Virtalähteen sisäinen vastus. Sisäinen vastus

Tarve ottaa termi käyttöön voidaan havainnollistaa seuraavalla esimerkillä. Verrataan kahta kemiallista tasajännitelähdettä, joilla on sama jännite:

• Auton lyijyakku, jonka jännite on 12 volttia ja kapasiteetti 55 Ah
• Kahdeksan sarjaan kytkettyä AA-paristoa. Tällaisen akun kokonaisjännite on myös 12 volttia, kapasiteetti on paljon pienempi - noin 1 Ah

Samasta jännitteestä huolimatta nämä lähteet eroavat toisistaan ​​huomattavasti, kun ne toimivat samalla kuormalla. Siten auton akku pystyy syöttämään suuren virran kuormaan (auton moottori käynnistyy akusta, kun taas käynnistin kuluttaa 250 ampeerin virtaa), mutta käynnistin ei pyöri ollenkaan akkuketjusta. Akkujen suhteellisen pieni kapasiteetti ei ole syynä: yksi ampeeritunti akuissa riittäisi pyörittämään käynnistintä 14 sekuntia (250 ampeerin virralla).

Siten lähteitä (eli jännitegeneraattoreita ja virtageneraattoreita) sisältävien kahden pääteverkon osalta on tarpeen puhua erityisesti sisäinen vastus (tai impedanssi). Jos kahden päätelaitteen verkko ei sisällä lähteitä, niin " sisäinen vastus" sellaiselle kaksipääteiselle verkolle tarkoittaa samaa kuin Vain"vastus".

Aiheeseen liittyvät termit

Jos jossakin järjestelmässä on mahdollista erottaa tulo ja/tai lähtö, käytetään usein seuraavia termejä:

Fyysiset periaatteet

Huolimatta siitä, että vastaavassa piirissä sisäinen vastus esitetään yhtenä passiivielementtinä (ja aktiivinen resistanssi eli vastus on siinä välttämättä läsnä), sisäinen resistanssi ei ole keskittynyt mihinkään yhteen elementtiin. Kahden päätelaitteen verkko vain ulkoisesti käyttäytyy ikään kuin sillä olisi keskitetty sisäinen impedanssi ja jännitegeneraattori. Todellisuudessa sisäinen vastus on ulkoinen ilmentymä joukosta fyysisiä vaikutuksia:

• Jos kahden terminaalin verkossa on vain energian lähde ilman sähköpiiriä (esimerkiksi galvaaninen kenno), silloin sisäinen vastus on lähes puhtaasti aktiivinen (ellei puhuta erittäin korkeista taajuuksista), se johtuu fyysisistä vaikutuksista, jotka eivät salli tämän lähteen toimittamaa tehoa kuormitus ylittää tietyn rajan. Yksinkertaisin esimerkki tällaisesta vaikutuksesta on sähköpiirin johtimien nollasta poikkeava resistanssi. Mutta yleensä suurin vaikutus tehonrajoitukseen tulee vaikutuksista ei-sähköinen luonto. Joten esimerkiksi tehossa sitä voidaan rajoittaa reaktioon osallistuvien aineiden kosketuspinta-alalla, vesivoimalan generaattorissa - rajoitetulla vedenpaineella jne.
• Jos kyseessä on kahden terminaalin verkko, joka sisältää sisällä sähkökaavio, sisäinen vastus on "hajallaan" piirielementeissä (yllä lähteessä lueteltujen mekanismien lisäksi).

Tämä tarkoittaa myös joitain sisäisen vastuksen ominaisuuksia:

Sisäisen vastuksen vaikutus kaksipääteverkon ominaisuuksiin

Sisäisen vastuksen vaikutus on minkä tahansa aktiivisen kaksipääteverkon olennainen ominaisuus. Sisäisen vastuksen olemassaolon pääasiallinen tulos on rajoittaa sähkötehoa, joka voidaan saada tästä kaksinapaisesta verkosta syötetyssä kuormassa.

Olkoon kahden terminaalin verkko, joka voidaan kuvata yllä olevalla vastaavalla piirillä. Kahden päätelaitteen verkossa on kaksi tuntematonta parametria, jotka on löydettävä:

• EMF-jännitegeneraattori U
• Sisäinen vastus r

Yleensä kahden tuntemattoman määrittämiseksi on tarpeen tehdä kaksi mittausta: mitata jännite kaksinapaisen verkon lähdössä (eli potentiaaliero U out = φ 2 − φ 1) kahdella eri kuormitusvirralla. Sitten tuntemattomat parametrit löytyvät yhtälöjärjestelmästä:

Missä U ulos 1 minä 1, Uout2- lähtöjännite virralla minä 2. Ratkaisemalla yhtälöjärjestelmän löydämme tuntemattomia tuntemattomia:

Tyypillisesti sisäisen resistanssin laskemiseen käytetään yksinkertaisempaa tekniikkaa: löydetään kaksinapaisen verkon jännite tyhjäkäynnissä ja virta oikosulkutilassa. Tässä tapauksessa järjestelmä () kirjoitetaan seuraavasti:

Missä U oc- lähtöjännite lepotilassa (eng. avoin rata), eli nollakuormitusvirralla; Isc- kuormitusvirta oikosulkutilassa (eng. oikosulku), eli nollavastuksen alaisena. Tässä otetaan huomioon, että lähtövirta kuormittamattomassa tilassa ja lähtöjännite oikosulkutilassa ovat nolla. Viimeisistä yhtälöistä saamme heti:

Mittaus

Konsepti mittaus soveltuu todelliseen laitteeseen (mutta ei piiriin). Suora mittaus ohmimittarilla on mahdotonta, koska laitteen antureita on mahdotonta kytkeä sisäisiin vastusliittimiin. Siksi epäsuora mittaus on välttämätön, mikä ei pohjimmiltaan eroa laskennasta - kuorman yli vaaditaan myös jännitteitä kahdella eri virta-arvolla. Aina ei kuitenkaan ole mahdollista käyttää yksinkertaistettua kaavaa (2), koska jokainen todellinen kaksipääteverkko ei salli toimintaa oikosulkutilassa.

Joskus käytetään seuraavaa yksinkertaista mittausmenetelmää, joka ei vaadi laskelmia:

• Avoimen piirin jännite mitataan
• Muuttuva vastus kytketään kuormitukseksi ja sen resistanssi valitaan siten, että sen jännite on puolet avoimen piirin jännitteestä.

Kuvattujen toimenpiteiden jälkeen kuormitusvastuksen resistanssi on mitattava ohmimittarilla - se on yhtä suuri kuin kaksinapaisen verkon sisäinen vastus.

Mitä tahansa mittausmenetelmää käytetäänkin, tulee olla varovainen ylikuormittamasta kaksipääteverkkoa liiallisella virralla, eli virta ei saa ylittää tietyn kaksipääteverkon suurinta sallittua arvoa.

Reaktiivinen sisäinen vastus

Jos kaksinapaisen verkon vastaava piiri sisältää reaktiivisia elementtejä - kondensaattoreita ja/tai induktoreja, niin laskeminen Reaktiivinen sisäinen vastus suoritetaan samalla tavalla kuin aktiivinen vastus, mutta vastuksen vastusten sijasta otetaan piiriin kuuluvien elementtien kompleksiset impedanssit ja jännitteiden ja virtojen sijasta otetaan niiden kompleksiset amplitudit, eli laskenta suoritetaan kompleksiamplitudimenetelmällä.

Mittaus reaktanssilla on joitain erityispiirteitä, koska se on kompleksiarvoinen funktio skalaariarvon sijaan:

• Voit etsiä erilaisia ​​kompleksiarvon parametreja: moduulia, argumenttia, vain reaali- tai imaginaariosaa sekä koko kompleksilukua. Näin ollen mittaustekniikka riippuu siitä, mitä haluamme saada.
• Mikä tahansa luetelluista parametreista riippuu taajuudesta. Teoriassa täydellisen tiedon saamiseksi sisäisestä reaktiivisesta resistanssista mittaamalla on poistettava riippuvuus taajuudella, eli suorita mittaukset klo kaikille taajuudet, jotka tietyn kahden pääteverkon lähde voi tuottaa.

Sovellus

Useimmissa tapauksissa meidän ei pitäisi puhua sovellus sisäinen vastus ja noin kirjanpito sen negatiivinen vaikutus, koska sisäinen vastus on pikemminkin negatiivinen vaikutus. Joissakin järjestelmissä nimellinen sisäinen vastus on kuitenkin välttämätön.

Vastaavien piirien yksinkertaistaminen

Kaksipääteverkon esitys jännitegeneraattorin ja sisäisen resistanssin yhdistelmänä on yksinkertaisin ja useimmin käytetty kaksipääteverkon ekvivalenttipiiri.

Lähde-kuorma-vastaavuus

Lähteen ja kuorman yhteensovittaminen on kuormitusvastuksen ja lähteen sisäisen vastuksen suhteen valinta tuloksena olevan järjestelmän määritettyjen ominaisuuksien saavuttamiseksi (yleensä ne yrittävät saavuttaa minkä tahansa parametrin maksimiarvon annettu lähde). Yleisimmin käytetyt sovitustyypit ovat:

Virran ja tehon sovitusta tulee käyttää varoen, koska on olemassa vaara, että lähde ylikuormitetaan.

Korkean jännitteen alennus

Joskus lähteeseen lisätään keinotekoisesti suuri vastus (se lisätään lähteen sisäiseen resistanssiin), jotta siitä saatavaa jännitettä voidaan merkittävästi vähentää. Kuitenkin vastuksen lisääminen lisävastuksena (ns. sammutusvastus) johtaa siihen, että sille varataan turhaa tehoa. Energian tuhlaamisen välttämiseksi AC-järjestelmät käyttävät reaktiivisia vaimennusimpedansseja, useimmiten kondensaattoreita. Näin rakennetaan kondensaattorin virtalähteet. Vastaavasti käyttämällä kapasitiivista liitäntää suurjännitelinjasta voit saada pieniä jännitteitä minkä tahansa autonomisen laitteen virransyöttöön.

Minimoi melu

Heikkoja signaaleja vahvistettaessa syntyy usein tehtävänä minimoida vahvistimen signaaliin tuoma kohina. Tätä tarkoitusta varten erityinen matalakohinaiset vahvistimet Ne on kuitenkin suunniteltu siten, että pienin kohinaluku saavutetaan vain signaalilähteen lähtöimpedanssin tietyllä alueella. Esimerkiksi pienikohinainen vahvistin tuottaa minimaalisen melun vain lähteen lähtöimpedanssialueella 1 kΩ - 10 kΩ; jos signaalilähteellä on pienempi lähtöimpedanssi (esimerkiksi mikrofoni, jonka lähtöimpedanssi on 30 ohmia), lähteen ja vahvistimen välillä tulisi käyttää porrasmuuntajaa, joka lisää lähtöimpedanssia (sekä signaalin jännite) vaadittuun arvoon.

Rajoitukset

Sisäisen vastuksen käsite otetaan käyttöön ekvivalenttipiirin kautta, joten samat rajoitukset ovat voimassa kuin vastaavien piirien sovellettavuus.

Esimerkkejä

Sisäiset vastusarvot ovat suhteellisia: mitä pidetään pienenä esimerkiksi galvaanisen kennon tapauksessa, on erittäin suurta tehokkaalle akulle. Alla on esimerkkejä kahden terminaalin verkoista ja niiden sisäisen vastuksen arvoista r. Triviaaleja kahden pääteverkon tapauksia ei lähteitä on erikseen mainittu.

Matala sisäinen vastus

Korkea sisäinen vastus

Negatiivinen sisäinen vastus

On olemassa kaksipääteverkkoja, joiden sisäinen vastus on negatiivinen merkitys. Normaalissa aktiivinen vastus, energiahäviö tapahtuu, sisään reaktiivinen Resistanssissa energia varastoidaan ja vapautetaan sitten takaisin lähteeseen. Negatiivisen vastuksen erikoisuus on, että se itsessään on energian lähde. Siksi negatiivista vastusta ei esiinny puhtaassa muodossaan, se voidaan simuloida vain elektronisella piirillä, joka sisältää välttämättä energialähteen. Negatiivinen sisäinen vastus voidaan saavuttaa piireissä käyttämällä:

• elementtejä, joilla on negatiivinen differentiaalivastus, kuten tunnelidiodit

Negatiivisen vastuksen omaavat järjestelmät ovat mahdollisesti epävakaita ja siksi niitä voidaan käyttää itseoskillaattorien rakentamiseen.

Katso myös

Linkit

Kirjallisuus

• Zernov N.V., Karpov V.G. Radiotekniikan piirien teoria. - M. - L.: Energia, 1965. - 892 s.
• Jones M.H. Elektroniikka - käytännön kurssi. - M.: Teknosfääri, 2006. - 512 s. ISBN 5-94836-086-5

Huomautuksia

Wikimedia Foundation. 2010.

• Ammattikorkeakoulun terminologinen selittävä sanakirja
• 
  

Sähkön aikakaudella ei luultavasti ole sellaista henkilöä, joka ei tietäisi sähkövirran olemassaolosta. Mutta harvat muistavat koulun fysiikan kurssista enemmän kuin suureiden nimet: virta, jännite, vastus, Ohmin laki. Ja vain harvat muistavat näiden sanojen merkityksen.

Tässä artikkelissa keskustelemme siitä, kuinka sähkövirta tapahtuu, kuinka se siirretään piirin läpi ja kuinka tätä määrää käytetään laskelmissa. Mutta ennen kuin siirrymme pääosaan, käännytään sähkövirran ja sen lähteiden löytämisen historiaan sekä sähkömotorisen voiman määritelmään.

Tarina

Sähkö energianlähteenä on tunnettu muinaisista ajoista lähtien, koska luonto itse tuottaa sitä valtavia määriä. Silmiinpistävä esimerkki on salama tai sähköramppi. Huolimatta ihmisläheisyydestä tätä energiaa pystyttiin hillitsemään vasta 1700-luvun puolivälissä: Magdeburgista kotoisin oleva pormestari Otto von Guericke loi koneen, joka mahdollistaa sähköstaattisen varauksen synnyttämisen. 1700-luvun puolivälissä hollantilainen tiedemies Peter von Muschenbroek loi maailman ensimmäisen sähkökondensaattorin, joka sai nimekseen Leyden jar sen yliopiston kunniaksi, jossa hän työskenteli.

Ehkä sähkölle omistettujen todellisten löytöjen aikakausi alkaa Luigi Galvanin ja Alessandro Voltan työstä, jotka tutkivat vastaavasti sähkövirtoja lihaksissa ja virran syntymistä niin sanotuissa galvaanisissa soluissa. Lisätutkimukset avasivat silmämme sähkön ja magnetismin väliselle yhteydelle sekä useille erittäin hyödyllisille ilmiöille (kuten sähkömagneettinen induktio), joita ilman on mahdotonta kuvitella elämäämme nykyään.

Mutta emme puutu magneettisiin ilmiöihin ja keskitymme vain sähköisiin. Katsotaanpa, kuinka sähkö syntyy galvaanisissa kennoissa ja mistä siinä on kyse.

Mikä on galvaaninen kenno?

Voimme sanoa, että se tuottaa sähköä sen komponenttien välisten kemiallisten reaktioiden vuoksi. Yksinkertaisimman galvaanisen kennon keksi Alessandro Volta, ja se nimettiin hänen mukaansa voltaic-kolonniksi. Se koostuu useista kerroksista, jotka vuorottelevat keskenään: kuparilevy, johtava tiiviste (suunnittelun kotiversiossa käytetään suolaveteen kostutettua puuvillaa) ja sinkkilevy.

Millaisia ​​reaktioita siinä tapahtuu?

Katsotaanpa tarkemmin prosesseja, joiden avulla voimme tuottaa sähköä galvaanisen kennon avulla. Tällaisia ​​muutoksia on vain kaksi: hapetus ja pelkistys. Kun yksi alkuaine, pelkistävä aine, hapetetaan, se luovuttaa elektroneja toiselle alkuaineelle, hapettavalle aineelle. Hapettava aine puolestaan ​​pelkistyy vastaanottamalla elektroneja. Tällä tavalla varautuneet hiukkaset siirtyvät levyltä toiselle, ja tätä kutsutaan, kuten tiedetään, sähkövirraksi.

Ja nyt siirrytään sujuvasti tämän artikkelin pääaiheeseen - nykyisen lähteen EMF:ään. Ja ensin, katsotaanpa, mikä tämä sähkömotorinen voima (EMF) on.

Mikä on EMF?

Tämä määrä voidaan esittää voimien työnä (eli "työnä"), joka suoritetaan, kun varaus liikkuu suljettua sähköpiiriä pitkin. Hyvin usein he tekevät myös selvennyksiä, että varauksen on välttämättä oltava positiivinen ja yksikkö. Ja tämä on olennainen lisäys, koska vain näissä olosuhteissa sähkömotorista voimaa voidaan pitää tarkasti mitattavana suurena. Muuten, se mitataan samoissa yksiköissä kuin jännite: volttia (V).

Virtalähteen EMF

Kuten tiedät, jokaisella akulla tai akulla on oma vastusarvonsa, jonka se voi tuottaa. Tämä arvo, virtalähteen emf, osoittaa, kuinka paljon työtä ulkoiset voimat tekevät siirtääkseen varausta pitkin piiriä, johon paristo tai akku on kytketty.

On myös syytä selvittää, minkä tyyppistä virtaa lähde tuottaa: vakio, vaihtovirta vai pulssi. Galvaaniset kennot, mukaan lukien akut ja paristot, tuottavat aina vain tasavirtaa. Virtalähteen EMF on tässä tapauksessa yhtä suuri kuin lähteen koskettimien lähtöjännite.

Nyt on aika selvittää, miksi sellaista määrää kuin EMF yleensä tarvitaan ja miten sitä käytetään laskettaessa muita sähköpiirin määriä.

EMF kaava

Olemme jo havainneet, että nykyisen lähteen EMF on yhtä suuri kuin ulkoisten voimien työ varauksen siirtämiseksi. Selvyyden vuoksi päätimme kirjoittaa tämän suuren kaavan: E = A ulkoiset voimat / q, missä A on työ ja q on varaus, jolla työ tehtiin. Huomaa, että koko maksu veloitetaan, ei yksikkömaksua. Tämä tehdään, koska otamme huomioon voimien työn siirtää kaikki varaukset johtimessa. Ja tämä työn ja varauksen suhde on aina vakio tietylle lähteelle, koska riippumatta siitä, kuinka monta varattua hiukkasta otat, kunkin työn määrä on sama.

Kuten näet, sähkömoottorivoiman kaava ei ole niin monimutkainen ja koostuu vain kahdesta suuresta. On aika siirtyä yhteen tämän artikkelin tärkeimmistä kysymyksistä.

Miksi EMF:ää tarvitaan?

On jo sanottu, että EMF ja jännite ovat itse asiassa samat suuret. Jos tiedämme EMF:n arvot ja virtalähteen sisäisen resistanssin, ei ole vaikeaa korvata niitä Ohmin lailla täydelliselle piirille, joka näyttää tältä: I=e/(R+r) , jossa I on virran voimakkuus, e on EMF, R on piirin vastus, r - virtalähteen sisäinen vastus. Tästä voimme löytää kaksi piirin ominaisuutta: I ja R. On huomattava, että kaikki nämä argumentit ja kaavat pätevät vain tasavirtapiirille. Muuttujan tapauksessa kaavat ovat täysin erilaisia, koska se noudattaa omia värähtelylakejaan.

Mutta on edelleen epäselvää, mikä sovellus nykyisen lähteen EMF:llä on. Piirissä on yleensä paljon elementtejä, jotka suorittavat tehtävänsä. Jokaisessa puhelimessa on kortti, joka ei myöskään ole muuta kuin sähköpiiri. Ja jokainen tällainen piiri vaatii toimiakseen virtalähteen. Ja on erittäin tärkeää, että sen EMF vastaa piirin kaikkien elementtien parametreja. Muuten piiri joko lakkaa toimimasta tai palaa loppuun sen sisällä olevan korkean jännitteen vuoksi.

Johtopäätös

Uskomme, että tämä artikkeli oli hyödyllinen monille. Todellakin, nykymaailmassa on erittäin tärkeää tietää mahdollisimman paljon siitä, mikä meitä ympäröi. Sisältää olennaisen tiedon sähkövirran luonteesta ja sen käyttäytymisestä piireissä. Ja jos luulet, että sellaista asiaa kuin sähköpiiriä käytetään vain laboratorioissa ja olet kaukana siitä, olet erittäin väärässä: kaikki sähköä kuluttavat laitteet koostuvat itse asiassa piireistä. Ja jokaisella niistä on oma virtalähde, joka luo EMF:n.

Kaksipääteverkko ja sitä vastaava piiri

Kaksinapaisen verkon sisäinen resistanssi on impedanssi kaksinapaisen verkon vastaavassa piirissä, joka koostuu jännitegeneraattorista ja sarjaan kytketystä impedanssista (katso kuva). Konseptia käytetään piiriteoriassa, kun todellinen lähde korvataan ideaalisilla elementeillä, eli siirrytään vastaavaan piiriin.

Johdanto

Katsotaanpa esimerkkiä. Henkilöautossa emme saa virtaa junaverkkoon tavallisesta lyijyakusta, jonka jännite on 12 volttia ja kapasiteetti 55 Ah, vaan kahdeksasta sarjaan kytketystä akusta (esim. AA-kokoinen, kapasiteetti noin 1 Ah). Yritetään käynnistää moottori. Kokemus osoittaa, että akkukäyttöisenä käynnistysakseli ei käänny yhtään astetta. Lisäksi edes solenoidirele ei toimi.

On intuitiivisesti selvää, että akku "ei ole tarpeeksi tehokas" tällaiseen sovellukseen, mutta sen ilmoitettujen sähköisten ominaisuuksien - jännitteen ja varauksen (kapasiteetti) - huomioon ottaminen ei anna kvantitatiivista kuvausta tästä ilmiöstä. Jännite on sama molemmissa tapauksissa:

Akku: 12 volttia

Galvaaniset kennot: 8·1,5 volttia = 12 volttia

Kapasiteetti on myös varsin riittävä: yksi ampeeritunti akussa riittää pyörittämään käynnistintä 14 sekuntia (250 ampeerin virralla).

Vaikuttaa siltä, ​​​​että Ohmin lain mukaan virran tulisi olla samassa kuormassa sähköisesti identtisillä lähteillä. Todellisuudessa tämä ei kuitenkaan ole täysin totta. Lähteet käyttäytyisivät samalla tavalla, jos ne olisivat ihanteellisia jännitegeneraattoreita. Todellisten lähteiden ja ideaaligeneraattoreiden välisen eron kuvaamiseen käytetään sisäisen vastuksen käsitettä.

Vastus ja sisäinen vastus

Kaksinapaisen verkon pääominaisuus on sen vastus (tai impedanssi). Aina ei kuitenkaan ole mahdollista luonnehtia kahden terminaalin verkkoa pelkällä resistanssilla. Tosiasia on, että termiä resistanssi voidaan soveltaa vain puhtaasti passiivisiin elementteihin, eli niihin, jotka eivät sisällä energialähteitä. Jos kaksinapainen verkko sisältää energialähteen, niin "resistanssin" käsite ei yksinkertaisesti sovellu siihen, koska Ohmin laki formulaatiossa U=Ir ei täyty.

Siten lähteitä (eli jännitegeneraattoreita ja virtageneraattoreita) sisältävissä kaksipääteverkoissa on tarpeen puhua erityisesti sisäisestä resistanssista (tai impedanssista). Jos kahden päätelaitteen verkko ei sisällä lähteitä, niin "sisäinen vastus" tarkoittaa tällaiselle kaksipääteiselle verkolle samaa kuin pelkkä "vastus".

Aiheeseen liittyvät termit

Jos jossakin järjestelmässä on mahdollista erottaa tulo ja/tai lähtö, käytetään usein seuraavia termejä:

Tuloresistanssi on kaksipääteverkon sisäinen vastus, joka on järjestelmän tulo.

Lähtöresistanssi on kahden terminaalin verkon sisäinen resistanssi, joka on järjestelmän lähtö.

Fyysiset periaatteet

Huolimatta siitä, että vastaavassa piirissä sisäinen vastus esitetään yhtenä passiivielementtinä (ja aktiivinen resistanssi eli vastus on siinä välttämättä läsnä), sisäinen resistanssi ei ole keskittynyt mihinkään yhteen elementtiin. Kaksinapainen verkko käyttäytyy vain ulkoisesti ikään kuin siinä olisi keskitetty sisäinen impedanssi ja jännitegeneraattori. Todellisuudessa sisäinen vastus on ulkoinen ilmentymä joukosta fyysisiä vaikutuksia:

Jos kaksinapaisessa verkossa on vain energialähde ilman sähköpiiriä (esimerkiksi galvaaninen kenno), sisäinen vastus on puhtaasti aktiivinen, se johtuu fyysisistä vaikutuksista, jotka eivät salli tämän lähteen syöttämää tehoa kuorma ylittää tietyn rajan. Yksinkertaisin esimerkki tällaisesta vaikutuksesta on sähköpiirin johtimien nollasta poikkeava resistanssi. Mutta yleensä suurin vaikutus tehonrajoitukseen tulee ei-sähköisistä vaikutuksista. Joten esimerkiksi kemiallisessa lähteessä tehoa voidaan rajoittaa reaktioon osallistuvien aineiden kosketuspinta-alalla, vesisähkögeneraattorissa - rajoitetulla vedenpaineella jne.

Kun kyseessä on kaksinapainen verkko, joka sisältää sähköpiirin sisällä, sisäinen vastus "hajaantuu" piirielementteihin (yllä lähteessä lueteltujen mekanismien lisäksi).

Tämä tarkoittaa myös joitain sisäisen vastuksen ominaisuuksia:

Kahden pääteverkon sisäistä vastusta ei voi poistaa

Sisäinen vastus ei ole vakaa arvo: se voi muuttua ulkoisten olosuhteiden muuttuessa.

Sisäisen vastuksen vaikutus kaksipääteverkon ominaisuuksiin

Sisäisen vastuksen vaikutus on minkä tahansa kahden terminaalisen verkon olennainen ominaisuus. Sisäisen vastuksen olemassaolon pääasiallinen tulos on rajoittaa sähkötehoa, joka voidaan saada tästä kaksinapaisesta verkosta syötetyssä kuormassa.

Jos kuorma, jonka resistanssi on R, kytketään lähteeseen, jossa on jännitegeneraattorin E emf ja aktiivinen sisäinen vastus r, kuorman virta, jännite ja teho ilmaistaan ​​seuraavasti.

Laskeminen

Laskennan käsite koskee piiriä (mutta ei todellista laitetta). Laskelma on annettu puhtaasti aktiivisen sisäisen resistanssin tapauksessa (reaktanssierot käsitellään alla).

Olkoon kahden terminaalin verkko, joka voidaan kuvata yllä olevalla vastaavalla piirillä. Kahden päätelaitteen verkossa on kaksi tuntematonta parametria, jotka on löydettävä:

EMF-jännitegeneraattori U

Sisäinen vastus r

Yleensä kahden tuntemattoman määrittämiseksi on tarpeen tehdä kaksi mittausta: mitata kaksinapaisen verkon lähdön jännite (eli potentiaaliero Uout = φ2 − φ1) kahdella eri kuormitusvirralla. Sitten tuntemattomat parametrit löytyvät yhtälöjärjestelmästä:

missä Uout1 on lähtöjännite virralla I1, Uout2 on lähtöjännite virralla I2. Ratkaisemalla yhtälöjärjestelmän löydämme tuntemattomia tuntemattomia:

Tyypillisesti sisäisen resistanssin laskemiseen käytetään yksinkertaisempaa tekniikkaa: löydetään kaksinapaisen verkon jännite tyhjäkäynnissä ja virta oikosulkutilassa. Tässä tapauksessa järjestelmä (1) kirjoitetaan seuraavasti:

missä Uoc on lähtöjännite avoimen piirin tilassa, eli nollakuormitusvirralla; Isc - kuormitusvirta oikosulkutilassa, eli kuormalla, jolla on nollavastus. Tässä otetaan huomioon, että lähtövirta kuormittamattomassa tilassa ja lähtöjännite oikosulkutilassa ovat nolla. Viimeisistä yhtälöistä saamme heti:

Mittaus

Mittauksen käsite koskee todellista laitetta (mutta ei piiriä). Suora mittaus ohmimittarilla on mahdotonta, koska laitteen antureita on mahdotonta kytkeä sisäisiin vastusliittimiin. Siksi tarvitaan epäsuora mittaus, joka ei pohjimmiltaan eroa laskennasta - kuorman yli vaaditaan myös jännitteitä kahdella eri virta-arvolla. Aina ei kuitenkaan ole mahdollista käyttää yksinkertaistettua kaavaa (2), koska jokainen todellinen kaksipääteverkko ei salli toimintaa oikosulkutilassa.

Usein käytetään seuraavaa yksinkertaista mittausmenetelmää, joka ei vaadi laskelmia:

Avoimen piirin jännite mitataan

Muuttuva vastus kytketään kuormitukseksi ja sen resistanssi valitaan siten, että sen jännite on puolet avoimen piirin jännitteestä.

Kuvattujen toimenpiteiden jälkeen kuormitusvastuksen resistanssi on mitattava ohmimittarilla - se on yhtä suuri kuin kaksinapaisen verkon sisäinen vastus.

Mitä tahansa mittausmenetelmää käytetäänkin, tulee olla varovainen ylikuormittamasta kaksipääteverkkoa liiallisella virralla, eli virta ei saa ylittää tietyn kaksipääteverkon suurinta sallittua arvoa.

Reaktiivinen sisäinen vastus

Jos kaksinapaisen verkon ekvivalenttipiiri sisältää reaktiivisia elementtejä - kondensaattoreita ja/tai induktoreja, niin reaktiivisen sisäisen resistanssin laskenta suoritetaan samalla tavalla kuin aktiivinen, mutta vastusten vastusten sijaan kompleksiimpedanssit piiriin kuuluvista elementeistä otetaan, ja jännitteiden ja virtojen sijasta otetaan niiden kompleksiamplitudit, eli laskenta suoritetaan kompleksiamplitudimenetelmällä.

Sisäisellä reaktanssimittauksella on joitain erityispiirteitä, koska se on kompleksiarvoinen funktio skalaariarvon sijaan:

Voit etsiä erilaisia ​​kompleksiarvon parametreja: moduulia, argumenttia, vain reaali- tai imaginaariosaa sekä koko kompleksilukua. Näin ollen mittaustekniikka riippuu siitä, mitä haluamme saada.

EMF ja jännite. Virtalähteiden sisäinen vastus.
Koulutusohjelma on sellainen koulutusohjelma!
Ohmin laki. Sitä minä tarkoitan.
Olemme jo puhuneet Ohmin laista. Puhutaanpa taas - hieman eri näkökulmasta. Menemättä fyysisiin yksityiskohtiin ja puhumatta yksinkertaisella kissakielellä, Ohmin laki sanoo: mitä suurempi emf. (sähkövoima), mitä suurempi virta, sitä suurempi vastus, sitä pienempi virta.
Kääntämällä tämän loitsun kuivien kaavojen kielelle saamme:

I=E/R

missä: I - virran voimakkuus, E - E.M.F. - sähkömoottorivoima R - vastus
Virta mitataan ampeereina, emf. - voltteina, ja vastus kantaa ylpeänä nimeä toveri E.m.f. - Tämä on ideaalisen generaattorin ominaisuus, jonka sisäistä vastusta pidetään äärettömän pienenä. Todellisessa elämässä tätä tapahtuu harvoin, joten Ohmin laki sarjapiirille (meille tutumpi) astuu voimaan:

I=U/R

jossa: U on lähdejännite suoraan sen navoissa.
Katsotaanpa yksinkertaista esimerkkiä.
Kuvittelemme tavallista akkua emf-lähteen muodossa. ja tietty sen kanssa sarjaan kytketty vastus, joka edustaa akun sisäistä vastusta. Kytketään volttimittari rinnan akun kanssa. Sen tulovastus on huomattavasti suurempi kuin akun sisäinen vastus, mutta ei äärettömän suuri - eli virta kulkee sen läpi. Volttimittarin näyttämä jännitearvo on pienempi kuin emf-arvo. vain sisäisen kuvitteellisen vastuksen jännitehäviön määrällä tietyllä virralla, mutta kuitenkin tämä arvo otetaan akun jännitteeksi.
Lopullisella stressikaavalla on seuraava muoto:

U(baht)=E-U(sisäinen)

Koska kaikkien akkujen sisäinen resistanssi kasvaa ajan myötä, myös sisäisen resistanssin jännitehäviö kasvaa. Tässä tapauksessa akun napojen jännite laskee. Miau!
Selvisi!
Mitä tapahtuu, jos kytket ampeerimittarin akkuun volttimittarin sijaan? Koska ampeerimittarin sisäinen vastus pyrkii nollaan, mittaamme itse asiassa akun sisäisen resistanssin läpi kulkevaa virtaa. Koska lähteen sisäinen resistanssi on hyvin pieni, mitattu virta voi nousta useisiin ampeereihin.
On kuitenkin huomattava, että lähteen sisäinen vastus on sama piirin elementti kuin kaikki muutkin. Siksi kuormitusvirran kasvaessa myös sisäisen resistanssin yli oleva jännitehäviö kasvaa, mikä johtaa kuorman ylittävän jännitteen laskuun. Tai kuten me radiokissat haluamme ilmaista - jännitteen pudotukseen.
Jotta kuormituksen muutoksilla olisi mahdollisimman vähän vaikutusta lähteen lähtöjännitteeseen, ne pyrkivät minimoimaan sen sisäistä vastusta.
Voit valita sarjapiirin elementit siten, että mistä tahansa niistä saadaan jännite, joka pienenee alkuperäiseen verrattuna kuinka monta kertaa tahansa.

Lähde on laite, joka muuntaa mekaanisen, kemiallisen, lämpöenergian ja joitain muita energiamuotoja sähköenergiaksi. Toisin sanoen lähde on aktiivinen verkkoelementti, joka on suunniteltu tuottamaan sähköä. Sähköverkossa käytettävissä olevat eri lähteet ovat jännite- ja virtalähteet. Nämä kaksi elektroniikan käsitettä eroavat toisistaan.

Vakiojännitelähde

Jännitelähde on laite, jossa on kaksi napaa, sen jännite on aina vakio, eikä sen läpi kulkevalla virralla ole vaikutusta. Tällainen lähde on ihanteellinen, sillä sen sisäinen vastus on nolla. Käytännön olosuhteissa sitä ei voida saada.

Jännitelähteen negatiiviseen napaan kerääntyy ylimäärä elektroneja ja positiiviseen napaan elektronien puute. Napojen tiloja ylläpitävät lähteen sisäiset prosessit.

Paristot

Akut varastoivat kemiallista energiaa sisäisesti ja pystyvät muuttamaan sen sähköenergiaksi. Akkuja ei voi ladata, mikä on niiden haitta.

Paristot

Ladattavat akut ovat ladattavia akkuja. Ladattaessa sähköenergia varastoituu sisäisesti kemiallisena energiana. Purkamisen aikana kemiallinen prosessi tapahtuu vastakkaiseen suuntaan ja sähköenergiaa vapautuu.

Esimerkkejä:

1. Lyijyakkukenno. Se on valmistettu lyijyelektrodeista ja elektrolyyttisestä nesteestä rikkihapon muodossa, joka on laimennettu tislatulla vedellä. Jännite per kenno on noin 2 V. Auton akuissa on yleensä kuusi kennoa kytketty sarjaan, ja tuloksena oleva jännite lähtöliittimissä on 12 V;

1. Nikkeli-kadmium akut, kennojännite – 1,2 V.

Tärkeä! Pienillä virroilla paristoja ja akkuja voidaan pitää hyvänä likiarvona ihanteellisista jännitelähteistä.

AC jännitelähde

Sähköä tuotetaan voimalaitoksilla generaattoreilla ja se siirretään jännitesäädön jälkeen kuluttajalle. 220 V:n kotiverkon vaihtojännite erilaisten elektronisten laitteiden teholähteissä muunnetaan helposti pienemmäksi muuntajia käytettäessä.

Nykyinen lähde

Analogisesti, aivan kuten ihanteellinen jännitelähde luo vakiojännitteen lähtöön, virtalähteen tehtävänä on tuottaa vakiovirta-arvo ohjaten automaattisesti tarvittavaa jännitettä. Esimerkkejä ovat virtamuuntajat (toisiokäämi), valokennot, transistorien kollektorivirrat.

Jännitelähteen sisäisen resistanssin laskenta

Oikeilla jännitelähteillä on oma sähkövastus, jota kutsutaan "sisäiseksi resistanssiksi". Lähteen liittimiin kytketty kuorma on merkitty "ulkoiseksi resistanssiksi" - R.

Paristoparisto tuottaa EMF:n:

ε = E/Q, missä:

• E – energia (J);
• Q – lataus (C).

Akkukennon kokonaisemf on sen avoimen piirin jännite, kun kuormaa ei ole. Se voidaan tarkistaa hyvällä tarkkuudella digitaalisella yleismittarilla. Akun lähtöliittimistä mitattu potentiaaliero, kun se on kytketty kuormitusvastukseen, on pienempi kuin sen jännite, kun piiri on auki, johtuen virran virtauksesta ulkoisen kuorman ja lähteen sisäisen vastuksen kautta, tämä johtaa energian häviämiseen siinä lämpösäteilynä.

Kemiallisen akun sisäinen resistanssi on ohmin murto-osan ja muutaman ohmin välillä ja johtuu pääasiassa akun valmistuksessa käytettyjen elektrolyyttisten materiaalien resistanssista.

Jos akkuun on kytketty vastus, jonka resistanssi on R, virtapiirissä on I = ε/(R + r).

Sisäinen vastus ei ole vakioarvo. Siihen vaikuttaa akun tyyppi (alkali, lyijyhappo jne.), ja se vaihtelee kuormitusarvon, lämpötilan ja akun käyttöajan mukaan. Esimerkiksi kertakäyttöisillä paristoilla sisäinen resistanssi kasvaa käytön aikana, jolloin jännite putoaa, kunnes se saavuttaa tilan, joka ei sovellu jatkokäyttöön.

Jos lähteen emf on ennalta määrätty suure, lähteen sisäinen resistanssi määritetään mittaamalla kuormitusvastuksen läpi kulkeva virta.

1. Koska likimääräisen piirin sisäinen ja ulkoinen vastus on kytketty sarjaan, voit käyttää Ohmin ja Kirchhoffin lakeja soveltamaan kaavaa:

1. Tästä lausekkeesta r = ε/I - R.

Esimerkki. Akku, jonka emf ε = 1,5 V on tunnettu, on kytketty sarjaan hehkulampun kanssa. Jännitehäviö hehkulampun yli on 1,2 V. Siksi elementin sisäinen resistanssi aiheuttaa jännitehäviön: 1,5 - 1,2 = 0,3 V. Piirin johtojen resistanssia pidetään merkityksettömänä, lampun resistanssi ei ole tiedossa. Mitattu virtapiirin läpi kulkeva virta: I = 0,3 A. On tarpeen määrittää akun sisäinen vastus.

1. Ohmin lain mukaan hehkulampun vastus on R = U/I = 1,2/0,3 = 4 ohmia;
2. Nyt sisäisen vastuksen laskentakaavan mukaan r = ε/I - R = 1,5/0,3 - 4 = 1 ohm.

Oikosulun sattuessa ulkoinen vastus putoaa lähes nollaan. Virtaa voi rajoittaa vain lähteen pieni vastus. Tällaisessa tilanteessa syntyvä virta on niin voimakas, että virran lämpövaikutukset voivat vaurioittaa jännitelähdettä ja on olemassa tulipalon vaara. Tulipalon vaaraa estetään asentamalla sulakkeita esimerkiksi auton akkupiireihin.

Jännitelähteen sisäinen resistanssi on tärkeä tekijä päätettäessä, kuinka kytkettyyn sähkölaitteeseen toimitetaan tehokkain teho.

Tärkeä! Suurin tehonsiirto tapahtuu, kun lähteen sisäinen vastus on yhtä suuri kuin kuorman vastus.

Kuitenkin tässä tilanteessa, kun muistetaan kaava P = I² x R, identtinen määrä energiaa siirtyy kuormaan ja hajoaa itse lähteeseen, ja sen hyötysuhde on vain 50%.

Kuormitusvaatimukset on harkittava huolellisesti lähteen parhaan käytön päättämiseksi. Esimerkiksi auton lyijyakun on tarjottava suuria virtoja suhteellisen alhaisella 12 V:n jännitteellä. Sen alhainen sisäinen resistanssi mahdollistaa sen.

Joissakin tapauksissa suurjännitevirtalähteillä on oltava erittäin korkea sisäinen vastus oikosulkuvirran rajoittamiseksi.

Virtalähteen sisäisen vastuksen ominaisuudet

Ihanteellisella virtalähteellä on ääretön resistanssi, mutta aidoista lähteistä voidaan kuvitella likimääräinen versio. Vastaava sähköpiiri on lähteeseen rinnan kytketty vastus ja ulkoinen vastus.

Virtalähteestä tuleva virta jakautuu seuraavasti: osa virrasta kulkee suurimman sisäisen vastuksen ja pienen kuormitusvastuksen läpi.

Lähtövirta on sisäisen resistanssin virtojen ja kuorman Io = In + Iin summa.

Siitä käy ilmi:

In = Iо - Iin = Iо - Un/r.

Tämä suhde osoittaa, että kun virtalähteen sisäinen resistanssi kasvaa, sitä enemmän sen yli kulkeva virta pienenee ja kuormitusvastus vastaanottaa suurimman osan virrasta. Mielenkiintoista on, että jännite ei vaikuta nykyiseen arvoon.

Todellinen lähteen lähtöjännite:

Uout = I x (R x r)/(R + r) = I x R/(1 + R/r). Arvioi tämä artikkeli: