Определение напряжений на источниках тока. Формула напряжение на источнике тока

Определение напряжений на источниках тока.

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.

I1 E1

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.

I1+J4-I2=0

I2-I3-I4=0

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:

I1∙R1+V1 =E1, I2∙R2+V2-V1= -E2, I3∙(R3+R)-V2 =E3 (V=U).

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.

infopedia.su

Источники ЭДС и тока

Источниками энергии в электрической цепи может быть источник тока или источник ЭДС.

Источник ЭДС

Источник ЭДС характеризуется тем, что электродвижущая сила в нем не зависит от тока. Тогда напряжение на его зажимах будет определяться как

В идеальном источнике ЭДС, внутреннее сопротивление rвн = 0, а ЭДС e = const, поэтому напряжение на зажимах не зависит от тока в нагрузке. Выразив из выражения для напряжения, rвн получим

В реальном источнике, внутреннее сопротивление хотя и мало, но все же присутствует, поэтому имеется слабая зависимость напряжения от тока, которая изображается графически с помощью внешней характеристики источника ЭДС.

Внешняя характеристика источника ЭДС

На схеме внутреннее сопротивление источника ЭДС выносится за обозначение источника. Причем необходимо указать положительное направление e самого источника.

Схема источника ЭДС

Если условно отнести внутреннее сопротивление источника к сопротивлению нагрузки, то на схеме получим идеальный источник ЭДС.

Источник тока

В источнике тока, ток не зависит от напряжения на нагрузке. Ток источника определяется как

где gвн это внутренняя проводимость источника тока. В идеальном источнике внутренняя проводимость равна нулю, а J = const. Но в реальном источнике, проводимость хотя и малая, но присутствует, поэтому ток зависит от напряжения на зажимах нагрузки. Как и в случае источника ЭДС, эту зависимость можно представить графически с помощью внешней характеристики источника тока.

Внешняя характеристика источника тока

На схеме источник тока изображается следующим образом

Схема источника тока

Если внутреннюю проводимость отнести к нагрузке, то на схеме получим идеальный источник тока.

Замена источников ЭДС и тока

Часто при решении задач, требуется заменить источник ЭДС источником тока, для этого необходимо разделить выражение для источника ЭДС на внутреннее сопротивление источника

В результате получим

где J – ток короткого замыкания источника, i0 – ток протекающий через внутреннее сопротивление, i – ток нагрузки.

Проводимость полученного источника тока будет равна

Схема замены источника ЭДС источником тока и наоборот

Аналогичным образом возможна замена источника тока, источником ЭДС. В этом случае разделим выражение для источника тока на gвн

Получим

Сопротивление полученного источника ЭДС равно

Спасибо за внимание.

electroandi.ru

ЭДС. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ. НАПРЯЖЕНИЕ ИСТОЧНИКА

Элемент электрической цепи, предназначенный для получения электроэнергии, принято называть источником электрической энергии. В источнике происходит преобразование в электрическую энергию других: видов энергии.

На практике применяют следующие основные источники: электромеханические генераторы (электрические машины для преобразования механической энергии в электрическую), электрохимические источники (гальванические элементы, аккумуляторы), термоэлектрогенераторы (устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую), фотоэлектрогенераторы (преобразователи лучистой энергии в электрическую).

Принципы преобразования тепловой, лучистой и химической энергии в электрическую изучаются в курсе физики.

Общим свойством всех источников является то, что в них происходит разделение положительного и отрицательного зарядов и образуется электродвижущая сила (ЭДС). Что такое ЭДС?

В простейшей электрической цепи на перемещение заряда q по контуру замкнутой цепи (рис. 2.8) затрачивается работа источника Аи.

Источник затрачивает одинаковую работу на перемещение каждой единицы заряда. Поэтому с увеличением q прямо пропорционально растет Аи, а их отношение Aи/q,называемое электродвижущей силой, остается неизменным:

E = Aи/q. (2.12)

ЭДС численно равна работе, которую совершает источник, проводя заряд 1 Кл по замкнутому контуру цепи (1).

Единица ЭДС, как и напряжения,— вольт (В).

Благодаря ЭДС в электрической цепи поддерживается определенное значение тока.

Так как ЭДС не зависит от q, а ток I = q/t,то ЭДС источника не зависит от тока (2).

При изменении тока изменяется мощность источника Ри. Используя выражения Pи =Aи/t , Aи = qE и q = It,

получаем формулу для расчета мощности источника:

Ри = EI. (2.13)

Таким образом, при изменении сопротивления приемника изменяется ток цепи, мощность источника и мощность приемника. При этом соблюдается положение (5) и непрерывно действует постоянная ЭДС, создающая ток.

