Понятие источника напряжения и нагрузки

Поскольку реальные источники ЭДС или напряжения, применяемые в электротехнике и электронике, часто имеют довольно сложные схемы, ниже рассмотрено их эквивалентное представление (рис.1.12) в виде последовательно соединенных источника напряжения и нагрузки, пригодное для выполнения любых расчетов цепи.

Рис. 1.12

Когда эквивалентный источник ненагружен, т.е. ток в нем отсутствует (режим холостого хода), имеем для выходного напряжения U₁₂

U_{12 =} Е,

где E - ЭДС источника.

Когда эквивалентный источник напряжения нагружен, выходное напряжение определяется следующим уравнением равновесия напряжения по

2-му закону Кирхгофа:

U₁₂ = E – I_НR_ВН ,

где I_Н = E / (R_ВН + R_Н ) - ток нагрузки,

R_ВН - внутреннее сопротивление эквивалентного источника.

R_Н - сопротивление нагрузки.

Если выходные зажимы 1 и 2 источника замкнуты друг на друга (режим короткого замыкания), имеем

U₁₂ = 0.

Возникающий при этом ток короткого замыкания I_K ограничен внутренним сопротивлением источника

I_K = E / R_ВН.

Параметры E, R_ВН и I_K эквивалентного источника напряжения могут быть представлены на графике (рис.1.13) в виде характеристики I_Н = f(U). Здесь же показана характеристика нагрузки: U = R_HI_H.

Рис. 1.13

Отношение отдаваемой (выходной) мощности (или энергии) к мощности (или энергии) подводимой (входной) есть мера качества процесса преобразования. Это отношение, называемое коэффициентом полезного действия, определяется так:

 = P_ВЫХ  P_{ВХ ;}  = W_ВЫХ  W_{ВХ .}

Поскольку выходная мощность (энергия) из-за потерь меньше, чем входная, коэффициент полезного действия (КПД) всегда меньше 1.

Выходные величины напряжения, тока и мощности источника напряжения зависят от его первоначального напряжения (ЭДС) и внутреннего сопротивления, так же как от подключенной к нему нагрузки.

Режим называется согласованным, если сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника. При этом в нагрузке потребляется максимальная мощность.

Лабораторная работа № 1 «Исследование цепей постоянного тока»

Цель работы: Исследование цепей постоянного тока, экспериментальная проверка законов Ома и Кирхгофа.

Задание к лабораторной работе

Д ля схемы (рис. 1) рассчитайте и измерьте токи, имеющие место при напряжениях и сопротивлениях, значения которых указаны в табл. 1, 2 и 3. В качестве измерительных приборов используйте мультиметры или виртуальные приборы с коннектором. Определите мощность, выделяющуюся в сопротивлениях, измеряя падение напряжения и ток.

Рис.1

Д ля схемы (рис. 2) рассчитайте и измерьте токи, напряжения и мощности при значениях ЭДС Е₁ =Е₂ = 15 В и сопротивлений R₁ = 1 кОм, R₂ = 2,2 кОм, R₃ = 4,7 кОм, результаты занесите в табл. 4.

Рис. 2

Порядок выполнения лабораторной работы

Соберите цепь по схеме (рис. 1), снимите экспериментально и постройте графики зависимостей I = f(U) при R=Const и I = f (R) при U = Const. Занесите результаты измерения токов в табл. 1.

Таблица 1

U, В	0	2	4	6	8	10	12
I, мА при R=100 Ом
I, мА при R=150 Ом
I, мА при R=330 Ом

П еренесите данные табл. 1 на график (рис. 3) и постройте зависимости I(U) при трёх значениях сопротивления.

Рис. 3

Для построения кривых I = f(R) измерьте токи, имеющие место при напряжениях соответственно 4 В, 8 В и 12 В, в зависимости от сопротивлений, указанных в табл. 2

Таблица 2

R, Ом	100	150	220	330	470	680	1000
I, мА при U=12 В
I, мА при U=8 В
I, мА при U=4 В

Занесите данные измерения токов в табл. 2 и перенесите их на график (рис. 4) для построения семейства зависимостей I = f(R).

Рис. 4

При значениях резисторов 33, 100 и 220 Ом и напряжениях, указанных в табл. 3 измерьте токи и занесите результаты в таблицу. При сопротивлении резистора 33 Ома напряжение должно быть ограничено величиной 8В во избежание превышения максимально допустимых потерь мощности 2 Вт.

Внесите в табл. 3 значения мощности, рассчитанные по формуле P = U I и измеренные виртуальным ваттметром (в блоке дополнительных приборов). Перенесите значения мощности на график (рис. 5) для построения кривой P =f(U).

Таблица 3

U, В		0	2	3	4	6	8	10	12	14
R=33 Ом	I, мА
	P, Вт
R=100 Ом	I, мА
	P, Вт
R=220 Ом	I, мА
	P, Вт

Рис. 5

Соберите цепь по схеме (рис. 2) для экспериментальной проверки законов Ома и Кирхгофа, рассчитайте и измерьте токи, напряжения и мощности, результаты занесите в табл. 4.

Таблица 4

	E1	E2	I1	I2	I3	U1	U2	U3	Pист	Pпотр
Расчет
Измерения

Содержание отчета:

1. Цель работы.

2. Схемы рис.1, рис.2.

3. Расчетная часть работы.

4. Таблица 1 – таблица 4.

5. Графики зависимостей I = f(U), I = f(R), P =f(U).

6. Выводы.

Контрольные вопросы к защите лабораторной работы:

1.Сформулируйте понятия постоянного тока и напряжения.

2.Сформулируйте закон Ома.

3.Первый закон Кирхгофа и его использование при расчетах электрических цепей.

4.Второй закон Кирхгофа и его использование при расчетах электрических цепей.

5.Понятие активной мощности.

6.Составление баланса мощности.

7.Метод расчета электрической цепи, основанный на использовании законов Кирхгофа.