Теория электрических цепей / 2.1. Источники электрических сигналов
Что такое электрическое напряжение и ЭДС?
Как уже отмечалось в главе 1, разность потенциалов между двумя точками в электрической цепи называется электрическим напряжением. В теории электрических цепей этот термин часто сокращают просто до «напряжение», поскольку основное внимание уделяется именно электрическим процессам и явлениям.
Если создать две области с разными электрическими потенциалами, между ними возникает напряжение, определяемое как:
Пример: химический источник тока
Возьмём в качестве примера сухой гальванический элемент. В нём происходят химические реакции, в результате которых химическая энергия преобразуется в электрическую. Это приводит к накоплению избыточных электронов на одном электроде (цинковом стаканчике) и их недостатку — на другом (угольном стержне).
Именно эта разница в заряде создаёт разность потенциалов между выводами элемента. Когда цепь разомкнута, это напряжение называют электродвижущей силой (ЭДС).
Что такое ЭДС и в чём её особенность?
Электродвижущая сила (ЭДС) — это напряжение, возникающее внутри источника энергии при отсутствии тока. Несмотря на название, ЭДС не является силой в физическом смысле: она измеряется в вольтах (В), как и обычное напряжение. Также используются дольные единицы:
— 1 милливольт (мВ) = 10⁻³ В,— 1 микровольт (мкВ) = 10⁻⁶ В.
Исторически сложившийся термин «ЭДС» считается неточным, и в современной литературе его иногда заменяют на «внутреннее напряжение» или «опорное напряжение». Однако, поскольку ЭДС широко используется в учебниках и стандартах (включая ГОСТы), в данном материале мы сохраняем традиционное обозначение.
Источники ЭДС: от генераторов до солнечных батарей
ЭДС в источнике возникает под действием так называемых сторонних сил — то есть неэлектрических воздействий, преобразующих другие виды энергии в электрическую.
Например:
— В электрогенераторах на промышленных электростанциях ЭДС создаётся за счёт механической энергии (падающей воды, пара от сжигаемого топлива и т.д.).— В солнечных батареях световая энергия напрямую преобразуется в электрическую, генерируя ЭДС без движущихся частей.
Таким образом, электродвижущая сила — это разность потенциалов, формируемая внутри источника за счёт преобразования неэлектрической энергии в электрическую.
В технике связи, радиоэлектронике и других отраслях
В технике связи, радиоэлектронике и смежных областях электрические напряжения получают от специальных устройств — генераторов сигналов. Эти устройства преобразуют энергию промышленной электросети в различные напряжения, снимаемые с выходных зажимов. Таким образом, генераторы сигналов потребляют электрическую энергию от сети и выдают на выходе напряжения нужного вида, часто с заданными параметрами, которые нельзя получить непосредственно от сети.
Характеристика напряжений: зависимость от времени
Важнейшей характеристикой любого напряжения является его зависимость от времени. В общем случае генераторы создают напряжения, значения которых изменяются при изменении времени. Это означает, что в каждый момент времени на выходных зажимах генератора значение напряжения может быть разным. Такие напряжения называются переменными, в отличие от постоянных, значения которых неизменны во времени.
Следует помнить, что передать какую-либо информацию (речь, музыку, телевизионное изображение, цифровые данные и т. д.) с помощью постоянных напряжений принципиально невозможно. Поэтому в технике связи основное внимание уделяется переменным напряжениям, поскольку именно они позволяют передавать информацию.
Мгновенные значения и форма сигнала
Напряжение в каждый момент времени называют мгновенным значением. Мгновенные значения напряжения, в общем случае, являются переменными, зависящими от времени, и обозначаются малыми (строчными) буквами: u(t), или, короче, u. Совокупность мгновенных значений образует форму сигнала.
Например, если в интервале от t = 0 до t = t₁ напряжение возрастает пропорционально времени (рис. 2.1, а), то в интервале от t = t₁ до t = t₂ — убывает по такому же закону (рис. 2.1, а). Такие сигналы имеют треугольную форму.
