Avotu aizstāšanas shēmas elektriskā enerģija
Izstrādāsim elektriskās enerģijas avotu koncepciju.
Elektriskās enerģijas avotu var attēlot ar ekvivalentu ķēdi (ekvivalentu ķēdi), kas parādīta attēlā. 9.
Rīsi. 9. Elektriskās ķēdes ekvivalenta ķēde ar EML avotu
Šī ir galvenā, visbiežāk izmantotā līdzvērtīgā ķēde elektriskās enerģijas avotam. To var saukt par līdzvērtīgu elektriskās ķēdes ķēdi ar EML avotu. Līdzvērtīgā shēmā avots ietver EML E un iekšējā pretestība R i. Elektriskās enerģijas uztvērējs att. diagrammā. 9 ir attēlots ar slodzes pretestību R. EMF E un iekšējā pretestība R i avots ir konstantes. Pretestības vērtība R uztvērējs var atšķirties. (Piemēram, in laboratorijas darbi lai mainītu vērtību R bieži izmanto slīdni reostatu). Kad mainās pretestība R strāva mainīsies es avots sniedz saņēmējam.
Shēma att. 9 vienas ķēdes. Piemērosim tam otro Kirhhofa likumu, saskaņā ar kuru mums ir:
Spriegums uztvērēja spailēs ir sprieguma kritums pāri slodzes pretestībai U = R.I.. Izsakot spriegumu no Kirhhofa otrā likuma formulas, mēs atklājam, ka spriegums uztvērēja spailēs ir vienāds ar EMF E mīnus sprieguma kritums pāri avota iekšējai pretestībai R i I
Saskaņā ar šo izteiksmi ir iespējams konstruēt avota ārējo raksturlielumu (10. att., 1. segments). Ārējais raksturlielums ir taisnas līnijas segments, kas atrodas starp punktiem dīkstāves kustība un īssavienojums. Tukšgaitas punkts atbilst strāvai, kas vienāda ar nulli, un spriegumam, kas vienāds ar EMF E. Īssavienojuma punkts atbilst nulles spriegumam U= 0 un maksimālā iespējamā strāva es = Es k sauc par īssavienojuma strāvu.
Rīsi. 10. Avotu ārējie raksturlielumi:
1 - reāls avots; 2 - ideāls EML avots; 3 - ideāls strāvas avots
Ja avota iekšējā pretestība R i nenozīmīga salīdzinājumā ar uztvērēja pretestību R(avots darbojas režīmā, kas ir tuvu dīkstāves režīmam, un avota iekšējo pretestību var neņemt vērā, pieņemot R i= 0), tad avotu var attēlot ar vienkāršāku ekvivalentu ķēdi (11. att.), kas ir īpašs shēmas gadījums attēlā. 9.
Rīsi. 11. Elektriskās ķēdes ekvivalenta ķēde ar ideāls avots EMF
Šādu avotu var saukt par ideālu EML avotu vai sprieguma avotu, jo tā spriegums ir nemainīgs un vienāds ar EML vērtību. U=E. Sprieguma avota ārējais raksturlielums ir stars (10. att., stars 2), kas novilkts no tukšgaitas punkta paralēli abscisu asij.
Īpaši atzīmēsim vienu ļoti izplatītu un tāpēc ļoti svarīgu gadījumu praksē, kurā par sprieguma avotu ir ērti uzskatīt elektroenerģijas avotu. Fakts ir tāds, ka lielākā daļa mūsdienu ģeneratoru, tostarp kuģu ģeneratori, ir aprīkoti ar ierīcēm automātiskai sprieguma regulēšanai (apkopei). Viņu darba būtība ir tāda, ka mainoties slodzes strāvai un attiecīgi sprieguma kritumam pāri avota iekšējai pretestībai R i I avota EMF mainās par tādu pašu summu E. Tāpēc spriegums avota spailēs praktiski nemainās. Šāds avots atbilst ārējam raksturlielumam 2 attēlā. 10, tāpēc, analizējot uztvērēja darbību, ir ērti uzskatīt šādu elektriskās enerģijas avotu par sprieguma avotu.
