background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Elementy i Obwody Elektryczne 

Element ( element obwodowy )  

– jedno z podstawowych pojęć teorii obwodów. 

Element jest modelem pewnego zjawiska lub cechy fizycznej związanej z 
obwodem. Elementy ( jako modele ) mogą mieć różny stopień komplikacji.  

i

u

ELEMENT

Funkcja zaciskowa

(obwodowa)

Zacisk

Zacisk

Końcówka

Końcówka

Element dwuzaciskowy (dwukońcówkowy) – DWÓJNIK

Funkcja zaciskowa

(obwodowa)

B

A

Strzałkowanie odbiornikowe !

 

Funkcje zaciskowe elementu: prąd elementu i oraz napięcie elementu u związane 
są ze sobą  równaniem elementu, które definiuje dany element i określa jego 
podstawowe właściwości. 
W TO Używane są elementy wielozaciskowe: trójnik, czwórnik itd. 

Obwody, układy, sieci 

Obwód – możliwie najprostsze połączenie elementów umożliwiające  
                przepływ prądu elektrycznego.  

Dwójnik 2

Dwójnik 1

i

p [W] > 0

p [W]< 0

w [J]

[J]

w [J]

i

u

Obwód

OtoczenieObwodu

p t

u t i t

w t

p

d

p t

d w t

d t

t

t

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

=

=

=

 [W]

 [J]

τ τ

0

 

Układ ( obwód rozgałęziony ) – 

struktura bardziej rozbudowana niż obwód.

 

  Sieć – 

bardzo duży układ.

 

 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Podstawowe modele zjawisk w obwodzie 

 
Zjawisko: 

      BEZSTRATNY PRZEPŁYW PRĄDU 

Element: 

   ZWARCIE 

GALWANICZNE )

 

≡ 0

i

Równanie elementu:

  

 0

i

 

Moc chwilowa z jaką zwarcie pobiera energię elektryczną z obwodu: 

 

p

R

(t) = u(t)

 

i(t) = 0

i

 

(t

 0 

 

Energia chwilowa pobrana przez zwarcie w przedziale czasu < t

0

t >: 

 

w

t t

p

d

t

t

zw

( , )

( )

0

0

0

=

τ τ

 

 
Zjawisko: 

            BRAK PRZEPŁYWU PRĄDU 

Element: 

   ROZWARCIE PRZERWA

≡ 0

u

Równanie elementu:

  

 0

 

u

 

Moc chwilowa z jaką rozwarcie pobiera energię elektryczną z obwodu: 

p

R

(t) = u(t)

 

i(t) = u

 

(t)

 0 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Energia chwilowa pobrana przez rozwarcie w przedziale < t

0

t >: 

w

t t

p

d

t

t

roz

( , )

( )

0

0

0

=

τ τ

 

 
Zjawisko:          ROZPRASZANIE ( DYSSYPACJA
 )  

ENERGII ELEKTRYCZNEJ 

Element: 

   OPÓR  LINIOWY 

R (G)

i

u

Równanie elementu ( 

POSTULAT OHMA 

):

= R

i

lub

= G

u

G = R

–1

 

Strzałkowanie odbiornikowe ! 

Jednostki: R: 

 

[

] – ohm 

   G: 

 

[S] 

– 

simens 

Opór jest elementem dyssypatywnym ( rozpraszającym ) bezinercyjnym. 

Moc chwilowa z jaką opór pobiera energię elektryczną z obwodu: 

 

p

R

(t) = u(t)

 

i(t) = R

 

i

 

2

(t) = G

 

u

2

(t

 0 

 

Energia chwilowa pobrana przez opór w przedziale czasu < t

0

t >: 

w t t

p

d

R i

d

G u

d

t

t

t

t

t

t

R

( , )

( )

( )

( )

0

2

2

0

0

0

=

=

=

τ τ

τ τ

τ τ

 

dw

t

dt

p

t

R

R

( )

( )

=

≥ 0

 

