Электрическая цепь и её основные элементы

Введение

Электрической цепью называют совокупность объектов (приборов, устройств) и проводящей среды, образующих замкнутый путь для протекания электрического тока. Иными словами, это замкнутая система, в которой источник энергии вызывает движение зарядов по проводникам через различные электрические компоненты.

Для существования тока цепь должна быть замкнутой; разомкнутая (прерванная) цепь ток не проводит. При разработке и анализе реальных электрических систем физические устройства упрощают до условных элементов (компонентов) и соединений между ними. В результате электрическую цепь можно рассматривать как набор различных элементов, соединённых проводниками (линейными связями) в единую систему.

Основными элементами электрической цепи традиционно являются источники электрической энергии и приёмники (нагрузки) энергии, соединённые между собой проводниками. Кроме того, цепь может включать дополнительные устройства: коммутирующие (управляющие) элементы для замыкания/размыкания цепи, защитные элементы для предохранения от аварийных режимов, а также измерительные приборы для контроля параметров работы. Все эти компоненты выполняют различные функции, но работают совместно, обеспечивая протекание и управление током в цепи. Ниже рассматриваются технические характеристики каждой категории элементов, принципы их действия, примеры исполнения и условные обозначения. Также приводятся примеры цепей постоянного и переменного тока, иллюстрирующие взаимодействие элементов.

Основные элементы электрической цепи

Источники питания

Источники питания (источники ЭДС) – это активные элементы цепи, которые обеспечивают наличие напряжения и питают остальную цепь энергией. Их функция – поддерживать разность потенциалов (напряжение) между своими выводами, заставляя заряд перемещаться по цепи. Идеализированный источник может рассматриваться как двухполюсник с заданным напряжением или током на выводах, не зависящим от подключенной нагрузки. Реальные источники имеют внутреннее сопротивление и ограничения по току и напряжению.

По физическому принципу действия источники делятся на несколько типов:

Химические

Химические (галванические) источники преобразуют энергию химической реакции в электрическую. К ним относятся гальванические элементы — одноразовые батарейки, и аккумуляторы — перезаряжаемые батареи. Принцип их работы основан на окислительно-восстановительных реакциях, происходящих между электродами и электролитом. Напряжение одного гальванического элемента зависит от используемых веществ и обычно находится в диапазоне от 1,2 до 2 В. Например, цинк-угольный элемент даёт около 1,5 В. Аккумуляторы — свинцово-кислотные, литий-ионные и другие — обладают способностью к многократной перезарядке.

Электромеханические генераторы

Электромеханические генераторы с превращают механическую энергию в электрическую, основываясь на законе электромагнитной индукции. Типичный пример — генератор или альтернатор на электростанции, а также динамо-машина. При вращении провода или магнитов в магнитном поле в обмотке возникает электродвижущая сила (ЭДС). Такие генераторы могут производить как постоянный ток — например, с помощью коллектора или выпрямителя, так и переменный синусоидальный ток заданной частоты, чаще всего 50 или 60 Гц, в зависимости от энергосистемы.

Термоэлектрические и фотоэлектрические источники

Термоэлектрические и фотоэлектрические источники напрямую преобразуют тепло или свет в электричество. Термоэлектрические генераторы, такие как термопары и термоэлементы, вырабатывают ЭДС за счёт температурной разницы на стыке разнородных проводников — это проявление эффекта Зеебека. Фотоэлементы, или солнечные панели, создают напряжение под действием света, используя фотоэлектрический эффект в полупроводниках. Оба этих типа источников, как правило, выдают постоянное напряжение, чувствительное к изменениям внешних условий — температуры или освещённости.

Электронные источники

Электронные источники питания включают в себя различные устройства, преобразующие электроэнергию из одной формы в другую. Например, выпрямители (AC/DC-преобразователи) превращают переменное напряжение сети в стабилизированное постоянное нужного уровня. Инверторы, наоборот, преобразуют постоянное напряжение в переменное, как это происходит в источниках бесперебойного питания. Также сюда относятся лабораторные источники, позволяющие задавать и регулировать напряжение и ток с высокой точностью.

Каждый источник питания характеризуется выходным напряжением (ЭДС), внутренним сопротивлением и максимальной мощностью или током, который он способен отдать в нагрузку. Например, типовая батарейка AA имеет ЭДС ~1,5 В и внутреннее сопротивление порядка одного ома или меньше, что ограничивает ток короткого замыкания несколькими амперами. У генераторов и промышленных источников параметры нормируются стандартами – так, номинальное напряжение бытовой сети ~230 В AC (переменного тока). Ряд стандартов определяет требования к источникам питания. В России, например, параметры питающих электросетей определены ГОСТ 32144-2013 (напряжение, частота и отклонения в сети ~230/400 В, 50 Гц), а конструкция и безопасность батарей – ГОСТ IEC 60086 (для первичных элементов) и ГОСТ IEC 62133 (для аккумуляторов). Источники питания служат “двигателем” электрической цепи – без них ток в цепи отсутствует.

Проводники

Проводники – это материалы и компоненты, которые обеспечивают электрическое соединение между элементами цепи. В идеальном случае проводник обладает нулевым электрическим сопротивлением, то есть не препятствует прохождению тока. В реальных условиях проводники всегда имеют небольшое сопротивление, зависящее от материала, длины и площади сечения. Функция проводника – создать замкнутый путь для тока от одного элемента цепи к другому, с минимальными потерями энергии.

Основные примеры проводников – металлические провода и шины, обычно изготовленные из меди или алюминия. Медь – один из лучших технических проводников: её удельное электрическое сопротивление порядка 1.7×10^-8 Ом·м, она пластична и хорошо паяется. Алюминий легче и дешевле, но имеет несколько более высокое сопротивление (2.8 x10^-8 Ом·м) и склонен к окислению, поэтому применяется главным образом в силовых кабелях и воздушных линиях. Для уменьшения сопротивления проводники делают достаточного сечения (например, 1,5 мм² медный провод выдерживает ток до ~15 А по нагреву). Кроме того, многие провода имеют изоляцию – слой диэлектрика (ПВХ, резина, тефлон и др.), который предотвращает контакты проводника с другими проводниками или с человеком, обеспечивая безопасность и управление протеканием тока по заданному контуру. Сами изоляторы не проводят ток, поэтому ток замыкается только по проводящим путям.

