Источник тока и источник напряжения в чем
Источники тока и напряжения
Для анализа цепей удобно вводить идеализированные источники двух видов: источник напряжения и источник тока, которые учитывают главные свойства реальных источников. При соответствующем дополнении идеализированных источников пассивными элементами можно передать все свойства реальных источников по отношению к их внешним выводам.
Источник напряжения. Подисточником напряжения понимают такой элемент с двумя выводами (полюсами), напряжение между которыми задано в виде некоторой функции времени независимо от тока, отдаваемого во внешнюю цепь. Зависимость напряжения от тока идеального источника напряжения показана на рис. 1.3. Такой идеализированный источник способен отдавать неограниченную мощность. Наиболее часто применяемые условные графические изображения источника напряжения показаны на том же рисунке, где принятая положительная полярность напряжения источника указывается либо стрелкой внутри кружочка, либо знаками “+”, “-”.
Реальные источники сигнала имеют внутренние сопротивления. К источнику напряжения внутреннее сопротивление подключается последовательно. На рис. 1.4 показаны вольтамперная характеристика и схема реального источника напряжения. Для реального источника выходное напряжение будет равно
Из формулы видно, что выходное напряжение реального источника тока зависит от тока нагрузки Iн. Чем больше ток нагрузки, тем больше падает напряжение на внутреннем сопротивлении источника, и меньшая часть напряжения U0 поступает на нагрузку (на выход). С другой стороны, чем больше внутреннее сопротивление Rвн при неизменном токе нагрузки, тем больше падает на нем напряжения, что ведет к уменьшению напряжения на выходе источника. Применительно к электронным схемам внутреннее сопротивление источника часто называют выходным сопротивлением.
В случае идеального источника напряжения, его внутреннее сопротивление равно 0 и напряжение на нагрузке не зависит от тока нагрузки. При этом ток нагрузки может возрастать до бесконечности, если сопротивление нагрузки будет стремиться к 0. В действительности невозможно построить идеальный источник напряжения во всем диапазоне изменения выходного тока. Однако, во многих случаях, для ограниченного диапазона изменения выходного тока некоторые источники можно рассматривать как идеальные.
Например, источник питания в диапазоне рабочих токов имеет очень малое внутреннее сопротивление, которым можно пренебречь, по сравнению с сопротивлением нагрузки. Или другой пример, выходное сопротивление операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, может достигать нескольких сотых долей Ома. Таким внутренним сопротивлением можно пренебречь и рассматривать выход операционного усилителя как идеальный источник напряжения в диапазоне допустимых выходных токов.
Источник тока. Под идеальным источником тока понимают такой элемент цепи, через выводы которого протекает ток с заданным законом изменения во времени независимо от напряжения между выводами. Вольтамперная характеристика и условные графические изображения идеального источника тока показана на рис. 1.5. Независимость тока от напряжения означает, что внутренняя проводимость источника, куда может ответвляться ток, равна 0, а внутреннее сопротивление равно бесконечности. Вольтамперная характеристика и 
схема реального источника тока показана на рис. 6. При увеличении напряжения на нагрузке за счет увеличения сопротивления нагрузки увеличивается внутренний ток источника тока. При этом меньшая часть тока I0 поступает в нагрузку. Выходной ток Iн будет равен
Из формулы видно, что чем больше внутреннее сопротивление источника тока, тем меньше внутренний ток Iвн и большая часть тока I0 отдается в нагрузку. В пределе при Rвн = ∞ весь ток I0 отдается в нагрузку, и ток нагрузки не будет зависеть от напряжения на нагрузке. В этом случае имеем дело с идеальным источником тока. Итак, в идеальном источнике тока внутреннее сопротивление равно бесконечности. В идеальном источнике тока при бесконечной величине сопротивления нагрузки (обрыв цепи нагрузки) на его зажимах будет напряжение бесконечной величины.
Это конечно идеализация – нельзя построить источник тока, у которого величина внутреннего сопротивления рана бесконечности. Однако на практике используются источники тока, построенные на транзисторах, с внутренним сопротивлением, достигающим величин многих мегом и более, работающие в ограниченном диапазоне выходных напряжений. Такие источники тока широко используются в схемах дифференциальных и операционных усилителей, при построении цифро-аналоговых преобразователей, при передаче сигналов по токовой петле и др.
