Источники тока и напряжения: 1.04. Источники тока и напряжения

Содержание

1.04. Источники тока и напряжения

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Напряжение, ток и сопротивление


Идеальный источник напряжения - это «чёрный ящик», имеющий два вывода, между которыми он поддерживает постоянное падение напряжения независимо от величины сопротивления нагрузки. Это означает, например, что он должен порождать ток, равный
I = UR, если к выводам подключить резистор с сопротивлением R. Реальный источник напряжения не может дать ток, больший некоторого предельного максимального значения, и в общем случае он ведёт себя как идеальный источник напряжения, к которому последовательно подключён резистор с небольшим сопротивлением. Очевидно, чем меньше сопротивление этого последовательно подключённого резистора, тем лучше. Например, стандартная щелочная батарея на 9 В в последовательном соединении с резистором, имеющим сопротивление 3 Ом, ведёт себя как идеальный источник напряжения 9 В и даёт максимальный ток (при замыкании накоротко) величиной 3 А (который, к сожалению, погубит батарею за несколько минут). По понятным причинам источник напряжения «предпочитает» нагрузку в виде разомкнутой цепи, а нагрузку в виде замкнутой цепи «недолюбливает». (Понятия «разомкнутая цепь» и «замкнутая цепь» очевидны: к разомкнутой цепи ничего не подключено, а в замкнутой цепи кусок провода замыкает выход.) Условные обозначения источников напряжения приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7.

Идеальный источник тока - это «чёрный ящик», имеющий два вывода и поддерживающий постоянный ток во внешней цепи независимо от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Для того чтобы выполнять свои функции, он должен уметь поддерживать нужное напряжение между своими выводами. Реальные источники тока (самая нелюбимая тема для большинства учебников) имеют ограниченный диапазон, в котором может изменяться создаваемое ими напряжение (он называется рабочим диапазоном выходного напряжения или просто диапазоном), и, кроме того, выходной ток источника нельзя считать абсолютно постоянным. Источник тока «предпочитает» нагрузку в виде замкнутой цепи, а нагрузку в виде разомкнутой цепи «недолюбливает». Условные обозначения источника тока приведены на рис. 1.8.

Рис. 1.8.

Хорошим примером источника напряжения может служить батарея (для источника тока подобной аналогии найти нельзя). Например, стандартная батарейка от карманного фонаря обеспечивает напряжение 1.5 В, ее эквивалентное последовательное сопротивление составляет 1/4 Ом, а общий запас энергии равен приблизительно 10000 Вт·с (постепенно эти характеристики ухудшаются; к концу срока службы батарейки напряжение может составлять около 1 В, а внутреннее сопротивление - несколько ом). О том, как создать источник напряжения с лучшими характеристиками, вы узнаете, когда мы изучим обратную связь. В электронных устройствах, за исключением портативных, батарейки используются редко. В гл. 14 мы рассмотрим интересную тему конструирования маломощных схем (на батарейках).


Сигналы


Разница между источником напряжения и источником тока?

Источники напряжения и тока не связаны В = Я р В знак равно я р , Это относится к сопротивлениям . Тем не менее, вы можете подключить резистор к источнику напряжения и тока, а затем посмотреть, что происходит с напряжением на резисторе и током через него.

Источник напряжения будет поддерживать постоянное напряжение V независимо от подключенной к нему нагрузки. Источник тока будет поддерживать постоянное значение I независимо от нагрузки. Рассмотрим, что происходит при изменении R в этих двух случаях:

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Для случая слева рассмотрим сопротивление р р и напряжение на нем В р В р и ток через него, я р я р :

 R Vr Ir 0Ω 1V ∞A 1Ω 1V 1A 2Ω 1V 0.5A 3Ω 1V 0.33A 4Ω 1V 0.25A ∞Ω 1V 0A 

Теперь рассмотрим случай справа:

 R Vr Ir 0Ω 0V 1A 1Ω 1V 1A 2Ω 2V 1A 3Ω 3V 1A 4Ω 4V 1A ∞Ω ∞V 1A 

В любом случае, В р = Я р р В р знак равно я р р , Слева, В р = 1 В В р знак равно 1 В (по закону напряжения Кирхгофа ), так я р я р это то, что должно быть, чтобы удовлетворить закон Ома.

Справа, я р = 1 А я р знак равно 1 (по действующему закону Кирхгофа ), так В р В р это то, что должно быть, чтобы удовлетворить закон Ома.

Также обратите внимание, что 0Ω эквивалентно короткому замыканию, а ∞Ω эквивалентно разомкнутой цепи. В некоторых случаях это приводит к бесконечному напряжению или бесконечному току, что указывает на то, что эти вещи не могут физически происходить. Например, если вы на самом деле замыкаете источник реального напряжения, например батарею, провод имеет небольшое сопротивление. Много тока течет, но не бесконечный ток.

Если вам нравится, вы можете думать об источнике напряжения как о чем-то, что перемещает ток, но регулирует величину таким образом, чтобы поддерживать постоянное напряжение. Вы можете думать об источнике тока как о чем-то, что регулирует напряжение на себе так, чтобы постоянный ток перемещался. Поймите, конечно, что вы наделяете силой мысли неодушевленные предметы, что на самом деле не так. На самом деле все, что происходит, это то, что источник тока или напряжения вводит одно ограничение в систему уравнений, которое должно быть решено.

Вам также следует подумать о том, что происходит, когда подключенная вещь не является резистором. Например, что если это диод, например светодиод? Источник напряжения все еще пытается поддерживать постоянное напряжение, а источник тока пытается поддерживать общий ток, но уравнение больше не решается. В = Я р В знак равно я р , Это описывает поведение сопротивлений, но теперь уравнение будет чем-то другим, описывающим то, что вы подключили.

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. 1

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.

Рис.1 — Идеальный источник тока

По мере неограниченного увеличения сопротивления внешней электрической цепи, присоединенной к идеальном

у 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

Как найти напряжение источника

Под источником понимают элемент, питающий цепь электромагнитной энергией. Эта энергия потребляется пассивными элементами цепи – запасается в индуктивностях и емкостях и расходуется в активном сопротивлении. Примерами реальных источников электромагнитной энергии могут служить генераторы постоянных, синусоидальных и импульсных сигналов разнообразной формы, сигналы, получаемые от различных датчиков, антенн радиоприемных устройств, источники питания, сигналы, поступающие с выходов электронных устройств и т.

д.

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.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студента самое главное не сдать экзамен, а вовремя вспомнить про него. 10070 – | 7511 – или читать все.

78.85.5.224 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Давайте попробуем разобраться, что же все таки называют источником тока и как он обозначается в различных схемах.

Обычно источник тока условно отображается так, как указано на рисунке ниже:

При этом на схемах он изображается следующим образом:

Здесь изображен источник тока в составе генератора тока, собранного с использованием биполярных транзисторов.

Источником или генератором тока обычно называют двухполюсник, создающий ток, который не зависит от присоединенного к нему сопротивлению нагрузки. И часто такое название дают любому источнику электрического напряжения (розетке, генератору, батарее и т. п.). Но если говорить только в физическом смысле, такое обозначение нельзя называть правильным, наоборот – источники напряжения, применяемые для бытовых целей, скорее можно назвать источниками ЭДС.

На вышеуказанной схеме содержится источник тока в составе схемы замещения триполярного транзистора. Стрелка служит указателем положительного направления тока. При этом ток, генерируемый этим источником, зависит от напряжения на другом участке данной схемы.

Разница между идеальным и реальным источниками тока.

Идеальный источник тока имеет напряжение на клеммах, зависящее только от того, какое сопротивление возникает на внешней цепи: U=L*R

Чтобы определить, какую мощность источник тока отдает в сеть, используется следующая формула: P=L 2 *R

При этом следует учитывать следующее уравнение: L=const

Это позволяет понять, что мощность и напряжение, выделяемые источником тока, будут неограниченно расти, если будет расти сопротивление.

Реальный источник тока в линейном приближении можно описать внутренним сопротивлением. В этом он очень схож с обычным источником ЭДС. Различие между ними состоит в следующем: с увеличением внутреннего сопротивления источник тока приближается по параметрам к идеальному, а источник ЭДС приближается к идеальному по мере того, как внутреннее сопротивление уменьшается.

Реальный источник тока с показателем внутреннего сопротивления r и реальный источник ЭДС будут эквивалентными при соблюдении условия:

Реальный источник тока будет иметь напряжение на клеммах:

При силе тока, равной:

И мощности, определяемой по формуле:

Катушку индуктивности, по которой на протяжении некоторого времени проходил ток от внешнего источника после его отключения, можно назвать источником тока.

Это объясняет искрение контактов, происходящее, когда индуктивная нагрузка быстро отключается. Пробой зазора возникает из-за сохранения тока при резком увеличении уровня сопротивления.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к мощной линии переменного тока, его вторичную обмотку можно рассматривать как идеальный источник тока, но переменного, а не постоянного, что приводит к невозможности размыкания его вторичной цепи. Это значит, что вторичная обмотка должна быть шунтирована.

Реальный генератор обладает рядом ограничений, среди которых следует отметить одно – ограничение по напряжению на выходе. Например, реальный источник тока работает только с тем диапазоном напряжений, верхний порог которого зависит от того, каким будет напряжение, питающее источник. Это приводит к наличию некоторых ограничений по нагрузке.

Такой источник тока нашел широкое применение во многих сферах. Например, для работы в паре с дифференциальными усилителями и измерительными мостами в аналоговой схемотехнике.

Общая стандартная форма записи системы уравнений по МКТ для резистивных цепей с источниками постоянного действия

Записывают уравнения и в матричном виде. Например,

.

Здесь: Inn (InK ) – соответствующие контурные токи,

R11 –собственное контурное сопротивление первого контура, равное сумме сопротивлений элементов входящих в 1 контур, R22 –контурное сопротивление второго и т.д.;

R12 – взаимное сопротивление между первым и вторым контурами (учитывается с +, если контурные токи совпадают и с “- ”, если не совпадают) и аналогично;

E11 – контурная ЭДС 1 контура, которая содержит алгебраическую сумму ЭДС входящих в 1-ый контур (c + если совпадает с контурным током) и включает влияние источников тока на контур (после переноса из левой части). Далее аналогично.

Причем обычно R12 = R21 а если есть управляемые источники, то R12 и R21 могут быть не равны.

6. Применение МКТ

Целесообразно применять для сложных схем с несколькими однотипными источниками, у которых частота одна и та же. Если есть L– и C-элементы и частоты источников одинаковые, то применяется в комплексной форме. Если частоты действия разные, то можно применять совместно с методом наложения для расчета частичных токов.

1.8. Метод узловых напряжений (МУН)

В качестве основных неизвестных используются так называемые узловые напряжения – это напряжения между узлом схемы или цепи и некоторым опорным или базисным узлом, который выбирается один для всей цепи или схемы. В качестве дополнительных неизвестных используются токи в некоторых «вырожденных» ветвях, которые содержат только идеальные источники напряжения (или ЭДС) без других элементов. Система уравнений по МУН составляется на основе первого закона Кирхгофа. Второй закон и закон Ома используются как вспомогательные.

