Лабораторна работа №1
Дослідження джерел постійної напруги і струму
Мета роботи: Вивчити зовнішні характеристики незалежних і залежних (керованих) джерел постійної напруги і струму на ПК за допомогою програми Electronics Workbench
.Теоретичні відомості
Елементи електричних кіл (ЕК) можна розділити на активних і пасивних. До активних елементів відносяться елементи такими, що генерують електричну енергію. У ТЕК використовують незалежні і залежні (керовані) ідеальні джерела напруги і струму.
Незалежними джерелами (рис.1.1) називають такі джерела електричної енергії, напруга на зажимах яких не залежить від струму, протікаючому через них. Внутрішній опір таких джерел дорівнює нулю.
а) б) б) в)
Рис. 1.1.Позначення незалежних джерел напруги.
Стандарт: а) Росія; б) США; в) Німеччина
Незалежними джерелами струму (рис.1.2), називають такі джерела електричної енергії, струм яких не залежить від напруги на його зажимах. Внутрішній опір таких джерела прямує до нескінченності.
Рис. 1.2. Позначення незалежних джерел струму.
Стандарт: а) Росія; б) сша; у) Німеччина
Основною характеристикою джерела напруги і струму є його зовнішня характеристика, що показує залежність напруги на його зажимах від струму U(I), що протікає через нього. Зовнішні характеристики ідеальних джерел напруги і струму, приведені на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Зовнішні характеристики джерела постійного:
а - напруги; б – струму.
На відміну від незалежних залежні ідельні джерела енергії, мають не одну пару затисків, а дві: що вхідну управляє і вихідну, тобто залежні джерела є чотириполюсниками. Розрізняють залежну джерела напругу і залежні джерела струму
(табл.1.1).
Таблиця 1.1
Залежні джерела напруги і струму
n |
Найменування |
Позначення |
Ki |
|
Джерело напруги кероване напругою (ДНКН) |
U1 U2=K1U1 |
U2/U1 |
|
Джерело напруги кероване струмом (ДНКС) |
I1 U2=K2I1 |
U2/I1 |
|
Джерело струму кероване напругою (ДСКН) |
U1 i 2=K3U1 |
I2/U1 |
|
Джерело струму, кероване струмом |
I1 I2=K4I1 |
I2/I1 |
1
2
3
4
Коефіцієнт пропорційності Кi називається коефіцієнтом управління, яким залежно від типу джерела може мати розмірність опору (ДНКС), провідність (ДСКН) або бути безрозмірною величиною. Якщо дія такого керованого джерела, рівна нулю, то на виході такого джерела буде рівна нулю напруга або струм. Кожен активний елемент (подібно до пасивного) характеризується тільки одним параметром – напругою або струмом на його вихідних зажимах.
За допомогою активних і пасивних ідеальних елементів, можна промоделювати будь-який реальний елемент електричного кола - представити його у вигляді схеми заміщення, яка з достатньою для даного елементу точністю відображає процеси, що відбуваються в такому елементі.
Реальне джерело електричної енергії можна представити двома схемами заміщення: послідовною (рис.1.4, а) і паралельною (рис.1.4, б)
Рис.1.4. Схеми заміщення реальних джерел
Послідовна схема заміщення реального джерела (Рис.1.4,а) містить послідовні з'єднання джерела ЕРС (e,E) і внутрішнього опору Rвн. Паралельна схема заміщення реального джерела (Рис.1.4,б) містить паралельне з'єднання джерела струму (i,J) і внутрішньої провідності Gвн=1/ Rвн. Обидві схеми еквівалентні і в конкретних випадках користуються тією схемою заміщення реального джерела електричної енергії, яка дозволяє простіше і швидше вирішити поставлену задачу.
Зовнішня характеристика реального джерела
U(I)=E-RвнI= J/Gвн-I/Gвн=( J-I)/Gвн.
апроксимиується прямою лінією (рис.1.5)
Рис.1.5. Зовнішня характеристика реального джерела
У простому випадку до реального джерела підключається опір навантаження Rн (рис.1.6, а).
Рис.1.6. Схема реального джерела (а) і
характеристики його навантажень (б)
У опорі навантаження Rн струм I, напруга U, потужність Pн і к.к.д. джерела визначаються за формулами:
;
;
(1.1)
;
.
(1.2)
У режимі холостого ходу (ХХ) джерела Rн=5 і в режимі короткого замикання (К3) Rн=0 потужність в навантаженні не виділяється (Pн=0). Максимальна потужність в опорі навантаження виділяється при узгодженому режимі роботи, коли опір навантаження рівний внутрішньому опору джерела (Rн=Rвн).
(1.3)
При цьому к.к.д. джерела буде рівний =0,5=50%. У зв'язку з таким низьким к.к.д. узгоджений режим широко застосовується в дротяному електрозв'язку, де використовуються малі потужності (до 10 Вт). У електротехнічних установках великої потужності застосовується режим роботи, при якому RнRвн, , при цьому досягається високий коефіцієнт корисної дії системи передачі.