Введение в электронику.

Глава 8. Цепи постоянного тока.

ЦЕЛИ.

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Вычислить все неизвестные величины (силу тока, напряжение, сопротивление и мощность) в последовательной, параллельной и последовательно-параллельной цепи.

При изучении электроники некоторые цепи встречаются неоднократно. Наиболее широко используемыми цепями являются: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная.

В этой главе информация из нескольких предыдущих глав применяется для вычисления любых неизвестных величин в упомянутых трех типах цепей.

8-1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ.

Последовательная цепь (рис. 8–1) обеспечивает только один путь для протекания тока. Факторы, определяющие свойства последовательной цепи, таковы:

Введение в электронику.

Рис. 8–1.

1. Одинаковый ток течет через каждый элемент последовательной цепи.

(IT = IR1 = IR2 = IR3 = … = IRn)

2. Полное сопротивление последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений.

(RT = R1 + R2 + R3+ … + Rn).

3. Полное напряжение на последовательной цепи равно сумме отдельных падений напряжений.

(ET = ER1 + ER2 + ER3 + … + ERn)

4. Падение напряжения на резисторе в последовательной цепи пропорционально сопротивлению резистора.

(I = E/R).

5. Полная мощность, выделяемая в последовательной цепи, равна сумме мощностей, выделяемых на отдельных резисторах.

(PT = PR1 + PR2 + PR3+ … + PRn).

ПРИМЕР: Три резистора, 47 ом, 100 ом и 150 ом, соединены последовательно с батареей 12 вольт. Вычислите все параметры цепи.

В качестве первого шага нарисуем схему цепи и перечислим все известные и неизвестные величины. См. рис. 8–2.

Введение в электронику.

Рис. 8–2 

Дано:

ET = 12 В; R1 = 17 Ом; R2 = 100 Ом; R3 = 150 Ом.

IT =?; RT =?; PT =?

ER1 =?; ER2 =?; ER3 =?

PR1 =?; PR2 =?; PR3 =?

При вычислении всех неизвестных значений сначала надо найти полное сопротивление. После этого можно определить текущий по цепи ток. Когда известен ток, можно определить падения напряжений и выделяемую мощность.

R1 = 47 Ом; R2 = 100 Ом; R3 = 150 Ом.

RT =?

Решение:

RT = R1 + R2 + R3.

RT = 47 + 100 + 150.

RT = 297 Ом.

С помощью закона Ома вычислим ток:

Дано:

ET = 12 В; RT = 297 Ом.

IT =?

Решение:

IT = ET/RT = 12 /297.

IT = 0,040 А.

Так как IT = IR1 = IR2 = IR3, падение напряжения (ЕR1) на резисторе R1 можно вычислить следующим образом:

Дано:

IR1 = 0,040 А; R1 = 47 Ом.

ER1 =?

Решение:

IR1 = ER1/R1.

0,040 = ER1/47.

ER1 = 1,88 В.

Падение напряжения (ER2)на резисторе R2 равно.

Дано:

IR2 = 0,040 А; R2 = 100 Ом.

ER2 =?

Решение:

IR2 = ER2/R2.

0,040 = ER2/100.

ER2 = 4 В.

Падение напряжения (ER3)на резисторе R3 равно.

Дано:

IR3 = 0,040 А; R3 = 150 Ом.

ER3 =?

Решение:

IR3 = ER3/R3.

0,040 = ER3/150.

ER3 = 6 В.

Убедимся в том, что сумма отдельных падений напряжения равна полному напряжению.

Дано:

ЕТ = 12 В; ER1 = 1,88 В; ЕR2 = 4В; ЕR3 = 6 В.

Решение:

ET = ER1 + ER2 + ER3.

ET = 1,88 + 4 + 6.

ET = 11,88 В.

Мы видим, что есть небольшое различие между вычисленным и заданным напряжением, которое возникло вследствие округления полного тока до трех десятичных знаков.

