3 Семестр (вопросы к зачёту)

1.Расскажите об идеальных и реальных источниках электрической энергии

Любой источник электрической энергии можно представить в виде источника электродвижущей силы (ЭДС) либо в виде источника тока.

Идеальный источник ЭДС – это такой источник электрической энергии, электрическое напряжение на выводах которого не зависит от электрического тока в нем.

Идеальный источник тока – это такой источник, электрическая энергия, электрический ток которого не зависит от напряжения на его выводах.

При анализе электрических цепей любой источник электрической энергии может быть заменен как идеальным, так и реальным источником.

Реальный источник ЭДС представляет собой идеальный источник ЭДС с последовательно включенным сопротивлением R_вн, равным внутреннему сопротивлению реального источника ЭДС.

Реальный источник тока может быть представлен идеальным источником тока с параллельно включенной внутренней проводимостью реального источника тока.

2.Расскажите об эквивалентных преобразованиях источников электрической энергии. Расскажите об обобщенном законе Ома и законе Ома для пассивного участка цепи. Дайте определение и приведите пример построения потенциальной диаграммы

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления и сопротивления внешней цепи реальный источник электрической энергии можно представить как в виде источника ЭДС, так и источника тока. Так, например, аккумулятор с Rвн = 4 Ом можно представить в виде источника тока, если он подключен к электрической цепи с эквивалентным входным сопротивлением, равным сотым долям Ома, и в виде источника ЭДС, когда сопротивление цепи достигает сотен Ом.

В зависимости от выбранного метода расчета источник электрической энергии может быть представлен в виде реального источника ЭДС или в виде источника тока.

Преобразование реального источника ЭДС в реальный источник тока показано на рис.

Преобразование реального источника тока в реальный источник ЭДС показано на рис

Способ переноса источника тока иллюстрируется на рис

Закон Ома для участка цепи используется для ветвей, не содержащих источников электрической энергии

Обобщенный закон Ома используется в тех случаях, когда в ветви присутствует источник электрической энергии

Правило знаков: если направление E совпадает с направлением тока, то выбирается знак «+», если не совпадает, то знак «-». Аналогичные рассуждения справедливы и для напряжения U.

Под потенциальной диаграммой понимают график распределения потенциала вдоль замкнутого контура. На рисунке показана потенциальная диаграмма контура abcda для случая, когда потенциал точки a принят равным нулю.

При построении потенциальной диаграммы потенциал, равный нулю, может быть присвоен любому одному узлу.

Потенциальная диаграмма – графическое отображение второго закона Кирхгофа.

3.Дайте определение законов Кирхгофа и расскажите о методе расчета электрических цепей с помощью этих законов. Как рассчитать баланс мощности для активной электрической цепи. Приведите пример

Первый закон Кирхгофа записывается для узлов электрической цепи

_I_k 0 . Алгебраическая сумма токов в ветвях, подсоединенных к узлу, равна нулю.

Условимся: подтекающие к узлу токи записывать со знаком «+», а оттекающие – со знаком «-». Тогда выражение для токов по первому закону Кирхгофа для приведенной на рисунке части схемы можно записать в виде

I1 + I2 + I3 – I4 – I5 = 0.

Первый закон Кирхгофа вытекает из принципа непрерывности электрического тока – полный ток сквозь взятую в какой угодно среде замкнутую поверхность равен нулю. Физический смысл: линии тока не имеют ни начала, ни конца, они являются замкнутыми.

Второй закон Кирхгофа записывается для контуров электрической цепи

_U_k  0. Алгебраическая сумма напряжений вдоль контура равна нулю

Алгебраическая сумма падений напряжений в любом контуре равна алгебраической сумме ЭДС в том же контуре.

Правило знаков: слагаемое входит со знаком «+», если направление падения напряжения или ЭДС совпадает с направлением обхода контура.

Уравнение для приведенной на рисунке схемы можно записать в виде

I1R1 + U – I3 R3 – I2 R2 = E2 – E1.

Расчет по законам Кирхгофа

Алгоритм расчета электрической цепи по законам Кирхгофа комментируется на примере схемы, изображенной на рисунке.

1. Произвольно выбираем условно положительное направление токов.

2. Определяем количество необходимых уравнений.

Пусть в – общее число ветвей, вJ – число ветвей с источниками тока, у – число узлов, тогда в – вJ — число искомых токов;

nI =( у -1 ) –число уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа, nII = (в – вJ) – ( у – 1) – число уравнений, составленных по второму закона Кирхгофа.

