Источник электродвижущей силы – источник электромагнитной энергии, характеризующихся электродвижущей силой и внутренним электрическим сопротивлением.
Часть схемы, обведенная на рис. 12 пунктиром, является источником ЭДС.
Направление деяния ЭДС указывается от отрицательного зажима к положительному. Если к зажимам источника ЭДС присоединить приемник (нагрузить источник), то в цепи появляется ток. При всем этом напряжение (разность потенциалов) на зажимах 1 и 2 уже не будет равно ЭДС вследствие падения напряжения Uвн снутри источника энергии, т.е. на его внутреннем сопротивлении rвн:
Рис. 12 Источник ЭДС и его ВАХ
Зависимость напряжения источника от отдаваемого им тока именуется наружной чертой источника либо вольтамперной чертой элемента (рис.12).
Если и напряжение на зажимах источника, ЭДС убывает по линейному закону.
Кстати, направление деяния напряжения принято обозначать от точки с огромным потенциалом к точке с наименьшим потенциалом.
Источник ЭДС, внутреннее сопротивление которого равно нулю именуют безупречным источником ЭДС. Вольтамперная черта безупречного источника ЭДС проходит параллельно оси абсцисс.
Представленная на рис. 12 схема именуется схемой замещения источника ЭДС.
Источник тока.
Источник тока – источник электромагнитной энергии, характеризующийся током в нем и внутренней проводимостью. На рис. 13 показана схема замещения источника тока.
Рис 13 Источник тока и его ВАХ
Напряжение на зажимах источника тока с учетом того, что , а , равно:
При постоянных параметрах источника тока ( , ) его ВАХ выражается прямой линией (рис. 13).
В режиме недлинного замыкания (R=0) весь генерируемый ток проходит через цепь нагрузки, т.е.
В режиме холостого хода (R=¥) ток источника проходит через . При всем этом напряжение холостого хода равно:
Так как — мала, то , что является небезопасным, аварийным.
Чем меньше , тем больше , тем больше угол наклона ВАХ. Когда =0, ВАХ – вертикальная ровная. Таковой источник тока, внутренняя проводимость которого равна нулю, именуется безупречным источником тока.
Для безупречного источника тока ток нагрузки постоянен, а напряжение на нагрузке равно и может быть сколь угодно огромным. В связи с этим, безупречный источник тока является источником нескончаемо большой мощности.
Источник ЭДС целенаправлено подменять эквивалентным источником тока в этом случае, если сопротивление нагрузки в цепи (усилитель электронный).
1.6. Главные режимы работы электрической цепи
При рассмотрении главных режимов работыэлектрической цепи используем её ВАХ.
Источники электроэнергии неизменного тока характеризуются э.д.с. Е и внутренним сопротивлением rвн, а приемники – величиной их сопротивления. Для получения ВАХ электрической цепи воспользуемся законом Ома для полной цепи, изображенной на рис. 14
Данное выражение определяет зависимость напряжением на зажимах источника э.д.с. и током нагрузки. При неизменных параметрах Е и rвн вольтамперная черта представляет собой прямую линию проходящую через точки Е и Iкз (рис. 14.). Таковой источник э.д.с. именуется линейным.
Рис.14 Источник ЭДС и его ВАХ
Разглядим разные режимы работы источника электроэнергии.
Режим холостого хода (х.х.) – таковой режим, при котором потребитель отключен от источника. Потому наружное сопротивление цепи нескончаемо велико ( ), а величина тока в цепи равна нулю (I=0), падение напряжения снутри источника так же будет равно нулю ( ). Напряжение на зажимах источника U будет равно э.д.с. Е.
Вывод: дабы измерить э.д.с. источника, нужно провести режим холостого хода (оборвать внешнюю цепь), тогда вольтметр, присоединенный к зажимам источника покажет э.д.с. источника.
Режим недлинного замыкания (к.з.) – таковой режим, при котором зажимы источника соединены проводником с очень малым сопротивлением, величиной которого можно пренебречь. При всем этом сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника, а ток в цепи будет большим .