Мощность, выделяемая на резисторе R1 равна:

Дано:

IR1 = 0,040 А; ER1 = 1,88 В.

РR1 =?

Решение:

РR1 = IR1∙ER1 

РR1 = (0,040)(1,88).

РR1 = 0,075 Вт.

Мощность, выделяемая на резисторе R2 равна:

Дано:

IR2 = 0,040 А; ER2 = 4 В.

РR2 =?

Решение:

РR2 = IR2∙ER2 

РR2 = (0,040)(4).

РR2 = 0,16 Вт.

Мощность, выделяемая на резисторе R3 равна:

Дано:

IR3 = 0,040 А; ER3 = 6 В.

РR3 =?

Решение:

РR3 = IR3∙ER3 

РR3 = (0,040)(6).

РR3 = 0,24 Вт.

Полная выделяемая в цепи мощность равна:

Дано:

РR1= 0,075 Вт; РR2 = 0,16 Вт; РR3 = 0,24 Вт.

PT =?

Решение:

PT = РR1 + РR2 + РR3.

PT = 0,075 + 0,16 + 0,24.

PT = 0,475 Вт или 475 мВт.

8–1. Вопросы.

1. Четыре резистора — 270 ом, 560 ом, 1200 ом и 1500 ом — соединены последовательно с батареей 28 вольт. Вычислите все неизвестные параметры цепи.

8-2. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ.

Параллельная цепь (рис. 8–3) — это такая цепь, которая содержит более чем один путь для тока. Свойства параллельной цепи определяются тем, что:

Введение в электронику.

Рис. 8–3. Параллельная цепь.

1. Ко всем ветвям параллельной цепи приложено одинаковое напряжение, равное напряжению источника тока.

(ЕT = ЕR1 = ЕR2 = ЕR3 = … = ЕRn).

2. Ток через каждую ветвь параллельной цепи обратно пропорционален сопротивлению этой ветви.

(I = E/R).

3. Общий ток в параллельной цепи равен сумме токов в отдельных ветвях.

(IT = IR1 + IR2 + IR3 + … + IRn).

4. Обратная величина полного сопротивления параллельной цени равна сумме обратных величин сопротивлений отдельных ветвей.

Введение в электронику.

5. Общая мощность, потребляемая параллельной цепью, равна сумме мощностей, потребляемых отдельными резисторами.

(PT = PR1 + PR2 + PR3 + … + PRn).

ПРИМЕР: Три резистора — 100 ом, 220 ом и 470 ом — соединены параллельно с батареей 48 вольт. Вычислите все неизвестные величины в цепи.

Сначала нарисуем схему цепи и перепишем все известные величины (рис. 8–4).

Введение в электронику.

Рис. 8–4 

Дано:

ET = 48 В; R1 = 100 В; R2 = 220 В; R3 = 470 В.

IT =?; RT =?; PT =?

IR1 =?; IR2 =?; IR3 =?

PR1 =?; PR2 =?; PR3 =?

В процессе вычисления всех неизвестных величин в цепи сначала надо найти полное сопротивление цепи. После этого можно найти токи, текущие в отдельных ветвях цепи. Зная токи, можно вычислить мощности, выделяемые на каждом резисторе.

Дано:

R1 = 100 Ом; R2 = 220 Ом; R3 = 470 Ом.

RT =?

Решение:

1/RT = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3.

1/RT = 1/100 + 1/220 + 1/470.

(Общий знаменатель будет слишком большим. Перейдем к десятичным дробям.).

1/RT = 0,01 + 0,005 + 0,002.

1/RT = 0,017.

RT = 58,82 Ом.

Ток (IR1) через резистор R1 равен:

Дано:

ER1 = 48 В; R1 = 100 Ом.

IR1 =?

Решение:

IR1 = ER1/R1 = 48/100.

IR1 = 0,048 А.

Ток (IR2) через резистор R2 равен:

Дано:

ER2 = 48 В; R2 = 220 Ом.

IR2 =?

Решение:

IR2 = ER2/R2 = 48/220.

