Elektriskā ķēde — definīcija, komponentu apraksts un AC/DC pamati
Elektriskā ķēde ir ceļš, pa kuru plūst elektroni vai kuru par strāvas plūsmu apraksta elektriskie parametri, kad ķēde ir savienota ar sprieguma vai strāvas avotu. Lai strāva plūstu, ķēdei jābūt slēgtai — tas nozīmē, ka ir izveidots ceļš no avota uz slodzi un atpakaļ pie avota.
Galvenie jēdzieni
- Avots — ierīce, kas nodrošina sprieguma starpību (piem., akumulators, ģenerators, tīkla barošanas bloks). Avots rada vajadzīgo elektrisko potenciālu, kas liek lādiņiem pārvietoties.
- Atgriešanās / zemējums — vieta vai vadītājs, pa kuru strāva atgriežas pie avota. Tas var būt vienkārši negatīvais pols akumulatoram vai kopīgs zemes potenciāls, kas kopā savienots ar zemi drošības nolūkos.
- Slodze — ķēdes daļa starp avotu un atgriešanās punktu, kas patērē enerģiju (piem., spuldze, motors, sildītājs). Slodze var būt vienkārša vai sarežģīta elektriska iekārta.
- Konvencionālā strāva vs elektronu plūsma — tradicionāli strāvas virziens tiek aprakstīts no pozitīvā polaritātes uz negatīvo (konvencionālā strāva), taču elektroni patiešām pārvietojas no negatīvā pola uz pozitīvo.
Galvenās ķēdes sastāvdaļas
- Vadītāji (piem., vara vadi) — nodrošina elektrisku savienojumu starp elementiem.
- Pretestības (rezistori) — ierobežo strāvas lielumu un pārvērš elektrisko enerģiju siltumā vai citā veidā.
- Kondensatori — uzkrāj elektroenerģiju elektriskā laukā, bloķē līdzstrāvu un ļauj plūst maiņstrāvai.
- Spoles (induktori) — uzkrāj enerģiju magnētiskajā laukā un pretdarbojas strāvas izmaiņām.
- Diodes un tranzistori — pusvadītāju ierīces, kas ļauj vadīt strāvu vienā virzienā vai izmantotas signāla pastiprināšanai un slēgšanai.
- Slēdži, drošinātāji un pārtraucēji — drošības un vadības elementi, kas pārtrauc vai notur strāvu.
- Transformatori un pārveidotāji — transformatori maina maiņstrāvas sprieguma līmeni; elektroniskie pārveidotāji (konvertori) veic AC↔DC pārveidi.
Slodze un piemēri
Elektriskās ķēdes slodze var būt gan vienkārša, piemēram, tāda, kas darbina sadzīves ierīces, piemēram, ledusskapjus, televizorus vai lampas, gan sarežģītāka — rūpnieciskās iekārtas, ģeneratoru izejas vai elektroenerģijas pārvades sistēmas, piemēram, hidroelektrostacijas izejas slodze.
AC un DC — atšķirības un pielietojums
Elektriskajās ķēdēs izmanto divu veidu elektroenerģiju:
- Līdzstrāva (DC) — strāva un spriegums saglabā vienmērīgu polaritāti. To izmanto akumulatoros un daudzās elektroniskajās iekārtās; tipisks piemērs ir ierīces, kas darbojas ar akumulatoriem un transportlīdzekļiem.
- Maiņstrāva (AC) — spriegums un strāva laika gaitā maina polaritāti un parasti svārstās sinusoīdā formā. Ar maiņstrāvu tiek darbinātas lielas ierīces un motori, un to ražo elektrostacijās. Maiņstrāvas standarta frekvence daudzviet pasaulē ir 50 Hz vai 60 Hz.
Maiņstrāvu var pārveidot uz līdzstrāvu ar taisngriežiem (rectifiers), bet līdzstrāvu uz maiņstrāvu — ar invertoriem. Savukārt transformatori ļauj mainīt AC sprieguma līmeni. Augstsprieguma līdzstrāvas pārvadei izmanto speciālus elektroniskus pārveidotājus (konvertorus) un īpašas līnijas, kas samazina zudumus lielos attālumos.
