Основы электронной техники (стр. 1 )

К. Ф. ИБРАГИМ

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

ЭЛЕМЕНТЫ

СХЕМЫ

СИСТЕМЫ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»

1

Постоянный ток

Электрический ток

Вся материя состоит из очень маленьких частиц, называемых атомами. Эти атомы в свою очередь состоят из еще более мелких частиц, назы­ваемых электронами. Электроны вращаются вокруг центрального ядра, состоящего из одного или более протонов и нейтронов. Электроны явля­ются отрицательно заряженными частицами; протоны — положительны­ми, а нейтроны — нейтральными,

Если в точке А (рис. 1.1) — избыток электронов в сравнении с точ­кой В, то говорят, что между точками А и В существует разность по­тенциалов, или напряжение. Если соединить точки А и В каким-либо проводником, например простой проволокой, то избыточные электроны из точки А начнут перетекать в точку В. Этот поток электронов называ­ется электрическим током.

Точка А по причине избытка электронов имеет отрицательный потен­циал, а точка В — положительный.

Поток электронов подобен потоку воды, текущему из бака А в бак В, как показано на рис. 1.2. Труба между баками является эквивалентом электрического проводника, а разность уровней воды — эквивалентом разности потенциалов между точками А и В.

Хотя электроны перетекают от отрицательного полюса к положитель­ному, принято говорить, что электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. Эта договоренность восходит к тому времени, когда о природе электрического тока было ничего не известно.

Рис. 1.1. Постоянный ток.

Рис 1.2.

В этой книге мы также будем придерживаться этого общепринятого направле­ния электрического тока (от плюса к минусу).

Разность потенциалов, или напряжение, измеряется в вольтах. Вели­чина электрического тока измеряется в амперах.

Сопротивление

Подобно тому, как труба тормозит и ограничивает протекающий через нее поток воды, так электрическое сопротивление ограничивает протека­ющий через него электрический ток. Сопротивление R измеряется в омах (условное обозначение Ом).

Единицы

Основными единицами для измерения тока, напряжения и сопротивле­ния являются ампер, вольт и ом. Существуют также производные от этих единиц, большие или меньшие основных во много десятков раз. Со­отношения этих единиц приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Величина	Обозна­чение	Единицы
Ток	I	ампер, А
Напряжение	V	вольт, В
Сопротивление	R	ом, Ом
миллиампер	мА	= 1/1000 А = 10-3 А
микроампер	мкА	= 1/1000 мА = 10-3 мА, или 1/1000000 А = 10-6 А
милливольт	мВ	= 1/1000 В = 10-3 В
микровольт	мкВ	= 1/1000 мВ = 10-3 мВ, или 1/1000000 В = 10-6 В
киловольт	кВ	= 1000 В = 103 В
килоом	кОм	= 1000 Ом = 103 Ом
мегаом	МОм	= 1000 кОм = 103 кОм, или 1000000 Ом = 106 Ом

Закон Ома

Итак, по определению сопротивление ограничивает плектр и чески и ток. Значение тока, протекающего через резистор, зависит как от его сопроти­вления, так и от разности потенциалов, или напряжения, приложенного к резистору (рис. 1.3). Чем больше сопротивление, тем меньше протекаю­щий ток. С другой стороны, чем выше напряжение, тем больше ток. Эта зависимость известна как закон Ома:

Ток (амперы) = Напряжение (вольты) / Сопротивление (омы),

или I = V/R

Отсюда

R = V/I и V = IR.

Полное напряжение

(а)

Полное напряжение

(б)

Рис. 1.4. Два последовательно со­единенных резистора (а)

и их эквивалентное сопротивление (б).

Рис. 1.3. Резистор в схеме.

Последовательное соединение резисторов

R1 и R2 – два резистора, соединенных последовательно (рис. 1.4(а)). Весь ток, который протекает через R1, протекает и через R2, т. е. последова­тельно включенные резисторы имеют общий ток. А вот напряжения на них различны.

Пример 1

Если R1 = 2 Ом, R2 = 6 Ом и I = 3 А, то

Напряжение на R1: V = 6 В и

Напряжение на R2: V = 18 В.