Реальные источники напряжения и тока эквивалентны. Это означает, что относительно своих зажимов схемы ведут себя одинаковым образом, т.е. при анализе схемы один и тот же источник можно рассматривать как реальный источник напряжения или реальный источник тока. Условия эквивалентности можно получить из выражения для напряжения реального источника напряжения
Разделим правую и левую части уравнения на Rвн, получим
Введем обозначения U0 /Rвн = I0 = const; U0 /Rвн = Iвн и запишем уравнение в следующем виде
Причем на сопротивлениях Rвн и Rн падает одно и то же напряжение Uн, т.е. они соединены параллельно
Отсюда приходим к схеме реального источника тока, показанного на рис.1.6.
Раз схемы реальных источников напряжения и тока эквивалентны, то возникает вопрос, когда использовать при анализе схемы тот или иной источник? Ответ простой. Используйте тот тип источника, при котором проще анализировать работу схемы. На практике часто поступают следующим образом. Если внутреннее сопротивление источника намного меньше сопротивления нагрузки, то такой источник целесообразно рассматривать как источник напряжения. И в первом приближении величиной внутреннего сопротивления можно пренебречь. Если внутреннее сопротивление намного больше сопротивления нагрузки, то такой источник рассматривают как источник тока. И при первоначальном анализе считают его идеальным. При более детальном анализе схемы учитывают не идеальность источника тока.
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.
Источник напряжения и источник тока
В теории электрических цепей используют понятия идеальные источники электрической энергии: источник напряжения и источник тока.
Им приписывают следующие свойства:
Источник напряжения представляет собой активный элемент с двумя зажимами, напряжение на котором не зависит от тока, проходящего через источник
Рис.2. Идеальный источник напряжения и
его вольтамперная характеристика(BAX).
Предполагается, что внутри идеального источника напряжения пассивные сопротивление, индуктивность и емкость отсутствуют и, следовательно, прохождение тока не вызывает падения напряжения.
Упорядоченное перемещение положительных зарядов в источнике напряжения от меньшего потенциала к большему возможно за счет работа сторонних сил, которые присущи источнику.
Величина работы, производимой данными сторонними силами по перемещению единицы положительного заряда от отрицательного полюса источника напряжения к положительному по полюсу, называется электродвижущей силой (э.д.с.) источника и обозначается e(t).
На рис.2(а) указано направление напряжения на зажимах идеального источника, которое всегда равно э.д.с. источника по величине и противоположно ей по направлению.
Обычно внутренние параметры источника конечной мощности незначительны по сравнению с параметрами внешней цепи и в не которых случаях (по условию задачи) могут вообще не учитываться. Внутреннее сопротивление источника э.д.с.(r0) на схемах замещения изображается последовательно соединенным с самим источником.
Рис.3. Источник напряжения конечной мощности.
Источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.
Рис.4. Идеальный источник тока и его вольтамперная характеристика.
Предполагается, что внутренне сопротивление идеального источника тока равно бесконечности, и поэтому параметры внешней цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника тока, не влияют на ток источника.
При увеличении напряжения внешней цепи, присоединенной к источнику тока, напряжение на его зажимах, и следовательно, мощность возрастают. Поэтому идеальный источник тока теоретически так же рассматривается как источник бесконечной мощности.
Источник тока конечной мощности изображен на рис.5. g0 – внутренняя проводимость источника. Она характеризует внутренние параметры источника и ограничивает мощность, отдаваемую в цепь.
Рис.5. Источник тока конечной мощности.
Часто при решении задач методом эквивалентных преобразований возникает необходимость заменить реальный источник напряжения эквивалентным источником тока или наоборот. Преобразование осуществляется по схеме и формулам рис.6.
(1)
Рис.6. Преобразования источников конечной мощности.
Сопротивление.
Сопротивлением называется идеализированный элемент цепи в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.
Кроме того, данный термин применяется для количественной оценки величины, равной отношению напряжения на данном элементе к току, проходящему через него:
[Ом] (2)
Формула 2 выражает закон Ома.