2. Определение количества уравнений и выбор базисного узла

Количество уравнений определяется по формуле:

, где NE – число «вырожденных» ветвей которые содержат только идеальные источники напряжения (или ЭДС) без других элементов.

Базисный узел выбирается из узлов, прилегающих к ветви «вырожденной» (где есть одиночный идеальный источник напряжения) и отмечается знаком заземления или корпуса.

Из этих двух узлов обычно берут тот узел, где больше подходит ветвей.

Берут там, где удобнее при взгляде на схему.

Начинается метод с определения числа «вырожденных» ветвей и базисного узла, потом составляется и решается система уравнений.

Пример расчета цепи с помощью метода узловых напряжений по схеме

1. При расчёте цепи по методу узловых напряжений определяем число узлов схемы. Один из этих узлов принимаем за базисный. Остальные узлы называются независимыми. Базисный узел – это узел от которого ведется отсчет. Его выбирают в первую очередь там, где есть ветвь, содержащая только одиночный идеальный источник ЭДС, и сходится много ветвей или это тот узел, который удобнее для наглядности (в нашей схеме это узел 3 ). Базисный узел часто заземляют, при этом его потенциал (напряжение) равен нулю V3=0. Из свойств идеального источника напряжения, следует отметить, что если в схеме имеются ветви, состоящие из одиночных идеальных источников напряжения, то их сопротивление равно нулю, а проводимость – бесконечности. В нашем случае таких ветвей нет NE=0. Для ветвей с источниками тока все наоборот.

2. Определяем число независимых уравнений, составляемых методом узловых напряжений NМУН=NУЗ-1-NЕ=2.

Составляем систему алгебраических уравнений методом узловых напряжений, согласно первому закону Кирхгофа.

4. V1,V2 – узловые напряжения узлов 1 и 2 соответственно. Выражаем токи ветвей через узловые напряжения на основе 2 закона Кирхгофа для вспомогательных контуров, которые обязательно проходят через базисный узел, и закона Ома:

После подстановки формул токов данная система уравнений переводится в систему узловых уравнений, записанную в канонической форме. Число уравнений должно быть равно числу неизвестных узловых напряжений.

Для 1 уравнения получим

. Затем можно поменять знаки и получить уравнение . Аналогично для 2 уравнения получим

. Эти уравнения приводят к стандартному каноническому виду:

где – это собственные проводимости соответственно узлов 1 и 2.

.

.

– взаимные проводимости между узлами 1 и 2.

IУ1, IУ2 – собственные или задающие узловые токи, соответственно, независимых узлов 1 и 2. В общем виде их можно представить в следующем виде:

,

,

где – алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей, примыкающих к узлу 1, на их проводимости, – алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей, примыкающих к узлу 2, на их проводимости; при этом со знаком "+" берутся те ЭДС, которые действуют в направлении узла, и со знаком "–" – в направлении от узла; – алгебраическая сумма токов источников тока, присоединенных к узлу 1, – алгебраическая сумма токов источников тока, присоединенных к узлу 2; при этом со знаком "+" берутся те токи, которые направлены к узлу, а со знаком "–" в направлении от узла. Для нашего случая токи IУ1, IУ2 имеют следующий вид:

.

.

Узловое напряжение – это напряжение между независимым и базисным узлами и направлено оно к базисному узлу. V1,V2 – узловые напряжения узлов 1 и 2 соответственно. Знак "+" перед узловым напряжением берётся, если это собственное узловое напряжение, в противном случае берётся знак "–".

Данную систему решаем методом Крамера. Составляем определитель второго порядка, в первую и вторую строки которого ставим значения проводимостей стоящих при напряжениях, соответственно в первом и во втором уравнениях нашей системы.

Затем составляем определитель , для этого в определителе в первом столбе значения проводимостей заменяем значениями токов, стоящих в правой части нашей системе.

После чего вычисляем напряжение по следующей формуле:

Аналогично находим напряжение

6. Находим токи ветвей через узловые напряжения:

Общая форма записи системы уравнений по МУН с узловыми напряжениями (потенциалами) VK, собственными проводимостями узлов GKK, взаимными проводимостями между узлами GKM и узловыми токами.

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-16; Нарушение авторского права страницы

всё, что нужно знать для теории и практики

Чем отличается блок питания от драйвера для светодиодов: всё, что нужно знать для теории и практики

Блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети.

Примечание автора: «В сети есть достаточно большое количество информации о питании светодиодной продукции, но когда я готовил материал для этой статьи, нашел большое количество абсурдной информации на сайтах из топа выдачи поисковых систем. При этом наблюдается либо полное отсутствие, либо неправильное восприятие базовых теоретических сведений и понятий.»

Светодиоды - самый эффективный на сегодняшний день из всех распространенных источников света. За эффективностью кроются и проблемы, например высокое требование к стабильности тока, который их питает, плохая переносимость сложных тепловых режимов работы (при повышенной температуре). Отсюда выходит задача решения этих проблем. Давайте разберемся, чем отличаются понятия блок питания и драйвер. Для начала углубимся в теорию.

Источник тока и источник напряжения

Блок питания - это обобщенное названия части электронного устройства или другого электрооборудования, которое осуществляют подачу и регулирование электроэнергии для питания этого оборудования. Может находиться как внутри устройства, так и снаружи, в отдельном корпусе.

Драйвер - обобщенное название специализированного источника, коммутатора или регулятора питания для специфичного электрооборудования.

Различают два основных типа источников питания:

- Источник напряжения.

- Источник тока.

Давайте рассмотрим их отличия.

Источник напряжения - это такой и источник питания напряжение на выходе которого не изменяется при изменении выходного тока.

У идеального источника напряжения внутреннее сопротивление равняется нулю, при этом выходной ток может быть бесконечно большим. В реальности же дело обстоит иначе.

У любого источника напряжения есть внутреннее сопротивление. В связи с этим напряжение может несколько отклоняться от номинального при подключении мощной нагрузки (мощная - малое сопротивление, большой ток потребления), а выходной ток обуславливается его внутренним устройством.

Для реального источника напряжения аварийным режимом работы является режим короткого замыкания. В таком режиме ток резко возрастает, его ограничивает только внутреннее сопротивление источника питания. Если источник питания не имеет защиты от КЗ, то он выйдет из строя

Источник тока - это такой источник питания, ток которого остается заданным независимо от сопротивления подключенной нагрузки.

Так как целью источника тока является поддержание заданного уровня тока. Аварийным режимом работы для него является режим холостого хода.

Если объяснить причину простыми словами, то дело обстоит следующим образом: допустим, вы подключили к источнику тока с номинальным в 1 Ампер нагрузку сопротивлением в 1 Ом, то напряжение на его выходе установится в 1 Вольт. Выделится мощность в 1 Вт.

Если увеличить сопротивление нагрузки, скажем, до 10 Ом, то ток так и будет 1А, а напряжение уже установится на уровне 10В. Значит, выделится 10Вт мощности. И наоборот, если снизить сопротивление до 0.1 Ома, ток будет все равно 1А, а напряжение станет 0.1В.

Холостым ходом называется состояние, когда к выводам источника питания ничего не подключено. Тогда можно сказать, что на холостом ходу сопротивление нагрузки очень большое (бесконечное). Напряжение будет расти до тех пор, пока не потечет ток силой в 1А. На практике, для примера такой ситуации можно привести катушку зажигания автомобиля.

Напряжение на электродах свечи зажигания, когда цепь питания первичной обмотки катушки размыкается, растёт до тех пор, пока его величина не достигнет напряжения пробоя искрового промежутка, после чего через образовавшуюся искру протечет ток и рассеется энергия, накопленная в катушке.

Состояние короткого замыкания для источника тока не является аварийным режимом работы. При коротком замыкании сопротивление нагрузки источника питания стремится к нулю, т.е. оно бесконечно маленькое. Тогда напряжение на выходе источника тока будет соответствующим для протекания заданного тока, а выделяемая мощность ничтожно мала.

Перейдем к практике

Если говорить о современной номенклатуре или названиям, которые даются источникам питания в большей степени маркетологами, а не инженерами, то блоком питания принято называть источник напряжения.

К таким относятся:

- Зарядное устройство для мобильного телефона (в них преобразование величин до достижения необходимого зарядного тока и напряжения осуществляется установленными на плате заряжаемого устройства преобразователями.

- Блок питания для ноутбука.

- Блок питания для светодиодной ленты.

Драйвером называют источник тока. Основное его применение в быту - это питание отдельных светодиодов и светодиодных матриц и те и другие обычной высокой мощности от 0.5 Вт.

Питание светодиодов

В начале статьи было упомянуто, что у светодиода весьма высокие требования к питанию. Дело в том, что светодиод питается током. Это связано с вольтамперной характеристикой всех полупроводниковых диодов. Взгляните на неё.

На картинке ВАХ диодов разных цветов:

Такая форма ветви (близка к параболе) обусловлена характеристиками полупроводников и примесей которые в них внесены, а также особенностей pn-перехода. Ток, когда напряжение, приложенное к диоду меньше порогового почти, не растёт, вернее его рост ничтожно мал. Когда напряжение на выводах диода достигает порогового уровня, через диод резко начинает расти ток.

Если ток через резистор растёт линейно и зависит от его сопротивления и приложенного напряжения, то рост тока через диод не подчиняется такому закону. И при увеличении напряжения на 1% ток может возрасти на 100% и больше.

Плюс к этому: у металлов сопротивление увеличивается при росте его температуры, а у полупроводников наоборот - сопротивление падает, а ток начинает расти.

Чтобы узнать причины этого подробнее нужно углубиться в курс “Физические основы электроники” и узнать о типах носителей зарядов, ширине запрещенной зоны и прочих интересных вещах, но делать этого мы не будем, бегло эти вопросы мы рассматривали в статье о биполярных транзисторах.

В технических характеристиках пороговое напряжение обозначается, как падение напряжения в прямом смещении, для светодиодов белого свечения обычно около 3-х вольт.

С первого взгляда может показаться, что достаточно на этапе проектировки и производства светильника достаточно подобать токоограничивающие резисторы и выставить стабильное напряжения на выходе блока питания и всё будет хорошо. На светодиодных лентах так и делают, но их питают от стабилизированных источников питания, к тому же мощность применяемых в лентах светодиодах зачастую* мала, десятые и сотые доли Ватт.

 *(если не вести речь о лентах и полосах со светодиодами 5730 подробнее о типах SMD светодиодах смотрите статью - Виды, характеристика и маркировка SMD-светодиодов)

Мощные светодиоды, которые и рекомендуется питать драйверами, греются достаточно сильно. Например, светодиод мощностью 1Вт нагревается до температуры выше 50 градусов за несколько 5-15 секунд работы без радиатора.

Если такой светодиод питается от драйвера, со стабильным выходным током, то при нагреве светодиода ток через него не возрастет, а останется неизменным, а напряжение на его выводах для этого немного снизится.

А если от блока питания (источника напряжения), после нагрева ток увеличится, от чего нагрев будет еще сильнее.

Есть еще один фактор - характеристики всех светодиодов (как и других элементов) всегда отличаются.

Выбор драйвера: характеристики, подключение

Для правильного выбора драйвера нужно ознакомиться с его техническими характеристиками, основные это:

- Номинальный выходной ток;

- Максимальная мощность;

- Минимальная мощность. Не всегда указывается. Дело в том, некоторые драйвера не запустятся если к ним подключена нагрузка меньше определенной мощности.