IR2 = 0,218 А.

Ток (IR3) через резистор R3 равен:

Дано:

ER3 = 48 В; R3 = 470 Ом.

IR3 =?

Решение:

IR3 = ER3/R3 = 48/470.

IR3 = 0,102 А.

Общий ток может быть также найден с помощью закона Ома:

Дано:

ET = 48 В; RT = 58,82 Ом.

IT =?

Решение:

IT = ET/RT = 48/58,82.

IT = 0,82 А.

Мы опять имеем некоторое расхождение, обусловленное округлением.

Мощность, выделяемая на резисторе R1, равна:

Дано:

IR1 = 0,48 A; ER1 = 48 B.

PR1 =

Решение:

PR1 = IR1∙ER1.

PR1 = (0,48)(48).

PR1 = 23,04 Вт.

Мощность, выделяемая на резисторе R2, равна:

Дано:

IR2 = 0,218 A; ER2 = 48 B.

PR2 =?

Решение:

PR2 = IR2∙ER2.

PR2 = (0,218)(48).

PR2 = 10,46 Вт.

Мощность, выделяемая на резисторе R3, равна:

Дано:

IR3 = 0,102 A; ER3 = 48 B.

PR3 =?

Решение:

PR3 = IR3∙ER3.

PR3 = (0,102)(48).

PR3 = 4,90 Вт.

Полная выделяемая в цепи мощность равна:

Дано:

PR1 = 23,04 Вт; PR2 = 10,46 Вт; PR3= 4,90 Вт.

PT =? 

Решение:

PT = PR1 + PR2 + PR3.

PT = 23,04 + 10,46 + 4,90.

PT = 38,40 Вт.

Общую мощность можно также определить с помощью закона Ома:

Дано:

IT =0,80 А; ET = 48 В.

PT  =?

Решение:

PT  = IT∙ET 

PT  =  (0,80)(48).

PT  =  38,4 Вт.

8–2. Вопросы.

1. Четыре резистора — 2200 ом, 2700 ом, 3300 ом и 5600 ом — соединены параллельно с батареей напряжением 9 вольт. Вычислить все неизвестные величины в цепи.

8-3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ.

Большинство цепей содержит как последовательные, так и параллельные участки. Цепи этого типа называются последовательно-параллельными (рис. 8–5).

Введение в электронику.

Рис. 8–5.

Расчеты большинства последовательно-параллельных цепей — это просто применение законов и правил, обсуждавшихся ранее. Формулы для последовательных цепей применяются к последовательным участкам цепи, а формулы для параллельных цепей — к параллельным участкам цепи.

ПРИМЕР: Вычислите все неизвестные величины для цепи на рис. 8–6.

Введение в электронику.

Рис. 8–6 

Дано:

IT =?; ЕT = 48 Вольт; RT =?; PT =?

R1 = 820 Ом; IR1 =?; ER1 =?; PR1 =?

R2 = 330 Ом; IR2 =?; ER2 =?; PR2 =?

R3 = 680 Ом; IR3 =?; ER3 =?; PR3 =?

R4 = 470 Ом; IR4 =?; ER4 =?; PR4 =?

R5 = 120 Ом; IR5 =?; ER5 =?; PR5 =?

R6 = 560 Ом; IR6 =?; ER6 =?; PR6 =?

Для того чтобы вычислить полное сопротивление (RT), сначала найдем эквивалентное сопротивление (RA) параллельно соединенных резисторов R2 и R3. Затем вычислим эквивалентное сопротивление резисторов RA и R4 (обозначенное как RS1) и R5 и R6 (обозначенное как RS2). После этого можно определить эквивалентное сопротивление RB для RS1 и RS2. И, наконец, найдем общее сопротивление последовательно соединенных R1 и RB.

Дано:

R2 = 330 Ом; R3 = 680 Ом.

RA =?

Решение: 

1/RA =  1/R2 + 1/R3.

1/RA =  1/330 + 1/680.

