Электронная схема и ее дискретные пассивные элементы
Электронная схема представляет собой совокупность взаимно соединенных дискретных и интегральных элементов. Реальная схема состоит из физических элементов: конденсаторов, индуктивностей, резисторов, диодов, транзисторов, интегральных микросхем. Для количественного (математического) анализа реальной схемы используют ее идеализированную модель. В такой схеме реальные элементы заменяются совокупностью идеализированных элементов.
Дискретные элементы подразделяются на линейные и нелинейные. Линейные элементы: резисторы, конденсаторы, индуктивности, подчиняются закону Ома. Зависимость тока от напряжения описывается линейной функцией. Нелинейные элементы: диоды, транзисторы имеют нелинейные вольт-амперные характеристики.
Пассивные элементы с энергетической точки зрения отличаются по способу преобразования энергии (реакции): диссипативный элемент (активное сопротивление), реактивные элементы (емкости, индуктивности). Активное сопротивление необратимо рассеивает электромагнитную энергию (активно преобразует электромагнитную энергию в тепловую). В реактивных элементах (реактивная реакция) энергия электрического и магнитного поля накапливается в этих элементах, а затем возвращается в цепь.
С
опротивление
– это идеализированный пассивный
линейный элемент, являющийся безинерционным
преобразователем тока в напряжение
(рис. 5)
, или 
.
Особенности элемента.
Ток, протекающий через элемент, направлен от высокого потенциала к низкому.
В результате протекания тока наблюдается уменьшение потенциала (падение напряжения). Величина падения напряжения является положительным при направлении его от высокого потенциала к низкому.
П
араметром
элемента является сопротивление
.
Этот параметр определяет крутизну изменения тока при изменении напряжения (рис.6):
.
Изменение тока и напряжения на элементе происходят без запаздывания (элемент является безинерционным).
Этот элемент используется в качестве нагрузки активных устройств, в схемах фильтрации, в качестве дополнительного времязадающего элемента (задание постоянной времени), для перераспределения уровня потенциала в схеме и т.д.
Индуктивность – это идеализированный пассивный линейный элемент, напряжение на котором пропорционально скорости изменения тока, протекающего через него:
.
Особенности элемента.
1). Этот элемент по физической природе является динамическим. Падение напряжения на элементе появляется только при изменении тока, протекающего через него. В статическом режиме при постоянном токе напряжение на элементе отсутствует.
2
).
Элемент является инерционным, т.е. ток
через него не может измениться скачком
при подключении напряжения (рис. 8):
, 
.
3
).
Числовой параметр, характеризующий
элемент – индуктивность, который
измеряется в Генри
.
Этот элемент является накопителем
энергии магнитного поля. Индуктивность
определяет величину магнитного потока,
создаваемого данным током (рис. 9)
, 
,
где магнитный поток
.
Скорость изменения магнитного потока определяет величину напряжения на индуктивности
, 
.
Следовательно, индуктивность является мерой инертности этого элемента относительно изменений тока, протекающего через него.
Индуктивные элементы имеют ограниченное применение и используются в фильтрующих элементах, а также в качестве элементов высокочастотной «развязки».
Емкость – это идеализированный пассивный линейный элемент, ток через который пропорционален скорости изменения напряжения на нем (рис. 10):
.
Особенности элемента.
1
).
Этот элемент является накопителем
энергии электрического поля. При подаче
разности потенциалов
на емкостную структуру на ее разнесенных
элементах накапливаются противоположные
по знаку заряды
(рис.11). Между разнесенными зарядами
появляется электрическое поле, которое
характеризуется величиной электрической
индукции
,
.
Величина потока
электрической индукции через замкнутую
поверхность
определяется зарядом, заключенным
внутри объема, ограниченного данной
поверхностью
.
2).
Числовой параметр, характеризующий
элемент, – это емкость
,
которая измеряется в фарадах либо в
более «мелких» величинах:
микрофарада – 1мкФ=10-6Ф, нанофарада – 1нФ=10-9Ф, пикофарада – 1пФ=10-12Ф.
Емкость определяет величину потока электрической индукции, создаваемого данной разностью потенциалов (напряжением)
.
Следовательно, емкость характеризует эффект накопления электрических зарядов
.
Если
к емкостной структуре приложено
напряжение
,
то на ней накапливается заряд
,
величина которого пропорциональна
этому напряжению.
3). Этот элемент по физической природе является динамическим, т.е. реагирует на изменение напряжения, приложенного к нему.
Ток в емкостном элементе является следствием изменения заряда на нем:
,
, 
.
Ток через элемент появляется только при изменении напряжения, приложенного к нему. В статическом режиме при постоянном напряжении ток через элемент отсутствует.
4). Элемент является инерционным, т.е. напряжение на нем не может измениться скачком (рис. 12), так как при
, 
.
Например,
при емкости
Ф, изменение напряжения на емкости
составит
В
в течение
с
вызовет емкостной ток
А.
Иначе
говоря, при наличии емкостного тока
А
в результате накопления зарядов на
емкостном элементе напряжение на емкости
за время
с
возрастет на 1В
В.
При меньших параметрах емкостного элемента мкФ воздействие на него импульса тока мА длительностью с увеличит напряжение на нем
В.
Аналогично
при увеличении амплитуды импульса тока
на порядок
мА
и сокращении длительности импульса
тока на два порядка
мс=0,01с
обеспечит заряд емкости, который
сопровождается увеличением напряжения
на ней
В.
Вывод.
Математической моделью идеализированных
элементов:
являются динамические уравнения, которые
устанавливают взаимосвязь между
мгновенными значениями токов и напряжений,
действующих на этих элементах
, , .