Идеальный источник тока | Электрикам

Идеальный источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Предполагается, что внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно велико, и поэтому параметры внешней электрической цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника, не влияют на ток источника.
Условные обозначения идеального источника тока приведены на рис. Стрелка в источнике тока или знаки «+» и «—» указывают положительное направление тока i(t) или полярность источника, т. е. направление перемещения положительных зарядов.

Сейчас принято обозначать источники тока буквой J, и чаще всего применяется нижнее условно графическое изображение.

По мере неограниченного увеличения сопротивления внешней электрической цепи, присоединенной к идеальному источнику тока, напряжение на его зажимах и соответственно мощность, развиваемая им, неограниченно возрастают. Поэтому идеальный источник тока, так же как и идеальный источник напряжения, рассматривается как источник бесконечной мощности.

Источник тока конечной мощности изображается в виде идеального источника тока с параллельно подключенным к его зажимам пассивным элементом  который характеризует внутренние параметры источника и

Представляя собой теоретическое понятие, источник тока применяется в ряде случаев для расчета электрических цепей.

Некоторым подобием источника тока может служить устройство, состоящее из аккумулятора, соединенного последовательно с дополнительным большим сопротивлением  Другим примером источника тока может являться пяти электродная усилительная электронная лампа (пентод). Имея внутреннее сопротивление  несоизмеримо большее,  чем сопротивление внешней электрической цепи, эти устройства отдают ток, почти не зависящий от изменения внешней нагрузки в широких пределах, и именно в этом отношении они аналогичны источнику тока.

Идеальный источник эдс
Материал взят из книги: Атабеков Г.И., Основы теории цепей.

electrikam.com

Идеальный источник тока

1. Источники напряжения и тока, их свойства, характеристики и схемы замещения. Законы Ома и Кирхгофа.

Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока в цепи). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, либо как внешнее управляющее воздействие.

В простейшем случае напряжение определено как константа, то есть напряжение источника ЭДС постоянно.

Реальные источники напряжения

Рисунок 2

Идеальный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, то есть подобное устройство не может существовать. Если допустить существование такого устройства, то 

электрический ток I, протекающий через него, стремился бы к бесконечности при подключении нагрузки, сопротивление R_H которой стремится к нулю. Но при этом получается, что мощность источника ЭДС также стремится к бесконечности, так как . Но это невозможно, по той причине, что мощность любого источника энергии конечна.

В реальности, любой источник напряжения обладает внутренним сопротивлением r, которое имеет обратную зависимость от мощности источника. То есть, чем больше мощность, тем меньше сопротивление (при заданном неизменном напряжении источника) и наоборот. Наличие внутреннего сопротивления отличает реальный источник напряжения от идеального. Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника энергии. Эквивалентная схема реального источника напряжения представляет собой последовательное включение источника ЭДС — 

Е (идеального источника напряжения) и внутреннего сопротивления — r.

где

 — падение напряжения на внутреннем сопротивлении;

 — падение напряжения на нагрузке.

При коротком замыкании (), то есть вся мощность источника энергии рассеивается на его внутреннем сопротивлении. В этом случае токбудет максимальным для данного источника ЭДС. Зная напряжение холостого хода и ток короткого замыкания, можно вычислить внутреннее сопротивление источника напряжения:

Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока.

Свойства:

Напряжение на клеммах идеального источника тока зависит только от сопротивления внешней цепи:

Мощность, отдаваемая источником тока в сеть, равна:

Так как для источника тока , напряжение и мощность, выделяемая им, неограниченно растут при росте сопротивления..

Реальный источник тока

Реальный источник тока, так же как и источник ЭДС, в линейном приближении может быть описан таким параметром, как внутреннее сопротивление . Отличие состоит в том, что чем больше внутреннее сопротивление, тем ближе источник тока к идеальному (источник ЭДС, наоборот, чем ближе к идеальному, тем меньше его внутреннее сопротивление). Реальный источник тока с внутренним сопротивлением эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление и ЭДС .

Напряжение на клеммах реального источника тока равно:

Сила тока в цепи равна:

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна:

Схемы замещения источников энергии Простейшая электрическая цепь и ее схема замещения, как указывалось, состоят из одного источника энергии с ЭДС Е и внутренним сопротивлением rвт и одного приемника с сопротивлением r. Ток во внешней по отношению к источнику энергии части цепи, т. е. в приемнике с сопротивлением

 r, принимается направленным от точки а с большим потенциалом к точке b с меньшим потенциалом . Направление тока будем обозначать на схеме стрелкой с просветом или указывать двумя индексами у буквы I, такими же, как и у соответствующих точек схемы. Так, для схемы рис. 1.3 ток в приемнике I = Iаb, где индексы а и b обозначают направление тока от точки а к точке b. Покажем, что источник энергии с известными ЭДС E и внутренним сопротивлением rвт, может быть представлен двумя основными схемами замещения (эквивалентными схемами). Как уже указывалось, с одной стороны, напряжение на выводах источника энергии меньше ЭДС на падение напряжения внутри источника:   с другой стороны, напряжение на сопротивлении r    Ввиду равенства из (1.5а) и (1.56) получается или    В частности, при холостом ходе (разомкнутых выводах а и b) получается E=Uх, т. е. ЭДС равна напряжению холостого хода. При коротком замыкании (выводов а и b) ток   

Из (1.7 6) следует, что rвт источника энергии, так же как и сопротивление приемника, ограничивает ток. На схеме замещения можно показать элемент схемы с rвт, соединенным последовательно с элементом, обозначающим ЭДС E (рис. 1.7, а). Напряжение U зависит от тока приемника и равно разности между ЭДС E источника энергии и падением напряжения 

rвтI (1.6а). Схема источника энергии, показанная на рис. 1.7, а, называется первой схемой замещения или схемой с источником ЭДС. Если rвт<<r и напряжение Uвт<<U, т. е. источник электрической энергии находится в режиме, близком к холостому ходу, то можно практически пренебречь внутренним падением напряжения и принять Uвт = rвт = 0. В этом случае для источника энергии получается более простая эквивалентная схема только с источником ЭДС, у которого в отличие от реального источника исключается режим короткого замыкания (U =0). Такой источник энергии без внутреннего сопротивления ( rвт = 0), обозначенный кружком со стрелкой внутри и буквой E (рис. 1.7,6), называют идеальным источником ЭДС или источником напряжения (источником с заданным напряжением). Напряжение на выводах такого источника не зависит от сопротивления приемника и всегда равно ЭДС E. Его внешняя характеристика — прямая, параллельная оси абсцисс (штриховая прямая ab на рис. 1.4).

studfile.net

Источник тока — Википедия

Обозначение источника тока на схемах (вариант)

Исто́чник то́ка (в теории электрических цепей) — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока.

