Введение в электротехнику. Элементы и устройства вычислительной техники

Москва
Горячая линия – Телеком
2015

Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 230105 – «Программное обеспечение вычислительной 
техники и автоматизированных систем» 
и по направлению 231000 – «Программная инженерия»

УДК 621.3:004.31.(075) 
ББК 32.88-01 
     Ш51 
 
Р е ц е н з е н т ы:  доктор техн. наук, профессор  А. Н. Пылькин,; 
доктор техн. наук  О. Н. Крютченко 

 

Шестеркин А. Н. 
Ш51         Введение в электротехнику. Элементы и устройства 
вычислительной техники. Учебное пособие для вузов. – 
М.: Горячая линия – Телеком, 2015. – 252 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0359-3. 
Рассмотрены основные понятия и методы расчета цепей постоянного и переменного тока, элементы и устройства комбинационного и последовательного типа, запоминающие устройства, АЦП и ЦАП. Приведены задания для практической работы, 
методика их выполнения и контрольные вопросы для самопроверки. Кратко рассмотрены приборы системы моделирования 
NI Multisim, используемые при проведении практических работ.  
Для студентов вузов, обучающихся направлению «Программная инженерия», будет полезно студентам других специальностей, 
изучающим электротехнику, элементы и устройства вычислительной техники. 
32.88-01 
 
 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
ISBN 978-5-9912-0359-3                                        © А. Н. Шестеркин, 2014, 2015 
© Издательство «Горячая линия – Телеком», 2015 

 

 

Введение 

В настоящее время практически любая область деятельности 
человека связана с применением электрической энергии, вычислительной техники. Знание, хотя бы простейших, качественных и 
количественных соотношений, связывающих основные параметры электрических цепей, процессов, происходящих в электротехнических устройствах, современной электронной базы и принципов работы основных элементов и узлов, на основе которых 
построены компьютеры, владение практическими навыками 
использования методов анализа и расчета электрических цепей, 
применения типовых элементов цифровой и аналоговой техники 
являются непременными атрибутами современного инженера 
любой специализации. 
Для изучения основ электротехники, элементов и узлов вычислительной техники в нашей стране изданы монографии, учебники и 
учебные пособия. Ряд из них приведен в библиографическом списке. 
Эти работы рассчитаны на подробное изучение упомянутых 
дисциплин, как правило, в течение нескольких учебных семестров. 
Для неэлектротехнических направлений подготовки бакалавров, специалистов и магистров в учебных планах и в рабочих 
программах на изучение основ электротехники, элементов и 
узлов вычислительной техники отводится около 50 часов, включая часы, выделяемые на проведение лабораторных и практических занятий. В связи с этим отбор нужной информации из 
большинства приведенных в библиографическом списке изданий 
обучающимися при ограниченном объеме часов труден.  
Более глубокое осмысление теоретических знаний, их развитие и закрепление во время лабораторных работ достаточно 
часто предполагает применение специализированных стендов, 
измерительных средств. При домашней подготовке к занятиям, 
при заочном и дистанционном обучении практически невозможно использование специализированных стендов, измерительных 
средств, рекомендуемых для этих целей. 
В предлагаемой работе достаточно подробно рассматриваются традиционные темы электротехники, описаны наиболее 
широко используемые элементы и узлы вычислительной техники, 
их применение; традиционна и последовательность изложения 
материала. В приложении приведена справочная информация об 

элементах вычислительной техники. Это позволяет сохранить 
выработанную методику изучения основ теории электрических 
цепей, элементов и узлов вычислительной техники. В тоже время, 
в учебном пособии весь необходимый материал собран в одном 
месте, компактно, изложен в едином стиле, последовательно, в 
последующих разделах активно используется материал предыдущих. Однако возможна и перестановка последовательности изучения некоторых разделов пособия, например разделов 10, 11. 
Для проведения практических занятий предлагается использовать систему NI Multisim корпорации National Instruments Electronics, достаточно простую в освоении, в тоже время, обладающую большими возможностями. Эта система позволяет ознакомить обучающихся с современной элементной базой, методами 
проектирования и исследования различных устройств, применения измерительных приборов, которые, являясь виртуальными, 
легко опознаются и применяются при натурных исследованиях. 
При наличии ЭВМ практические занятия можно проводить самостоятельно в домашних условиях, что интенсифицирует индивидуальную работу студентов, развивает умения и навыки 
исследовательской работы. 
Для рационального выполнения практических работ, которые предлагается выполнить после изучения каждой темы, приводятся примеры-аналоги проводимых исследований, кратко 
рассматриваются необходимые для исследований методы анализа, особенности применения приборов. Задания разработаны таким образом, чтобы закрепить знания по всем основным темам. 
Основу учебного пособия составляют лекции и лабораторные работы, проводимые автором в течение ряда лет в Рязанском 
государственном радиотехническом университете с применением системы NI Multisim, результаты разработок и исследований 
автора, материалы монографий и учебников по теоретическим 
основам электротехники, элементам и узлам вычислительной 
техники, справочная литература, сайты фирм изготовителей 
радиоэлектронных элементов и корпорации National Instruments. 
Материалы учебного пособия многократно редактировались 
и проверялись, однако как по форме, так и по содержанию оно не 
лишено недостатков. Все замечания и предложения будут с 
благодарностью приняты по адресу neon60@inbox.ru. 

 

Г л а в а  1 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 

1.1. Основные определения 

Электрическая цепь – совокупность соединенных друг с 
другом источников электрической энергии и нагрузок, по 
которым может протекать электрический ток. Она может 
содержать также измерительные приборы. Источники электрической энергии характеризуются величиной и направлением 
электродвижущей силы (э.д.с.) или тока и внутренним сопротивлением. Постоянным называют ток, неизменный во времени. 
Процессы, протекающие в электрических цепях, описывают с 
помощью следующих основных понятий: ток, э.д.с. и напряжение, 
сопротивление или проводимость (величина обратная сопротивлению), индуктивность и емкость. Основная единица для оценки напряжения – вольт (В), тока – ампер (А), сопротивления – ом (Ом), 
проводимости – сименс (См), индуктивности – генри (Гн) и емкости – фарада (Ф). Единицы измерений, названные в честь 
ученых, пишутся с большой (прописной) буквы.  
Напряжение обозначают символом U, ток – I, сопротивление – R, проводимость – G, индуктивность – L и емкость – C. 
При 
работе 
со 
значительно 
большими 
или 
меньшими 
значениями используют приставки: кило – 103 (К), мега –  
106 (М), милли – 10-3(m), микро – 10-6(), нано – 10-9(n), пико – 
10-12(p). Численное значение параметра отделяют от единицы 
измерения 
коротким 
неразрывным 
пробелом 
следующим 
образом: напряжение 14 В, или сопротивление 10 Ом. 
Изображение электрической цепи с помощью условных 
знаков называют электрической схемой (рис. 1.1). В документации название схемы начинают с существительного, например, 
коммутатор анодный. 
Основными характеристиками элементов цепи являются 
вольт-амперные, вебер-амперные и кулон-вольтные характеристики. Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) называют завиимость тока, протекающего через элемент, от напряжения, 
прикладываемого к этому элементу. Элементы, ВАХ которых 

Глава 1 
6

являются прямыми линиями (рис. 1.2), называют линейными 
элементами, а электрические цепи только с линейными элементами – линейными электрическими цепями. Элементы, 
ВАХ которых не являются прямыми линиями, называют нелинейными элементами (рис. 1.3), а электрические цепи с нелинейными элементами – нелинейными электрическими цепями. 

Рис. 1.1. Схема электрическая 

Рис. 1.2. Линейная ВАХ 
Рис. 1.3. Нелинейная ВАХ 

Элементы, обладающие сопротивлением и применяемые 
для ограничения тока, называют резисторами. Напомним, что 
при последовательном соединении резисторов их общее сопротивление равно сумме сопротивлений резисторов. При параллельном соединении резисторов их суммарная проводимость 
равна сумме проводимостей отдельных резисторов. 

1.2. Источник э.д.с. и источник тока 

Источник 
энергии 
имеет 
э.д.с. 
Е 
и 
внутреннее 
сопротивление Rв. Если через источник протекает ток I, то при 
его увеличении на выходах источника напряжение уменьшается 
до U=E-IRв. Зависимость напряжения U от тока на выходе 
реального источника показана на рис. 1.4. 

Электрические цепи постоянного тока 
7

 
Рис. 1.4. Напряжение на выходе источника 

Обозначим mU – масштаб по оси U, mI – масштаб по оси I. 
Тогда U=abmU, I=bcmI  и для произвольной точки 
abmU=bcmIRв. Отношение ab/bc = Rв(mU/mI) = tg() характеризует сопротивление Rв, которое пропорционально tg(). 
Возможны два предельных случая. 
1. Внутреннее сопротивление источника Rв=0. Вольтамперная характеристика такого источника является прямой, 
параллельной оси тока (рис. 1.5, а). Такой характеристикой 
обладает идеализированный источник напряжения, который 
называют источником э.д.с. Следовательно, источник э.д.с. 
представляет собой некоторый идеализированный источник 
питания, напряжение на выходе которого постоянно (не зависит 
от величины тока). 
2. Если беспредельно увеличивать э.д.с. и внутреннее 
сопротивление источника, то точка с (рис. 1.4) переместится по 
оси напряжения в бесконечность (рис. 1.5, б), а угол  будет 
стремиться к 90. Такой источник называют источником тока. 
Таким образом, источник тока представляет собой некоторый 
идеализированный источник питания, ток на выходе которого 
постоянен (не зависит от величины сопротивления нагрузки). 
Отношение бесконечно большого напряжения к бесконечно 
большому сопротивлению равно конечному значению тока. 
Реальный источник электрической энергии с конечным 
внутренним сопротивлением Rв заменяют расчетным эквивалентом. В качестве эквивалента выбирают: 
а) источник э.д.с. Е с последовательно включенным сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению Rв (рис. 1.6, а); 