Часто в магазинах вместо мощности указывают:

- Номинальный выходной ток;

- Диапазон выходных напряжений в виде (мин.)В…(макс.)В, например 3-15В.

- Количество подключаемых светодиодов, зависит от диапазона напряжений, пишется в виде (мин)…(макс), например 1-3 светодиодов.

Так как ток через все элементы одинаков при последовательном подключении, поэтому к драйверу светодиоды подключаются последовательно.

Параллельно светодиоды нежелательно (скорее нельзя) подключать к драйверу, потому что, падения напряжений на светодиодах могут немного различаться и один будет перегружен, а второй наоборот работать в режиме ниже номинального.

Подключать больше светодиодов, чем определено конструкцией драйвера не рекомендуется. Дело в том, что любой источник питания имеет определенную максимально допустимую мощность, которую нельзя превышать. А при каждом подключенном светодиоде к источнику стабилизированного тока напряжение на его выходах будет возрастать примерно на 3В (если светодиод белый), а мощность будет равняться как обычно произведению тока на напряжение.

Исходя из этого, сделаем выводы, чтобы купить правильный драйвер для светодиодов, нужно определиться с током, который потребляют светодиоды и напряжением, которое на них падает, и по параметрам подобрать драйвер.

Например этот драйвер поддерживает подключение до 12 мощных светодиодов на 1Вт, с током потребления в 0.4А.

Вот такой выдаёт ток в 1.5А и напряжение от 20 до 39В, значит к нему можно подключить, например светодиод на 1.5а, 32-36В и мощностью 50Вт.

Заключение

Драйвер – это один из типов блока питания, рассчитанный на обеспечение светодиодов заданным током. В принципе все равно как называют этот источник питания. Блоками питания называются источники питания для светодиодных лент на 12 или 24 Вольта, они могут выдавать любой ток ниже максимального. Зная правильные названия, вы вряд ли ошибетесь при приобретении товара в магазинах, и вам не придётся его менять.

Ранее ЭлектроВести писали о светодиодных диммерах и их использовании.

По материалам: electrik.info.

Реальные источники тока или реальные источники напряжения

Читайте также

Реальные деньги за реальные клики

Реальные деньги за реальные клики Продажа кликов, то есть переходов на сайт рекламодателя через баннер или текстовое объявление, — один из самых распространенных способов заработка на сайтах или в блогах в Интернете. Это объясняется растущим рынком контекстной

Утвердите реальные сроки вывода сайта на первые позиции

Утвердите реальные сроки вывода сайта на первые позиции Вынуждены вас огорчить – абсолютно точно определить срок продвижения вашего сайта с выходом в ТОП невозможно. Этот процесс сугубо индивидуален и зависит от нескольких факторов:1. Даты индексации ресурса поисковой

Цепи с источниками тока и напряжения

Цепи с источниками тока и напряжения Цепи, включающие источники тока и напряжения, могут быть рассчитаны при применении метода наложения. Если цепи не слишком сложны, этот метод дает простое и вполне приемлемое решение. На рис. 1.19 приведена цепь, содержащая источник

Другие источники тока, управляемые током

Другие источники тока, управляемые током Несколько иная ситуация для более сложной схемы с ИТУТ часто возникает при анализе электронных цепей, когда управляющий ток проходит в ветви, не содержащей независимых источников напряжения V. На рис. 1.26, а представлена типовая

Другие источники напряжения, управляемые током

Другие источники напряжения, управляемые током Вспомним, что источники напряжения, управляемые токами в какой-либо ветви, называются управляемыми током (ИНУТ) или зависимыми от тока (CCVS или CDVS). На рис. 1.28 приведена типовая схема такого источника, отличная от

2.1. Токи и напряжения в цепях постоянного тока

2.1. Токи и напряжения в цепях постоянного тока Все напряжения, которые вычисляет PSPICE, являются напряжениями между отдельными точками электросхемы и одной опорной точкой, местоположение которой определяете вы сами, размещая на чертеже схемное обозначение «земли». В

9.4.3. Анализ чувствительности выходного напряжения цепи постоянного тока к разбросам параметров компонентов 

9.4.3. Анализ чувствительности выходного напряжения цепи постоянного тока к разбросам параметров компонентов  Анализ чувствительности позволяет установить, какое влияние оказывают изменения отдельных параметров схемы на выходное напряжение. Таким образом, вы можете

10.2.3. Источники напряжения в цифровых схемах 

10.2.3. Источники напряжения в цифровых схемах  Для формирования входных сигналов (возбуждающих импульсов) в цифровых схемах в PSPICE предусмотрены специальные источники напряжения, которые хранятся в библиотеке SOURCE.slb:    одноразрядный источник входных сигналов;   источник

10.4. Реальные и эффективные идентификаторы

10.4. Реальные и эффективные идентификаторы До сих пор подразумевалось, что у процесса — один идентификатор пользователя и один идентификатор группы. На самом деле не все так просто. У каждого процесса есть два пользовательских идентификатора: реальный и эффективный. То

ФМ-ВЕЩАНИЕ: Реальные доходы от виртуальных проектов

ФМ-ВЕЩАНИЕ: Реальные доходы от виртуальных проектов Автор: Феликс МучникВот и закончилась череда конференций, и начались спокойные междупраздничные дни, радующие нас солнцем и поредевшим потоком машин на улицах. Можно без суеты осмыслить прошедшие встречи, новые

Байт здесь, байт там, и реальные покойники

Байт здесь, байт там, и реальные покойники Пора послушать печальную и поучительную историю Лондонской службы скорой помощи.Лондонская служба скорой помощи, как говорят, самая большая в мире, обслуживает территорию около 1500 кв. км, c постоянным населением почти в семь

Кафедра Ваннаха: Реальные деньги из вымышленного мира Ваннах Михаил

Кафедра Ваннаха: Реальные деньги из вымышленного мира Ваннах Михаил Опубликовано 15 февраля 2011 года Был в 1990-е годы в нашей стране забавный феномен. На фоне социально-экономических катаклизмов, когда серьёзные дяди растаскивали общенародную в

Реальные хакеры

Реальные хакеры Теперь, когда вы знаете, как не должен выглядеть хакер, вам должно быть любопытно, как он должен выглядеть. На самом деле большинство хакеров выглядит совсем как вы или я или женщина из соседнего офиса.Только для краткого знакомства рассмотрим наиболее

Угрозы реальные и мнимые

Угрозы реальные и мнимые Автор: Киви БердСамым, пожалуй, ярким и запоминающимся следом, который сумел оставить в истории американский политик Джон Хамре (John Hamre), стала его речь в Конгрессе США 9 марта 1999 года, когда в качестве замминистра обороны он впервые отчеканил

Постоянный и переменный ток, его источники и их применение в электротехнике

Такое понятие, как источник тока, имеет несколько трактовок. Одна из них – это строгое физическое определение, другая – устоявшийся термин, причем не только в бытовой среде, но и среди профессионалов. Оба варианта имеют право на существование в том случае, если из прямых указаний или из контекста ясно, какое из определений имеется в виду.

Обозначение на электрических схемах

Что такое источник тока

Будучи синонимами, оба термина имеют различное значение, хотя и относятся к электротехнике. Что они означают:

  • Элемент электрической цепи, создающий постоянный ток, значение которого не зависит от сопротивления нагрузки и напряжения. Может иметь равнозначные термины: идеальный источник тока или токовый генератор. Данная формулировка используется в теоретической электротехнике для описания работы электрических цепей;
  • Устройство электропитания (электрической энергии). Устоявшаяся терминология в практической области. Может означать источники питания постоянного тока (химические, аккумуляторы и т.д.), переменного тока (генераторы, трансформаторы).

Теоретическая электротехника

Источник тока, как и источник напряжения, используется в электротехнике для моделирования реальных устройств питания цепей с некоторыми допущениями.

Идеальный источник характеризуется следующими параметрами:

  • Значение тока, протекающего через него, всегда постоянно, вне зависимости от значения нагрузки;
  • Выходное напряжение зависит лишь от сопротивления нагрузки и определяется по закону Ома при условии, что I=const:

U=I·R

  • Внутренняя проводимость бесконечно мала.

Из определения следует, что при увеличении сопротивления нагрузки напряжение и мощность, которые отдает источник тока, увеличиваются, стремясь к бесконечности.

Реальный источник тока имеет некоторое внутреннее сопротивление, аналогично реальному источнику напряжения, поэтому характеристики будут соответствовать определению только в некотором диапазоне сопротивления нагрузки. В частности, с некоторым приближением, таковым можно считать вторичную обмотку мощного трансформатора тока, включенного в цепь переменного тока.

Реальный источник тока

В теоретической электротехнике существует возможность взаимного преобразования токовых генераторов источников напряжения, то есть можно выбрать наиболее удобное для дальнейших расчетов отображение.

Применение

Источники с характеристиками, приближенными к идеальным, имеют и практическое применение. Яркий пример – зарядное устройство для аккумуляторов. Для заряда современных аккумуляторных батарей используются устройства, которые формируют зарядное напряжение по специальным алгоритмам, но наиболее просто и не менее надежно (особенно для простых кислотных и щелочных батарей) производить зарядку стабильным током до тех пор, пока напряжение на выходе не сравняется с ЭДС аккумуляторной батареи. К ним также можно отнести аппараты для электродуговой сварки, которые стабилизируют ток дуги для получения однородного сварного шва, вне зависимости от длины дуги.

В аналоговой схемотехнике применяются источники, сконструированные на основе биполярных и полевых транзисторов. Они применяются для питания дифференциальных и операционных усилителей, измерительных и сравнивающих мостовых схем.

Токовый генератор

Практическая электротехника

В практической электротехнике источниками тока именуются все, без исключения, устройства питания, хотя большинство из них относится к классу источников напряжения. К ним относятся преобразователи любых видов энергии в электрическую:

  • Химические источники тока;
  • Физические;
  • Вторичные устройства электропитания.
Химические источники тока

К таким устройствам относятся такие, которые вырабатывают электрическую электроэнергию в результате химических процессов, в частности, окислительно-восстановительных реакций. Это:

  • Устройства однократного применения – гальванические элементы;
  • Устройства многократного применения – аккумуляторы;
  • Электрохимические генераторы (топливные элементы).

Гальванические элементы реализуются наиболее просто, чем и объясняется то, что они были созданы самыми первыми. Особенность гальванических элементов – способность работать длительное время при небольших отборах мощности. Отрицательная сторона – при исчерпании запаса энергии химического преобразования элемент подлежит утилизации. Некоторые типы, например, щелочные элементы, допускают регенерацию в конце службы путем заряда со стороны внешнего блока питания, но эффективность таких действий невысока и является временным выходом из положения.

Гальванический элемент

Аккумуляторы рассчитаны на многократное повторение циклов разряд-заряд. Восстановление емкости производится от зарядного устройства. Аккумуляторы способны выдавать в импульсе большие значения мощности, а некоторые типы рассчитаны на длительную работу в буферном режиме.

Количество циклов работы ограничено, но даже с этим условием использование аккумуляторов экономически более выгодно, чем гальванических элементов.