Elektriskās enerģijas avotu var attēlot arī ar līdzvērtīgu ķēdi, kurā ir strāvas avots. Mēs to parādīsim, veicot pāreju no ķēdes ar EML avotu uz ķēdi ar strāvas avotu.
Pierakstīsim Kirhhofa otrā likuma izteiksmi ķēdei attēlā. 9 šādā formā:
Sadaliet visus šīs izteiksmes nosacījumus ar R i
,
kur gi = 1/R i . (4)
Vadītspēja gi var saukt par avota iekšējo vadītspēju. Iekšējās vadītspējas klātbūtne ir saistīta ar elektriskās enerģijas zudumu tās sildīšanas avotā.
Attieksme E/R i skaitliski vienāds ar īssavienojuma strāvu Es k avots (strāva, kas plūst caur avotu, ja tā izejas spailēm ir īssavienojums). Paturot to prātā, var definēt
Es k = E/R i , (5)
kur Es k – avota īssavienojuma strāva.
Mēs arī apzīmējam
g i U= es i
un sauc šo vērtību par avota iekšējo strāvu.
Rezultātā no otrā Kirhhofa likuma vienādojuma, kas ir spēkā att. shēmai. 9, mēs nonākam pie pirmā Kirhhofa likuma vienādojuma
Es k=es+ es i ,
kas ir spēkā ķēdei attēlā. 12.
Ekvivalenta shēma att. 12 sastāv no elektriskās enerģijas avota un tā uztvērēja. Elektriskās enerģijas avots diagrammā ir iezīmēts ar punktētu līniju. Elektroenerģijas avots sastāv no strāvas avota Es k(attēlots kā aplis ar divām bultiņām) un avota iekšējā vadītspēja gi. Strāvas avotu raksturo pastāvīga strāva Es k, vienāds ar elektriskās enerģijas avota īssavienojuma strāvu. Gar atzaru ar avota iekšējo vadītspēju gi avota iekšējā strāva plūst es i. Uztvērēju raksturo vadītspēja g. Slodzes strāva plūst caur uztvērēju es.
Rīsi. 12. Elektriskās ķēdes ekvivalenta ķēde ar strāvas avotu
Pašreizējais Es k un iekšējā vadītspēja gi avots ir konstantes. Vadītspējas vērtība g uztvērējs var atšķirties. Pašreizējais Es k strāvas avots mezglā ir sadalīts strāvās es i un es proporcionāls vadītspējai gi un g attiecīgi. Tāpēc slodzes spriegums ir vienāds ar strāvas attiecību Es k uz vadītspēju summu gi un g:
U= es k /(gi + g).
Tad avota iekšējo strāvu var atrast kā
es i = g i U.
Slodzes strāva es definēts līdzīgi
es = gU.
Ekvivalenta shēma att. 12 ir līdzvērtīga shēmai, kas parādīta attēlā. 9, tādēļ ārējais raksturlielums 1 att. 10. EML un strāvas avotus ar identiskiem ārējiem parametriem sauc par līdzvērtīgiem avotiem. EML avota parametru pārrēķinu uz līdzvērtīga strāvas avota parametriem un otrādi var veikt, izmantojot iepriekš minētās formulas. Aprēķinos izmantojot šādu avotu ekvivalentas shēmas, jāpatur prātā, ka shēmā 1. 9 mēs darbojamies ar spriegumiem, kas parādīti attēlā. 10 ar bultiņām, kas novietotas vertikāli, un shēmā att. 12 mums ir darīšana ar strāvām, kas parādītas attēlā. 10 horizontāli izvietotas bultiņas.
Rīsi. 13. Elektriskās ķēdes ekvivalenta ķēde ar ideālu strāvas avotu
Konkrētajā elektriskās enerģijas avota gadījumā, kurā enerģijas zudumi avota iekšienē ir niecīgi, salīdzinot ar enerģiju, kas tiek dota uztvērējam, mēs varam pieņemt, ka avota iekšējai vadītspējai ir tendence uz nulli ( gi= 0). Tad elektriskās enerģijas avota ekvivalento ķēdi var vienkāršot, reducējot to līdz ķēdei, kas parādīta attēlā. 13, ko var saukt par līdzvērtīgu ķēdi ar ideālu strāvas avotu. Šāda avota ārējais raksturlielums ir stars (10. att., staru kūlis 3), kas izvilkts no īssavienojuma punkta paralēli y asij.