Источник тока используется в качестве простейшей модели некоторых реальных источников электрической энергии или как часть более сложных моделей реальных источников, содержащих другие электрические элементы. Следует заметить, что электрические характеристики реальных источников могут быть близки к свойствам источника тока или его противоположности — источника напряжения.

В электротехнике источником тока называют любой источник электрической энергии.

Идеальный источник тока[править | править код]

Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

I=const{\displaystyle I={\text{const}}}

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления R{\displaystyle R} подключенной к нему нагрузки:

U=I⋅R{\displaystyle U=I\cdot R}

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

P=I2⋅R{\displaystyle P=I^{2}\cdot R}

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник[править | править код]

В линейном приближении любой реальный источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (т. е. идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно, реальный источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E{\displaystyle {\mathcal {E}}} источника напряжения (или силы тока I{\displaystyle I} источника тока) и внутреннего сопротивления r{\displaystyle r} (или внутренней проводимости y=1/r{\displaystyle y=1/r}).

Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением r{\displaystyle r} эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление r{\displaystyle r} и ЭДС E=I⋅r{\displaystyle {\mathcal {E}}=I\cdot r}.

Напряжение на клеммах реального источника тока равно

Uout=IR⋅rR+r=IR1+R/r.{\displaystyle U_{\text{out}}=I{\frac {R\cdot r}{R+r}}=I{\frac {R}{1+R/r}}.}

Сила тока в цепи равна

Iout=IrR+r=I11+R/r.{\displaystyle I_{\text{out}}=I{\frac {r}{R+r}}=I{\frac {1}{1+R/r}}.}

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна

Pout=I2R(1+R/r)2.{\displaystyle P_{\text{out}}=I^{2}{\frac {R}{\left(1+R/r\right)^{2}}}.}

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени (t≪L/R{\displaystyle t\ll L/R}) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) приводит к резкому возрастанию напряжения между контактами и к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2 эта схема выступает как источник тока.

Существуют различные варианты обозначений источника тока. Наиболее часто встречаются обозначения (a) и (b). Вариант (c) устанавливается ГОСТ^[1] и IEC^[2]. Стрелка в кружке указывает положительное направление тока в цепи на выходе источника. Варианты (d) и (e) встречаются в зарубежной литературе. При выборе обозначения нужно быть осмотрительным и использовать пояснения, чтобы не допускать путаницы с источниками напряжения.

Рисунок 3. Обозначения источника тока на схемах

1. ↑ ГОСТ 2.721-74 Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.
2. ↑ IEC 617-2:1996. Graphical symbols for diagrams — Part 2: Symbol elements, qualifying symbols and other symbols having general application

• Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3.

ru.wikipedia.org

Источник ЭДС — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Рисунок 1. Обозначение на схемах источника ЭДС (слева) и реального источника напряжения (справа). Вариант.

Исто́чник ЭДС (идеа́льный источник напряже́ния) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник и равно его ЭДС. ЭДС источника может быть задана либо постоянным, либо как функция времени, либо как функция от внешнего управляющего воздействия. В простейшем случае ЭДС определена как константа, обычно обозначаемая буквой E{\displaystyle {\mathcal {E}}}.

Идеальный источник напряжения[править | править код]

Рисунок 2. Реальный источник напряжения под нагрузкой Рисунок 3. Нагрузочная характеристика идеального (синий) и реального (красный) источников.

Напряжение на выводах идеального источника напряжения не зависит от нагрузки U=E=const{\displaystyle U={\mathcal {E}}={\text{const}}}. Ток определяется только сопротивлением внешней цепи R{\displaystyle R}:

I=UR.{\displaystyle I={\frac {U}{R}}.}

Модель идеального источника напряжения используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Собственно, идеальный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, поскольку при стремлении сопротивления нагрузки к нулю R→0{\displaystyle R\rightarrow 0} отдаваемый ток и электрическая мощность неограниченно возрастают, что противоречит физической природе источника.

Реальный источник напряжения[править | править код]

В реальности любой источник напряжения обладает внутренним сопротивлением r{\displaystyle r}. Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника. Эквивалентная схема реального источника напряжения представляет собой последовательное включение идеального источника ЭДС E{\displaystyle {\mathcal {E}}} и внутреннего сопротивления r{\displaystyle r}.

На рисунке 3 приведены нагрузочные характеристики идеального источника напряжения (синяя линия) и реального источника напряжения (красная линия).

E=Ur+UR,{\displaystyle {\mathcal {E}}=U_{r}+U_{R},}

где

Ur=I⋅r,{\displaystyle U_{r}=I\cdot r,} — падение напряжения на внутреннем сопротивлении;

UR=I⋅R,{\displaystyle U_{R}=I\cdot R,} — падение напряжения на нагрузке.

При коротком замыкании R=0{\displaystyle R=0} вся мощность источника энергии рассеивается на его внутреннем сопротивлении. В этом случае ток короткого замыкания Is.c.{\displaystyle I_{\text{s.c.}}} будет максимален. Зная напряжение холостого хода Uxx{\displaystyle U_{\text{xx}}} и ток короткого замыкания, можно вычислить внутреннее сопротивление источника напряжения:

r=UxxIs.c..{\displaystyle r={\frac {U_{\text{xx}}}{I_{\text{s.c.}}}}.}

При помощи модели источника напряжения хорошо описываются химические источники тока, батарейки, гальванические элементы, коллекторные генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением и бытовые электросети для маломощных потребителей.