Przykład     

Dane: 

R = 5 

Ω  ( G = 

1

5

 

1


⎣⎢


⎦⎥

= 0,2 S ) 

u(t) = 10

1(t) – 15⋅1(t–2) + 5⋅1(t–3)  [V] 

 

 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Obliczenia:  i(t) = u(t

⋅G = 2⋅1(t) – 3⋅1(t–2) + 1⋅1(t–3)  [A] 

–5

+10

u

(

t

) [V]

[s]

3

2

                          

+2

–1

i

(

t

) [A]

[s]

3

2

  

p(t) = 

G

u

2

(t) = 

R

i

2

(t

 

u

2

(t) = 100

1(t) – 75

1(t–2) – 25

1(t–3) 

 

+100

+25

u

2

(t) [V

2

]

[s]

3

2

              

+1

+4

i

2

(t) [A

2

]

[s]

3

2

    

     

p(t)=G

u

2

(t) =

 20

1(t) – 15

1(t–2) – 5

1(t–3) 

(

)

(

)

w

t

p

d

d

d

d

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

R

( , )

( )

( )

(

)

(

)

( )

(

)

(

)

0

20 1

15 1

2

5 1

3

20

15

2

2

5

3

3

0

0

0

0

=

=

=

− ⋅

− −

− ⋅

τ τ

τ τ

τ

τ

τ

τ

1

1

1

 

+20

+5

p(t) [W]

[s]

3

2

          

45

w

R

(0,t) [J]

[s]

1

3

2

20

40

 

 
 
 
 
 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Zjawisko:          GROMADZENIE ( KONSERWACJA )  

ENERGII ELEKTRYCZNEJ 

Element:  

 

INDUKCYJNOŚĆ  LINIOWA 

L

i

u

Równania elementu :

ψ

 = L

i

u

d

dt

=

ψ

ψ

 

Strzałkowanie odbiornikowe ! 

Jednostki: 

L:  [H]   

– henr = 1V

1s1A

–1

 

 

 

 

ψ:  [Wb] 

– weber = 1V

1s 

 

u t

d i t

d t

i t

u

d

i t

t

t

( )

( )

( )

( )

( )

=

=

+

L

L

1

0

0

τ τ

 

Indukcyjność jest elementem konserwatywnym inercyjnym.   

Przykład 
1. 
i(t) = I

0

 = const, t

∈(– ∞, + ∞ ):   

u(t) = 0 

2. i(t) = I

sin(

ω+ ϕ), t∈(– ∞, + ∞ ): 

u(t) = 

ωLI

cos(

ω+ ϕ) =  

 

 

 

 

 

 

 

 

       = U

sin(

ω+ ϕ + 90

o

)  

3. i(t) = I

0

(1– e

α t

), 

α > 0 ∧ t∈<0, + ∞ ):  u(t) = αLI

0

 e

α t

 = U

0

 e

α 

 
 
 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Moc chwilowa z jaką energia elektryczna jest gromadzona w polu 
magnetycznym indukcyjności: 

 

[ ]

p t

u t

i t

d

t

dt

i t

L

   W

( )

( ) ( )

( )

( )

=

=

ψ

 

p

L

(t) > 0 – 

indukcyjność pobiera energię 

p

L

(t) < 0 – 

indukcyjność oddaje energię

 

 

Energia chwilowa pobrana przez indukcyjność liniową w przedziale 
czasu < t

0

t >: 

w t t

p

d

i

d

L

i

di

t

t

t

t

i t

i t

L

( , )

( )

( )

( )

(

)

( )

(

)

( )

0

0

0

0

=

=

=

τ τ

τ ψ

τ

ψ

ψ

 

w t t

i t

i t

w t

w t

L

L

L

L

L

( , )

( )

( )

( )

( )

0

2

2

0

0

1

2

1

2

=

=

 

Dla i(t

0

) = 0 

 ψ(t

0

) = 0 

w t

t i t

i t

L

L

( )

( ) ( )

( )

