Глава 2. Цепи с сосредоточенными параметрами

§2.1. Источники эдс и тока

Кроме пассивных элементов цепи, таких как сопротивления, емкости и индуктивности, электрическая цепь может содержать активные элементы, к которым относятся источники ЭДС и тока. Их часто называют генераторами. Условные обозначения источни­ков ЭДС и тока показаны на рисунке 2.1.

Генератором ЭДС или генератором напряжения называется ис­точник постоянного или переменного напряжения, имеющий внут­реннее сопротивление Rz=Q. Напряжение на его зажимах не изме­няется при подключении к нему любого сопротивления нагрузки.

Рис. 2.1. Условные обозначения на схемах:

а. — источник ЭДС — генератор напряже­ния; 6 — источник тока — генератор тока

Рис. 2.2. Условные обозначения ре­альных источников, имеющих внут­реннее сопротивление

При сопротивлении нагрузки R_H = Q, подключенной к зажимам ге­нератора ЭДС, в нагрузку потечет бесконечно большой ток.

Генератором тока называется источник постоянного или пере­менного тока, имеющий бесконечно большое внутреннее сопротив­ление. Сопротивление в обозначении генератора тока не показы­вается. При любом сопротивлении нагрузки R_H, подключенной к источнику тока, ток в нагрузке не зависит от ее сопротивления, т. е. остается постоянным.

Реальные источники напряжения и тока имеют внутреннее со­противление R_s конечной величины. Поэтому реальный источник может быть изображен в виде источника ЭДС и последовательно включенного сопротивления R₃ (рис. 2.2. а) или в виде источника тока и параллельно включенного сопротивления R_s (рис. 2.2.б). Схемы на рис. 2.2, а и б эквивалентны, потому что при подклю­чении сопротивления нагрузки к реальному источнику напряжения ток в нагрузке будет таким же.

§2.2. Согласование источника с нагрузкой.

Для реального источника ЭДС с ненулевым внутренним сопро­тивлением R_s оптимальное сопротивление нагрузки R_H = R_S, при котором выделяемая в ней мощность максимальна. В этом случае говорят, что источник и нагрузка согласованы. Отклонение сопротивления нагрузки в любую сторону от оптимального значения уменьшает мощность в нагрузке. Например, можно показать, что при сопротивлении нагрузки, вдвое большем или меньшем сопро­тивления источника, мощность в нагрузке уменьшается на 11% от максимально возможной.

Для согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением источника переменного тока можно применить согласующий транс­форматор. Однако во многих случаях согласование сопротивления нагрузки с сопротивлением источника не только нежелательно, но и недопустимо. Например, при электрическом освещении сопротив­ление каждой лампы и всех ламп, включенных в сеть параллель­но, во много раз больше сопротивления сети и генератора. Это не­обходимое рассогласование не соблюдается только в плохих сетях, имеющих повышенное сопротивление, где включение или выклю­чение каждой лампы или другого электрического прибора приво­дит к тому, что остающиеся включенными лампы горят с недонакалом или перенакалом, а включения и выключения сопровож­даются «миганиями» ламп.

Даже при работе на постоянное сопротивление нагрузки согла­сование часто является нежелательным, так как при согласован­ных сопротивлениях генератора и нагрузки КПД составляет только 50%, тогда как во многих электрических аппаратах доби­ваются КПД, близкого к единице. В дальнейшем при изучении электронных усилителей показано, что применение согласующих трансформаторов желательно, но не для того, чтобы сделать рав­ными сопротивления источника и нагрузки, а для преобразования сопротивления нагрузки в сопротивление, при котором обеспечива­ется максимум мощности на выходе. При этом R_HI=Re. В режиме же согласования очень большого внутреннего сопротивления уси­лителя на пентоде или транзисторе с сопротивлением нагрузки мощность в последней была бы ничтожно малой. В ряде случаев согласование не только желательно, но и необходимо. Например, широко применяется согласование приемной антенны с входом приемника. Необходимо также согласование соединительных длинных линий между собой и нагрузками. Тем не менее, слова «оптимальный», «максимальный», «согласование» настолько для многих притягательны, что часто ведут к их неправильному пониманию или применению без достаточного понимания сущности вопроса.