Различают источник постоянного и переменного напряжения, а также источник напряжения, управляемые напряжением (ИНУН) и источники напряжения, управляемые током (ИНУТ).

Существуют различные варианты обозначений источника напряжения. Наиболее часто встречается обозначение (a) . Вариант (c) устанавливается ГОСТ^[1] и IEC^[2]. Стрелка в кружке указывает на положительную клемму на выходе источника. При выборе обозначения нужно быть осмотрительным и использовать пояснения, чтобы не допускать путаницы с источниками тока (b), который обозначен так в статье «Источник тока».

Рисунок 4. Обозначения источника напряжения на схемах

Чтобы определить, который полюс источника постоянного напряжения является положительным, а какой — отрицательным, используются специальные «полюсоискатели», действие которых основано на явлении электролиза. Полюсоискатель представляет собой стеклянную ампулу, заполненную раствором поваренной соли с добавкой фенолфталеина. В ампулу снаружи введены электроды. При подключении к электродам источника напряжения начинается электролиз: на отрицательном полюсе идёт выделение водорода и образуется щелочная среда. Из-за наличия щёлочи фенолфталеин меняет свою окраску — краснеет, по красной окраске у электрода и судят о том, что он соединён с отрицательным полюсом источника напряжения^[3].

1. ↑ ГОСТ 2.721-74 Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.
2. ↑ IEC 617-2:1996. Graphical symbols for diagrams — Part 2: Symbol elements, qualifying symbols and other symbols having general application
3. ↑ Элементарный учебник физики / Под ред. Г. С. Ландсберга. — 13-е изд.. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — Т. 2. Электричество и магнетизм. — С. 151,152,465.

• Электротехника: Учеб. для вузов/А. С. Касаткин, М. В. Немцов.— 7-е изд., стер.— М.: Высш. шк., 2003.— 542 с.: ил. ISBN 5-06-003595-6
• Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3.

ru.wikipedia.org

Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.

2 467

      Бурыкин Валерий Иванович

      Генератор тока и генератор напряжения. В чём разница? Что такое Генератор тока и каковы области его применения.

      ***

      По работе нужно было найти какое либо внятное описание того, что собой представляет генератор тока (стабилизатор тока, источник тока), его области применения и примеры расчёта. Ничего приемлемого найти не удалось.

      Пришлось самому приступить к написанию статьи отвечающей на эти вопросы.

      И ещё, пришлось заменить общепринятые обозначения «дельта» и «бесконечность» на слова. К сожалению, вместо них при попытке считать текст отображаются вопросительные знаки.

      28.02.2012г.

      

      ***

      

      Первое, что нам необходимо понять — это то в чём различия генератора тока и стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения.

       Другие названия:

       — источник напряжения;

       — генератор напряжения;

       — источник опорного напряжения (в схемах его обычно обозначают как ИОН).

      Основное требование:

      Uвых. = const.

      Ток в нагрузке подключенной к выходу стабилизатора напряжения изменяется в зависимости от величины Rнагр.

      Идеальный режим работы стабилизатора напряжения соответствует Rнагр. = бесконечности.

      Идеальный генератор напряжения создаёт на сопротивлении нагрузки напряжение стабильной величины. При этом его внутреннее сопротивление равно нулю (Ru = 0). Ток в нагрузке определяется по формуле:

      Iнагр. = U / Rнагр.

      Из этого можно сделать вывод:

      — так как напряжение стабильно, то при изменении Rнагр. будет изменяться ток, протекающий через нагрузку, Рис. 1.

Рис. 1 Схема идеального источника напряжения.

      Идеальный источник напряжения при уменьшении Rнагр. до нуля способен создавать ток бесконечно большой величины.

      Но в жизни ничего идеального не существует, все источники напряжения имеют некоторое внутреннее сопротивление — Ru.

      Это приводит к тому, что напряжение источника делится между внутренним сопротивлением Ru и сопротивлением нагрузки Rнагр, Рис. 2

Рис. 2 Функциональная схема реального источника напряжения.

      Поэтому ток в нагрузке вычисляется по формуле:

      Iнагр. = U / (Ru + Rнагр.)

      Максимальный ток возникает при Rнагр. = 0.

      Из формулы видно — ток в нагрузке зависит от напряжения развиваемого источником, а также от величины суммы сопротивлений Rнагр. и Ru.

      Как правило, внутреннее сопротивление источника напряжения (Ru) выбирается как минимум в 100 раз меньше минимально возможного значения сопротивления нагрузки (Rнагр. min). В этом случае напряжение на выходе источника при изменении сопротивления нагрузки от бесконечности до Rнагр. min будет изменяться не более чем на 1%.

      Т.е. желательно, чтобы соблюдалось условие:

      Rнагр. min => 100*Ru

      В данном случае мы не рассматриваем вопрос о мощности источника напряжения. Мощность зависит от принципа построения источника, реализуемой схемы и применяемых компонентов.

      Теперь посмотрим, что собой представляет генератор тока

Генератор тока.

      Другие названия:

       — источник тока;

       — стабилизатор тока.

      Основное требование:

      Iвых. = const.

      При этом напряжение на нагрузке изменяется в зависимости от величины Rнагр.

      Идеальный режим работы стабилизатора тока возникает при Rнагр. = 0

      Идеальный источник тока создаёт в нагрузке стабильный ток, то есть — ток, величина которого не зависит от сопротивления нагрузки, Рис. 3.

Рис. 3 Функциональная схема идеального источника тока.

      Так как ток источника не зависит от величины сопротивления нагрузки то при изменении Rнагр. пропорционально будет изменяться и Uнагр.

      Uнагр. = Rнагр. * Iист.

      Идеальным генератором тока считается такой источник, через который протекает ток неизменной величины и не зависящий от Rнагр.

      В таком случае если Rнагр стремится к бесконечности, то Uнагр. так же стремится к бесконечности. Такая ситуация на практике неосуществима. Реальные генераторы тока поддерживают стабильный ток в нагрузке только в пределах от Rнагр. = 0 до некоторой величины Rнагр. max.

      Эквивалентные схемы генераторов тока, приводимые в академической литературе малопонятны, а формулы, описывающие их работу, вряд ли когда-либо понадобятся в практических расчетах.