Напряжение на зажимах источника при маленьком замыкании
Вывод: в режиме недлинного замыкания ток в цепи больший, а напряжение на зажимах равно нулю.
Режим недлинного замыкания небезопасен для большинства источников, так как при всем этом происходит перегрев источника, что может вывести его из строя.
Нагрузочный режим
Зависимость напряжения на зажимах источника от тока нагрузки выражается формулой , где Е и rвн – величины неизменные.
Графически (рис. 12) эта зависимость представляет собой наклонную прямую линию. Отрезок ОЕ, который отсекает данная ровная на вертикальной оси, соответствует точке I=0 (х.х.). При всем этом, как было показано выше Uхх=Е.
По мере роста тока падение напряжения снутри источника (Irвн) возрастает, а напряжение на зажимах миниатюризируется. В точке Iкз напряжение на зажимах источника равно нулю (U=0). Эта точка соответствует режиму недлинного замыкания.
Пользуясь данным графиком, можно для любого значения тока нагрузки найти соответственное значение напряжения на зажимах источника.
ИСТОЧНИК ЭДС И ИСТОЧНИК ТОКА
В теории электрических цепей пользуются идеализированными источниками электроэнергии: источником ЭДС и источником тока. Им приписываются следующие характеристики.
Источник ЭДС (либо безупречный источник напряжения) представляет собой активный элемент с 2-мя зажимами, напряжение на которых не находится в зависимости от тока, проходящего через источник.
Подразумевается, что снутри такового безупречного источника пассивные элементы (R, L, С) отсутствуют, и потому прохождение через него тока не вызывает в нем падения напряжения.
Упорядоченное перемещение положительных зарядов в источнике от наименьшего потенциала к большему может быть за счет присущих источнику посторониих сил. Величина работы, затрачиваемой посторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от зажима «-» к зажиму «+», именуется электродвижущей силой (ЭДС) источника и обозначается е(t).
В согласовании со произнесенным выше напряжение на зажимах рассматриваемого источника равно его ЭДС, т. е. u(t) = е(t).
Условные обозначения безупречного источника напряжения приведены на рисунке 1.12, а и б. Тут стрелкой либо знаками «+» и «-» обозначено положительное направление ЭДС, либо полярность источника, т.е. направление возрастания потенциала в источнике для тех моментов времени, в которые функция е(t) положительна.
Величина тока в пассивной электрической цепи, присоединенной к источнику напряжения, находится в зависимости от характеристик этой цепи и ЭДС е(t). Если зажимы безупречного источника напряжения замкнуть накоротко, то ток на теоретическом уровне должен быть нескончаемо велик. Потому таковой источник рассматривают как источник нескончаемой мощности (теоретическое понятие). В реальности при замыкании зажимов реального источника электроэнергии — гальванического элемента, аккума, генератора и т.д. — ток может иметь только конечное значение, так как ЭДС источника уравновешивается падением напряжения от тока снутри источника (к примеру, в сопротивлении R, индуктивности L).
Источник напряжения конечной мощности изображается в виде источника ЭДС с присоединенным к нему последовательно пассивным элементом, который охарактеризовывает внутренние характеристики источника и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю электрическую цепь (набросок 1.12, в). Обычно внутренние характеристики источника конечной мощности малозначительны по сопоставлению с параметрами наружной цепи; они могут быть отнесены к последней либо в некоторых случаях могут совсем не учитываться (зависимо от соотношения величин и требуемой точности расчета).
Безупречный источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не находится в зависимости от напряжения на его зажимах. Подразумевается, что внутреннее сопротивление безупречного источника тока нескончаемо велико, и потому характеристики наружной электрической цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника, не оказывают влияние на ток источника.
Условные обозначения безупречного источника тока приведены на рисунке 1.13, а и б. Стрелка в источнике тока либо знаки «+» и «-» указывают положительное направление тока i(t) либо полярность источника, т.е. направление перемещения положительных зарядов, либо, что то же, направление, обратное направлению движения отрицательных зарядов, для тех моментов времени, когда функция i(t) положительна.
