Двухполюсные активные элементы (источники энергии)

Любой двухполюсник условно представляется в виде схемы (рис. 1.1). Зажимами 1 и 2 двухполюсник присоединяется к другим элементам. Напряжение между этими зажимами и измеряется в вольтах (В), ток двухполюсника измеряется в амперах (А).

Напряжение отождествляют с разностью потенциалов на зажимах .

Стрелками указаны положительные направления напряжения и тока. Эти направления выбирают произвольно. Любые соотношения, характеризующие взаимосвязь между напряжениями и токами элемента (схемы в целом) имеют смысл лишь для выбранных положительных направлений. Положительное направление можно указать двойным индексом, например: (при этом - ).

Для принятых на рисунке положительных направлений напряжения и тока произведение представляет мгновенную мощность, потребляемую двухполюсником: .

Энергия, поступившая в элемент, на отрезке времени , равна:

.

Если для любого энергия , то соответствующий двухполюсник является потребителем энергии и называется пассивным.

Активный двухполюсник генерирует энергию. Для такого двухполюсника .

Если на рисунке изменить положительное направление тока на обратное, то интеграл

будет определять генерируемую энергию. В этом случае соответствует источнику энергии, - потребителю энергии.

Реальным источникам энергии можно сопоставить двухполюсники: источник ЭДС (напряжения) и источник тока.

Источник ЭДС. Источник ЭДС (напряжения) характеризуется величиной электродвижущей силы ЭДС , равной напряжению, т.е. разности потенциалов на зажимах при отсутствии тока через источник. Под ЭДС понимается работа сторонних сил источника на перемещение единичного положительного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом.

Если напряжение на зажимах источника равно ЭДС при любом токе через источник , то источник называется идеальным. Схема такого источника дана на рис 1.2. Стрелка внутри кружка указывает положительное направление сторонних сил в источники (положительное направление ЭДС). Если не зависит от времени

,

то имеем источник постоянной ЭДС. У такого источника начало стрелки, указывающей положительное направление ЭДС, соответствует отрицательному зажиму. Возможно изображение источника постоянной ЭДС в виде, показанном на рис. 1.3.

Схема реального источника постоянной ЭДС показана на рис. 1.4. Здесь - внут реннее сопротивление. Напряжение на зажимах источника равно

(1.1)

Зависимость называется внешней характеристикой источника ЭДС (рис. 1.5).

Источник тока. Источник тока характеризуется током при короткозамкнутых зажимах (т.е. при отсутствии напряжения на зажимах источника). Если ток источника не зависит от напряжения, т.е. при любых напряжениях на зажимах, то источник тока называется идеальным. Его схема дана на рис. 1.6. Двойная стрелка показывает положительное направление тока источника тока. Если , то имеем источник постоянного тока. Схема реального источника тока показана на рис. 1.7. Здесь - внутренняя проводимость источника.

Источник тока описывается следующим уравнением

. (1.2)

Зависимость называется внешней характеристикой источника тока (рис. 1.8).

Схемы замещения реальных источников переменной ЭДС и тока в ряде случаев можно представить в виде рис. 1.4 и рис. 1.7.

Эквивалентность источников.

Можно говорить о двух схемах замещения реального источника энергии (рис. 1.4 и 1.7). Эти схемы эквивалентны, если , , т.е. при одном и том же напряжении (токе ) токи (напряжения ) этих схем одинаковы. Другими словами реальный источник ЭДС можно заменить на реальный источник тока и остальная часть схемы «не почувствует» это.

Следует отметить, что идеальные источники не могут быть эквивалентно преобразованы.

В дальнейшем, если нет оговорки, под источниками ЭДС и тока понимаются идеальные источники.

Для описания свойств электронных цепей вводятся понятия так называемых управляемых (зависимых) источников ЭДС и тока. Их параметры зависят от напряжений и токов на других элементах рассматриваемой цепи. Данные источники разбиты на четыре типа:

1) Источник напряжения управляемый напряжением (этот источник может называется усилителем напряжения). Его ЭДС пропорциональна напряжению между двумя точками и рассматриваемой цепи (рис. 1.9);

2) Источник тока управляемый напряжением, его ток пропорционален напряжению на другом элементе цепи (рис. 1.10);

3) Источник напряжения управляемый током, его ЭДС пропорциональна току , протекающему через элемент рассматриваемой цепи (рис. 1.11);

4) Источник тока управляемый током или усилитель тока, его ток пропорционален току, протекающему через другой элемент цепи (рис. 1.12).