      Поэтому я начну сразу с практических схем.

      Наиболее доступная и простая как в понимании, так и в расчётах схема выглядит так:

Рис. 4 Практические схемы простых генераторов тока на биполярных транзисторах.

      На рисунке изображены две одинаковые схемы простых генераторов тока. Разница состоит только в том, что применены транзисторы разной проводимости. Другое отличие это то, к какому полюсу источника питания подключена нагрузка.

      В обоих случаях применена схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Эмиттерным повторителем она названа за то, что изменение напряжения на эмиттере (Uэ) повторяет изменение напряжения на базе, в нашем случае это Uстаб.

      Повторяет именно изменение напряжения, а не само напряжение так как существует падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Поэтому в случае усилителя постоянного тока напряжение Uэ будет определяться по формуле:

      Uэ = Uстаб. — Uбэ

      где Uбэ — падение напряжения на переходе база — эмиттер транзистора.

      Поскольку Uэ зависит только от напряжения стабилизации стабилитрона и от напряжения Uбэ, а значения этих напряжений можно считать константами, то в идеальном случае Uэ не будет зависеть от изменения Uпит. и Rн.

      Ток протекающий через Rэ является одновременно и током протекающим через нагрузку, то есть IRэ = Iист.

      Соответственно Iист. вычисляется по формуле:

      Iист. = Uэ / Rэ

      где: Uэ и Rэ константы, следовательно и Iист. — так же константа.

      На самом деле стабильность напряжения Uэ зависит от того насколько стабилитрон VD чувствителен к изменению протекающего через него тока и к воздействию окружающей температуры.

      То же самое относится и к переходу база — эмиттер транзистора.

      Пока будем считать, что эти факторы нас не касаются.

      В этом случае мы будем находиться в счастливом заблуждении, что наши расчёты абсолютно точны.

       Основные параметры источника (генератора) тока:

      1. Величина требуемого СТАБИЛЬНОГО тока — (Iист.).

       Т. е. тока, который питает нагрузку и не изменяется под воздействием внешних факторов.

      2. Максимальное сопротивление нагрузки — (Rнагр. max).

      3. Минимально возможное напряжение источника питания для нашей схемы — (Uпит. min).

Что нужно для расчёта источника тока.

      Самый тяжёлый вариант входных условий.

      Здесь вас пытаются уложить в Прокрустово ложе тем, что лишают манёвра.

      Требования заказчика:

      а. Ток источника тока (генератора тока) = Iист.

      б. Сопротивление нагрузки, которое меняется от Rнагр. min до Rнагр. max.

      Замечу — нижний предел сопротивления нагрузки (Rнагр. min) для генератора тока всегда можете смело принимать за ноль.

      Rнагр. max. — определяется из характеристик питаемого оборудования и важен для расчёта.

      в. Напряжение питания = Uпит.

      Методика расчёта генератора тока.

      Первое, что нужно определить это то какое максимальное напряжение необходимо развить на Rнагр.

      Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max

      Далее определить то, каким запасом по напряжению мы располагаем.

      Uзап. = Uпит. — Uнагр. max

      Нужно понимать, что напряжение запаса должно поделиться между Uкэ. и Uэ.

      Значение напряжения Uкэ. которое снижается до минимального значения при максимальном значении Rнагр. желательно принять не менее 3 Вольт. Конечно чем больше, тем лучше

      Далее можем вычислить с каким максимальным напряжением стабилизации при заданных условиях можно выбрать стабилитрон.

      Uстаб. max = Uзап. — Uкэ + Uбэ

      Сопротивление Rэ рассчитываем по формуле:

      Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист.

      

      Из этой формулы видно, что током генератора тока мы можем управлять двумя способами:

      — изменяя Uстаб.;

      — изменяя Rэ.

      Uбэ — константа и изменению не подлежит.

      Есть ещё один подводный камень, это соотношение напряжений Uбэ и Uстаб.

      Из последней формулы видно, что если Uстаб. окажется меньше или равно Uбэ, то в этом случае Rэ должно быть либо равным нулю, либо отрицательным. И то, и другое невозможно.

      Таким образом, если Uстаб. получится меньше или равно Uбэ то схема окажется неработоспособной, так как в этом случае мы не сможем открыть транзистор и создать хоть какое либо падение напряжения на Rэ.

      Желательно получить Uстаб. в шесть — семь раз превышающее Uбэ.

      Если Uстаб. получается близким по значению к Uбэ то необходимо изменять входные условия. Если вы не можете повлиять на параметры нагрузки: (уменьшить Rнагр. max) или согласовать уменьшение тока от генератора тока, остается только один вариант — увеличить напряжение питания. Если и это невозможно согласовать…. Тогда пошлите заказчика к чёрту, а расчёты выкиньте в корзину.

      

Пример расчета простого генератора тока на биполярном транзисторе

      Тяжёлый вариант.

      Требования заказчика:

      а. Iист. = 20мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Это и есть то самое Прокрустово ложе.

      Простейшая для понимания схема будет такова:

Рис. 5

Пример расчета:

      Первое что нужно сделать, это проверить возможность создания такого генератора тока.

      Попробуем произвести расчёт.

      Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max. = 0.02 * 3 000 = 60В

      Видим неприятную картину.

      Заданное Uпит. меньше требуемого Uнагр. max. Следовательно мы не сможем обеспечить требуемый ток в нагрузке при максимальном сопротивлении Rнагр.

      Что делать?

      Самое удобное для нас это уменьшить ток генератора тока. Как было сказано ранее этого можно добиться либо уменьшая Uстаб., либо увеличивая Rэ.

      Ток при этом определяется по формуле:

      Iист. = (Uстаб. — Uбэ) / Rэ

      Допустим, нам удалось согласовать изменение величины тока.

      Посмотрим, какая величина Iист. нас устроит.

      Как уже говорилось Uстаб. желательно выбрать не менее 6* Uбэ. Среднее значение Uбэ для кремниевых транзисторов составляет 0,65 В. Оно может изменяться в зависимости от выбранного транзистора, но ненамного (если конечно вы не выберете составной транзистор). Рассчитаем величину Uстаб.

