Реальные источники электрической энергии

Отличием реальных источников энергии от идеальных является прежде всего наличие в них внутреннего сопротивления, обусловленного их конструкцией и физическими процессами, происходящими в них.

Внутреннее сопротивление реального активного элемента R_вн ограничивает мощность, отдаваемую источником в электрическую цепь. В связи с этим реальный источник энергии может быть представлен как модель, образованная из идеального источника энергии и идеального резистора (сопротивления), т.е. в виде последовательной или параллельной схем замещения, соответственно с идеализированным источником напряжения (рис. 1.17,а) или идеализированным источником тока

(рис. 1.17,б).

Рис. 1.17. Реальные источники напряжения и тока:

а – последовательная схема замещения:

б – параллельная схема замещения.

В параллельной схеме замещения (рис. 1.17,б) для того, что бы напряжение на ее выходных зажимах было равно u(t), необходимо выбирать величину i(t)=e(t)/R_вн.

На рис. 1.18 представлен реальный источник напряжения в виде последовательной схемы замещения с идеальным источником напряжения c внутренним сопротивлением и подключенной к зажимам источника сопротивления нагрузки R_Н, на котором возникает напряжение .

Рис. 1.18. Условное графическое изображение реального источника напряжения с нагрузкой R_Н

Основной характеристикой модели реального источника напряжения является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), т.е. зависимость тока через источник от напряжения на его зажимах, которая является функцией изменения сопротивления нагрузки . На рис. 1.19 показана ВАХ реального источника постоянного напряжения.

Рис. 1.19. ВАХ реального источника напряжения

ВАХ реального источника напряжения (рис. 1.19) представляет собой прямую линию, у которой точка 1 с координатами (0, ) получается при , когда , а точка 2 с координатами (0, ) образуется при , когда . Пунктирной линией на рис. 1.19 показана вольт-амперная характеристика идеального источника напряжения с внутренним сопротивлением = =0.

При расчетах схем, при необходимости, осуществляют эквивалентный переход от последовательной схемы замещения источника энергии к параллельной и наоборот, что позволяет упростить расчеты электрических цепей. Так, например, если при последовательном соединении двух источников энергии общее напряжение равно сумме их напряжений, и также суммируются величины их внутренних сопротивлений, то при параллельном соединении двух источников, для определения результирующего напряжения, необходимо осуществить соответствующие расчеты. Их можно произвести на основе вышеупомянутых схем замещения реальных источников энергии.

На рис. 1.20 представлена схема параллельного соединения двух реальных источников энергии постоянного напряжения и пусть требуется определить напряжение на зажимах их соединения.

Рис. 1.20. Схема параллельного соединения источников напряжения

Для определения напряжения Е_1,2 осуществим эквивалентный переход от последовательной схемы замещения источников энергии к параллельной (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Схема соединения источников в виде параллельной схемы их замещения

Дальнейшее преобразование цепи (рис. 1.21) приводит к схеме, показанной на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Преобразование в схеме соединения источников энергии по рис. 1.21

Тогда, с учетом преобразований (рис. 1.22) напряжение на эквивалентном сопротивлении R_экв можно определить как

. (1.22)

Полученная формула (1.22) показывает, что при параллельном соединении источников их общее напряжение определяется как величина, зависящая не только от их напряжений, а и от их внутренних сопротивлений.

Так, если у источников энергии (рис.1.22) R₁=R₂=R, то формула (1.22) упрощается и будет иметь вид

.

На практике схему замещения (последовательную или параллельную) выбирают исходя из технических характеристик источника энергии, и прежде всего величины его внутреннего сопротивления. Так, мощный автомобильный аккумулятор с очень маленьким внутренним сопротивлением приближается к последовательной схеме замещения с идеальным источником напряжения и сопротивлением R_вн. Источник питания переносных радиоприемников (батарейку) с большим внутренним сопротивлением лучше всего представить в виде параллельной схемы замещения с источником тока. При необходимости, на практике реальный источник тока получают из реального источника напряжения с малым внутренним сопротивлением R_е, подключая последовательно к зажимам источника большое сопротивление R_вн (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Схема реального источника тока

Если в схеме (рис. 1.23) соблюдается условие, что R_вн>>R_н,

то при изменении R_н от нуля до некоторого значения ток i(t) в электрической цепи будет изменяться в небольших пределах и не будет зависеть от напряжения u_Rн (t) на зажимах R_{н .}