Внешняя характеристика источника напряжения это

Внешняя характеристика источника ЭДС

Внешняя характеристика отражает зависимость напряжения на зажимах источника от величины нагрузки — тока источника, заданного нагрузкой. Напряжение на зажимах источника меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника (1):

Этому уравнению соответствует внешняя характеристика источника ЭДС (рис. 1). построенная по двум точкам:

Очевидно, что напряжение на зажимах источника ЭДС тем больше, чем меньше его внутреннее сопротивление.

В идеальном источнике ЭДС R0=0, U=E (напряжение не зависит от величины нагрузки). Однако не всегда при анализе и расчете цепи источник электрической энергии удобно представлять в качестве источника ЭДС. Если внутреннее сопротивление источника значительно превышает внешнее сопротивление цепи, что, например, имеет место в электронике, то получим, что ток в цепи I=U/(R+R0) и при R0>>R практически не зависит от сопротивления нагрузки. В этом случае источник энергии представляют в качестве источника тока.

Разделим уравнение (1) на R0 (2):

Уравнению (2) соответствует схема замещения, приведенная на рис. 2. Здесь Iв=U/R0 и Ik=E/R0, I= Ik — Iв тогда (3)

Для идеального источника тока Rс = ∞. Вольтамперные характеристики реального и идеального источников тока показаны на рис. 3.

Когда нет четкого разграничения величин R и R0 , в качестве расчетного эквивалента источника энергии можно использовать либо источник ЭДС, либо источник тока. В последнем, случае для определения падения напряжения используют выражение (3).

Режимы работы источника

Источник может работать в следующих режимах:

1. Номинальный режим — это режим работы, на который рассчитан источник заводом-изготовителем. Для данного режима в паспорте источника указывают номинальные ток Iном и номинальное напряжение Uном или мощность Pном.

2. Режим холостого хода. В этом режиме внешняя цепь отключена от источника, ток источника I = 0 и, следовательно, напряжение на зажимах источника — напряжение холостого хода Uхх = Е — см. уравнение (1).

3. Режим короткого замыкания. Сопротивление внешней по отношению к источнику цепи равно нулю. Ток источника ограничивается только его внутренним сопротивлением. Из уравнения (1) при U=0 получаем I = Iкз = U / R0. Для уменьшения потерь энергии в источнике ЭДС R0 должно быть возможно меньшим, а в идеальном источнике R0 = 0. С учетом этого Iкз >> Iном и является недопустимым для источника.

4. Согласованный режим — это режим, при котором от источника к потребителю передается максимальная мощность. Определить эту мощность можно через параметры источника. Так, мощность, переданная в нагрузку, Р = I 2 R. P = Pmax при R = R0. Тогда максимальная мощность, переданная потребителю, Pmax=E2/4R0. КПД источника в согласованном режиме не превышает 50 %. что исключает его применение в промышленной электротехнике. Согласованный режим используется в слаботочных цепях электронных устройств.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Внешняя характеристика источника питания

Источники тока для питания сварочной дуги должны иметь специальную сварочную внешнюю характеристику. Внешней характеристикой источника питания называется зависимость между напряжением на его выходных клеммах и током в сварочной цепи.

Внешние характеристики (рис. 1) могут быть следующих основных видов: крутопадающая 1, пологопадающая 2, жесткая 3, возрастающая 4.

Рис. 1. Основные типы внешних характеристик источников питания для дуговой сварки: 1 – крутопадающая, 2 – пологопадающая, 3 – жесткая, 4 – возрастающая

Источник тока с соответствующей внешней характеристикой выбирают в зависимости от вольт-амперной характеристики дуги (рис. 2).

Участки 1 и 2 ВАХ (рис. 2) соответствуют режимам сварки, применяемым при ручной сварке плавящимся покрытым электродом, а также неплавящимся электродом в среде защитных газов. Механизированная сварка под флюсом соответствует 2 области (рис. 2) и частично захватывает 3 область (рис. 2) при использовании тонких электродных проволок и повышенной плотности тока, сварка плавящимся электродом в защитных газах соответствует 3 области ВАХ (рис. 2). Для питания дуги с падающей или жесткой ВАХ применяют источники питания с падающей или пологопадающей внешней характеристикой.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика дуги

Для питания дуги с возрастающей ВАХ применяют источники тока с жесткой или возрастающей внешней характеристикой. Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источник постоянного тока – сварочные генераторы с приводом от электродвигателя (сварочные преобразователи), сварочные генераторы с приводом от двигателя внутреннего сгорания (сварочные агрегаты) и полупроводниковые сварочные выпрямители.

Сварочные трансформаторы благодаря своим технико-экономическим показателям имеют преимущества по сравнению с источниками постоянного тока. Они проще в эксплуатации, долговечнее, обладают более высоким к.п.д.

Источники постоянного тока предпочтительнее в технологическом отношении: при их применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях и др.

Основные технические показатели источников питания сварочной дуги: внешняя характеристика, напряжение холостого хода, относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме.

Величина ПР определяется как отношение продолжительности рабочего периода источника питания к длительности полного цикла работы и выражается в процентах: ПР = (t_р / t_ц) 100, где t_р – непрерывная работа под нагрузкой (сварка); t_ц – длительность полного цикла (сварка + пауза). Оптимальная величина ПР принята 60 %. Различие между ПР и ПВ состоит в том, что в первом случае источники питания во время паузы не отключаются от сети и при разомкнутой сварочной цепи работают на холостом ходу, а во втором случае источники полностью отключаются от сети, что имеет место при механизированной сварке.

1.3.1. Идеальный источник эдс

Идеальный источник ЭДС — это такой источник, который вырабатывает напряжение на нагрузке, величина которого не зависит от сопротивления нагрузки или тока нагрузки (рис.1.4а), т.е. U_н = E = const. В обозначении источника ЭДС направлении стрелки «↑» показывает направление увеличения потенциала. Реальный источник постоянного напряжения, приближающимся к идеальному источнику ЭДС, является, аккумулятор.

Рис. 1.4. Источник ЭДС и его внешняя характеристика

Идеальный источник ЭДС невозможен, так как его мощность должна быть бесконечно большой, что реально невозможно. Рассчитаем (рис.1.4а) ток нагрузки: I_н = U_н /R_н. Если R_н ® , то P_ист = EI_н ® .

Для реальных источников ЭДС (рис.1.4б) необходимо учитывать их внутреннее сопротивление R_i, что приводит к зависимости напряжения на нагрузке от тока нагрузки

.

Реальные источники ЭДС называют источниками напряжения. Зависимость U_н =f(I_н) называется внешней характеристикой источника ЭДС (рис.1.4в). Чем меньше R_i, тем ближе источник к идеальному источнику ЭДС. Идеальный источник ЭДС имеет нулевое внутреннее сопротивление R_i = 0.

Внутреннее или вы­ходное сопротивление источника Ru, рассчитывают по формуле (1.8):

,

где ΔU — приращение выходного напряжения;

ΔI — приращение выходного тока соответствующее исходному приращению напряжения.

Итак, реальный источник напряжения характеризуется двумя параметрами: величиной ЭДС Е и внутренним сопротивлением Ri.

В зависимости от направления преобразования энергии источники могут работать в режиме генератора или в режиме потребителя. Если различные виды энергии в источнике преобразуются в электрическую, то данный источник работает в режиме генератора. Направления ЭДС и тока в источнике, работающем в режиме генератора, совпадают.

Если в источнике электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, то такой источник является потребителем электрической энергии (например, аккумулятор в режиме зарядки). Направление ЭДС и тока в источнике, работающем в режиме потребителя, противоположны.

1.3.2. Идеальный источник тока

Идеальный источник тока вырабатывает ток I_н через сопротивление нагрузки, величина которого не зависит от напряжения на нагрузке и ее сопротивления R_н (рис.1.5а), т.е. I_н = I = const.

Рис. 1.5. Источник тока и его внешняя характеристика

Для изображения источника тока используется обозначение, представленное на рис.1.5а. Направление двойной стрелки соответствует положительному направлению тока источника тока.

Идеальный источник тока невозможен, так как мощность такого источника должна быть бесконечно большой. Рассчитаем U_н = I_нR_н. Если R_н®, то P = I_нU_н.

Для реального источника тока (рис.1.5б) необходимо учитывать его внутреннее сопротивление R_i, что приводит к зависимости тока через нагрузку от сопротивления нагрузки

,

.

Отсюда следует, что при увеличении сопротивления нагрузки часть тока I проходит через внутреннее сопротивление R_i, что приводит к уменьшению тока через нагрузку. Идеальный источник тока должен иметь внутреннее сопротивление R_i = , тогда I₁ = 0. На рис.1.5в показана внешняя характеристика источника тока идеального, когда R_i = и реального, когда R_i.

Внутреннее или вы­ходное сопротивление источника тока R_i, рассчитывают по формуле :

,

где ΔU — приращение выходного напряжения;

ΔI — приращение выходного тока соответствующее исходному приращению напряжения.

Итак, реальный источник тока характеризуется двумя параметрами: величиной тока I и внутренним сопротивлением Ri.

Сравнивая выражения 1.7 и 1.9 можно заметить, что генератор тока может быть заменён на эквивалентный генератор напряжения при условии равенства их внутренних сопротивлений R_i и при условии, что E=I . R_i. Их эквивалент­ность заключается в одинаковом поведении их совместно с равными резисто­рами нагрузки.

Справедлива и обратная замена источника ЭДС с выходным напряжением на холостом ходу равным E и внутренним сопротивлением R_i на генератор тока с тем же внутренним сопротивлением и током, равным I_г=E/R_i.

1.2. Характеристики источников питания и его отдельных каскадов

Основной характеристикой любого источника пита­ния, так же как и каждого его каскада, является внешняя характери­стика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от величины выходного тока, представленных на рисунке 1.1. Семейство кривых (рис. 1.1,а) характерно для первичных источников питания. В данном случае приведены внешние характеристики солнечной батареи. Основная кривая дает зависимость напряжения от тока нагрузки при нормальных условиях освещения (например, ясный день в средних широтах, солнце высоко над горизонтом) и нормальной температуре. Кривая 2 дает ту же зависимость, но при более интенсивном освещении (батарея поставлена нормально к солнечным лучам), а кривая 3 соответствует тем же условиям освещения, что и кривая, но батарея работает при более низкой температуре. Учет остальных факторов, влияющих на работу солнечной батареи, еще больше расширит семейство внешних характеристик. Аналогичные зависимости получаются и для других типов первичных источников энергии. Их выходное напряжение зависит от величины, подводимой к ним энергии, тока нагрузки и характеристик окружающей среды. Выходная характеристика стабилизатора выходного напряжения (рис. 1.1, б) при высоком качестве стабилизатора сливается на рабочем участке АВ в одну линию.

Д ля оценки стабильности выходного напряжения или тока используют коэффициенты нестабильности, причем их определяют для каждого из параметров, вызывающего изменения выходной величины. Так, для солнечной батареи по характеристикам (рис. 1,а) можно определить в любой рабочей точке нестабильность

Рис. 1.1. Внешние характеристики ВИП: а) семейство кривых для первичных источни­ков питания, б) выходная характеристика стабилизатора выходного напряжения

выходного напряжения, вызываемую изменением мощности светового потока. Коэффициент нестабильности в данном случае будет определяться как отношение отклонения выходного напряжения ∆U к вызвавшему это отклонении изменению светового потока ∆Ф:

Его удобно назвать коэффициентом нестабильности по входной световой мощности.

Нестабильность напряжения, вызванная изменением температуры, может быть оценена тепловым коэффициентом нестабильности, измеряемым в вольтах на градус Цельсия:

Для определения изменений напряжения выпрямителя и стабилизатора при колебаниях величины подводимого к ним напряжения Е следует пользоваться коэффициентом нестабильности по входному напряжению:

Иногда пользуются не абсолютными коэффициентами нестабильности, а относительными, представляющими собой отношение процентных изменений выходной величины и дестабилизирующего фактора. Например, для относительного коэффициента нестабильности по входному напряжению получим

Изменения выходного напряжения, вызываемые колебаниями тока нагрузки, для любого источника или каскада определяются выходным, или, как его еще называют, внутренним, сопротивлением источника или каскада. При нелинейной внешней характеристике это сопротивление является дифференциальным и определяется в каждой рабочей точке как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его отклонению выходного тока, взятое с обратным знаком:

Знак «минус» введен в это выражение потому, что у источника с положительным выходным сопротивлением при росте тока нагрузки выходное напряжение уменьшается.

В семействе внешних характеристик выходное сопротивление определяет наклон каждой из кривых и может быть вычислено графически. Выходное сопротивление является одним из важнейших показателей источника питания или его каскада, так как определяет зависимость напряжения на нагрузке от величины потребляемого ею тока. В самом деле, если источник постоянного тока обладает линейной внешней характеристикой (рис.1.2, а), то его эквивалентная схема замещения будет состоять из двух элементов: э.д.с. холостого хода E_вых и внутреннего сопротивления R_вых (рис. 1.2,б). Ток в сопро-

Рис. 1.2. Внешняя характеристики (а,в) и эквивалентная схема источника постоянного тока(б)

тивлении нагрузки Rн напряжение на ней и мощность, отдаваемая источником P₀, будут соответственно равны:

Изменения сопротивления нагрузки вызывают изменения мощности, отдаваемой источником. Наибольшая мощность будет выделяться на нагрузке в том случае, когда сопротивление нагрузки равно выход­ному сопротивлению R_н=R_вых. Эта максимальная мощность тем больше, чем меньше выходное сопротивление:

Если внешняя характеристика источника нелинейна (рис. 1.2, в), то выходное сопротивление в каждой рабочей точке будет иметь различную величину. Нахождение отдаваемой источником мощности в этом случае удобно производить графически. Для этого необходимо решить совместно два уравнения. Первое нелинейное уравнение внеш­ней характеристики:

а второе уравнение для нагрузки:

Если нагрузка представляет собой линейное сопротивление, то, как было уже сказано, ее характеристика представляется на графике прямой линией с наклоном, определяемым сопротивлением R_н. Точка пересечения А характеристик (рис. 1.2, в) дает совместное решение двух уравнений и, следовательно, определяет установившиеся выходное напряжение U₀₀ и выходной ток I₀₀. Мощность, отдаваемая источником, определяется площадью прямоугольника с вершиной, лежащей в точке А. Произведя несколько последовательных построений для разных значений R_н можно найти как оптимальное для данного источника сопротивление нагрузки, так и максимальную, мощность, отдаваемую источником. Максимальная мощность отдается в оптимальную нагрузку.

Зависимость выходного напряжения от отдаваемого источником тока вызывает также и связь между несколькими радиоустройствами, подключенными к этому источнику, или каскадами одного радиоустройства. Эта связь через общий источник питания (общее R_вых источника) приводит к взаимовлиянию работы радиоустройств или его каскадов и может привести как к взаимным помехам, так и к отказу в работе.

В сложных установках, содержащих много каскадов, устранить взаимовлияние, вызванное связью через общий источник питания, достаточно трудно. Поэтому и приходится применять стабилизаторы напряжения, имеющие очень малое выходное сопро­тивление, а в каскадах радиоустройства, чувствительных к такому влиянию или являющихся источниками нестабильности, предусматривать фильтры-развязки, изолирующие их от общего источника питания.

Простейший развязывающий фильтр, представленный на рисунке 3.1, получается при подсоединении конденсатора С параллельно выходным клеммам источника. Выходное сопротивление источника с таким фильтром зависит от частоты изменения тока нагрузки ω_н и для его переменных составляющих, имеющих частоту ω_н > 1/(СR_вых), будет определяться лишь емкостным сопротивлением 1/(ω_н С) и, следовательно, может иметь малую величину при любом значении R_вых

Рис. 1.3. Схема фильтра-развязки

Связь между двумя устройствами У₁ и У₂ (их эквивалентные нагрузки R_н1 и R_н2) будет определяться емкостью конденсатора С и при значительных величинах ω_н окажется весьма слабой.

