DC obvody | 5+ Důležité metody analýzy

Body diskuse : DC obvody

1. Úvod do stejnosměrných obvodů
2. Kirchhoffovy zákony
3. Kirchhoffův současný zákon (KCL)
4. Kirchhoffův zákon o napětí (KVL)
5. Metoda uzlového napětí
6. Metoda síťového proudu
7. Metoda smyčkového proudu
8. Některé důležité otázky týkající se stejnosměrných obvodů

Úvod do stejnosměrných obvodů

DC znamená stejnosměrný proud. Pokud se fáze zdroje energie s časem nemění, pak se obvod bude označovat jako stejnosměrné obvody. Primárními zdroji energie pro stejnosměrné obvody jsou baterie nebo podobné stálé zdroje energie. Mají rozsah od 5 voltů do 24 voltů. Když vidíme energetický symbol obvodu, můžeme pochopit, zda tomu tak je AC obvod nebo DC obvody. Symboly jsou uvedeny níže.

Kirchhoffovy zákony

Gustav Robert Kirchhoff byl významný fyzik německého původu. Jeho výzkum týkající se elektrických obvodů nám dal dva primární, ale nejkritičtější zákony pro analýzu obvodů. Tyto zákony jsou obvykle známé jako Kirchhoffovy zákony. Přišel se zákony pro proud i napětí. Lidově se jim říká – Kirchhoffův proudový zákon a Kirchhoffův zákon o napětí. Tyto zákony jsou základními pravidly pro DC obvody analýza.

Před studiem Kirchhoffových zákonů je třeba mít základní obvodové vlastnosti uzlů, uzlů, smyček, sítí, větví atd. Některé definice jsou uvedeny níže; podívejte se prosím na článek o analýze obvodů, kde najdete další takové primární terminologie.

• Uzel / křižovatky: Uzel nebo spojení v obvodu je známý jako spojovací bod dvou nebo více čísel komponent.
• Smyčka: Smyčka v obvodu je definována jako uzavřená cesta začínající od konkrétního uzlu, procházející jakoukoli částí obvodu a končící v tomto konkrétním bodě. Je třeba pamatovat na to, že cesta může projít libovolnou část okruhu pouze jednou. Smyčka může zahrnovat nebo se překrývat s jakoukoli jinou smyčkou obvodu.
• Pletivo: Síť lze říci jako nejmenší možnou smyčku v obvodu, který se nepřekrývá a neobsahuje v sobě žádnou jinou smyčku.
• Kirchhoffův současný zákon je často interpretován jako první zákon Kirchhoffova nebo Kirchhoffova zákona Junction. Zabývá se aktuálními rovnicemi uzlu nebo spojení.
• Kirchhoffův zákon o napětí se často interpretuje jako druhý zákon Kirchhoffova nebo Kirchhoffova zákona o smyčce. Zabývá se napěťovými rovnicemi smyčky.

Kirchhoffův současný zákon (KCL)

"Kirchhoffův současný zákon stanoví, že součet vstupního proudu do uzlu se rovná součtu odchozího proudu z uzlu."

Matematicky to lze konstatovat jako následující rovnici.

„Já_in = ∑ já_out

Z výše uvedeného obrázku můžeme pozorovat, že proudy I₁ a já₄ přicházejí do uzlu, zatímco já₂ a já₃ jsou odchozí proudy. Podle Kirchhoffova současného zákona tedy můžeme napsat, že -

I₁ + I₄ = I₂ + I₃

Nebo já₁ + I₄ - Já₂ - Já₃ = 0

Kontrola konceptu: Jaká bude aktuální hodnota pro větev I₅? Za předpokladu, že já₁= 2 mA, I₂= 1 mA, I₃= 4 mA, I₄= 1 mA a já₆= 2 mA.

Řešení: Chcete-li vyřešit tento typ problému stejnosměrných obvodů, nejprve vyhledejte požadovaný uzel. Poté oddělte příchozí a odchozí aktuální komponenty. Poté použijte Kirchhoffův současný zákon a najděte řešení.

Vstupní proudy jsou I₁, I₃, I₄.

Odchozí proudy jsou I₂, I₅, I₆.

Chybějící komponentou je já₅, který je odchozí.

Nyní z KCL to víme - „Já_in = ∑ já_out

Můžeme tedy napsat -

I₁ + I₃ + I₄ = I₂ + I₅ + I₆

Nebo já₅ = I₁ + I₃ + I₄ - Já₂ - Já₆

Nebo já₅ = 2 mA + 4 mA + 1 mA - 1 mA - 2 mA

Nebo já₅ = 4 mA

Kirchhoffův zákon o napětí (KVL)

Kirchhoffovi Napěťový zákon říká, že napětí kolem smyčky obvodu se rovná nule a algebraický součet poklesu napětí na každé větvi v této smyčce je také rovna nule.

Matematicky to lze konstatovat jako následující rovnici.

∑ V_n = 0

V_n představuje napětí kolem n prvků nebo větve smyčky.

Z výše uvedeného obrázku můžeme napsat, že

V_AB + V_BC + V_CD + V_DA = 0

Kirchhoffův zákon napětí má jen málo charakteristik. Někteří z nich jsou -

• Při analýze obvodu, pokud začnete svou cestu s uzlem, nezahrnujte do své cesty žádnou jinou smyčku a ukončete svou cestu ve stejném uzlu, pak součet napětí přes tuto cestu bude nulový.
• Cesta může být jakýmkoli směrem; dráha ve směru nebo proti směru hodinových ručiček nemá vliv na Kirchhoffův zákon napětí.
• Typický složitý obvod může mít mnoho smyček. KVL platí pro každou možnou smyčku obvodu.

Metoda uzlového napětí

Uzel napětí je další užitečnou metodou pro analýzu stejnosměrného obvodu. Je odvozen z aktuálního Kirchhoffova zákona. SPICE – tuto metodu obsahuje software simulátoru. Ve skutečnosti je tato metoda pohodlnější pro implementaci a analýzu celého obvodu. Použití této metody nám pomáhá zbavit se Kirchhoffova napěťového zákona, pokud chceme.

• Napětí uzlu: Uzlové napětí je koncept potřebný pro metodu napětí uzlu. To lze definovat jako potenciální rozdíl mezi dvěma uzly.

Postup je následující: Metodu uzlového napětí lze použít na stejnosměrné obvody podle níže uvedených kroků.

• Vyberte referenční uzel. Ve většině případů je zvolen zemní uzel.
• Pojmenujte všechny ostatní uzly obvodu.
• Začněte s uzly, což se zdá být snadné. Uzel zdroje energie (nejlépe zdroje napětí) spojený s referenčním uzlem by byl pohodlnější.
• Nyní použijte Kirchhoffův aktuální zákon pro každý uzel. Proveďte také výpočty zákona HM.
• Zjistěte řešení pro všechna napětí uzlu.
• Zjistěte nějaké proudu obvodu s pomocí Ohmova zákona.

Metoda síťového proudu

Metoda síťového proudu je další účinnou metodou pro analýzu stejnosměrného obvodu. Je odvozen z Kirchhoffova zákona o napětí a z této metody je odvozena nová metoda s názvem „Metoda smyčkového proudu“. Má další výhodu oproti jiným metodám analýzy obvodu, protože nevyžaduje řešení 2E počtu obvodových rovnic (E znamená počet prvků obvodu). Studium této metody vyžaduje odpovídající úroveň porozumění pojmu smyčky a sítě.

• Smyčkový proud: Smyčkový proud je koncept potřebný pro tuto metodu. Je definován jako proud skrz jakoukoli smyčku nebo síť obvodu.
• Princip superpozice: Superpozice znamená obecné přidání. Zde princip superpozice uvádí, že smyčkové proudy lze sčítat, aby se získal skutečný aktuální prvek.
• Linearita: Charakteristiky linearity pomáhají využívat princip superpozice. Linearita je násobení napětí s konstantou a získání proudu jako konstanty vynásobeného produktu.

Postup je následující: Metodu síťového proudu lze použít podle níže uvedených kroků.

• Označte oka (označovaná jako otevřená okna obvodu).
• Zvolte konkrétní směr konstantního proudu (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček), který se použije pro každou síť. Každému oku také přiřaďte aktuální proměnné.
• Pro každou síť použijte Kirchhoffův zákon o napětí a zapište rovnice.
• Vypočítejte výsledný systém pro všechny rovnice sítě.
• Pomocí Ohmova zákona zjistěte požadované složky proudu a napětí.

Metoda smyčkového proudu

Můžeme říci, že metoda Loop current je aktualizovanou verzí metody Mesh Current. Tato metoda je oblíbená a užitečná pro nerovinné obvody.

Postup je následující: Metodu smyčkového proudu lze použít k analýze stejnosměrných obvodů pomocí níže uvedených kroků.

• Označte oka (známé jako otevřené okno obvodu). Určete také smyčky.
• Zvolte konkrétní směr konstantního proudu (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček), který se použije pro každou síť. Každému oku nebo smyčkám také dejte aktuální proměnné.
• Vypočítejte výsledný systém pro všechny rovnice proudu sítě a smyčky.
• Pomocí Ohmova zákona zjistěte požadovanou složku napětí a proudu.  

Některé důležité otázky týkající se stejnosměrných obvodů

1. Jaká je hlavní myšlenka současného Kirchhoffova zákona?

Odpověď: Thlavní myšlenkou současného Kirchhoffova zákona je teorie, že poplatky nelze akumulovat v jednom bodě.

2. Napište některá omezení Kirchhoffových zákonů.

Odpověď: Oba zákony Kirchhoffa mají určitá omezení. Jsou uvedeny níže.

• Kirchhoffův současný zákon přichází s předpokladem, že vodiče a vodiče jsou jediným médiem pro tok proudu. Ve skutečnosti můžeme ve vysokofrekvenčních obvodech pozorovat tok proudu v otevřených obvodech tak, jak fungují standardní vodiče přenosové linky.

• Kirchhoffův zákon o napětí přichází s předpokladem, že každá uzavřená smyčka obvodu bude bez účinku magnetického pole, konkrétněji fluktuujícího magnetického pole. Ale ve vysokofrekvenčních obvodech není tato podmínka uspokojena.

3. Uzlová analýza je založena na zákoně zachování energie - uveďte, zda je daná věta pravdivá nebo nepravdivá.

Odpověď: Nepravdivé. Nodální analýza je založena na současném Kirchhoffově zákonu a také Kirchhoffův první zákon podporuje zachování poplatků, nikoli energie.

4. Jaký je vliv na proud obvodu, pokud jsou zdroje energie zapojeny paralelně?

Odpověď: Proud celého obvodu se zvýší.

Sudipta Royová

Ahoj, jsem Sudipta Roy. Udělal jsem B. Tech v elektronice. Jsem nadšenec do elektroniky a v současnosti se věnuji oboru Elektronika a komunikace. Mám velký zájem o objevování moderních technologií, jako je AI a strojové učení. Moje práce se věnují poskytování přesných a aktualizovaných údajů všem studentům. Pomáhat někomu při získávání znalostí mi přináší nesmírnou radost.
Spojme se přes LinkedIn –