Električni izvori daju energiju koja kola treba. Neki održavaju napon stabilan, dok drugi održavaju struju stabilan. Stvarni izvori se menjaju kada se pomera opterećenje, temperatura ili unutrašnji otpor. Ovi efekti oblikuju koliko stabilan izlaz ostaje. Ovaj članak daje jasne, detaljne informacije o ponašanju izvora, unutrašnjem otporu, modelima, testiranju i zajedničkim granicama.
Pregled električnog izvora
Električni izvor je deo kola koji obezbeđuje energiju potrebnu za sve da radi. Može da snabdeva ili stabilan napon ili stalnu struju. Znajući koji daje pomaže vam da shvatite kako će se ceo krug ponašati kada su različiti delovi povezani.
Izvor napona održava napon na istom nivou, dok izvor struje održava struju u istom iznosu. Ove ideje su jednostavne, ali oblikuju kako svaki krug funkcioniše. Pravi električni izvori ne mogu ostati savršeni sve vreme. Njihov izlaz može da se promeni kada opterećenje postane teže ili lakše, a to utiče na to koliko stabilan kolo ostaje.
Iako napon i izvori struje imaju za cilj da održe svoje vrednosti stabilnim, svaki od njih ima ograničenja na osnovu toga kako je izgrađen. Kada se opterećenje promeni, izvor možda više neće zadržati tačan napon ili struju.
Sa osnovnom idejom idealnih izvora napona i struje, sada možemo pogledati kako se stvarni izvori razlikuju uvođenjem unutrašnjeg otpora u naše modele.
Unutrašnji otpor u stvarnim izvorima napona i struje
Pravi električni izvori se ne ponašaju baš kao najbolji, jer uključuju unutrašnji otpor. Ovaj skriveni otpor utiče na to koliko napona ili struje izvor može da isporuči kada je opterećenje povezano. Kao rezultat toga, izlaz stvarnog izvora se menja u zavisnosti od snage opterećenja.
Izvor napona obično ima mali otpor u seriji, što uzrokuje pad napona kada se iz njega izvuče više struje. Izvor struje ima veliki otpor paralelno, što čini trenutni pomak kada se otpor opterećenja menja. Ovi unutrašnji delovi oblikuju koliko će stabilan izlaz biti u stvarnim uslovima.
| Tip modela | Najbolje ponašanje | Praktična forma | Glavno ograničenje |
|---|---|---|---|
| Izvor napona | Napon ostaje konstantan | Izvor sa serijom Rs | Napon pada kada opterećenje crpi više struje |
| Trenutni izvor | Trenutna ostaje konstantna | Izvor sa paralelnim Rp | Trenutne promene kada se otpor opterećenja promeni |
Ponašanje opterećenja u izvorima napona i struje
Izvor napona
• Otvoreno kolo: Napon je prisutan; struja je skoro nula
• Kratki spoj: Struja postaje veoma visoka i zavisi od unutrašnjeg otpora
Trenutni izvor
• Otvoreno kolo: Napon se povećava jer struja nema put
• Kratki spoj: Struja ostaje blizu podešene vrednosti; napon postaje veoma nizak
Da bismo pojednostavili analizu načina na koji izvori i opterećenja međusobno djeluju, možemo pretvoriti bilo koji stvarni izvor u ekvivalentnu formu, što nas dovodi do ekvivalentnosti izvora Thévenin-Norton u sledećem odeljku.
Thévenin–Norton Source Equivalence
Thévenin i Norton modeli daju dva odgovarajuća načina da predstave isti izvor električne energije i njegov unutrašnji otpor. Jedan koristi izvor napona sa serijskim otporom, a drugi koristi izvor struje sa paralelnim otporom. Oba opisuju isto ponašanje na izlaznim terminalima, tako da se stvarni rad kola ne menja. Oni su jednostavno dva oblika istog izvora.
Formule
• Strujni oblik iz naponskog oblika:
IN=VTH / RTH
• Oblik napona iz trenutnog oblika:
VTH = IN×RN
• Odnos otpora:
RN = RTH
Ponašanje napona i struje u zavisnim izvorima
Naponski kontrolisani izvor napona (VCVS)
VCVS se ponaša kao izvor napona čiji izlazni nivo zavisi od drugog napona. To odražava kako stvarni izvori napona mogu podesiti izlaz u povratnim kontrolisanim krugovima.