(Общий знаменатель будет слишком большим. Перейдем к десятичным дробям.).

1/RA = 0,0045 A.

RA = 222,22 Ом.

Перерисуем цепь, заменяя резисторы R2 и R3 резистором RA. См. рис. 8–7.

Введение в электронику.

Рис. 8–7.

Теперь определим сопротивление RS1 последовательно соединенных резисторов RA и R4.

Дано:

RA = 222,22 Ом; R4 = 470 Ом.

RS1 =?

Решение: 

RS1 = RA + R4.

RS1 = 222,22 + 470.

RS1 = 692,22 Ом.

Определим сопротивление RS2 последовательно соединенных резисторов R5 и R6.

Дано:

R5 = 120 Ом; R6 = 560 Ом.

RS2 =?

Решение: 

RS2 = R5 + R6.

RS2 = 120 + 560.

RS2 = 680 Ом.

Перерисуем цепь с резисторами RS1 и RS2. См. рис. 8–8.

Введение в электронику.

Рис. 8–8. 

Теперь определим сопротивление (RB) параллельно соединенных резисторов RS1 и RS2.

Дано:

RS1 = 692,22 Ом; RS2 = 680 Ом.

RB =?

Решение: 

1/RB = 1/RS1 + 1/RS2.

1/RB = 1/692,22 + 1/680.

1/RB = 0,00144 + 0,00147.

1/RB = 0,00291.

RB = 343,64 Ом.

Перерисуем цепь, используя резистор RB. См. рис. 8–9.

Введение в электронику.

Рис. 8–9. 

Дано:

R1 = 820 Ом; RB = 343,64 Ом.

RT =?

Решение: 

RT = R1 + RB.

RT = 820 + 343,64.

RT = 1163,64 Ом.

Теперь с помощью закона Ома можно определить полный ток в цепи.

Дано:

ET = 48 В; RT = 1163,64 Ом.

IT =? 

Решение: 

IT = ET/RT = 48/1163,4.

IT = 0,0412 А или 41,2 мА.

Теперь можно определить падение напряжения на сопротивлении R1.

Дано:

IR1 = 0,0412 A; R1 = 820 Ом.

ER1 =?

Решение: 

IR1 = ER1/R1.

0,0412 А  = ER1/820.

ER1 = (0,0412)(820).

ER1 = 33,78 В.

Падение напряжения на эквивалентном сопротивлении RB равно:

Дано:

IRB = 0,0412 A; RB = 343,64 Ом.

ERB =?

Решение: 

IRB = ERB/RB.

0,0412 = ERB/343,64.

ERB = (343,64)(0,0412).

ERB = 14,157 В.

Ток в каждой ветви параллельной цепи надо вычислить отдельно, учитывая что ERB = ERS1 = ERS2.

Ток в ветви с сопротивлением RS1 равен:

Дано:

ERS1 = 14,157 В; RS1 = 692,22 Ом.

IRS1 =? 

Решение: 

IRS1 = ERS1/RS1 = 14,157/692,22.

IRS1 = 0,0205 A.

Ток в ветви с сопротивлением RS2 равен:

Дано:

ERS2 = 14,157 В; RS2 = 680 Ом.

IRS2 =? 

Решение: 

IRS2 = ERS2/RS2 = 14,157/680.

IRS2 = 0,0208 A.

Теперь можно определить падение напряжения на резисторах RA и R4.

Дано:

IRA = 0,0205 A; RA = 222,22 Ом.

ERA =?

Решение: 

IRA = ERA/RA.

0,0205 A = ERA/222,22.

ERA = (0,0205)(222,22).

ERA = 4,56 В.

 * * *

Дано:

IR4 = 0,0205 A; R4 = 470 Ом.

ER4 =?

Решение: 

IR4 = ER4/R4.

0,0205 A = ER4/470.

ER4 = (0,0205)(470).

ER4 = 9,64 В.

Падение напряжения на резисторах R5 и R6 равно.