Например, для схемы при в = 4, вJ = 1, у = 2, количество уравнений nI =1 и nII = 2.

3. Выбираем независимые контуры, количество которых равно найденному количеству уравнений по второму закону Кирхгофа. Задаем положительное направление их обхода.

4. По первому и второму законам Кирхгофа с учетом правил выбора знаков составляем систему уравнений

5. Определяем неизвестные токи, решая совместно уравнения.

6. В случае необходимости проводим анализ полученного результата: если какой-либо ток получен с отрицательным знаком, то его действительное положительное направление противоположно условно положительному, выбранному вначале.

Для того, чтобы проверить правильность расчетов составляют баланс мощностей по формуле:

Если направление тока I, протекающего через Э.Д.С. E, совпадает с направлением Э.Д.С., то произведение EI входит в уравнение с положительным знаком, так как источник Э.Д.С. доставляет в цепь энергию.

Реальные источники тока или реальные источники напряжения

Реальные источники тока или реальные источники напряжения

До сих пор мы работали с источниками питания только одного типа, с источниками напряжения. Однако во многих случаях удобно представлять реальные источники электрической энергии как неидеальные источники тока. 

На рис. 1.14 представлен неидеальный источник напряжения. Его напряжение холостого хода, которое часто называют напряжением идеального источника напряжения, составляет 10 В. В реальных источниках напряжения при увеличении тока нагрузки выходное напряжение падает. Чтобы учесть этот эффект, в схеме замещения последовательно с идеальным источником включается внутреннее сопротивление R_i (в данном случае R_i=5 Ом).

Рис. 1.14. Неидеальный источник напряжения

Схема, кроме того, содержит нагрузочный резистор R_L=15 Ом. Рассчитав значения напряжения V₂₀=7,5 В и тока I_L

=0,5 А, попытаемся найти неидеальный источник тока, которым можно было бы заменить неидеальный источник напряжения так, чтобы ток и напряжение на нагрузке не изменились.

Нетрудно проверить, что, заменив неидеальный источник напряжения идеальным источником тока в 2 А и включенным параллельно ему резистором R_i=5 Ом, мы реализуем такой источник. При этом значения двух эквивалентных генераторов связаны соотношением I_S= V_S/R_i. 

На рис. 1.15 приведена схема неидеального источника тока. В ней напряжение и ток нагрузочного резистора такие же, как в схеме на рис. 1.14: V₂₀=7,5 В и I_L

=0,5 А. Мощность, выделяемая в нагрузке, равна V₂₀I_L=3,75 Вт. Но эквивалентны ли обе схемы по энергетическим соотношениям? В схеме на рис. 1.14 мощность, потребляемая от V_S, составляла 5 Вт, а в схеме на рис. 1.15, мощность, потребляемая от источника тока, равна 15 Вт. Чтобы объяснить это различие подсчитайте мощность, выделяемую в R_i для обоих случаев.

Рис. 1.15. Неидеальный источник тока, обеспечивающий те же условия в нагрузке, что схема на рис. 1.14 

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Источник питания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Источник питания — электрическое оборудование, предназначенное для производства, аккумулирования электрической энергии или изменения ее характеристик.^[1]

В электроэнергетике:

• первичные цепи;
• вторичные цепи.

Электронное оборудование:

• К первичным относят преобразователи различных видов энергии в электрическую, примером может служить аккумулятор^[2], преобразующий химическую энергию в электрическую.
• вторичные источники сами не генерируют электроэнергию, а служат лишь для её преобразования с целью обеспечения требуемых параметров (напряжения, тока, пульсаций напряжения и т. п.)
• третичный источник питания (tertiary supply) — источник электропитания оборудования, подключаемый к вторичному источнику электропитания.^[3]

Химические источники тока[править | править код]

Прочие первичные источники тока[править | править код]

(также, как Блок питания)

• Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003. — 224 с. — ISBN 5-98131-001-4.
• Герасимов В.Г., Князьков О.М. и др. Основы промышленной электроники. — М.: Высшая школа, 1986. — С. 224 — 272. — 336 с.
• Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 296 с. — ISBN 5-283-00681-6.