      Uстаб. = Uбэ * 6 = 0,65 * 6 = 3,9В

      Обращаемся к справочнику по диодам, находим там раздел «Стабилитроны». И о чудо! Есть такой стабилитрон! И зовут его 2С139А.

      Он обладает следующими параметрами:

      Uст — напряжение стабилизации стабилитрона

      Uст ном — номинальное напряжение стабилизации стабилитрона

      Iст — ток стабилизации стабилитрона

      Iст ном — номинальный ток стабилизации стабилитрона

      Рmax — максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне

      rст — дифференциальное сопротивление стабилитрона

      aст — температурный коэффициент стабилизации стабилитрона

      Тк max — максимально-допустимая температура корпуса стабилитрона

      Далее определим необходимый запас по напряжению.

      Uзап. = Uстаб. — Uбэ + Uкэ = 3,9 — 0,65 + 3 = 6,25 В

      Вычитаем из величины питающего напряжения напряжение запаса и получаем максимально возможное напряжение на нагрузке.

      Uнагр. = Uпит. — Uзап. = 50 — 6,25 = 43,75 В

      Полученную величину Uнагр. делим на Rнагр. max. и получаем то значение тока, которое нас устроит.

      Iист. = Uнагр / Rнагр. max = 43.25 / 3000 = 0.0144 А

      Итак, нам удалось изменить требования заказчика, теперь они выглядят так:

      а. Iист. = 14,4мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Значит, мы можем приступить к окончательному расчёту элементов схемы.

      Rбал. = (Uпит. — Uстаб.) / Iст ном = (50 — 3,9) / 0,01 = 4610 Ом

          Где: Iст ном — взято из справочника.

      Выбираем ближайшее значение Rбал. (желательно в меньшую сторону):

      Rбал. = 4,3кОм.

      

      Определим величину сопротивления Rэ.

      Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист. = (3,9 — 0,65) / 0.0144 = 225,694444444444…….Ом.

      Опять же принимаем ближайшее значение и снова в меньшую сторону.

      Rэ = 220 Ом.

      В итоге получаем окончательную схему.

Рис. 6 Результат расчёта.

      Какой выбрать транзистор VT1?

      Да любой биполярный npn транзистор.

      Нужно помнить только, что у нас задано Uпит = 50 В. А это говорит о том, что допустимое напряжение Uкэ должно быть не менее этого значения (лучше раза в полтора больше). Максимальную мощность, рассеиваемую на корпусе транзистора можно рассчитать исходя из предельного режима, когда Rнагр. = 0.

      В этом случае Uкэ будет равно Uпит.-Uэ.

      Значит, мощность рассеяния можно определить из формулы:

      Pк max = (Uпит. — (Uстаб. — Uбэ)) * Iист. = (50 — (3,9 — 0,65)) * 0,0144 = 0,673 W

      где Pк — мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора и выбирается она из справочника. (Надеюсь нет смысла объяснять почему нужно выбрать транзистор с несколько большим Pк?).

      В этом расчёте мы исходим из условия короткого замыкания в нагрузке.

      Можно конечно произвести расчёт из условия Rнагр = Rнагр. min, т.е. то минимальное сопротивление которое задано заказчиком. В этом случае Pк max. получится меньше, но в тоже время источник может оказаться слишком чувствительным к короткому замыканию в нагрузке.

      Может случиться так, что заказчик не пойдет на то чтобы изменить входные параметры.

      В этом случае нужно понять: какую сумму он готов заплатить за готовое изделие.

      Физика есть физика и против её законов не попрёшь.

      Если заказчик готов раскошелиться, то в схему можно ввести дополнительный источник питания, позволяющий входное напряжение 50В преобразовать в то напряжение, которое позволит нам вписаться в исходные условия.

      Рассчитаем какое минимальное Uпит. нам необходимо для удовлетворения первоначальных условий. Вот эти условия:

      а. Iист. = 20мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Uэ и Uкэ можно оставить прежними, к ним у нас претензий быть не должно.

      То, какое максимальное напряжение на нагрузке при данных условиях мы должны развить уже было рассчитано (Uнагр. max = 60 В).

      В этом случае (если мы снова возьмём стабилитрон 2С139А) минимальное значение напряжения питания можно определить из формулы:

      Uпит. min = Uнагр. max + Uэ + Uкэ = 60 + 3,25 + 3 = 66,25 В

      где Uэ = Uстаб. — Uбэ.

      Для ровного счёта примем Uпит. min = 67 В.

      В этом случае схема примет следующий вид:

Рис. 7 Генератор тока с внутренним источником напряжения.

      Есть одно НО! Добавление этого квадратика может увеличить стоимость схемы в сотню раз. Хотя желание заказчика мы при этом удовлетворим.

      Иногда в схему генератора тока вводят операционный усилитель (другое название — дифференциальный усилитель). Это позволяет создать большой коэффициент усиления в цепи отрицательной обратной связи и исключить влияние Uбэ транзистора на стабильность выходного тока.

      Пример такой схемы приведён на Рис. 8.

      Расчёт такой схемы отличается только тем, что нужно забыть об Uбэ.

Рис. 8 Генератор тока с дифференциальным усилителем.

      Можно пойти дальше и создать стабилизатор тока с регулируемым значением Iист.

      В этом случае желательно заменить стабилитрон на маломощный линейный стабилизатор напряжения. Обычно такие стабилизаторы напряжения в схемах обозначаются как ИОН (источник опорного напряжения).

      Вот пример такой схемы:

Рис. 9 Регулируемый генератор тока.

      Ну вот, кажется всё основное, то что касается построения и расчёта генераторов тока я изложил.

      Теперь встаёт вопрос…. А на кой чёрт нам всё это нужно?

      Ну, стабилизаторы напряжения… — тут всё понятно!

      Широко применяются в бытовой и промышленной электронике. Ни одно современное электронное устройство не обходится без них.

      А зачем нужно устройство, которое не может поддерживать стабильное напряжение на нагрузке, и это напряжение постоянно «гуляет», а величина этого напряжения будто привязана к величине Rнагр.?

