Глави
- Линейни електронни елементи
- Дивизия
- Идеална и истинска лин. ресурси
- Резистори
- Кондензатори
- Намотки
- Трансформатори
- литература
- тест
- Диоди
- Студентска работа
- Електротехнически измервания
Ти си тук
2. Идеална и истинска лин. ресурси
Много да се оформя малко за харчене
Ľudovít Štúr & comp.
Мнозина търсят смисъла на живота със скрит страх, че той може да е на работа
От писмен магазин за бижута: Активните компоненти са противоположността на пасивните компоненти,
тоест, ако са активни, всъщност са пасивни.
Сугестивна задача: Купете захранване с всяко напрежение. Умножете стойността на напрежението по две, добавете 4 V към резултата, разделете на две и извадете първоначалната стойност на захранващото напрежение от резултата. Имате напрежение от 2 V, вярно?
Но защо да купувате такъв източник, който искате да захранвате с такова напрежение?
Нов, брутално прост и логичен принцип на източника, без необходимост от енергийно снабдяване открити!
Електрическият източник е устройство, което може постоянно да доставя електрическа енергия към товар (уред). Според естеството си уредът го променя на: топлина, светлина, механична работа. Източниците доставят и електронни устройства, където захранващото напрежение е необходимо за изпълнението на електронни и ИТ функции. Разграничаваме източници на постояннотоково и променливо напрежение, линейни и нелинейни (с нелинейно вътрешно съпротивление), тип напрежение и ток, контролирани и неконтролирани.
Примери за ресурси под физически принцип на функция и конструкция: електрохимични клетки, батерии и акумулатори; динамо, променливи генератори - алтернатори; нетрадиционни източници на малки енергии: фотоклетка, термоелектрическа клетка, клетка на Хол, пиезоелектрична клетка. Тези източници са преобразуватели на някаква форма на енергия в електрическа енергия. За захранване на електронни устройства се използват предимно постояннотокови захранвания, захранвани от мрежата за променлив ток - мрежови ресурси. Те образуват специална група източници на сигнал, при които енергийната функция е по-малко важна, параметрите на генерираните сигнали са важни. Ще се занимаем с теоретични съотношения и характеристики, валидни за модели на неконтролирани източници на напрежение и ток, независимо от техния принцип и конструкция. Ключови термини за източници: вътрешно напрежение респ. ток, напрежение на клемите, вътрешно съпротивление (импеданс), захранване, характеристика на товара.
Характеристики на натоварване на източника е зависимостта на напрежението на клемите от величината на изтегления ток. Той е аналог на VACH пасивните елементи. Източниците, използвани за изтегляне на напрежения по вертикалната ос. Абстракцията на идеален източник без загуби е полезна за проектиране на вериги. Използвайки идеален източник и резистор със загуби, може да се създаде истински модел на източник.
2.1 Идеалният източник на напрежение
Характеризира се със стойността на вътрешното напрежение Uv и има нулево вътрешно съпротивление. Неговото терминално напрежение е равно на вътрешното напрежение и не зависи от тока на товара. Той е източник на постоянно напрежение. Величината на тока зависи от съпротивлението на натоварване: I = Uv/Rz. Токът на късо съединение не е определен (Ik → ∞).
2.2 Идеалният източник на захранване
Характеризира се със стойността на вътрешния ток Iv и има безкрайно вътрешно съпротивление. Токът, подаван към товара, е равен на вътрешния ток и не зависи от съпротивлението на товара. При промяна на натоварването напрежението на извода на източника се променя: U = Iv.Rz. Състояние на празен ход не е дефинирано (U → ∞).
2.3 Реално източник на напрежение
Характеризира се с вътрешно напрежение Uv и вътрешно съпротивление Rv. Моделира се чрез последователно свързване на идеален източник на напрежение с напрежение Uv и резистор за загуби със съпротивление Rv. Неговото терминално напрежение U с ток на натоварване намалява поради спада на напрежението във вътрешното съпротивление Rv .