1. ↑ ГОСТ 30331.1-2013 (IEC 60364-1:2005) Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения
2. ↑ ГОСТ 29284-92 Источники тока химические первичные. Методы контроля электрических параметров
3. ↑ ГОСТ Р 55266-2012 (ЕН 300 386-2010) Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование сетей связи. Требования и методы испытаний п.3.31

#books / lections_2013 / Лекция7

Лекция №7

Входное и выходное сопротивление для усилителя с общим эмиттером

Для входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение резисторов R1 (110кОм), R2(10кОм) и входного сопротивления со стороны базы. Последнее приблизительно равно 50 кОм, а значит, входное сопротивление усилителя с общим эмиттером равно приблизительно 8 кОм (преобладающую роль играет сопротивление 10 кОм). Если используется развязывающий конденсатор, указанный на схеме, то получаем фильтр высоких частот с точкой — 3 дБ на частоте 200 Гц. Для сигналов в рабочей полосе частот (выше частоты, соответствующей точке — 3 дБ) конденсатором емкостью 0,1 мкФ можно пренебречь и учитывать только сопротивление 8 кОм, соединенное с ним последовательно.

Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 10 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. В линейном режиме работы, область коллектор-эмиттер обладает очень большим сопротивлением, поэтому выходное сопротивление определяется коллекторным резистором, сопротивление которого составляет 10 кОм.

Источник тока на резисторах

Схема простейшего источника тока показана на рисунке ниже. При условии что R_н << R, ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U/R.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать резисторы с большим сопротивлением, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Транзисторный источник стабильного тока

Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора

Работает этот источник следующим образом: напряжение на базе U_б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U_э = U_б — 0,6 В. В связи с этим I_э = U_э/R_э = (U_э — 0,6)/R_э. Так как I_э ≈ I_к, то I_к ≅ (U_б — 0,6 В)/R_э независимо от напряжения U_к до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (U_к > U_э + 0.2 В). В режиме насыщения ток транзистора будет максимальным и дальше расти не будет.

Смешение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току. Можно воспользоваться также стабилитроном и использовать для смещения источник питания U_кк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания.

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения U_б, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала u_вх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источника тока, построенного по схеме предложенной выше.

1. При заданном токе коллектора, напряжение U_бэ (эффект Эрли), и коэффициент несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмиттер. Изменение напряжения U_бэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока и напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как I_к = I_э — I_б; Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно.

2. Напряжение U_бэ и коэффициент h_21э зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения и U_бэ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью такой схемы:

В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т₂ компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т₁ который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R₃ играет роль нагрузки для Т₁, необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т₂.

Улучшение характеристик источника тока.

Вообще говоря, изменение напряжения U_бэ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения U_бэ (эффект Эрли оценивается величиной ΔU_бэ ≈ -0,001 ΔU_кэ), можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения U_бэ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если U_э = 0,1В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения U_бэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же U_э = 1,0 В, то такое же изменение U_бэ вызывает изменение тока на 1%. Однако, не стоит заходить слишком далеко. Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от U_э + 0,2 В до U_кк, т. е. от 5,2 до 10 В).

Источник тока Т₁ работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т₂. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т₂) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой. В этой схеме напряжение U_кэ (дая Т₁) не зависит от напряжения на нагрузке (оно фиксируется эмитерным повторителем на Т₂), а это значит, что устранены изменения напряжения U_бэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%.

Усилители на биполярных транзисторах

Классификация усилителей.

Устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, называется электронным силителем.

Основной классификацией усилителей является классификация по диапазону усиливаемых частот.

1. Усилители низкой частоты (УНЧ) – диапазон усиливаемых частот от 10Гц до 100 кГц.

2. Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон усиливаемых частот от 100кГц до 100 МГц.

3. Усилители постоянного тока (УПТ). Они могут усиливать постоянный ток. Диапазон усиливаемых частот от 0Гц до 100кГц.

4. Импульсные усилители (ИУ) – широкополосные импульсные- и видеоусилители. Частотный диапазон усиливаемых частот от 1кГц до 100МГц.

5. Избирательные, или резонансные усилители – это усилители, работающие в узком диапазоне частот.

Классификация по назначению:

1. Усилители напряжения;

2. Усилители постоянного тока;

3. Усилители мощности;

4. Повторители;

5. Усилители разности сигналов – дифференциальные усилители;

6. Операционные усилители;

7. Инструментальные усилители (Измерительные усилители – очень качественные, точные и стабильные – для измерения очень малых сигналов).