Работа источника тока на электрохимическом генераторе по принципу выработки электроэнергии подобна гальваническому элементу, но в нем используется химическая реакция между веществами, подаваемыми в активную область непрерывно. Срок службы ограничивается запасом химических веществ.

Все химические устройства вырабатывают постоянный ток, и для получения переменного требуется использование преобразователя.

Физические источники

Данные устройства основаны на физических принципах выработки электроэнергии, преобразуя в нее энергию других видов:

  • Тепловую;
  • Механическую;
  • Атомную;
  • Солнечную.

Наиболее мощные преобразователи используют первые три типа энергии и работают на одном принципе. Это тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Тепло при сгорании углеводородного топлива или распада атомного ядра используется для нагрева жидкости (воды), которая в виде пара под давлением крутит вал турбины генератора.

Гидроэлектростанции используют для вращения генераторов энергию падающей воды.

Все эти генераторы могут вырабатывать переменный или постоянный ток, но, главным образом, первый из них, поскольку его легко трансформировать для других значений напряжения.

Гидроэлектростанция

Существуют устройства, способные преобразовать тепловую энергию в электричество напрямую, без промежуточного использования воды, но они имеют ограниченное распространение из-за низкого КПД и эффективности.

Солнечные элементы (фотоэлементы) производят прямое преобразование энергии света в постоянный ток. В настоящее время КПД промышленных образцов солнечных батарей невысок, для устойчивой работы необходимо наличие прямого попадания солнечных лучей          на фотопреобразователи. Служат основным источником электроэнергии на космических кораблях, работающих на ближайших к солнцу орбитах. С удалением от солнца энергия лучей падает пропорционально квадрату расстояния, поэтому приходится переходить на электрохимические генераторы.

Солнечная батарея

Вторичные источники электропитания

Выходные параметры устройств питания не всегда соответствуют требованиям. Многие области применения требуют подачи различного по величине и другим характеристикам питающего напряжения.

Преобразование к нужным параметрам производится во вторичных блоках электропитания. Схемы построения во многом зависят от типа входного напряжения. Для преобразования напряжения постоянного тока используются, в основном, инверторные преобразователи, которые при помощи мощных транзисторных ключей формируют импульсы высокой частоты. Высокочастотный сигнал поступает на трансформатор, со вторичных обмоток которого снимается необходимое напряжение.

Для преобразования переменного напряжения применяется обычный трансформатор, но может использоваться и инверторная схема с предварительным выпрямлением входного напряжения.

Использование терминов зависит от того, в какой из областей их применение. Для строгости понятий термин «Источник тока» следует использовать только для определения идеального источника, в остальных случаях более корректным будет употребление формулировки «источник напряжения», питания, генератор.

Видео

Оцените статью:Источник напряжения

и источник тока - идеальный вариант по сравнению с практичным

Источник - это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую или другую форму энергии в электрическую. Типы источников, доступных в электрической сети, - это источник напряжения и источник тока . Источник напряжения используется для подачи напряжения на нагрузку, а источник тока используется для подачи тока.

Источник напряжения

Источник напряжения - это устройство, которое обеспечивает постоянное напряжение для нагрузки в любой момент времени и не зависит от тока, потребляемого от него.Этот тип источника известен как идеальный источник напряжения. Практически невозможно сделать идеальный источник напряжения. У него нулевое внутреннее сопротивление. Обозначается этим символом.

Обозначение источника напряжения

Идеальный источник напряжения

График представляет изменение напряжения источника напряжения во времени. Он постоянен в любой момент времени.

Источники напряжения с некоторым внутренним сопротивлением известны как практические источники напряжения.Из-за этого внутреннего сопротивления происходит падение напряжения. Если внутреннее сопротивление велико, на нагрузку будет подаваться меньшее напряжение, а если внутреннее сопротивление меньше, источник напряжения будет ближе к идеальному источнику напряжения. Таким образом, практический источник напряжения обозначается последовательным сопротивлением, которое представляет внутреннее сопротивление источника.

Практический источник напряжения

График представляет напряжение источника напряжения в зависимости от времени. Это непостоянно, но с течением времени продолжает уменьшаться.

Источник тока

Источник тока - это устройство, которое обеспечивает постоянный ток нагрузки в любое время и не зависит от напряжения, подаваемого в цепь. Этот тип тока известен как идеальный источник тока; практически идеального источника тока также нет. У него бесконечное сопротивление. Обозначается этим символом.

Символ источника тока

Идеальный источник тока

График представляет изменение тока источника тока во времени.Он постоянен в любой момент времени.

Почему идеальный источник тока имеет бесконечное сопротивление?

Источник тока используется для питания нагрузки, так что нагрузка включается. Мы стараемся подавать на нагрузку 100% мощности. Для этого мы подключаем некоторое сопротивление для передачи 100% мощности на нагрузку, потому что ток всегда идет по пути наименьшего сопротивления. Итак, чтобы ток пошел по пути наименьшего сопротивления, мы должны подключить сопротивление выше нагрузки. Вот почему у нас есть идеальный источник тока с бесконечным внутренним сопротивлением.Это бесконечное сопротивление не повлияет на источники напряжения в цепи.

Практический источник тока

На практике источники тока не имеют бесконечного сопротивления, но имеют конечное внутреннее сопротивление. Таким образом, ток, подаваемый практическим источником тока, непостоянен и также в некоторой степени зависит от напряжения на нем.

Практический источник тока представляет собой идеальный источник тока, подключенный параллельно с сопротивлением.

Практический источник тока

График представляет ток источника тока в зависимости от времени.Это непостоянно, но со временем продолжает уменьшаться.

Примеры источников тока и напряжения

Примерами источников тока являются солнечные элементы, транзисторы, а примерами некоторых источников напряжения являются батареи и генераторы переменного тока.

Речь шла об идеальных и практичных источниках энергии. Идеальные источники очень полезны для теоретических расчетов, но поскольку идеальные источники практически невозможны, в практических схемах используются только практические источники.Батареи, которые мы используем, являются практическим источником энергии, а напряжение и ток уменьшаются по мере их использования. Таким образом, оба они полезны для нас по-своему.

идеальных источников | Книга Ultimate Electronics

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем


Идеальные источники напряжения, идеальные источники тока и неидеальные источники с внутренним сопротивлением. Читать 7 мин

Идеальные источники напряжения и тока - примитивные концепции для моделирования схем.Мы обсуждали напряжение и ток в предыдущем разделе.

Вот схематические обозначения этих двух идеальных источников:


Символ идеального источника напряжения помечен положительными и отрицательными выводами, указывающими его направление. Он определяется всего одним параметром В, : разностью напряжений на его выводах.

Идеальный источник напряжения поддерживает одинаковую разницу напряжений на своих выводах независимо от величины тока, направления тока или общего заряда.

Идеальных источников напряжения не существует в физической реальности. Батарея (электрохимический элемент) ведет себя как идеальный источник напряжения, но это приближение не работает, когда токи велики и / или когда батарея разряжена. Мы обсудим батареи более подробно позже.

Когда какой-либо ток подается в идеальный источник напряжения или выходит из него, напряжение на нем остается неизменным. Вот простая симуляция, демонстрирующая этот эффект:

Exercise Щелкните схему, затем щелкните «Simulate» и «Run DC Sweep».Он настроен на регулировку тока, подаваемого на источник напряжения V1 или выходящего из него.

График напряжения показывает, что напряжение остается постоянным (ровная линия на 5 вольт) независимо от силы тока. Это скучная симуляция, но она показывает, что идеальный источник напряжения делает именно то, что должен!


На символе идеального источника тока есть стрелка, указывающая направление тока - при условии, что заданный параметр тока I положителен.

Идеальный источник тока подталкивает определенное постоянное количество заряда за раз, независимо от напряжения, энергии или общего заряда.

Источник тока также иногда называют приемником тока , в зависимости от того, с какого направления мы на него смотрим. Термин источник тока может использоваться в любом направлении.

Нет простого физического почти согласованного компонента, такого как батарея выше. Однако механические аналогии существуют. Водяной насос, который всегда выталкивает воду с заданной постоянной скоростью, независимо от того, насколько сильно он должен отталкивать любые препятствия в трубе, является разумным гидравлическим приближением к источнику тока.

Эта аналогия намекает на проблемы, которые мы увидим в электронике: что произойдет, если мы последовательно подключим идеальный водяной насос с производительностью 1 литр / час к идеальному водяному насосу с производительностью 2 литра / час? Кто победит? Ответ в том, что что-то нужно дать. Два последовательных идеальных источника тока несовместимы.

Аналогично, что, если мы возьмем наш идеальный водяной насос на 1 литр / час и полностью заблокируем его выходную трубу? Это похоже на то же самое, потому что заблокированный выход подобен источнику тока 0 литров / час.Итак, в конце концов, что-то должно дать - либо насос, либо препятствие - но математически мы создали невозможную ситуацию.

Хотя они могут не встречаться в природе, текущий источник является ценным методом моделирования, потому что в довольно широком диапазоне некоторые вещи ведут себя как текущие источники, и / или полезно создавать текущие источники как подкомпонент других систем или моделей. .

Вот простая симуляция, показывающая, что независимо от приложенного напряжения ток остается неизменным:

Exercise Щелкните схему, щелкните «Simulate» и «Run DC Sweep».”

Опять же, это скучная симуляция плоской линии, но источник тока поддерживает ток 10 А независимо от приложенного напряжения.


Моделирование неидеальных источников требует размышлений о сопротивлении и законе Ома, а также о том, как напряжения и токи ведут себя в сети, в соответствии с законом Кирхгофа и законом тока Кирхгофа. Однако эти модели тесно связаны с идеальными источниками, поэтому мы кратко их представим здесь.


Практический источник напряжения моделируется в первом порядке с внутренним сопротивлением серии :

Это означает, что фактическое напряжение, видимое снаружи, падает по мере того, как от него потребляется ток.(В качестве альтернативы внешнее напряжение возрастает, если в него подается ток.) ​​

Иногда этот эффект важен, а иногда нет: он зависит от величины падения напряжения и от того, спроектирована ли остальная часть вашей системы так, чтобы это выдерживать.

На самом деле это не всегда линейно. Это даже не всегда монотонно: например, посмотрите защита от перегрузки ломом , чтобы увидеть, как разработчики источников питания иногда намеренно хотят нелинейного поведения сопротивления для защиты схемы от перегрузки и перегрева.

Сравните это моделирование неидеального источника напряжения с приведенным выше примером идеального источника напряжения:

Exercise Щелкните схему, щелкните «Simulate» и «Run DC Sweep». Теперь, когда внутреннее сопротивление ненулевое, график напряжения больше не плоский. Наклон зависит от величины внутреннего сопротивления.

Поскольку батареи часто моделируются как источники напряжения, важно помнить, что настоящие электрохимические элементы батареи также имеют внутреннее сопротивление.Это сопротивление зависит от химического состава, конструкции и истории батареи. Свежие высококачественные батареи будут иметь более низкое внутреннее сопротивление, чем старые, использованные батареи. Когда люди, плохо знакомые с электроникой, рассматривают возможность управления большой нагрузкой от батарей, они часто забывают учитывать падение напряжения из-за внутреннего сопротивления, которое может привести к тому, что система не сможет обеспечить ожидаемую мощность для нагрузки. Кроме того, падение напряжения может привести к сбросу цифровых систем или вызвать колебания источника питания в точных аналоговых системах.Подумайте, может ли внутреннее сопротивление батареи повлиять на остальную часть вашей системы.