Дано:

IR5 = 0,0208 A; R5 = 120 Ом.

ER5 =?

Решение: 

IR5 = ER5/R5.

0,0208 A = ER5/120.

ER5 = (0,0208)(120).

ER5 = 2,50 В.

* * *

Дано:

IR6 = 0,0208 A; R6 = 560 Ом.

ER6 =?

Решение: 

IR6 = ER6/R6.

0,0208 A = ER6/560.

ER6 = (0,0208)(560).

ER6 = 11,65 В.

Ток через эквивалентное сопротивление RA расщепляется на два параллельных тока через резисторы R2 и R3. Ток через каждый из этих резисторов надо вычислять от дельно, при этом ЕRA = ЕR2 = ЕR3.

Ток через резистор R2 равен:

Дано:

ER2 = 4,56 В; R2 = 330 Ом.

IR2 =? 

Решение: 

IR2 = ER2/R2 = 4,56/330.

IR2 = 0,0138 A.

* * * 

Дано:

ER3 = 4,56 В; R3 = 680 Ом.

IR3 =? 

Решение: 

IR3 = ER3/R3 = 4,56/680.

IR3 = 0,00671 A.

Теперь можно определить мощность, выделяющуюся на каждом резисторе. Мощность, потребляемая резистором R1, равна:

Дано:

IR1 = 0,0412 А; ER1 = 33,78 В.

PR1 =? 

Решение: 

PR1 =  IR1∙ER1.

PR1 = (0,0412)(33,78).

PR1 = 1,39 Вт.

Мощность, выделяемая на резисторе R2, равна:

Дано:

IR2 = 0,0138 А; ER2 = 4,56 В.

PR2 =? 

Решение: 

PR2 =  IR2∙ER2.

PR2 = (0,0138)(4,56).

PR2 = 0,063 Вт или 63 мВт.

Мощность, выделяемая на резисторе R3, равна:

Дано:

IR3 = 0,00671 А; ER3 = 4,56 В.

PR3 =? 

Решение: 

PR3 =  IR3∙ER3.

PR3 = (0,00671)(4,56).

PR3 = 0,031 Вт или 31 мВт.

Мощность, выделяемая на резисторе R4, равна:

Дано:

IR4 = 0,0205 А; ER4 = 9,64 В.

PR4 =? 

Решение: 

PR4 =  IR4∙ER4.

PR4 = (0,0205)(9,64).

PR4 = 0,20 Вт или 200 мВт.

Мощность, выделяемая на резисторе R5, равна:

Дано:

IR5 = 0,0208 А; ER5 = 2,54 В.

PR5 =? 

Решение: 

PR5 =  IR5∙ER5.

PR5 = (0,0208)(2,5).

PR5 = 0, 52 Вт или 52 мВт.

Мощность, выделяемая на резисторе R6, равна:

Дано:

IR6 = 0,0208 А; ER6 = 11,65 В.

PR6 =? 

Решение: 

PR6 =  IR6∙ER6.

PR6 = (0,0208)(11,65).

Ток через эквивалентное сопротивление RA расщепляется на два параллельных тока через резисторы R2 и R3.

Ток через каждый из этих резисторов надо вычислять от дельно, при этом ЕR1 = ЕR2 = ЕR3.

Ток через резистор R2 равен:

Дано:

ER2 = 4,56 В; R2 = 330 Ом.

IR2 =?

Решение:

IR2 = ER2/R2 = 4,56/330.

IR2 =0,0138 А.

Дано:

ER3 = 4,56 В; R3 = 680 Ом.

IR3 =?

Решение:

IR3 = ER3/R3 = 4,56/680.

IR3 =0,00671 А.

Теперь можно определить мощность, выделяющуюся на каждом резисторе. Мощность, потребляемая резистором R1, равна:

Дано:

IR1 = 0,0412 А; ER1 = 33,78 В.

PR1 =?

Решение:

PR1 = IR1∙ER1.

PR1 = (0,0412)(33,78).

PR1 = 1,39 Вт.