=

=

1

2

1

2

0

2

ψ

 

 

ψ

(t)

i (t)

ψ

 [Wb]

i [A]

P

p

L

w

L

(t)

w

L

(t) = 0

w

L

(t) = 0,5

 

Li

2

(t)

Gromadzenie energii: p(t) > 0

Oddawanie energii: p(t) < 0

 

 
 
 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Zjawisko:          GROMADZENIE ( KONSERWACJA )  

ENERGII ELEKTRYCZNEJ 

Element:  

 

POJEMNOŚĆ  LINIOWA 

C

i

u

Równania elementu :

= C

u

i

dq

dt

=

q

 

Strzałkowanie odbiornikowe ! 

Jednostki: 

C:  [F]   

– farad = 1A

1s1V

–1

 

   q: 

[C] 

 – 

kulomb 

1A

1s 

 

i t

d u t

d t

u t

i

d

u t

t

t

( )

( )

( )

( )

( )

=

=

+

C

C

1

0

0

τ τ

 

Pojemność jest elementem konserwatywnym inercyjnym.   

Przykład 
1. 
u(t) = U

0

 = const, t

∈(– ∞, + ∞ ):   

 

i(t) = 0; 

2. u(t) = U

sin(

ω+ ϕ), t∈(– ∞, + ∞ ):   

i(t) = 

ωCU

cos(

ω+ ϕ) =  

 

 

 

 

 

 

 

 

              = I

sin(

ω+ ϕ + 90

o

); 

3. u(t) = U

0

(1– e

α t

), 

α > 0 ∧ t∈<0, + ∞ ): 

i(t) = 

αCU

0

 e

α t

 = I

0

e

α t

;

 

 
 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Moc chwilowa z jaką energia elektryczna jest gromadzona w polu 
elektrycznym pojemności: 

 

[ ]

p t

u t

i t

u t

dq t

dt

L

   W

( )

( ) ( )

( )

( )

=

=

 

p

L

(t) > 0 – 

pojemność pobiera energię 

p

L

(t) < 0 – 

pojemność oddaje energię

 

 

Energia chwilowa pobrana przez pojemność liniową w przedziale 
czasu < t

0

t >: 

w t t

p

d

u

dq

C

u

du

t

t

q t

q t

u t

u t

C

( , )

( )

( )

( )

(

)

( )

(

)

( )

0

0

0

0

=

=

=

τ τ

τ

τ

 

w t t

u t

u t

w t

w t

C

C

C

C

C

( , )

( )

( )

( )

( )

0

2

2

0

0

1

2

1

2

=

=

 

Dla u(t

0

) = 0 

 q(t

0

) = 0 

w t

t u t

u t

C

q

C

( )

( ) ( )

( )

=

=

1

2

1

2

0

2

 

 

q(t)

u (t)

q [C]

u [V]

P

p

C

w

C

(t)

w

C

(t) = 0

w

C

(t) = 0,5

 

Cu

2

(t)

Gromadzenie energii: p(t) > 0

Oddawanie energii: p(t) < 0

 

 
 
 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

 
Zjawisko:          DOSTARCZANIE LUB POBIERANIE 

ENERGII ELEKTRYCZNEJ 

Element:     ŹRÓDŁO NAPIĘCIA 

DOWOLNA MOC CHWILOWA )

  

u

e

i

e

Równania elementu :

e – 

dowolne ( zadane )

i

e

– wymuszone przez

        obwód zewnętrzny

 

Strzałkowanie źródłowe ! 

p

e

 < 0

p

e

 > 0

E

i

P

p

i [A]

e [V]

Charakterystyka źródła napięcia o

stałej wartości:  e(t) = E = const

        

e

i

!?

