Внутреннее сопротивление

Выходное сопротивление

Яркий пример выходного сопротивления — это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое «внутреннее сопротивление».

Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогеновую лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:

Рис. 11 —

И как только подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.

Рис. 12 —

Разница напряжения,  то есть 0,3 В (12,09 -11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении . Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.

У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление , и «цепляется» оно последовательно с источником ЭДС ().

Рис. 13 — Внутреннее сопротивление аккумулятора

Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.

В теореме Тевенина говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе много различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения () и с каким-то внутренним сопротивлением ().

Рис. 13 —

E_экв  — эквивалентный источник ЭДС

R_экв  — эквивалентное сопротивление

То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.

Рис. 14 —

В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС (). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить ?

В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания .

Рис. 15 — Ток короткого замыкания

В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что

Но есть небольшая загвоздка. Теоретически  — формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешенного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.

Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогеновую лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.

Рис. 16 —

Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки (рис. 17).

Рис. 17 —

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае = 12,09 В.

Как только мы цепанули нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Рис. 18 —

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение

следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило

Сила тока в цепи равняется =4,35 Ампер. ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи вычисляем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:

Измерение внутреннего сопротивления автомобильного АКБ

Особенное влияние оказывает величина импеданса на автомобильные аккумуляторы. Если эксплуатация транспортного средства активная как в городе, так и на трассе, сельских дорогах, импеданс оказывает большое влияние на продолжительность службы батареи. Регулярное тестирование позволяет определить, когда пригодность АКБ для работы приближается к финишу.

Описание параметра

Сопротивление принято обозначать R. В автомобильном аккумуляторе это сумма сопротивлений омического и поляризации. В свою очередь, омическое R слагается из сопротивлений, которые возникают в электролите, на соединениях банок, на контактах, электродах, сепараторах.

Импеданс проявляется в отношении тока внутри батареи независимо от того, разрядный он или зарядный. Все элементы АКБ имеют свою проводимость, которая различается.

Связанные факторы

Конструкции аккумуляторов, применяемые материалы разные, поэтому показатели неодинаковые. Например, плюсовая решетка имеет R в 10 тыс. раз меньше, чем у нанесенного на нее свинца. На минусовой решетке разница неощутимая.

Технология изготовления электродов также различается, что сказывается на показателях. Сюда относятся: качество материала, контактов, конструкция, присутствие легирующих компонентов.

На R сепараторов влияют толщина и пористость материала. Сопротивление электролита зависит от его температуры, концентрации.

Измерение сопротивления

Точное измерение внутреннего сопротивления невозможно без использования графиков разрядных кривых. На него влияют заряженность АКБ, нагрузка, температура. Автолюбители пользуются более простым способом, позволяющим судить о состоянии источника питания.

Пользуются лампой из фары, например галогеновой на 60 Вт, и тестером. Светодиодную не следует применять ни в коем случае. Лампочку и мультиметр подключают к батарее последовательно. Записывают показания вольтметра. Отключают нагрузку и смотрят напряжение, которое окажется больше.

Сравнивают показания измерительного прибора. Проводят расчет: если разница не превышает 0,02 В, состояние АКБ хорошее – импеданс не больше 0,01 Ом.

Пользуются вольтметром с цифровой индикацией: на стрелочном трудно зафиксировать точные показатели.

Опыт автолюбителей

Отзывы водителей разные. Небольшая часть предпочитает проверять АКБ в мастерских. Другие, которые поняли процесс и значение этого параметра для жизнедеятельности аккумулятора, уделяют несколько минут для регулярной проверки.

При этом автолюбители советуют обратить внимание на такие моменты:

1. Не следует слепо руководствоваться абсолютными показателями, взятыми из специальной литературы, интернета. Более полезно сравнивать старые показатели с новыми.
2. Существуют нормы для каждой АКБ. Их берут из инструкции или оригинальной упаковки.
3. Регулярное измерение импеданса позволяет отслеживать изменения в батарее. В одних случаях достаточно найти и устранить причину, в других – это сигнал о необходимости замены АКБ в ближайшем будущем.

Параметр важный. Если измерять его регулярно, это позволит избежать многих проблем. Так считают большинство автолюбителей независимо от того, проводят они измерения сами или обращаются к мастерам.

Внешний осмотр

Первым делом тщательно осматривают аккумуляторную батарею: в норме она сухая, чистая и без признаков повреждений. Плохо, когда:

• поверхность акб сильно загрязнена;
• клеммы окислены;
• корпус батареи имеет повреждения;
• имеются следы электролита.