По-лесен начин за определяне на U:
Uv . вътрешно захранващо напрежение (няма на терминалите)
Rv . вътрешно съпротивление
U . терминално напрежение на източника при определен ток, достъпен на клемите на източника
И К . ток на късо съединение, Ik = Uv/Rv (с късо съединение на клемите за захранване)
Забележка: Вътрешна устойчивост на загуби Rv не е истински компонент-резистор, а нежелано свойство на източника. Напр. причинява се от електролитна устойчивост на химическата клетка, в мрежовото захранване това е изходното съпротивление на стабилизатора, в прост източник с токоизправител е съпротивлението на диода и намотката на трансформатора и т.н.
Характеристики на натоварване на линейни и нелинейни източници на напрежение:
Наклонът на характерната линия изразява величината на стойността на вътрешното съпротивление Rv (всъщност това е обърнатият VACH резистор Rv = Uv/Ik).
На практика терминът източник на твърдо напрежение означава източник с ниско вътрешно съпротивление, мекият източник на напрежение има голямо вътрешно съпротивление. Вътрешното съпротивление на източника не може да бъде определено чрез измерване на тока на късо съединение, тъй като повечето източници на напрежение не са устойчиви на късо съединение, то се определя чрез измерване и използване на съотношението: Rv = ΔU/ΔI. (вижте примери)
2.4 Реален източник на ток
Характеризира се с вътрешен ток Iv и крайно вътрешно съпротивление Rv, което в заместващата верига е свързано паралелно с идеален източник на ток.
Ив . вътрешен (недостъпен) ток на източника
Rv . вътрешно съпротивление на източника
Аз . действителният ток на източника към товара
U . терминално напрежение на източника и товара
Източник на твърд ток е този, който има много високо вътрешно съпротивление. Той поддържа почти постоянен ток във веригата дори при голяма промяна в съпротивлението на натоварване.
Повечето електрически и електронни съоръжения и вериги изискват напрежение от твърд източник на напрежение за тяхната технологична функция. Източниците на ток се използват по изключение, например като част от някои интегрални схеми, или някои връзки с транзистори имат свойството на източници на ток.
Примери за източници на твърдо напрежение: захранване (гнездо), динамо, акумулатор, захранване със стабилизатор. Реализация на текущия източник вижте пример 2.8.7.
2.5 Примери за източници на ниско напрежение, ток и мощност
Всеки източник на електрическа енергия е преобразувател на някаква форма на енергия в електрическа енергия. Само споменатите вече мрежови източници променят el. енергия от AC мрежа към DC напрежение. Според метода на ел. източници на напрежение, които познаваме: работи на базата на електромагнитна индукция, електрохимични клетки и малки батерии, термоелектрически клетки, фотоелектрически клетки, пиезоелектрически клетки (единици, кристали), клетки на Хол с помощта на магнитни полета и елементи, използващи електростатична индукция. С изключение на електрохимичните клетки, това са предимно източници с много високо вътрешно съпротивление, т.е. те имат характер на източник на ток. Някои не се използват за захранване на товара (уреда), но като източници на сигнал или като активни сензори в системите за автоматизация и управление, някои генерират променливо - променливо напрежение. Накратко ще посочим техния физически принцип на функция и област на приложение.
Индуктивна елементи, работещи на базата на електромагнитна индукция, са например: динамо, индуктивни датчици за положение и скорост, електромагнитни и магнитоелектрични акустични преобразуватели. Забележка: динамо е въртяща се машина, която има пулсиращо постояннотоково напрежение на клемите, създадени чрез насочване на индуцираното променливо напрежение от механичен колектор.
