Внутрішній опір

Потребу введення терміна, можна пояснити наступним прикладом. Порівняємо два хімічні джерела постійного струму з однаковою напругою:

• Автомобільний свинцево-кислотний акумулятор напругою 12 вольт та ємністю 55 А·год
• Вісім батарейок типорозміру АА, що з’єднані послідовно. Сумарна напруга такої батареї також 12 вольт, ємність значно менше — приблизно 1 А·год

Попри однакову напругу, ці джерела значно відрізняються при роботі на однакове навантаження. Так, автомобільний акумулятор здатний віддати в навантаження великий струм (від акумулятора запускається двигун автомобіля, коли стартер споживає струм 250 ампер), а від ланцюжка батарейок стартер взагалі не обертається. Відносно невелика ємність батарей не є причиною: одної ампер-години в батарейках вистачило б для того, щоб обертати стартер протягом 14 секунд (за струму 250 ампер).

Відповідно до закону Ома у джерел з однаковою напругою, струм в однаковому навантаженні також повинен бути однаковим. У наведеному прикладі це не виконується тому, що твердження правильне лише для ідеальних джерел ЕРС; реальні ж джерела, тією чи іншою мірою відрізняються від зразкових. Для опису міри відмінності реальних джерел від взірцевих, застосовується показник внутрішній опір.

У кожному електричному пристрої струм проходить крізь мідні дроти, які збільшують внутрішній опір. У динамічному мікрофоні він може становити 200 Ом, але лише 0,01 Ом — в силовому трансформаторі. В акумуляторах струм проходить крізь провідники з набагато гіршою провідністю, ніж у міді, яка до того-ж може знизитися у разі розряду батареї. Точніше кажучи, батарея не стає «порожньою», та її внутрішній опір завдяки хімічним процесам, стає настільки великим, що потрібний струм більше не може бути добутий.

Внутрішній опір акумулятора дуже відрізняється залежно від типу. Нікель-кадмієві акумуляторні батареї (найчастіше використовуються в електроінструментах), нікель-водневі акумуляторні батареї (передусім, застосовуються на космічних апаратах), літій-іонні акумуляторні батареї тощо, відомі як батареї з меншим внутрішнім опором, ніж наприклад лужні батареї, і їх вихідна напруга не дуже знижується навіть за великого струму споживання. Паливні елементи та сонячні елементи (строго кажучи, напівпровідникові пристрої для фотоелектричного перетворення), мають дуже високий внутрішній опір.

Споживана потужність рідко буває постійною, особливо у разі електронних схем. У комп'ютерах вимоги до живлення окремих інтегральних схем (ІС) можуть змінюватися з наносекундними інтервалами. Оскільки це відповідає частоті в діапазоні гігагерц, індуктивність ліній електроживлення не можна ігнорувати, навіть якщо вони коротші декількох сантиметрів. Індуктивний опір дроту значно збільшує внутрішній опір джерела напруги зі збільшенням частоти. Внаслідок цього, напруга на компоненті може коливатися між 2 В і 10 В, наприклад за зміни струму, і може порушити або навіть зруйнувати ІС. Контролер реагує недостатньо швидко, тому безпосередньо в з'єднаннях мікросхеми як протидія, використовуються конденсатори з низькою індуктивністю. Оскільки конденсатори також мають певну власну індуктивність і не однаково добре фільтрують у всьому діапазоні частот від нуля до 5 ГГц, електролітичні конденсатори та керамічні конденсатори з найбільш різними діелектриками, зазвичай вмикаються паралельно.

Наочним прикладом того, чого можна домогтися завдяки зменшенню внутрішнього опору, є електронний спалах. Маленька вбудована батарея має такий великий внутрішній опір, що при споживанні потужності, з неї можна найбільше витягти, близько 0,5 Вт. Ось чому конденсатор заряджається за допомогою перетворювача постійної напруги, від якого може бути отримана пікова потужність у кілька кіловат через його значно нижчий динамічний внутрішній опір.[1]

Наявні активні двополюсники добре описуються математично, якщо їх розглядати як еквівалентну схему, що складається з (див. малюнок) послідовно увімкнених генератора напруги та опору (в загальному випадку — комплексного імпедансу). Генератор напруги, являє власне джерело енергії, що знаходиться в цьому двополюснику. Цей генератор міг би віддати в навантаження, наскільки завгодно великі, потужність і струм. Однак опір, з'єднаний послідовно з генератором, обмежує потужність, яку даний двополюсник може віддати в навантаження. Цей уявний опір і називається внутрішнім опором. Він є лише параметром наукової моделі двополюсника, тобто присутнього «резистора» всередині двополюсників, зазвичай немає.

Хоча в реальних гальванічних елементах цей внутрішній опір є. Це сумарний опір плюсового стрижня (вуглецю, сталі), самого корпусу (цинку та нікелю), а також власне електроліту (солі) і поглинача водню (в сольових елементах). Всі ці наявні матеріали мають цілком скінченний опір, відмінний від нуля.

В інших джерелах, це завдання (вироблення електроенергії) виконують обмотки і контакти, які також знижують характеристики джерел напруги. Контактні різниці потенціалів мають іншу природу спаду напруги і носять не омічний характер, тобто всі витрати енергії йдуть на роботу виходу носіїв заряду.

Електричне коло ліворуч від центральної пари незабарвлених кілечок- затискачів, моделює схему джерела, тоді як коло праворуч, моделює приєднану схему. Z_S - це вихідний імпеданс з боку навантаження, а Z_L - вхідний імпеданс з боку джерела.

Основною характеристикою двополюсника є його опір (або імпеданс [2]). Однак характеризувати двополюсник одним тільки опором не завжди можливо. Справа в тому, що термін опір застосовний лише для чисто пасивних елементів, тобто таких, що не містять в собі джерел енергії. Якщо двополюсник містить джерело енергії, то визначення «опір» до нього просто не застосовується, оскільки закон Ома у формулюванні U=Ir не виконується[3].

Опір джерела чисто резистивного пристрою, може бути дослідно визначено шляхом збільшення навантаження на пристрій доти, поки напруга на навантаженні AC чи DC (змінна або постійна) не стане половиною напруги холостого ходу. На цьому етапі, опір навантаження і внутрішній опір рівні.

Більш точно це можна визначити, відстежуючи криві залежності напруги від струму для різних навантажень і обчислюючи опір згідно Закону Ома. (Внутрішній опір може бути відмінним для різних типів навантаження або на різних частотах, особливо в таких пристроях, як хімічні батареї.)

Узагальнений імпеданс джерела для реактивного (індуктивного або ємнісного) пристрою-джерела складніше визначити, і зазвичай він вимірюється за допомогою спеціалізованих інструментів, а не вручну.

Коли до схеми приєднано амперметр або вольтметр для вимірювання струму, що протікає крізь певну точку, або різниці потенціалів між двома точками, внутрішній опір або вхідний опір вимірювального пристрою, можуть стати перешкодою.

Вимірювання опору петлі фаза-нуль

Підсумок вимірювання опору петлі фаза-нуль в розетці побутової електромережі

Окремим випадком вимірювання внутрішнього опору, є вимірювання опору петлі фаза-нуль в електроустановках. Двополюсником у цьому разі є пара провідників електроустановки: фазний і робочий нульовий, або два фазні дроти. На знімку показано підсумок такого виміру в розетці побутової електромережі напругою 220 вольт:

•    активна складова: 0,49 Ом

•    реактивна складова: 0,09 Ом

•    модуль повного опору: 0,5 Ом

•    очікуваний струм короткого замикання: 220 В / 0,5 Ом = 440 А

Прилад знаходить внутрішній опір шляхом непрямого вимірювання методом спаду напруги на опорі навантаження.

Результат вимірювання вважається задовільним, якщо очікуваний струм короткого замикання досить великий, для надійного спрацьовування апарату (автоматичний вимикач, запобіжник), що захищає це коло від перевищення струму.

• Теорема Тевенена
• Теорія електричних кіл

• Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. — М. — Л.: Энергия, 1965. — 892 с.
• Джонс М. Х. Электроника — практический курс. — М.: Техносфера, 2006. — 512 с. ISBN 5-94836-086-5