Электрическая сеть - Electrical network
Статьи о |
Электромагнетизм |
---|
Электрическая сеть представляет собой взаимосвязь электрических компонентов (например, батареи , резисторы , катушки индуктивности , конденсаторы , переключатели , транзисторы ) или модель такого соединения, состоящие из электрических элементов (например, источников напряжения , источники тока , сопротивлений , индуктивностей , емкостями ). Электрическая цепь представляет собой сеть , состоящая из замкнутого контура, что дает обратный путь для тока. Линейные электрические сети, особый тип, состоящий только из источников (напряжения или тока), линейных сосредоточенных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности) и линейно распределенных элементов (линий передачи), обладают тем свойством, что сигналы линейно накладываются друг на друга . Таким образом , они более легко проанализировать, используя мощные частотную область методов , такие как преобразования Лапласа , чтобы определить реакцию DC , ответ переменного тока и переходную характеристику .
Резистивная цепь представляет собой схему , содержащую только резисторы и идеальные источники тока и напряжения. Анализ резистивных цепей менее сложен, чем анализ цепей, содержащих конденсаторы и катушки индуктивности. Если источники являются постоянными ( DC ) источниками, результатом будет цепь постоянного тока . Эффективное сопротивление и характеристики распределения тока в произвольных сетях резисторов могут быть смоделированы в терминах их графических измерений и геометрических свойств.
Сеть, содержащая активные электронные компоненты, называется электронной схемой . Такие сети обычно нелинейны и требуют более сложных инструментов проектирования и анализа.
Классификация
По пассивности
Активная сеть содержит по крайней мере один источник напряжения или тока, который может поставлять энергию в сеть на неопределенный срок. Пассивная сеть не содержит активный источник.
Активная сеть содержит один или несколько источников электродвижущей силы . Практические примеры таких источников включают аккумулятор или генератор . Активные элементы могут подавать мощность в схему, обеспечивать усиление мощности и управлять током внутри схемы.
Пассивные сети не содержат источников электродвижущей силы. Они состоят из пассивных элементов, таких как резисторы и конденсаторы.
По линейности
Сеть является линейной, если ее сигналы подчиняются принципу суперпозиции ; в противном случае он нелинейный. Пассивные сети обычно считаются линейными, но есть исключения. Например, катушка индуктивности с железным сердечником может быть доведена до насыщения при достаточно большом токе. В этой области поведение индуктора очень нелинейно.
По комковатости
Дискретные пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности) называются сосредоточенными элементами, потому что предполагается, что все их, соответственно, сопротивление, емкость и индуктивность расположены («сосредоточены») в одном месте. Эта философия проектирования называется моделью с сосредоточенными элементами, а сети, спроектированные таким образом, называются схемами с сосредоточенными элементами . Это традиционный подход к проектированию схем. На достаточно высоких частотах или для достаточно длинных цепей (например, линий электропередачи ) сосредоточенное предположение больше не выполняется, потому что существует значительная часть длины волны в размерах компонентов. Для таких случаев необходима новая модель проектирования, называемая моделью распределенных элементов . Сети, разработанные для этой модели, называются схемами с распределенными элементами .
Схема с распределенными элементами, которая включает в себя несколько сосредоточенных компонентов, называется полукомплектной схемой . Примером схемы с сосредоточенными параметрами является гребенчатый фильтр .
Классификация источников
Источники можно классифицировать как независимые источники и зависимые источники.
Независимый
Идеальный независимый источник поддерживает одинаковое напряжение или ток независимо от других элементов, присутствующих в цепи. Его значение либо постоянное (DC), либо синусоидальное (AC). Сила напряжения или тока не изменяется никакими изменениями в подключенной сети.
Зависимый
Зависимые источники зависят от конкретного элемента схемы для подачи мощности, напряжения или тока в зависимости от типа источника.
Применение законов об электричестве
Ряд электрических законов применяется ко всем линейным резистивным сетям. Это включает:
- Текущий закон Кирхгофа : сумма всех токов, входящих в узел, равна сумме всех токов, выходящих из узла.
- Закон Кирхгофа по напряжению : направленная сумма разностей электрических потенциалов вокруг контура должна быть равна нулю.