Електрохимични клетки преобразува химическата енергия на електролитите и електродите в електрическа енергия. Акумулаторите позволяват множество процеси на съхранение на електричество. енергия под формата на химическа енергия - зареждане. Монодвойките и батериите се използват най-вече за захранване на преносими електронни устройства като: калкулатори, ел. часовници, плейъри, мобилни телефони и преносими измервателни уреди. Но те се използват и за захранване на крушки с ниска мощност. Фотоелектрически клетки (фотодиоди) преобразуват светлинната енергия на слънцето или дори изкуствени източници на светлина в напрежение. Те се използват като сензори - светлинни приемници във фотоклетки, оптрони и оптични връзки.
Фотоелектрическите клетки (в голям брой и с голяма площ за монтаж) до момента са единствената алтернатива за захранване на оборудването на космическите кораби и сателитните предаватели (разбира се, те се използват косвено, за зареждане на електрически батерии).
Пиезоелектрични единици създайте ел. напрежение при механично напрежение чрез огъване, огъване или въртящ момент. Те се използват като сензори за налягане, като кристални микрофони, но също така и като запалители (свещи).
Термодвойки те използват термоелектричния феномен, когато нагряването на съединение от два различни метала води до топлинно движение на свободните електрони от по-добър към по-лош проводник и генериране на напрежение. Те се използват най-вече като температурни сензори и измервателни уреди, напр. за управление на изгарянето на горелката на газовия котел.
Статия в залата създава ел. напрежение, пропорционално на големината на индукцията на магнитното поле, в което се съхранява. За функцията обаче се нуждае от DC захранване. текущ. Енергийният му баланс е със загуби, използва се като сензор и измервател на магнитното поле.
2.5.1 Еквивалентна подмяна на източник на напрежение и ток
Когато се решават схеми с няколко източника от различен тип, обикновено е необходимо да се използват източници от един тип в рамките на някакъв метод за решение. Следователно понастоящем има нужда от еквивалентна подмяна на източници на напрежение и ток. Това е възможно за реални ресурси, не е определено за идеални ресурси. Еквивалентната компенсация означава, че и двата източника имат еднакви ефекти във външната верига: едно и също напрежение на празен ход, един и същ ток на късо съединение, те доставят един и същ ток и напрежение и по този начин захранват, когато са натоварени с всякакъв товар.
Забележка: Въпреки че външните ефекти на двата еквивалентни източника са еднакви, вътрешният енергиен баланс на източниците е различен.
2.6 Мощност - импедансно съвпадение на източника и товара
Ще формулираме и решим проблема за типа напрежение на източника (аналогично заключенията се отнасят и за текущия източник). Идеален източник на напрежение с вътрешно напрежение Uv захранва товар: P = Uv.I = Uv 2/Rz
Колкото по-ниско е съпротивлението на товара, толкова по-висок е токът и мощността на товара. Идеален източник на напрежение респ. много твърд източник на напрежение е в състояние да достави почти неограничена мощност на товара и няма проблем за съвпадение на мощността.
Реалният източник на напрежение се характеризира с параметри Uv, Rv. За този източник може да се формулира въпросът: каква е максималната мощност, която източникът може да достави на товар, и каква стойност на съпротивление ще има такъв товар?
Максималната стойност на мощността на товара може да се определи, като се използва първата производна на израза на мощността на натоварване.
Чрез решаване на уравнението получаваме заключението: най-голямата мощност на товара ще бъде, ако Rv = Rz и тогава
За захранванията и оборудването с променлив ток условието за регулиране на мощността има по-обща форма:
Най - голямата теоретична сила на източника (идеалната част на
Максималната възможна мощност на товара е при Rz = Rv:
Тогава половината от мощността се губи при вътрешното съпротивление Rv.
В съответствие на състоянието на мощността (т.е. също импеданс) се прилага следното: I = Uv/2Rv, U = Uv/2, Pz = Prv = Uv 2/4Rv (това е 25% от теоретично възможната мощност на източника Pт ).
