Погоджений режим роботи електричного кола

Предметом даної статті буде освітлення в загальному вигляді режимів роботи електричної мережі в умовах узгодження джерела і навантаження. Що це за умови і коли і для чого вони потрібні? На особливу увагу заслуговує узгоджений режим (по потужності), але ми розглянемо між іншим і інші режими узгодження.

Узгодженим режимом, в загальному сенсі, називається такий режим роботи електричного кола, коли на навантаженні, підключеної до даного джерела, виділяється максимальна потужність, яку здатний дати цей джерело в поточному його стані.

Умовою, за якої має місце даний режим, є рівність опору навантаження внутрішньому опору джерела для ланцюгів постійного струму, або рівність власного імпедансу джерела комплексному импедансу навантаження для ланцюгів змінного струму.

Очевидно, що для реальних джерел електроенергії, що володіють певним кінцевим внутрішнім опором, справедливим є твердження, що зі збільшенням опору навантаження починаючи від нуля, що виділяється на ній потужність спочатку нелінійно зростає, потім досягається пік виділяється на навантаженні потужності (для даного джерела), і з подальшим збільшенням опору навантаження, що виділяється на ній потужність нелінійно знижується, наближаючись до нуля.

Це пов'язано з тим, що струм джерела пов'язаний не тільки з опором навантаження R, але і з власним опором джерела r:

Так чи інакше, з метою узгодження навантаження і джерела, підбирають саме таке співвідношення між внутрішнім опором джерела і опором ланцюга навантаження, щоб отримана система в результаті проявляла б саме ті властивості, які від неї для конкретного завдання потрібні. З цієї причини існує кілька варіантів узгодження навантаження і джерела, і давайте справедливості заради основні з них відзначимо: за напругою, за струмом, по потужності, по хвильовому опору.

Узгодження навантаження і джерела по напрузі

З метою отримання на навантаженні максимальної напруги, її опір підбирають таким, щоб воно виявилося багато більше внутрішнього опору джерела. Тобто в межі джерело повинен працювати під навантаженням, але при цьому в режимі холостого ходу, тоді напруга на навантаженні буде дорівнює ЕРС джерела. Таке узгодження застосовують зокрема в електронних системах, в яких напруга служить носієм інформації, носієм сигналу, і необхідно щоб при передачі цього сигналу втрати були б мінімальними.

Узгодження навантаження і джерела по току

Коли на навантаженні потрібно отримати максимальний струм, опір навантаження підбирають якомога меншим, багато меншим ніж внутрішній опір джерела. Тобто джерело працює в режимі короткого замикання, і при цьому через навантаження тече струм, рівний току короткого замикання.

Таке рішення застосовується зокрема в електронних схемах, де носієм сигналу є струм. Наприклад, швидкодіючий фотодиод передає сигнал саме струмом, який потім перетворюється в необхідного рівня напруження. Завдяки малому вхідного опору вирішується проблема звуження смуги через паразитного RC-фільтра.

Узгодження навантаження і джерела по потужності (узгоджений режим)

На навантаженні виходить максимальна потужність, яку здатний дати джерело. Опір навантаження одно внутрішньому опору джерела (импедансу). Потужність, що виділяється в даному режимі на навантаженні, визначається за формулою:

Узгодження навантаження і джерела по хвильовому опору

В теорії довгих ліній і в НВЧ техніці це особливо значимий тип узгодження. При узгодженні з хвильовому опору, в лінії передачі виходить максимальний коефіцієнт біжучої хвилі, що тотожне, стосовно довгих лініях, погодженням з потужності в звичайних ланцюгах змінного струму.

При узгодженні з хвильовому опору, хвильовий опір навантаження має дорівнювати внутрішньому опору джерела хвилі. Усюди в НВЧ техніці застосовують узгодження по хвильовому опору.

До речі, стосовно альтернативної енергетики найближчого майбутнього, коли джерело електроенергії володіє індивідуальними характеристиками, що сильно відрізняються від традиційних, необхідно в першу чергу забезпечити узгоджений режим роботи джерела і приймача, шляхом виготовлення приймача, який буде підходити своїми характеристиками до даного джерела, а лише потім перетворювати отриману енергію в прийнятний для навантаження вид.