Конструктивные исполнения проводников разнообразны: это могут быть гибкие многожильные кабели, жёсткие одинарные проводники, печатные проводники на платах (токопроводящие дорожки из меди) и даже жидкие металлы (ртутные шины) или плазма. В высокочастотных цепях форма и материал проводников особенно важны, т.к. проявляются скин-эффект (смещение тока к поверхности провода при повышенной частоте, эффективно уменьшающее живое сечение проводника) и эффект близости. Для снижения потерь применяют специальные проводники: литцендрат (пучок изолированных тонких проводков) для уменьшения скин-эффекта, волноводы, коаксиальные кабели с контролируемым волновым сопротивлением и т.д. В цепях постоянного тока и промышленной частоты (50 Гц) скин-эффектом можно пренебречь для проводов малого диаметра.

Соединения проводников в схемах изображаются сплошными линиями. Точки соединения (пайка, клеммы, разъёмы) часто отмечаются на схемах точками или особыми обозначениями. Стандарты ЕСКД регламентируют условные обозначения проводов и контактных соединений – например, ГОСТ 2.709-89 устанавливает символы соединения проводов, узлов, а также маркировку выводов (номера клемм и полярности). Электрические соединения являются неотъемлемой частью цепи: именно по ним ток замыкается в петлю от источника к нагрузке и обратно. В расчётах цепей проводники часто принимают идеальными (с R=0) для упрощения, однако в реальных схемах длинные или тонкие проводники могут вызывать падения напряжения и нагрев, что учитывается при проектировании (по ПУЭ устанавливаются нормы сечения проводов в зависимости от тока и условий прокладки). В особых случаях применяют сверхпроводники, у которых сопротивление падает практически до нуля при охлаждении ниже критической температуры – такие проводники позволяют передавать ток без омических потерь, однако требуют сложного криогенного обеспечения.

Нагрузки (приёмники энергии)

Нагрузка – это обобщённое название для элементов цепи, которые потребляют электрическую энергию и преобразуют её в другие виды энергии (тепло, свет, механическую работу, химическую и т.д.) либо в информацию (сигнал). Нагрузкой может быть как простой пассивный элемент (резистор), так и сложное устройство или аппарат (лампа, двигатель, электронный модуль). В теории цепей нагрузки обычно моделируются импедансами – сочетанием активного и реактивного сопротивления. Различают: активные нагрузки, которые необратимо рассеивают энергию (например, резисторы, нагреватели), и реактивные нагрузки, которые периодически накапливают и возвращают энергию в цепь (индуктивные и ёмкостные элементы).

Основные виды элементов, выполняющих роль нагрузки:

Резисторы (активное сопротивление)

Резисторы — это элементы, которые подчиняются закону Ома:

V = I R

то есть напряжение на резисторе прямо пропорционально протекающему через него току. Вся потребляемая электрическая энергия в резисторе преобразуется в тепло согласно эффекту Джоуля–Ленца. Реальные резисторы изготавливаются из материалов с заданным сопротивлением — металлических сплавов, углеродных композиций, полупроводниковых пленок. По конструкции различают проволочные резисторы, представляющие собой намотку нихромовой проволоки на каркас, пленочные резисторы, композиционные (угольные) и другие. У каждого резистора есть номинальное сопротивление (в Омах) и допустимая мощность рассеяния (в Ваттах). Типичные примеры нагрузки — электрический обогреватель или лампа накаливания, которые по сути являются резистивными элементами, преобразующими электрическую энергию в тепло и свет. Лампа накаливания содержит тонкую вольфрамовую нить, которая разогревается до температуры около 2700 °C и начинает излучать свет. При этом её сопротивление существенно возрастает по сравнению с холодным состоянием: при включении оно может быть в 10 раз ниже, чем в рабочем режиме.

Индуктивности (реактивная нагрузка типа L)

Индуктивности — это катушки, электродвигатели и другие устройства, обладающие заметной индуктивностью, которые работают с энергией магнитного поля. Работа индуктивного элемента описывается законом

v = L \frac{di}{dt}

Напряжение на катушке пропорционально скорости изменения тока. При прохождении тока энергия накапливается в магнитном поле, создаваемом вокруг проводника или в сердечнике. Идеальная индуктивная нагрузка не потребляет среднюю мощность — энергия возвращается источнику, но создаёт сопротивление изменению тока, выраженное в виде реактивного сопротивления

X_L = 2\pi f L

В цепях переменного тока. Примером служит электродвигатель: при подключении к источнику постоянного тока вначале через обмотки проходит большой ток, ограниченный их сопротивлением, но по мере разгона в них появляется противо-ЭДС, и ток снижается. В установившемся режиме двигатель потребляет мощность, соответствующую механической нагрузке и потерям. В цепях переменного тока индуктивные нагрузки вызывают сдвиг фаз между током и напряжением — ток отстаёт — и требуют компенсации реактивной мощности (например, с помощью конденсаторов) для повышения коэффициента мощности.

Ёмкости (реактивная нагрузка типа C)

Ёмкостные элементы — это конденсаторы и другие устройства, способные накапливать энергию электрического поля. Их поведение описывается законом:

i = C \frac{dv}{dt}

Ток, протекающий через конденсатор, зависит от скорости изменения напряжения на его обкладках. Идеальный конденсатор не пропускает постоянный ток (если dv/dt = 0, то i = 0), но в переменных режимах он непрерывно заряжается и разряжается, обмениваясь энергией с источником. Реактивное сопротивление ёмкости выражается формулой.

X_C = \frac{1}{2\pi f C}

Применения включают конденсаторные батареи, компенсирующие реактивную мощность в сетях (обеспечивают ток, опережающий по фазе напряжение), фазосдвигающие конденсаторы в электродвигателях, а также всевозможные ёмкости в электронных схемах. Например, входные конденсаторы выпрямителей потребляют импульсный ток из сети. Ёмкостная нагрузка смещает фазу — ток опережает напряжение — и может вызывать кратковременные броски тока при включении из-за заряда конденсатора.