 

Moc chwilowa energii elektrycznej źródła napięcia: 

 

[ ]

p t

u t

i t

e t

i t

e

e

   W

( )

( ) ( )

( )

( )

=

=

 

p

e

(t) > 0 – 

źródło oddaje energię

 

p

e

(t) < 0 – 

źródło pobiera energię 

Energia chwilowa źródła napięcia w przedziale czasu < t

0

t >: 

w t t

p

d

e

i

d

t

t

t

t

e

e

( , )

( )

( ) ( )

0

0

0

=

=

τ τ

τ

τ τ

 

 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Zjawisko:          DOSTARCZANIE LUB POBIERANIE 

ENERGII ELEKTRYCZNEJ 

Element:   ŹRÓDŁO PRĄDU 

DOWOLNA MOC CHWILOWA )

 

j

i

u

j

Równania elementu :

j – 

dowolne ( zadane )

u

j

– wymuszone przez

        obwód zewnętrzny

 

Strzałkowanie źródłowe ! 

p

j

 > 0

J

u

p

p

j

 < 0

P

p

u [V]

[A]

Charakterystyka źródła prądu o stałej

wydajności:  j(t) = J = const

        

i

j

! ?

 

Moc chwilowa energii elektrycznej źródła prądu: 

[ ]

p t

u t

i t

u t

j t

j

j

   W

( )

( ) ( )

( )

( )

=

=

 

p

j

(t) > 0 – 

źródło oddaje energię

 

p

j

(t) < 0 – 

źródło pobiera energię 

Energia chwilowa źródła prądu w przedziale czasu < t

0

t >: 

w t t

p

d

u

j

d

t

t

t

t

e

j

( , )

( )

( ) ( )

0

0

0

=

=

τ τ

τ

τ τ

 

 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Element: 

   ŹRÓDŁO STEROWANE  

 

u

2

k

 

u

1

i

1

≡0

i

2

ZNSN  ( VCVS )

u

1

         

u

2

r

 

i

1

i

2

i

1

ZNSP  ( CCVS )

u

1

≡0

 

 

 

u

2

g

 

u

1

i

2

u

1

ZPSN  ( VCCS )

i

1

≡0

          

u

2

α

 

i

1

i

1

i

2

ZPSP  ( CCCS )

u

1

≡0

  

W przypadku źródeł sterowanych moc chwilowa „pierwotna” 

 jest zawsze równa zero: p

1

(t

 0 co oznacza, że źródła nie pobierają 

energii od strony sterowania.  

 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Postulaty Teorii Obwodów

 

 
 

Prądowy Postulat Kirchhoffa ( PPK ) 

i

= 0

 

Algebraiczna suma prądów we węźle jest równa zero. 

 
 
 

Napięciowy Postulat Kirchhoffa ( NPK ) 

u

= 0

 

Algebraiczna suma napięć w oczku jest równa zero.

 

 
 

Postulat Ohma ( PO )   

u

i

i

u

= ⋅

= ⋅


⎣⎢


⎦⎥

R       lub       

G

          G [S] =

1

R

1

 

 
 
 
 

 
 
 

background image

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

Zjawisko:          DOSTARCZANIE LUB POBIERANIE 

ENERGII ELEKTRYCZNEJ 

Element:  

    NAPIĘCIOWE ŹRÓDŁO ENERGII  

         ( OGRANICZONA MOC CHWILOWA )  
 

r

U

r

⋅I

E

I

Równania elementu :

E – dowolne ( zadane )
I – wymuszone

 

Strzałkowanie źródłowe ! 

 

NPK:  

(+U) + (– E) + (+ r I) = 0 

 

U =  E – r I  

 

      p = U

I = EI – rI

2

  

 

rI

p

I

p

U

0

= E

I [A]

U [V]

I

E

r

z

=

U

p

< 0

> 0

< 0

P

p

(0,5I

z

,0,5E)

  p

max

             

p

E

4 r

2

max

=

I [A]

p [W]

I

E

2 r

I

p

1
2

z

=

=

I

E

r

z

=

p < 0

p < 0

p > 0

 

 

Zadanie 1 Przedyskutować prądowe źródło energii i porównać jego  

                  zachowanie w różnych stanach pracy ze źródłem prądu.