Практический источник тока моделируется в первом порядке с параллельным внутренним сопротивлением :

Почему этот дополнительный резистор в параллельно здесь, а не в серии , как для неидеального источника напряжения? Это потому, что последовательный резистор ничего не сделает с идеальным источником тока. (Источник тока не заботится о падении напряжения, поэтому любое дополнительное падение напряжения из-за последовательного резистора не повлияет на идеальный источник внутри.Вместо этого параллельный резистор указывает на то, что потребляемый ток будет изменяться в зависимости от приложенного напряжения: и идеальный источник, и резистор будут потреблять ток одновременно.

Сравните это моделирование неидеального источника тока с симуляцией идеального источника тока выше:

Exercise Щелкните схему, щелкните «Simulate» и «Run DC Sweep». Теперь, когда существует конечное (больше не бесконечное) внутреннее сопротивление, график тока больше не является плоским с внешним приложенным напряжением.


Поскольку истинного идеального напряжения не существует, а источники тока - это природа, у проектировщика есть три варианта:

  1. Смоделируйте все нелинейное поведение источника. Это часто бывает сложно понять.
  2. Смоделируйте линеаризованное поведение источника вблизи его рабочей точки. Это намного проще и легче для понимания.
  3. Считайте неидеальный источник «достаточно близким» к идеальному (нулевое или бесконечное внутреннее сопротивление). Это наименьшая сложность и простота понимания.

С практической точки зрения это решение, которое может и должен делать инженер.Обычно моделирование как №2 или №3 в некотором ограниченном диапазоне, где мы считаем, что эффект «достаточно плоский, чтобы линеаризовать» или «достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать», является хорошим решением, если только мы не проектируем напрямую преднамеренно нелинейный источник.

Неидеальные источники напряжения и тока, показанные на этой странице, также называются эквивалентными схемами Тевенина и Нортона, которые мы изучим в следующем разделе.


В следующем разделе «Земля» мы поговорим о концепции единой точки отсчета нулевого напряжения - концепции, которая невероятно широко используется и невероятно сбивает с толку многих новичков.


Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2021, ultimateelectronicsbook.com. Доступно. (Авторское право © CircuitLab, Inc., 2021)

Источники напряжения - Electronics-Lab.com

Введение

В этом руководстве мы подробно представляем архитектуру, функционирование и использование важного электронного элемента, известного как источник напряжения .

Сначала мы представляем базовую концепцию, которая представляет собой идеальный источник напряжения , и даем введение в генераторы переменного тока и батареи, поскольку они представляют собой наиболее распространенные типы источников напряжения переменного / постоянного тока.

Кроме того, мы подчеркиваем, что эти элементы, как и их названия, предполагают, что они идеальны и поэтому не встречаются в реальных схемах, поэтому мы представляем и обсуждаем реальные источники напряжения . Кроме того, мы устанавливаем некоторые правила подключения, которым необходимо следовать, чтобы правильно реализовать источники напряжения в цепи.

Зависимые источники подробно описаны в третьем разделе, где мы увидим, что некоторые источники напряжения могут управляться входом напряжения или тока.

Презентация

Генераторы

Источником напряжения является электрический генератор, который вырабатывает электродвижущую силу из другой формы энергии. Наиболее распространенными источниками напряжения являются генераторы и батареи .

Генераторы переменного тока

преобразуют энергию путем механического вращения в сигнал переменного тока . и их функционирование благодаря явлению электромагнитной индукции объясняется в учебном пособии по синусоидальным сигналам.

рис 1: Архитектура и функционирование генератора переменного тока
Батареи

С другой стороны, батареи преобразуют химическую энергию в сигнал постоянного тока благодаря реакции восстановления-окисления . Одним из наиболее распространенных типов, безусловно, является литий-ионная батарея , функциональная схема которой представлена ​​на рис. 2 ниже:

. рис 2: Зарядка / разрядка литий-ионного аккумулятора
Идеальные источники напряжения

Идеальный источник напряжения - это элемент, который может обеспечивать постоянное значение напряжения независимо от тока, протекающего через выходную нагрузку.Это определение действительно как для источников постоянного, так и для переменного тока, в случае переменного тока постоянным остается среднеквадратичное значение.

Следующий Рисунок 3 показывает, как источник напряжения обычно изображается на принципиальной схеме, и связанные с ним характеристики напряжение / ток. Обратите внимание, что не делается различия между источником постоянного или переменного тока, поэтому метки V и I могут относиться к значениям постоянного или среднеквадратичного значения.

Рис. 3: Идеальный источник напряжения, питающий нагрузку с полным сопротивлением Z (слева) и связанной с ним вольт-амперной характеристикой (справа)

. Важно помнить, что идеальные источники напряжения характеризуются плоской характеристикой V / I.Следствием такой характеристики является то, что идеальный источник теоретически может выдавать любое количество энергии (В × I) без каких-либо потерь.

Это утверждение, конечно, неверно, в реальных источниках подаваемая мощность ограничена потерями, происхождение которых является внутренним по отношению к источнику, как мы увидим в следующем разделе.

Источники реального напряжения

Как указывалось ранее, реальные источники напряжения не имеют плоской характеристики V / I . Эти потери мощности, влияющие на источник, моделируются внутренним сопротивлением (или сопротивлением источника), обозначенным R S и включенным последовательно с источником напряжения.

Рисунок 4 иллюстрирует принципиальную схему реального источника напряжения вместе с его вольт-амперной характеристикой:

рис. 4: Реальный источник напряжения, питающий нагрузку с полным сопротивлением Z (слева) и соответствующими характеристиками напряжения / тока (справа)

Значение R S является важным параметром для характеристики источников напряжения, оно также известно как регулировка напряжения .

Правила подключения

Необходимо помнить о некоторых правилах подключения при включении источников напряжения в цепь.

Первый и самый важный - это , чтобы не помещать источник напряжения в короткое замыкание, мы также можем сказать, чтобы не закорачивать источник, например, как показано на Рисунок 5 .

рис. 5: Источник напряжения закорочен, соединение запрещено

Укорочение источника напряжения фактически эквивалентно приложению разности потенциалов V к сопротивлению, равному нулю, что приводит к стремлению активной мощности к бесконечности. На практике внутреннее сопротивление источника и соединительных проводов просто будет подвергаться сильному току, что приведет к их плавлению или необратимому повреждению источника.

Второе правило касается параллельных соединений между 2 или более источниками напряжения. Никогда не рекомендуется подключать источники напряжения параллельно без каких-либо компонентов между ними, даже если их номиналы строго идентичны.

Рис. 6: Источники напряжения в параллельной конфигурации, не рекомендуется подключение

Первая причина, по которой схема на Рис. 6 не реализована, заключается в том, что между источниками может возникнуть короткое замыкание. В этом примере разность потенциалов 5V создается между проводом, соединяющим источники, вызывая быстрое увеличение тока, поскольку эквивалентное сопротивление равно нулю.

Более того, выходная нагрузка Z выберет источник, который может быстрее доставить необходимую мощность. Только источник 10 В будет работать, а источник 5 В будет непродуктивным.

Наконец, допускается подключение источников напряжения с одинаковыми или разными значениями в серии , и это часто встречается для соединения аккумуляторов вместе (называемых батареей) для получения более высокого напряжения, как показано на рис. 7 .

рис. 7: Источники напряжения в последовательной конфигурации, разрешенное соединение

Результирующее выходное напряжение на клеммах батареи источников представляет собой алгебраическую сумму различных используемых источников.Когда источники подают напряжение в одном направлении (левая цепь), абсолютные значения добавляются, когда направления различаются (правая цепь), абсолютные значения вычитаются.

Зависимые источники

Значения источников напряжения, представленные в предыдущих разделах, являются фиксированными и не зависят от какого-либо параметра или элемента окружающей цепи, поэтому они квалифицируются как независимых источников .

В этом последнем разделе мы представляем другой тип источника напряжения, известный как зависимых источников , значение которого коррелирует с параметром.

Зависимые источники - это четырехполюсных компонента , обозначенных ромбовидной формой на принципиальных схемах:

рис. 8: VCVS (слева) и CCVS (справа)

В случае источников напряжения параметром управления может быть либо входное напряжение (V IN ), либо ток (I IN ). В первом случае мы называем его источником напряжения с управляемым напряжением (VCVS) , во втором случае мы упоминаем его как Current Controlled Voltage Source (CCVS) .

Источник напряжения с управляемым напряжением (VCVS)

Для VCVS безразмерный коэффициент (k), называемый коэффициентом усиления , связывает входное напряжение и выход, генерируемый источником.

VCVS всегда управляется более или менее сложной схемой, которая обеспечивает входное напряжение, которое будет генерировать выходное напряжение для питания выходной нагрузки. Типичная схема VCVS проиллюстрирована на рис. 9 :

Рис. 9: Схема VCVS

В этом примере мы хотим показать, как получить неизвестные выходные параметры V S и I S .

Прежде всего, отметим, что управляющий каскад состоит из идеального источника напряжения, обеспечивающего 10 В для цепи делителя напряжения (R 1 и R 2 ). Поскольку R 1 = R 2 , выходное напряжение делителя напряжения (или вход зависимого источника напряжения) составляет половину В 1 и равно В IN = 5 В .

Поскольку коэффициент усиления VCVS установлен равным 20, мы можем сделать вывод, что В S = 20 × В IN = 100 В. Выходной ток просто вычисляется по закону Ома: I S = V S / R 3 = 0,5 A .

Источник тока с регулируемым напряжением (CCVS)

Для CCVS коэффициент, связывающий входной ток с выходным напряжением, составляет , обозначенный как R , что не является совпадением, поскольку он выражается в единицах Ом (Ом).

Типичный CCVS может быть спроектирован аналогично архитектуре, представленной на Рисунок 9 для VCVS:

Рис 10: Цепь CCVS

Входной ток I IN зависимого источника напряжения просто определяется законом Ома: I IN = V 1 / (R 1 + R 2 ) = 5 мА .

Напряжение, подаваемое CCVS, определяется умножением этого входного тока на коэффициент R: V S = R × I IN = 0,5 В . Мы применяем против закона Ома, чтобы найти выходной ток I S = V S / R 3 = 2,5 мА .

Заключение

Наиболее распространенными устройствами, которые могут быть квалифицированы для источников напряжения, являются генераторы переменного тока и батареи. Генераторы переменного тока преобразуют механическую энергию в выход переменного тока благодаря явлению электромагнитной индукции .С другой стороны, батареи обеспечивают выход постоянного тока от химического источника энергии.

В идеале, имеем ли мы дело с устройством постоянного или переменного тока, источник напряжения должен обеспечивать стабильное и постоянное выходное значение независимо от выходной нагрузки и, следовательно, тока, который должен быть обеспечен. Идеальные источники напряжения определяются плоской характеристикой напряжения / тока, которая подразумевает, что на нагрузку может подаваться бесконечное количество энергии.

