Jiøí Myslík Elektrické obvody (Pøíruèka pro praxi a uèebnice pro støední a vysoké školy)
Kniha je urèena všem zájemcùm o teorii elektrických obvodù Poslouží jako pøíruèka pro praxi, ale i jako uèebnice pro studenty støedních a vysokých škol Je zpracována netradièním zpùsobem tak, aby odrážela souèasný stav ve výpoèetní technice Na tuto knihu bezprostøednì navazuje kniha Elektrické obvody - øešené pøíklady PODÌKOVÁNÍ Pan Ing Josef Kùs, CSc mi prokázal laskavost a peèlivì pøeèetl a komentoval rukopis této knihy Patøí mu za to mùj vøelý dík Jiøí Myslík ELEKTRICKÉ OBVODY Pøíruèka pro praxi a uèebnice pro støední a vysoké školy Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Veškerá práva vyhrazena Doc Ing Jiøí Myslík, CSc, 1998 Nakladatelství BEN - technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Jiøí Myslík: Elektrické obvody BEN - technická literatura, Praha 1998 2 vydání ISBN 80-86056-19-8
OBSAH PØEDMLUVA 8 SEZNAM NEJDÙLEŽITÌJŠÍCH POUŽITÝCH ZNAÈEK 9 1 ZÁKLADNÍ POJMY 11 1 1 Úvod 11 1 2 Èasové prùbìhy obvodových velièin 11 1 3 Pøíklad 13 1 4 Pøíklad 14 1 5 Pasivní prvky 14 1 6 Vzájemná indukènost 16 1 7 Zdroje 17 1 8 Topologická struktura obvodù 18 1 9 Kirchhoffovy zákony 18 1 10 Pøíklad 20 1 11 Pøíklad 21 2 HARMONICKÝ USTÁLENÝ STAV 23 2 1 Úvod 23 2 2 Symbolicko-komplexní metoda (SKM) 23 2 3 Fázorové diagramy 27 2 4 Výkony 29 2 5 Rezonance 30 2 6 Pøíklad 31 2 7 Pøíklad 34 2 8 Pøíklad 36 3 OBECNÉ METODY ANALÝZY 39 3 1 Úvod 39 3 2 Metoda smyèkových proudù 39 3 3 Metoda uzlových napìtí 41 3 4 Metoda napìtí vìtví stromu 42 3 5 Pøíklad 43 3 6 Volba metody analýzy 44 3 7 Obvody se vzájemnými indukènostmi 44 3 8 Maticový algoritmus metody smyèkových proudù 45 3 9 Théveninova a Nortonova vìta 50 3 10 Pøíklad 51 3
4 DVOJBRANY 53 4 1 Úvod 53 4 2 Rozdìlení dvojbranù 53 4 3 Základní rovnice a charakteristické matice dvojbranù 54 4 4 Impedanèní rovnice a matice 54 4 5 Admitanèní rovnice a matice 55 4 6 (Postupnì) kaskádní rovnice a matice 56 4 7 Sériovì-paralelní rovnice a matice 56 4 8 Další rovnice a matice 57 4 9 Degenerované dvojbrany 57 4 10 Urèování charakteristických matic 57 4 11 Pøíklad 57 4 12 Pøíklad 58 4 13 Pøíklad 60 4 14 Spojování dvojbranù 61 4 15 Pøíklad 64 4 16 Vstupní impedance 64 4 17 Ideální gyrátor 65 4 18 Pøíklad 65 4 19 Model bipolárního tranzistoru 66 4 20 Model ideálního zesilovaèe 67 4 21 Model bezeztrátového transformátoru 68 4 22 Základní pøenosové vlastnosti a vlnové parametry dvojbranù 69 4 23 Vstupní a výstupní vlnová impedance 70 4 24 Pøíklad 70 4 25 Vlnová impedance soumìrných dvojbranù 71 4 26 Pøíklad 72 4 27 Napì ový a proudový pøenos 73 4 28 Poznámka o jednotkách útlumu (zisku) 74 4 29 Vyjádøení prvkù matice A pomocí Z 0 a g 0 75 4 30 Pøíklad 75 4 31 Základy teorie frekvenèních filtrù LC 76 4 32 Pøíklad 77 5 VÍCEFÁZOVÉ SOUSTAVY 85 5 1 Úvod 85 5 2 Konstanta a 85 5 3 Obecnì o výhodách trojfázových soustav 85 5 4 Soumìrná trojfázová soustava 89 5 5 Základní spojování zdrojù trojfázových soustav 90 5 6 Soumìrná šestifázová soustava 93 5 7 Pøíkony trojfázových spotøebièù 94 5 8 Pøíklad 96 5 9 Pøíklad 97 4