Strujno kontrolisani izvor napona (CCVS)
CCVS proizvodi napon zasnovan na senzorskoj struji. Ovo ga usklađuje sa kolima u kojima je izlazni napon oblikovan ponašanjem struje opterećenja, kao što su stvarni izvori napona sa regulacijom zavisnom od struje.
Naponski kontrolisani izvor struje (VCCS)
VCCS se ponaša kao izvor struje kojim upravlja spoljni napon. To odražava kako izvori struje reaguju kada kontrolni napon postavlja konstantnu struju.
KSNUMKS Strujno kontrolisani izvor struje (CCCS)
CCCS odražava stabilan izvor struje, ali skalira svoj izlaz na osnovu druge struje u krugu. Ovaj model objašnjava kako višestepeni trenutni vozači održavaju uravnotežene nivoe struje.
Izvori napona i struje naizmenične i jednosmerne struje
| Odlika | Izvor jednosmernog napona | Izvor DC struje | Izvor napona naizmenične struje | AC strujni izvor |
|---|---|---|---|---|
| Izlaz Priroda | Fiksni napon | Fiksna struja | Napon varira u zavisnosti od talasnog oblika | Struja varira u zavisnosti od talasnog oblika |
| Ograničenje | Napon pada od Rs | Trenutna promena od Rp | Pod uticajem reaktancije | Pogođen magnitudom impedanse |
| Interakcija opterećenja | Napon je stabilan do visoke struje | Struja je stabilna do visokog napona | Mora da se nosi sa fazom / impedansom | Mora održavati struju uprkos fazi |
| Ponašanje moći | Konstanta tokom vremena | Konstanta tokom vremena | Varira po ciklusu | Varira po ciklusu |
Imajući u vidu ponašanje DC i AC, sada se možemo fokusirati na ono što većina ljudi na kraju brine: koliko energije izvor može da isporuči opterećenju i koliko efikasno to čini.
Napon u odnosu na struju: Poređenje napajanja i efikasnosti
| Gledište | Izvor napona | Trenutni izvor |
|---|---|---|
| Maksimalno stanje snage | ( R~load~ = R~s~ ) | ( R~load~ = R~p~ ) |
| Gde se javlja gubitak | Toplota proizvedena u serijskom otporu (R ~ s ~) | Toplota proizvedena u paralelnom otporu (Rp ~) |
| Tipičan odnos opterećenja | Opterećenje je veće od (R~s~), poboljšavajući efikasnost | Opterećenje je obično manje od (R~p~), održavajući trenutnu stabilnu |
| Izlazno ponašanje | Napon ostaje blizu svoje podešene vrednosti dok opterećenje ne postane preteško | Struja ostaje blizu svoje podešene vrednosti dok opterećenje ne postane previše lagano |
| Trend efikasnosti | Veći kada je opterećenje mnogo veće od unutrašnjeg otpora serije | Veći kada je opterećenje mnogo manje od unutrašnjeg paralelnog otpora |
| Protok snage obrazac | Snaga zavisi od toga koliko struje opterećenje troši | Snaga zavisi od toga koliko napona opterećenje zahteva |
Praktični uređaji po uzoru na izvore napona ili struje
Stvarne komponente mogu se proceniti usklađivanjem njihovog ponašanja sa modelima izvora napona ili struje. Ovo pomaže da se predvidi kako reaguju na različita opterećenja i koliko blisko odgovaraju idealnim karakteristikama izvora.
| Uređaj | Najbolji model | Zašto se uklapa | Ograničenje |
|---|---|---|---|
| Baterija | Izvor napona sa ( R ~ S ~) | Napon ostaje stabilan | Unutrašnji otpor se vremenom povećava |
| DC napajanje | Regulisani izvor napona | Održava napon konstantan | Ograničena struja izlaz |
| Solarna ćelija | Trenutni izvor | Struja zavisi od sunčeve svetlosti | Napon pada pod velikim opterećenjem |
| LED vozač | Trenutni izvor | Održava LED struju stabilnom | Ima maksimalni opseg napona |
Jednom kada shvatimo kako se stvarne komponente mapiraju na modele izvora napona i struje, sledeći korak je testiranje ovih uređaja i upoređivanje njihovog ponašanja u odnosu na idealne modele u laboratoriji.
Testiranje i upoređivanje napona u odnosu na izvore struje
• Izmerite napon otvorenog kola da biste videli pravi neopterećeni izlaz izvora.
• Proverite struju kratkog spoja samo sa alatima dizajniranim za bezbedno rukovanje visokom strujom.
• Odredite unutrašnji otpor upoređivanjem očitavanja sa dve različite vrednosti opterećenja.
• Pustite da se merenja slegnu tako da se izvor i merač stabilizuju pre snimanja rezultata.
Regulacija i zaštita u izvorima napona i struje
Uredba
Izvori napona koriste povratne informacije kako bi smanjili pad napona pod opterećenjem. Izvori struje regulišu izlaz kako bi struja stabilna čak i kada napon raste.
Zaštita
Izvori napona treba zaštitu od kratkog spoja kako bi se ograničila prekomerna struja. Izvori struje treba zaštitu otvorenog kola kako bi se sprečilo opasno visok napon nagomilavanje.
Uobičajene zablude o naponu u odnosu na izvore struje
• Idealne verzije ne postoje zbog unutrašnjeg otpora.
• Veći napon ili veća struja sama po sebi ne znači bolje performanse.
• Otvoreni izvori struje mogu stvoriti opasno visok napon.
• Tevenin i Norton modeli ne menjaju stvarno ponašanje.
Razjašnjavanje ovih zabluda stavlja nas u dobru poziciju da napravimo praktične izbore dizajna, zbog čega se sledeći odeljak fokusira na to kako odabrati između izvora napona i struje za određene aplikacije.
Izbor između napona i strujnih izvora
• Odabir pravog modela pomaže da se predvidi kako se izvor ponaša kada je opterećenje spojeno, kada unutrašnji otpor utiče na napon ili strujni izlaz.
• Prvo odlučite da li uređaj treba da deluje uglavnom kao izvor napona ili izvor struje, u zavisnosti od toga da li je stabilan napon ili stabilna struja važnija.
• Izmerite ili procenite unutrašnji otpor ili impedansu, jer ova vrednost postavlja granice pada napona, promene struje i ukupnog rukovanja snagom.
• Razmotrite kako temperatura utiče na unutrašnji otpor jer toplota može da pomeri izlazne nivoe i smanji stabilnost.
• Uključite AC ponašanje kada izvor radi na različitim frekvencijama, jer se impedansa menja sa frekvencijom i može da promeni izlaz.
• Dodajte zaštitu od kratkih spojeva, visokih struja ili visokih napona kako biste zadržali izvor u sigurnim radnim granicama.
• Pripremite i Thévenin i Norton obrasce kada je to potrebno da pojednostavite analizu, uporedite ponašanja ili uporedite obrazac potreban za izračunavanje.
Zaključak
Napon i izvori struje nikada ne ostaju savršeni, jer unutrašnji otpor, promene opterećenja, toplota, i starenje svi utiču na njihov izlaz. Znajući kako se ponašaju tokom otvorenih i kratkih spojeva, kako se Thévenin i Norton oblici poklapaju, i kako se AC i DC izvori razlikuju, čini ponašanje izvora lakšim za razumevanje. Ove tačke pomažu da se objasne stvarne granice i pravilan protok snage.
Često postavljana pitanja [FAK]
Kako temperatura utiče na stabilnost izvora?
Viša temperatura menja unutrašnji otpor, uzrokujući napon ili struju da se kreće i postane manje stabilan.
Zašto neki izvori stvaraju električnu buku?
Buka dolazi iz unutrašnjih delova koji nisu savršeno stabilni, i malo remeti izlaz izvora.
Zašto izvor ne može odmah da odgovori na promene učitavanja?
Svaki izvor ima ugrađenu brzinu odziva, tako da napon ili struja mogu trenutno porasti ili pasti pre nego što se slegnu.
Kako starenje menja performanse izvora?
Unutrašnji otpor se vremenom povećava, smanjujući stabilnost izlaza i čineći izvor manje precizan.
Zašto merni alati ponekad pokazuju različita očitavanja?
Svaki merač ima svoj unutrašnji otpor, koji utiče na opterećenje koje vidi izvor i menja očitavanje.
Šta se dešava kada se opterećenje menja veoma brzo?
Brze promene opterećenja mogu izazvati kratke padove, šiljke ili oscilacije jer je izvoru potrebno vreme da se prilagodi.