      Рассмотрим некоторые области применения генераторов тока (стабилизаторов тока, источников тока).

      Первая и наверное самая распространённая область — это источники стабильного напряжения, как раз то без чего не обходится практически ни одно современное электронное устройство.

      В простейшем случае общая схема стабилизатора напряжения выглядит так:

Рис. 10 Функциональная схема стабилизатора напряжения.

      Обозначения в схеме:

      

      ИОН — источник опорного напряжения;

      Уош. — усилитель ошибки;

      Uоп. — опорное напряжение;

      Uдел. — напряжение снимаемое с делителя подключенного к выходному напряжению стабилизатора напряжения.

      Uош. — напряжение ошибки, оно вычисляется как Uоп. — Uдел.

      

      Напряжение на выходе стабилизатора зависит от величины Uоп. и коэффициента деления делителя.

      Uстаб. = Uоп * (Rдв + Rдн) / Rдн

      Усилитель ошибки сравнивает два напряжения Uоп. и Uдел., его главная задача поддерживать Uош. близким к нулю, а следовательно следить за тем, чтобы Uстаб. оставалось неизменным.

      Допустим мы имеем почти идеальный Уош., способный удерживать Uош. в десятки тысяч раз меньшим чем Uоп. (такие дифференциальные каскады сейчас существуют)

      В этом случае мы можем пренебречь влиянием элементов схемы Уош. на величину Uстаб. и главным виновником в нестабильности выходного напряжения при изменении Uпит. будет ИОН.

      

      Простейший источник опорного напряжения выглядит так:

Рис. 11 Простой источник опорного напряжения.

      Допустим, в процессе эксплуатации, Uпит. может изменяться от 18 до 36 Вольт.

      Мы располагаем всё тем же стабилитроном 2С139А (учтите, буквы русские).

      Первое что нужно сделать это рассчитать Rбал. Оно рассчитывается исходя из минимальной величины Uпит, при этом следует задаться минимальным током стабилитрона Iстаб. min.

      Из справочных данных следует что рабочий диапазон токов стабилитрона лежит в пределах 3 — 70 mA. Номинальный ток — 10 mA. Подбираться слишком близко к нижнему пределу не стоит, так как при этом слишком сильно возрастает Rст. Определимся с минимальным током стабилитрона равным 7mA.

      Тогда:

      Rбал. = (Uпит. min — Uстаб.) / Iстаб. min = (18 — 3.9) / 7 = 2.014 кОм.

      Ближайшее значение 2 кОм.

      При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,53 В.

      Разделив дельту на номинальное напряжение стабилитрона, определим величину нестабильности напряжения такого ИОН:

      0,53 / 3,9 = 0,135

      Т.е. нестабильность ИОН будет равна 13,5%.Понятно, что напряжение на выходе стабилизатора напряжения будет изменяться по такому же закону. И его нестабильность так же составит 13,5%.

      Посмотрим на сколько при таком изменении напряжения питания изменится ток протекающий через стабилитрон.

      Изменение тока протекающего через стабилитрон можно вычислить по следующей формуле:

      дельта Iстаб. = (Uпит. max — Uпит. min) / Rбал. = (36 — 18) / 2000 = 9 mA.

      Изменение тока составило 129% так как:

      дельта Iстаб. / Iстаб. min = 9 / 7 = 1,29

      Но нестабильность по напряжению в 13,5% нас не устраивает. Что делать?

      Вот здесь нам и придёт на помощь его величество Генератор Тока.

      Давайте запитаем стабилитрон, с которого будем снимать опорное напряжение, через это самое величество:

Рис. 12 Схема ИОН с повышенной стабильностью Uоп.

      Допустим VD1 иVD2 будут всё те же 2С139А. В этом случае Rбал. так же будет равно 2 кОм.

      Зададимся током через VD2. По справочнику номинальный ток этого стабилитрона 10 mA. Не мудрствуя лукаво примем это за истину.

      Вычислим величину Rэ.

      Rэ = (UVD1 — Uбэ.) / IVD2 = (3.9 — 0.65) / 10 = 0.325 кОм.

      Принимаем ближайшее значение 330 Ом.

      Изменение тока протекающего через Rэ, а значит и через VD2 при изменении Uпит. на 18 Вольт будет таким же как и изменение напряжения на VD1 рассчитанное ранее, т.е. 13,5%.

      Абсолютная величина изменения тока VD2 составит: 10mA * 13.5% = 1,35mA, в отличии от 9 mA в VD1. Это приведёт к изменению напряжения на стабилитроне VD2 на 0,081V. Нестабильность опорного напряжения снизится до 2,1%.

      Вместо 13,5% на VD1!

      И это притом, что я выбрал довольно паршивый стабилитрон. Хотите получить меньшую нестабильность выбирайте стабилитрон с меньшим Rст.

      

      Ну вот, с одной областью применения генераторов тока кажется разобрались.

      Что же ещё? Где ещё нам может понадобиться источник стабильного тока?

      Да там где используются резистивные датчики.

      Фоторезисторы, термосопротивления, резистивные тензодатчики и т.д. и т.п.

Рис. 13 Один из вариантов подключения датчиков к генератору тока.

      Сопротивление таких датчиков является функцией какого либо внешнего параметра — температуры, освещённости, давления. Обозначим зависимость Rдат. от величины параметра (P) как f(P).

      Как правило, сопротивление связано с измеряемым параметром определённой математической формулой. Ток протекающий через датчик в случае использования идеального источника тока не зависит от Uпит.

      Падение напряжения на Rдат будет определяться по формуле:

       Uдат. = Iист. * f(P).

      Так как Iист. = const, то Uдат. будет изменяться по тому же закону что и Rдат. Вот здесь нам и пригодилось то, что напряжение на выходе генератора тока «привязано» к Rнагр.

      А дальше всё просто: берём контроллер на основе микропроцессора, закладываем в него софт состоящий из многих программ предназначенных для расчёта различных f(P), программу опроса множества датчиков, величины критических значений измеряемых параметров и подключаем всё это к центральному компьютеру межзвёздного корабля.

