Effektförhållande i den enklaste elektriska kretsen
I den här artikeln kommer vi att förstå vad förhållandet mellan käll- och mottagarparametrarna ska vara för att uppnå det optimala driftsättet för den elektriska kretsen. Effektförhållanden är också viktiga för lågströmsteknologier. Dessa frågor kan i princip lösas med hjälp av exemplet den enklaste elektriska kretsen.
Kretsen består av en likströmskälla med EMF E och intern resistans Rwatt, som genererar elektrisk energi, och en mottagande energimottagare med belastningsresistans Rn.
Ris. 1. Schematisk för att förklara effektförhållandet i den enklaste kretsen
Eftersom källan har inre resistans, omvandlas en del av den elektriska energi som den utvecklar till själva värmeenergin.
Strömmen i kretsen som visas i fig. 1
Baserat på denna ekvation bestämmer vi mottagarens effekt (kraften av att omvandla elektrisk energi till andra typer):
På liknande sätt, strömförlusterna i källan:
Källans elektriska effekt måste vara lika med summan av effekterna omvandlade till andra typer i källan och mottagaren, d.v.s. det måste finnas en effektbalans (som för alla kretsar):
Plintspänningen U kan också matas in i uttrycket för effekten Pn.
Mottagarens effekt:
Prestandakoefficient (COP), definierad som förhållandet mellan mottagareffekt (användbar) och utvecklad effekt:
Ekvationen visar att effektiviteten beror på förhållandet mellan belastningsmotstånd och inre motstånd. Värdena på dessa motstånd är den avgörande faktorn i fördelningen av kraften som utvecklats av källan:
Effekten Pn bör anses användbar, effektförlusterna i källan Pvt bestämmer endast uppvärmningen av källan och därför spenderas motsvarande energi improduktivt.
Effektiviteten ökar med ökande Rn/Rvt-förhållande.
För att erhålla ett stort verkningsgradsvärde måste förhållandet Pn> Pwt vara uppfyllt, det vill säga att kretsen måste arbeta i ett läge nära till källans viloläge.
I praktiken kan två olika effektförhållandekrav ställas: hög effektivitet och effektmatchning. Kravet på hög verkningsgrad ställs till exempel när det är nödvändigt att överföra en stor mängd energi över ledningar eller att omvandla denna energi till elektriska maskiner. Även en liten ökning av effektiviteten ger stora besparingar i sådana fall.
Eftersom användningen av höga energier huvudsakligen är karakteristisk för tekniken med höga strömmar, är det därför i detta område nödvändigt att arbeta i lägen nära tomgångsläget.Dessutom, när man arbetar i sådana lägen, skiljer sig terminalspänningen endast något från källans emf.
Inom lågströmsteknik (särskilt inom kommunikationsteknik och mätteknik) används mycket låga strömkällor, som dessutom har stora internt motstånd… I sådana fall är effektiviteten som kännetecknar kraftöverföringsprocessen ofta av underordnad betydelse och kravet på maximalt möjliga värde av den effekt som tas emot av mottagaren betonas.
Medan i högströmsteknologi onödiga eller till och med skadliga energiomvandlingar - energiförluster minskas med ökande effektivitet, i lågströmsteknologi ökas effektiviteten av att använda anläggningar och enheter med korrekt samordning av krafterna i elektriska kretsar.
Villkoret för att erhålla maximal möjlig mottagareffekt Pvmax från en källa med EMF och interna resistansdata:
Av detta följer att villkoret för mottagarens maximala effekt är uppfyllt med förbehåll för likheten Rn = RВt
Sålunda, när mottagarens resistanser och källans inre resistans är lika, är effekten som tas emot av mottagaren maximal.
Om Rn = Rw, då
För kraften som tas emot av mottagaren har vi:
Ett exempel. Med hjälpen termoelektrisk omvandlare (termoelement) med ett internt motstånd Rw = 5 ohm kan man få en spänning på 0,05 mV / ° C. Den största temperaturskillnaden är 200 ° C. Vilka elektriska data ska en indikerande elektrisk enhet ha (motstånd, effekt, ström) om vill få maximal effekt från omvandlaren.
Ge en lösning för två fall:
a) enheten är ansluten direkt till omvandlaren;
b) enheten ansluts med två koppartrådar med längden l= 1000 m vardera med en tvärsnittsarea C = 1 mm2.
Svar. Den maximala spänningen vid terminalerna på den termoelektriska omvandlaren är lika med dess EMF E = 200 * 0,05 = 10 mV.
I det här fallet bör indikationen för enheten som är ansluten till kretsen vara maximal (vid den övre mätgränsen).
a) För att enhetens effekt ska vara maximal är det nödvändigt att matcha enhetens och omvandlarens resistanser. För detta ändamål väljer vi enhetens motstånd Requal till termoelementets motstånd, dvs. Rn = Rt = 5 ohm.
Vi hittar enhetens maximala effekt:
Bestäm strömmen:
b) Om ledningarnas resistans inte kan försummas, måste det tas med i beräkningen när man bestämmer det totala interna motståndet för en aktiv tvåterminalsenhet bestående av ett termoelement och två ledningar, eftersom det annars finns en obalans mellan mottagaren och källa med avseende på kraft.
Låt oss hitta resistansen hos ledningarna, givet att det specifika motståndet är 0,0178 μOhm-m:
Således är den nödvändiga motståndsnivån för enheten:
Vid detta värde på internt motstånd kommer enhetens kraft att vara maximal
Kretsström:
De erhållna resultaten visar att det är tillrådligt att välja källor med ett lågt värde på internt motstånd, och anslutningstrådarnas tvärsnittsarea bör vara tillräckligt stor.
Mycket ofta, när man utför sådana mätningar, kommer beräkningen av sammanträffandet av mottagaren och källan ner på det faktum att från de tillgängliga instrumenten väljs den som, för ett givet eller känt maximalt värde av det uppmätta värdet, erhåller det största avböjning av pilen och ger därför den största skalans avläsningsnoggrannhet.