Любой пункт из перечисленных приведёт к стремительной разрядке аккумулятора, а следовательно — увеличит риск попадания в неприятные ситуации. Что делать?

Внешние загрязнения АКБ легко удаляются тряпкой (ветошью), смоченной в 6%-м растворе соды (примерно столовая ложка на стакан). Стоит избегать намокания контактов, проводов и сильного заливания водой.

Такой же раствор поможет справиться и с окислением клемм — нанесите состав на загрязнённые участки, подождите пару минут и тщательно прочистите щёткой (не металлической!). После процедуры промойте очищенные поверхности дистиллированной водой.

Если окисление обширное, то первым делом прибегают к механической очистке, главное не повредить провода.

Помните, что такие работы необходимо проводить при заглушенном моторе и снятых с АКБ клемм! Также не заливайте провода и обязательно выждите время, чтобы остатки влаги испарились.

Как проводить измерения электрических параметров

До того, как начнем говорить о том, как пользоваться мультиметром, надо запомнить, что при измерении силы тока мультиметр подключается последовательно — в разрыв цепи, а при измерении напряжения — параллельно относительно участка или элемента цепи.

Измеряем напряжение

Переводим переключатель в положение измерения напряжения. Есть два положения: для постоянного и переменного напряжения. Выбираем по параметрам цепи или устройства.

Далее надо выбрать диапазон измерений. Для этого надо хотя-бы ориентировочно (а лучше — точно) знать, какие показания ожидать. Например, при измерении напряжения в сети вы знаете, что там будет 220 В или На на батарейках или аккумуляторах есть надписи, на устройствах — шильдики с указанием параметров цепи. В любом случае ставим предел — ближайший больший. Это обеспечит большую точность.

Схемы подключения мультиметра для измерения разных электрических величин

Если не знаем точно, какое напряжение может быть, ставим приблизительно — после первых показаний можно будет изменить. Если вообще не имеем представления о величине напряжения, ставим самый большой предел, в дальнейшем приближаясь к нужному положению. Такой алгоритм не позволит сжечь прибор, что может случиться, если выставить слишком низкий предел.

Определившись с пределами изменения, подключаем щупы:

• черный в общее гнездо «COM», а второй щуп — к минусу батарейки или аккумулятора;
• красный в гнездо с надписью VΩmA, а щуп от него — к плюсу элемента питания.

На дисплее высвечиваются цифры. Это и есть напряжение на измеряемом участке. В данном случае на батарейке/аккумуляторе.

Чтобы измерить напряжение, надо перевести переключатель в нужное положение

Если перепутать щупы местами и подключить красный к плюсу, а черный — к минусу, ничего страшного не произойдет. Перед показаниями просто высветиться знак минус.

Как пользоваться мультиметром для измерения тока

Чаще всего и для измерения силы тока есть есть два положения переключателя — постоянного и переменного. Но не во всех моделях. Есть приборы (M-830, DT-830), которые могут измерять только постоянный ток.

Для измерения постоянного тока мультиметром порядок действий стандартный:

• Выставляем переключатель в соответствующее положение.
• Выбираем предел измерения (ставим приблизительно ожидаемую величину тока).
• Устанавливаем измерительные щупы: черный в гнездо «COM»;
• красный в гнездо VΩmA, если ожидаемый ток будет меньше 200 мА;
• в третье гнездо, если ток будет больше 200 мА.

  Как измерить мультиметром постоянный ток

Подключаем мультиметр в разрыв цепи. Для этого свободными концами щупов дотрагиваемся до обоих проводников в месте разрыва, замыкая цепь через прибор.
Снимаем показания с дисплея.

Одно замечание: сборка измерительной схемы при измерении тока должна проходить при снятом напряжении. При значительных токах (выше 200 мА) работа без снятия напряжения небезопасна. Подавать питание надо только после того как мультиметр подключен.

Режим измерения сопротивления

Положение щупов мультиметра для измерения сопротивления стандартное: красный в гнезде «COM», черный — в VΩmA. Свободные концы щупов прикасаются к выводам измеряемого объекта.

Есть нюансы с выбором предела измерений. Если вы знаете, какие показания должны быть (проверяете резисторы, например), выставляете предел измерений ближайший больший. Если величина сопротивления неизвестна, переводим переключатель на максимальную шкалу. После измерения ее можно будет изменить на более подходящую.