Кроме перечисленных “идеальных” R, L, C, реальные нагрузки могут быть смешанного характера – обладают одновременно активными и реактивными компонентами. Например, люминесцентная лампа с дросселем имеет активную составляющую (нагрев электродов, потери в газе) и индуктивную (дроссель); компьютерный блок питания выглядит как активная нагрузка для сети, но содержит входные фильтры (ёмкости и индуктивности) и выпрямители. Полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы), хотя и часто используются в цепях, сами по себе тоже можно считать нагрузкой на источник (они потребляют ток и имеют падение напряжения). Например, светодиод – это электронная нагрузка, проводящая ток в одном направлении и излучающая свет, с эквивалентным сопротивлением нелинейным (зависит от тока). В общем случае нагрузка может быть линейной (если её сопротивление/импеданс не меняется с током и напряжением) и нелинейной (например, полупроводниковый диод, лампа накаливания, газоразрядная лампа – их ВАХ нелинейны).

Ключевыми характеристиками нагрузки являются: номинальное напряжение питания, потребляемый ток (или мощность) при номинальных условиях, сопротивление или импеданс (может быть постоянным или зависеть от условий), коэффициент мощности (для AC нагрузок – доля активной мощности в полной). Также указываются условия работы – например, стартовые токи электродвигателей (кратные номиналу), температурный диапазон и др. Существует классификация приёмников электроэнергии по назначению: осветительные, двигательные, нагревательные, электронные устройства и т.п., для каждого вида могут действовать свои стандарты (например, ГОСТ 50571 для электроустановок, ГОСТ по электродвигателям – ГОСТ 183-74 и др., регламентирующие параметры и испытания).

Понятия источник и нагрузка относительны: в одной и той же цепи элемент, отдающий энергию, считается источником, а принимающий – нагрузкой. В простейшей цепи постоянного тока единственной нагрузкой может выступать, например, резистор (нагреватель), а источником – батарея. В более сложных цепях нагрузок может быть несколько, они могут подключаться параллельно (разветвлённая цепь) или последовательно в разных комбинациях. Для расчёта установившихся режимов применяется закон Ома и балансы напряжений/токов (правила Кирхгофа), а для анализов режимов переменного тока – методы комплексных импедансов. Знание характеристик нагрузки позволяет определить ток, потребляемый из источника, и выбрать соответствующие проводники, коммутационные и защитные аппараты.

Коммутирующие устройства

Коммутирующие устройства – это элементы цепи, предназначенные для управления током: они осуществляют коммутацию, т.е. соединение или разрыв электрической цепи, переключение между различными ветвями, а также регулирование подачи питания. К этой категории относятся выключатели, переключатели, реле, контакторы и различные электронные ключи (транзисторы, тиристоры и др.). Главная функция коммутирующего элемента – по команде (ручной или автоматической) изменить конфигурацию цепи: замкнуть её для протекания тока или разомкнуть (прервать ток), либо перенаправить ток в другой канал.

Коммутационные устройства можно разделить на подгруппы:

Ручные (механические) выключатели и переключатели

Ручные выключатели управляются непосредственно человеком или механическим приводом. Простейший пример — это ключ в цепи освещения, в котором два контакта замыкаются при включении и размыкаются при выключении. В зависимости от конструкции, существуют кнопочные выключатели, тумблеры, рычажные рубильники, поворотные переключатели. Один из классических вариантов — ножевой переключатель (рубильник), где металлический нож вручную вводится между зажимами, замыкая цепь. Современные бытовые выключатели выполнены в пластиковом корпусе и используют подпружиненные контакты, обеспечивающие чёткое срабатывание. Их параметры ограничиваются по максимальному рабочему напряжению и току, например 250 В и 10 А. Также применяются ручные переключатели, позволяющие направлять ток на разные цепи, как в случае с вводом питания «главный/резервный», где одним движением выбирается рабочая линия.

Автоматические электромеханические коммутаторы (реле и контакторы)

Эти устройства управляются электрическим сигналом и не требуют прямого участия человека. Реле представляет собой электромагнитный переключатель: протекание тока через обмотку создаёт магнитное поле, которое притягивает якорь и приводит к замыканию или размыканию контактов. Это позволяет слаботочной управляющей цепью контролировать более мощную силовую цепь, при этом обеспечивая гальваническую развязку. Контакторы, в отличие от реле, рассчитаны на работу с большими токами — десятки и сотни ампер. Они применяются для включения мощных электродвигателей и нагревателей в промышленности. Контакторы оснащены усиленными контактами, пружинным механизмом быстрого срабатывания и дугогасительными камерами для безопасного размыкания токов. Их параметры включают напряжение катушки управления (например, 24 В DC или 230 В AC), рабочее напряжение и коммутируемый ток (например, 380 В, 100 А). Электромеханические реле могут иметь несколько групп контактов различного действия (замыкающих, размыкающих, переключающих), что позволяет организовать сложное логическое управление в электрических цепях.

Полупроводниковые ключи (электронные коммутаторы)

Электронные ключи выполняют ту же функцию — включение или выключение тока — но работают без механических частей, управляя проводимостью полупроводниковой структуры. Примерами служат транзисторы, как биполярные, так и полевые (MOSFET), которые переключаются при подаче соответствующего сигнала тока или напряжения. Такие ключи широко применяются в схемах электроники, преобразователях питания, источниках бесперебойного питания и импульсных блоках. Для управления переменным током используют тиристоры и симисторы (триаки), способные переключать большие токи в сетях 230 В — например, в регуляторах мощности (диммерах). К достоинствам электронных ключей относятся высокая скорость переключения, бесконтактность, отсутствие искрения, возможность плавного регулирования параметров — как в аналоговом (линейном) режиме, так и с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Недостатками являются падение напряжения на открытом ключе (порядка 0,1–2 В у транзисторов, до ~1 В у тиристоров), что приводит к тепловым потерям, а также чувствительность к перенапряжениям. В силовой электронике применяются IGBT — биполярные транзисторы с изолированным затвором, сочетающие достоинства MOSFET и биполярных ключей и способные управлять сотнями ампер при напряжениях в сотни вольт.