Mēs pārskatījām EML avoti un strāvu var saukt par neatkarīgiem avotiem, jo tiem ir EMF E un pašreizējais Es k nav atkarīgi no spriegumiem un strāvām citās elektriskās ķēdes daļās. Tajā pašā laikā, analizējot elektroniskās shēmas (piemēram, bipolāros un lauka efekta tranzistorus), kļūst nepieciešams ņemt vērā tā sauktos atkarīgos (vadāmos) EML vai strāvas avotus, kuros EML. E vai strāva Es k izmaiņas atkarībā no vienas vai vairāku elektriskās ķēdes atzaru sprieguma vai strāvas. Tagadne pamācība galvenokārt koncentrējās uz ķēžu analīzi ar neatkarīgiem avotiem.
Gaisvadu līnija > DC
Enerģijas avotu nomaiņas shēmas
Vienšūņi elektriskā ķēde un tā ekvivalentā ķēde, kā norādīts, sastāv no viena enerģijas avota ar EMF E un iekšējo pretestību r t un viens uztvērējs ar pretestību r (skat. 1.3. att.). Strāva ķēdes ārējā daļā attiecībā pret enerģijas avotu, t.i., uztvērējā ar pretestību r , tiek ņemts vērsts no punkta a ar lielu potenciālu uz punktu b ar mazāku potenciālu.
Strāvas virziens diagrammā tiks norādīts ar bultiņu ar klīrensu vai norādīts ar diviem indeksiem burta tuvumā es tāds pats kā attiecīgajiem diagrammas punktiem. Tātad diagrammai attēlā. 1,3 strāva uztvērējā I = I a b , kur indeksi a un b apzīmē strāvas virzienu no punkta a uz punktu b .
Parādīsim, ka enerģijas avots ar zināmu EML E un iekšējā pretestība r t , var pārstāvētdivas pamata līdzvērtīgas shēmas(ekvivalentas ķēdes).
Kā jau minēts, no vienas puses, spriegums enerģijas avota spailēs ir mazāks par EMF sprieguma kritumam avota iekšpusē:
no otras puses, spriegums pāri pretestībai r 
Ņemot vērā vienlīdzību
no (1.5a) un (1.56) iegūstam vai 
Jo īpaši tukšgaitā (atver spailes a un b ) izrādās E=U x, t.i., EMF ir vienāds ar atvērtās ķēdes spriegumu. Plkst īssavienojums(secinājumi a un b) strāva 
No (1.7 6) izriet, ka r w enerģijas avots, kā arī uztvērēja pretestība ierobežo strāvu.
Līdzvērtīgā shēmā varat parādīt ķēdes elementu ar r t , kas savienots virknē ar elementu, kas apzīmē EML E (1.7. att., a). Spriegums U ir atkarīgs no uztvērēja strāvas un ir vienāds ar starpību starp EMF E barošanas avots un sprieguma kritums r W I (1.6.a). Enerģijas avota diagramma, kas parādīta attēlā. 1.7, a, saucpirmā aizstāšanas shēmavai ķēde ar emf avotu.
Ja r t<
Enerģijas avotu var attēlot arī ar otro ekvivalentu ķēdi (1.8. att., a). Lai pamatotu šo iespēju, vienādojuma (1.7a) labo un kreiso pusi sadalām ar r t . Rezultātā mēs iegūstam
kur g w \u003d 1/r w - iekšējā vadītspējaenerģijas avots, vai
J \u003d I + I w , (1,8)
kur J = E / r w - strāva ar enerģijas avota īssavienojumu (t.i., strāva ar pretestību r=0) ; I w = U / r w = g w U - kāda strāva ir vienāda ar sprieguma attiecību enerģijas avota izejās un tā iekšējo pretestību; es = U/r = gU - uztvērēja strāva; g = 1/ r - uztvērēja vadītspēja.
