2. Источник эдс и источник тока

Под идеализированным источником ЭДС условимся понимать такой источник питания, ЭДС которого постоянна, не зависит от величины протекающего через него тока. Очевидно, это может быть только в том случае, если внутреннее сопротивление равно нулю.

ВАХ такого источника ЭДС представляет прямую линию, параллельную оси тока (рис. 1-5).

На рисунке: 1 – ВАХ идеализированного источника ЭДС;

2 – ВАХ реального источника ЭДС.

Рис. 1-5. ВАХ идеализированного и реального источника ЭДС

Внутреннее сопротивление реального источника ЭДС не может быть равно нулю. Поэтому ВАХ реального источника ЭДС представляет наклонную линию. С увеличением тока напряжение на выходе источника падает (линия 2 на рис. 1-5).

На рис. 1-6 представлена электрическая схема с реальным источником ЭДС.

Рис. 1-6. Электрическая схема с реальным источником ЭДС

Напряжение на выходе источника ЭДС меньше величины электродвижущей силы на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника:

. (1-1)

Под идеализированным источником тока понимают такой источник питания, который даёт ток , не зависящий от величины нагрузки цепи и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутреннее сопротивление :

. (1-2)

Чтобы такой источник тока мог давать ток , не зависящий от величины сопротивления нагрузки , внутреннее сопротивление его и его ЭДС теоретически должны стремиться к бесконечности.

Внутреннее сопротивление реального источника тока не может быть равно бесконечности.

На рис. 1-7 представлена электрическая схема с реальным источником тока:

Рис. 1-7. Электрическая схема с реальным источником тока

По определению идеализированный источник тока даёт ток , не зависящий от величины сопротивления нагрузки . Другими словами, сопротивление в схеме рис. 1-7 может быть равно нулю (короткое замыкание) или равным бесконечности (холостой ход), а ток должен остаться неизменным. Рассмотрим, при каких условиях это возможно. С этой целью через обозначим внутреннее сопротивление источника тока, а через его ЭДС и запишем два уравнения, описывающие работу схемы рис. 1-7 для двух упомянутых крайних режимов работы.

При

. (1-3)

При

или . (1-4)

Уравнения (1-3) и (1-4) совместимы только в том случае, если .

Однако если внутреннее сопротивление источника питания на несколько порядков меньше сопротивления нагрузки , то источник питания будет работать в режиме, близком к режиму, характерному для источника ЭДС.

Так, например, электромагнитные генераторы, вырабатывающие электрическую энергию на всех видах электрических станций ГЭС, ТЭЦ, АЭС и др., работают в режиме, характерном для источника ЭДС. Обмотка ротора и статора крупного генератора выполнена из довольно толстого провода, поэтому их сопротивление мало (десятые, сотые и даже тысячные доли Ома). Падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника очень мало, поэтому и получается ВАХ, близкая к идеализированному источнику ЭДС.

Если же внутреннее сопротивление источника питания на несколько порядков больше сопротивления нагрузки , то источник питания будет работать в режиме, близком к режиму, характерному для источника тока.

Примером могут служить полупроводниковые высокочастотные генераторы, особенно, если в их составе есть хотя бы один каскад на однопереходных транзисторах. Особенностью таких транзисторов является их внутреннее сопротивление, составляющее 3-:-5 МОм (3-:-5 миллиона Ом). Собственно это и будет внутреннее сопротивление источника. ВАХ такого источника будет близка к ВАХ идеализированного источника тока, особенно в том случае, когда сопротивление нагрузки меняется в относительно небольших пределах. Тогда нет необходимости требовать, чтобы и стремились к бесконечности.

Следует отметить, что схема рис. 1-7 эквивалентна схеме рис. 1-6 только в отношении энергии, выделяющейся в сопротивлении нагрузки , и не эквивалентна ей в отношении энергии, выделяющейся во внутреннем сопротивлении источника тока.

Ток в сопротивлении нагрузки будет одинаков в обеих эквивалентных схемах рис. 1-6 и рис. 1-7:

. (1-5)

Для схемы рис. 1-6 это настолько очевидно, что не требует пояснений.

Убедимся в этом для схемы рис. 1-7. Ток источника тока в этой схеме распределяется обратно пропорционально сопротивлениям двух параллельных ветвей с сопротивлениями и . Ток в нагрузке равен:

. (1-6)

Таким образом, совершенно безразлично, каким из рассмотренных эквивалентов пользоваться.

Пример.

В схеме рис. 1-7 источник тока даёт ток . Шунтирующее его сопротивление Ом. Найти величину ЭДС эквивалентного источника ЭДС в схеме рис. 1-6.

Решение: ЭДС .

Таким образом, параметры эквивалентной схемы рис. 6 таковы: и Ом.