Коммутационные элементы часто определяют конфигурацию цепи. Например, включение лампы в комнате осуществляется серийным соединением: линия питания – выключатель – лампа – нулевая линия. При разомкнутом выключателе цепь разрывается и ток не течёт; при замкнутом – ток проходит через лампу, и она горит. Переключатели могут реализовать разные топологии, например, схема «звезда–треугольник» для запуска двигателя переключает обмотки с последовательного включения на параллельное после разгона. Характерная особенность механических коммутаторов – электрическая дуга при размыкании под током. Чтобы защитить контакты от обгорания, в выключателях и особенно контакторах применяют меры: быстрый разрыв, пружинные контакты, искрогасительные камеры, заполненные дугогасящим газом или снабжённые магнитным дутьём.

При проектировании цепей важно учитывать номиналы коммутирующих устройств: максимально допустимые ток и напряжение, коммутационный ресурс (число циклов включения-выключения), скорость и время срабатывания. Например, обычный бытовой выключатель рассчитан на тысячи циклов при 10 А, 250 В. Реле имеют паспортное число срабатываний (электрическая долговечность) и время срабатывания порядка нескольких десятков миллисекунд. Полупроводниковые ключи характеризуются временем переключения от наносекунд (транзисторы) до миллисекунд (тиристоры в сетевых частотах, которые отключаются только при переходе через ноль). Стандарты ГОСТ и IEC регламентируют различные типы коммутационных аппаратов: для низковольтных выключателей и переключателей – ГОСТ R 50030.x (аналог IEC 60947), для реле – ГОСТ 16121-86, ГОСТ Р 51901 (аналог IEC 61810), для полупроводников – ГОСТ 20859 (на транзисторы) и т.д. На принципиальных схемах коммутирующие устройства обозначаются условными графическими символами, отражающими их функцию (размыкающий контакт, переключатель, транзистор и т.п.), о чём подробнее сказано ниже.

Защитные элементы

Защитные элементы – это устройства, предназначенные для обеспечения безопасной работы цепи, защиты оборудования и людей от ненормальных режимов: перегрузок по току, коротких замыканий, перенапряжений, утечек тока на землю и др. Они обычно не участвуют в работе цепи в нормальном режиме, но вступают в действие при аварийных или отклонённых параметрах, разрывая цепь или ограничивая опасный параметр. К защитным элементам относятся предохранители, автоматические выключатели (автоматы), устройства защитного отключения (УЗО), ограничители перенапряжений и ряд других.

Рассмотрим основные виды защитных устройств:

Плавкие предохранители

Плавкий предохранитель — это простейший элемент защиты электрической цепи от перегрузки и короткого замыкания. Он представляет собой тонкий проводник (плавкую вставку), помещённый в негорючий корпус, например, в стеклянную колбу или керамический патрон. При прохождении тока, превышающего допустимое значение, в проводнике выделяется джоулева теплота, и когда температура достигает точки плавления, вставка перегорает, разрывая цепь и прекращая ток. Это предотвращает дальнейшее повреждение оборудования. У каждого предохранителя есть номинальный ток — тот, который он способен пропускать сколь угодно долго, — и временная характеристика срабатывания: чем сильнее ток превышает номинал, тем быстрее происходит перегорание. Так, предохранитель на 5 А может работать с током 6 А в течение нескольких минут, но при 50 А перегорит за миллисекунды. На схемах он изображается в виде узкой S-образной линии или простой вставки. Стандарты ГОСТ R 50339.1-92 и IEC 60269 описывают типы, размеры и характеристики плавких предохранителей — например, цилиндрические типы gG, aM и прочие. После срабатывания такой предохранитель подлежит замене.

Автоматические выключатели (Автоматы)

Автоматический выключатель — это механический коммутатор, автоматически размыкающий цепь при возникновении перегрузки или короткого замыкания. В быту чаще всего используются модульные автоматы, устанавливаемые в электрощитках, рассчитанные на токи от 6 до 63 А и напряжение ~230/400 В. Внутри автомата находятся два расцепителя: тепловой и электромагнитный. Тепловой расцепитель основан на работе биметаллической пластины, которая нагревается от тока и изгибается при превышении номинала, вызывая срабатывание с небольшой временной задержкой — защита от длительной перегрузки. Электромагнитный расцепитель представляет собой соленоид, мгновенно реагирующий на резкие скачки тока, как при коротком замыкании. При срабатывании любого из механизмов контакты размыкаются, цепь обесточивается. В отличие от предохранителей, автомат можно включить обратно вручную. Автоматы классифицируются по характеристикам срабатывания — типы B, C, D различаются по чувствительности к кратковременным токовым броскам. Ещё один важный параметр — предельная коммутационная способность, то есть максимальный ток КЗ, который устройство может безопасно отключить, например, 4500 А или 6000 А, в соответствии с ГОСТ R 50345 и IEC 60898. Для безопасного отключения под нагрузкой автомат содержит дугогасительную камеру, предотвращающую разрушение контактов при возникновении дуги.

Устройства защитного отключения (УЗО)

УЗО предназначены для защиты человека от поражения током и оборудования — от токов утечки. Они работают по принципу сравнения токов в прямом и обратном проводниках при помощи дифференциального трансформатора. В нормальном режиме токи равны, но если появляется утечка — например, через тело человека на землю — возникает дифференциальный ток, который активирует механизм отключения. УЗО срабатывают при обнаружении утечки, превышающей заданный порог (обычно 10–30 мА для защиты человека), причём очень быстро — за миллисекунды. Поскольку они реагируют не на силу тока, а на его дисбаланс, УЗО дополняют автоматические выключатели. Существуют также дифференциальные автоматы — комбинированные устройства, совмещающие функции УЗО и автомата. В схемах УЗО обозначается символом с дифференциальным трансформатором или прямоугольным блоком с маркировкой. Требования к таким устройствам описаны в ГОСТ Р 50807-95 и стандарте IEC 61008.

Ограничители перенапряжения

Эти элементы защищают электрооборудование от кратковременных импульсных перенапряжений, таких как грозовые разряды или скачки напряжения в сети. Варисторы — это резисторы с нелинейной вольт-амперной характеристикой: при достижении определённого напряжения их сопротивление резко падает, и они шунтируют опасный импульс, превращая избыточное напряжение в ток. В этом случае варистор греется, а защиту обеспечивает связанный с ним предохранитель. Газоразрядники действуют аналогично: между их электродами при достижении пробивного напряжения (обычно 600–1000 В) возникает электрический разряд, энергия которого уходит в землю. После исчезновения перенапряжения разрядник самопроизвольно отключается. Такие устройства применяются на вводах электропитания, в линии связи и телекоммуникации. Их конструкция и параметры регламентируются стандартами ГОСТ Р 51992-2002 и IEC 61643.

Помимо указанных, к защитным мерам относятся заземление и зануление – хотя это не отдельные элементы, а способ соединения оборудования с землёй (общим нулевым потенциалом) для отвода опасных токов утечки. На схемах заземление обозначается специальным символом (три полоски разной длины).

Защитные важны для безопасности. Они должны срабатывать надёжно и селективно (т.е. ближний к месту аварии аппарат выключается раньше, чем стоящий выше по линии). В нормальном режиме защитные аппараты находятся во включённом состоянии и практически не влияют на работу цепи (их сопротивление ничтожно, падение напряжения мало). При возникновении же аварийных условий они ограничивают ток или отключают питание, предотвращая повреждения. В цепях постоянного тока действие защитных элементов аналогично – используются плавкие вставки, автоматы (специально сконструированные для DC, учитывая отсутствие перехода через ноль и больший разрыв дуги). Стандарты серии ГОСТ R 50030 (IEC 60947) и ГОСТ R 50345 регулируют низковольтные защитные коммутационные устройства, а ГОСТ Р 50571 устанавливает общие требования к защитам в электроустановках.

Измерительные приборы

Измерительные приборы в электрической цепи служат для контроля параметров работы: величины тока, напряжения, мощности, частоты и пр. В лабораторной и промышленной практике в цепи часто включают специальные устройства – амперметры, вольтметры, ваттметры, частотомеры, осциллографы и т.д. – которые позволяют наблюдать за режимом работы без существенного вмешательства в сам режим. Эти приборы должны иметь известные, как правило, высокие метрологические характеристики (точность, класс точности) и оказывать минимальное влияние на измеряемую цепь.

Классическими измерительными элементами в цепях постоянного и переменного тока являются:

Амперметр

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи и подключается последовательно с нагрузкой, чтобы через него протекал тот же ток, что и через измеряемый участок. Для того чтобы не вносить значительное дополнительное сопротивление в цепь, амперметр должен обладать как можно меньшим внутренним сопротивлением, стремящимся к нулю — в идеале 0 Ом. Стрелочные амперметры, например, магнитоэлектрической системы, содержат шунтирующий резистор, который направляет большую часть тока в обход чувствительного измерительного механизма, обеспечивая точность показаний и минимальное падение напряжения — обычно не более сотен милливольт при полном токе. Современные цифровые амперметры, включая токовые клещи с датчиком Холла, могут измерять ток бесконтактно или с минимальным сопротивлением, не влияя на параметры цепи. На схемах амперметр обозначается кружком с буквой «A».

Вольтметр

Вольтметр измеряет разность потенциалов — напряжение между двумя точками электрической цепи — и подключается параллельно элементу, на котором нужно измерить напряжение. Чтобы не создавать дополнительных токов и не искажать распределение напряжений, идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением. Реальные приборы, особенно стрелочные вольтметры магнитоэлектрической системы, включают последовательно с измерительным механизмом добавочный резистор, увеличивающий общее сопротивление. Например, для диапазона измерения 300 В внутреннее сопротивление может достигать десятков килоом. Цифровые мультиметры, используемые в современной практике, обычно имеют входное сопротивление от 1 до 10 МΩ на диапазонах измерения напряжения, что делает их практически идеальными. На схемах вольтметр обозначается кружком с буквой «V».

Ваттметр

Ваттметр — прибор для измерения активной мощности, потребляемой нагрузкой. Он совмещает в себе функциональность амперметра и вольтметра, так как имеет токовую цепь (включается последовательно с нагрузкой) и напряженческую (подключается параллельно). В классическом стрелочном ваттметре электродинамической системы находятся две катушки: одна пропускает ток, другая измеряет напряжение. Взаимодействие магнитных полей этих катушек пропорционально произведению тока и напряжения, а также косинусу фазового угла между ними, что позволяет измерить активную мощность по формуле:

P = IV \cos\varphi

Такие ваттметры применяются в электроизмерительных лабораториях, а также в составе счётчиков электрической энергии. На схемах ваттметр изображается кружком с буквой «W» или специальным обозначением стрелки мощности.

Измерители других параметров

В дополнение к базовым измерительным приборам в электрических цепях применяются устройства для определения других параметров. Частотомеры фиксируют частоту переменного тока и могут быть как электронными счётчиками импульсов, так и аналоговыми резонансными приборами. Фазометры измеряют сдвиг фаз между током и напряжением, а омметры используются для определения сопротивления. Омметры имеют встроенный источник питания, поэтому измерение проводится только на обесточенной цепи. Осциллографы позволяют визуализировать форму сигнала во времени, измеряя напряжение с высоким входным сопротивлением (порядка 1 МΩ) и подключаются параллельно исследуемой точке цепи. В системах энергоснабжения применяются трансформаторы тока и трансформаторы напряжения — измерительные трансформаторы, которые снижают уровни измеряемых токов и напряжений до безопасных значений, обеспечивая точную работу измерительных приборов и защитных реле.

Измерительные приборы характеризуются классом точности (например, 0.5 – погрешность 0,5% от шкалы), диапазоном измерений, внутренним сопротивлением (для вольтметров и амперметров), чувствительностью. Включение измерителей в цепь требует соблюдения полярности (для постоянного тока, многие стрелочные приборы показывают только положительное направление правильно) и соответствия диапазону (чтобы прибор не перегрузить).

На принципиальных схемах измерительные приборы обозначаются условно – чаще всего кружком с буквой (A, V, Ω и т.п.), реже специальными символами измерительных устройств. Например, согласно ГОСТ 2.721-74 буквенно-цифровые обозначения измерительных приборов могут включать индексы (PV – вольтметр постоянного тока, PA – амперметр переменного и т.д.), но в простых схемах обычно хватает букв. Условные графические обозначения приборов и их подключение регламентируются стандартами ЕСКД и МЭК. Например, ГОСТ 2.759-82 устанавливает обозначения для измерительных преобразователей, ГОСТ 2.721 и ГОСТ 2.727 – для отдельных приборов. Сами приборы (как устройства) стандартизованы – скажем, аналоговые щитовые амперметры и вольтметры должны соответствовать ГОСТ 7328-2001 (МЭК 60051) по точности и конструкции.

