Тема 1. Линейные элементы электрических цепей постоянного
тока
1. Генерирующие устройства
2. Приемные устройства
3. Режимы работы генерирующих устройств
Электрической цепью называется совокупность генерирующих,
приемных и вспомогательных устройств, соединенных между собой
электрическими проводами.
1. Генерирующие устройства (источники электрической энергии) –
преобразуют различные виды энергии в электрическую.
2. Приемные устройства – преобразуют электрическую энергию в другие
виды энергии.
Вспомогательные устройства служат для измерения, контроля и
управления режимами работы электрической цепи.
При изучении, описании и анализе электрической цепи ее отдельные
элементы представляются в виде условно-графического обозначения (УГО).
Используя УГО, можно любую реальную электрическую цепь представить в
виде схемы, которая называется схемой электрической цепи. Провода
изображаются отрезками линий.
§ 1.1. Генерирующие устройства:
а) преобразующие механическую энергию в электрическую;
б) преобразующие химическую энергию в электрическую;
в) преобразующие тепловую энергию в электрическую;
г) преобразующие световую энергию в электрическую.
На зажимах источника в процессе преобразования неэлектрической энергии в
электрическую за счет работы сторонних сил наводится электродвижущая сила
( ) – ЭДС.
Если источник подключить к приемному устройству, то в цепи появится
ток , а на зажимах источника создается напряжение . Зависимость напряжения
на зажимах источника от его тока
называется внешней характеристикой
источника.
Для большинства постоянных источников эта внешняя характеристика может
быть описана уравнением:
где
– внутреннее сопротивление источника
где
– ток короткого замыкания,
или
– внутренняя проводимость источника.
Математической моделью реального источника является
замещения, которая строится с помощью трех идеальных элементов:
– идеальный источник напряжения (ЭДС):
схема
,
где – параметр элемента;
– идеальный источник тока:
,
где – параметр (ток источника);
– резистивный элемент (сопротивление):
где
– параметр.
С помощью этих элементов возможны две схемы замещения:
Схема 1 описывается уравнением (1), а схема 2 – уравнением (2).
Эти схемы будут эквивалентны между собой при соблюдении условий:
и
.
Если
, то есть
, то его схема замещения может быть
представлена идеальным источником напряжения.
Если
, то есть
, то его схема замещения может быть
представлена идеальным источником тока.
§ 1.2. Приемные устройства:
а) преобразующие электрическую энергию в световую;
б) преобразующие электрическую энергию в тепловую;
в) преобразующие электрическую энергию в химическую;
г) преобразующие электрическую энергию в механическую.
Первые два элемента – пассивные. В них процесс преобразования энергии
не сопровождается наведением противоЭДС. Вольтамперная характеристика
таких элементов проходит через начало координат и является нелинейной.
Если вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть линеанизирована
и проходит через начало координат, то пассивные приемники представляются
идеальным резистивным элементом.
Другие два элемента – активные. В них процесс преобразования энергии
сопровождается наведением противоЭДС. Если ВАХ таких приемников может
быть линеанизирована, то такие активные приемники представляются любой их
схем 1 и 2.
§ 1.3. Режимы работы генерирующих устройств
Принято выделять четыре режима работы источника:
а) режим холостого хода (ХХ);
б) режим короткого замыкания (КЗ);
в) согласованный режим (СР);
г) номинальный режим (НР).
Режим ХХ соответствует разомкнутым зажимам источника,
котором
. При ХХ напряжение на зажимах источника равно ЭДС:
при
Этот режим используется для измерения ЭДС источника.
Режим КЗ создается при замыкании зажимов источника накоротко.
Тогда
. Ток КЗ равен:
Обычно
невелико, а ток КЗ принимает большие значения. Этот
режим опасен для источника.
Согласованный режим (СР) характеризуется максимально возможной
мощностью, которая передается от источника к нагрузке (потребителю).
Условие СР:
где
– сопротивление нагрузки источника.
Номинальный режим (НР) характеризуется значениями напряжения, тока
и мощности, на которые рассчитан данный источник. Номинальные данные
указываются заводом-изготовителем в паспорте на щитке самого источника.
В зависимости от назначения источника используются разные режимы
его работы.
Например:
– для многих электронных и радиотехнических устройств (основной
режим работы – СР);
– в отдельных случаях генерирующие устройства малой мощности
используются в режимах, близких к КЗ (транзисторное устройство). В этом
режиме ток источника будет максимальным и будет сохранять свое значение в
широком диапазоне
. В этом случае источник электрической энергии
представляется источником тока;
– для генерирующих устройств большой мощности обеспечивается НР с
возможно высоким КПД. Это возможно в режиме, близком к режиму ХХ. Тогда
напряжение на зажимах источника остается практически постоянным в
широком диапазоне изменения
напряжения.
. Источник представляется источником