В соответствии с балансом мощности

Pи=P+Pв,

где Р — мощность приемника; Рв — потери на внутреннем сопротивлении RBисточника (потерями в соединительных проводах пренебрегаем).

Подставляя в это уравнение значение мощности из формул (2.10), (2.13), используя положение (3) получаем:

EI=UI+UJ;

E=U+Uв(2.14)

(действие равно сумме противодействий).

В замкнутой цепи ЭДС встречает противодействие суммы падений напряжений на участках цепи.

Используя выражение (2.14) и закон Ома, получаем

E = IR + IRB. (2.15)

В этом уравнении Е и RBкак параметры источника постоянные. При изменении сопротивления приемника R изменяет свое значение ток. Ток в цепи имеет строго определенное значение, необходимое для создания падений напряжений на участках цепи, уравновешивающих ЭДС (3). Аналогично в механике скорость движения тел такая, при которой вызванное этой скоростью противодействие сил трения уравновешивается действием сил, двигающих тело.

Из уравнения (2.15) ток

I = E/(R + RB). (2.16)

Эта формула отражает закон Ома для всей цепи: сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника.

Следует отметить, что уравнение (2.14) является частным случаем второго закона Кирхгофа, который формулируется так: алгебраическая сумма ЭДС любого замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях контура:

ΣΕ=ΣIR (2.17)

В паспортах устройств (источников, приемников, аппаратов, приборов), в каталогах приводятся значения токов, напряжений, мощностей, на которые устройство рассчитано заводом-изготовителем для нормального, называемого номинальным, режима работы. Источники характеризуются номинальными мощностью PH0M, током Iном и напряжением UH0M.

Для рис. 2.8 напряжение на зажимах источника и приемника одно и то же (так как они подключены к общим зажимам). Это напряжение определим из формулы (2.14):

U = E — IRB, (2.18)

где Rв— внутреннее сопротивление источника.

Напряжение на зажимах источника, работающего генератором, меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника (4).

При номинальном токе напряжение источника номинальное. При изменении режима цепи (изменении тока), в соответствии с формулой (2.18), изменяется напряжение. Если отклонения напряжения, тока, мощности находятся в допустимых пределах, такой режим называют рабочим.

Если же цепь разомкнута, ток равен нулю. Такой режим цепи или ее элементов называется режимом холостого хода (XX).

Из формулы (2.18) следует, что в режиме холостого хода U = Е.

ЭДС источника можно измерить вольтметром (рис. 2.9) как напряжение на его зажимах в режиме холостого хода (5).

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, называется режимом короткого замыкания (КЗ).

При КЗ R = 0, поэтому U = IKR=0 и действию ЭДС противодействует только падение напряжения внутри источника E= I кRв (рис. 2.10).

Внутреннее сопротивление источников, как правило, мало. Поэтому ток КЗ IК = Е/RВ большой, опасный для источника и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и других элементов цепи нередко применяют плавкие предохранители, вставки которых перегорают от тока КЗ и обрывают цепь.

На практике иногда пренебрегают внутренним сопротивлением источника, считая его равным нулю. В этом случае напряжение источника по формуле (2.18) равно ЭДС при любом токе и на схемах показывают не ЭДС источника (как на рис. 2.8), а напряжение на его зажимах .

	\|	следующая лекция ==>
	\|

Источники тока и напряжения

Количество просмотров публикации Источники тока и напряжения - 791

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

Uн = U0 – URвн = U0 – Iн Rвн.

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, в случае если сопротивление нагрузки будет стремиться к 0. В действительности невозможно построить идеальный источник напряжения во всем диапазоне изменения выходного тока. При этом, во многих случаях, для ограниченного диапазона изменения выходного тока некоторые источники можно рассматривать как идеальные. К примеру, 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 счёт увеличения сопротивления нагрузки увеличивается внутренний ток источника тока. При этом меньшая часть тока I0 поступает в нагрузку. Выходной ток Iн будет равен

Iн = I0 – Iвн = I0 – Uн / Rвн.

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. При этом 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, ᴛ.ᴇ. 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

Uн = U0 – Iн Rвн.

Разделим правую и левую части уравнения на Rвн, получим

Uн /Rвн = U0 /Rвн – Iн .

Введем обозначения U0 /Rвн = I0 = const; U0 /Rвн = Iвн и запишем уравнение в следующем виде

Iвн = I0 - Iн или I0 = Iвн + Iн.

Причем на сопротивлениях Rвн и Rн падает одно и то же напряжение Uн, ᴛ.ᴇ. они соединены параллельно

I0 = Uн /Rвн + Uн /Rн .

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. В случае 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. В случае 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.

referatwork.ru