Основные технические характеристики усилителей.

1. Коэффициент усиления.

Если коэффициент усиления недостаточен, применяются многокаскадные усилители.

В многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада.

2. Входное и выходное сопротивление. Эквивалентную схему усилителя можно представить следующим образом.

Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется согласованием. Для оптимального согласования по напряжению, например, входное сопротивление усилителя должно быть как можно больше, т. е. значительно больше сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки. Вопросы согласования возникают и в многокаскадных усилителях. Если два усилительных каскада не согласованы между собой по входному и выходному сопротивлению, то между ними ставится эмиттерный повторитель, имеющий очень большое входное и малое выходное сопротивление.

3. Выходная мощность и КПД усилителя. Выходная мощность может быть определена по формуле:

Значительно увеличить выходную мощность усилителя нельзя, т. к. при большом выходном напряжении появляются искажения усиливаемого сигнала за счёт нелинейности характеристик усилительных элементов. Поэтому вносится понятие номинальной выходной мощности. Это наибольшая выходная мощность, при которой сигнал не искажается.

КПД усилителя можно определить по следующей формуле:

4. Уровень собственных шумов состоит из следующих составляющих:

— Тепловые шумы при нагревании сопротивлений, ёмкостей.

— Шумы усилительных элементов.

— Шум за счёт пульсаций источника питания.

5. Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя). Это полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 своей максимальной величины.

6. Искажения усилителя возникают за счёт нелинейности характеристик транзисторов.

Искажения происходят за счёт появления в спектре сигнала высших гармонических составляющих, и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициент гармоник).

Где U₂-U_n – гармоники (частоты), которые появились вследствие искажений.

U₁ – основная гармоника – частота усиливаемого сигнала.

7. Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала (смотрите рисунок 216). Uвых = f (Uвх).

2. Динамический диапазон:

3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при постоянной амплитуде входного сигнала.

Uвых = f (F) при Uвх = Const.

Часто АЧХ представляют в виде зависимости

Температурная стабилизация (термостабилизация) рабочей точки в усилителе с общим эмиттером

При нагревании рабочая точка смещается по нагрузочной прямой, что приводит к увеличению коллекторного тока Iк и уменьшению напряжения Uкэ. Это равносильно прикладыванию дополнительного открывающего напряжения ко входу транзистора и, как следствие, дополнительному открыванию транзистора.

На рисунках ниже показаны схемы термостабилизации рабочей точки при помощи полупроводникового резистора и полупроводникового диода.

При нагревании сопротивление терморезистора уменьшается, что приводит к общему уменьшению сопротивления включённых в параллель резисторов Rб» и Rt. За счёт этого напряжение Uбэ будет уменьшаться, эмиттерный переход подзапираться -> ток коллектора уменьшаться и рабочая точка сохраняет своё положение на нагрузочной прямой.

Аналогичным образом происходит термостабилизация рабочей точки полупроводниковым диодом. При увеличении температуры сопротивление диодов в обратном включении будет уменьшаться за счёт термогенерации носителей заряда в полупроводнике. Общее сопротивление включённых параллельно резистора Rб» и диода VD1 будет уменьшаться, что приведёт к уменьшению напряжения Uбэ, транзистор подзапирается и рабочая точка сохраняет своё положение.

Недостатком схем с терморезистором и полупроводниковым диодом является то, что и терморезистор, и полупроводниковый диод должны подбираться по своим температурным свойствам для каждого конкретного транзистора. Поэтому наиболее часто применяют схемы температурной стабилизации отрицательной обратной связью (ООС) по постоянному току и напряжению.

Термостабилизация рабочей точки при помощи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению.

При возрастании температуры увеличивается ток коллектора транзистора Iк, следовательно, и ток эмиттера Iэ. Это приводит к увеличению U_Rэ и -> уменьшению U_бэ (поскольку U_Rб’’ = const). Из этого следует, что эмиттерный переход подзапирается, ток коллектора уменьшается и рабочая точка (РТ) сохраняет своё положение.

Так как изменение напряжения на Rэ должно зависеть только от изменения температуры и не изменяться по закону переменной составляющей усиливаемого сигнала, резистор Rэ шунтируется конденсатором большой ёмкости, через который будет протекать переменная составляющая, а через Rэ будет протекать постоянная составляющая тока. Величину ёмкости выбирают из условия . В качестве такого конденсатора обычно используют электролит 10 мкФ. R_э выбирают равным 0.1R_к.