Полное напряжение между точками А и В равно сумме напряжений на резисто­рах R1 и R2

V = V1 + V2 = 6 B + 18 B = 24 B

Общее сопротивление

R1 и R2 можно заменить одним сопротивлением. при котором между точ­ками А и В будет протекать тот же ток при условии, что напряжение между точками А и В будет прежнее (рис. 1.4(б)). Такое эквивалентное сопротивление называется общим сопротивлением RТ.

Полное сопротивление RТ = R1 + R2.

Определим общее сопротивление для схемы в примере 1:

RТ = R1 + R2 = 2 + 6 = 8 Ом.

При токе I = 3 А определим напряжение

V = IR = 3 * 8 = 24.

Как видим, это то же значение напряжения, которое мы получили сло­жением V1 и V2.

Последовательное соединение трех резисторов

Пример 2

На рисунке 1.5 R1 = 1 кОм, R2 = 4 кОм, R3 = 10 кОм и напряжение батареи

Общее сопротивление RТ = R1 + R2 + R3 = 15 кОм;

Ток I = V / RТ = 1 мА;

Напряжение на R1: V1 = I R1 = 1 В;

Напряжение на R2: V2 = I R2 = 4 В;

Напряжение на R3: V3 = I R3 = 10 В.

Делитель напряжения

Как видно из вышеприведенного примера, если два или более резистора соединены последовательно и на них подано напряжение постоянного тока, то на всех резисторах появляются разные напряжения.

Рис. 1.5. Последовательное соеди­нение трех резисторов.

Рис. 1.6. Делитель напряжения.

Такая схема называется делителем напряжения и применяется для получения раз­ных напряжений от одного источника питания. В простейшем делителе напряжения, изображенном на рис. 1.6, R1 = 2 кОм, R2 = 1 кОм и на­пряжение источника питания V = 30 В. Напряжение в точке А равно полному напряжению источника, т. е. 30 В. Напряжение VB в точке В равно напряжению на R2.

Ток в цепи I = 10 мА

Напряжение на R2: V2 = IR2= 10В.

Напряжение в точке В можно вычислить другим способом:

Напряжение на R2: V2 = VR2 / (R1 + R2) = 10 B.

Второй способ применим для любого делителя напряжения, состоящего из двух и более резисторов, включенных последовательно. Напряжение в любой точке схемы можно вычислить с помощью калькулятора за один прием, минуя вычисление тока.

Последовательное включение двух резисторов с равными сопротивлениями

Если делитель напряжения состоит из двух одинаковых резисторов, то приложенное напряжение делится на них пополам.

Последовательное включение трех резисторов с равными сопротивлениями

Пример 3

На рис. 1.7 изображен делитель напряжения, состоящий из трех одинаковых резисторов сопротивлением в 1 кОм каждый. Вычислить напряжение в точках А и В относительно точки Е.

Общее сопротивление RТ = R1 + R2 + R3 = 3 кОм;

VAE = 10 B;

VBE = 20 B.

Рис. 1.7. Делитель напряжения из трех одинаковых резисторов.

Рис. 1.8.

Разность потенциалов

Разность потенциалов между двумя точками в схеме представляет со­бой разность их напряжений (относительно общей точки, обычно зе­мли). Например, разность потенциалов между точками А и В на рис. 1.8 VAВ = (VA — VВ), где VA — напряжение в точке А и VВ — напряжение в точке В. Напряжения Уд и Уд измеряются относительно провода Е, име­ющего нулевой потенциал. Напряжение в любой точке электрической схемы измеряется относительно нулевого провода, корпуса или земли. Например, если VA = 5 В и VВ = 3 В, то VAВ = VA — VВ = 5 - 3 = 2 В (рис. 1.9(а)).

Напряжения могут отличаться по знаку — быть отрицательными и по­ложительными. Разность потенциалов между двумя точками, имеющими напряжения с противоположными знаками, равна сумме этих напряже­ний. Например, если VС = 3 В, а VD = -2 В, то V = VС + VD = 3 + 2 = 5 В (рис. 1.9(б)).

Итак, если два напряжения имеют одинаковую полярность, или оди­наковые знаки, то разность потенциалов между ними равна их разности. Если же напряжения имеют разные знаки, то разность потенциалов ме­жду ними равна их сумме.