Biežākās likumsakarības un uzvedība ķēdēs
- Ohma likums — spriegums = strāva × pretestība (V = I × R). Tas apraksta lineāru sakarību starp spriegumu, strāvu un pretestību vienkāršā rezistorā.
- Kirhofa likumi — summē strāvas un spriegumus ķēdē (strāvu likums pie mezgla un spriegumu likums slēgtā cilpā), kas ļauj analizēt sarežģītākas shēmas.
- Reakcija uz savienojumiem — sērijā savienotas slodzes palielina kopējo pretestību, paralēli savienotas samazina to; spriegums paralēlajā ķēdē ir tas pats, bet strāvas sadalās.
Drošība un zemējums
Zemējums nodrošina aizsardzību pret elektriskajiem triecieniem un ierīču bojājumiem. Dažreiz "atgriešanās" vads un drošības zemējums ir savienoti, bet tie pildā dažādas funkcijas — atgriešanās nodrošina strāvas ceļu, bet zemējums parasti izmanto drošības nolūkos un nav paredzēts strāvas regulārai plūsmai.
Praktiski drošības paņēmieni: izolācija, drošinātāji, automātiskie pārtraucēji, pareiza zemēšana un darba ar augstu spriegumu izglītība un aizsardzības aprīkojums.
Kopsavilkums
Elektriskā ķēde sastāv no avota, vadītājiem, slodzes un atgriešanās ceļa. Tā var darboties ar maiņstrāvu vai līdzstrāvu, katrai no tām ir savas īpašības un pielietojumi. Lai saprastu un projektētu ķēdes, izmanto Ohma un Kirhofa likumus, kā arī zināšanas par komponentiem — rezistoriem, kondensatoriem, spolēm, pusvadītājiem un transformatoriem. Drošība un pareiza zemēšana ir neatņemama daļa no jebkuras elektriskās instalācijas.
Elektroniskā shēma
Elektroniskajās shēmās parasti izmanto līdzstrāvas avotus. Elektroniskās ķēdes slodze var būt tik vienkārša kā daži rezistori, kondensatori un lampa, kas savienoti kopā, lai radītu zibspuldzi fotoaparātā. Vai arī elektroniskā shēma var būt sarežģīta, savienojot tūkstošiem rezistoru, kondensatoru un tranzistoru. Tā var būt integrālā shēma, piemēram, mikroprocesors datorā.
Rezistorus un citus ķēdes elementus var savienot virknē vai paralēli. Sērijveida ķēdēs pretestība ir pretestību summa.
Eksperimentāla elektroniskā shēma
Elektriskās ķēdes un elektroinstalācijas shēma
Elektriskās ķēdes shēma ir elektriskās ķēdes vizuāls attēlojums. Elektriskās un elektroniskās ķēdes var būt sarežģītas. Veicot visu ķēdes slodzes komponenšu savienojumu rasējumu, ir vieglāk saprast, kā ķēdes komponenti ir savienoti. Elektronisko ķēžu rasējumus sauc par "shēmas". Elektrisko ķēžu rasējumus sauc par "elektroinstalācijas shēmām". Tāpat kā citas shēmas, arī šīs shēmas parasti zīmē rasētāji un pēc tam tās izdrukā. Diagrammas var izveidot arī digitāli, izmantojot specializētu programmatūru.
Shēma ir elektriskās ķēdes shēma. Shēmas ir grafiski attēloti ķēdes būtiskākie savienojumi, bet tās nav reālistiski shēmas attēli. Shēmās izmanto simbolus, lai attēlotu shēmas sastāvdaļas. Shēmā tiek izmantotas konvencijas, lai attēlotu elektrības plūsmas veidu. Parasti mēs izmantojam konvenciju no pozitīvā uz negatīvo spaili. Reālistiskais elektrības plūsmas veids ir no negatīvā uz pozitīvo spaili.
shēmas izmanto īpašus simbolus, kurus atpazīst visi, kas izmanto rasējumus. Zīmējumos attēlotie simboli parāda, kā tādas sastāvdaļas kā rezistori, kondensatori, izolatori, motori, kontaktligzdas, gaismas, slēdži un citas elektriskās un elektroniskās sastāvdaļas ir savienotas kopā. Shēmas ir liels palīgs, kad darbinieki cenšas noskaidrot, kāpēc kāda ķēde nedarbojas pareizi.