- Закон Ома : напряжение на резисторе равно произведению сопротивления и тока, протекающего через него.
- Теорема Нортона : любая сеть источников напряжения или тока и резисторов электрически эквивалентна идеальному источнику тока, включенному параллельно с одним резистором.
- Теорема Тевенина : любая сеть источников напряжения или тока и резисторов электрически эквивалентна одному источнику напряжения, соединенному последовательно с одним резистором.
- Теорема суперпозиции : в линейной сети с несколькими независимыми источниками отклик в определенной ветви, когда все источники действуют одновременно, равен линейной сумме индивидуальных откликов, рассчитанных путем одновременного использования одного независимого источника.
Применение этих законов приводит к набору одновременных уравнений, которые можно решить либо алгебраически, либо численно. В общем, законы можно распространить на сети, содержащие реактивные сопротивления . Их нельзя использовать в сетях, содержащих нелинейные или изменяющиеся во времени компоненты.
Методы проектирования
Линейный сетевой анализ | |
---|---|
Элементы | |
Компоненты | |
Последовательные и параллельные схемы | |
Преобразование импеданса | |
Генераторные теоремы | Сетевые теоремы |
Методы сетевого анализа | |
Двухпортовые параметры | |
Чтобы спроектировать любую электрическую схему, аналоговую или цифровую , инженеры-электрики должны уметь прогнозировать напряжения и токи во всех местах в цепи. Простые линейные схемы можно анализировать вручную с помощью теории комплексных чисел . В более сложных случаях схема может быть проанализирована с помощью специализированных компьютерных программ или методов оценки, таких как кусочно-линейная модель.
Программное обеспечение для моделирования схем , такое как HSPICE (симулятор аналоговых схем), и языки, такие как VHDL-AMS и verilog-AMS, позволяют инженерам проектировать схемы без затрат времени, средств и риска ошибок, связанных с созданием прототипов схем.
Программное обеспечение для моделирования сети
Более сложные схемы можно анализировать численно с помощью программного обеспечения, такого как SPICE или GNUCAP , или символически с помощью программного обеспечения, такого как SapWin .
Линеаризация вокруг рабочей точки
Столкнувшись с новой схемой, программное обеспечение сначала пытается найти решение для устойчивого состояния , то есть такое, в котором все узлы соответствуют закону тока Кирхгофа, а напряжения на каждом элементе схемы и через каждый элемент схемы соответствуют уравнениям напряжения / тока, регулирующим это элемент.
Как только решение установившегося состояния найдено, становятся известны рабочие точки каждого элемента в цепи. Для анализа слабого сигнала каждый нелинейный элемент может быть линеаризован вокруг его рабочей точки, чтобы получить оценку напряжений и токов для слабого сигнала. Это применение закона Ома. Полученная матрица линейных цепей может быть решена методом исключения Гаусса .
Кусочно-линейная аппроксимация
Программное обеспечение, такое как интерфейс PLECS для Simulink, использует кусочно-линейную аппроксимацию уравнений, управляющих элементами схемы. Схема рассматривается как полностью линейная сеть идеальных диодов . Каждый раз, когда диод переключается с включения на выключение или наоборот, конфигурация линейной сети изменяется. Добавление дополнительных деталей к аппроксимации уравнений увеличивает точность моделирования, но также увеличивает время его выполнения.
Смотрите также
- Цифровая схема
- Земля (электричество)
- Импеданс
- Нагрузка
- Мемристор
- Холостое напряжение
- Короткое замыкание
Представление
Методологии проектирования и анализа
- Сетевой анализ (электрические схемы)
- Математические методы в электронике
- Теорема суперпозиции
- Топология (электроника)
- Анализ сетки
- Фильтр прототипа
Измерение
- Сетевой анализатор (электрический)
- Сетевой анализатор (питание переменного тока)
- Тест на непрерывность
Аналогии
- Гидравлическая аналогия
- Механико-электрические аналогии
- Аналогия импеданса (аналогия Максвелла)
- Аналогия мобильности (аналогия Файерстоуна)
- Сквозная аналогия (аналогия Трента)
Особые топологии
- Мостовая схема
- LC-цепь
- RC-цепь
- Цепь RL
- Схема RLC
- Потенциальный делитель
- Последовательные и параллельные схемы