Однако источники напряжения, которые можно найти в реальных схемах, никогда не бывают идеальными, поскольку они имеют внутреннее сопротивление (R S ), которое рассеивает часть производимой ими мощности.Это внутреннее сопротивление является моделированием, которое отражает некоторые явления рассеяния, компонент физически не присутствует в конструкции источника напряжения. Источники реального напряжения имеют вольт-амперную характеристику, определяемую функцией V = V , идеальный -RS × I , при сравнении с идеальной характеристикой он представляет собой небольшой наклон значения -R S .

Далее приведены некоторые важные правила подключения для источников напряжения. Укорочение и подключение источников напряжения параллельно не рекомендуется, так как это может привести к быстрому увеличению тока, что часто приводит к сгоранию проводов или компонентов.Однако допускается последовательное соединение источников напряжения, которое обычно увеличивает общее выходное напряжение.

Наконец, последний раздел этого руководства представляет зависимые источники напряжения. Выход этого типа источника управляется входом, который может быть двух видов:

  1. Источники напряжения с управляемым напряжением (VCVS) управляются входом напряжения
  2. Источники напряжения с регулируемым током
  3. (CCVS) управляются токовым входом

Мы представляем для каждого источника типичную схему и способы вычисления их выходных сигналов.

Идеальный источник напряжения

- обзор

1.4.4 Батареи

Закон Джоуля гласит, что резистор, по которому проходит ток, выделяет тепло. Электрическая энергия часто подается на резистор от батареи, которая, в свою очередь, получает энергию от химических реакций внутри батареи. Следовательно, выработка тепла с помощью R включает два превращения: от химического до электрического и теплового. Символ батареи показан на рис. 1.1 и на рис. 1.9a, причем более длинная полоса указывает на положительную полярность клемм аккумулятора.Батареи являются важными источниками электроэнергии, когда требуется постоянное напряжение.

Рисунок 1.9. (а) Идеальный аккумулятор. (б) Выходные характеристики идеальной батареи. (c) Внутреннее сопротивление идеальной батареи соответствует сопротивлению короткого замыкания.

Прежде чем мы проанализируем практические аккумуляторы, давайте сначала охарактеризуем идеальные аккумуляторы или идеальные источники напряжения. Идеальная батарея определяется как батарея, которая поддерживает постоянное напряжение, скажем, В, , , , на своих выводах, независимо от того, течет ток или нет.Следовательно, напряжение В B идеальной батареи полностью не зависит от тока, как показано на рис. 1.9b. Такой источник также называется независимым источником (источник, подключенный к цепи, считается независимым, если его значение может быть присвоено произвольно 10 . Поскольку идеальная батарея будет поддерживать напряжение В B через его клеммы даже при коротком замыкании, 11 , мы заключаем, что такой источник может теоретически обеспечивать бесконечную мощность (поскольку P = В 2 / R , поскольку R → 0, P → ∞).Отсюда и название идеальный источник . Мы также видим, что наклон кривой ν - i на рис. 1.9b равен нулю. Применение закона Ома, R = V / I , к такой горизонтальной линии ν - i означает нулевое сопротивление. Таким образом, мы заключаем, что внутреннее сопротивление идеального источника равно нулю. Это объясняет, почему идеальная батарея вызывает бесконечный ток при коротком замыкании. Игнорируя трудности, которые создают бесконечности, мы узнаем, что, глядя на клеммы идеальной батареи, мы видим короткое замыкание (теперь мы используем общий язык схем).Другими словами, если бы мы каким-то образом могли повернуть циферблат и уменьшить напряжение V B идеальной батареи до нуля, мы бы остались с коротким замыканием, как показано на рис. 1.9c.

Обычно источники напряжения в принципиальных схемах представляют идеальными источниками, что нормально, если в схеме нет путей, замыкающих такие источники (если они есть, то схема неисправна и не представляет собой действительную схему. так или иначе). С другой стороны, практические источники всегда имеют конечное внутреннее сопротивление, как показано на рис.1.10a, который ограничивает ток до бесконечных значений в случае короткого замыкания батареи. Конечно, R i не является настоящим резистором внутри батареи, а представляет собой абстракцию химического состава реальной батареи и учитывает уменьшение напряжения на клеммах при увеличении тока нагрузки. Внутреннее напряжение В, , , B, также называется электродвижущей силой (ЭДС) батареи. Из нашего предыдущего обсуждения мы легко делаем вывод, что мощные батареи характеризуются низким внутренним сопротивлением (0.005 Ом для полностью заряженного автомобильного аккумулятора), и меньшие, менее мощные аккумуляторы за счет большего внутреннего сопротивления (0,15 Ом для щелочной батареи фонарика, размер «C»).

Рисунок 1.10. (а) Практичный аккумулятор с ЭДС V B и внутренним сопротивлением R i . (б) Характеристики разряда двух типов батарей.

Еще одной характеристикой практичных аккумуляторов является их возрастающее внутреннее сопротивление при разряде. Например, рис.1.10b показывает зависимости напряжения на клеммах от часов непрерывной работы для двух типов. Ртутный элемент поддерживает свое напряжение на практически постоянном уровне 1,35 В в течение всего срока службы (но резко падает, когда батарея разряжена) по сравнению с обычными элементами фонарика, которые начинаются с 1,55 В, но постоянно снижаются по мере использования. Другие типы (литиевые, 3,7 В, очень долгий срок хранения, более 10 лет; никель-кадмиевые, 1,25 В, герметичные, но перезаряжаемые; свинцово-кислотные, 2 В, мощные и перезаряжаемые, используются в качестве автомобильных аккумуляторов при последовательном подключении по три батареи). ячейка 6 В или блоки с шестью ячейками 12 В) находятся где-то между двумя кривыми.Скорость уменьшения доступного напряжения по мере разряда батареи определяется химической реакцией внутри батареи. Хотя химия аккумуляторов выходит за рамки этой книги, нас интересует то, что снижение химической активности во время разряда может быть связано с увеличением внутреннего сопротивления аккумулятора. Следовательно, полностью заряженный аккумулятор можно рассматривать как обладающий низким внутренним сопротивлением, которое постепенно увеличивается по мере использования аккумулятора и становится очень большим для разряженного аккумулятора.

На рисунке 1.11a показана схема, в которой практическая батарея подключена к нагрузке, представленной как R L , и подает питание на нагрузку. R L может быть эквивалентным сопротивлением радио, телевизора или любого другого электрического устройства или оборудования, которое должно питаться от батареи. Доступная для нагрузки мощность равна i 2 R L . Однако, поскольку батарея имеет внутреннее сопротивление, энергия также будет рассеиваться внутри батареи.Внутренние потери задаются формулой i 2 R i и будут отображаться как внутреннее тепло. Поэтому опасно закорачивать мощную батарею, так как вся доступная энергия батареи будет быстро преобразована во внутреннее тепло, и, если закорачивающий элемент быстро не расплавится, возможен опасный взрыв.

Рисунок 1.11. (a) Практическая батарея с подключенной переменной нагрузкой, (b) Характеристики источника с возрастающей нагрузкой, (c) Характеристики истощаемого источника.

Предположим на время, что R i является постоянным, но нагрузка R L является переменной (показано стрелкой на R L на рис. 1.11а) и проанализируйте схему по мере увеличения нагрузки на аккумулятор. Используя закон напряжения Кирхгофа (уравнение 1.10), получаем для схемы

(1,22) VB = iRi + iRL

Напряжение на нагрузочном резисторе, ν L = iR L , что составляет также доступное напряжение на клеммах внешней батареи, дается из уравнения.(1.22) как

(1.23) υL = VB − iRi

Это уравнение прямой линии с постоянным наклоном - R i и построено на рис. 1.11b. Таким образом, доступное напряжение - это ЭДС батареи за вычетом внутреннего падения напряжения батареи. Ток, который течет в последовательной цепи, получается из уравнения. (1,22) as

(1,24) i = VBRi + RL

По мере уменьшения сопротивления нагрузки R L нагрузка на аккумулятор увеличивается.Как показано на рис. 1.11b, это сопровождается уменьшением доступного напряжения ν L , что обычно является нежелательным результатом. Исключив i из ур. (1,23) и (1,24) для получения

(1,25) υL = VBRLRi + RL

показывает уменьшение ν L с V B по мере уменьшения R L . Таким образом, при отсутствии нагрузки на аккумулятор ( R L очень большой) доступное напряжение максимально при ν L В B , но для большой нагрузки ( R L ≈ 0) доступное напряжение падает до ν L ≈ 0.Коммунальные предприятия, например, испытывают трудности с поддержанием постоянного напряжения летом, когда спрос на электроэнергию увеличивается в основном из-за энергоемкого оборудования для кондиционирования воздуха. 12 Условия ниже нормального напряжения (обычно называемые отключениями) вызывают чрезмерную нагрузку на электрическое оборудование потребителей, что приводит к перегреву и, в конечном итоге, к отказу. 13 Очевидным решением проблемы сбоев является уменьшение внутреннего сопротивления R i генерирующего оборудования, поскольку это уменьшит наклон кривой на рис.1.11b путем перемещения точки пересечения V B / R i вправо, таким образом приближая кривую к кривой идеального источника на рис. 1.9b. Разумеется, оборудование с низким содержанием R i означает более крупные и более дорогие генераторы.

Чтобы получить рис. 1.11b, мы предположили, что внутреннее сопротивление R i остается постоянным при изменении сопротивления нагрузки R L .Рассмотрим теперь случай, когда нагрузка R L остается постоянной, но изменяется R i . Примером этого является разряд аккумулятора включенным фонариком, который оставляют включенным до тех пор, пока аккумулятор не разрядится. На рисунке 1.11c показана кривая ν - и для разряда батареи со стрелками, показывающими прогрессирование разряда. Мы видим, что полностью заряженная батарея, начиная с небольшого внутреннего сопротивления ( R i ≈ 0), может выдавать ток i V B / R L и напряжение ν L В B .После разряда ( R i ≈ ∞) ток (уравнение 1.24) и напряжение на клеммах (уравнение 1.25) равны нулю.

Подводя итог, можно сказать, что причина того, что ток падает до нуля при разряде батареи, заключается не в том, что ЭДС, величина которой равна В B , стремится к нулю, а в том, что внутреннее сопротивление R i изменяется на очень большое значение. Можно предположить, что ЭДС разряженной батареи все еще не повреждена, но внутреннее сопротивление стало очень большим. R i , таким образом, является переменной, зависящей от состояния заряда и возраста (срока годности) аккумулятора.

Чтобы измерить ЭДС батареи, мы снимаем нагрузку, то есть размыкаем цепь батареи, и когда ток i исчезает, мы получаем из уравнения. (1.23) что ν L = V B ; напряжение, возникающее на клеммах аккумулятора в разомкнутой цепи, является ЭДС аккумулятора. Для измерения ЭДС даже почти полностью разряженной батареи можно подключить к клеммам батареи вольтметр с высоким сопротивлением (10 7 Ом или больше).Такой вольтметр приближается к нагрузке с разомкнутой цепью и требует лишь малейшей струйки заряда, чтобы получить показания. Если входное сопротивление измерителя намного больше, чем R i , показание будет мерой V B батареи.