По мере неограниченного роста сопротивления наружной электрической цепи, присоединенной к безупречному источнику тока, напряжение на его зажимах и соответственно мощность, развиваемая им, неограниченно растут. Потому безупречный источник тока, так же как и безупречный источник напряжения, рассматривается как источник нескончаемой мощности.
Источник тока конечной мощности изображается в виде безупречного источника тока с присоединенным к его зажимам пассивным элементом, который охарактеризовывает внутренние характеристики источника и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю электрическую цепь (набросок 1.13, в).
Представляя собой теоретическое понятие, источник тока применяется в ряде всевозможных случаев для расчета электрических цепей.
Некоторым подобием источника тока может служить устройство, состоящее из аккума, соединенного последовательно с дополнительным огромным сопротивлением. Другим примером источника тока может являться транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. Имея внутреннее сопротивление, несравненно большее, чем сопротивление наружной электрической цепи, эти устройства отдают ток, практически не зависящий от конфигурации наружной нагрузки в широких границах, и конкретно тут они подобны источнику тока.
Вольт-амперные свойства безупречных источников напряжения и тока представляются прямыми, параллельными осям i и u (набросок 1.14, а). Реальные источники электроэнергии по своим вольтамперным чертам могут приближаться к безупречным источникам напряжения либо тока. Так, к примеру, в значимой части свойства u = f(i) напряжение на зажимах генератора неизменного тока с независящим возбуждением (обмотка возбуждения питается от стороннего источника), также ток i генератора неизменного тока с последовательным возбуждением (обмотка возбуждения соединена последовательно с цепью якоря) меняются некординально. На рисунке 1.14, б соответственная часть свойства показана сплошной линией.
ЗАКОНЫ КИРХГОФА
Основными законами теории цепей, вместе с законом Ома, являются законы баланса токов в разветвлениях (1-ый закон Кирхгофа) и баланса напряжений на замкнутых участках цепи (2-ой закон Кирхгофа).
Рассредотачивание токов и напряжений в электрических цепях подчиняется законам Кирхгофа, которые должны быть основательно усвоены для ясного осознания всех последующих разделов курса.
1-ый закон Кирхгофа.
Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю
Суммирование распространяется на токи в ветвях, сходящихся в рассматриваемом узле. При всем этом знаки токов берутся с учетом избранных положительных направлений токов: всем токам, направленным от узла, в уравнении (1.11) приписывается однообразный символ, к примеру положительный, и соответственно все токи, направленные к узлу, входят в уравнение (1.11) с обратным знаком. По другому говоря, всякий ток, направленный от узла, может рассматриваться как ток, направленный к узлу, но имеющий обратный символ.
На рисунке 1.23, а в качестве примера показан узел, в каком сходятся четыре ветки. Уравнение (1.11) имеет в данном случае вид
1-ый закон Кирхгофа выражает тот факт, что в узле электрический заряд не скапливается и не расходуется. Сумма электрических зарядов, приходящих к узлу, равна сумме зарядов, уходящих от узла за один и тот же промежуток времени.
1-ый закон Кирхгофа применим не только лишь к узлу, но и к хоть какому контуру либо замкнутой поверхности, обхватывающей часть электрической цепи, так как ни в одном элементе цепи, ни в одном режиме электричество 1-го знака не может скапливаться.
Так, к примеру, для схемы на рисунке 1.23, б имеем:
2-ой закон Кирхгофа.
Алгебраическая сумма ЭДС в любом контуре цепи равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура
Обход контура совершается в произвольно избранном направлении, к примеру по ходу часовой стрелки. При всем этом соблюдается следующее правило символов для ЭДС и падений напряжения, входящих в (1.12): ЭДС и падения напряжения, совпадающие по направлению с направлением обхода, берутся с одинаковыми знаками.