Iegūto vienādojumu (1.8) apmierina ekvivalenta ķēde ar strāvas avotu, kas sastāv no avota ar noteiktu strāvu J = E / r w (1.8. att., a) un tam paralēli savienots elements r W (1. un 2. vispārīgie secinājumi).
Ja g w<
Elektroenerģijas avotu aizstāšanas shēmas
Elektriskās enerģijas avota īpašības apraksta VAC, sauc avota ārējās īpašības. Tālāk šajā sadaļā, lai vienkāršotu analīzi un matemātisko aprakstu, tiks apskatīti līdzstrāvas sprieguma (strāvas) avoti. Tomēr visi šajā gadījumā iegūtie likumi, jēdzieni un līdzvērtīgās shēmas pilnībā attiecas uz maiņstrāvas avotiem. Avota strāvas-sprieguma raksturlielumu var noteikt eksperimentāli, pamatojoties uz shēmu, kas parādīta attēlā. 4a. Šeit voltmetrs V mēra spriegumu avota UN spailēm 1-2, un ampērmetrs A mēra no tā patērēto strāvu, kuras vērtību var mainīt, izmantojot mainīgas slodzes rezistoru (reostatu) RN. 
Vispārīgā gadījumā avota CVC ir nelineārs (1. līkne 4.b attēlā). Tam ir divi raksturīgi punkti, kas atbilst:
a - dīkstāves režīms 
;
b - īssavienojuma režīms 
.
Lielākajai daļai avotu īssavienojuma režīms (dažreiz tukšgaita) nav pieņemams. Avota strāvas un spriegumi parasti var mainīties noteiktās robežās, ko no augšas ierobežo vērtības, kas atbilst nominālais režīms(režīms, kurā ražotājs garantē vislabākos apstākļus tā darbībai ekonomijas un kalpošanas ilguma ziņā). Tas atsevišķos gadījumos ļauj vienkāršot aprēķinus, tuvināt nelineāro CVC darba posmā m-n (sk. 4.,b att.) taisnei, kuras stāvokli nosaka sprieguma un strāvas izmaiņu darbības intervāli. Jāņem vērā, ka daudziem avotiem (galvaniskajiem elementiem, akumulatoriem) ir lineāras I–V īpašības.
Taisnā līnija 2 attēlā. 4b ir aprakstīts ar lineāro vienādojumu
|
,kur ir spriegums avota spailēs ar atvienotu slodzi (atvērtā atslēga K ķēdē 4. att., a); 
- avota iekšējā pretestība.
Vienādojums (1) ļauj sastādīt secīga ekvivalenta ķēde avots (skat. 5.a att.). Šajā diagrammā simbols E apzīmē elementu, ko sauc ideāls emf avots. Spriegums šī elementa spailēs 
nav atkarīgs no avota strāvas, tāpēc tas atbilst strāvas-sprieguma raksturlielumam attēlā. 5 B. Pamatojoties uz (1), šādam avotam ir . Ņemiet vērā, ka EMF un sprieguma virzieni avota spailēs ir pretēji. 
Ja avota CVC ir lineārs, tad, lai noteiktu tā ekvivalentās ķēdes parametri ir nepieciešams izmērīt spriegumu un strāvu jebkuriem diviem tā darbības režīmiem.
Ir arī paralēla avota ekvivalenta ķēde. Lai to aprakstītu, mēs sadalām attiecības (1) kreiso un labo daļu ar . Rezultātā mēs iegūstam 
vai
|
,kur; - avota iekšējā vadītspēja.
Vienādojums (2) atbilst avota ekvivalenta ķēdei attēlā. 6, a. 
Šajā diagrammā simbols J apzīmē elementu, ko sauc ideāls strāvas avots. Strāva atzarā ar šo elementu ir vienāda ar spriegumu avota spailēs un nav no tā atkarīga, tāpēc tā atbilst CVC attēlā. 6b. Pamatojoties uz to, ņemot vērā (2), šādam avotam , t.i. tās iekšējā pretestība.
Ņemiet vērā, ka projektēšanas plānā, ja nosacījums ir izpildīts, avota seriālās un paralēlās ekvivalentās shēmas ir līdzvērtīgas. Tomēr enerģijas ziņā tie atšķiras, jo dīkstāves režīmā virknes ekvivalentai ķēdei jauda ir nulle, bet paralēlai ķēdei tā nav.
Papildus norādītajiem avota darbības režīmiem praksē tas ir svarīgi sarunu režīms darbība, kurā slodze RN no avota patērē maksimālo jaudu
Ideāls strāvas avots
Spriegums ideāla strāvas avota spailēs ir atkarīgs tikai no ārējās ķēdes pretestības:
Strāvas avota piešķirtā jauda tīklam ir vienāda ar:
Tā kā pašreizējam avotam , tā izdalītais spriegums un jauda pieaug uz nenoteiktu laiku, palielinoties pretestībai.
Reāls strāvas avots
Reālu strāvas avotu, kā arī EML avotu lineārā tuvinājumā var raksturot ar tādu parametru kā iekšējā pretestība. Atšķirība ir tāda, ka jo lielāka ir iekšējā pretestība, jo tuvāk strāvas avots ir ideālam (EMF avots, gluži pretēji, jo tuvāk ideālam, jo zemāka ir tā iekšējā pretestība). Reāls strāvas avots ar iekšējo pretestību ir līdzvērtīgs reālam EML avotam ar iekšējo pretestību un EMF .
Spriegums reāla strāvas avota spailēs ir:
Strāvas stiprums ķēdē ir:
Jauda, ko tīklam piešķir reāls strāvas avots, ir vienāda ar:
Ideāls sprieguma avots
Ideāls sprieguma avots (EMF avots) ir fiziska abstrakcija, tas ir, šāda ierīce nevar pastāvēt. Ja pieņemam šādas ierīces esamību, tad caur to plūstošā strāva I, pieslēdzot slodzi, kuras pretestība RH tiecas uz nulli, tiecas līdz bezgalībai. Bet tajā pašā laikā izrādās, ka arī EML avota jaudai ir tendence uz bezgalību, kopš. Bet tas nav iespējams, jo jebkura enerģijas avota jauda ir ierobežota.
Reāls sprieguma avots
Patiesībā jebkuram sprieguma avotam ir iekšējā pretestība r, kas ir apgriezti saistīta ar avota jaudu. Tas ir, jo lielāka jauda, jo mazāka pretestība (konstantam avota spriegumam) un otrādi. Iekšējās pretestības klātbūtne atšķir reālu sprieguma avotu no ideāla. Jāņem vērā, ka iekšējā pretestība ir tikai un vienīgi enerģijas avota konstruktīva īpašība. Reāla sprieguma avota ekvivalentā ķēde ir EML avota virknes savienojums - E (ideāls sprieguma avots) un iekšējā pretestība - r.
Attēlā parādīti ideāla sprieguma avota (emf avota) (zilā līnija) un reāla sprieguma avota (sarkanā līnija) slodzes raksturlielumi.
kur:
Sprieguma kritums iekšējā pretestībā;
Sprieguma kritums pāri slodzei.
Īssavienojuma gadījumā (), tas ir, visa enerģijas avota jauda tiek izkliedēta tā iekšējā pretestībā. Šajā gadījumā šim EML avotam strāva būs maksimālā. Zinot atvērtās ķēdes spriegumu un īssavienojuma strāvu, mēs varam aprēķināt sprieguma avota iekšējo pretestību:
Tēvenina teorēma- lineārām elektriskām ķēdēm norāda, ka jebkura elektriskā ķēde, kurai ir divi spailes un kas sastāv no sprieguma avotu, strāvas avotu un rezistoru (rezistoru) kombinācijas, ir elektriski līdzvērtīga ķēdei ar vienu virknē savienotu sprieguma avotu V un vienu rezistoru R.
Nortona teorēma tiek izmantots, lai attēlotu neideālus avotus kā ideālus strāvas avotus ar šunta rezistoru. Sakarību starp šo divu modeļu parametriem nosaka vienādojums:
Turklāt abu modeļu iekšējās pretestības ir vienādas. Strāvu I nosaka ar saīsinātu slodzi.
Dažām shēmām ir ierasts atrast īssavienojuma strāvu IN