Как измерить мультиметром сопротивление

Если при измерении сопротивления мультиметром на экране появилась цифра «1», это означает, что предел измерения превышен, надо изменить его на больший.

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление, то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не обязательно сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведёт себя так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности же, внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

• Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление носит чисто активный характер (в низкочастотных цепях), и оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности, отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в химическом источнике мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.
• В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему, внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

• Внутреннее сопротивление невозможно убрать из двухполюсника
• Внутреннее сопротивление не является стабильной величиной: оно может изменяться при изменении каких-либо внешних (нагрузка, ток) и внутренних (нагрев, истощение реагентов) условий.

Измерение напряжение аккумулятора

Важным показателем АКБ является его напряжение. Именно поэтому многие проводят замер именно этого показателя.

При работающем двигателе, есть возможность провести замер напряжения. Нормальным напряжением считается показатель от 13.5 до 14 В. А вот напряжение выше этого показателя на момент работы двигателя говорит о том, что АКБ имеет низкую зарядку и регулятор напряжения подает с генератора большее количество энергии для его зарядки. Стоит учесть, что зимой это частое явление, так как аккумулятор за ночь может серьезно разрядиться.

Повышение напряжения на аккумуляторе – явление, которого не стоит бояться. Если с техническим состоянием электрооборудования автомобиля все в порядке, через 10 минут показатель напряжения стабилизируется и будет в пределах 14 В.

Однако, если через 10 минут этого не произошло, тогда стоит задуматься о состоянии регулятора напряжения. Постоянная работа при подобных показателях может привести к выкипанию аккумулятора. Еще одно явление, которое определяет проблему с неправильным показателем напряжения – прохождение процесса окисления на контактах.

Для предотвращения подобного явления, нужно зачистить контакты. При падении напряжения ниже 13 В, следует провести замену АКБ, так как подобные данные говорят о его неисправности.

При проведении измерений на момент заглушенного двигателя, можно выделить следующие нюансы:

1. Напряжение менее 12 В может привести к тому, что автомобиль не заведется, особенно на момент холодов. При падении температуры окружающей среды, масло в двигателе загустевает, также меняются свойства топлива. Поэтому АКБ не может провернуть коленчатый вал, так как требуется больше усилий при подобных условиях.
2. Нормальным напряжением, которого будет достаточно для завода двигателя, можно считать 13 В.
3. Измерение следует проводить не сразу после окончания движения, а перед его началом.
4. Высокий уровень заряда говорит о способности аккумулятора держать напряжение на протяжении длительного времени. Чем меньше уровень заряда, тем быстрее проходит его потеря. Поэтому новые аккумуляторы или те, которые находятся в хорошем техническом состоянии, способны на протяжении длительного промежутка времени сохранять свою работоспособность даже без подзарядки.

Как проверить ток утечки?

Самопроизвольная потеря заряда происходит даже при отключении аккумулятора от потребителей энергии. Величина саморазряда прописывается в техническом паспорте изделия. К этому показателю могут добавляться утечки тока, возникающие при повреждении изоляции.

Это приводит к разряду батареи или возгоранию. Особенно это опасно для бортовой сети автомобиля, где кузов и электронные устройства являются отрицательными проводниками. Для воспламенения достаточно небольшой искры.

Для обнаружения утечки тока выполняют такие действия:

Отключают зажигание и постоянно работающие электронные компоненты машины.
С помощью мультиметра измеряют силу тока. Прибор переводят в режим, отмеченный надписью “10А”. Красный штекер устанавливают в гнездо “10 ADC”. Красный щуп подсоединяют к плюсовой клемме аккумулятора, черный – к минусовой. На экране прибора не должно появляться каких-либо цифр. Если мультиметр выдает любое значение, утечка тока считается обнаруженной.
Проверяют амперы в других электронных узлах

Диагностику проводят с осторожностью. При подозрении на утечку тока высокой силы от выполнения процедуры отказываются.

Какие параметры можно проверить?

С помощью мультиметра можно измерить напряжение с высокой точностью. По величине электрического напряжения можно определить заряжена ли аккумуляторная батарея или элемент необходимо зарядить постоянным током.

С помощью мультиметра, можно проверить напряжение не только кислотных аккумуляторов, но и элементы питания сотовых телефонов. Чтобы проверить мобильник на величину заряда батареи, прибор переводится в режим измерения постоянного тока до 20 В. В этом режиме цифровой прибор, позволяет измерить напряжение, с точностью до сотых долей вольта.

Аккумулятор шуруповёрта, также можно легко проверить мультиметром. Номинальное напряжение прибора, в данном случае, можно узнать из документации электроинструмента, и если напряжение меньше этого значения, то батарею необходимо зарядить.

Ёмкость аккумулятора также можно проверить мультиметром. Для этой цели можно воспользоваться несколькими способами.

Таким образом можно предотвратить быстрый разряд АКБ и повысить её эксплуатационный ресурс.

Изучение внутреннего мира

Проверка АКБ должна продолжиться замерами электролита. Именно он отвечает за большинство происходящего с автомобилем. Электролит проверяется по следующим параметрам: плотность и уровень.

Для проверки уровня понадобится стеклянная градуированная трубочка. Открутите шайбы, закрывающие так называемые банки — секции в АКБ. Опустите один конец трубочки до упора вниз и закройте пальцем верхний конец. Поднимите трубочку.

Оптимально, если раствор покрывает верхнюю кромку пластин на 10–15 мм. Всего жидкости должно быть 30–40 мм. Таким образом проверьте каждую секцию.

Следующий этап — проверка плотности электролита при помощи ареометра. Нормальный показатель 1,26–1,28 г/куб. см. при плюсовой температуре. Показатель будет меньше, если измерения производятся при нулевой температуре, однако это сигнализирует о низком .

В крайне холодную погоду плотность не должна опускаться ниже 1,27г/куб. см., в противном случае есть риск замерзания электролита.

Если плотность электролита больше положенных значений, а его уровень ниже, то стоит долить дистиллированную воду

Важно, чтобы это была не любая другая вода, так как только дистиллят не содержит примесей солей и металлов, которые способны вывести из строя батарею

Если плотность незначительно меньше (1,24–1,25г/куб. см.), то доливается электролит. Его можно как изготовить самостоятельно, так и приобрести в специализированных магазинах. Излишки жидкости удаляются при помощи «груши». Любые потёки электролита необходимо удалить с корпуса!

Нормальные показатели

Перед тем как разобраться, какое должно быть значение внутреннего сопротивления и от чего оно зависит, необходимо знать, что оно складывается из поляризационного и омического. Последнее можно ещё поделить на такие составляющие R:

• от электродов;
• от отрицательных и положительных выводов;
• от электролита;
• от сепараторов;
• от соединений между банками.

Для батареи не имеет значения тип тока, будет ли он протекать зарядным или разрядным. При этом значение будет отличаться в разных элементах блока питания.

Принято считать, что для новой батареи в автомобиле показатель R при нормальной температуре 15–20С будет составлять 0,005 Ом. После введения в эксплуатацию показатель будет подниматься. Текущее значение можно измерить при помощи нагрузочной вилки.

Примечания

1. Импеданс является обобщением понятия сопротивление для случая реактивных элементов. Более подробно смотри в статье Электрический импеданс
2. Применять закон Ома в такой формулировке к двухполюсникам с внутренними источниками некорректно, необходимо учитывать источники: U=Ir+ΣU_int, где ΣU_int — алгебраическая сумма ЭДС внутренних источников.
3. Отсутствие источников выражается в том, что напряжение на выводах двухполюсника при отсутствии нагрузки равно нулю. Сюда же относится случай, когда источники есть, но не влияют на выходное напряжение («никуда не подключены»).
4. Реза Ф., Сили С.Современный анализ электрических цепей Энергия, M.-Л., 1964 г., 480 с. с черт.
5. Исключение составляют случаи применения стабилизаторов компенсационного типа. Например, двухполюсник, содержащий батарею и ОУ, на некотором участке ВАХ может иметь как сколь угодно малое, так и отрицательное выходное сопротивление — до тех пор, пока избытка энергии в батарее хватает для компенсации.
6. То же самое, что и напряжение
7. . Дата обращения 6 апреля 2014.
8. Тем не менее, гасящие резисторы широко применяются для ограничения пускового тока тяговых электродвигателей постоянного тока на электротранспорте.
9. Изменение выходного напряжения не более 1,3 мВ в диапазоне выходных токов 0,005÷1,5 А. В более узком диапазоне токов 0,25÷0,75 А типичное выходное сопротивление ещё меньше — 0,0003 ома.
10. В рабочем диапазоне частот

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий “пьедестал”, чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить “пол” нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять “уровень пола” и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить U_см , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем “пола”. Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U_вых ? Оно должно иметь значение половины U_пит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U_пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U_пит = 30 В. Рассчитываем U_см :

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал – это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из , с помощью которого можно отсекать лишние частоты.