Источник напряжения что это

Источники напряжения

Для того, что бы создать напряжение необходимо электроны, находящиеся на своих орбитах удалить с этих орбит. Следовательно, для этого необходимо приложить энергию, природа которой может быть самой различной. Мы знаем, что энергия из пустоты не возникает, она просто переходит из одной формы в другую.
Источники напряжения – это устройства, преобразующее один из видов энергии в электрическую энергию.
В мире существует шесть видов источников напряжения:
1. Источники напряжения построенные на явлении электризации трением.
2. Источники напряжения основанные на явлении магнетизма.
3. Химические источники напряжения.
4. Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую.
5. Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
6. Пьезоэлектрические источники напряжения.

Источники напряжения построенные на явлении электризации трением (генератор Ван де Граафа).

Самым древним способом получения электричества является трение. Если взять стеклянную или эбонитовую палочку и потереть ее кусочком меха или шелка, то она зарядится. На этом самом принципе работает генератор Ван де Граафа (рис 3.1.).

Рисунок 3.1.Генератор Ван де Граафа.

Генератор Ван де Граафа способен вырабатывать напряжения величиной в миллионы вольт. Но, к сожалению, это устройство нигде, кроме как в научных исследованиях не используется, да еще в кабинетах физики.

Источники напряжения основанные на явлении магнетизма.

На сегодняшний день в основном электрическую энергию получают методом, основанным на явлении магнетизма. Суть его состоит в том, что если проводник перемещать в магнитном поле, то на его концах будет появляться напряжение. Это напряжение будет возникать в течение времени перемещения проводника в магнитном поле. На этом принципе построено устройство, называемое генератором (рис. 3.2).

Рисунок 3.2.Генератор постоянного напряжения.

Бывают генераторы постоянного напряжения и генераторы переменного напряжения. Если поток электронов постоянно движется в одном направлении, то ток, создаваемый этим потоком, называется постоянным. Если поток электронов периодически меняет свое направление на противоположное, то в этом случае ток называется переменным. Генератор напряжения может приводиться в движение различными двигателями, ветром, водой, даже нагретым паром. Общее условно-графическое обозначение генератора переменного тока можно посмотреть на рис. 3.3.

Рисунок 3.3.Условно-графическое обозначение а) генератора переменного напряжения; б) генератора постоянного напряжения.

Химические источники напряжения.

Следующим по значимости методом получения электрической энергии является применение химических батарей. Составной частью батарей являются два электрода, изготовленные из разнородных металлов (к примеру меди и цинка) и погруженные в электролит (раствор кислоты, щелочи или соли). Они создают контакт между цепью и электролитом. Из медного электрода с помощью электролита извлекаются свободные электроны, а цинковый электрод эти электроны притягивает. Таким образом, медный электрод имеет положительный заряд, а цинковый отрицательный. Несколько таких элементов, соединяясь вместе, образуют батарею. Некоторые образцы химических источников напряжения представлены на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Химические источники напряжения

На рисунке 3.5 показаны условно-графические обозначения химического элемента и батареи химических элементов.

Рисунок 3.5.УГО а)химического элемента; б) батерии.

Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую.

В электрическую энергию может быть преобразована и световая энергия, путем попадания света на фоточувствительную пленку в солнечном элементе. В основе солнечных элементов лежит использование фоточувствительной пленки, изготовленной из полупроводников. При освещении фоточувствительной пленки светом, происходит выбивание электронов со своих орбит. Тем самым образуются область отрицательно заряженных свободных электронов и область положительно заряженных дырок на соответствующих электродах. Так отдельный солнечный элемент вырабатывает небольшое напряжение. На рисунке 3.6 показано общее условно-графическое обозначение солнечного элемента.

Рисунок 3.7. УГО солнечного элемента

Для получения необходимого напряжения солнечные элементы соединяются в солнечные батареи (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7. Солнечная батарея

В настоящее время солнечные батареи находят все большее и большее применение.

Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Тепловую энергию можно преобразовать в электрическую с помощью, так называемой, термопары (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8. Термопара

Условно-графическое обозначение термопары показано на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9.УГО термопары

В основе принципа действия термопары лежит термоэлектрический эффект. Термопара состоит из двух спаянных вместе разнородных металлов. При нагревании в одном металле (например, в меди), в силу его свойств возникает множество свободных электронов, которые он с легкостью отдает другому металлу, (например железу). В следствие этого медь приобретает положительный заряд, так как отдала электроны, а железо отрицательный. На концах такой термопары появляется небольшое напряжение. Данное напряжение прямо пропорционально количеству полученного тепла.
В основном широкое применение термопары нашли в измерительной технике.

Пьезоэлектрические источники напряжения.

Некоторые кристаллические материалы обладают пьезоэлектрическим эффектом. К таким материалам относится: титанат бария, сегнетова соль, турмалин, кварц. Суть эффекта в том что при приложении давления на данные материалы возникает небольшая разность потенциалов, то есть напряжение.
При отсутствии давления отрицательные и положительные заряды распределены хаотично в кристалле. В случае приложения давления, электроны распределяются только на одной стороне материала, тем самым создается область отрицательных зарядов и область положительных зарядов. Напряжение снимается с помощью специальных электродов и возникает только при приложенном давлении. Это явление называется прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим.
Прямой пьезоэлектрический эффект используется в зажигалках, в кристаллических микрофонах и в различных датчиках.
Условно-графическое обозначение пьезоэлемента приведено на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10. УГО пьезоэлемента

Заметим, что явления, на которых основаны все шесть источников напряжения, обратимы.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник

Источники тока и напряжения

Для анализа цепей удобно вводить идеализированные источники двух видов: источник напряжения и источник тока, которые учитывают главные свойства реальных источников. При соответствующем дополнении идеализированных источников пассивными элементами можно передать все свойства реальных источников по отношению к их внешним выводам.

Источник напряжения. Подисточником напряжения понимают такой элемент с двумя выводами (полюсами), напряжение между которыми задано в виде некоторой функции времени независимо от тока, отдаваемого во внешнюю цепь. Зависимость напряжения от тока идеального источника напряжения показана на рис. 1.3. Такой идеализированный источник способен отдавать неограниченную мощность. Наиболее часто применяемые условные графические изображения источника напряжения показаны на том же рисунке, где принятая положительная полярность напряжения источника указывается либо стрелкой внутри кружочка, либо знаками “+”, “-”.

Реальные источники сигнала имеют внутренние сопротивления. К источнику напряжения внутреннее сопротивление подключается последовательно. На рис. 1.4 показаны вольтамперная характеристика и схема реального источника напряжения. Для реального источника выходное напряжение будет равно

Из формулы видно, что выходное напряжение реального источника тока зависит от тока нагрузки I_н. 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 R_вн 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 I_н будет равен

Из формулы видно, что чем больше внутреннее сопротивление источника тока, тем меньше внутренний ток I_вн и большая часть тока I₀ отдается в нагрузку. В пределе при R_вн = ∞ 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 R_вн, получим

Введем обозначения U₀ /R_вн = I₀ = const; U₀ /R_вн = I_вн и запишем уравнение в следующем виде

Причем на сопротивлениях R_вн и R_н падает одно и то же напряжение U_н, 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.

Источник

Идеализированные активные элементы

Содержание:

Идеализированные активные элементы:

Идеальный источник напряжения

Идеальные источники тока и напряжения представляют собой идеализированные источники энергии. Они обладают способностью отдавать энергию подключенным к ним участкам электрической цепи, другими словами, потребляемая ими энергия может быть отрицательной. Таким образом, идеальные источники тока и напряжения относятся к идеализированным активным элементам.

Идеальный источник напряжения (источник напряжения, источник э. д. с. ) представляет собой идеализированный активный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от протекающего через него тока. Напряжение и на зажимах источника напряжения равно электродвижущей силе е (t) и может быть произвольной функцией времени. В частном случае е (t) = Е_ может не зависеть от времени. Источник такого типа называется источником постоянного напряжения (источником постоянной э. д. с.). Условное графическое обозначение источника напряжения приведено на рис. 1.12, а. Стрелка внутри кружка на рисунке указывает направление э. д. с. Для источников постоянного напряжения она направлена от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с более высоким потенциалом, в то время как напряжение на внешних зажимах источника направлено от зажима с более высоким потенциалом к зажиму с меньшим потенциалом.

Внешней характеристикой любого источника электрической энергии называется зависимость напряжения на его зажимах 01 тока источника. Внешняя характеристика источника постоянного напряжения является прямой линией, параллельной оси токов (Рис. 1.12, б).

Если подключить к зажимам источника э. д. с. сопротивление нагрузки

С уменьшением ток нагрузки и выделяемая в ней мощность неограниченно возрастают. Вследствие этого источник напряжения иногда называют источником бесконечной мощности.

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока (источник тока) — это идеализированный активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Ток источника i=j(t) может быть произвольной функцией времени, в частном случае он может не зависеть от времени i(t) = J_ (источник постоянного тока). Внешняя характеристика источника постоянного тока показана на рис. 1.14, б.

Условное графическое обозначение источника тока приведено на рис. 1.14, а. Двойная стрелка на рисунке показывает направление тока внутри источника. У источников постоянного тока это направление совпадает с направлением перемещения положительных зарядов внутри источника, т. е. с направлением от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом.

Ток источника тока и напряжение источника напряжения являются параметрами идеализированных активных элементов подобно тому, как сопротивление, емкость и индуктивность являются параметрами одноименных идеализированных пассивных элементов.

Если подключить к внешним выводам источника тока сопротивление нагрузки (рис. 1.15), то согласно (1.9), (1.11) напряжение на сопротивлении нагрузки и выделяемая в нагрузке мощность будут равны соответственно:

С увеличением напряжение на нагрузке и выделяемая в ней мощность неограниченно увеличиваются, поэтому источник тока, так же как и источник напряжения, является источником бесконечной мощности).

Зависимость тока источника тока от напряжения имеет такой же вид, как и зависимость напряжения источника напряжения от тока, поэтому эти источники являются дуальными элементами.

Схемы замещения реальных источников

Идеализированные источники тока и напряжения можно рассматривать как упрощенные модели реальных источников энергии. При определенных условиях, в достаточно узком диапазоне токов и напряжений, внешние характеристики ряда реальных источников энергии могут приближаться к характеристикам идеализированных активных элементов. Так, внешняя характеристика гальванического элемента в области малых токов имеет вид, близкий к внешней характеристике источника напряжения (см. рис. 1.12,6), а внешняя характеристика выходного каскада на транзисторе в определенном диапазоне напряжений приближается к внешней характеристике источника тока (см рис. 1.14,6).

В то же время свойства реальных источников энергии значительно отличаются от свойств идеализированных активных элементов. Реальные источники энергии обладают конечной мощностью; их внешняя характеристика, как правило, не параллельна оси токов или оси напряжений, а пересекает эти оси в двух характерных точках, соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания (иногда в источниках энергии применяют специальные виды защиты, исключающие работу в предельных режимах или в одном из них).

С достаточной для практики точностью внешние характеристики большинства реальных источников энергии могут быть приближенно представлены прямой линией, пересекающей оси токов и напряжений в точках 1 и 2 (рис. 1.16, а):

соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания источника. Источники, имеющие линейную внешнюю характеристику, в дальнейшем будем называть линеаризованными источниками энергии (реальными).

Покажем, что линеаризованный источник энергии может быть представлен моделирующей цепью, состоящей из идеализированного источника напряжения Е и внутреннего сопротивления или идеализированного источника тока J и внутренней проводимости Действительно, уравнение прямой, проходящей через две точки с координатами имеет вид

Подставляя (1.28), (1.29) в (1.30) и представляя напряжение u как функцию тока i, находим аналитическое выражение для внешней характеристики линеаризованного источника

В соответствии с (1.31) напряжение линеаризованного источника состоит из двух составляющих. Первая их имеет размерность напряжения и не зависит от тока, протекающего через источник. Ее можно интерпретировать как напряжение некоторого идеального источника напряжения с э. д. с. Вторая составляющая напряжения источника прямо пропорциональна току. Ее можно рассматривать как падение напряжения на некотором сопротивлении через которое протекает ток источника i (это сопротивление в дальнейшем будем называть внутренним сопротивлением источника). Итак, уравнению (1.31) может быть поставлена в соответствие схема замещения линеаризованного источника, изображенная на рис. 1.16,б. Такая схема замещения получила название

последовательной. Можно убедиться, что зависимость напряжения на зажимах этой цепи от тока определяется уравнением

равносильным уравнению (1.31) и, следовательно, внешняя характеристика цепи имеет вид, показанный на рис. 1.16, а.

Из анализа выражения (1.32) видно, что с уменьшением внутреннего сопротивления источника внешняя характеристика линеаризованного источника приближается к внешней характеристике идеального источника напряжения (рис. 1.17, а). При = 0 источник с линейной внешней характеристикой вырождается в идеальный источник напряжения. Таким образом, идеальный источник напряжения можно рассматривать как источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю.

Рассмотрим другую схему замещения линеаризованного источника, в которой содержится идеальный источник тока. Для этого, используя (1.31), выразим ток i как функцию напряжения на зажимах источника:

Как видно из выражения (1.33), ток линеаризованного источника состоит из двух составляющих. Первая не зависит от напряжения на зажимах источника. Ее можно рассматривать как ток некоторого идеального источника тока Вторая составляющая тока и прямо пропорциональна напряжению на зажимах источника, поэтому ее можно интерпретировать как ток, текущий через некоторую (внутреннюю) проводимость к которой приложено напряжение u. Итак, выражению (1.33) можно поставить в соответствие схему замещения, изображенную на рис. 1.16, в. Такая схема замещения называется параллельной.

Зависимость между током и напряжением на зажимах соответствующей моделирующей цепи определяется уравнением, равносильным уравнению (1.33):

Из уравнения (1.34) видно, что с уменьшением внутренней проводимости источника внешняя характеристика линеаризованного источника приближается к внешней характеристике идеального источника тока (рис. 1.17, б). В пределе, при = 0, линеаризованный источник энергии вырождается в идеальный источник тока. Таким образом, идеальный источник тока можно рассматривать как источник энергии с бесконечно малой внутренней проводимостью (бесконечно большим внутренним сопротивлением).

Обе рассмотренные схемы замещения линеаризованного источника были получены из одного уравнения (1.30), имеют одну и ту же внешнюю характеристику и, следовательно, их поведение относительно внешних зажимов совершенно одинаково. Выбор той или иной схемы замещения может быть сделан совершенно произвольно, однако в процессе исследования цепи может возникнуть необходимость перехода от одной схемы к другой. Используя выражения (1.31)—(1.34), можно найти формулы перехода от последовательной схемы замещения к параллельной

и от параллельной схемы к последовательной

Необходимо обратить внимание на то, что переход от одной схемы замещения к другой возможен только для источников, внутреннее сопротивление которых имеет конечное значение

Соотношения для взаимного преобразования схем замещения источников энергии (1.35) и (1.36) применимы для источников постоянного тока и напряжения. Аналогичные соотношения могут быть получены и для источников, в которых напряжение u и ток i являются произвольными функциями времени.

Анализируя выражения (1 32), (1.34), можно установить, что цепь, составленная из источника напряжения с последовательно включенным сопротивлением и цепь, представляющая собой параллельное соединение источника тока и проводимости являются дуальными.

Управляемые источники тока и напряжения

Идеальные источники тока и напряжения могут быть либо неуправляемыми (независимыми) либо управляемыми (зависимыми). Неуправляемый источник представляет собой идеализированный элемент с одной парой выводов, параметр которого (ток или напряжение) не зависит ни от каких других гоков или напряжений, действующих в цепи. Управляемый источник тока или напряжения — это идеализированный активный элемент, параметр которого является определенной функцией тока или напряжения некоторого участка цепи. В общем случае управляемый источник — это идеализированный элемент с двумя парами выводов. К одной паре выводов (выводы источника) присоединяют идеализированный источник, параметр которого является заданной функцией напряжения или тока другой пары выводов (управляющие выводы). Как и для неуправляемых

источников, внутреннее сопротивление управляемого источника напряжения равно нулю, а внутреннее сопротивление управляемого источника тока равно бесконечности.

Различают четыре типа управляемых источников:

В теории цепей к управляемым источникам относят только те, параметр которых зависит от действующих в цепи токов и напряжений. Источники, параметр которых зависит от какой-либо неэлектрической величины, не связанной с токами или напряжениями рассматриваемой цепи, относят к неуправляемым.

Вид функциональной зависимости между током или напряжением управляемого источника и управляющим воздействием в принципе может быть произвольным, однако в теории цепей и во всех ее приложениях наибольшее распространение получили линейно управляемые источники, параметр которых у прямо пропорций^ лен управляющему воздействию х:

Коэффициент пропорциональности между параметром источника е или j и внешним воздействием называется коэффициентом управления В зависимости от типа источника этот коэффициент может иметь размерность сопротивления (источник напряжения, управляемый током), проводимости (источник тока, управляемый напряжением) или быть безразмерной величиной (источник напряжения,

управляемый напряжением, и источник тока, управляемый током). Если управляющее воздействие линейно управляемого источника равно нулю, то параметр источника также будет равен нулю. Таким образом, линейно управляемые источники не могут отдавать энергию в отсутствие управляющего воздействия.

Управляемые источники тока и напряжения широко используют при построении эквивалентных схем различных электровакуумных и полупроводниковых приборов (рис. 1.19).

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник