Источники постоянного напряжения

Источник постоянного напряжения (ИПН) характеризуется следующими основными параметрами:

- электродвижущей силой (ЭДС) Е;

- внутренним сопротивлением R₀;

- напряжением U на зажимах (полюсах) источника.

Схема ИПН с подключенным к нему приемником R изображена на рисунке 1.2,а.

Основной характеристикой ИПН является его ВАХ (внешняя характеристика) – зависимость напряжения U на его зажимах от тока I источника (прямая 1 на рисунке 1.2,б).

(1.7)

Уменьшение напряжения U источника при увеличении тока объясняется увеличением падения напряжения на внутреннем сопротивлении R_o источника (слагаемое в (1.7)).

Прямая 2 соответствует ВАХ идеального ИПН, у которого .

Анализ (1.7) позволяет сделать выводы:

- при токе источника I= 0 (холостой ход источника) напряжение источника равно его ЭДС: U = E|_{I = 0};

- ЭДС источника — это его напряжение в режиме холостого хода;

- по известной В АХ источника (рисунок 1.2,6) можно определить его внутреннее сопротивление по формуле:

(1.8)

- ЭДС источника (рис.1.2,а) можно измерить в режиме холостого хода вольтметром pVl с относительно большим внутренним сопротивлением R_v, так как при (R_v>> R₀) из (1.7) имеем:

. (1.9)

Рисунок 1.2.-Схема простейшей электрической цепи (а) и ВАХ ИПН (б)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Общие сведения

Электротехнические устройства, установки и системы постоянного тока имеют большое практическое применение на транспорте (двигатели подъемных механизмов, трамваев, троллейбусов, электровозов, электрокар), при электрохимическом получении металлов (электролизные ванны), в космической технике, в радиоэлектронике, компьютерной технике и т.д. Применение высоковольтных ЛЭП постоянного тока большой протяженности экономически оказывается более целесообразно, чем ЛЭП переменного тока.

Первые шаги электротехники были связаны с освоением энергии постоянного тока, которая вырабатывалась гальваническими элементами.

В настоящее время основными источниками постоянного тока (ИПТ) являются выпрямительные преобразователи (выпрямители), химические аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного тока.

Развиваются и совершенствуются новые виды ИПТ: источники, преобразующие лучистую энергию Солнца при помощи фотоэлементов, являющихся основными источниками электрической энергии космических аппаратов;

-магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы);

-имеются сообщения о создании в США к 2000г. электрохимических ИПТ для электромобилей, в которых электрическая энергия будет получаться в результате реакции кислорода атмосферного воздуха с бензиновым топливом.

В электротехнике решаются две задачи:

-синтез электротехнических устройств;

-анализ этих устройств.

Задача синтеза решается при создании новых устройств конструкторами. Это – наиболее сложная задача. Анализ работы электроустройств чаще всего необходимо проводить уже при их эксплуатации, поэтому существуют типовые задачи анализа.

Как правило, задача анализа состоит в определении токов и напряжений на всех участках электрической цепи. При этом конфигурация цепи и параметры ее элементов (ВАХ источников и потребителей энергии, электрические сопротивления токопроводов и др.) считаются известными.

Как уже отмечалось, при анализе (расчете режима работы) электрической цепи необходимо эту цепь представить и изобразить графически схемой, в которой элементы электрической цепи представлены в виде соединений идеализированных элементов — резистивного R, индуктивного L, и емкостного С, а источники электрической энергии представляются как последовательное соединение ЭДС и внутренних сопротивлений этих источников.

Однако при анализе электрических цепей постоянного тока, пассивными элементами схем являются только резистивные элементы, т.к. сопротивления индуктивных элементов () постоянному току равны нулю, а сопротивления емкостных элементов ()при этом равны бесконечности, так что емкостные элементы разрывают электрические цепи постоянного тока.

Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа лежат в основе анализа электрических цепей.

2.2.1 Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю. Математически это записывается так:

(2.1)

Всем токам, направленным от узла, в уравнении (2.1) приписывается одинаковый знак, например, положительный, тогда все токи, направленные к узлу, войдут в уравнение с отрицательным знаком.

Рисунок 2.1. - Иллюстрация к первому закону Кирхгофа

 

На рисунке 2.1 показан узел, в котором сходятся четыре ветви. Уравнение (2.1) в этом случае принимает вид:

- I₁ – I₂ + I₃ + I₄ = 0,

Первый закон Кирхгофа отражает тот факт, что в узле электрический заряд не накапливается и не расходуется. Сумма электрических зарядов, приходящих к узлу, равна сумме зарядов, уходящих от узла за один и тот же промежуток времени.

2.2.2 Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма ЭДС в любом контуре цепи равна алгебраической сумме напряжений на элементах этого контура:

(2.2)

Если в рассматриваемом контуре отсутствуют ЭДС, то уравнение (2.2) принимает вид:

(2.3)

Обход контура совершается в произвольно выбранном направлении. При этом ЭДС и напряжения, совпадающие с направлением обхода, берутся с одинаковыми знаками, например, со знаками «+».

Например, для схемы (рис.2.2) имеем

Второй закон Кирхгофа можно применять и для контуров, которые состоят не только из участков схемы, но и из напряжений между какими-либо точками схемы.

Так для контура 4-5-3-6-4, состоящего из участка цепи 4-5-3 и напряжения 4-6-3, можно составить уравнение

где U₄₃ – напряжение между точками 4 и 3 схемы, В.

Рисунок 2.2. - Иллюстрация ко второму закону Кирхгофа