Что называется источником напряжения и чем он характеризуется

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

Источник напряжения и источник тока

В теории электрических цепей используют понятия идеальные источники электрической энергии: источник напряжения и источник тока.

Им приписывают следующие свойства:

Источник напряжения представляет собой активный элемент с двумя зажимами, напряжение на котором не зависит от тока, проходящего через источник

Рис.2. Идеальный источник напряжения и

его вольтамперная характеристика(BAX).

Предполагается, что внутри идеального источника напряжения пассивные сопротивление, индуктивность и емкость отсутствуют и, следовательно, прохождение тока не вызывает падения напряжения.

Упорядоченное перемещение положительных зарядов в источнике напряжения от меньшего потенциала к большему возможно за счет работа сторонних сил, которые присущи источнику.

Величина работы, производимой данными сторонними силами по перемещению единицы положительного заряда от отрицательного полюса источника напряжения к положительному по полюсу, называется электродвижущей силой (э.д.с.) источника и обозначается e(t).

На рис.2(а) указано направление напряжения на зажимах идеального источника, которое всегда равно э.д.с. источника по величине и противоположно ей по направлению.

Обычно внутренние параметры источника конечной мощности незначительны по сравнению с параметрами внешней цепи и в не которых случаях (по условию задачи) могут вообще не учитываться. Внутреннее сопротивление источника э.д.с.(r₀) на схемах замещения изображается последовательно соединенным с самим источником.

Рис.3. Источник напряжения конечной мощности.

Источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

Рис.4. Идеальный источник тока и его вольтамперная характеристика.

Предполагается, что внутренне сопротивление идеального источника тока равно бесконечности, и поэтому параметры внешней цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника тока, не влияют на ток источника.

При увеличении напряжения внешней цепи, присоединенной к источнику тока, напряжение на его зажимах, и следовательно, мощность возрастают. Поэтому идеальный источник тока теоретически так же рассматривается как источник бесконечной мощности.

Источник тока конечной мощности изображен на рис.5. g₀ – внутренняя проводимость источника. Она характеризует внутренние параметры источника и ограничивает мощность, отдаваемую в цепь.

Рис.5. Источник тока конечной мощности.

Часто при решении задач методом эквивалентных преобразований возникает необходимость заменить реальный источник напряжения эквивалентным источником тока или наоборот. Преобразование осуществляется по схеме и формулам рис.6.

(1)

Рис.6. Преобразования источников конечной мощности.

Сопротивление.

Сопротивлением называется идеализированный элемент цепи в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Кроме того, данный термин применяется для количественной оценки величины, равной отношению напряжения на данном элементе к току, проходящему через него:

[Ом] (2)

Формула 2 выражает закон Ома.

Сопротивление всегда положительно.

Величина обратная сопротивлению носит название проводимости:

[См] (3)

Рис.7. Графическое изображение сопротивления

с выбранными положительными направлениями тока и напряжения.

Мгновенная мощность, поступающая в сопротивление равна:

Pr = Ui = i 2 r = U 2 q (4)

Параметр r в общем случае зависит от тока i (например, вследствие нагревания проводника током).

Вольтамперная характеристика (зависимость напряжения на сопротивлении от тока) носит нелинейный характер.

Рис.8. BAX сопротивления: а – нелинейная; б – линейная.

Если сопротивление не зависит от тока, то имеет место прямая пропорциональность, выражающая закон Ома. В этом случае сопротивление называется линейным.

Индуктивность.

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, приближающейся по свойствам к индуктивной катушке, в котором накапливается энергия магнитного поля.

При этом термин «индуктивность» и его обозначение L применяется как для обозначения самого элемента цепи, так и для количественной оценки отношения потокосцепления самоиндукции к току в данном элементе:

[Гн] (5)

Индуктивность всегда положительна, так как потокосцепления и ток имеют одинаковые знаки.

В общем случае индуктивность зависит от тока и является нелинейной.

Если зависимостьy(i) линейная, то индуктивность – величина постоянная.

Рис.9. Зависимость потокосцепления от тока:

Рис.10. Графическое изображение индуктивности.

(6)

Если индуктивность L величина постоянная (не зависит от тока), то

= (7)

Напряжение на индуктивности определяется:

(8)

Ток на индуктивности:

(9)

Формулы (8) и (9) выражают закон Ома дифференциальной и интегральной форме для индуктивности.

Мгновенная мощность, поступающая в индуктивность равна:

(10)

Мощность индуктивности связана с процессом нарастания или убывания энергии магнитного поля.

Емкость.

Емкостью называется идеализированный элемент электрической цепи приближенно заменяющий конденсатор, в котором накапливается энергия электрического поля.

При этом данный термин применяется как для обозначения самого элемента, так и для количественной оценки отношения заряда к напряжению на этом элементе:

[Ф] (11)

Емкость всегда положительна, так как заряд и напряжение имеют одинаковый знак.

В общем случае зависимость заряда от напряжения носит нелинейный характер и, следовательно, параметр С зависит от напряжения.

Если зависимость заряда от напряжения линейная, емкость C – величина постоянная.

Рис.11. Зависимость электрического заряда от напряжения,

а – нелинейная, б – линейная.

Ток емкости равен производной электрического заряда по времени:

(12)

Формула (12) выражает закон Ома для емкости.

Напряжение на емкости:

(13)

Условное графическое изображение емкости указано на рис.11. Там же даны положительные направления тока и напряжения.

Рис.12. Условное обозначение емкости.

Мгновенная мощность, поступающая в емкость, равна:

(14)

Мощность емкости связана с процессом накопления или убыли электрического заряда в емкости. Когда заряд положительный и возрастает ток положительный и в емкость поступает электрическая энергия из внешней цепи. Когда заряд положителен, но убывает, т.е. ток отрицателен, энергия, ранее накопленная в электрическом поле емкости, возвращается во внешнюю цепь.

Контрольные вопросы:

1. Изложите основные задачи электротехники.

2. Элементы электрической цепи, их классификация.

3. Определение электрического тока, падения напряжения.

4. Что понимают под положительными направлениями тока и напряжения.

5. Изложите основные сведения об источниках тока и источниках напряжения, их взаимном преобразовании.

6. Чем отличается идеальный источник энергии от источника энергии конечной мощности.

7. Дать краткую характеристику следующим элементам и терминам, их определяющим: сопротивление, емкость, индуктивность.

Источник