Выходное сопротивление

Пример, дающий представление о выходном сопротивлении: свет фар автомобиля тускнеет при работе стартера. Большой ток, по­требляемый стартером, вызывает падение напряжения внутри аккумулято­ра, в результате чего напряжение на его клеммах уменьшается и свет фар становится менее ярким. Это падение напряжения происходит на выходном сопротивлении аккумулятора, возможно, более известном как внутреннее сопротивление или сопротивление источника. Этот пример можно распространить на все вы­ходные цепи, включая цепи постоянного и переменного тока, у которых всегда имеется определенное выходное сопротивление, соединенное с ис­точником напряжения.

Теорема Тевенина гласит, что каждую электрическую цепь с двумя выводами, состоящую из источников напряжения и сопротивлений, можно заменить на последовательно включенные, одно сопротивление и один источник ( рис. 9.7), где Z_out - выходной импеданс, а V- выходное напряжение холостого хода, то есть напряжение на выходе разомкнутой цепи.

Рис. 9.7. Эквивалентная схема, применимая к любой паре выходных клемм в соответствии с теоремой Тевенина

Из рис. 9.7, видно, что, когда к выходным клеммам подключается резистор или входные клеммы другого устройства, часть напряжения источника V падает на внутреннем импедансе Z_out . Обычно выходной импеданс схем имеет резистивный (омический) характер в широком диапазоне частот, и поэтому Z_out можно заменить - выходным сопротивлением R_out.

Измерение выходного сопротивления

Из схемы на рис. 9.7 следует. Если выходные клеммы замкнуть накоротко, измерить текущий при этом ток короткого замыкания I_кз (ампер) то получим:

Z_out = V/I_кз.

Напряжение V, поставляемое в схему источником, измеряется на выход­ных клеммах в режиме «холостого хода», то есть при пренебрежимо малом выходном токе. Таким образом, выходное сопротивление легко можно полу­чить как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыка­ния.

Рассмотрев этот принципиальный метод определения выходного сопро­тивления, необходимо сказать, что на этом пути имеются препятствия, при­сущие измерению выходного тока короткого замыкания в большинстве слу­чаев. Обычно при коротком замыкании нарушаются условия функциониро­вания схемы и нельзя получить достоверные результаты; в отдельных случа­ях могут выйти из строя те или иные компоненты, не выдержав ненормаль­но большую нагрузку. Простая иллюстрация неприменимости метода корот­кого замыкания: попробуйте измерить выходное сопротивление сети пере­менного тока! Несмотря на эти недостатки с практической точки зрения, использование этого метода оправдано при теоретическом выводе выходно­го сопротивления схемы и в дальнейшем он применяется в этой главе.

Практический способ измерения выходного сопротивления показан на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Измерение выходного сопротивления с использованием шунтирую­щего резистора.

Здесь выходное напряжение холостого хода измеряется вольтметром или осциллографом с высокоомным входом, а затем выходные клеммы шунтируются нагрузкой с известным сопротивлением R Ом. Уменьшенное выходное напряжение при подключенной нагрузке непосредственно опре­деляется тем же измерительным прибором. Значение Z_out можно вычислить как отношение величины, на которую упало напряжение, к выходному току.

Если V - это выходное напряжение холостого хода, а V₁ - выходное напряжение на нагрузке R, то падение напряжения на Z_out при наличии нагрузки

V_zout = V – V₁ = ΔV вольт,

выходной ток при наличии нагрузки I = V₁/R ампер, поэтому

Z_out = V_zout /I = ΔV/(V₁/R) = R ΔV /V₁ Ом.

Эквивалентную схему усилителя можно представить так, как показано на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Эквивалентная схема усилителя

Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку, называется согласованием. В большинстве электронных схем мы имеем дело с сигналами, являющими­ся напряжениями. Следовательно, в большинстве случаев, когда мы подключаем одну часть схемы к другой, мы хотим в максимальной степени передать напряжение. Для оптималь­ной передачи напряжения, входное сопротивление усилителя должно быть значительно больше внутреннего сопро­тивления источника сигнала, а выходное сопротивление меньше сопротивления нагрузки.

На рис. 9.10 показаны два «блока», соединенные друг с другом: для опти­мальной передачи напряжения нужно, чтобы Vin было почти равно V, на­сколько это возможно. Напряжение V_in равно:

V_in = VZ_in/(Z_out + Z_in),

V_in ≈ V если Z_in >> Z_out.

Если условия оптимального согласования сопротивлений не соблюдают­ся и сигнал поступает на вход схемы с входным сопротивлением, сравни­мым с выходным сопротивлением источника, то в самом общем случае бу­дут происходить просто потери напряжения.

Рис. 9.10. Cогласования сопротивлений между двумя устройства­ми