Розділи
- Лінійні електронні елементи
- Відділ
- Ідеальна і справжня лін. ресурсів
- Резистори
- Конденсатори
- Котушки
- Трансформатори
- література
- тест
- Діоди
- Робота студентів
- Електротехнічні вимірювання
Ти тут
2. Ідеальна і справжня лін. ресурсів
Багато сформувати, трохи витратити
Ovudovít Štúr & comp.
Багато хто шукає сенс життя із прихованим страхом, що він може бути на роботі
З письмового ювелірного магазину: Активні компоненти протилежні пасивним,
тобто якщо вони активні, вони насправді пасивні.
Сугестивне завдання: Придбайте блок живлення з будь-якою напругою. Помножте значення напруги на два, додайте до результату 4 В, розділіть на два і відніміть від результату вихідне значення напруги живлення. Ви отримали напругу 2 В, правда?
Але навіщо купувати таке джерело, яке ви хочете подавати з такою напругою?
Новий, брутально простий і логічний принцип джерела, без потреби в енергопостачанні виявив!
Електричне джерело - це пристрій, здатний постійно подавати електричну енергію до вантажу (приладу). За своєю природою прилад змінює його на: тепло, світло, механічну роботу. Джерела також постачають електронні пристрої, де напруга живлення необхідна для виконання електронних та ІТ-функцій. Ми розрізняємо джерела постійної та змінної напруги, лінійні та нелінійні (з нелінійним внутрішнім опором), напруги та струму, керовані та неконтрольовані.
Приклади ресурсів під фізичний принцип функції та побудови: електрохімічні елементи, батареї та акумулятори; динамо, генератори змінні - генератори змінні; нетрадиційні джерела малих енергій: фотоелемент, термоелемент, комірка Холла, піезоелемент. Ці джерела є перетворювачами певної форми енергії в електричну. Для живлення електронних пристроїв в основному використовуються джерела живлення постійного струму, що живляться від розподільної мережі змінного струму - мережеві ресурси. Вони складають особливу групу джерела сигналу, в яких енергетична функція менш важлива, важливі параметри генерованих сигналів. Ми розглянемо теоретичні співвідношення та характеристики, що діють для моделей неконтрольованих джерел напруги та струму, незалежно від їх принципу та конструкції. Ключові терміни для джерел: внутрішня напруга відповідно струм, напруга на клем, внутрішній опір (імпеданс), джерело живлення, характеристика навантаження.
Характеристики навантаження джерела - це залежність напруги на клем від величини струму, що втягується. Це аналог пасивних елементів VACH. Джерела, що використовуються для створення напружень на вертикальній осі. Абстракція ідеального джерела без втрат корисна для проектування схеми. За допомогою ідеального джерела та резистора з втратою можна створити реальну модель джерела.
2.1 Ідеальне джерело напруги
Він характеризується величиною внутрішньої напруги Uv і має нульовий внутрішній опір. Його клемна напруга дорівнює внутрішній напрузі і не залежить від струму навантаження. Це джерело постійної напруги. Величина струму залежить від опору навантаження: I = Uv/Rz. Струм короткого замикання не визначений (Ik → ∞).
2.2 Ідеальне джерело живлення
Він характеризується величиною внутрішнього струму Iv і має нескінченний внутрішній опір. Струм, що подається на навантаження, дорівнює внутрішньому струму і не залежить від опору навантаження. При зміні навантаження змінюється напруга на клем джерела: U = Iv.Rz. Стан простою не визначений (U → ∞).
2.3 Реальне джерело напруги
Він характеризується внутрішньою напругою Uv і внутрішнім опором Rv. Він моделюється послідовним підключенням ідеального джерела напруги з напругою Uv та резистором втрат з опором Rv. Його клемна напруга U зі струмом навантаження зменшується через падіння напруги на внутрішньому опорі Rv .
