При передаче энергии от источника в нагрузку обычно необходим выбор оптимального режима, который зависит от соотношения параметров схемы. Анализ работы простейшей схемы подключения нагрузки к источнику показывает, что наибольшая мощность в нагрузке может быть достигнута при равенстве сопротивления нагрузки и источника. Однако при этом мы имеем очень низкий коэффициент полезного действия (не превышает 50 %).
Рассмотрим возможность изменения работы схемы путем введения дополнительных элементов с целью увеличить эффективность передачи энергии при высоком коэффициенте полезного действия. Пусть какой-либо источник с электродвижущей силой (ЭДС) e и внутренним сопротивлением r замкнут на внешнюю цепь с сопротивлением R (рис. 1) (в обычной схеме 
).
Рис. 1. Схема передачи энергии с элементом оптимизации параметров
Изменяя сопротивление внешней цепи R, меняем силу тока в цепи I и напряжение на внешнем участке цепи U. Мощность, выделяемая во внешней цепи, является полезной:
.
Из уравнения следует, что полезная мощность, развиваемая источником, зависит от величины внешнего сопротивления. Меняя внешнее сопротивление, можно получить во внешней цепи максимальную полезную мощность Pm. Мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения, если сопротивление R внешней цепи равно внутреннему сопротивлению r источника тока [1–3].
Рассмотрим, как полезная мощность зависит от силы тока в цепи. Для управления величиной тока введем дополнительное сопротивление 
и рассмотрим, какими параметрами оно должно обладать, чтобы изменить режим работы схемы и сделать его наиболее оптимальным. Мощность, выделяемая во внешней цепи, определяется в виде:
.
Рассмотрим коэффициент полезного действия:
.
При 
режим работы схемы практически не меняется, а уровень полезной мощности снижается за счет уменьшения силы тока, часть мощности источника теперь отдается дополнительному сопротивлению. Также снижается коэффициент полезного действия.
Однако ситуация существенно меняется при 
(отрицательное сопротивление). При 
мощность 
и 
.
Отсюда следует, что максимум полезной мощности и максимальное значение коэффициента полезного действия совпадают при 
. Известно, что управляемым отрицательным сопротивлением в определенных условиях обладают диоды Ганна, туннельные диоды и др. Это свойство некоторых элементов электрических цепей, выражающееся в уменьшении падения напряжения U на них при увеличении протекающего тока I (или наоборот): R = (ΔU/ΔI) < 0. Элемент с отрицательным сопротивлением не потребляет электрическую энергию, а отдаёт её в цепь, т.е. является активным элементом. Это происходит за счёт входящего в его состав какого-либо источника, пополняющего запас энергии цепи. Особенностью отрицательного сопротивления является то, что отрицательное сопротивление может быть реализовано лишь в некоторой области значений токов и напряжений и является комплексной величиной. Если абсолютная величина отрицательного сопротивления элемента меньше суммы положительных сопротивлений остальных элементов цепи, то его роль сводится к частичной компенсации потерь в цепи. Если же отрицательное сопротивление превышает эту сумму, то состояние цепи не устойчиво и возможен переход в другое состояние устойчивого равновесия или возникновение колебаний. На рис. 2 показана зависимость полезной мощности и коэффициента полезного действия от сопротивления нагрузки.
Рис. 2. Зависимость полезной мощности и коэффициента полезного действия от сопротивления нагрузки (e=1 B, r=1 Ом, a – rA=3 Ом, b – rA=–3+i Ом)
Таким образом, введение дополнительного элемента позволило обеспечить одновременный максимум полезной мощности и коэффициента полезного действия. Это модель показывает возможность управления параметрами схемы включением управляющего элемента последовательно. Дополнительные возможности дает параллельное включение элемента, которое требует отдельного рас смотрения. На высоких частотах, включая оптический диапазон, отрицательные сопротивления позволяют обеспечить передачу энергии через непрозрачные в обычных условиях участки линий передачи [4,5].
Библиографическая ссылка
Костяев П.C., Глущенко Е.П. ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В НАГРУЗКУ // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 3-3. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=15000 (дата обращения: 16.04.2024).