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:
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.
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:
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Более 800 000 книг и аудиокниг! 📚
Получи 2 месяца Литрес Подписки в подарок и наслаждайся неограниченным чтением
ПОЛУЧИТЬ ПОДАРОК