Чтобы измерить R i батареи, можно коротко замкнуть батарею на очень короткое время, подключив амперметр к батарее и считывая ток короткого замыкания.(Поскольку это опасная процедура, ее следует выполнять только с менее мощными батареями, такими как элементы фонарика. Она также может сжечь амперметр, если не используется соответствующая высокоамперная шкала на измерителе.) Затем задается внутреннее сопротивление. по V B / I sc . Менее рискованная процедура - подключить к батарее переменное сопротивление и измерить напряжение ν L . Продолжайте изменять сопротивление до тех пор, пока напряжение не станет равным половине В B .В этот момент переменное сопротивление равно R i . Если это по-прежнему слишком рискованно, так как при этом оказывается слишком низкое сопротивление батареи, рассмотрите процедуру, описанную в следующем примере.

Пример 1.3

Определите R i щелочной батареи (размер C), загрузив в элемент резистор 1 Ом.

Рассмотрим рис. 1.11а. Известно, что V B для щелочного элемента равно 1.5 В. Измеряя напряжение на резисторе 1 Ом, мы получаем 1,3 В, что должно оставлять падение напряжения 0,2 В на R i . Поскольку ток в цепи равен i = 1,3 В / 1 Ом = 1,3 А, для внутреннего сопротивления получаем R i = 0,2 В / 1,3 А 0,15 Ом.

Знаковое соглашение для источников | Прядильные числа

Условные обозначения для идеальных источников

Источники напряжения

Напряжение на идеальном источнике напряжения не зависит от протекающего через него тока.Идеальный источник напряжения можно определить с помощью следующего уравнения: $ v = \ text V $, например: $ v = 1.5 \, \ text V $. В уравнении нет члена, относящегося к текущему $ i $. Если вам нужно маркировать ток через источник напряжения, это можно сделать несколькими способами. В общем, варианты такие:

  1. Текущий лейбл отсутствует. Обычно не требуется маркировать ток через источник напряжения. Окружающий контекст цепи определяет направление тока (рисунок 1).

  2. Если вы выполняете расчеты мощности, $ v \ cdot i $, вам, вероятно, нужен правильный знак для мощности: знак $ + $ для рассеивания мощности и знак $ - $ для генерации.Используйте то же соглашение, которое мы определили для пассивных компонентов: ток направляет в положительную клемму напряжения источника напряжения (рисунок 2).

объяснение 1

  1. Если важно (или утешительно), чтобы знак тока в источнике напряжения имел положительный знак, тогда используйте соглашение, согласно которому стрелка тока указывает из клеммы положительного напряжения (рисунок 3).

объяснение 2

В большинстве случаев ток вытекает из положительной клеммы источника напряжения.Если вы примените соглашение о знаках пассивных элементов к источнику напряжения, в большинстве случаев ток будет иметь отрицательный знак. Текущее направление стрелки может показаться «неправильным» или вас может раздражать, но технически это не ошибка. Это просто означает, что у тока есть знак $ - $, что не имеет большого значения.

Я предпочитаю маркировать источники напряжения первый вариант: без условных обозначений. В разных учебниках учат всем вариантам этой условности знаков. Относитесь терпимо к тем, кто учился по другой книге.В конце концов, каждый получает правильный ответ.

«объяснение 1»: «Преимущества этой конвенции» «Одним из преимуществ этого соглашения является то, что расчеты мощности имеют правильный знак. Если мы говорим, что рассеиваемая мощность имеет знак $ + $, это соглашение означает, что знак мощности подходит как для пассивных компонентов, так и для источников. Думайте об этом так: источники «рассеивают» отрицательную энергию, что означает, что они генерируют энергию.

Предположим, что источник напряжения $ v_s = 5 \, \ text {volts} $ подает $ 200 \, \ text {mA} $ в цепь, при этом ток течет через положительный вывод.Согласно этому соглашению (стрелка тока указывает на источник напряжения) $ i_s $ будет иметь значение $ -200 \, \ text {mA} $. Фактический ток протекает напротив стрелки тока.

Мощность, «рассеиваемая» источником напряжения, равна $ v_s \, i_s $ или $ 5 \, \ text V \ cdot -200 \, \ text {mA} = - 1 \, \ text {watt} $. Знак минус на «рассеянии» мощности означает, что источник напряжения вырабатывает $ + 1 $ ватт.

объяснение 2 ” «Преимущества этой конвенции» «Использование этого третьего соглашения означает, что ток от источника напряжения или батареи почти всегда будет иметь положительный знак.Исключением является заряжаемый аккумулятор. В этом случае ток принудительно протекает через на положительный вывод и принимает знак $ - $.

Этикетка может не соответствовать фактическому напряжению

Этикетка на источнике напряжения обычно ориентирована так, чтобы стрелка полярности указывала в том же направлении, что и фактическое напряжение, генерируемое источником (1a.), Но нет закона, который предписывал бы это. Черные знаки $ + $ и $ - $ внутри круга символа показывают фактическую ориентацию источника напряжения.Допускается обозначать этикетку на источнике напряжения с полярностью, противоположной полярности самого источника (1b.). Это может выглядеть странно, но не сломано.

Источник напряжения с двумя альтернативными метками,

* 1. Один и тот же источник напряжения обозначен двумя способами, оба действительны: 1а. Обычная этикетка. $ v_ {s1} = \ text V $. 1b. Тот же источник напряжения с перевернутой этикеткой напряжения. Текущая стрелка также перевернута. Это означает $ v_ {s2} = - \ text V $ и $ i_ {s2} = -i_ {s1} $. *

Для символа батареи длинная черная линия указывает на положительный полюс батареи.Аккумулятор с двумя альтернативными этикетками,

* 2. Одна и та же батарея маркирована двумя способами, оба действительны: 2а. Обычная табличка с аккумулятором. $ v_ {B1} = 1.5 \, \ text V $ 2b. Тот же аккумулятор с перевернутой этикеткой. Текущая стрелка также перевернута. Это означает, что $ v_ {B2} = -1,5 \, \ text V $ и $ i_ {B2} = -i_ {B1} $. *

Когда вы можете направить этикетку напряжения «назад»? Когда мы узнаем о законе напряжения Кирхгофа, иногда бывает полезно направить все стрелки напряжения в одном направлении по контуру (чтобы упростить получение правильных знаков в уравнении).Если одним из элементов контура является аккумулятор или источник напряжения, стрелка напряжения может указывать противоположную фактической полярности напряжения.

Помните, что метки напряжения - это просто метки, они служат для определения опорного направления напряжения в контексте всей схемы. Этикетки не определяют внутренние свойства источника напряжения или батареи; это работа черного символа.

В некотором смысле метка напряжения похожа на вектор силы в механике: если вы назначите вектор, идущий вверх, а затем прогоните математику и обнаружите, что ваш ответ отрицательный, это означает, что на самом деле он падает.Направление таково, чтобы у вас было четкое представление о том, в каком направлении на самом деле движутся дела, когда все сказано и сделано.

Источники тока

Ток через идеальный источник тока не зависит от напряжения на нем. Уравнение, описывающее источник тока: $ i = \ text I $, например: $ i = 1 \, \ text A $. Напряжение $ v $ не фигурирует в этом уравнении.

Источники тока обычно маркируются стрелкой тока, совпадающей с направлением стрелки символа, и без индикации напряжения.Фактическое напряжение на источнике тока будет определяться анализом окружающей цепи. Если вам по какой-либо причине необходимо маркировать напряжение, это обычно делается, как показано в варианте 2, аналогично соглашению о знаках для пассивных компонентов.

изображение 3

Варианты маркировки источника тока: 1. Только текущая стрелка. Полярность напряжения определяется окружающими компонентами. 2. Стрелка тока и полярность напряжения с использованием условных обозначений для пассивных компонентов.

источников энергии

источников энергии

Идеальные источники энергии:

Рассмотрим следующий идеальный источник напряжения и идеальный ток источник, оба напрямую подключены к нагрузочному резистору. Мы хотим чтобы найти как напряжение нагрузки, так и ток нагрузки через :

  • Идеальный источник напряжения обеспечивает постоянное напряжение независимо от тока через него. Идеальный источник напряжения может обеспечить постоянное напряжение на любое количество резисторов, включенных параллельно источник, независимо от того, сколько тока они потребляют.
  • Идеальный источник тока обеспечивает постоянный ток, не зависящий от напряжения на нем. Идеальный источник тока может обеспечить постоянный ток на любое количество резисторов, включенных последовательно с источник.

Однако в реальности таких идеальных источников не существует по следующим причинам: дилеммы:

  • Если (короткое замыкание), напряжение нагрузки ,
  • Если (обрыв цепи), ток нагрузки ,

Реалистичный источник напряжения:

На самом деле все источники напряжения (например,г., аккумулятор или усилитель напряжения схему) можно более реалистично смоделировать с помощью идеального источника напряжения последовательно с ненулевым внутренним сопротивлением , что вызывает внутреннее падение напряжения из-за тока, потребляемого нагрузкой, так что фактическое выходное напряжение на нагрузке ниже чем . Напряжение и ток нагрузки ограничиваются следующие два отношения, налагаемые источником напряжения а также Загрузка :

(101)
Решая и, получаем:
(102)

На графике V-I кривая функции для напряжения источник пересекается с осями в двух точках: (1) напряжение холостого хода при а также следовательно, и (2) ток короткого замыкания , когда и следовательно .Наклон кривой - это внутреннее сопротивление источник напряжения.

Кривая функции нагрузки - это просто закон Ома, с уклоном. Решая эти два уравнения, мы получаем напряжение и ток нагрузки.

Чтобы выходное (нагрузочное) напряжение было максимально приближено к источнику напряжения по возможности внутреннее сопротивление источника напряжения в идеале должен быть как можно меньше.

Только в случае идеального источника напряжения с волей. Ведь чем тяжелее нагрузка, т.е.е., чем меньше, тем больше ток нагрузки, и чем ниже напряжение нагрузки:

(103)
В частности, при коротком замыкании нагрузки () выход напряжение аккумулятора равно нулю (вместо указанного), т.к. падение напряжения на ненулевом внутреннем сопротивлении такое же as, т. е. электрическая энергия батареи потребляется внутри, без подачи энергии во внешнюю цепь.

Реалистичный источник тока:

На самом деле все текущие источники (например,г., солнечная батарея или усилитель тока цепь) можно смоделировать идеальным источником тока параллельно с ненулевое внутреннее сопротивление , которое вызывает внутренний ток так что фактический выходной ток через нагрузку ниже чем. Напряжение и ток нагрузки ограничены следующие два отношения, наложенные текущим источником а также Загрузка :

(104)
Решая и, получаем
(105)

На графике V-I кривая функции для текущий источник пересекается с осями в двух точках: (1) напряжение холостого хода при и, следовательно, и (2) ток короткого замыкания , когда и следовательно .Наклон кривой - это внутреннее сопротивление Источник тока.

Функциональная кривая (т.е.) для нагрузки имеет вид просто закон Ома, с помойкой. Решая эти два уравнения, мы получаем напряжение и ток нагрузки.

Наклон первой кривой - это внутреннее сопротивление, а наклон второй кривой. Решая эти два уравнения, мы получаем напряжение нагрузки и ток.

Чтобы выходной (нагрузочный) ток был максимально приближен к источнику тока по возможности внутреннее сопротивление источника тока должно быть как как можно больше, в идеале .

