Источник ЭДС и источник тока

При расчёте и анализе электрических цепей источник электрической энергии заменяют расчётным эквивалентом. В качестве последнего может быть взят либо источник ЭДС, либо источник тока.

Под источником ЭДСусловимся понимать такой идеализированный источник питания, ЭДС которого постоянна, не зависит от величины протекающего через него тока и равна ЭДС реального источника энергии. Очевидно, это может быть только в том случае, если внутреннее сопротивление R_в этого идеализированного источника равно нулю. ВАХ такого источника изображена на рис. 4, а (сплошная линия).

Под источником тока понимают такой идеализированный источник питания, который даёт ток I_k, не зависящий от величины нагрузки цепи и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутреннее сопротивление R_в (I_k=Е/R_в).

Для того, чтобы источник тока мог давать ток I_k, не зависящий от величины сопротивления нагрузки, внутреннее сопротивление его должно стремиться к бесконечности. Но и ЭДС Е также должна стремиться к бесконечности, так как отношение двух бесконечных величин Е и R_в равно конечной величине − току I_k. ВАХ такого источника показана на рис. 4, б (сплошная линия).

Физически осуществить эти идеализированные источники невозможно, поскольку внутреннее сопротивление реальных источников не может быть равно нулю и при конечном токе не может быть равно бесконечности.

Однако, если внутреннее сопротивление R_в реального источника питания на несколько порядков меньше сопротивления нагрузки, то источник питания будет работать в режиме, близком к режиму, характерному для источника ЭДС.

Так крупные генераторы, вырабатывающие электрическую энергию на различных электростанциях (ГЭС, ТЭЦ, атомных) практически являются источниками ЭДС, поскольку их внутреннее сопротивление R_в очень мало. В схему надо обязательно включить внутреннее сопротивление R_в (рис. 5).

Рис. 5

Напряжение U_ав на выходных зажимах источника ЭДС будет меньше ЭДС Е на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении R_в источника (U_ав=Е−I R_в). С увеличением тока I напряжение на выходных зажимах источника будет уменьшаться, и ВАХ реального источника ЭДС будет выглядеть как наклонная линия (штриховая линия на рис. 4,а).

Аналогично, если внутреннее сопротивление R_в реального источника питания во всех возможных режимах работы схемы будет на несколько порядков больше сопротивления нагрузки, то источник питания будет работать в режиме, довольно близком к режиму, характерному для источника тока.

Так полупроводниковые генераторы имеют большое внутреннее сопротивление R_в, особенно если в их составе есть хотя бы один каскад на однопереходных транзисторах, особенностью которых является внутреннее сопротивление 3−5 Мом. Поэтому полупроводниковые генераторы такого типа практически являются источниками тока. Источник тока изображают с параллельно включенным с ним сопротивлением R_в (рис. 6), равным внутреннему сопротивлению реального источника энергии.

Рис. 6

Пусть, например, , , а сопротивление нагрузки меняется в пределах от до . Тогда ЭДС источника будет

, (1)

а ток I будет равен

(2)

при и

(3)

при .

Таким образом, при изменении сопротивления нагрузки от до ток практически не изменился.

Если же сопротивление нагрузки будет меньше на порядок и составит , то ток будет

. (4)

Ток в этом случае уменьшится на 9 %.

Таким образом, рассматриваемый источник будет практически работать в режиме источника тока, если сопротивление нагрузки не менее чем на два порядка меньше внутреннего сопротивления источника . При больших значениях сопротивления нагрузки ВАХ источника получается падающей (штриховая линия на рис. 4, б).