Більш простий спосіб визначити U:
Уф . внутрішня напруга живлення (недоступна на клемах)
Rv . внутрішній опір
U . термінальна напруга джерела при певному струмі, доступна на клемах джерела
Ik . струм короткого замикання, Ik = Uv/Rv (з короткозамкненими клемами живлення)
Примітка: Внутрішній опір втрат Rv не є справжнім компонентом-резистором, це небажана властивість джерела. Наприклад це обумовлено електролітною стійкістю хімічної комірки, в електромережі це вихідний опір стабілізатора, у простому джерелі з випрямлячем - опір діода та обмотки трансформатора тощо.
Характеристики навантаження лінійного та нелінійного джерела напруги:
Нахил характерної лінії виражає величину значення внутрішнього опору Rv (це фактично інвертований резистор VACH Rv = Uv/Ik).
На практиці термін джерело жорсткої напруги означає джерело з низьким внутрішнім опором, м'яке джерело напруги має великий внутрішній опір. Внутрішній опір джерела неможливо визначити шляхом вимірювання струму короткого замикання, оскільки більшість джерел напруги не є захищеними від короткого замикання, він визначається шляхом вимірювання та використання співвідношення: Rv = ΔU/ΔI. (див. приклади)
2.4 Реальне джерело струму
Характеризується внутрішнім струмом Iv і кінцевим внутрішнім опором Rv, який в ланцюзі заміщення паралельно підключений до ідеального джерела струму.
Ів . внутрішній (недоступний) струм джерела
Rv . внутрішній опір джерела
Я . фактичний струм джерела на навантаження
U . кінцева напруга джерела та навантаження
Джерелом постійного струму є те, що має дуже високий внутрішній опір. Він утримує майже постійний струм в ланцюзі навіть при великій зміні опору навантаження.
Більшість електричного та електронного обладнання та схем вимагають напруги від джерела напруги для їх технологічної функції. Джерела струму використовуються виключно, наприклад, як частина деяких інтегральних схем, або деякі з'єднання з транзисторами мають властивість джерел струму.
Приклади джерел напруги напруги: блок живлення (розетка), динамо, акумулятор, блок живлення зі стабілізатором. Реалізація поточного джерела див. Приклад 2.8.7.
2.5 Приклади джерел низької напруги, струму та живлення
Кожне джерело електричної енергії є перетворювачем певної форми енергії в електричну. Тільки вже згадані мережеві джерела змінюють ел. енергія від мережі змінного струму до напруги постійного струму. За методикою ел. джерела напруги, які ми знаємо: працюють на основі електромагнітної індукції, електрохімічні елементи та малі батареї, термоелементи, фотоелементи, п'єзоелементи (блоки, кристали), комірки Холла з використанням магнітних полів та елементи, що використовують електростатичну індукцію. За винятком електрохімічних елементів, це в основному джерела з дуже високим внутрішнім опором, тобто вони мають характер джерела струму. Деякі з них не використовуються для живлення навантаження (приладу), але як джерела сигналу або як активні датчики в системах автоматизації та управління, деякі генерують змінну - змінну напругу. Ми коротко сформулюємо їх фізичний принцип функціонування та сферу застосування.
Індуктивний елементами, що працюють на основі електромагнітної індукції, є, наприклад: динамо, індуктивні датчики положення та швидкості, електромагнітні та магнітоелектричні акустичні перетворювачі. Примітка: динамо - це обертовий верстат, який має пульсуючу напругу постійного струму на затискачах, створених шляхом направлення наведеної змінної напруги механічним колектором.
Електрохімічні комірки перетворюють хімічну енергію електролітів та електродів в електричну енергію. Акумулятори дозволяють здійснювати різні процеси накопичення електроенергії. енергія у вигляді хімічної енергії - зарядка. Монопари та акумулятори в основному використовуються для живлення переносних електронних пристроїв, таких як: калькулятори, ел. годинники, плеєри, мобільні телефони та портативні вимірювальні прилади. Але вони також використовуються для живлення малопотужних лампочок. Фотоелементи (фотодіоди) перетворюють світлову енергію сонця або навіть штучні джерела світла у напругу. Вони використовуються як датчики - приймачі світла у фотоелементах, оптронах та оптичних з'єднаннях.
Фотоелектричні елементи (у великій кількості та з великою площею кріплення) поки що є єдиною альтернативою живленню обладнання космічних кораблів та супутникових передавачів (звичайно, вони використовуються опосередковано для зарядки електричних батарей).
П'єзоелектричні одиниці створити ел. напруження при механічних навантаженнях при згинанні, згинанні або крутному моменті. Вони використовуються як датчики тиску, як кришталеві мікрофони, а також як запалювачі (свічки запалювання).
Термопари вони використовують термоелектричне явище, коли нагрівання з'єднання двох різних металів призводить до теплового руху вільних електронів від кращого до гіршого провідника та генерації напруги. Вони в основному використовуються як датчики температури та лічильники, напр. для контролю горіння пальника газового котла.
Стаття залу створює ел. напруга, пропорційна величині індукції магнітного поля, в якому вона зберігається. Однак для цієї функції йому потрібен джерело живлення постійного струму. струм. Його енергетичний баланс є втратним, він використовується як датчик і вимірювач магнітного поля.
2.5.1 Еквівалентна заміна джерела напруги та струму
При вирішенні схем з кількома джерелами різних типів, як правило, необхідно використовувати джерела одного типу в межах якогось методу рішення. Отже, існує потреба в еквівалентній заміні джерел напруги та струму. Для реальних ресурсів це можливо, для ідеальних ресурсів це не визначено. Еквівалентна компенсація означає, що обидва джерела мають однакові ефекти у зовнішньому контурі: однакова напруга холостого ходу, однаковий струм короткого замикання, вони подають однаковий струм і напругу і, отже, потужність при навантаженні будь-яким навантаженням.
Примітка: Хоча зовнішні ефекти двох еквівалентних джерел однакові, внутрішній енергетичний баланс джерел різний.
2.6 Потужність - відповідність імпедансу джерела та навантаження
Сформулюємо та розв’яжемо задачу щодо типу напруги джерела (аналогічно висновки стосуються і джерела струму). Ідеальне джерело напруги з внутрішньою напругою Uv подає живлення до навантаження: P = Uv.I = Uv 2/Rz
Чим менший опір навантаження, тим вище сила струму та потужність навантаження. Ідеальне джерело напруги відповідно дуже напружене джерело напруги здатне подавати майже необмежену потужність до навантаження, і немає проблем з узгодженням потужності.
Реальне джерело напруги характеризується параметрами Уф, Rv. Для цього джерела можна сформулювати запитання: якою є максимальна потужність, яку джерело може подавати на вантаж, і яке значення опору матиме таке навантаження?
Максимальне значення потужності на навантаженні можна визначити, використовуючи першу похідну виразу для потужності навантаження.
Вирішуючи рівняння, ми отримуємо висновок: найбільша потужність на навантаженні буде, якщо Rv = Rz і потім
Для джерел живлення та обладнання змінного струму стан регулювання потужності має більш загальний вигляд:
Найбільша теоретична сила джерела (ідеальна частина
Максимально можлива потужність на навантаженні при Rz = Rv:
Тоді половина потужності втрачається при внутрішньому опорі Rv.
У режимі збігу потужності (тобто також імпедансу) застосовується наступне: I = Uv/2Rv, U = Uv/2, Pz = Prv = Uv 2/4Rv (тобто 25% від теоретично можливої потужності джерела Pт ).
Як уже згадувалося на початку цього розділу, в енергетиці з джерелами напруги напруги проблема відповідності потужності застаріла. Узгодження потужності (імпедансу) важливо при влаштуванні радіочастотних ланцюгів, оскільки, наприклад, внутрішній опір радіочастотного обладнання: генераторів, передавальних комірок, радіочастотних лічильників зазвичай становить 75 Ом або 600 Ом. Відповідність імпедансу окремих ланок ланцюга передачі буде таким, коли вихідний імпеданс кожної ланки дорівнює вхідному імпедансу наступної ланки. Добре, якщо вхідний та вихідний імпеданси кожної комірки однакові.
Ми називаємо такий зсув зображення або скоригований хвилею каскад.
Переваги узгодження імпедансу:
- полегшує теоретичне рішення розрахунку напруг, струмів, потужностей (загасання)
- передача потужності від однієї до іншої частини є оптимальною, додаткове послаблення енергії в точці контакту не відбувається
- збіг імпедансу всіх членів ланцюга передачі не призводить до відображення сигналу в точках контакту - відсутні спотворення передачі сигналу через відбиття. У пристроях, сумісних з імпедансом, багаторазові відбиття хвиль напруги генеруються назад на вхід під час передачі. Потім у ланцюзі поширюється велика кількість хвиль, що просуваються і відбиваються - на виході генерується спотворений сигнал (ехо).
2.7 Поєднання (сортування) ресурсів
Джерела, як і інші диполі, можуть бути з'єднані послідовно, паралельно, у поєднанні або в більш складних структурах. Причиною об'єднання кількох джерел є отримання повного джерела з іншим, як правило, вищою напругою або більшим струмом (потужністю), ніж часткові джерела. Послідовний зсув може збільшити (у разі незгодної зсуву) напругу, паралельне зсув джерел напруги забезпечує більший споживання струму або більш жорстке джерело.
На жаль, більш м'яке джерело напруги завжди створюється при послідовному перемиканні, аналогічно більш м'яке джерело струму також створюється при паралельному перемиканні джерел струму.
Невизначене (незаконне) сортування ідеальних ресурсів
Це частина залучення ідеальних ресурсів. Вони або математично невизначені, фізично позбавлені сенсу або викликають коротке замикання.
A: Неможливо розташувати два ідеальних джерела напруги з різними напругами паралельно, результуюча напруга математично не визначена, практично це закінчиться таким чином, що джерело з більш високою напругою No 1 буде короткозамкненим через джерело No . 2.
B: Неможливо математично визначити результуючий струм, неможливо текти двох різних струмів в одній гілці. Фізично неможливо для джерела струму №1 "проштовхнути" струм I1 через інше ідеальне джерело струму з нескінченним опором.
C: Джерело струму буде короткозамкнено через джерело напруги.
Проблеми з паралельним перемиканням реальних джерел напруги
- Якщо U1> U2, навіть у ненавантаженому стані, компенсаційний струм I´ = (U1-U2)/(R1 + R2) протікає по внутрішньому контуру, що спричиняє втрати на резисторах R1 та R2, навіть якщо джерело не подає нічого.
- Якщо U1 = U2, то в ненавантаженому стані балансуючий струм не тече, але після навантаження навантаженням Rz джерело з меншим внутрішнім опором більше навантажується, джерело з більш високим внутрішнім опором мало сприяє навантаженню - "знімає" . Якщо два джерела значно відрізняються, може статися, що одне з них не буде джерелом, а стане приладом після підключення навантаження.
Висновок: Якщо паралельне перемикання джерел напруги має практичне значення, слід влаштувати джерела з приблизно однаковими параметрами, тобто U1U2, R1R2. Якщо з якихось причин необхідно розташувати джерела з різними параметрами, необхідно розділити джерела діодами, щоб не створювалося балансуючих струмів. Але тоді це нелінійне джерело.
Увага!
Висновки, представлені в цілому розділі 2.7, стосуються лише лінійних джерел (з лінійним внутрішнім опором, що пропускають струм в обидві сторони), що не виконується в деяких електронних джерелах зі стабілізаторами. Для деяких джерел та зрушень необхідно з’ясувати, чи джерела заземлені - див. Приклад 2.8.6.