Ķēdes pārtraucēji
Elektriskā vai elektroniskā ķēdē plūstošā strāva var pēkšņi palielināties, ja kāda detaļa sabojājas. Tas var radīt nopietnus bojājumus citiem ķēdes komponentiem vai radīt ugunsbīstamību. Lai no tā pasargātu, ķēdē var iebūvēt drošinātāju vai ierīci, ko sauc par "ķēdes pārtraucēju". Ja strāva šajā ķēdē kļūst pārāk liela, ķēdes pārtraucējs atver jeb "pārtrauc" ķēdi, vai arī "pārsprāgst" drošinātājs. Tas nodrošina aizsardzību.
Zemes pārrāvuma (G.F.I.) ierīces
Elektrisko un elektronisko ķēžu standarta atgriezeniskā saite ir zemējums. Ja elektriskā vai elektroniskā ierīce sabojājas, tā var atvērt atgriezenisko ķēdi uz iezemējumu. Ierīces lietotājs var kļūt par daļu no ierīces elektriskās ķēdes, nodrošinot atgriezenisko ceļu elektroniem caur lietotāja ķermeni, nevis ķēdes zemējumu. Ja mūsu ķermenis kļūst par daļu no elektriskās ķēdes, lietotājs var tikt nopietni šokēts vai pat nogalināts no strāvas trieciena.
Lai novērstu elektriskās strāvas trieciena briesmas un iespēju gūt elektrotraumu, zemējuma pārtraucējierīces konstatē atklātas ķēdes ar zemējumu pievienotajās elektriskajās vai elektroniskajās ierīcēs. Ja tiek konstatēta vaļēja zemējuma ķēde, G.F.I. ierīce nekavējoties atslēdz sprieguma avotu uz ierīci. G.F.I. ierīces ir līdzīgas ķēdes pārtraucējiem, bet ir paredzētas cilvēku, nevis ķēdes komponentu aizsardzībai.
Īssavienojumi
Īssavienojumi ir ķēdes, kas atgriežas atpakaļ pie barošanas avota neizmantotas vai ar tādu pašu jaudu, kāda ir izvadīta. To izmantošana parasti pārslēdz drošinātāju, bet dažreiz tas nenotiek. Šādi rīkojoties ar akumulatoru, var izcelties elektriskais ugunsgrēks.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir ķēde?
A: Ķēde ir slēgts ceļš, kas sastāv no ķēdes sastāvdaļām, pa kurām var plūst elektroni no sprieguma vai strāvas avota.
J: Kādi ir divi ķēžu veidi?
A: Elektriskās ķēdes un elektroniskās ķēdes. Elektriskās ķēdes sastāv no tādiem elektriskiem komponentiem kā rezistori, kondensatori un induktori, savukārt elektroniskās ķēdes sastāv no elektroniskiem komponentiem, piemēram, diodēm un tranzistoriem.
J: Kā sauc punktu, kurā elektroni nonāk elektriskajā ķēdē?
A: Vietu, kurā elektroni nonāk elektriskajā ķēdē, sauc par elektronu "avotu".
J: Kā sauc punktu, kurā elektroni atstāj elektrisko ķēdi?
A: Punkts, kurā elektroni atstāj elektrisko ķēdi, tiek saukts par "atdevi" vai "zemējumu".
J: Kura elektriskās ķēdes daļa atrodas starp tās sākuma punktu un atgriešanos pie avota?
A: Elektriskās ķēdes daļu, kas atrodas starp elektronu sākuma punktu un punktu, kurā tie atgriežas pie avota, sauc par elektriskās ķēdes "slodzi".
J: Kādi ir divi elektrības veidi, ko izmanto ķēdēs?
A: Elektriskās ķēdēs izmanto divu veidu elektrību - maiņstrāvu (AC) un līdzstrāvu (DC). Maiņstrāva bieži darbina lielas ierīces un motorus, bet līdzstrāva - transportlīdzekļus, kas darbojas ar akumulatoriem, un citas iekārtas un elektroniku.
J: Kā maiņstrāvu var pārvērst līdzstrāvā vai otrādi?
A Ar pārveidotājiem var pārveidot maiņstrāvu līdzstrāvā un otrādi. Augstsprieguma līdzstrāvas pārvadei izmanto lielus pārveidotājus.