Современные цифровые системы часто заменяют отдельные приборы встроенными датчиками и контроллерами, но принцип остаётся: измерение тока обычно реализуется через малое сопротивление-шунт с измерением падения напряжения или через датчик Холла; измерение напряжения – через высокоомный делитель; мощность вычисляется по мгновенным значениям тока и напряжения и усредняется. Все эти измерительные компоненты тоже можно рассматривать как элементы цепи (например, шунт – фактически низкий резистор в цепи, трансформатор тока – дополнительная индуктивная связь и т.п.), влияние которых желательно минимизировать. Правильное применение измерительных приборов обеспечивает мониторинг и диагностику работы цепи без существенного искажения её функционирования.

Классификация основных элементов (таблица)

Ниже приведена обобщающая таблица, классифицирующая основные элементы электрических цепей по их функциям, с указанием примеров и ключевых характеристик:

Принцип взаимодействия элементов в цепи

Элементы электрической цепи работают согласованно, подчиняясь основным законам электротехники. В замкнутой цепи источник питания создает разность потенциалов, вследствие чего через нагрузку протекает электрический ток. Проводники соединяют все компоненты таким образом, чтобы ток мог течь от положительного полюса источника через нагрузки и другие элементы обратно к отрицательному полюсу, образуя замкнутый контур.

На выше показана простейшая цепь постоянного тока: батарея (источник) соединена проводами с лампой (нагрузка) и через выключатель замыкается на второй полюс источника. В положении, когда ключ разомкнут (часть B схемы), цепь прервана и ток I=0; когда ключ замкнут (часть A), цепь становится замкнутой, и по ней течёт ток, зажигающий лампу (нагрузка потребляет энергию источника). Проводники в идеале не создают падения напряжения, поэтому напряжение источника почти полностью прикладывается к нагрузке (лампе). Значение тока при этом определяется законом Ома:

I = \frac{E}{R_{наг}}

Для постоянного тока (где E – ЭДС батареи, R_наг – суммарное сопротивление нагрузки и проводников). В установившемся режиме ток ограничен лишь сопротивлением цепи. Если добавить в цепь ещё один резистор последовательно, ток уменьшится; если подключить параллельно второй элемент нагрузки, общий ток источника возрастёт, разделившись между параллельными ветвями (по закону Кирхгофа для токов).

В каждой точке разветвления цепи суммы токов ветвей удовлетворяют первому закону Кирхгофа (алгебраическая сумма токов в узле равна нулю), а по контуру – сумме падений напряжений равной ЭДС (второй закон Кирхгофа). Взаимодействие элементов описывается тем, что напряжение источника распределяется между элементами цепи, пропорционально их сопротивлениям, и общий ток через последовательные элементы одинаков, а через параллельные – делится. Например, если к одному источнику подключены две лампы параллельно, каждая получает практически полное напряжение источника, а ток источника равен сумме токов через лампы. Если же те же лампы включены последовательно, через них идёт одинаковый ток, а напряжение источника делится между лампами в отношении их сопротивлений. Во всех случаях мощность, отдаваемая источником, равна сумме мощностей, потребляемых нагрузками (и рассеиваемых на сопротивлениях проводов, если они существенны). Эта согласованность обеспечивается автоматическим установлением значений токов и напряжений в цепи в соответствии с законами Ома и Кирхгофа.

Коммутационные и защитные элементы влияют на режим работы цепи при определённых условиях, тем самым входя во взаимодействие с остальными компонентами. В нормальном состоянии замкнутый выключатель можно рассматривать как проводник с очень малым сопротивлением, а предохранитель – как проводник с определённой токовой емкостью. Они практически не вносят заметного падения напряжения и не потребляют мощности (кроме небольшого нагрева на своем сопротивлении контактов). Однако когда выключатель размыкается, он мгновенно разрывает контур – ток во всей цепи прекращается, и нагрузка обесточивается. Таким образом, коммутационные устройства вмешиваются в цепь, изменяя топологию соединений: разомкнутая цепь означает бесконечное сопротивление в месте разрыва и нулевой ток повсюду. Переключатели могут перенаправить ток: например, коммутируя источник на другую нагрузку, – при этом одна часть цепи отключается, другая подключается. В динамике коммутации (особенно при размыкании под током) могут возникать переходные процессы – колебания тока и напряжения, искровые разряды на контактах, броски напряжения на индуктивностях

L \frac{di}{dt}

И броски тока на ёмкостях

C \frac{dv}{dt}

Поэтому реальные взаимодействия элементов цепи во время переключений описываются дифференциальными законами – уравнениями реакций L и C, причём защитные компоненты (варисторы, RC-цепочки) могут сглаживать эти переходные процессы.

Защитные устройства обычно находятся в ждущем режиме, пока ток и напряжение находятся в допустимых пределах. При превышении предела они вступают во взаимодействие: например, при перегрузке потребителя ток возрастает – через плавкий предохранитель начинает идти сверхток, он нагревается (взаимодействие тока и сопротивления предохранителя приводит к тепловому эффекту), и по достижении порога плавкая вставка перегорает, разрывая цепь и отделяя источник от нагрузки. В момент срабатывания защитного элемента происходит резкое изменение топологии цепи – аналогично срабатыванию выключателя, цепь размыкается, ток падает до нуля. Это защищает источник и проводники от продолжения аварийного режима. Автоматический выключатель при коротком замыкании выполняет ту же функцию, но за счёт магнитного расцепителя – сильный ток индуцирует магнитное поле, которое мгновенно отталкивает фиксатор контактов, и контакты размыкаются (при этом дуга гасится в камере). После срабатывания защитного устройства участок цепи остается отключенным до вмешательства (замены предохранителя или включения автомата вручную). Защитные элементы взаимодействуют с остальными опосредованно: их задача – изменить состояние цепи (прекратить ток) при наступлении определённых условий, предотвращая тем самым нежелательные взаимодействия (например, дальнейший рост тока, перегрев нагрузки или проводников).

