Электроника

build_links(); ?>

Сопротивление – это мера противодействия постоянному течению электрического тока. За исключением сверхпроводников, все проводящие материалы в некоторой степени препятствуют потоку электронов – обычно за счет линейного, не зависящего от времени эффекта, сравнимого с аэродинамическим сопротивлением; энергия, потраченная впустую на преодоление сопротивления, возбуждает среду и в конечном итоге рассеивается в виде тепла.

Единица сопротивления – ом (Ω) – является производной единицей СИ, определяемой как сопротивление проводника, который при воздействии постоянного тока в один ампер рассеивает один ватт (Вт) тепла – это один джоуль (Дж) на каждый перемещаемый кулоновский заряд.

В любом однородном металлическом проводнике сопротивление примерно равно его длине, умноженной на удельное сопротивление материала, деленное на поперечное сечение указанного проводника; также присутствует некоторая температурная зависимость. В практических схемах проводники обычно выбираются таким образом, чтобы влияние их сопротивления было незначительным; вместо этого используется специализированный класс компонентов, известных как резисторы, для введения предсказуемого линейного сопротивления в схему. Резисторы с очень значительной температурной зависимостью известны как термисторы, но используются редко.

Некоторые материалы могут препятствовать протеканию токов зависящим от времени образом, обычно связанным с созданием магнитных или электрических полей; этот эффект не считается сопротивлением и изучается отдельно. Другие материалы могут демонстрировать схемы сопротивления, которые не зависят от времени, но изменяются в зависимости от какого-либо другого параметра (например, в полупроводниковых переходах, которые реагируют на величину и направление внешних электродвижущих сил); этот эффект все еще является сопротивлением, но такие устройства не называются резисторами.

Напряжение (В) [ссылка]
Напряжение в любых двух точках цепи имеет несколько определений, но наиболее интуитивно его можно понимать как меру электродвижущей силы, которая будет пропускать ток через гипотетический проводник, соединенный через эти две точки.

Эта сила зависит не только от разницы в количестве накопленных элементарных зарядов, но и от “давления”, под которым эти заряды покидают свои текущие точки, из-за влияния результирующих электрических и магнитных полей. В качестве простой иллюстрации рассмотрим осаждение 100 электронов на две проводящие, достаточно удаленные пластины – одну из них большую, а другую маленькую. Электроны, осажденные на пластине меньшего размера, будут упакованы более плотно, и, следовательно, электрическое отталкивание между ними будет гораздо более сильным, чем в другом материале. Когда два элемента соединены проводящим каналом, некоторое время будет протекать ток, поскольку плотности заряда (а не количество) выравниваются.

Единица измерения напряжения – вольт (В) – является производной единицей СИ, определяемой как величина электродвижущей силы, необходимая для индукции тока в один ампер по проводнику с сопротивлением в один Ом.

В любой электрической цепи измерения напряжения имеют смысл только относительно четко определенной контрольной точки; во многих цепях постоянного тока в качестве “заземления” используется общая шина, подключенная к отрицательному полюсу двухполюсной батареи, обычно определяемая как 0 вольт – в этом случае все измерения подразумеваются как соотноситесь с этим моментом. Тем не менее, напряжение между этим рельсом и любым другим внешним изолированным объектом по существу не определено: у одного человека 0 В может быть у кого-то другого -20 000 В, даже если просто из-за накопления электростатического заряда. Хорошо продуманное физическое подключение к грунту может обеспечить общее значение 0 В, но это сопряжено со своими опасностями и поэтому используется только при крайней необходимости.

Почти во всех схемах обработки сигналов полезная информация кодируется с использованием изменяющихся уровней напряжения, а не величин тока; исключения случаются, но довольно редко.

Определение постоянных напряжений – это не ракетостроение. но существует некоторая двусмысленность, когда речь заходит о постоянно меняющихся напряжениях в цепях переменного тока, где направление тока периодически меняется на противоположное. В этих настройках могут использоваться три разных значения:

Пиковое напряжение (Vpeak): измеряет амплитуду напряжения формы сигнала относительно его центральной точки. Этот подход обычно используется при работе с малосигнальными цепями переменного тока.

Напряжение от пика к пику (Vp-p): измеряет разницу напряжений между самым низким и самым высоким напряжением, наблюдаемым в форме сигнала (равное 2 * Vpeak). Концептуально это аналогично тому, как измеряется напряжение сигнала в цепях постоянного тока.

Среднеквадратичное напряжение (VRMS): используется значение эквивалентного напряжения постоянного тока, которое обеспечивало бы такую же мощность нагрузки (около 0,71 * Vpeak для синусоидальных токов). Этот подход особенно распространен при расчетах распределения электроэнергии.

