Belső ellenállás

A kétterminális hálózat belső ellenállása egy kétterminális hálózat  egyenértékű áramkörében lévő impedancia , amely egy feszültséggenerátorból és egy sorba kapcsolt impedanciából áll (lásd az ábrát). A koncepciót az áramkörelméletben használják, amikor egy valós forrást ideális elemekkel helyettesítenek, azaz egy ekvivalens áramkörre váltanak át.

Bevezetés

A kifejezés bevezetésének szükségességét a következő példa szemlélteti. Hasonlítsunk össze két azonos feszültségű egyenáramú kémiai forrást:

Az azonos feszültség ellenére ezek a források jelentősen eltérnek azonos terhelés mellett. Tehát egy autóakkumulátor képes nagy áramot szállítani a terhelésre (az autó motorja az akkumulátorról indul, míg az önindító körülbelül 250 A áramot fogyaszt ), és az indító egyáltalán nem forog az elemek akkumulátorától, mivel az akkumulátor feszültsége az indítókapcsokhoz csatlakoztatva a volt töredékére csökken . Nem az akkumulátorok viszonylag kis elektromos kapacitásáról van szó: a benne tárolt energia és egy amperórás töltés elegendő lenne az önindító 14 másodperces forgatásához (250 A-es áramerősség mellett).

Az Ohm-törvény szerint azonos feszültségű forrásokban az azonos terhelésen lévő áramerősségnek is azonosnak kell lennie. Az adott példában ez nem igaz, mert az állítás csak az emf ideális forrásaira igaz ; a valódi források bizonyos mértékig eltérnek az ideálisaktól. A valós és az ideális források közötti különbség mértékének leírására a belső ellenállás fogalmát használjuk .

Egy aktív kétterminálos hálózat egyenértékű áramköre

A valódi aktív kétvégű hálózatok matematikailag jól leírhatók, ha egy ekvivalens áramkörnek tekintjük, amely (lásd az ábrát) egy feszültséggenerátorból és sorba kapcsolt ellenállásból áll (általános esetben impedancia ). A feszültséggenerátor jelenti a tényleges energiaforrást, amely ebben a kétterminális hálózatban található. Egy ideális generátor tetszőlegesen nagy teljesítményt és áramot tud szállítani a terhelésre. A generátorral sorba kapcsolt ellenállás azonban korlátozza azt a teljesítményt, amelyet ez a kétvégű hálózat a terhelésre képes szállítani. Ezt az egyenértékű ellenállást belső ellenállásnak nevezzük . Ez csak egy paramétere a kétterminális hálózat absztrakt modelljének, vagyis általában nincs fizikai "ellenállás", mint elektronikus alkatrész a kétterminális hálózatokon belül.

Formálisan a valódi galvánelemekben ez a belső ellenállás fizikailag azonosítható. Ez a pozitív rúd (szén, acél), a test (cink és nikkel), valamint magának az elektrolitnak (só) és a hidrogénelnyelőnek (sócellákban) a teljes ellenállása. Mindezek az anyagok, valamint a köztük lévő interfészek nullától eltérő véges ellenállással rendelkeznek.

Más forrásokban ez az ohmos ellenállás a tekercsek és érintkezők ellenállásának köszönhető, amely sorba van kötve a forrás saját belső ellenállásával, és csökkenti a feszültségforrások jellemzőit.

Az érintkezési potenciálkülönbségek eltérő jellegűek a feszültség előfordulásától, és nem ohmosak, vagyis itt az energiaköltségek a töltéshordozók munkafunkciójába kerülnek.

Ellenállás és belső ellenállás

Egy absztrakt kétvégű hálózat fő jellemzője a belső ellenállása (vagy más szóval az impedancia [1] ). A kétterminális hálózatot azonban nem mindig lehet pusztán ellenállással leírni. Az a tény, hogy az ellenállás kifejezés csak a tisztán passzív elemekre vonatkozik, vagyis azokra, amelyek nem tartalmaznak energiaforrást. Ha egy kétvégű hálózat energiaforrást tartalmaz, akkor az "ellenállás" fogalma egyszerűen nem alkalmazható rá, mivel az Ohm-törvény az U=I·r megfogalmazásban nem teljesül [2] .

Így a forrásokat tartalmazó kétterminális hálózatoknál (azaz feszültséggenerátorok és áramgenerátorok ) belső ellenállásról (vagy impedanciáról) kell beszélni . Ha a kétterminális hálózat nem tartalmaz forrásokat [3] , akkor a „ belső ellenállás” egy ilyen kétterminális hálózatnál ugyanazt jelenti, mint egyszerűen „ellenállás”.

Kapcsolódó kifejezések

Ha bármely rendszerben meg lehet különböztetni egy bemenetet és/vagy kimenetet (elektromos érintkezőpár), akkor gyakran a következő kifejezéseket használják:

Fizikai elvek

Annak ellenére, hogy az ekvivalens áramkörben a belső ellenállás egy passzív elemként jelenik meg (sőt , az aktív ellenállás , vagyis az ellenállás szükségszerűen jelen van benne), a belső ellenállás nem feltétlenül egyetlen elemben koncentrálódik. A kétkapocs csak kívülről viselkedik úgy , mintha koncentrált belső impedanciája és feszültséggenerátora lenne. A valóságban a belső ellenállás a fizikai hatások kombinációjának külső megnyilvánulása:

Ebből a belső ellenállás néhány jellemzője is következik:

A belső ellenállás hatása a kétterminális hálózat tulajdonságaira

A belső ellenállás hatása minden aktív kétvégű hálózat velejárója. A belső ellenállás meglétének fő eredménye az ebből a kétvégű hálózatból táplált terhelésben elérhető elektromos teljesítmény korlátozása.

Ha egy R ellenállású terhelést egy E feszültséggenerátor EMF - jével [6] és aktív belső ellenállással rendelkező forráshoz csatlakoztatunk , akkor a terhelésben lévő áram, feszültség és teljesítmény a következőképpen fejeződik ki:

Belső ellenállás keresése

Számítás

A számítás fogalma egy áramkörre vonatkozik (de nem egy valódi eszközre). A számítást tisztán aktív belső ellenállás esetére adjuk meg (a reaktancia különbségeit az alábbiakban tárgyaljuk).

Megjegyzés : Szigorúan véve minden valós impedanciának (beleértve a belső ellenállást is) van valamilyen reaktív komponense, mivel minden vezetőnek van parazita induktivitása és kapacitása. Amikor tisztán aktív ellenállásról beszélünk, akkor nem a valós rendszerre gondolunk, hanem annak ekvivalens áramkörére , amely csak ellenállásokat tartalmaz : a reaktanciát figyelmen kívül hagytuk, amikor egy valódi eszközről az egyenértékű áramkörre váltunk át. Ha a reaktivitás jelentős, ha egy valós eszközt veszünk figyelembe (például ha egy rendszert nagy frekvencián), akkor az egyenértékű áramkört ennek a reaktivitásnak a figyelembevételével állítjuk össze. További részletekért lásd az " Ekvivalens áramkör " című cikket.

Tegyük fel, hogy van egy kétterminális hálózat, amely a fenti ekvivalens áramkörrel írható le. Egy kétterminálos hálózatnak két ismeretlen paramétere van, amelyeket meg kell találni:

Általános esetben két ismeretlen meghatározásához két mérést kell végezni: meg kell mérni a feszültséget a kétterminális hálózat kimenetén (azaz az U out \u003d φ 2 - φ 1 potenciálkülönbséget két különböző helyen) terhelési áramok. Ekkor az ismeretlen paraméterek megtalálhatók az egyenletrendszerből:

(Feszültség)

ahol U out1  a kimeneti feszültség I 1 áramnál , U out2  a kimeneti feszültség I 2 áramnál . Az egyenletrendszer megoldása során megtaláljuk a szükséges ismeretleneket:

(Általános alkalom)

Általában egy egyszerűbb technikát alkalmaznak a belső ellenállás kiszámítására: a feszültséget a nyitott áramköri módban , az áramot pedig a rövidzárlati üzemmódban találjuk meg a kétkapu hálózatban. Ebben az esetben a rendszer ( Voltages ) a következőképpen van felírva:

ahol U oc  a kimeneti feszültség üresjárati üzemmódban ( angol  nyitott áramkör ), azaz nulla terhelési áram mellett; I sc a terhelési áram rövidzárlati  módban , azaz nulla ellenállású terhelésnél .  Itt figyelembe kell venni, hogy a kimeneti áram üresjárati üzemmódban és a kimeneti feszültség rövidzárlati üzemmódban nulla. Az utolsó egyenletekből azonnal megkapjuk:

(IntRes)

Így egy egyenértékű generátor belső ellenállásának és EMF-jének kiszámításához egy kétterminális hálózathoz, amelynek elektromos áramköre ismert, szükséges:

Méret

A mérés fogalma egy valós eszközre alkalmazható (de nem egy áramkörre). Ohmmérővel közvetlen mérés nem lehetséges, mivel a készülék szondái nem csatlakoztathatók a belső ellenállás kapcsaira. Ezért szükség van egy közvetett mérésre , amely alapvetően nem tér el a számítástól - két különböző áramértéknél is szükség van a terhelés feszültségére. Az egyszerűsített képlet (2) használata azonban nem mindig lehetséges, mivel nem minden valódi kétvégű hálózat teszi lehetővé a rövidzárlatos működést.

Néha a következő egyszerű mérési módszert alkalmazzák, amely nem igényel számításokat:

A leírt eljárások után a terhelő ellenállás ellenállását ohmmérővel kell megmérni - ez megegyezik a kétpólusú belső ellenállással.

Bármilyen mérési módszert is használunk, ügyelni kell a két terminál túlterhelésére, vagyis az áram nem haladhatja meg a két kivezetésre megengedett maximális értéket.

Reaktív belső ellenállás

Ha a kétpólusú ekvivalens áramkör reaktív elemeket - kondenzátorokat és/vagy induktorokat tartalmaz , akkor a reaktív belső ellenállás számítása ugyanúgy történik, mint az aktív, de az ellenállások ellenállása helyett az elemek komplex impedanciáit veszik figyelembe. az áramkörben veszik, és a feszültségek és áramok helyett - azok komplex amplitúdója , vagyis a számítás a komplex amplitúdók módszerével történik .

A belső reaktancia mérésének van néhány sajátossága, mivel ez egy komplex értékű függvény és nem skaláris érték:

Fázis-nulla hurok ellenállásmérés

A belső ellenállás mérésének speciális esete a fázis-nulla hurok ellenállásának mérése elektromos berendezésekben. Ebben az esetben a kétterminális hálózat egy elektromos berendezés vezetékpárja: egy fázis és egy működő nullavezető vagy két fázisvezető. A kép egy ilyen mérés eredményét mutatja egy 220 voltos háztartási elektromos aljzatban:

A készülék a belső ellenállást közvetett méréssel határozza meg a terhelési ellenálláson átívelő feszültségesés módszerével. Ez a módszer a GOST R 50571.16-99 D. függelékében javasolt. A módszert a fenti képlet ( GlobalCase ) írja le, ahol I 1 =0 .

A mérési eredmény akkor tekinthető kielégítőnek, ha a várható rövidzárlati áram elég nagy ahhoz, hogy az áramkört túláramtól védő eszköz megbízhatóan működjön.

Alkalmazás

A legtöbb esetben nem a belső ellenállás alkalmazásáról kell beszélni , hanem annak negatív hatásának figyelembevételéről , hiszen a belső ellenállás inkább negatív hatás. Egyes rendszerekben azonban egyszerűen szükséges a névleges értékű belső ellenállás jelenléte.

Egyenértékű áramkörök egyszerűsítése

A kétterminális hálózat feszültséggenerátor és belső ellenállás kombinációjaként való ábrázolása a kétterminális hálózat legegyszerűbb és leggyakrabban használt ekvivalens áramköre.

Forrás és terhelés egyezése

A forrás és a terhelés illesztése a terhelési ellenállás és a forrás belső ellenállása arányának megválasztása a kapott rendszer kívánt tulajdonságainak elérése érdekében (általában megpróbálják elérni bármely paraméter maximális értékét egy adott esetén forrás). A leggyakrabban használt párosítási típusok a következők:

Az áram- és teljesítményillesztést óvatosan kell használni, mert fennáll a forrás túlterhelésének veszélye.

Nagyfeszültségek csökkentése

Néha mesterségesen külső előtétellenállást adnak a tápegységhez , sorba kapcsolva a terheléssel (ezt a forrás belső ellenállásához adják), hogy csökkentsék a belőle kapott feszültséget, vagy korlátozzák a továbbított áram mennyiségét. a teher. Az ellenállás kiegészítő ellenállásként való hozzáadása (ún. kioltóellenállás ) azonban sok esetben elfogadhatatlan, mivel ez jelentős teljesítmény haszontalan felszabadításához vezet [8] . Az energiapazarlás elkerülése és a további hűtési ellenállás problémájának megoldása érdekében az AC rendszerekben reaktív csillapítási impedanciákat alkalmaznak . Egy oltókondenzátor alapján kondenzátoros tápegység építhető ki . Hasonlóképpen, egy nagyfeszültségű vezetékből származó kapacitív csap segítségével kis feszültségek érhetők el bármely autonóm eszköz táplálására. Az induktív előtétet széles körben használják a gázkisüléses fénycsövek áramkörének korlátozására.

Zajminimalizálás

Gyenge jelek erősítésekor gyakran felmerül a probléma az erősítő által a jelbe bevitt zaj minimalizálása. Ehhez speciális alacsony zajszintű erősítőket használnak , amelyek lehetnek alacsony ellenállásúak, például bipoláris tranzisztorokon, vagy nagy ellenállásúak a térhatású tranzisztorokon, azonban úgy vannak megtervezve, hogy a legalacsonyabb legyen a zaj . ábra csak a jelforrás kimeneti impedanciájának és magának az erősítőnek a bemeneti impedanciájának teljes illeszkedésével érhető el. Például, ha a jelforrásnak kisebb a kimeneti impedanciája (például egy 30 ohm kimeneti impedanciájú mikrofon ), akkor a jelforrás és az erősítő között fokozó transzformátort kell használni , ami növeli a kimeneti impedanciát (pl. valamint a jelfeszültség) a kívánt értékre.

Korlátozások

A belső ellenállás fogalmát egy ekvivalens áramkör vezeti be, így ugyanazok a korlátozások érvényesek, mint az ekvivalens áramkörök alkalmazhatóságára.

Példák

A belső ellenállás értékei relatívak: ami kicsinek tekinthető, például egy galvánelem esetében, az nagyon nagy egy erős akkumulátornál. Az alábbiakban példákat mutatunk be a kétterminális hálózatokra és azok r belső ellenállásának értékeit . A kétterminális, forrás nélküli hálózatok triviális eseteit külön tárgyaljuk.

Alacsony belső ellenállás

Nagy belső ellenállás

A nagy belső ellenállású kétterminális hálózatok jellemzően különféle típusú érzékelők, jelforrások stb. Az ilyen eszközökkel végzett munka során tipikus feladat az, hogy a hibás illesztés miatt veszteség nélkül távolítsák el a jelet. A jó feszültségillesztés eléréséhez az ilyen kétterminális hálózatból származó jelet egy még nagyobb bemeneti impedanciájú eszközzel kell eltávolítani (általában a nagy ellenállású forrásból származó jelet puffererősítővel távolítják el ) .

Negatív belső ellenállás

Vannak kétvégű hálózatok, amelyek belső ellenállása negatív értékű. Egy közönséges aktív ellenállásnál az energia disszipálódik , a reaktanciában az energia tárolódik, majd visszakerül a forrásba. A negatív ellenállás sajátossága, hogy maga is energiaforrás. Ezért a negatív ellenállás tiszta formájában nem fordul elő, csak egy elektronikus áramkör utánozható, amely szükségszerűen tartalmaz energiaforrást. Negatív belső ellenállást kaphatunk az áramkörökben, ha:

A negatív ellenállású rendszerek potenciálisan instabilak, ezért önoszcillátorok építésére használhatók .

Lásd még

Linkek

Irodalom

Jegyzetek

  1. Az impedancia az ellenállás fogalmának általánosítása reaktív elemek esetére. További részletekért lásd az Elektromos impedancia című cikket .
  2. Ebben a megfogalmazásban helytelen az Ohm-törvényt alkalmazni belső forrású kétterminális hálózatokra, figyelembe kell venni a forrásokat: U = Ir + ΣU int , ahol ΣU int  a belső források EMF-jének algebrai összege .
  3. A források hiánya abban nyilvánul meg, hogy a kétvégű hálózat kivezetésein terhelés hiányában a feszültség nulla. Ez magában foglalja azt az esetet is, amikor vannak források, de nem befolyásolják a kimeneti feszültséget ("nincs csatlakoztatva sehova").
  4. Reza F., Seeley S. Az elektromos áramkörök energia modern elemzése, M.-L., 1964, 480 pp. a pokollal.
  5. ↑ A kivétel a kompenzációs típusú stabilizátorok használata. Például egy akkumulátort és egy opampot tartalmazó kétterminális áramkör az I-V karakterisztika egy bizonyos szakaszában tetszőlegesen kicsi és negatív kimeneti ellenállással is rendelkezhet - mindaddig, amíg elegendő energiafelesleg van az akkumulátorban a kompenzációhoz. .
  6. Ugyanaz, mint a feszültség
  7. 7.6. ENERGIA KAPCSOLATOK SZINUSSZIDÁLIS ÁRAMKÖRÖKBEN . Letöltve: 2014. április 6. Az eredetiből archiválva : 2013. április 12..
  8. ↑ A csillapító ellenállásokat azonban széles körben használják az egyenáramú vontatómotorok bekapcsolási áramának korlátozására elektromos járművekben .
  9. A kimeneti feszültség változása nem haladja meg az 1,3 mV-ot a 0,005 ÷ 1,5 A kimeneti áramtartományban. Szűkebb, 0,25 ÷ 0,75 A áramtartományban a tipikus kimeneti ellenállás még kisebb - 0,0003 ohm.
  10. A működési frekvencia tartományban