Измерительные приборы, когда включены в цепь, тоже становятся её частью и взаимодействуют с сигналами. Идеально они должны лишь “считывать” параметры, но фактически немного влияют. Например, амперметр с малым сопротивлением добавляет небольшое сопротивление последовательно к нагрузке – это чуть-чуть уменьшает общий ток (вносит погрешность измерения). Вольтметр с большим сопротивлением параллельно нагрузке добавляет небольшой ток шунтирования – основная часть тока идёт через нагрузку, но малый ток течёт и через вольтметр, что чуть снижает эквивалентное сопротивление нагрузки. Эти влияния стараются минимизировать, делая внутренние сопротивления приборов очень большими (для вольтметров) или маленькими (для амперметров). Когда измерительный трансформатор тока подключен вокруг проводника, он фактически добавляет небольшую индуктивность в цепь и отбирает немного энергии для измерения, но, будучи правильно рассчитан, почти не искажает силу основного тока. Осциллограф подключается через пробник с делителем 1:10 и входной емкостью – это может слегка исказить форму высокочастотного сигнала (нагрузив цепь ёмкостью ~10–20 пФ), но в большинстве низкочастотных случаев влиянием приборов пренебрегают.

В цепях переменного тока взаимодействие элементов подчиняется тем же законам Кирхгофа, но учитываются фазовые соотношения. Источник переменного напряжения (например, синусоидального) создает переменный ток, величина и фаза которого зависят от комплексного сопротивления нагрузки. Если в нагрузке есть индуктивность или ёмкость, ток и напряжение на ней смещены по фазе. Однако мгновенные значения тока и напряжения в каждый момент связаны: в любой момент времени ток через последовательно соединённые элементы одинаков, и сумма мгновенных падений напряжения на них равна мгновенному напряжению источника. Таким образом, конденсатор или катушка “оттягивают” часть фазы, но векторная сумма напряжений сохраняется. В практических цепях переменного тока часто важно взаимодействие индуктивных и ёмкостных элементов – например, в цепи с индуктивной нагрузкой (электромотором) ставят конденсатор параллельно, который потребляет противоположную реактивную мощность, разгружая линию. Эти элементы периодически обмениваются энергией с полем: за четверть периода индуктивность накапливает энергию, отдавая её обратно в следующую четверть периода. В результате на протяжении полного цикла средняя потребляемая мощность равна только потере в активных элементах (сопротивлениях). Это проявление взаимодействия: например, резонанс – в контуре L-C при определённой частоте реактивные сопротивления взаимно компенсируются (X_L = X_C), и цепь ведёт себя как чисто активная – ток ограничен только активным сопротивлением, может достигать высокого значения при малых потерях. Защитные устройства в AC-цепях учитывают эти особенности: автоматический выключатель переменного тока обычно рассчитан на эффективность гашения дуги при токе, проходящем через ноль 100 раз в секунду (для 50 Гц) – это упрощает отключение. УЗО сравнивает переменные токи и срабатывает при их разности. Варисторы на 230 В рассчитаны, например, на срабатывание при ~430 В (пик 320 В * 1.4), чтобы не вмешиваться при нормальном синусоидальном напряжении 324 В амплитуды, но погасить более высокий импульс.

Принцип совместной работы элементов цепи можно резюмировать так: источник поддерживает напряжение (или ток), нагрузки потребляют ток, проводники доставляют ток к нагрузкам с минимальными потерями, коммутационные устройства определяют, по каким путям течёт ток (и когда течёт), защитные элементы вмешиваются, если ток или напряжение выходит за допустимые рамки, а измерительные приборы позволяют наблюдать параметры этого процесса. Все элементы связаны единой цепью: изменение состояния одного элемента (например, изменение сопротивления нагрузки, переключение ключа или срабатывание защиты) немедленно влияет на распределение токов и напряжений во всех остальных, устанавливая новый режим работы по законам схемотехники. Для анализа этих совместных взаимодействий используются эквивалентные схемы и методы расчёта – заменяя реальные устройства их моделями (источниками, сопротивлениями и т.д.), инженеры могут предсказывать поведение цепи и правильно подбирать каждый элемент под требуемые режимы.

Условные графические обозначения

При проектировании и документировании электрических цепей принято использовать условные графические обозначения (УГО) – стандартизованные символы, которые отображают на схеме каждый элемент в упрощённом виде. Схематические обозначения позволяют отразить структуру цепи (кто с чем соединён) без прорисовки реалистичного внешнего вида деталей. Существует международная система обозначений (стандарты IEC 60617, IEEE 315A и др.) и российская система ЕСКД (Единая система конструкторской документации), в рамках которой действуют ГОСТы серии 2.700–2.799 для условных обозначений. Ниже перечислены основные символы для элементов цепи, из которых строятся принципиальные электрические схемы:

Источник питания (источник ЭДС)

На электрических схемах существует несколько стандартных графических обозначений источников питания, каждое из которых подчёркивает определённые характеристики источника. Один из наиболее распространённых символов — это чередующиеся длинные и короткие горизонтальные линии: длинная линия указывает на положительный полюс, короткая — на отрицательный. Такое изображение соответствует батарее или аккумулятору постоянного тока. Несколько повторяющихся пар линий обозначают составную батарею с несколькими ячейками, соединёнными последовательно.

Для обозначения источника переменного напряжения применяют круг с волнистой линией внутри или символ ~, размещённый рядом. Это подчёркивает отсутствие фиксированной полярности — напряжение меняется по амплитуде и направлению во времени, обычно синусоидально.

Когда требуется указать источник постоянного напряжения без конкретного указания конструкции, используется круг с символами + и − внутри — как показано на изображении под буквой a. Это условное обозначение идеального генератора постоянной ЭДС. В случае источника тока, как на схеме b, в круг вписывается стрелка, направленная от отрицательного к положительному выводу, обозначая фиксированное направление тока. Символ c иллюстрирует обобщённое или неуточнённое обозначение источника, когда тип и характеристики уточняются отдельно в схеме или описании.