Глава 1 
8

а) 
б) 

Рис. 1.5. Вольтамперные характеристики идеальных источников: 
а – э.д.с.; б – тока 

б) источник тока с током I=E/Rв и параллельно с ним 
включенным сопротивлением Rв (рис. 1.6, б).  
Ток в нагрузке (в сопротивлении R) для обеих эквивалентных схем одинаков и равен 
/ (
)
Iн
E
R
Rв


. Для источника 
э.д.с. при последовательном соединении внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки (рис. 1.6, а) выражение для 
вычисления тока очевидно. 

а) 
б) 

Рис. 1.6. Расчетные эквиваленты источника электрической энергии: 
а – источника э.д.с.; б – источника тока 

Для доказательства этого утверждения в схеме с источником тока (рис. 1.6, б) определим напряжение, которое создается 
на параллельно соединенных резисторах Rв и Rн при протекании по ним тока I. Оно равно 

 
 
 
Rв Rн
E
Rв Rн
E Rн
U
I Rв
Rн
Rв Rв
Rн
Rв
Rн







. 

Следовательно, ток в нагрузке и в схеме с генератором тока 
также равен 
/ (
)
Iн
E
R
Rв


, и поэтому можно пользоваться 

Электрические цепи постоянного тока 
9

любым расчетным эквивалентом. На практике чаще пользуются 
источниками э.д.с. 

Следует запомнить 

1. Источник  э.д.с.  и источник тока – это идеализированные

источники, которые физически реализовать невозможно. 
2. Расчетные схемы эквивалентны только для энергии, выделяющейся в нагрузке (различны для внутреннего сопротивления). Условия передачи максимальной мощности в нагрузку 
рассмотрены в приложении 1. 
3. Источники 
напряжения 
включают 
последовательно,
источники тока – параллельно. 

1.3. Разветвленные и неразветвленные 
электрические цепи 

Электрические цепи подразделяют на разветвленные и 
неразветвленные. В неразветвленной электрической цепи во 
всех элементах течет одинаковый ток. В элементах разветвленных цепей протекают различные токи. Основными понятиями, характеризующими геометрию (топологию) цепи являются 
«ветвь», «узел» и «контур». 
Ветвь – участок цепи, образованный последовательно 
соединенными элементами, через которые течет одинаковый 
ток. Узел – точка цепи, в которой соединены не менее трех 
ветвей. Ветвь можно характеризовать так же как участок цепи 
между двумя узлами.  
Контуром называют любой замкнутый путь, проходящий 
через ряд ветвей и узлов, так чтобы ни один узел и ни одна ветвь 
не встречался больше одного раза. В схеме с источником тока 
(рис.1.6, б) – три ветви и два узла, три контура. 

1.4. Закон Ома 

Под напряжением на участке цепи понимают разность 
потенциалов между крайними точками этого участка. На 
рис. 1.7 изображен участок цепи, крайние точки которого обозначены символами а и b. Потенциал точки а (а) выше потенциала точки b (b) на величину, равную произведению тока I и 
сопротивления R. 

Глава 1 
10

Разность потенциалов на концах сопротивления называют 
напряжением на сопротивлении или просто падением напряжения. Она равна произведению IR. Положительное направление (указывают стрелкой) совпадает с направлением тока, 
протекающего через это сопротивление. Очевидно, Uab = -Uba. 
Для измерения напряжения используют вольтметры, которые 
подключают параллельно к концам сопротивления или участка 
цепи. 

 
Рис. 1.7. Напряжение на участке цепи 

Закон Ома для участка цепи, не содержащего э.д.с., устанавливает связь между током и напряжением на этом участке 

 
I R
Uab


 или 
Uab
a
b
I
R
R






. 
 

Если участок цепи содержит э.д.с., то разность потенциалов 
на этом участке изменяется на эту величину э.д.с. Закон Ома для 
участка цепи, содержащего э.д.с., имеет следующий вид: 

 
(
)
Uab
E
a
b
E
I
R
R








. 
 

Знак плюс соответствует направлению включения источника 
э.д.с., совпадающему с положительным направлением падения 
напряжения, знак минус – противоположному включению. 
Напряжение (энергия, которая необходима для перемещения заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким 
потенциалом) всегда измеряется между двумя точками. Если 
говорят о напряжении в какой-либо точке схемы, то всегда 
подразумевают напряжение между этой точкой и «землей», то 
есть точкой схемы, потенциал которой известен и равен нулю. 
Напряжение создается за счет электрохимических реакций (в 
батареях), взаимодействия магнитных полей (генераторы), фотогальванических эффектов (солнечные батареи), тепловой энергии (термоэлементы) и т.п. Напряжение измеряют вольтметрами, внутреннее сопротивление которых очень большое.