Режимы работы усилителей

Режим работы класса А.

В режиме работы класса А рабочая точка устанавливается на линейном участке входной характеристики. Таким образом, на транзистор подается значительное начальное смещение. Для этого между базой и эмиттером транзистора при помощи одной из схем питания цепи базы необходимо создать постоянную составляющую напряжения, которая называется величиной напряжения смещения.

При отсутствии переменной составляющей усиливаемого сигнала рабочая точка называется рабочей точкой покоя.

Рассмотрим рисунок ниже. До момента времени t1 переменная составляющая входного сигнала отсутствует, и под действием величины Eсм в коллекторной цепи транзистора будет протекать постоянная составляющая коллекторного тока, которая называется током покоя.

Режим работы класса А характеризуется минимальными нелинейными искажениями, т. к. усилительный элемент работает на линейном участке характеристики.

Недостатком режима класса А является низкий КПД. η = (25 – 30 %).

Это объясняется тем, что энергия от источника питания затрачивается не только на усиление переменной составляющей, но и на создание постоянной составляющей Iо, которая является бесполезной и в дальнейшем отсеивается разделительным конденсатором.

Режим класса А применяется, в основном, в предварительных каскадах усиления.

Режим работы класса В.

В режиме класса В рабочая точка выбирается таким образом, чтобы ток покоя был равен нулю (смещение транзисторов в режиме покоя отсуствует).

Характеризуется режим класса В высоким КПД η = 60 — 70 %. Недостатком режима класса В являются большие нелинейные искажения. Применяется режим класса В в выходных двухтактных усилителях мощности.

Режим работы класса АВ. Иногда положение точки покоя в режиме класса АВ выбирается на нижнем изгибе проходной динамической характеристики (небольшое смещение в режиме покоя – небольшой ток покоя коллектора). Это немного уменьшает искажения. В месте с этим уменьшается и КПД. Этот режим, как видно из названия, сочетает лучшие качества режимов А и В.

Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат (отрицательное смещение). Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД (80%) и очень большими нелинейными искажениями. Применяется в генераторах частоты.

Модуль 1.3. Идеализированные активные элементы

Если подключить к зажимам источника ЭДС нагрузку RH (рис. 1.13), то, согласно (1.10), (1.11), ток через RH и выделяемую в нагрузке мощность можно найти из вы ражений

	1		;	1	1		.	1.27
н		н		н		н

С уменьшением Rн ток нагрузки и выделяемая в ней мощность неограниченно возрастают. Вследствие этого источник напряжения иногда называют источником бесконечной мощности*.

Рис. 1.13. Подключение нагрузки к источнику напряжения

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока (источник тока) — это идеализированный актив ный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Ток источника (задающий ток)

. 1.28

может быть произвольной функцией времени, в частном случае он может не зави сеть от времени: i(t) = J_ (источник постоянного тока). Внешняя характеристика ис точника постоянного тока показана на рис. 1.14, а.

При J_ = 0 внешняя характеристика источника тока совпадает с осью напряже ний. Таким образом, внешняя характеристика источника тока J_ = 0 совпадает с ВАХ линейного сопротивления R = ∞.

Условное графическое изображение источника тока приведено на рис. 1.14, б. Двойная стрелка на рисунке показывает направление тока внутри источника. У ис точников постоянного тока это направление совпадает с направлением перемеще ния положительных зарядов внутри источника, т. е. с направлением от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом.

* Предельный случай, когда RH = 0 (режим короткого замыкания источника), исключается из рассмотрения, так как при этом возникает противоречие: с одной стороны, при RH =0 выводы источ ника закорочены и, следовательно, напряжение источника должно равняться нулю, с другой сторо ны, в соответствии с определением, напряжение источника ЭДС не зависит от тока источника, и, сле довательно, при RH =0 , когда i=∞, напряжение источника должно равняться e(t).

Разница между источником тока и источником напряжения

Трудно представить современный мир без электричества, телефон останется без подзарядки, а просмотр фильма попросту станет невозможен. Да, без этого явления жизнь покажется тяжелой. Но для того чтобы получить его, нужен поток энергии, физическая составляющая которого, может иметь различный характер. В электротехнике принято подразделять элементы питания на две группы: по постоянному току или напряжению. Они бывают идеальными, но существующие лишь в теории и реальные, которые возможно увидеть на практике.

Идеальный источник тока (генератор)

Для начала рассмотрим абстрактный вариант: сила тока, созданная в этом устройстве, всегда одинаковая. Опираясь на закон Ома, можно легко сделать заключение, что напряжение находится в зависимости лишь от сопротивления подключенной нагрузки. Внутреннее сопротивление такого элемента питания имеет бесконечную величину, поэтому не воздействует на основной параметр. Вследствие того, что сила тока значение постоянное, то на значение мощности теоретического агрегата влияет только сопротивление подключенной нагрузки. В устройстве, при возникновении короткого замыкания, также сохраняется основное свойство источника.

Такой идеальный элемент можно создать лишь в теории, его применяют при моделировании электромагнитных процессов. На практике такой системы достичь невозможно, поэтому рассмотрим материальную вариацию.

Реальный генератор

Главное различие между реальным и идеальным устройством — наличие внутреннего сопротивления. Чем выше данный параметр, тем ближе элемент к улучшенному варианту. Из этого следует, что напряжение и мощность значения конечные, т. е имеют определенный рабочий диапазон. При этом система также обладает ограничением по присоединяемой нагрузке. При решении задач, реальное устройство изображают в качестве идеального, с подключенным в параллель внутренним сопротивлением.

Эксплуатация данного агрегата возможна при холостом ходе (без внешней нагрузки) вследствие того, что имеем замкнутый контур за счет внутреннего сопротивления. Ток на выходе во время такого режима снижается до нулевого значения. При подключении накоротко (режим короткого замыкания) получим максимальную величину, а выходное напряжение опустится до 0.

В качестве примера такого устройства, обратимся к катушке индуктивности. Это положение справедливо в момент размыкания цепи. Так разность потенциалов в таком режиме резко увеличивается по сравнению с предыдущим состоянием. Все дело в ЭДС самоиндукции возникающей в этом элементе. При увеличении напряжения катушка накапливает энергию, при снижении отдает ее в сеть.

Еще одним примером является вторичная обмотка трансформатора тока, которая в нормальных условиях работы всегда должна быть закорочена. В противном случае, если в ней произойдет разрыв, то она станет генератором. Все дело в законе сохранения энергии, так мощность на первичной и вторичной обмотке должна быть одинаковой. Параметры первичной обмотки неизменны, вследствие конструктивных особенностей трансформатора (обмотка имеет один виток). При обрыве во вторичной обмотке, упорядоченного движения заряженных частиц не будет, соответственно напряжение резко возрастет.

Идеальный источник напряжения (ЭДС)

У идеального устройства, напряжение является неизменным параметром и не зависит от значения нагрузочного тока, вместе с тем, его внутреннее сопротивление равно 0. Если создание данного прибора было бы возможным, то он представлял источник бесконечной мощности. Величина тока и мощности при подключенной нагрузке стремилась к бесконечному числу. Но, как мы знаем мощность, имеет конечное значение.

Описанный элемент питания, является теоретическим понятием, на практике таких условий достичь невозможно, поэтому применяется лишь в моделировании процессов.

Реальный источник напряжения

В реальности имеем устройство ЭДС, которое характеризуется наличием внутреннего сопротивления, по этой причине ток будет иметь граничное значение. В большинстве устройств внутреннее сопротивление незначительная величина, если сравнивать с внешними показателями, и чем меньше это параметр, тем ближе к идеальному варианту. При увеличении тока будет происходить падение напряжения. В расчетах обозначается как идеальный источник ЭДС с подключенным последовательно сопротивлением. Ток через источник равен 0, если создан режим холостого хода. При возникновении короткого замыкания, примет максимальное значение, а разность потенциалов на выходе станет равной 0.

В качестве примера можно рассмотреть аккумуляторную батарею, принцип работы которой, основан на химической реакции.

Вывод

• Реальные приборы в отличие от идеальных устройств содержат внутреннее сопротивление.
• Что касается отличия идеального устройства тока от напряжения, то оно заключается в том, какой параметр является постоянным и не зависит от присоединяемой нагрузки. Это соответствует их названиям, для приборов ЭДС– напряжение, для генератора – ток.
• При составлении схемы замещения, внутреннее сопротивление источника тока подключается параллельно, напряжения – последовательно.
• Для реальных устройств, существует разница во внутреннем сопротивлении: для генераторов лучше иметь большое сопротивление, для источника ЭДС – малое.