Rezistența internă a unei rețele cu două terminale este impedanța în circuitul echivalent al unei rețele cu două terminale, constând dintr- un generator de tensiune și o impedanță conectate în serie (vezi figura). Conceptul este folosit în teoria circuitelor atunci când se înlocuiește o sursă reală cu elemente ideale, adică la trecerea la un circuit echivalent.
Necesitatea introducerii termenului poate fi ilustrată prin exemplul următor. Să comparăm două surse chimice de curent continuu cu aceeași tensiune:
În ciuda aceleiași tensiuni, aceste surse diferă semnificativ atunci când funcționează pe aceeași sarcină. Deci, o baterie de mașină este capabilă să furnizeze un curent mare la sarcină (motorul mașinii pornește de la baterie, în timp ce demarorul consumă un curent de aproximativ 250 A ), iar demarorul nu se va roti deloc din bateria de elemente, deoarece tensiunea bateriei atunci când este conectată la bornele demarorului va scădea la fracțiuni de volt . Nu este vorba de capacitatea electrică relativ mică a bateriilor: energia stocată în ele și o încărcare de un amper-oră ar fi suficiente pentru a roti demarorul timp de 14 secunde (la un curent de 250 A).
În conformitate cu legea lui Ohm, în sursele cu aceeași tensiune, curentul din aceeași sarcină trebuie să fie și el același. În exemplul dat, acest lucru nu este adevărat deoarece afirmația este adevărată numai pentru sursele ideale de emf ; sursele reale diferă într-o oarecare măsură de cele ideale. Pentru a descrie gradul de diferență dintre sursele reale și cele ideale, se folosește conceptul de rezistență internă .
Rețelele active reale cu două terminale sunt bine descrise matematic dacă sunt considerate ca un circuit echivalent format din (vezi figura) un generator de tensiune și rezistență conectată în serie (în cazul general, impedanță ). Generatorul de tensiune reprezintă sursa efectivă de energie situată în această rețea cu două terminale. Un generator ideal ar putea furniza o putere și un curent arbitrar la sarcină. Cu toate acestea, rezistența conectată în serie cu generatorul limitează puterea pe care această rețea cu două terminale o poate furniza sarcinii. Această rezistență echivalentă se numește rezistență internă . Este doar un parametru al modelului abstract al unei rețele cu două terminale, adică, de obicei, nu există un „rezistor” fizic ca componentă electronică în interiorul rețelelor cu două terminale.
Formal, în celulele galvanice reale această rezistență internă poate fi identificată fizic. Aceasta este rezistența totală a tijei pozitive (carbon, oțel), a corpului în sine (zinc și nichel), precum și a electrolitului în sine (sare) și a absorbantului de hidrogen (în celulele de sare). Toate aceste materiale, precum și interfețele dintre ele, au o rezistență finită diferită de zero.
În alte surse, această rezistență ohmică se datorează rezistenței înfășurărilor și contactelor, care este conectată în serie cu rezistența internă proprie a sursei și reduce caracteristicile surselor de tensiune.
Diferențele de potențial de contact au o natură diferită a apariției tensiunii și sunt non-ohmice, adică aici costurile de energie merg la funcția de lucru a purtătorilor de sarcină.
Principala caracteristică a unei rețele abstracte cu două terminale este rezistența sa internă (sau, cu alte cuvinte, impedanța [1] ). Cu toate acestea, nu este întotdeauna posibil să se descrie o rețea cu două terminale numai prin rezistență. Cert este că termenul de rezistență este aplicabil doar elementelor pur pasive, adică celor care nu conțin surse de energie. Dacă o rețea cu două terminale conține o sursă de energie, atunci conceptul de „rezistență” pur și simplu nu este aplicabil acesteia, deoarece legea lui Ohm în formularea U=I·r nu este îndeplinită [2] .
Astfel, pentru rețelele cu două terminale care conțin surse (adică , generatoare de tensiune și generatoare de curent ), este necesar să vorbim despre rezistența internă (sau impedanța). Dacă rețeaua cu două terminale nu conține surse [3] , atunci „ rezistență internă ” pentru o astfel de rețea cu două terminale înseamnă la fel ca pur și simplu „rezistență”.
Dacă în orice sistem este posibil să se distingă o intrare și/sau o ieșire (o pereche de contacte electrice), atunci se folosesc adesea următorii termeni:
În ciuda faptului că în circuitul echivalent rezistența internă este prezentată ca un element pasiv (mai mult , rezistența activă , adică rezistența este în mod necesar prezentă în acesta), rezistența internă nu este neapărat concentrată în niciun element. Un terminal cu două terminale se comportă doar extern ca și cum ar avea o impedanță internă concentrată și un generator de tensiune. În realitate, rezistența internă este o manifestare externă a unei combinații de efecte fizice:
De aici rezultă și câteva caracteristici ale rezistenței interne:
Efectul rezistenței interne este o proprietate inerentă a oricărei rețele active cu două terminale. Principalul rezultat al prezenței rezistenței interne este limitarea puterii electrice care poate fi obținută în sarcina alimentată din această rețea cu două terminale.
Dacă o sarcină cu rezistența R este conectată la o sursă cu EMF [6] a unui generator de tensiune E și rezistență internă activă r , atunci curentul, tensiunea și puterea din sarcină sunt exprimate după cum urmează:
Conceptul de calcul este aplicabil unui circuit (dar nu și unui dispozitiv real). Calculul este dat pentru cazul rezistenței interne pur active (diferențele de reactanță vor fi discutate mai jos).
Notă : strict vorbind, orice impedanță reală (inclusiv rezistența internă) are o componentă reactivă, deoarece orice conductor are inductanță și capacitate parazită. Când vorbim de rezistență pur activă, nu ne referim la sistemul real, ci la circuitul său echivalent care conține doar rezistențe : reactanța a fost eliminată ca neimportantă atunci când se trece de la un dispozitiv real la circuitul său echivalent. Dacă reactivitatea este semnificativă atunci când se consideră un dispozitiv real (de exemplu, când se consideră un sistem la frecvențe înalte), atunci circuitul echivalent este compilat ținând cont de această reactivitate. Pentru mai multe detalii, consultați articolul „ Circuit echivalent ”.
Fie că există o rețea cu două terminale, care poate fi descrisă de circuitul echivalent de mai sus. O rețea cu două terminale are doi parametri necunoscuți care trebuie găsiți:
În cazul general, pentru a determina două necunoscute, este necesar să se facă două măsurători: se măsoară tensiunea la ieșirea rețelei cu două terminale (adică diferența de potențial U out \u003d φ 2 - φ 1 ) la două diferite curenții de sarcină. Atunci parametrii necunoscuți pot fi găsiți din sistemul de ecuații:
(Voltaj) |
unde U out1 este tensiunea de ieșire la curentul I 1 , U out2 este tensiunea de ieșire la curentul I 2 . Rezolvând sistemul de ecuații, găsim necunoscutele necesare:
(Ocazie generală) |
De obicei, se folosește o tehnică mai simplă pentru a calcula rezistența internă: tensiunea se găsește în modul circuit deschis și curentul în modul scurtcircuit al rețelei cu două terminale. În acest caz, sistemul ( Tensiuni ) se scrie după cum urmează:
unde U oc este tensiunea de ieșire în modul inactiv ( circuit deschis în engleză ), adică la curent de sarcină zero; I sc este curentul de sarcină în modul de scurtcircuit , adică la o sarcină cu rezistență zero . Aici se ia în considerare faptul că curentul de ieșire în modul inactiv și tensiunea de ieșire în modul scurtcircuit sunt egale cu zero. Din ultimele ecuații obținem imediat:
(IntRes) |
Astfel, pentru a calcula rezistența internă și EMF a unui generator echivalent pentru o rețea cu două terminale, al cărei circuit electric este cunoscut, este necesar:
Conceptul de măsurare este aplicabil unui dispozitiv real (dar nu și unui circuit). Măsurarea directă cu un ohmmetru nu este posibilă, deoarece sondele dispozitivului nu pot fi conectate la bornele rezistenței interne. Prin urmare, este necesară o măsurare indirectă , care nu diferă fundamental de calcul - tensiunile la sarcină sunt, de asemenea, necesare la două valori de curent diferite. Cu toate acestea, nu este întotdeauna posibilă utilizarea formulei simplificate (2), deoarece nu orice rețea reală cu două terminale permite funcționarea în modul de scurtcircuit.
Uneori se folosește următoarea metodă simplă de măsurare care nu necesită calcule:
După procedurile descrise, rezistența rezistenței de sarcină trebuie măsurată cu un ohmmetru - aceasta va fi egală cu rezistența internă a doi poli.
Indiferent de metoda de măsurare utilizată, trebuie să fiți atenți la supraîncărcarea celor două terminale cu un curent excesiv, adică curentul nu trebuie să depășească valorile maxime admise pentru acest două terminale.
Dacă circuitul echivalent cu două terminale conține elemente reactive - condensatoare și/sau inductori , atunci calculul rezistenței interne reactive se efectuează în același mod ca cel activ, dar în loc de rezistențele rezistențelor, impedanțele complexe ale elementelor incluse în circuit sunt luate, iar în loc de tensiuni și curenți - amplitudinile lor complexe , adică calculul se face prin metoda amplitudinilor complexe .
Măsurarea reactanței interne are unele particularități deoarece este o funcție cu valoare complexă și nu o valoare scalară :
Un caz special de măsurare a rezistenței interne este măsurarea rezistenței buclei de fază zero în instalațiile electrice. În acest caz, o rețea cu două terminale este o pereche de conductori ai unei instalații electrice: o fază și un conductor neutru de lucru sau două conductori de fază. Fotografia arată rezultatul unei astfel de măsurători într-o priză electrică de uz casnic de 220 de volți:
Dispozitivul găsește rezistența internă prin măsurare indirectă prin metoda căderii de tensiune pe rezistența de sarcină. Această metodă este recomandată pentru utilizare în Anexa D din GOST R 50571.16-99. Metoda este descrisă prin formula de mai sus ( GlobalCase ) cu I 1 =0 .