Както бе споменато в началото на този раздел, в енергетиката с източници на твърдо напрежение въпросът за съвпадението на мощността е остарял. Съответствието на мощността (импеданса) е важно при подреждането на RF вериги, тъй като, например, вътрешното съпротивление на RF оборудването: генератори, предавателни клетки, RF метри обикновено е 75 Ω или 600 Ω. Съответствието на импеданса на отделните звена на предавателната верига ще бъде, когато изходният импеданс на всяка връзка е равен на входния импеданс на следващата връзка. Добре е входният и изходният импеданс на всяка клетка да са еднакви.
Ние наричаме такова изместване на изображение или коригирана вълна каскада.
Предимства на импедансното съвпадение:
- улеснява теоретичното решение за изчисляване на напрежения, токове, мощности (затихване)
- предаването на мощност от едната към другата част е оптимално, няма допълнително затихване на енергията в точката на контакт
- импедансното съвпадение на всички членове на предавателната верига не води до отражение на сигнала в точките на контакт - няма изкривяване на предаването на сигнала поради отражения. В устройства, съвпадащи с импеданс, многократни отражения на вълни от напрежение се генерират обратно към входа по време на предаване. След това във веригата се разпространяват голям брой напредващи и отразени вълни - на изхода се генерира изкривен сигнал (ехо).
2.7 Комбиниране (сортиране) на ресурси
Източниците, както и другите диполи, могат да бъдат свързани последователно, паралелно, в комбинация или в по-сложни структури. Причината за комбинирането на множество източници е да се получи общ източник с друг, обикновено по-високо напрежение или по-висок ток (мощност) от частичните източници. Последователното превключване може да увеличи (в случай на несъгласуващо се изместване) напрежението, паралелното изместване на източниците на напрежение постига по-голям ток или по-твърд източник.
За съжаление винаги се създава по-мек източник на напрежение при последователно превключване, подобно по-мек източник на ток също се създава при паралелно превключване на източници на ток.
Недефинирано (незаконно) сортиране на идеални ресурси
Това са част от участието на идеални ресурси. Те са или математически неопределени, физически безсмислени или причиняват късо съединение.
A: Не е възможно паралелно да се подредят два идеални източника на напрежение с различни напрежения, полученото напрежение не е математически дефинирано, на практика би свършило така, че източникът с по-високо напрежение No1 да бъде късо съединен през източник No2.
Б: Не е възможно математически да се определи полученият ток, не е възможно два различни тока да протичат в един и същ клон. Физически не е възможно източник на ток № 1 да "прокара" ток I1 през друг идеален източник на ток с безкрайно съпротивление.
° С: Източникът на ток ще бъде късо съединен чрез източника на напрежение.
Проблеми с паралелното превключване на реални източници на напрежение
- Ако U1> U2, дори в ненатоварено състояние, компенсаторният ток I´ = (U1-U2)/(R1 + R2) протича във вътрешния контур, което причинява загуби на резистори R1 и R2, дори ако източникът не подава нищо.
- Ако U1 = U2, в ненатоварено състояние балансиращият ток не тече, но след натоварването с товара Rz, източникът с по-малко вътрешно съпротивление е по-натоварен, източникът с по-високо вътрешно съпротивление допринася малко за товара - „облекчава“ . Ако двата източника се различават значително, може да се случи, че единият от тях няма да бъде източник, а ще се превърне в уред след свързване на товара.
Заключение: Ако паралелното превключване на източниците на напрежение има практическо значение, трябва да бъдат подредени източници с приблизително същите параметри, т.е. U1U2, R1R2. Ако по някаква причина е необходимо да се подредят източници с различни параметри, е необходимо да се разделят източниците с диоди, така че да не се генерират балансиращи токове. Но тогава това е нелинеен източник.
Внимание!
Заключенията, представени в цялата глава 2.7, се отнасят само за линейни източници (с линейно вътрешно съпротивление, преминаващ ток в двете посоки), което не е изпълнено в някои електронни източници със стабилизатори. За някои източници и смени е необходимо да се установи дали източниците са заземени - вижте пример 2.8.6.