Только в случае идеального источника тока будет а также . Для , чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше Текущий .

(106)

Преобразование источника энергии

Любые две цепи с одинаковым соотношением напряжения и тока ( V-I характеристики ) на выходном порте с эквивалентны друг другу, поскольку имеют одинаковое внешнее поведение, хотя внутренне они могут отличаться.

Сравнение вольт-амперных отношений двух источников энергии:

  • Источник напряжения ():
    (107)
  • Текущий источник :
    (108)
Если и , то два источника имеют одинаковые V-I характеристики и поэтому эквивалентны друг другу. Мы также вижу, что
  • неидеальный источник напряжения можно преобразовать в неидеальный источник тока ,
  • неидеальный источник тока можно преобразовать в неидеальный источник напряжения .

Оба указанных выше источника энергии можно рассматривать как напряжение или текущий источник.

Внутреннее сопротивление:

Внутреннее сопротивление можно найти как абсолютное значение наклон прямой ВАХ:

(109)
где и - соответственно разность напряжений и ток между любыми двумя точками на линии, который можно выбрать произвольно.Наиболее удобным выбором будут пересечения прямая с осями и:
(110)
В любом случае у нас есть:
(111)

Хотя этот метод можно использовать для определения внутреннего сопротивления не зная ни одного, ни теории, это может быть непрактичным, поскольку ток короткого замыкания получить трудно (источник напряжения может быть поврежденным). Вместо этого мы можем найти еще два напряжения и тока и () соответствует двум нагрузочным резисторам и .Тогда можно найти как наклон прямой, определяемый по двум точкам а также . Мы видим, что предыдущий метод можно рассматривать как частный случай, когда (разомкнутая цепь) и (короткое замыкание).

Пример 1:

Данный источник напряжения и можно преобразовать в текущий источник с таким же (и наоборот). Нагрузка из получает от этого источника энергии напряжение (80% источник напряжения) и ток (20% от источника тока).В виде источник энергии имеет низкое внутреннее сопротивление, хорошее напряжение источник, но плохой источник тока.

Пример 2:

Данный текущий источник и можно преобразовать в источник напряжения с таким же (и наоборот). Нагрузка из получает от этого источника энергии напряжение (20% источника напряжения) и ток (80% от текущего источника). Поскольку источник энергии имеет высокое внутреннее сопротивление, это хороший ток. источник, но плохой источник напряжения.

Подача / поглощение энергии

  • Источник напряжения
    • Если направление тока в цепи таково, что проходит внутри источника напряжения из-за его низкого потенциала (-) до высокого (+), а внешне через остальную часть цепи от от высокого к низкому, то полярности напряжения и тока равны согласованный (как положительный, так и отрицательный, в зависимости от предполагаемого полярность), а источник выдает мощность.
    • Если направление тока обратное, то мощность будет отрицательным, т. е. источник напряжения действительно получение мощности. Типичный пример - аккумулятор в вашем автомобиль, работающий в любом из двух состояний.
  • Источник тока
    • Если полярность напряжения по току источник таков, что острие стрелки текущего источника при высоком потенциале (+) и хвосте стрелки при низком потенциале (-), тогда полярность напряжения и тока согласована, и источник тока поставляет мощность.
    • Если направление тока обратное, то мощность доставлено будет отрицательным, т. е. текущий источник на самом деле получение мощности.

Пример 3:

Ток в цепи, состоящей из идеального источника напряжения. и резистор . Потребляемая мощность резистор и источник напряжения а также , соответственно. Отрицательное значение указывает на то, что мощность действительно не потребляется, а генерируется источником напряжения (преобразовано из других формы энергии, e.г., химические, механические и т. д.)

Пример 4:

В схеме, показанной ниже, идеальным источником тока является, а идеальный источник напряжения есть, резистор есть. Найти сквозной ток и напряжение на каждом из трех компонентов. Найти мощность, передаваемая, поглощаемая или рассеиваемая каждым из трех компонентов.

Источник тока обеспечивает ток через левую ветвь (вверх), а источник напряжения обеспечивает на всех трех составные части.Текущий через (вниз), по KCL, ток через источник напряжения равен . Таким образом, у нас есть:

(Домашнее задание) Повторите вышеуказанное с обратной полярностью. Находить:

  • Мощность, рассеиваемая:
  • Мощность, полученная / переданная источником напряжения:
  • Мощность, переданная / полученная источником тока:
Проверьте свои результаты, чтобы общая поставленная мощность была равна общей принимаемая и рассеиваемая мощность.

Отвечать

Комментарий: В то время как различные источники напряжения, такие как батареи, являются общими в повседневной жизни современные источники не кажутся широко доступными.Один Тип источника тока - солнечная батарея, вырабатывающая пропорциональный ток к интенсивности падающего света. Также некоторые транзисторные схемы предназначены для вывода постоянного тока. Более того, как обсуждалось выше, любые Источник напряжения может быть преобразован в источник тока. Например, источник тока с мА и может быть реализован от источника напряжения в серии с .

Пример 5 (Домашнее задание)

Реалистичный источник напряжения (например,г., аккумулятор) можно смоделировать как идеальный источник напряжения, включенный последовательно с внутренним сопротивлением. Идеально, напряжение может быть получено путем измерения напряжения холостого хода с вольтметром

(112)
в то время как внутреннее сопротивление может быть получено как отношение напряжение холостого хода к току цепи рубашки, которое можно измерить амперметром:
(113)

Однако на самом деле любой вольтметр имеет внутреннее сопротивление в параллельно измерителю, и любой амперметр имеет внутреннее сопротивление последовательно с измерителем.Для большей точности измерения следует маленький или большой, как насчет? Почему? Дайте выражение измеряемой напряжение холостого хода и ток короткого замыкания по правда и, а также и.

Предполагать . Какие - измеренное напряжение холостого хода, а ток короткого замыкания ? Учитывая, и известное, и как получить правда и используя ваш метод выше? Покажите свои числовые вычисления.

Отвечать

Разработайте метод получения истинного напряжения источника и внутреннего сопротивление по вольтметру и амперметру с известными а.Дайте выражение и через измеренное значение холостого хода напряжение, короткое замыкание и.

Отвечать

Пример 6 (Домашнее задание)

Обычно внутренние сопротивления вольтметра и амперметра не соответствуют легко известны (и значения могут меняться в зависимости от используемой шкалы). В качестве еще одного метода поиска источника напряжения мы можем Измерьте напряжение на двух разных нагрузочных резисторах подключен к источнику напряжения. Если значения значительно меньше внутреннего сопротивления вольтметра, вольтметр можно считать идеальным с .

Предположим, когда резистор нагрузки , напряжение на нем оказывается, что при другой нагрузке используется и напряжение на нем равно. Найти и источник напряжения.

Ответ:

(114)
т.е.
(115)
Вычитая, получаем
(116)
а также
(117)

Что такое источник напряжения | Electrical4u

Давайте посмотрим, определение источника напряжения, источника тока, идеальных источников напряжения, идеальных источников тока, независимых источников напряжения и независимых источников тока.

Источник напряжения:

Идеальный источник напряжения:

Источник напряжения, выходное напряжение которого остается постоянным при любом токе нагрузки или фиксированном напряжении при изменении нагрузки, известен как идеальный источник напряжения. Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю. Но на практике мы не можем построить идеальный источник напряжения, потому что без внутреннего сопротивления мы не можем построить источник напряжения. Также в реальном мире источник напряжения не может обеспечивать неограниченный ток.Источник напряжения - это двойник источника тока. Реальные источники электроэнергии, такие как батареи, генераторы и энергосистемы, могут быть смоделированы для целей анализа как комбинация идеального источника напряжения и дополнительных комбинаций элементов импеданса.
[wp_ad_camp_1]

Два типа источника напряжения:

  1. Зависимый источник напряжения
  2. Независимый источник напряжения

Зависимый источник напряжения:

Независимые источники напряжения, напряжение источника зависит от других источников напряжения или тока в той же цепи или сети.Зависимый источник напряжения бывает четырех различных типов.

  1. Источник напряжения, управляемый напряжением.
  2. Источник напряжения с регулируемым током.

Источник напряжения, управляемый напряжением:

Источник схемы выдает выходное напряжение, соответствующее напряжению зависимого элемента

Пример:

Источник тока, управляемый напряжением.

Источник выдает ток (поток электронов) в соответствии с напряжением зависимого элемента в той же сети

Пример:

Current Controlled источник тока.

Источник выдает ток в соответствии с током зависимого элемента в цепи.

Пример:

Источник тока с регулируемым током

Источник напряжения с регулируемым током:

Источник выдает напряжение, соответствующее току зависимого элемента в цепи.

Пример:

Примечание. Следует учитывать знак или полярность каждого зависимого элемента.

Независимый источник напряжения:

Независимое напряжение - это не что иное, как напряжение источника, не зависящее ни от величины, ни от направления тока, протекающего через источник.

Пример: Аккумулятор

Серия подключаемых независимых источников напряжения:

Рассмотрим выходное напряжение последовательно соединенных трех батарей V1, V2 и V3:
[wp_ad_camp_1]

Применить закон Кирхгофа о напряжении:

Следовательно, полное выходное напряжение равно алгебраической сумме всех отдельных источников напряжения.

Пример:

Приложение:

  1. Эта техника в основном используется в аккумуляторных системах хранения, т.е.e Система ИБП. Чтобы создать напряжение постоянного тока 320 В, мы должны соединить отдельные отдельные элементы с выходным напряжением 2 В каждый и 160 номеров батарей последовательно.
  2. Таким же образом, чтобы получить 110 В постоянного тока, нам нужно последовательно подключить 55 батарей. 110 В постоянного тока используется во всех системах управления электрическими распределительными устройствами. Пример: проводка звезда-треугольник, внутренняя и внешняя проводка выключателя, проводка управления турбиной, аварийные насосы и т. Д.

Ключевые точки:
  • В последовательно соединенных независимых источниках напряжения выходное напряжение будет увеличиваться, а общий ток будет равен одной емкости батареи (номинальный ток).То есть рассмотрим вышеупомянутый случай, когда 2-вольтовая батарея имеет 800 Ач (ампер-час), если 160 батареек подключены последовательно, это означает, что общее выходное напряжение составляет 320 В постоянного тока, а выходной ток составляет 800 Ач.
  • Все батареи должны быть идентичны. Не подключайте аккумулятор с низким номиналом (низкий AH) и аккумулятор с более высоким AH. Тогда выход AH уменьшится, и общий рейтинг может снизиться до низкого рейтинга. то есть в приведенном выше случае из 160 номеров одна батарея заменяется на 2 В, 400 Ач, тогда общий номинал будет снижен до 320 В, 400 Ач

Параллельно подключенные независимые источники напряжения:

Когда вы подключаете все батареи параллельно, выходной ток будет увеличиваться, но выходное напряжение останется прежним (номинальное напряжение отдельной батареи).

Пример: 3 числа по 12 Вольт, батарея 100 Ач подключена параллельно

Выходное напряжение => 12 В

Выходной ток => 300 Ач

Примечание: Все выходное напряжение батареи должно быть одинаковым, и ток не обязательно должен соответствовать номинальному значению.

Заявка: Этот метод используется для запуска тяжелого двигателя, такого как стартер дизельного генератора.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *