Dependența capacității și eficienței sursei de curent a sarcinii - laborator
Dependența de putere și eficiență a sursei de alimentare de la sarcină
Aparate și accesorii: panou de laborator, două baterii reîncărcabile, metru și voltmetru, rezistențe variabile.
Introducere. Cele mai frecvente surse de curent continuu sunt celule electrochimice, baterii, redresoare. Învecina la o sursă de curent acea parte care are nevoie de energia electrică (lumina, radio, calculator, etc). Această parte a circuitului este numit un cuvânt comun - sarcină. Sarcina are o anumită rezistență R electrică și consumată de sursa de curent I (Figura 1).
Încărcarea H formează parte dintr-un circuit extern. Dar acolo vnut parte rennyaya circuit - este de fapt o sursă de curent în sine, are r rezistență electrică, ia aceeași I. actuală Limita dintre porțiunile interioare și exterioare sunt bornele circuitului „+“ și „-“ sursă de curent, la care se alătură consumatorului
Fig.1 energie electrică (de sarcină).
În Figura 1, o sursă de curent acoperit de contur punctată.
O sursă de curent, cu o forță electromotoare E în curent creează un circuit închis, al cărui forță este determinată de legea lui Ohm:
Atunci când fluxurile de curent prin R și r rezistori sunt alocate în energia termică definită zakonomDzhoulya-Lenz. Puterea în partea externă a PE de alimentare externă de circuit
Această putere este de ajutor.
Puterea în partea interioară a puterii interioare Ri-. Este disponibil pentru utilizare și, prin urmare, este o sursă de pierdere de putere
Putere maximă P sursă de curent este suma acestor două componente,
După cum se poate observa din definițiile (2,3,4), fiecare capacitate depinde de fluxul de curent și partea corespunzătoare a rezistenței circuitului. Luați în considerare separat această relație.
Având în vedere legea lui Ohm (1) puterea totală poate fi scrisă ca:
Astfel, oferta totală de alimentare proportsionalnapotreblyaemomu direct curent.
Puterea alocată sarcinii (extern) este
Este egal cu zero în două cazuri:
Prima condiție este valabilă pentru un circuit deschis când R , al doilea corespunde așa-numitului scurtcircuit sursa atunci când extern de rezistență a circuitului R = 0. în acest caz, curentul din circuit (a se vedea formula (1).) Atinge o valoare maximă - curentul de scurtcircuit.
La această putere totală de curent devine cel mai mare
Cu toate acestea, totul este eliberat în interiorul sursei.
Să se stabilească condițiile în care puterea externă devine maxi-mal. Dependența Pe actuala putere este (a se vedea formula (6).) Parabolică:
Poziția funcției maxime din condiția:
Puterea netă atinge o valoare maximă, la un curent
care este jumătate din curentul de scurtcircuit (8), (a se vedea figura 2 ..):
putere externă la acest curent este
și anume putere externă maximă este de a patra de cea mai mare putere totală sursă.
Puterea lansat pe rezistența internă la curent Imax. Acesta este definit după cum urmează:
și anume Este, de asemenea, un sfert din puterea totală maximă a sursei de curent. Rețineți că, în Imax
În cazul în care curentul de circuit tinde la cea mai mare valoare isc, puterea internă
și anume este cea mai mare sursă de energie (9). Acest lucru înseamnă că sursa de toată puterea este alocată rezistența internă, care, desigur. dăunătoare din punct de vedere al siguranței sursei de curent.
Eficacitatea sursei de curent măsurat eficiența acestuia. Eficiența este raportul dintre puterea utilă la sursa de alimentare totală:
Folosind formula (6), o expresie pentru eficiența poate fi scrisă astfel:
De la formula (1) arată că E-Ir = IR U este tensiunea pe rezistența externă. Prin urmare, eficiența
Din expresia (15), de asemenea, rezultă că
și anume eficienta depinde de sursa de curent în circuit și tinde la cea mai mare valoare, egală cu unu, la un I0 curent (Fig.3). Odată cu creșterea eficienței curentului descrește liniar și devine zero la scurtcircuit atunci când curentul în circuit devine cel mai mare Isc = E / r.
Din natura unei dependențe parabolica curent de alimentare externă (6), că aceeași putere la o sarcină Pe pot fi obținute cu două valori diferite ale curentului din circuit. Din formula (17) și graficul (Figura 3) arată că, în scopul de a obține o eficiență mai mare de la locul de muncă sursă, de preferință, la curenți de sarcină mai mici, în cazul în care raportul de mai sus.
Considerăm dependența capacității utilă totală a sursei interioare și vneshnegosoprotivleniyaR în circuit cu EMF E și o rezistență internă r.
Puterea totală dezvoltată de către sursa poate fi scrisă după cum urmează, în cazul în care în formula (5) expresia curentului (1):
Deoarece întreaga putere depinde de rezistența de sarcină R. Este cea mai mare la scurt-circuitat circuitul atunci când rezistența de sarcină este zero (9). De la R puterea totală în creștere scade impedanță de sarcină, se apropie de zero la R.
Pe standurile de rezistență externe
putere externă Pe este o parte din puterea totală P, iar valoarea sa depinde de rezistențele raportul R / (R + r). În cazul în care o sursă de alimentare externă scurt-circuit este zero. Prin creșterea rezistenței R, crește mai întâi. Atunci când puterea de externe Rr cele mai mari aspiră pentru a finaliza. Dar puterea utilă devine astfel mică, deoarece scade capacitatea totală (a se vedea Ec. 18). Când R alimentare externă tind la zero ca fiind completă.
Este rezistența de sarcină ar trebui să fie pentru a obține dintr-o anumită sursă din afara capacitatea maximă (utilă) (19)?
Să ne găsim maximum de această funcție de condiția:
Rezolvarea acestei ecuații, obținem Rmax = r.
Astfel, puterea maximă, în cazul în care rezistența este egală cu rezistența internă a sursei de curent alocată în circuitul extern. În conformitate cu această condiție curentul în circuit este egal cu E / 2r, adică jumătate din curentul de scurtcircuit (8). Puterea maximă netă la o astfel de rezistență
care coincide cu ceea ce a fost obținut de mai sus (12).
Puterea generată în rezistența internă a sursei
Dependența eficienței rezistenței părții externe a circuitului este exprimată după cum urmează:
Din această formulă rezultă că eficiența tinde la zero ca rezistența de sarcină se apropie de zero, iar randamentul tinde sa cea mai mare valoare, egală cu unitatea, sarcina crește rezistența la Rr. Cu toate acestea, puterea efectivă este redusă aproape ca 1 / R (vezi Ec. 19).
Puterea Pe atinge o valoare maximă la Rmax = r. Eficiența este deci în conformitate cu formula (23), = r / (r + r) = 1/2. Astfel, condiția pentru a obține puterea maximă netă nu se potrivește cu condiția de a obține cea mai mare eficiență.
Cel mai important rezultat al analizei de mai sus este adaptat optim la parametrii sursă cu sarcini de caracter. 1) Rr: trei zone pot fi distinse. 2) Rr. 3) Rr. Primul caz se produce în cazul în care este necesară sursa de putere redusă pentru o lungă perioadă de timp, de exemplu, în ceasuri electronice, calculatoare. Cantitatea de astfel de surse sunt mici, furnizarea de energie electrică în ele este mic, ar trebui să fie consumate cu moderație, astfel încât acestea trebuie să lucreze cu eficiență ridicată.
Al doilea caz - scurt circuit de sarcină, în care sursa de toată puterea este alocată în ea și firele care leagă sursa de sarcină. Acest lucru duce la supraîncălzire și este o cauza destul de comună a incendiilor și a focului. Prin urmare, un scurt-circuit curent surse de mare putere (dinamuri, baterii, redresoare) este extrem de periculos.
În al treilea caz sursa vrea să primească puterea maximă, cel puțin pentru o perioadă scurtă de timp, de exemplu, atunci când motorul vehiculului este pornit cu ajutorul demaror electric, valoarea eficienței nu este atât de important. Demarorul este activat pentru o perioadă scurtă de timp. Funcționarea continuă a sursei, în acest mod este practic inacceptabilă, deoarece aceasta duce la descărcarea rapidă supraîncălzirea bateriei auto și alte probleme.
Pentru funcționarea surselor de curent chimice în modul dorit, interconectate într-un mod special așa-numita baterie. Elementele din baterie pot fi conectate în serie, paralel și scheme mixte. Un compus particular este determinată de rezistența circuitului de sarcină și valoarea consumului de curent.
Cea mai importantă cerință operațională pentru centralele electrice este eficiența ridicată a muncii lor. Din formula (23) arată că eficiența se apropie de unitate în cazul în care rezistența internă a sursei de curent este mic în comparație cu impedanța de sarcină
Elementele pot fi conectate în paralel cu emf identice. Dacă se pot obține elemente conectate n identice, de la un curent de baterie
Aici r1 - rezistența unui element E1 - EMF unui singur element.
O astfel de conexiune este avantajos să se aplice la sarcină impedanță mică, adică când Rr. Deoarece rezistența internă totală a bateriei în conexiune paralelă se reduce la n ori, în comparație cu rezistența unui element, se poate face impedanță de sarcină aproape. Acest lucru crește eficiența energetică. Creșteri de n ori, și capacitatea energetică a elementelor bateriei.
În cazul în care sarcina este de rezistență ridicată, adică, Rr. este mai favorabil pentru a se conecta la elementele de baterie în serie. În acest emf bateriei va fi de n ori forța electromotoare și un element din sursa poate primi curentul necesar
Scopul acestui laborator este verificarea experimentală a rezultatelor teoretice de mai sus de dependența totală, capacitatea internă și externă (utilă) și eficiență ca o sursă de curent de alimentare și rezistența de sarcină.
Instalare Descriere. Pentru a investiga caracteristicile sursei de curent de lucru se aplică o schemă de circuit electric, care este prezentat în Fig. 4. Deoarece utilizarea sursei de curent cu două baterii alcaline ICH-45, care sunt conectate în secvență, dar o baterie printr-un rezistor r. simularea interioară sursa Accom-tență.
Includerea sa a crescut în mod artificial de rezistență internă BATT-izolatori care 1) protejează împotriva supraîncărcării prin trecerea în modul de scurt-circuit, și 2), face posibilă modificarea rezistenței interne a sursei ca dorințele experimentator. Sarcina (rezistență circuit extern) n rimenyayutsya două rezistențe variabile R1 și R2. (O reglare grosieră, cealaltă - fină), care asigură un control constant al curentului într-o gamă largă.
Toate dispozitivele sunt montate pe un panou de laborator. Rezistențe montate sub bord retrase de la etaj butoane și terminalele lor, despre care există semne corespunzătoare.
Măsurarea. 1. Setați comutatorul în poziția P neutră, Bk deschide comutatorul. Minere rezistoare transforma în sens antiorar până când se oprește (aceasta corespunde cu cea mai mare rezistență de sarcină).
Asambla circuit electric conform schemei (fig. 4), în timp ce nu se învecinează surse de curent.
După verificarea asistentului profesor de circuit sau de laborator asamblate atașați bateriile E1 și E2. cu polaritatea corectă.
Set de curent scurt-circuit. Pentru a face acest lucru, comutați la poziția P 2 (rezistența externă egală cu zero), și prin rezistența r stabilit de milliammeter săgeată (extrema dreapta) diviziune a scalei limită - 75 sau 150 mA. Datorită r rezistor într-un cadru de laborator poate reglementa rezistența internă a sursei de curent. De fapt, rezistența internă - o valoare constantă pentru tipul de surse și nu pot fi schimbate.
Poziția comutatorului 1. Puneți P rotirea astfel de rezistență externă (sarcină) R = R1 + R2 în circuitul sursă.
Prin variația curentului în circuitul de 5 ... 10 mA de la cea mai mare la cea mai mică valoare prin rezistențe R1 și R2. Se înregistrează milliammeter și voltmetru (tensiunea la sarcina U) în tabel.