Теперь можно определить мощность, выделяющуюся на каждом резисторе. Мощность, потребляемая резистором R2, равна:

Дано:

IR2 = 0,0138 А; ER2 = 4,56 В.

PR2 =?

Решение:

PR2 = IR2∙ER2.

PR2 = (0,0138)(4,56).

PR2 = 0,063 Вт или 63 мВт.

Теперь можно определить мощность, выделяющуюся на каждом резисторе. Мощность, потребляемая резистором R3, равна:

Дано:

IR3 = 0,00671 А; ER3 = 4,56 В.

PR3 =?

Решение:

PR3 = IR3∙ER3.

PR3 = (0,00671)(4,56).

PR3 = 0.031 Вт или 31 мВт.

Теперь можно определить мощность, выделяющуюся на каждом резисторе. Мощность, потребляемая резистором R4, равна:

Дано:

IR4 = 0,0205 А; ER4 = 9,64 В.

PR4 =?

Решение:

PR4 = IR4∙ER4.

PR4 = (0,0205)(9,64).

PR4 = 0,20 Вт или 200 мВт.

Теперь можно определить мощность, выделяющуюся на каждом резисторе. Мощность, потребляемая резистором R5, равна:

Дано:

IR5 = 0,0208 А; ER5 = 2,50 В.

PR5 =?

Решение:

PR5 = IR5∙ER5.

PR5 = (0,0208)(2,50).

PR5 = 0,052 Вт или 52 мВт.

Теперь можно определить мощность, выделяющуюся на каждом резисторе. Мощность, потребляемая резистором R6, равна:

Дано:

IR6 = 0,0208 А; ER6 = 11,65 В.

PR6 =?

Решение:

PR6 = IR6∙ER6.

PR6 = (0,0208)(11,65).

PR6 = 0,24 Вт или 240 мВт.

Общая мощность, потребляемая в цепи, равна:

Дано:

PR1 = 1,39 Вт; PR2 = 0,063 Вт; PR3 = 0,031 Вт.

PR4 = 0,20 Вт; PR5 = 0,052 Вт; PR6 = 0,24 Вт.

PT =?

Решение:

PT = PR1 + PR2 + PR3 + PR4 + PR5 + PR6.

PT = 1,39 + 0,063 + 0,031 + 0,20 + 0,052 + 0,24.

PT = 1,98 Вт.

Общую потребляемую мощность можно также рассчитать с помощью формулы для мощности.

Дано:

IT = 0,0413 А; ET = 48 В.

PT =?

Решение:

PT = IT∙ET.

PT = (0,0413)(48).

PT = 1,98 Вт.

8–3. Вопрос.

1. Вычислите все неизвестные величины на схеме, изображенной на рис. 8-10. Введение в электронику.

Рис. 8-10.

РЕЗЮМЕ.

• Последовательная цепь обеспечивает только один путь для протекания тока.

• Следующие формулы описывают параметры последовательной цепи:

IT = IR1 = IR2 = IR3 = … = IRn.

RT = R1 + R2 + R3 +… + Rn.

ET = ER1 + ER2 + ER3 +… + ERn.

I = E/R.

PT = PR1 + PR2 + PR3 +… + PRn.

• Параллельная цепь обеспечивает более чем один путь для протекания тока.

• Следующие формулы описывают параметры параллельной цепи:

IT = IR1 + IR2 + IR3 + … + IRn.

1/ RT = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + … + 1/Rn.

ET = ER1 = ER2 = ER3 = … = ERn.

I = E/R.

PT = PR1 + PR2 + PR3 +… + PRn.

• Вычисления для последовательно-параллельных цепей проводятся следующим образом: формулы для последовательных цепей применяются к последовательным участкам цепи, а формулы для параллельных цепей — к параллельным участкам цепи.

Глава 8. САМОПРОВЕРКА.

1. Вычислите все неизвестные величины в изображенных цепях.

Введение в электронику. Введение в электронику. Введение в электронику.