5 10 Pøíklad 98 5 11 Pøíklad 100 5 12 Pøíklad 102 5 13 Metoda soumìrných složek 103 5 14 Pøíklad 104 5 15 Pøíklad 105 5 16 Pøíklad 107 5 17 Pøíklad 109 6 OBVODY V NEHARMONICKÉM USTÁLENÉM STAVU 113 6 1 Úvod 113 6 2 Analýza metodou Fourierových øad 113 6 3 Efektivní hodnota 116 6 4 Èinný výkon (pøíkon) 116 6 5 Zdánlivý výkon (pøíkon) 117 6 6 Jalový výkon (pøíkon) 117 6 7 Deformaèní výkon (pøíkon) 117 6 8 Pøíklad 118 6 9 Èinitelé zkreslení 120 7 PØECHODNÉ DÌJE V OBVODECH PRVNÍHO ØÁDU 121 7 1 Úvod 121 7 2 Pøechodné dìje v elementárních zapojeních RL a RC se stejnosmìrným zdrojem 122 7 3 Pøíklad 128 7 4 Pøechodné dìje v elementárních zapojeních RL a RC se zdrojem harmonického napìtí 130 7 5 Pøechodné dìje v obvodech prvního øádu 134 7 6 Pøíklad 134 7 7 Pøíklad 137 7 8 Pøíklad 139 8 PØECHODNÉ DÌJE V OBVODECH VYŠŠÍCH ØÁDÙ 141 8 1 Úvod 141 8 2 Pøíklad 142 8 3 Pøíklad 147 8 4 Pøíklad 151 8 5 Pøíklad 156 8 6 Pøíklad 158 8 7 Metoda stavových promìnných 161 5
8 8 Pravý strom 162 8 9 Postup pøi sestavováví rovnic 162 8 10 Pøíklad 163 8 11 Pøíklad 164 8 12 Pøíklad 167 8 13 Øešení stavových rovnic poèítaèem 172 9 6 POUŽITÍ LAPLACEOVY INTEGRÁLNÍ TRANSFORMACE 173 9 1 Úvod 173 9 2 Pøíklad 176 9 3 Pøíklad 176 9 4 Pøíklad 178 9 5 Je symbolicko-komplexní metoda zvláštním pøípadem Laplaceovy transformace? 180 9 6 Impulzová a pøechodná charakteristika pasivních dvojpólù 181 9 7 Pøíklad 182 9 8 Nejjednodušší derivaèní dvojbrany 184 9 9 Nejjednodušší integraèní dvojbrany 185 9 10 Základní zapojení s (ideálním) operaèním zesilovaèem 186 10 HOMOGENNÍ VEDENÍ 189 10 1 Úvod 189 10 2 Základní rovnice vedení 190 10 3 Základní rovnice vedení v harmonickém ustáleném stavu 191 10 4 Øešení základních rovnic 193 10 5 Provozní parametry vedení 194 10 6 Trojfázové vedení 194 10 7 Pøíklad 195 10 8 Náhrada vedení ekvivalentním dvojbranem 195 10 9 Vstupní impedance vedení 197 10 10 Pøíklad 197 10 11 Pøíklad 198 10 12 Pøíklad 198 10 13 Pøíklad 199 10 14 Napì ové a proudové pomìry v místì styku dvou rùzných vedení 202 10 15 Pøíklad 203 10 16 Ferrantiho jev 203 10 17 Ideální vedení 204 10 18 Vstupní impedance ideálního vedení 205 10 19 Stojaté vlny v ideálním vedení 205 10 20 Pøíklad 205 10 21 Vstupní impedance ideálního vedení na konci naprázdno 206 10 22 Vstupní impedance ideálního vedení na konci nakrátko 207
10 23 Vlnová impedance koaxiálních kabelù 207 10 24 Èinitel zkrácení 208 10 25 Pøechodné dìje v ideálním vedení 208 10 26 Základní rovnice ideálního vedení pro pøechodné dìje 209 10 27 Napì ové a proudové pomìry v místì styku dvou rùzných ideálních vedení 209 10 28 Pøíklad 210 10 29 Pøíklad 211 10 30 Pøíklad 213 10 31 Napì ové a proudové pomìry na poèátku vedení 215 10 32 Napì ové a proudové pomìry na konci vedení 216 10 33 Pøíklad 217 10 34 Pøíklad 218 10 35 Pøíklad 221 11 NELINEÁRNÍ OBVODY 224 11 1 Úvod 224 11 2 Princip superpozice 224 11 3 Parametry nelineárních dvojpólù 224 11 4 Nelineární rezistory 225 11 5 Nelineární kapacitory 227 11 6 Nelineární induktory 227 11 7 Možné jevy v nelineárních obvodech 228 11 8 Pøíklad 228 11 9 Pøíklad 229 11 10 Pøíklad 231 12 POPIS PROGRAMÙ STAVPROM A VLNY 236 12 1 Program STAVPROM 236 12 2 Program VLNY 237 REJSTØÍK 239 VISIO - program, kterým byly kresleny obrázky v této knize 242 Knihy nakladatelství BEN - technická literatura 250 7
PØEDMLUVA KE 2 VYDÁNÍ Znalost teorie elektrických obvodù je naprosto nezbytným pøedpokladem pro porozumìní celé elektrotechnice a elektronice Tato kniha je urèena jako pøíruèka pro vyhledávání v praxi potøebných informací, ale i jako uèebnice Zpracoval jsem ji tak, aby dobøe posloužila jak støedoškolským, tak vysokoškolským studentùm Toto pojetí je jistì netradièní a svým zpùsobem i odvážné Pokud to bylo úèelné, mnoho dùležitých a prakticky významných výsledkù jsem odvodil s použitím tzv vyšší matematiky Použil jsem tedy matematické metody, které se pøednášejí na vysokých školách Støedoškoláci samozøejmì zmínìná odvození mohou vynechat I bez nich jim však kniha bude dobøe srozumitelná a poslouží jim i jako uèebnice elektrických obvodù Aby kniha byla užiteèná i jako pøíruèka pro praxi, obsahuje pomìrnì velké množství tabulek Ty budou zajímavé pøedevším pro ty ètenáøe, kteøí jsou již s teorií elektrických obvodù seznámeni, ale potøebují rychle najít pro nì dùležité vztahy V každém pøípadì je tøeba dobøe pochopit fyzikální podstatu jednotlivých témat Proto jsem této podstatì vìnoval zvýšenou pozornost S rozšíøením poèítaèù je spojeno i to, že jsem øadu témìø již klasických postupù uvedl jen velmi struènì, protože jejich znalost je v souèasné dobì prakticky zbyteèná Týká se to napøíklad vyjádøení topologické struktury (zapojení) obvodù pomocí incidenèních matic, fázorových diagramù nebo kmitoètových charakteristik Jednotlivé kapitoly jsou provázeny množstvím øešených pøíkladù Nìkteré tyto pøíklady samozøejmì slouží jen k procvièení vyložené látky Vìtšina z nich je však vzata pøímo z elektrotechnické praxe Další pøíklady mùžete najít v knize Elektické obvody - øešené pøíklady, kterou vydalo nakladatelství BEN v roce 1997 Pøi psaní knihy jsem vycházel z pøedpokladu, že ètenáø již zná nìkteré zcela elementární pojmy, se kterými se setkal tøeba v základní škole nebo pøi studiu støedoškolské fyziky Tìchto pojmù je však jen velmi málo a zná je urèitì každý, kdo se o elektrotechniku jen alespoò trochu zajímá Je samozøejmé, že tam, kde to bylo vhodné, jsem popsal použití poèítaèù Ke knize lze dokoupit disketu s programy STAVPROM a VLNY Popisy zmínìných programù jsou uvedeny ve 12 kapitole Plzeò, 1998 Jiøí Myslík 8