількома гілками. У свою чергу, струми, що проходять у контурах, називають контурними струмами.
При розрахунку й аналізі електричного ланцюга велику роль грає вивчення й облік її геометричної структури, геометричного образа ланцюга. Вони засновані на топології. Топологія — розділ математики, у якому
Рис.3.
досліджуються геометричні властивості фігур, що не залежать від їхніх розмірів і прямолінійності. До числа основних геометричних топологічних понять, що використовуються у теорії електричних ланцюгів, відносяться: гілка, вузол, контур, граф.
Топологічні властивості лінійного електричного ланцюга вивчають шляхом заміни всіх її елементів лініями. Якщо на схемі ланцюга (мал. 3, а) усі вузли замінити крапками, а гілками-лініями, то отриманий кістяк називається топологічним графом ланцюга (мал. 3,6). Граф ланцюг-це таке зображення її схеми, на якому усі вузли замінені точками, а гілки – лініями.
Рис.4.
Вузол графа – це точка з'єднання трьох і більш галузей. Гілка графа - це гілка схеми ланцюга, що перетворюється в лінію. Гілка графа утвориться лише з гілок ланцюга, що містять такі елементи, як опір, індуктивність або ємність.
Рис.5.
Але гілка ланцюга, що містить лише ідеальні джерела енергії, не утворить гілку на графі. Слід зауважити на особливості врахування джерел енергії при побудові графа. Перед побудовою графа ланцюга кожне ідеальне джерело струму замінюється розривом його гілки, а ідеальне джерело ЕРС - коротким замиканням його затисків. При цьому розуміється, що внутрішній опір цих елементів дорівнює безкінечності, або нулю відповідно, а це еквівалентно розриву або замиканню гілки (мал. 5).
Важливими поняттями в топології ланцюгів є дерево графа і зв'язок або хорда графа.
Дерево граф - будь-яка сукупність гілок графа, що з'єднує всі його вузли без утворення контурів. Тому що вузли графа можна, не утворюючи контури, з'єднати лініями по-різному, кожному графові відповідає кілька різних дерев, наприклад, як це показано суцільними лініями на мал. 6. Число гілок на дереві графа на одиницю менше числа вузлів, що з'єднуються ними. Число гілок графа є важливою характеристикою ланцюга, що визначає число її незалежних вузлів. Незалежними називаються всі вузли схеми, що утворять відповідні вузли на її графі, крім однієї з них. Число незалежних вузлів дорівнює числу галузей на дереві графа.
Зв'язок (хорда) графа-галузь графа, що не належить його дереву. На мал. 6 зв'язок графа показані пунктиром. При доповненні дерева графа зв'язком (хордою) на графі утвориться контур (коло). Кожний з цих контурів не може бути утворений тільки з елементів інших контурів і називається незалежним контуром. Число незалежних контурів дорівнює числу зв'язків (хорд) на графі. Наприклад, ланцюга, приведені на мал. 3 і 4, мають три незалежних контури по числу зв'язків графа.
Часто на гілках графа стрілкою вказують напрямок. Такий граф стає спрямованим. Орієнтація звичайно відповідає прийнятим напрямкам струмів, що протікають у відповідних галузях ланцюга, або напруг, що діють на їхніх затисках. Спрямований граф схем-це граф із вказівкою умовно-позитивних напрямків струмів або напруг у виді відрізків зі стрілками.
ВИСНОВКИ
1.Ми познайомилися з основними поняттями і визначеннями, що використовуються в электро- і радіотехніку.
2.Поняття гілки, вузла, контуру, способи з'єднань елементів ланцюгів, графи, це все, що Вам має бути використовувати при освоєнні СПТМ і інших навчальних дисциплін.