До сих пор речь шла лишь об источниках и стабилизаторах напряжения. Источник напряжения должен поддерживать постоянным напряжение на выходе при изменении тока нагрузки в заданных преде­лах. Следовательно, его выходное сопротивление должно быть как можно меньше, а выходная характеристика почти горизонтальной.

Стабилизатор тока должен поддерживать постоянным ток через нагрузку при изменении напряжения на ней. Выходное сопротивление источника тока на рабочем участке должно быть как можно больше и в соответствии с этим рабочий участок его внешней характеристики получается почти вертикальным.

Это отличие источника напряжения от источника тока накладывает отпечаток и на показатели соответствующих схем. Для источника напряжения приводились коэффициенты нестабильности, учитываю­щие изменение выходного напряжения, а для источника тока, соответ­ствующие коэффициенты необходимо подсчитывать как отношение изменений выходного тока к отклонениям дестабилизирующих факторов. Поскольку большинство радиоустройств требует для сохранения режима постоянных питающих напряжений, в схемах питания источники напряжения и стабилизаторы напряжения встречаются гораздо чаще, чем источники тока и стабилизаторы тока. Необходимо отметить, что иногда один и тот же элемент может использоваться как источник напряжения и как источник тока. Это определяется выбором рабочего участка внешней характеристики. Например, солнечная батарея при малых токах нагрузки ведет себя как источник напряжения, а при токах нагрузки, близких к току короткого замыкания как источник тока.

Самой общей и наиболее часто применяемой оценкой качества источника питания являются его удельные массовые и объемные характеристики. Они позволяют сравнивать совершенно различные по принципу работы, источники питания по массе и объему, приходящемуся на один Ватт мощности, отдаваемой в нагрузку (удельные мощностные характеристики), или один ватт/час энергии, отдаваемой в нагрузку (удельные энергетические характеристики).

Особенно удобны эти характеристики для оценки первичных источников. При питании устройств, создающих пиковую нагрузку, более важны удельные мощностные объемная и массовая характеристики:

где Рн — мощность, отдаваемая в нагрузку, G — масса источника питания; V — его объем.

Если же источник должен работать на постоянную нагрузку в течение долгого времени, то для него более важны хорошие удельные энергетические объемная и массовая характеристики q_v и q_G. Эти характеристики определяются отношениями:

где Q_н — энергия, отдаваемая в нагрузку за время работы.

Все удельные характеристики зависят от режима работы источника, запасов, заложенных в него для обеспечения надежности, и внешних условий. Поэтому правильный выбор источника питания можно сделать лишь на основе анализа семейства кривых, определяющих его удельные характеристики в зависимости от нагрузки, внешних условии и прочих причин, влияющих на работу источника.

В лияние нагрузки источника питания на его удельные характеристики удобно оценить по зависимости его энергетических показателей от мощностных показателей. Примером такой зависимости являются графики (рис. 1.4, а,б) для никель-кадмиевого аккумулятора НК-10.

Рис. 1.4. Влияние нагрузки на удельные характеристики

При малом сопротивлении нагрузки аккумулятор отдает запасенную в нем энергию за малое время, и поэтому получается большая мощностная отдача. Однако значительный наклон характеристик показывает, что чем быстрее разряжается аккумулятор, тем меньшую энергию он отдает в нагрузку и большая ее часть теряется в самом источнике. Построенные на рисунке 1.4. для разных температур окружающей среды характеристики показывают, что качественные показатели аккумулятора заметно ухудшаются при его охлаждении. К источникам питания радиоустройств предъявляются не только требования стабильности в работе, малых массы и габаритов, но и целый ряд других.

Однако приведенные пояснения показывают, как подходить к оценке качеств источника питания и какие надо потребовать для этого характеристики.