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.

а) б)

в)

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 _н R _н. Если R _н® , то P = I _н U _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

,

(1.9)

где

.

(1.10)

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 I ₁ = 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:

,

(1.11)

где Δ U - приращение выходного напряжения;

Δ I - 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.
2. Задания на экспериментальные исследования и методика их выполнения

Принципиальная схема лабораторного макета, подключенного к NI ELVIS показана на рис.2.1.

Для сборки макета вставьте выводы платы макета в одноименные гнезда NI ELVIS (см. рис.2.2).

Рис.2.1. Принципиальная электрическая схема лабораторного макета, подключенного к NI ELVIS

Рис.2.2. Подключение макета к плате NI ELVIS

Задание 1. Измерить с помощью вольтметра и амперметра сопротивление резистора.

Схема измерения показана на рис.2.3.

Для запуска измерения нажать кнопку "Измерить"

Рис.2.3. Схема измерения для задания 1

Записать в отчет результаты измерения тока I =___ и напряжения U =____.

Используя соотношение R=U/I рассчитать сопротивление резистора. Результат расчета записать в отчет R =____.

Задание 2. Измерить сопротивление резистора с помощью мультиметра.

Схема измерения показана на рис.2.4.

Рис.2.4. Схема измерения для задания 2

Записать в отчет результат измерения сопротивления R =___.

Задание 3. Измерить ВАХ резистора и по ней определить сопротивление резистора.

Схема измерения показана на рис.2.5.

Рис.2.5. Схема измерения для задания 3

Зарисовать в отчет ВАХ резистора, указав по осям цену деления.

Рассчитать сопротивление резистора, например, при напряжении на резисторе U₀ =4B. Для этого на ВАХ найти точку при U₀ =4B и определить ток ей соответствующий I₀ =___. Сопротивление рассчитать по закону Ома R=U₀/I₀ =___.

Задание 4. Исследовать внешнюю характеристику источника постоянной ЭДС Un =f(In)|_Ru.

Схема измерений показана на рис.2.6.

Рис.2.6. Схема измерения для задания 4

4.1. Произвести измерения тока и напряжения нагрузки при величине внутреннего сопротивления источника напряжения, равной 0 Ом (Ru =0 Ом) и изменении величины сопротивления нагрузки Rn (12; 51; 100, 200 Ом)

Для выбора необходимого сопротивления используйте переключатели SA1 и SA2. Положение переключателей, необходимое для каждого шага измерения будет отображаться в сплывающем окне.

Примечание: положение включенного состояния переключателя зависит от его конструкции. На макетах установлены переключатели с движками сбоку. В этих переключателях положение "включено" устанавливается передвижением движка вниз. В переключателях с движком сверху, включение достигается передвижением движка вверх. В окне программы указан вариант переключателя с движком сверху.

4.2. Повторить измерения для значений внутреннего сопротивления: Ru =12 Ом, а затем Ru =51 Ом.

По результатам измерений построить нагрузочные характеристики реальных источников постоянной ЭДС Un =f(In)|Ru.

Рассчитать внутреннее дифференциальное сопротивление для каждого источника ЭДС:

Rдиф1=dU/dI =____, Rдиф2=dU/dI =____, Rдиф3=dU/dI =____.

Таблица 2.1.

ЭДС источника	Сопротивление нагрузки Rn, Ом	Rn =12	Rn=51,0	Rn =100	Rn =200
Е1=0,1В Ru=0 Ом	Ток нагрузки In, А
Напряжение на нагрузке, Un,В
Е2=0,1В Ru=12 Ом	Ток нагрузки In, А
Напряжение на нагрузке, Un
Е3=0,1 В Ru=51 Ом	Ток нагрузки In, А Напряжение на нагрузке, Un

По результатам измерений построить нагрузочные характеристики реальных источников постоянной ЭДС Un =f(In)|_{Ru .}.

Рассчитать внутреннее дифференциальное сопротивление для каждого источника ЭДС: Rдиф₁=ΔU/ΔI =____, Rдиф₂=ΔU/ΔI =____, Rдиф₃=ΔU/ΔI =____.

Задание 5. Исследовать внешнюю характеристику источника тока.

Схема измерений показана на рис.2.7.

Рис.2.7. Схема измерения для задания 5

5.1. Произвести измерения тока и напряжения нагрузки при величине внутреннего сопротивления источника тока, равной 22 кОм (Ri =22кОм) и изменении величины сопротивления нагрузки Rn (12; 51; 100, 200 Ом). Для выбора необходимого сопротивления используйте переключатели SA1 и SA2. Положение переключателя, необходимое для каждого шага измерения будет отображаться в сплывающем окне.

5.2. Повторить измерения для значений внутреннего сопротивления: Ri =1,6 кОм. По результатам измерений построить нагрузочные характеристики источников тока.

Рассчитать внутреннее дифференциальное сопротивление для каждого источника тока:

Rдиф1=dU/dI =____, Rдиф2=dU/dI =____, Rдиф3=dU/dI =____.

Таблица 2.2.

Ток источника	Сопротивление нагрузки Rn, Ом	Rn=12	Rn=51	Rn =100	Rn =200
I1=0.147A Ri =22 кОм	Ток нагрузки In, А
Напряжение на нагрузке Un, В
I2=0.147A Ri =1,6 кОм	Ток нагрузки In, А
Напряжение на нагрузке Un,В

Задание 6. Исследовать режимы согласования источника с нагрузкой

Схема измерений показана на рис.2.8.

Рис.2.8. Схема измерения задания 6

6.1. Произвести измерения тока, напряжения и мощности на нагрузке при изменении величины сопротивления нагрузки Rn (12; 51; 100; 200 Ом). Для выбора необходимого сопротивления используйте переключатели SA1 и SA2. Положение переключателей, необходимое для каждого шага измерения будет отображаться в сплывающем окне.

По результатам измерения построить графики зависимостей Un=f(Rn) и Pn=f(Rn), из которых определить при каких соотношения между сопротивлением нагрузки Rn и сопротивлением источника сигнала Ri эти графики имеют максимум. Записать эти соотношения в отчет, сформулировать выводы словесно и тоже записать в отчет.

Таблица 2.3.

Дата добавления: 2015-11-14