Источники тока. Источники напряжения
_______________________

Рейтинг@Mail.ru


Во время одной из таких бесед я попросил крупного учёного-физика объяснить мне, что такое электрический ток. На что он ответил мне определением из учебника средней школы:
 «электрический ток — это направленное движение электронов от плюса к минусу».
Я поблагодарил его, но напомнил ему, что это — определение из школьного учебника и мне не требуется объяснять понятие «направленного движения», а мне бы хотелось услышать от него объяснения того, что такое «электрон», что такое «плюс» и что такое «минус», и почему электрон движется от плюса к минусу?! Другими словами, в общепринятом определении электрического тока не было дано объяснение четырём принципиальным понятиям!
Я попросил академика АН СССР объяснить мне четыре принципиальных понятия из определения электрического тока! Когда я попросил объяснить мне эти четыре понятия, ответом академика было вновь: «...а это одному Богу известно!..» Не правда ли, занимательный ответ от одного из крупнейших в мире физиков!? На что я опять ответил: «Я не Бог, но мне это известно!». И дело не в том, что я один такой «вумный», а в том, что большинство людей совершенно не вникают в смысл тех или иных фраз, которые они сами и произносят. Кто-то «вбил» им в голову определённые понятия, они сами вбивают их в голову другим, но практически никто не задумывается над тем, а что же эти слова значат? Так может всё-таки стоит остановиться и задуматься!? Вот, в чём вопрос...
Николай Левашов «Зеркало моей души». Том 1, c.148

Источник тока и его внутреннее сопротивление. Начало
Всё думала, какую тему выбрать в качестве моей первой публикации. Поскольку я являюсь студенткой АлтГТУ и обучаюсь на специальности ИИТ (информационно – измерительная техника), то тема работы предполагалась техническая. И вот жизнь, а точнее учебный процесс, помогли мне сделать выбор. Для курсовой работы по ТОЭ (теоретические основы электротехники) необходимо было произвести расчет контурных токов цепей, включающих источники тока. Тогда и выяснилась, что никто толком не понимает теорию этих самых источников тока. Из учебников электротехники также трудно было что – либо понять. Вот и пришлось мне заняться этой темой и написать всё очень просто.

Источник тока - миф или реальность? Начинаем разбираться

Важно! Изложенные здесь мои соображения ни в коей мере не претендуют на роль учебника по электротехнике (ТОЭ). Моя скромная цель - всего лишь в доступной для понимания форме, на "пальцах", на уровне средней школы, рассмотреть те вопросы, с которыми я сама столкнулась в ходе выполнения лабораторных работ, и изложить их доступно для понимания. А применять или нет при этом дифференциальное и интегральное исчисление - решайте сами.

Источник тока и его внутреннее сопротивление
( учебник ТОЭ отдыхает на диване )

 

По поисковым запросам видно, что далеко не все правильно понимают суть данного вопроса.
Для этого определим используемую терминологию.

Источник тока - это именно источник стабильного тока, а не эдс (или напряжения), как представляют некоторые. Поэтому глупо говорить про напряжение источника тока, оно просто не существует. Напряжение мы можем обнаружить на нагрузке источника при протекании через неё этого самого тока. Источник тока обладает огромным внутренним сопротивлением, и чем больше, тем лучше. Напротив, источник эдс (напряжения) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, но обладает стабильным выходным напряжением, которое можно измерить тестером.
Внесу уточнение, чтобы неправильно не истолковали мои слова. Я не отрицаю наличие в источнике тока "эдс" в каком- либо виде. Если ток есть, значит, должна быть эдс. Здесь говорим о том, что мы не можем напряжение непосредственно измерить тестером, как у источника напряжения. Я прихожу к мнению, что источник тока всё же больше абстрактное устройство, и можно говорить лишь об его эквивалентной эдс, которую можно рассчитать исходя из известного (причем конечного) внутреннего сопротивления. При Rвн --> бесконечности, эдс также будет стремиться к бесконечности, поэтому она теряет практический смысл.

Эквивалентная схема источника тока Эквивалентная схема источника тока приведена на рис. 1, его преобразование в источник напряжения- на рис. 2. Если с источником напряжения более – менее понятно, то источник тока представляет собой определенную сложность. Идеальный источник генерирует стабильный ток, но в нагрузку попадает только его часть - ток , а небольшой ток утечки Iвн, обусловленный неидеальностью источника тока протекает через внутреннее сопротивление Rвн, минуя нагрузку. Очевидно, чем больше это сопротивление, тем меньше утечка и тем ближе источник тока к идеальному. Определим направление тока утечки.

На рис. 1 видно, что ток Iвн вытекает из узла 1. Почему? Если предположить, что ток утечки имеет противоположное направление и втекает в узел 1, то на основании 1 закона Кирхгофа (сумма втекающих равна сумме вытекающих) получится, что ток нагрузки

Iн =Iо+Iвн.

Таким образом, в нагрузке ток получается больше, чем его генерирует источник тока, что противоречит здравому смыслу. Поэтому,

Iн =Iо-Iвн
т.е. ток в нагрузке несколько меньше тока генерируемого источником. Также следует, что внутреннее сопротивление должно быть включено параллельно источнику, чтобы оно могло отбирать у него ток.

Рассмотрим влияние внутреннего сопротивления, почему необходимо, чтобы оно было большим? Из рис.1 видно, что сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление источника включены параллельно. Напряжение на них одинаково и равно: Uн =Rн*Iн.

Отсюда следует, что ток утечки составит: Iвн =Uн/Rвн.

Видно, что ток утечки тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление и чем меньше напряжение на нагрузке. Идеальным режимом работы источника тока, в отличие от источника напряжения, является режим короткого замыкания, когда Rн=0. При этом напряжение Uн =0 и ток Iвн =0,
т.к. Iвн =0/Rвн.

Преобразование источника тока в источник напряжения Преобразование источника тока в источник напряжения показано на рис.2. Эквивалентная эдс рассчитывается по формуле

Eэкв =Iо*Rвн

и имеет большое значение, т.к. Rвн велико. Например:

Rвн =100кОм, Iо =10мА, тогда E =100*10 =1000 В.

Почему схема именно такая, с последовательным включением эдс и внутреннего сопротивления? Замкнем , и протекающий в цепи ток определится лишь внутренним сопротивлением источника тока по формуле Iо =E/Rвн, что отвечает нашим исходным данным. Режим короткого замыкания нагрузки и в этой схеме является идеальным, т.к. при Rн =0 исключается её влияет на величину тока в цепи. Очевидно, чем больше внутреннее сопротивление, тем меньший вклад на величину тока в цепи вносит сопротивление нагрузки.

Iн = E/(Rвн+Rн)
 
Если Rвн>>Rн, то вклад незначителен.

Источники тока широко применяются в электронных схемах для генерации стабильного тока в нагрузку независимо от её сопротивления; в формирователях опорных напряжений; в качестве нагрузки усилительных каскадов для получения большого коэффициента усиления.
Рисунки мои.

Реализация источников тока на транзисторах. Продолжение
Проверь свои знания по электротехнике. Пройди тест по ТОЭ
Где грань между источником тока и напряжения. Проверяем с помощью утюга new!
Подходящие схемы на операционных усилителях. Повышение термостабильности
Последовательное включение двух источников тока. Дурацкая мысль, на которую я потратила 3 дня new!
но она получила развитие:
- в виде динамической нагрузки каскада;
- каскодной схемы усилителя;
- анализа работы источника тока на примере водопроводного шланга.

(с) 2009г.
Дополнение 1

Сдав сегодня очередной экзамен, решила дополнить тему источника тока важным разделом: расчетом его внутреннего сопротивления. По этой теме есть поисковые запросы, с которыми посетители попадают на страницу. Все описываемые ниже действия производим глядя на рис.1.
1. Измеряем напряжение на нагрузке с известным сопротивлением и рассчитываем ток в нагрузке:

Iн = Uн/Rн

2. Определяем ток , генерируемый идеальным источником тока.
Для этого вместо Rн включаем амперметр, имеющий очень малое внутреннее сопротивление, создавая тем самым режим короткого замыкания: Rн=0. Измеренный прибором ток и есть ток .
3. Рассчитываем ток, протекающий через внутреннее сопротивление источника (т.е. потери):

Iвн =Iо-Iн;

4. Т.к. Rвн и Rн включены параллельно, то напряжения на них равны и Rвн рассчитываем по формуле:

Rвн =Uн/Iвн;

Всё! Совсем просто.

Дополнение 2

Для преобразования источника напряжения в источник тока используем схему на рис. 2.
Сопротивление Rвн выбираем как минимум в 10 раз больше, чем сопротивление нагрузки.
ЭДС источника рассчитываем исходя из величины необходимого тока Е=Iн*(Rвн+Rн).
Получится довольно большое значение.

Некоторые воспринимают этот пример несколько прямолинейно и пишут, что такое замещение невыгодно, т.к. кпд устройства будет очень низким. Это только демонстрационный пример, а не призыв применять такую схему на практике.  

Литература:
Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники
У.Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника.

Дополнение 3

У проводников общие электронные системы нестабильны, постоянно образуются и распадаются. Вся такая система постоянно находится в движении, правда это движение хаотично. Если тем или иным способом создать направленное воздействие на проводники (приложить напряжение), возникает электрический ток. Но, что самое интересное, электроны не двигаются в проводнике. Внешнее воздействие (поле) увеличивает степень неустойчивости электронов, они распадаются и материи, их образующие, перетекают на эфирный уровень, где продолжают подвергаться воздействию внешнего поля. Внешнее поле вынуждает перетекать эти материи в определённом направлении (внешнее воздействие [поле] влияет на мерность микрокосмоса атомов, что и приводит к перетеканию материй на эфирный план). При таком вынужденном перетекании эти материи теряют часть своей энергии, что приводит к новому слиянию материи в очередной зоне искривления микрокосмоса атомов. Электрон вновь синтезируется. Таким образом, движение электронов вдоль проводника есть периодическое перетекание материй их образующих с физического уровня на эфирный и обратно. Именно поэтому при соединении в единое целое кристаллических решёток разных типов, (как в случае полупроводников) и при создании необходимых внешних условий, проявляется так называемый, туннельный эффект. Когда расстояние между точкой распада и точкой синтеза электронов составляет от доли миллиметра до нескольких миллиметров. При этом в этом промежутке — зона «затишья» — не происходит перетекание материй с физического уровня на эфирный и обратно. Это явление возникает при резком отличии электронных структур кристаллических решёток, образующих полупроводник.

Николай Левашов «Последнее обращение к человечеству»

Мысль выпуска:
Когда Вы знаете, что хотите, и хотите этого достаточно сильно, то Вы найдете способ получить это. Ответы, методы и решения, которые необходимы Вам для решения проблем на Вашем пути, станут открытыми для Вас:
Это здесь:   10 важнейших стратегий для любого предпринимателя
Здесь:   Видеокурс "Блог для Инфобизнеса за 15 шагов"
И здесь:   Как бесплатно создать видео, которое повысит ваши продажи на 30%
Цифровая книга "Идеальный план продвижения через социальные сети"

Положительные отзывы направляйте сюда 

Отличный хостинг сайтов. Приглашаем партнеров
Бесплатный набор графики для инфобизнеса (новинка!)
Внутреннее сопротивление источника тока. В чём отличие источника тока и напряжения.

Мне приходят отклики на мои статьи "Источник тока" и "Коэффициент усиления транзисторного каскада". Зачастую переписка по таким вопросам через п/я напоминаем разговор двух глухих. Отвечаешь одно, пишут противоположное. Решила несколько конкретизировать этот вопрос, расставить точки над i со ссылками и цитатами на авторитетные источники буржуйского и отечественного производства.
1. Чем управляется транзистор
Начнем с самого злободневного вопроса, который вносит путаницу во многие умы: чем управляется транзистор: током или напряжением ? (на примере усилителя на транзисторе с ОЭ). Вот, что я получила по почте. Возражение 1: - В этой же статье меня удивило сообщение, что ток коллектора экспоненциально зависит от напряжения база-эмиттер. Это тоже неверно, или это опечатка? Другое дело, ток эмиттера экспоненциально зависит от напряжения Uэб, а так как токи эмиттера и коллектора линейно связаны, возникает иллюзия того, что ток коллектора зависит от Uэб по экспоненте.
Ответ: Не ток эмиттера экспоненциально зависит от напряжения базы, а ток базы. В чём заключается линейная связь тока эмиттера с током коллектора? Из любого букваря мы знаем: Iк +Iб = Iэ, но ток базы мал, поэтому практически Iк = Iэ. В чём тут заключается их пропорциональность и иллюзия экспоненциальной зависимости? Далее открываем учебник "Искусство схемотехники" - Хоровиц, Хилл и читаем на стр. 113: ... следует рассматривать транзистор как элемент с передаточной проводимостью — коллекторный ток в нем определяется напряжением между базой и эмиттером. Если правила 1—3 соблюдены, то ток Iк связан с напряжением Uбэ следующей зависимостью: Iк=Iнаc[ехр(Uбэ/Uт)-1] (Такая же зависимость приводится у Титце и Шенка). В активной области Iк >>Iнас и членом —1 можно пренебречь. Уравнение для Iк известно под названием «уравнение Эберса — Молла». Оно описывает также зависимость тока от напряжения для диода. Следует запомнить, что в транзисторе коллекторный ток зависит от напряжения между базой и эмиттером, а не от тока базы (ток базы в грубом приближении определяется коэффициентом h21). Экспоненциальная зависимость между током Iк и напряжением Uбэ соблюдается в большом диапазоне токов, обычно от наноампер до миллиампер. Согласно уравнению Эберса — Молла, напряжение между базой и эмиттером "управляет коллекторным током". Смотри скан оригинала Изложу по вышесказанному свой взгляд. По моему мнению, здесь произошло столкновение двух позиций: теоретиков и практиков. Теоретики, которые представляют себе транзистор в виде p- n переходов и электронно - дырочной проводимости, голосуют за управление током, а практики с паяльником в руках предпочитают напряжение. Поэтому книга, выдержки из которой я привела, называется "Искусство схемотехники", а не "Основы физической электроники" = Наталья С.

Отличный хостинг сайтов и партнерская программа для заработка
(с) Наталья Суворова  |  Как Создать Информационный Бестселлер на DVD или CD. Продающий минисайт