      Теперь дежурная вахта в любой момент может получить информацию о величине температуры, освещения и давления в сотнях, а может и тысячах отсеках корабля, и даже о том, с каким ускорением летит корабль.

      Лифт сможет сообщить о том, каков вес груза находящегося в кабине.

      Вот кажется и всё то основное, что я хотел рассказать о генераторе тока.

      Теперь вернёмся к началу статьи. В чём всё-таки сходства и различия генераторов (стабилизаторов, источников) тока от устройств поддерживающих на своём выходе стабильное напряжение (стабилизаторов напряжения)?

      Составим таблицу сравнительных характеристик.

      Отсюда видно, что генератор тока и стабилизатор напряжения представляют собой зеркальное отражение друг друга.

      Я описал лишь некоторые области применения источников тока. На самом деле их намного больше.

      Дерзайте.

      Если вы заметили в статье я постоянно «путал» названия: генератор, источник, стабилизатор.

      Это сделано специально. Т.к. в различной литературе по электронике и электротехнике вы можете столкнуться с любым из них.

      

       И ещё.

      Часто производители в описании своей продукции делают большую ошибку.

      Вот пример:

      

       С сайта «FG Wilson (Engineering) Ltd» :

      

       Схема стабилизатора напряжения R438 обеспечивает управление по замкнутому циклу для выходного напряжения генератора переменного тока регулированием тока поля возбудителя. R438 может получать питание от поля системы с бесщеточным самовозбуждением или ПМГ и, как вариант, устанавливается на следующих генераторах переменного тока:

      Генераторы переменного тока серии 1000*

      Генераторы переменного тока серии 2000

      Генераторы переменного тока серии 3000

      

      В стабилизаторе напряжения R438 предусмотрена возможность проведения следующих регулировок (перед проведением регулировок необходимо внимательно ознакомиться с руководством по установке и техническому обслуживанию генератора переменного тока)

      

      Я не буду воспроизводить всю статью, но и из этой выдержки видно, что для того, кто писал описание этого устройства нет разницы между генератором напряжения и генератором тока.

       На самом деле это совершенно разные устройства.

      Если мы говорим о генераторе тока, то это означает, что нормирован ток.

      Если мы говорим о генераторе напряжения, то это означает, что нормировано напряжение.

      Дополнительно о стабилизаторах тока и напряжения читайте в статье «Стабилизатор тока и стабилизатор напряжения» этого раздела.

b-valery.ru

Идеальный источник напряжения — это… Что такое Идеальный источник напряжения?



Идеальный источник напряжения

Рисунок 1 — Обозначение источника ЭДС схемах

Источник ЭДС (точнее, идеальный источник ЭДС) — источник питания, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, либо как внешнее управляющее воздействие.

В простейшем случае напряжение определено как константа, то есть напряжение источника ЭДС постоянно.

Реальные источники ЭДС

Рисунок 2

Рисунок 3 — Нагрузочная характеристика

Идеальный источник ЭДС является физической абстракцией, то есть подобное устройство не может существовать. Если допустить существование такого устройства, то ток I, протекающий через него, стремился бы к бесконечности при подключении нагрузки, сопротивление R_H которой стремится к нулю. Но при этом получается, что мощность источника ЭДС также стремится к бесконечности, так как P = EI. Но это не возможно, по той причине, что мощность любого источника энергии конечна.

В реальности, любой источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением r, которое имеет обратную зависимость от мощности источника. То есть, чем больше мощность, тем меньше сопротивление. И наоборот. Наличие внутренненого сопротивления отличает реальный источник ЭДС от идеального. Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника энергии. Эквивалентная схема реального источника ЭДС представляет собой последовательное подключение идеального источника ЭДС Е и внутреннего сопротивления r.

На рисунке 3 приведены нагрузочные характеристики идеального (синяя линия) и реального (красная линия) источников ЭДС.

где

— падение напряжения на внутреннем сопротивлении;

U = IR_H — падение напряжения на нагрузке.

При коротком замыкании (R_H = 0) , т.е. вся мощность источника энергии рассеивается на его внутреннем сопротивлении. В этом случае ток I_КЗ будет максимальным для данного источника ЭДС. Зная ток короткого замыкания, можно вычислить внутреннее сопротивление:

См. также

Литература

• Электротехника: Учеб. для вузов/А. С. Касаткин, М. В. Немцов.— 7-е изд., стер.— М.: Высш. шк., 2003.— 542 с.: ил. ISBN 5-06-003595-6
• Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3

Wikimedia Foundation. 2010.

• Идеальный Мужчина (Фильм)
• Идеальный мат

Смотреть что такое «Идеальный источник напряжения» в других словарях:

• идеальный источник напряжения — Источник электрической энергии, электрическое напряжение на выводах которого не зависит от электрического тока в нем. [ГОСТ Р 52002 2003] Тематики источники и системы электропитанияэлектротехника, основные понятия Синонимы идеальный источник… …   Справочник технического переводчика

• идеальный источник тока — Источник электрической энергии, электрический ток которого не зависит от напряжения на его выводах. [ГОСТ Р 52002 2003] Тематики источники и системы электропитанияэлектротехника, основные понятия Синонимы идеальный источник электрического тока …   Справочник технического переводчика

• Источник напряжения — Рисунок 1 Обозначение источника ЭДС схемах Источник ЭДС (точнее, идеальный источник ЭДС) источник питания, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, либо как… …   Википедия

• идеальный источник (электрического) напряжения — 123 идеальный источник (электрического) напряжения Источник электрической энергии, электрическое напряжение на выводах которого не зависит от электрического тока в нем Источник: ГОСТ Р 52002 2003: Электротехника. Термины и определения основных… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• идеальный источник (электрического) тока — 125 идеальный источник (электрического) тока Источник электрической энергии, электрический ток которого не зависит от напряжения на его выводах Источник: ГОСТ Р 52002 2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий оригинал докуме …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Идеальный источник (электрического) напряжения — 1. Источник электрической энергии, электрическое напряжение на выводах которого не зависит от электрического тока в нем Употребляется в документе: ГОСТ Р 52002 2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий …   Телекоммуникационный словарь

