Эквивалентные преобразования пассивных участков электрической цепи

11 Эквивалентные преобразования пассивных участков электрической цепи

В зависимости от назначении электрической цепи, её элементы могут соединяться между собой последовательно, параллельно, последовательно – параллельно (по смешанной схеме), треугольником или звездой.

Последовательным называют соединение при котором ток в каждом элементе один и тот же. При таком соединении “n” резисторов (рис. 1.8а) могут быть заменены одним резистором (рис. 1.8б) с эквивалентным сопротивлением Rэ, при котором ток I в обоих схемах будет одинаков (при равенстве напряжения U на входах схем).

а) б)

рис. 1.8

Для схемы рис. 1.8а)

,

а для схемы рис. 1.8б)

Таким образом (из равенства напряжений на входах) получаем, что:

 (1.1.19)

Эквивалентное сопротивление последовательного соединения резисторов равно сумме сопротивлений этих резисторов.

Параллельным называют соединение при котором все участки цепи присоединяются к одной паре узлов, т.е. находятся под воздействием одного и того же напряжения. При таком соединении рис. 1.9а) “n” параллельных резисторов можно заменить одним эквивалентным рис. 1.9б) сопротивление RЭ которое обеспечивает равенство токов I.

В неразветвлённых участках цепи:

Рис.1.9.

Для схемы рис.1.9(а) по первому закону Кирхгофа можно записать:

Так как для каждой ветви по закону Ома

 ,то :

, или

 (1.1.20)

Поскольку

; ; ,…,

То окончательно получаем:

 (1.1.21)

Эквивалентная проводимость параллельно соединённых резистивных элементов равна сумме проводимостей этих элементов.

Из (1.20) следует, что при параллельном соединении двух резисторов их общее (эквивалентное) сопротивление равно:

 (1.1.22)

Токи I1 и I2 двух параллельных ветвей выражаются через ток I в неразветвлённом участке цепи рис.1.10 формулами:

Рис.1.10

 (1.1.23)

Сопротивления (1.1.23) называют формулами и разброса токов. Они могут быть получены также из системы уравнений:

 (1.1.24)

Смешанное (последовательно-параллельное) соединение резистивных элементов приведено на рис.1.11

Рис.1.11

Из рис. 1.11 следует, что величина электрического сопротивления ,при котором ток в обоих схемах одинаков, равна :

 (1.1.25)

Соединение треугольником и звездой .

В некоторых электрических цепях встречаются соединения элементов, которые нельзя отнести ни к одному из выше рассмотренных. Пример такой цепи приведён на рис.1.22(а):

а) б)

рис.1.12

Резисторы Rab, Rbc и Rcd на рис.1.12(а) соединены треугольником, а на рис. 1.22 (б) резисторы Ra, Rb, Rc - соединены звездой. Схема рис.1.12(б) проще для расчёта,чем схема рис.1.12(а),поэтому следует получить выражение Ra, Rb, Rc через Rab, Rbc, Rca и наоборот.

При эквивалентной замене обоих схем, токи Ia, Iab, Icd равны и, следовательно, равны напряжения Uab, Ubc, Ucd.

Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для треугольника abc рис.1.12(а):

 (1.1.26)

Для узлов a и b в треугольнике по первому закону Кирхгофа:

,  (1.1.27)

Подставив (1.27) в (1.26),получим:

 (1.1.28)

Для звезды рис.1.12 (б):

 (1.1.29)

Из сравнения (1.28) с (1.29) следует, что:

;  (1.1.30)

По аналогии можно получить, что:

 (1.1.31)

Формулы (1.30) И (1.31) позволяют преобразовать треугольник сопротивлений в эквивалентную звезду сопротивлений.

Формулы обратного перехода звезды сопротивлений в треугольник сопротивлений можно получить заменив в формулах (1.30) и (1.31) все сопротивления проводимостями. При этом получим:

; ;  (1.1.32)

Переходя к сопротивлениям, получим:

; ; ; (1.1.33)