В отечественной традиции может использоваться символ в виде маленького круга с индексом E, обозначающий ЭДС. Согласно ГОСТ 2.721–74, для всех источников энергии применяются стандартизированные графические и буквенно-цифровые обозначения: например, G — генератор, BAT — батарея. Ввод сетевого питания переменного тока (~230 В) часто обозначается символами L (фаза) и N (ноль), а иногда — стрелкой или выводом с подписью напряжения.

Проводник и соединения

На схемах провода отображаются сплошными линиями. При пересечении линий без соединения одна из них может быть изображена с дугой, а в случае соединения — в месте пересечения ставится точка. Это обозначает электрический узел. Для заземления используют специальный символ в виде вертикальной линии с тремя горизонтальными чертами (⌄), для корпусного соединения — косой штрих. Обозначения могут дополняться символом ⏚ для нулевого провода. По ГОСТ 2.709–89 различаются обозначения для шин, гибких кабелей и экранированных проводов. В простых схемах эти отличия часто опускаются, а потенциалы помечаются надписями вроде +5V, GND и т.п.

Резистор

Резистор может быть изображён в виде зигзагообразной линии (американский стандарт) или прямоугольника (европейский и ГОСТ). Переменные резисторы обозначаются стрелкой, направленной к середине символа, а подстроечные — диагональной чертой. Все типы резисторов маркируются буквой R и порядковым номером, например, R1, R2, и так далее. Эти обозначения закреплены в ГОСТ 2.728–74 и ГОСТ 2.710–81.

Конденсатор

Условное обозначение конденсатора — две параллельные линии, символизирующие пластины. Для электролитических конденсаторов одна из линий может быть изогнутой (указывающей на отрицательный полюс), или использоваться знаки + и -. Переменный конденсатор изображается тем же символом, но со стрелкой по диагонали. На схемах обозначается буквой C и номером, например, C1, C2. Всё это регламентируется ГОСТ 2.728–74.

Индуктивность (катушка)

Катушки изображаются серией полуокружностей или петель. При наличии сердечника рядом рисуются две вертикальные линии — символ ферромагнитного материала. Трансформаторы обозначаются как две катушки с общими линиями сердечника. Катушки маркируются буквой L (например, L1), а трансформаторы — T или Tr. Обозначения регламентированы ГОСТ 2.726–74 и 2.729–73.

Ключи, выключатели

Размыкающий контакт изображается разрывом линии с косой чертой — она указывает на положение планки. Если контакт нормально разомкнутый, то он изображается как несомкнутый; если замкнутый — соединённый, с чертой упора. Переключатели могут быть изображены как подвижный контакт между двумя позициями. Например, SPDT (однополюсный двухпозиционный переключатель) изображается общей линией, переключающейся между двумя выходами. В обозначениях используются буквы S или SA и номер. ГОСТ 2.704–76 и 2.755–87 описывают все типы коммутационных элементов. Реле, как правило, представляют как катушку (прямоугольник или отрезок) и набор контактов, связанных индексом, например, K1. Катушка и её контакты обозначаются отдельно, но связаны индексами.

Полупроводниковые приборы

Диоды изображаются как треугольник (анод) с упором в черту (катод). Транзисторы — в виде комбинации линии и стрелки в круге (или без него); направление стрелки указывает направление условного тока. Полевые транзисторы изображаются как прямоугольник с управляющим электродом. Варисторы — как резистор с наклонной стрелкой. Все эти обозначения регламентированы ГОСТ 2.730–73. В схемах они могут использоваться как ключи, источники или нагрузки. Принятые обозначения: VD или D для диодов, VT — транзисторы, VS — тиристоры, HL — лампы и светодиоды.

Защитные устройства

Плавкий предохранитель на схеме может быть изображён как прямоугольник, зигзагообразная линия или просто вставка с маркировкой F и током. Автоматический выключатель часто изображается как размыкающий контакт с дополнительным символом, например, наклонной чертой. УЗО обозначается блоком с комбинацией контактов и датчика или специальной маркировкой (например, FD). Варисторы обозначаются символами нелинейных резисторов. Все защитные устройства подробно описаны в ГОСТах 2.704, 2.720 и других. Автоматы и УЗО могут маркироваться как QF (выключатель) и FD (дифференциальный автомат).

Для унификации условных обозначений существует целая система стандартов. В России основными являются ГОСТ 2.701-2008 («Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению»), ГОСТ 2.702-2011 («Правила выполнения электрических схем»), и серия ГОСТ 2.708–2.735, каждая из которых посвящена определённой группе устройств (например, ГОСТ 2.709-89 – провода и соединения, ГОСТ 2.728-74 – резисторы и конденсаторы, ГОСТ 2.729-76 – катушки и трансформаторы, ГОСТ 2.730-73 – полупроводники, ГОСТ 2.731-74 – электроизмерительные приборы, ГОСТ 2.741-77 – выключатели и контактные элементы, и т.д.). Эти стандарты согласованы с международными (многие утверждены как СТ СЭВ или ГОСТ Р ИСО/МЭК). При чтении схем важно помнить, что один и тот же реальный элемент может на принципиальной схеме быть показан несколькими символами: например, реле – отдельно катушка (обозначается условно прямоугольником с выводами, маркируемым, скажем, К1) и отдельно его контакты (обозначаются условными размыкающими/замыкающими контактами, помеченными также К1). Или же многополюсный переключатель может разноситься на схеме в разные узлы, но маркироваться общим именем. Поэтому ГОСТ 2.710-81 ввёл систему буквенно-цифровых кодов и позиционных обозначений: каждая категория элементов обозначается буквой (R – резистор, C – конденсатор, L – катушка, K – реле, S/SA – переключатель, FU – предохранитель, QF – автомат, и т.д.), а каждой конкретной детали присваивается порядковый номер на схеме. Это облегчает ссылку на элемент при описании и составлении перечня элементов.

Условные графические обозначения – это своего рода азбука электрических схем, позволяющая инженерам, независимо от языка, понимать устройство электрической цепи. Строгое соблюдение стандартов УГО обеспечивает однозначность чтения схем и совместимость документации. При подготовке документации на русском языке применяются ГОСТ ЕСКД, но в современных чертежах все чаще используют и международные IEC-символы, которые в большинстве не противоречат ГОСТ. Знание условных обозначений – обязательная часть подготовки инженера, поскольку это язык общения при проектировании и анализе электрических цепей.