• Идеальный источник (электрического) тока — 1. Источник электрической энергии, электрический ток которого не зависит от напряжения на его выводах Употребляется в документе: ГОСТ Р 52002 2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий …   Телекоммуникационный словарь

• Источник ЭДС — Рисунок 1  Обозначение на схемах источника ЭДС (слева) и реального источника напряжения (справа) Источник ЭДС (идеальный источник напряжения)  двухполюсник, нап …   Википедия

• Источник опорного напряжения — Источник, или генератор, опорного напряжения (ИОН)  базовый электронный узел, поддерживающий на своём выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение. ИОН применяются для задания величины выходного напряжения стабилизированных… …   Википедия

• Источник электрического напряжения идеальный — источник электрической энергии, электрическое напряжение на выводах которого не зависит от электрического тока в нем… Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА . ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ. ГОСТ Р 52002 2003 (утв. Постановлением Госстандарта РФ от… …   Официальная терминология

dic.academic.ru

Закон Ома для полной цепи

Если закон Ома для участка цепи знают почти все, то  закон Ома для полной цепи вызывает затруднения у школьников и студентов. Оказывается, все до боли просто!

Идеальный источник ЭДС

Имеем источник ЭДС

Давайте вспомним, что такое ЭДС. ЭДС – это что-то такое, что создает электрический ток. Если к такому источнику напряжения подцепить любую нагрузку (хоть миллиард галогенных ламп, включенных параллельно), то он все равно будет выдавать такое же напряжение, какое-бы он выдавал, если бы мы вообще не цепляли никакую нагрузку.

Или проще:

Короче говоря, какая бы сила тока не проходила через цепь резистора, напряжение на концах источника ЭДС будет всегда одно и тоже. Такой источник ЭДС называют идеальным источником ЭДС.

Но как вы знаете, в нашем мире нет ничего идеального. То есть если бы в нашем аккумуляторе был идеальный источник ЭДС, тогда бы напряжение на клеммах аккумулятора никогда бы не проседало. Но оно проседает и тем больше, чем больше силы тока потребляет нагрузка. Что-то здесь не так. Но почему так происходит?

Внутреннее сопротивление источника ЭДС

Дело все в том, что в аккумуляторе “спрятано” сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС аккумулятора. Называется оно внутренним сопротивлением или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буковкой “r “.

Выглядит все это в аккумуляторе примерно вот так:

Цепляем лампочку

Итак, что у нас получается в чистом виде?

Лампочка – это нагрузка, которая обладает сопротивлением. Значит, еще больше упрощаем схему и получаем:

Имеем идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление r и сопротивление нагрузки R. Вспоминаем статью  делитель напряжения. Там говорится, что напряжение источника ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

На резисторе R падает напряжение U_R , а на внутреннем резисторе r падает напряжение U_r .

Теперь вспоминаем статью делитель тока. Сила тока, протекающая  через последовательно соединенные сопротивления везде одинакова.

Вспоминаем алгебру за 5-ый класс и записываем все то, о чем мы с вами сейчас говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что

Далее

Закон Ома для полной цепи

Итак, последнее выражение носит название “закон Ома для полной цепи”

где

Е – ЭДС источника питания, В

R – сопротивление всех внешних элементов в цепи, Ом

I – сила ток в цепи, А

r – внутреннее сопротивление источника питания, Ом

Просадка напряжения

Итак, знакомьтесь, автомобильный аккумулятор!

Для дальнейшего его использования, припаяем к нему два провода: красный на плюс, черный на минус

Наш подопечный готов к бою.

Теперь берем автомобильную лампочку-галогенку и тоже припаяем к ней два проводка с крокодилами. Я припаялся к клеммам на “ближний” свет.

Первым делом давайте замеряем напряжение на клеммах аккумулятора

12,09 вольт. Вполне нормально, так как наш аккумулятор выдает именно 12 вольт. Забегу чуток вперед и скажу, что сейчас мы замерили именно ЭДС.

Подключаем  галогенную лампу к аккумулятору и снова замеряем напряжение:

Видели да? Напряжение на клеммах аккумулятора просело до 11,79 Вольт!

А давайте замеряем, сколько потребляет тока наша лампа в Амперах. Для этого составляем вот такую схемку:

Желтый мультиметр у нас будет замерять напряжение, а красный мультиметр – силу тока. Как замерять с помощью мультиметра силу тока и напряжение, можно прочитать в этой статье.

Смотрим на показания приборов:

Как мы видим, наша лампа потребляет 4,35 Ампер. Напряжение просело до 11,79 Вольт.

Давайте вместо галогенной лампы поставим простую лампочку накаливания на 12 Вольт от мотоцикла

Смотрим показания:

Лампочка потребляет силу тока в 0,69 Ампер. Напряжение просело до 12 Вольт ровно.

Какие выводы можно сделать? Чем больше нагрузка потребляет силу тока, тем больше просаживается напряжение на аккумуляторе.

Как найти внутреннее сопротивление источника ЭДС

Давайте снова вернемся к этой фотографии

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U_r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае ЭДС=12,09 Вольт.

Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем сопротивлении и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение U_R=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем сопротивлении падение напряжения составило U_r=E-U_R=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r

Резюме

Внутреннее сопротивление бывает не только у различных химических источников напряжения. Внутренним сопротивлением также обладают и различные измерительные приборы. Это в основном вольтметры и осциллографы.

Дело все в том, что если подключить нагрузку R, сопротивление у которой будет меньше или даже равно r, то у нас очень сильно просядет напряжение. Это можно увидеть, если замкнуть клеммы аккумулятора толстым медным проводом и замерять в это время напряжение на клеммах. Но я не рекомендую этого делать ни в коем случае! Поэтому, чем высокоомнее нагрузка (ну то есть чем выше сопротивление нагрузки R ), тем меньшее влияние оказывает эта нагрузка на источник электрической энергии.

Вольтметр и осциллограф при замере напряжения тоже чуть-чуть просаживают напряжение замеряемого источника напряжения, потому как являются нагрузкой с большим сопротивлением. Именно поэтому самый точный вольтметр и осциллограф имеют ну очень большое сопротивление между своими щупами.

www.ruselectronic.com