Особенно важны в технике связи сигналы прямоугольной формы. У таких сигналов (рис. 2.1, б) напряжение в интервале от t₀ до t₁ равно нулю, в момент t₁ скачком возрастает до максимального значения, в интервале от t₁ до t₂ остаётся неизменным, в момент t₂ скачком уменьшается до нуля и т. д.
Классификация сигналов: периодические и непериодические
Электрические сигналы делятся на периодические и непериодические.
Периодическими называют сигналы, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени — период T.
Непериодические сигналы — это те, у которых такие повторения отсутствуют. Например, на рис. 2.1, а и 2.1, б показаны непериодические сигналы треугольной и прямоугольной форм, а на рис. 2.2, а и б — периодические сигналы этих же форм.
Законы, которым подчиняются периодические и непериодические сигналы, весьма различны. Многие из них, будучи совершенно правильными для периодических сигналов, оказываются совершенно несправедливыми для непериодических и наоборот. Изучение непериодических сигналов требует значительно более сложного математического аппарата, чем для периодических.
Импульсные сигналы и скважность
Очень важными являются сигналы прямоугольной формы с паузами между импульсами — их также называют «посылками» (от понятия «посылать сигналы»). Такие сигналы характеризуются скважностью S, т. е. отношением времени периода T ко времени посылки tₙ:
S = T / tₙ
Например, если время паузы равно времени импульса (т. е. посылка происходит в течение половины периода), то скважность S = T / 0,5T = 2. Если время посылки составляет одну десятую часть периода, то S = T / 0,1T = 10 (рис. 2.3, а, б и т. д.).
Визуализация сигналов: осциллограф
Для визуального наблюдения формы напряжения используют измерительные приборы — осциллографы. Осциллограф (так же, как и телевизор) имеет электронно-лучевую трубку, на экран которой электронный луч прочерчивает кривую того напряжения, которое подведено к входным зажимам осциллографа. При обычном включении осциллографа кривая на его экране получается в функции времени — т. е. луч прочерчивает изображения, аналогичные показанным на рис. 2.3, а–2.3, б.
Если в одной электронно-лучевой трубке имеются устройства, создающие два луча, и таким образом можно наблюдать сразу два изображения, такие осциллографы называются двухлучевыми. Двухлучевые осциллографы имеют две пары входных зажимов — входы первого и второго каналов. Они значительно совершеннее однолучевых: с их помощью можно наглядно сравнивать процессы в двух различных устройствах, на входных и выходных зажимах одного устройства, и т. д.
Осциллограф как инструмент исследования
Осциллограф является одним из самых интересных измерительных приборов, используемых в электронной технике. С его помощью можно определить:
— форму сигналов,— частоту,
— фазовые сдвиги,
— наблюдать спектры,
— сравнивать процессы в разных цепях,
— а также производить целый ряд измерений и исследований, которые будут рассмотрены в последующих разделах.
(Подробное устройство осциллографа и правила работы с ним приводятся в лабораторном практикуме по теории электрических цепей.)
Основные характеристики напряжений
Разность между наибольшим и наименьшим мгновенными значениями называется размахом напряжения Uₘ (большая буква указывает на то, что описывается величина, постоянная во времени, а индекс “m” означает слово “размах”). Может быть использовано также обозначение Uₚ.
Таким образом, на экране осциллографа наблюдатель видит форму исследуемого напряжения и его размах.
Рис. 2.4 - Синусоидальная (а), однополупериодная (б), двухполупериодная (в) и сложная (г) формы сигналов
Если кривая симметрична относительно горизонтальной оси, как, например, на рис. 2.4, а, то половину размаха называют максимальным значением и обозначают Uₘ. Если кривая односторонняя, т. е. все мгновенные значения имеют один и тот же знак, например положительный, то размах равен максимальному значению, в этом случае Uₘ = Uₚ.