Этот график более кратко демонстрирует разницу:

Всегда помните, какой метод измерения используется; например, напряжение сети переменного тока “110 В” на самом деле задается как среднеквадратичное значение; это означает, что фактическое колебание синусоидальной волны составляет 154 В, а напряжение от пика к пику близко к 310 В (ой!).

Закон Ома [ссылка]
Закон Ома является одним из наиболее важных правил, описывающих поведение электрических цепей путем формализации взаимосвязи между токами, напряжениями и сопротивлениями – и к тому же довольно простым. Закон гласит, что постоянный ток, протекающий по проводнику, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению и обратно пропорционален его сопротивлению:

I = V/R

То же уравнение говорит нам, что напряжение, измеренное на проводнике, должно быть равно постоянному току, приложенному к нему, умноженному на сопротивление:

V = ИК

И, наконец, что сопротивление проводника может быть выведено из наблюдаемого тока и напряжения на его клеммах:

R = V/I

Этот закон делает резисторы такими полезными компонентами: их можно использовать для ограничения тока, протекающего через части схемы, до определенного, желаемого значения; или, создавая разность напряжений на выводах резисторов, для создания более низких напряжений для различных целей.

Закон Ома также позволяет легко превращать амперметры в вольтметры и омметры. Вольтметры могут просто измерить очень низкий ток, протекающий через них, когда большой резистор известной величины помещен поперек контрольных точек (этот резистор должен быть достаточно большим, чтобы не нарушать цепь заметным образом), а затем вычислить напряжение в соответствии с правилом V = IR; омметры могут быть сконструированы с помощью прикладываем известное напряжение к неизвестной резистивной нагрузке, измеряем результирующий ток, а затем решаем уравнение для R.

Закон Джоуля [ссылка]
Мощность (Р) – это показатель скорости, с которой выполняется работа или с которой энергия преобразуется в другую форму. В электрических цепях форма закона Джоуля дает нам следующую формулу:

P = IV

…где I – ток, протекающий через компонент, а V – наблюдаемое падение напряжения. Эта взаимосвязь на самом деле интуитивно понятна: если ток не протекает, очевидно, что схема не выполняет никакой полезной работы; и если не происходит падения напряжения, весь ток должен передаваться как есть, а не использоваться каким-либо образом.

Электрическая энергия может рассеиваться в виде тепла или излучения, преобразовываться в движение, накапливаться в электромагнитных полях, в электрохимических реакциях и т.д.; во всех случаях уравнение дает вам точную картину суммы всех действующих процессов, основанную только на наблюдаемом или прогнозируемом напряжении и токе.

Рассеивание тепла представляет особый интерес в электронике, поскольку его необходимо контролировать, чтобы избежать разрушения резистивных нагрузок. Комбинируя закон Джоуля и закон Ома, можно показать, что тепло, рассеиваемое резистором, определяется любым из этих двух уравнений:

P = I2R
P = V2/R

Это довольно полезно: вы можете использовать эти правила, чтобы показать, что невозможно превысить номинальную мощность резистора мощностью 1/4 Вт, 150 Ом, работающего в цепи 5 В; и что резистор 15 Ом будет освещать ночное небо при той же настройке, если ток через него не ограничен другими средствами.

Перерыв: работа с децибелами [ссылка]
В спецификациях компонентов и некоторых расчетах инженеры часто предпочитают выражать соотношение между величинами мощности в терминах несколько произвольной, но удобной логарифмической меры – децибел (дБ).:

LdB = 10 * log10(P1 / P2)

Например, увеличение мощности акустической волны на 25% равно примерно +1,0 дБ; двукратное увеличение будет равно примерно +3 дБ; а 100-кратное увеличение составит +20 дБ.

В электронике обычно более желательно сравнивать напряжения и амплитуды сигналов, а не непосредственно измерять мощность. Поскольку соотношение между напряжением и мощностью обычно квадратичное – в этих случаях децибелы рассчитываются по несколько иной формуле:

LdB = 10 * log10(V12 / V22) = 20 * log10(V1 / V2)

Следовательно, увеличение напряжения на 50% составляет +1,0 дБ, двукратное увеличение составляет около +6 дБ и так далее. В децибелах нет ничего принципиально важного, но они будут возникать время от времени – так что лучше покончить с этим прямо сейчас.

Токи, зависящие от времени [ссылка]
Некоторые типы линейных электронных компонентов могут демонстрировать зависящие от времени (и, следовательно, зависящие от частоты сигнала) характеристики тока. Этот паттерн обычно связан с (обратимым) накоплением части подаваемой энергии, чаще всего в форме электромагнитных полей.

Емкость (C) [ссылка]

build_links(); ?>

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *