Elektros šaltiniai suteikia energiją, kurios reikia grandinėms. Kai kurie palaiko pastovią įtampą, o kiti - pastovią. Tikrieji šaltiniai keičiasi, kai keičiasi apkrova, temperatūra ar vidinis pasipriešinimas. Šie efektai lemia išvesties stabilumą. Šiame straipsnyje pateikiama aiški ir išsami informacija apie šaltinio elgseną, vidinį pasipriešinimą, modelius, testavimą ir bendrąsias ribas.
Elektros šaltinisview
Elektros šaltinis yra grandinės dalis, tiekianti energiją, reikalingą viskam veikti. Jis gali tiekti pastovią įtampą arba pastovią srovę. Žinodami, kurį iš jų jis duoda, galite suprasti, kaip veiks visa grandinė, kai bus sujungtos skirtingos dalys.
Įtampos šaltinis palaiko įtampą tame pačiame lygyje, o srovės šaltinis palaiko tą patį srovę. Šios idėjos yra paprastos, tačiau jos formuoja kiekvienos grandinės veikimą. Tikri elektros šaltiniai negali visą laiką išlikti tobuli. Jų galia gali pasikeisti, kai apkrova tampa sunkesnė ar lengvesnė, ir tai turi įtakos grandinės stabilumui.
Nors įtampos ir srovės šaltiniai siekia išlaikyti pastovias vertes, kiekvienas iš jų turi ribas, atsižvelgiant į tai, kaip jis pastatytas. Pasikeitus apkrovai, šaltinis gali nebeišlaikyti tikslios įtampos ar srovės.
Turėdami pagrindinę idealios įtampos ir srovės šaltinių idėją, dabar galime pažvelgti į tai, kuo skiriasi tikrieji šaltiniai, įvesdami vidinę varžą į savo modelius.
Vidinė varža realiuose įtampos ir srovės šaltiniuose
Tikri elektros šaltiniai elgiasi ne taip pat, kaip geriausi, nes juose yra vidinė varža. Šis paslėptas pasipriešinimas turi įtakos įtampos ar srovės tiekimui, kurį šaltinis gali tiekti, kai prijungiama apkrova. Dėl to realaus šaltinio išvestis keičiasi priklausomai nuo apkrovos stiprumo.
Įtampos šaltinis paprastai turi mažą varžą nuosekliai, todėl įtampa sumažėja, kai iš jo ištraukiama daugiau srovės. Srovės šaltinis lygiagrečiai turi didelę varžą, todėl srovė pasislenka, kai keičiasi apkrovos varža. Šios vidinės dalys lemia galios stabilumą realiomis sąlygomis.
| Modelio tipas | Geriausias elgesys | Praktinė forma | Pagrindinis apribojimas |
|---|---|---|---|
| Įtampos šaltinis | Įtampa išlieka pastovi | Šaltinis su serija Rs | Įtampa krinta, kai apkrova sunaudoja daugiau srovės |
| Dabartinis šaltinis | Srovė išlieka pastovi | Šaltinis su lygiagrečiu Rp | Srovės pokyčiai, kai keičiasi apkrovos varža |
Apkrovos elgesys įtampos ir srovės šaltiniuose
Įtampos šaltinis
• Atvira grandinė: yra įtampa; srovė yra beveik lygi nuliui
• Trumpasis jungimas: srovė tampa labai didelė ir priklauso nuo vidinės varžos
Dabartinis šaltinis
• Atvira grandinė: įtampa didėja, nes srovė neturi kelio
• Trumpasis jungimas: srovė išlieka arti nustatytos vertės; įtampa tampa labai žema
Norėdami supaprastinti šaltinių ir apkrovų sąveikos analizę, galime konvertuoti bet kurį realų šaltinį į lygiavertę formą, o tai veda mus prie Thévenin-Norton šaltinio ekvivalentiškumo kitame skyriuje.
Thévenin-Norton šaltinio ekvivalentiškumas
"Thévenin" ir "Norton" modeliai pateikia du derinimo būdus, kaip pavaizduoti tą patį elektros šaltinį ir jo vidinę varžą. Vienas naudoja įtampos šaltinį su nuoseklia varža, o kitas - lygiagrečios varžos srovės šaltinį. Abu apibūdina tą patį elgesį išvesties gnybtuose, todėl tikrasis grandinės veikimas nesikeičia. Tai tiesiog dvi to paties šaltinio formos.
Formulės
• Srovės forma iš įtampos formos:
IN=VTH/RTH
• Įtampos forma iš srovės formos:
VTH=IN×RN
• Pasipriešinimo ryšys:
RN=RTH
Įtampos ir srovės elgesys priklausomuose šaltiniuose
Ttage valdomas ttage šaltinis (VCVS)
VCVS veikia kaip įtampos šaltinis, kurio išėjimo lygis priklauso nuo kitos įtampos. Tai atspindi, kaip realūs įtampos šaltiniai gali reguliuoti išvestį grįžtamuoju ryšiu valdomose grandinėse.