Rezultatul măsurării este considerat satisfăcător dacă curentul posibil de scurtcircuit este suficient de mare pentru funcționarea fiabilă a dispozitivului care protejează acest circuit de supracurent.
În cele mai multe cazuri, nu ar trebui să vorbim despre utilizarea rezistenței interne, ci despre luarea în considerare a impactului său negativ, deoarece rezistența internă este mai degrabă un efect negativ. Cu toate acestea, în unele sisteme, prezența rezistenței interne cu o valoare nominală este pur și simplu necesară.
Reprezentarea unei rețele cu două terminale ca o combinație a unui generator de tensiune și rezistență internă este cel mai simplu și cel mai frecvent utilizat circuit echivalent al unei rețele cu două terminale.
Potrivirea sursei și a sarcinii este alegerea raportului dintre rezistența de sarcină și rezistența internă a sursei pentru a obține proprietățile dorite ale sistemului rezultat (de regulă, ei încearcă să atingă valoarea maximă a oricărui parametru pentru un anumit parametru). sursă). Cele mai frecvent utilizate tipuri de potrivire sunt:
Potrivirea curentului și a puterii trebuie utilizată cu grijă, deoarece există pericolul de supraîncărcare a sursei.
Uneori , la sursa de alimentare se adaugă artificial o rezistență de balast extern , conectată în serie cu sarcina (se adaugă rezistenței interne a sursei) pentru a scădea tensiunea primită de la aceasta sau pentru a limita cantitatea de curent livrat către încărcătura. Cu toate acestea, adăugarea unui rezistor ca rezistență suplimentară (așa-numitul rezistor de stingere ) este inacceptabilă în multe cazuri, deoarece duce la eliberarea inutilă a unei puteri semnificative asupra acestuia [8] . Pentru a nu risipi energie și a rezolva problema rezistenței suplimentare de răcire, în sistemele de curent alternativ se folosesc impedanțe de amortizare reactivă . Pe baza unui condensator de stingere, se poate construi o sursă de alimentare a condensatorului . În mod similar, cu ajutorul unui robinet capacitiv de la o linie electrică de înaltă tensiune , pot fi obținute tensiuni mici pentru a alimenta orice dispozitive autonome. Balastul inductiv este utilizat pe scară largă pentru a limita curentul în circuitul lămpilor fluorescente cu descărcare în gaz.
La amplificarea semnalelor slabe, apare adesea problema minimizării zgomotului introdus de amplificator în semnal. Pentru a face acest lucru, se folosesc amplificatoare speciale cu zgomot redus , care pot fi fie cu rezistență scăzută, de exemplu, pe tranzistoarele bipolare, fie cu rezistență ridicată pe tranzistoarele cu efect de câmp, cu toate acestea, acestea sunt proiectate astfel încât cel mai scăzut zgomot . cifra este realizată numai cu potrivirea completă a impedanței de ieșire a sursei de semnal și a impedanței de intrare a amplificatorului însuși. De exemplu, dacă sursa de semnal are o impedanță de ieșire mai mică (de exemplu, un microfon cu o impedanță de ieșire de 30 ohmi), atunci ar trebui utilizat un transformator de creștere între sursă și amplificator , care va crește impedanța de ieșire (ca precum şi tensiunea semnalului) la valoarea cerută.
Conceptul de rezistență internă este introdus printr-un circuit echivalent, deci se aplică aceleași limitări ca și pentru aplicabilitatea circuitelor echivalente.
Valorile rezistenței interne sunt relative: ceea ce este considerat mic, de exemplu, pentru o celulă galvanică, este foarte mare pentru o baterie puternică. Mai jos sunt exemple de rețele cu două terminale și valorile rezistenței lor interne r . Cazurile banale de rețele cu două terminale fără surse sunt discutate separat.
În mod obișnuit, rețelele cu două terminale cu rezistență internă ridicată sunt diferite tipuri de senzori, surse de semnal etc. O sarcină tipică atunci când lucrați cu astfel de dispozitive este de a elimina un semnal din acestea fără pierderi din cauza potrivirii incorecte. Pentru a obține o potrivire bună a tensiunii, semnalul de la o astfel de rețea cu două terminale trebuie eliminat de un dispozitiv cu o impedanță de intrare și mai mare (de regulă, un semnal de la o sursă de înaltă rezistență este eliminat folosind un amplificator tampon ).
Există rețele cu două terminale, a căror rezistență internă are o valoare negativă . Într-o rezistență activă obișnuită , energia este disipată , într-o reactanță , energia este stocată și apoi eliberată înapoi la sursă. Particularitatea rezistenței negative este că ea însăși este o sursă de energie. Prin urmare, rezistența negativă în forma sa pură nu apare, ea poate fi imitată doar de un circuit electronic, care conține în mod necesar o sursă de energie. Rezistența internă negativă poate fi obținută în circuite folosind:
Sistemele de rezistență negativă sunt potențial instabile și, prin urmare, pot fi utilizate pentru a construi auto- oscilatoare .
![]() |
|
---|