К примеру, для схемы на рисунке 1.24 имеем
Уравнение (1.12) можно переписать так
Тут (u – e) — напряжение на ветки.
Поэтому, алгебраическая сумма напряжений на ветвях в любом замкнутом контуре равна нулю.
Формулы (1.11) и (1.12) написаны в общем виде для моментальных значений токов, напряжений и ЭДС; они справедливы для цепей как переменного, так и неизменного тока.
График конфигурации потенциала, рассмотренный в прошлом параграфе служит графической иллюстрации второго закона Кирхгофа
9 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ Однофазового СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Электромагнитный процесс в электрической цепи, при котором секундные значения напряжений и токов повторяются через равные промежутки времени, именуется повторяющимся. Меньший промежуток времени, по истечении которого наблюдаются повторения моментальных значений повторяющихся величин, именуется периодом. Если величину, являющуюся повторяющейся функцией времени t,обозначить через F(t), то для любого положительного либо отрицательного значения аргумента t справедливо равенство
F(t ± T) = F(t),
где Т — период.
Геометрически это означает, что ординаты 2-ух случайных точек графика F(t) с абсциссами, отличающимися на Т, одинаковы.
Величина, оборотная периоду, т.е. число периодов в единицу времени, именуется частотой: f = 1/T.
Частота имеет размерность 1/с, а единицей измерения частоты служит Герц (Гц);частота равна 1 Гц, если период равен 1 с.
Преобладающим видом повторяющегося процесса в электрических цепях является синусоидальный режим, характеризующийся тем, что все напряжения и токи являются синусоидальными функциями одинаковой частоты. Это может быть только при данных синусоидальных ЭДС и токах источников. Тем обеспечивается более прибыльный эксплуатационный режим работы электрических установок.
Как понятно из курса математического анализа, синусоида является простейшей повторяющейся функцией; всякие другие несинусоидальные повторяющиеся функции могут быть разложены в нескончаемый ряд синусоид, имеющих кратные частоты. Потому для исследования процессов в цепях переменного тока прежде всего нужно изучить особенности цепей синусоидального тока. Так как косинусоида может рассматриваться как сдвинутая синусоида, то условимся к синусоидальным функциям приравнивать и косинусоидальные. Колебания, выражаемые этими функциями, будем именовать гармоническими.
На рисунке 2.1 изображены функции
Тут Um — наибольшее значение функции либо амплитуда;
ω — скорость конфигурации аргумента (угла), именуемая угловой частотой; она равна произведению частоты на 2p:
ω = 2pf, рад/сек; (2.3)
y — исходная фаза, определяемая величиной смещения гармонической функции относительно начала координат; при записи (2.1) она измеряется абсциссой положительного максимума, а при записи (2.2) — абсциссой точки перехода отрицательной полуволны в положительную.
Исходная фаза y представляет собой алгебраическую величину. На рисунке 2.1, а и г угол y отрицателен.Нарисунке 2.1, б и в угол yположителен. В предстоящем будем воспользоваться в большей степени записью (2.1).
За аргумент функций (2.1) и (2.2) может быть принято время t либо соответственно угол t > t. Аргументу t соответствует период Т, а аргументу ωt — период ωТ = 2p.Следует подразумевать, что аргумент ωt измеряется в радианах, при этом в тех же единицах измеряется и исходная фаза.
Если угол y рассчитывается в градусах, то аргумент ωt также переводится в градусы. Напомним, что 1 рад = 57,3°. в данном случае период составляет 360°.
Величина ωt + y, определяющая стадию конфигурации функций (2.1) и (2.2), именуется фазовым углом либо фазой. Со временем фаза растет, при этом после роста фазы на 2p цикл конфигурации синусоидальной величины повторяется.
Рассмотренные в данном параграфе понятия, характеризующие гармонические колебания, являются начальными при исследовании электрических процессов в цепях переменного тока.
Источник Э.Д.С. и источник тока
Источник ЭДС (безупречный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого повсевременно (не находится в зависимости от тока в цепи). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, или как наружное управляющее воздействие.
В простом случае напряжение определено как константа, другими словами напряжение источника ЭДС повсевременно.
Реальные источники напряжения
Набросок 3 — Нагрузочная черта
Безупречный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, другими словами схожее устройство не может существовать. Если допустить существование такового устройства, то электрический ток I, протекающий через него, стремился бы к бесконечности при подключении нагрузки,сопротивление RH которой стремится к нулю. Но при всем этом выходит, что мощность источника ЭДС также стремится к бесконечности, так как . Но это нереально, по той причине, что мощность любого источника энергии конечна.
В действительности, хоть какой источник напряжения обладает внутренним сопротивлением r, которое имеет оборотную зависимость от мощности источника. Другими словами, чем больше мощность, тем меньше сопротивление (при данном постоянном напряжении источника) и напротив. Наличие внутреннего сопротивления отличает реальный источник напряжения от безупречного. Необходимо подчеркнуть, что внутреннее сопротивление — это только конструктивное свойство источника энергии. Эквивалентная схема реального источника напряжения представляет собой последовательное включение источника ЭДС — Е(безупречного источника напряжения) и внутреннего сопротивления — r.
На рисунке 3 приведены нагрузочные свойства безупречного источника напряжения (источника ЭДС) (голубая линия) и реального источника напряжения (красноватая линия).
— падение напряжения на внутреннем сопротивлении;
— падение напряжения на нагрузке.
При маленьком замыкании () , другими словами вся мощность источника энергии рассеивается на его внутреннем сопротивлении. В данном случае ток будет наибольшим для данного источника ЭДС. Зная напряжение холостого хода и ток недлинного замыкания, можно вычислить внутреннее сопротивление источника напряжения:
Источник тока.
Набросок 1 — схема с условным обозначением источника тока [1]
Набросок 2.1 — Обозначение на схемах источника тока
Набросок 3 — Генератор тока типа токовое зеркало, собранный на биполярных транзисторах
Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» нередко неточно именуют хоть какой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно применяемые в быту источники напряжения по своим чертам еще поближе кисточнику ЭДС, чем к источнику тока.
На рисунке 1 представлена схема замещения биполярного транзистора, содержащая источник тока (с указанием S·Uбэ; стрелка в кружке показывает положительное направление тока источника тока), генерирующий ток S·Uбэ, т. е. ток, зависящий от напряжения на другом участке схемы.
Безупречный источник тока
Напряжение на клеммах безупречного источника тока зависит только от сопротивления наружной цепи:
Мощность, отдаваемая источником тока в сеть, равна:
Так как для источника тока , напряжение и мощность, выделяемая им, неограниченно вырастают 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 заключается в том, что чем больше внутреннее сопротивление, тем поближе источник тока к безупречному (источник ЭДС, напротив, чем поближе к безупречному, 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:
Примеры
Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от наружного источника, в течение некоторого времени () после отключения источника. Этим разъясняется искрение контактов при резвом выключении индуктивной нагрузки: рвение к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (возникновение зазора) ведёт кпробою зазора .
Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в сильную линию переменного тока, может рассматриваться как практически безупречный источник тока, только не неизменного, а переменного. Потому размыкание вторичной цепи трансформатора тока неприемлимо; заместо этого по мере надобности перекоммутации в цепи вторичной обмотки без отключения полосы эту обмотку за ранее шунтируют.
Использование
Реальные генераторы тока имеют разные ограничения (к примеру по напряжению на его выходе), также нелинейные зависимости от наружных критерий. К примеру, реальные генераторы тока делают электрический ток исключительно в некотором спектре напряжений, верхний порог которого находится в зависимости от напряжения питания источника. Таким макаром, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.
Источники тока обширно применяются в аналоговой схемотехнике, к примеру, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частностиоперационных усилителей.
Концепция генератора тока применяется для представления реальных электронных компонент в виде эквивалентных схем. Для описания активных частей для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:
