Wiedzieliśmy na tej stronie internetowej Basic Electronics Tutorials, że istnieją dwa rodzaje elementów w obwodzie elektrycznym lub elektronicznym: elementy pasywne i elementy aktywne. Element aktywny to taki, który jest zdolny do ciągłego dostarczania energii do obwodu, taki jak bateria, generator, wzmacniacz operacyjny, itp. Element pasywny z drugiej strony to elementy fizyczne, takie jak rezystory, kondensatory, cewki, itp., które nie mogą same generować energii elektrycznej, a jedynie ją zużywać.
Typy aktywnych elementów obwodu, które są dla nas najważniejsze, to te, które dostarczają energię elektryczną do obwodów lub sieci z nimi połączonych. Są one nazywane „źródłami elektrycznymi”, przy czym dwa rodzaje źródeł elektrycznych to źródła napięciowe i źródła prądowe. Źródło prądu jest zwykle mniej powszechne w obwodach niż źródło napięcia, ale oba są używane i mogą być traktowane jako wzajemnie uzupełniające się.
Zasilanie elektryczne lub po prostu „źródło”, jest urządzeniem, które dostarcza energię elektryczną do obwodu w postaci źródła napięcia lub źródła prądu. Oba typy źródeł elektrycznych mogą być sklasyfikowane jako źródła bezpośrednie (DC) lub zmienne (AC), w których stałe napięcie nazywane jest napięciem DC, a takie, które zmienia się sinusoidalnie w czasie nazywane jest napięciem AC. Tak więc na przykład baterie są źródłem prądu stałego, a gniazdko elektryczne 230V w twoim domu jest źródłem prądu zmiennego.
Powiedzieliśmy wcześniej, że źródła elektryczne dostarczają energii, ale jedną z interesujących cech źródeł elektrycznych jest to, że są one również zdolne do przekształcania energii nieelektrycznej w elektryczną i odwrotnie. Na przykład, bateria przekształca energię chemiczną w elektryczną, podczas gdy maszyna elektryczna, taka jak generator prądu stałego lub alternator prądu zmiennego, przekształca energię mechaniczną w elektryczną.
Technologie odnawialne mogą przekształcać energię słoneczną, wiatrową i fal morskich w energię elektryczną lub cieplną. Jednak oprócz przekształcania energii z jednego źródła na drugie, źródła elektryczne mogą zarówno dostarczać, jak i pochłaniać energię, umożliwiając jej przepływ w obu kierunkach.
Inną ważną cechą źródła elektrycznego, która definiuje jego działanie, jest charakterystyka I-V. Charakterystyka I-V źródła elektrycznego może dać nam bardzo ładny obrazowy opis źródła, zarówno jako źródła napięciowego, jak i prądowego, jak pokazano na rysunku.
Źródła elektryczne
Źródła elektryczne, zarówno jako źródła napięciowe jak i prądowe mogą być klasyfikowane jako niezależne (idealne) lub zależne (sterowane), to znaczy takie, których wartość zależy od napięcia lub prądu w innym miejscu obwodu, które samo w sobie może być stałe lub zmienne w czasie.
Gdy mamy do czynienia z prawami obwodu i analizą, źródła elektryczne są często postrzegane jako „idealne”, to znaczy źródło jest idealne, ponieważ teoretycznie może dostarczyć nieskończoną ilość energii bez strat, posiadając tym samym charakterystykę reprezentowaną przez linię prostą. Jednakże, w rzeczywistych lub praktycznych źródłach zawsze istnieje opór, albo połączony równolegle dla źródła prądu, albo szeregowo dla źródła napięcia, związany ze źródłem, wpływający na jego wydajność.
Źródło napięcia
Źródło napięcia, takie jak bateria lub generator, dostarcza różnicy potencjałów (napięcia) pomiędzy dwoma punktami w obwodzie elektrycznym, pozwalając na przepływ prądu wokół niego. Pamiętaj, że napięcie może istnieć bez prądu. Bateria jest najbardziej powszechnym źródłem napięcia w obwodzie, a napięcie, które pojawia się na dodatnim i ujemnym biegunie źródła nazywane jest napięciem końcowym.
Idealne źródło napięcia
Idealne źródło napięcia jest definiowane jako element aktywny o dwóch zaciskach, który jest w stanie dostarczyć i utrzymać to samo napięcie, (v) na swoich zaciskach niezależnie od prądu, (i) przepływającego przez niego. Innymi słowy, idealne źródło napięcia dostarcza stałego napięcia przez cały czas, niezależnie od wartości dostarczanego prądu, tworząc charakterystykę I-V reprezentowaną przez linię prostą.
Doskonałe źródło napięcia jest znane jako niezależne źródło napięcia, ponieważ jego napięcie nie zależy ani od wartości prądu przepływającego przez źródło, ani od jego kierunku, ale jest określone wyłącznie przez wartość samego źródła. Tak więc na przykład akumulator samochodowy ma napięcie na zacisku 12V, które pozostaje stałe tak długo, jak długo prąd przez niego płynący nie jest zbyt wysoki, dostarczając energię do samochodu w jednym kierunku i pochłaniając energię w drugim kierunku podczas ładowania.
Z drugiej strony, zależne źródło napięcia lub kontrolowane źródło napięcia, dostarcza napięcie, którego wielkość zależy od napięcia lub prądu płynącego przez inny element obwodu. Zależne źródła napięcia są oznaczone kształtem rombu i są używane jako równoważne źródła elektryczne dla wielu urządzeń elektronicznych, takich jak tranzystory i wzmacniacze operacyjne.
Połączenie źródeł napięcia razem
Idealne źródła napięcia mogą być połączone razem zarówno równolegle jak i szeregowo, tak samo jak dla każdego elementu obwodu. Napięcia szeregowe dodają się do siebie, podczas gdy napięcia równoległe mają tę samą wartość. Zauważ, że nierówne idealne źródła napięcia nie mogą być połączone bezpośrednio równolegle.
Źródło napięcia równolegle
Chociaż nie jest to najlepsza praktyka dla analizy obwodu, idealne źródła napięcia mogą być połączone równolegle pod warunkiem, że mają taką samą wartość napięcia. W tym przykładzie dwa źródła napięcia 10 V są połączone, aby wytworzyć 10 V między zaciskami A i B. Idealnie, byłoby tylko jedno pojedyncze źródło napięcia 10 V podane między zaciskami A i B.
To, co nie jest dozwolone lub nie jest najlepszą praktyką, to łączenie razem idealnych źródeł napięcia, które mają różne wartości napięcia, jak pokazano, lub są zwarte przez zewnętrzną zamkniętą pętlę lub gałąź.
Badly Connected Voltage Sources
Jednakże, kiedy mamy do czynienia z analizą obwodów, źródła napięcia o różnych wartościach mogą być używane pod warunkiem, że pomiędzy nimi znajdują się inne elementy obwodu, aby spełnić wymagania prawa napięciowego Kirchoffa, KVL.
W przeciwieństwie do równolegle połączonych źródeł napięcia, idealne źródła napięcia o różnych wartościach mogą być połączone szeregowo, tworząc jedno źródło napięcia, którego wyjście będzie algebraicznym dodaniem lub odjęciem użytych napięć. Ich połączenie może być jako: szeregowo wspomagające lub szeregowo przeciwstawne napięcia, jak pokazano na rysunku.
Szeregowo wspomagające źródła napięcia
Seryjnie wspomagające źródła napięcia to źródła połączone szeregowo z ich biegunami połączonymi tak, że zacisk plusowy jednego z nich jest połączony z zaciskiem ujemnym następnego umożliwiając przepływ prądu w tym samym kierunku. W powyższym przykładzie, dwa napięcia 10V i 5V z pierwszego obwodu mogą być dodane, dla VS 10 + 5 = 15V. Tak więc napięcie na zaciskach A i B wynosi 15 V.
Seria przeciwstawnych źródeł napięcia to źródła połączone szeregowo, które mają swoje bieguny połączone tak, że zacisk plusowy lub ujemny są połączone razem, jak pokazano w drugim obwodzie powyżej. Rezultatem netto jest to, że napięcia są od siebie odejmowane. Następnie dwa napięcia 10V i 5V z drugiego obwodu są odejmowane, przy czym mniejsze napięcie jest odejmowane od większego. W rezultacie otrzymujemy VS 10 – 5 = 5V.
Polaryzacja na zaciskach A i B jest określona przez większą polaryzację źródeł napięcia, w tym przykładzie zacisk A jest dodatni, a zacisk B jest ujemny, co daje +5 V. Jeśli napięcia szeregowo-równoległe są równe, napięcie netto na zaciskach A i B wyniesie zero, ponieważ jedno napięcie równoważy drugie. Również wszelkie prądy (I) będą równe zeru, ponieważ bez źródła napięcia prąd nie może płynąć.
Przykład źródła napięcia nr 1
Dwa szeregowo wspomagane idealne źródła napięcia o napięciu odpowiednio 6 V i 9 V są połączone razem, aby zasilić obciążenie o oporności 100 Ohm. Obliczyć: napięcie źródła, VS, prąd obciążenia przez opornik, IR oraz całkowitą moc, P rozpraszaną przez opornik. Narysuj obwód.
Więc, VS = 15V, IR = 150mA lub 0.15A, a PR = 2.25W.
Praktyczne źródło napięcia
Widzieliśmy, że idealne źródło napięcia może dostarczyć napięcie, które jest niezależne od prądu przez nie przepływającego, czyli utrzymuje zawsze tę samą wartość napięcia. Ta idea może się sprawdzać w technikach analizy obwodów, ale w prawdziwym świecie źródła napięcia zachowują się nieco inaczej, ponieważ w przypadku praktycznego źródła napięcia, jego napięcie końcowe będzie faktycznie spadać wraz ze wzrostem prądu obciążenia.
Jako że napięcie końcowe idealnego źródła napięcia nie zmienia się wraz ze wzrostem prądu obciążenia, oznacza to, że idealne źródło napięcia ma zerową rezystancję wewnętrzną, RS = 0. Innymi słowy, jest to bezrezystorowe źródło napięcia. W rzeczywistości wszystkie źródła napięcia mają bardzo mały opór wewnętrzny, który zmniejsza ich napięcie końcowe, gdy dostarczają wyższych prądów obciążenia.
W przypadku nieidealnych lub praktycznych źródeł napięcia, takich jak baterie, ich opór wewnętrzny (RS) daje taki sam efekt jak opór połączony szeregowo z idealnym źródłem napięcia, ponieważ te dwa połączone szeregowo elementy przewodzą ten sam prąd, jak pokazano na rysunku.
Idealne i praktyczne źródło napięcia
Możesz zauważyć, że praktyczne źródło napięcia ściśle przypomina obwód równoważny Thevenina, ponieważ twierdzenie Thevenina mówi, że „dowolna sieć liniowa zawierająca rezystancje oraz źródła emf i prądu może być zastąpiona pojedynczym źródłem napięcia, VS w szeregu z pojedynczym oporem, RS”. Zauważ, że jeśli opór źródła szeregowego jest mały, źródło napięcia jest idealne. Gdy opór źródła jest nieskończony, źródło napięcia jest otwarte.
W przypadku wszystkich rzeczywistych lub praktycznych źródeł napięcia, ten opór wewnętrzny, RS, niezależnie od tego jak mały, ma wpływ na charakterystykę I-V źródła, ponieważ napięcie końcowe spada wraz ze wzrostem prądu obciążenia. Dzieje się tak, ponieważ ten sam prąd obciążenia przepływa przez RS.
Prawo Ohma mówi nam, że kiedy prąd, (i) przepływa przez rezystancję, spadek napięcia jest wytwarzany przez tę samą rezystancję. Wartość tego spadku napięcia jest określana jako i*RS. Wtedy VOUT będzie równe idealnemu źródłu napięcia, VS minus spadek napięcia i*RS na rezystorze. Pamiętaj, że w przypadku idealnego źródła napięcia, RS jest równe zeru, ponieważ nie ma oporu wewnętrznego, dlatego napięcie na zacisku jest takie samo jak VS.
Wtedy suma napięcia wokół pętli dana napięciowym prawem Kirchoffa, KVL wynosi: VOUT = VS – i*RS. To równanie może być wykreślone, aby otrzymać charakterystykę I-V rzeczywistego napięcia wyjściowego. Otrzymamy linię prostą o nachyleniu -RS, która przecina pionową oś napięcia w tym samym punkcie co VS, gdy prąd i = 0, jak pokazano na rysunku.
Praktyczna charakterystyka źródła napięcia
Więc wszystkie idealne źródła napięcia będą miały prostą charakterystykę I-V, ale nieidealne lub rzeczywiste praktyczne źródła napięcia nie będą miały, ale zamiast tego będą miały charakterystykę I-V, która jest lekko nachylona w dół o wartość równą i*RS, gdzie RS jest wewnętrzną rezystancją źródła (lub impedancją). Charakterystyka I-V prawdziwej baterii stanowi bardzo bliskie przybliżenie idealnego źródła napięcia, ponieważ rezystancja źródła RS jest zazwyczaj dość mała.
Zmniejszenie kąta nachylenia charakterystyki I-V w miarę wzrostu prądu jest znane jako regulacja. Regulacja napięcia jest ważną miarą jakości praktycznego źródła napięcia, ponieważ mierzy zmianę napięcia na zaciskach pomiędzy brakiem obciążenia, to jest gdy IL = 0, (obwód otwarty) i pełnym obciążeniem, to jest gdy IL jest maksymalne, (zwarcie).
Przykład źródła napięcia nr 2
Zasilanie bateryjne składa się z idealnego źródła napięcia połączonego szeregowo z wewnętrznym rezystorem. Stwierdzono, że napięcie i natężenie prądu zmierzone na zaciskach baterii wynoszą VOUT1 = 130V przy prądzie 10A, oraz VOUT2 = 100V przy prądzie 25A. Oblicz napięcie znamionowe idealnego źródła napięcia oraz wartość jego oporu wewnętrznego. Narysuj charakterystykę I-V.
Po pierwsze zdefiniujmy w prostej „formie równania równoczesnego”, dwa wyjścia napięciowe i prądowe zasilacza bateryjnego dane jako: VOUT1 i VOUT2.
Jako że mamy napięcia i prądy w postaci równania jednoczesnego, aby znaleźć VS najpierw pomnożymy VOUT1 przez pięć, (5) i VOUT2 przez dwa, (2) jak pokazano na rysunku, aby wartość dwóch prądów, (i) była taka sama dla obu równań.
Uczyniwszy współczynniki dla RS takimi samymi poprzez przemnożenie ich przez poprzednie stałe, mnożymy teraz drugie równanie VOUT2 przez minus jeden, (-1), aby umożliwić odejmowanie obu równań, dzięki czemu możemy rozwiązać VS, jak pokazano na rysunku.
Wiedząc, że idealne źródło napięcia, VS jest równe 150 V, możemy użyć tej wartości do równania VOUT1 (lub VOUT2, jeśli chcemy) i rozwiązać, aby znaleźć opór szeregowy, RS.
Wtedy, dla naszego prostego przykładu, wewnętrzne źródło napięcia baterii jest obliczane jako: VS = 150 V, a jego rezystancję wewnętrzną jako: RS = 2Ω. Charakterystyka I-V baterii jest podana jako:
Charakterystyka I-V akumulatora
Zależne źródło napięcia
W przeciwieństwie do idealnego źródła napięcia, które wytwarza stałe napięcie na swoich zaciskach niezależnie od tego, co jest do niego podłączone, kontrolowane lub zależne źródło napięcia zmienia swoje napięcie na zaciskach w zależności od napięcia na nich, lub prądu płynącego przez jakiś inny element podłączony do obwodu, i dlatego czasami trudno jest określić wartość zależnego źródła napięcia, chyba że zna się rzeczywistą wartość napięcia lub prądu, od którego jest ono zależne.
Zależne źródła napięcia zachowują się podobnie jak źródła elektryczne, którym przyglądaliśmy się do tej pory, zarówno praktyczne, jak i idealne (niezależne) różnica tym razem polega na tym, że zależne źródło napięcia może być kontrolowane przez prąd lub napięcie wejściowe. Źródło napięcia, które jest zależne od napięcia wejściowego jest ogólnie określane jako Voltage Controlled Voltage Source lub VCVS. Źródło napięcia, które zależy od wejścia prądowego jest określane jako Current Controlled Voltage Source lub CCVS.
Idealne źródła zależne są powszechnie stosowane w analizie charakterystyki wejścia/wyjścia lub wzmocnienia elementów obwodu, takich jak wzmacniacze operacyjne, tranzystory i układy scalone. Ogólnie rzecz biorąc, idealne źródło zależne od napięcia, sterowane napięciem lub prądem jest oznaczone symbolem w kształcie rombu, jak pokazano.
Symbole zależnych źródeł napięcia
Idealne zależne źródło napięcia sterowane napięciem, VCVS, utrzymuje napięcie wyjściowe równe pewnej stałej mnożenia (w zasadzie współczynnik wzmocnienia) razy napięcie sterujące obecne w innym miejscu obwodu. Ponieważ stała mnożenia jest, cóż, stała, napięcie sterujące, VIN określi wielkość napięcia wyjściowego, VOUT. Innymi słowy, napięcie wyjściowe „zależy” od wartości napięcia wejściowego, co sprawia, że jest to zależne źródło napięcia i na wiele sposobów, idealny transformator może być postrzegany jako urządzenie VCVS, gdzie współczynnik wzmocnienia jest jego współczynnikiem skręcenia.
Wtedy napięcie wyjściowe VCVS jest określone przez następujące równanie: VOUT = μVIN. Zwróć uwagę, że stała mnożenia μ jest bezwymiarowa, ponieważ jest to wyłącznie współczynnik skalowania, ponieważ μ = VOUT/VIN, więc jej jednostkami będą wolty/volty.
Idealne zależne źródło napięcia sterowane prądem, CCVS, utrzymuje napięcie wyjściowe równe pewnej stałej mnożenia (rho) razy sterujący prąd wejściowy generowany w innym miejscu podłączonego obwodu. Wtedy napięcie wyjściowe „zależy” od wartości prądu wejściowego, ponownie czyniąc je zależnym źródłem napięcia.
Jako prąd sterujący, IIN określa wielkość napięcia wyjściowego, VOUT razy stała mnożenia ρ (rho), to pozwala nam modelować źródło napięcia sterowane prądem jako wzmacniacz trans-oporowy, jako że stała mnożenia, ρ daje nam następujące równanie: VOUT = ρIIN. Ta stała mnożenia ρ (rho) ma jednostki Ohma, ponieważ ρ = VOUT/IIN, a jej jednostkami będą wolty/ampery.
Podsumowanie źródła napięcia
Widzieliśmy tutaj, że źródło napięcia może być albo idealnym niezależnym źródłem napięcia, albo kontrolowanym zależnym źródłem napięcia. Niezależne źródła napięcia dostarczają stałego napięcia, które nie zależy od żadnej innej wielkości w obwodzie. Idealnymi niezależnymi źródłami mogą być baterie, generatory prądu stałego lub zmienne w czasie źródła napięcia zmiennego z alternatorów.
Niezależne źródła napięcia mogą być modelowane jako idealne źródło napięcia (RS = 0), gdzie wyjście jest stałe dla wszystkich prądów obciążenia, lub nieidealne lub praktyczne, takie jak bateria z rezystancją połączoną szeregowo z obwodem, aby reprezentować wewnętrzną rezystancję źródła. Idealne źródła napięcia mogą być połączone równolegle tylko wtedy, gdy mają tę samą wartość napięcia. Połączenia szeregowe wspomagające lub szeregowe przeciwstawne będą miały wpływ na wartość wyjściową.
Przy rozwiązywaniu analizy obwodów i złożonych twierdzeń, źródła napięcia stają się źródłami zwartymi, czyniąc ich napięcie równym zeru, aby pomóc w rozwiązaniu sieci. Należy również pamiętać, że źródła napięcia są zdolne zarówno do dostarczania jak i pochłaniania mocy.
Idealnie zależne źródła napięcia reprezentowane przez symbol w kształcie rombu, są zależne i są proporcjonalne do zewnętrznego kontrolującego napięcia lub prądu. Stała mnożenia, μ dla VCVS nie ma jednostek, podczas gdy stała mnożenia ρ dla CCVS ma jednostki Ohma. Zależne źródło napięcia jest bardzo interesujące do modelowania urządzeń elektronicznych lub urządzeń aktywnych, takich jak wzmacniacze operacyjne i tranzystory, które mają wzmocnienie.