Сопротивление всегда положительно.
Величина обратная сопротивлению носит название проводимости:
[См] (3)
Рис.7. Графическое изображение сопротивления
с выбранными положительными направлениями тока и напряжения.
Мгновенная мощность, поступающая в сопротивление равна:
Pr = Ui = i 2 r = U 2 q (4)
Параметр r в общем случае зависит от тока i (например, вследствие нагревания проводника током).
Вольтамперная характеристика (зависимость напряжения на сопротивлении от тока) носит нелинейный характер.
Рис.8. BAX сопротивления: а – нелинейная; б – линейная.
Если сопротивление не зависит от тока, то имеет место прямая пропорциональность, выражающая закон Ома. В этом случае сопротивление называется линейным.
Индуктивность.
Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, приближающейся по свойствам к индуктивной катушке, в котором накапливается энергия магнитного поля.
При этом термин «индуктивность» и его обозначение L применяется как для обозначения самого элемента цепи, так и для количественной оценки отношения потокосцепления самоиндукции к току в данном элементе:
[Гн] (5)
Индуктивность всегда положительна, так как потокосцепления и ток имеют одинаковые знаки.
В общем случае индуктивность зависит от тока и является нелинейной.
Если зависимостьy(i) линейная, то индуктивность – величина постоянная.
Рис.9. Зависимость потокосцепления от тока:
Рис.10. Графическое изображение индуктивности.
(6)
Если индуктивность L величина постоянная (не зависит от тока), то
= 
(7)
Напряжение на индуктивности определяется:
(8)
Ток на индуктивности:
(9)
Формулы (8) и (9) выражают закон Ома дифференциальной и интегральной форме для индуктивности.
Мгновенная мощность, поступающая в индуктивность равна:
(10)
Мощность индуктивности связана с процессом нарастания или убывания энергии магнитного поля.
Емкость.
Емкостью называется идеализированный элемент электрической цепи приближенно заменяющий конденсатор, в котором накапливается энергия электрического поля.
При этом данный термин применяется как для обозначения самого элемента, так и для количественной оценки отношения заряда к напряжению на этом элементе:
[Ф] (11)
Емкость всегда положительна, так как заряд и напряжение имеют одинаковый знак.
В общем случае зависимость заряда от напряжения носит нелинейный характер и, следовательно, параметр С зависит от напряжения.
Если зависимость заряда от напряжения линейная, емкость C – величина постоянная.
Рис.11. Зависимость электрического заряда от напряжения,
а – нелинейная, б – линейная.
Ток емкости равен производной электрического заряда по времени:
(12)
Формула (12) выражает закон Ома для емкости.
Напряжение на емкости:
(13)
Условное графическое изображение емкости указано на рис.11. Там же даны положительные направления тока и напряжения.
Рис.12. Условное обозначение емкости.
Мгновенная мощность, поступающая в емкость, равна:
(14)
Мощность емкости связана с процессом накопления или убыли электрического заряда в емкости. Когда заряд положительный и возрастает ток положительный и в емкость поступает электрическая энергия из внешней цепи. Когда заряд положителен, но убывает, т.е. ток отрицателен, энергия, ранее накопленная в электрическом поле емкости, возвращается во внешнюю цепь.
Контрольные вопросы:
1. Изложите основные задачи электротехники.
2. Элементы электрической цепи, их классификация.
3. Определение электрического тока, падения напряжения.
4. Что понимают под положительными направлениями тока и напряжения.
5. Изложите основные сведения об источниках тока и источниках напряжения, их взаимном преобразовании.
6. Чем отличается идеальный источник энергии от источника энергии конечной мощности.
7. Дать краткую характеристику следующим элементам и терминам, их определяющим: сопротивление, емкость, индуктивность.
Источник тока и источник напряжения в чем
Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc
aen  | ||||
Карма: 157 | ||||
| ||||
| Rokl | |||
Карма: 17 |
| ||
| |||
| tych | ||||
Карма: 1 |
| |||
| ||||
| aen | ||||
Карма: 157 |
| |||
| ||||
| tych | ||||
Карма: 1 |
| |||
| ||||
| Мышонок | ||||
Карма: 6 |
| |||
| ||||