Srovės valdomas ttage šaltinis (CCVS)
CCVS sukuria įtampą, pagrįstą jaučiama srove. Tai suderina jį su grandinėmis, kuriose įtampos išėjimą formuoja apkrovos srovės elgesys, pavyzdžiui, tikri įtampos šaltiniai su nuo srovės priklausomu reguliavimu.
Įtampos valdomas srovės šaltinis (VCCS)
VCCS veikia kaip srovės šaltinis, valdomas išorinės įtampos. Tai atspindi, kaip srovės šaltiniai reaguoja, kai valdymo įtampa nustato pastovią srovę.
Srovės valdomas srovės šaltinis (CCCS)
CCCS atspindi stabilų srovės šaltinį, bet keičia jo išėjimą pagal kitą grandinės srovę. Šis modelis paaiškina, kaip daugiapakopės srovės tvarkyklės palaiko subalansuotą srovės lygį.
Kintamosios ir nuolatinės srovės įtampos ir srovės šaltiniai
| Funkcija | Nuolatinės srovės įtampos šaltinis | Nuolatinės srovės šaltinis | Kintamosios srovės įtampos šaltinis | Kintamosios srovės šaltinis |
|---|---|---|---|---|
| Rezultatas Pobūdis | Fiksuota įtampa | Fiksuota srovė | Įtampa kinta priklausomai nuo bangos formos | Srovė kinta priklausomai nuo bangos formos |
| Apribojimas | Įtampos kritimas nuo Rs | Dabartinis poslinkis nuo Rp | Paveiktas reaktyvumo | Veikia varžos dydis |
| Apkrovos sąveika | Įtampa yra stabili iki didelės srovės | Srovė yra stabili iki aukštos įtampos | Turi valdyti fazę / varžą | Turi išlaikyti srovę, nepaisant fazės |
| Galios elgsena | Pastovus laikui bėgant | Pastovus laikui bėgant | Skiriasi priklausomai nuo ciklo | Skiriasi priklausomai nuo ciklo |
Turėdami omenyje nuolatinės ir kintamosios srovės elgseną, dabar galime sutelkti dėmesį į tai, kas galiausiai rūpi daugumai žmonių: kiek energijos šaltinis gali tiekti apkrovai ir kaip efektyviai tai daro.
Įtampa ir srovė: galios tiekimo ir efektyvumo palyginimas
| Apžvalgos aikštelė | Įtampos šaltinis | Dabartinis šaltinis |
|---|---|---|
| Maksimali galios sąlyga | ( R~load~ = R~s~ ) | ( R~load~ = R~p~ ) |
| Kur atsiranda nuostolių | Serijiniu pasipriešinimu pagaminta šiluma (R~s~) | Lygiagrečios varžos šiluma (Rp ~) |
| Tipinis apkrovos santykis | Apkrova yra didesnė nei (R~s~), todėl padidėja efektyvumas | Apkrova paprastai yra mažesnė nei (R~p~), todėl srovė išlieka stabili |
| Išvesties elgsena | Įtampa išlieka artima nustatytai vertei, kol apkrova tampa per didelė | Srovė išlieka artima nustatytai vertei, kol apkrova tampa per lengva |
| Efektyvumo tendencija | Didesnis, kai apkrova yra daug didesnė nei vidinė serijinė varža | Didesnis, kai apkrova yra daug mažesnė nei vidinė lygiagreti varža |
| Galios srauto modelis | Galia priklauso nuo to, kiek srovės sunaudoja apkrova | Galia priklauso nuo to, kiek įtampos reikia apkrovai |
Praktiniai prietaisai, modeliuojami kaip įtampos ar srovės šaltiniai
Realūs komponentai gali būti įvertinti suderinus jų elgesį su įtampos šaltinio arba srovės šaltinio modeliais. Tai padeda nuspėti, kaip jie reaguoja į skirtingas apkrovas ir kiek jie atitinka idealias šaltinio charakteristikas.
| Įrenginys | Geriausias modelis | Kodėl jis tinka | Apribojimas |
|---|---|---|---|
| Baterija | Įtampos šaltinis su (R~S~) | Įtampa išlieka pastovi | Vidinis pasipriešinimas laikui bėgant didėja |
| Nuolatinės srovės maitinimo šaltinis | Reguliuojamas įtampos šaltinis | Palaiko pastovią įtampą | Ribotas srovės išėjimas |
| Saulės elementas | Dabartinis šaltinis | Srovė priklauso nuo saulės šviesos | Įtampos kritimas esant didelei apkrovai |
| LED tvarkyklė | Dabartinis šaltinis | Palaiko stabilią LED srovę | Turi maksimalų įtampos diapazoną |
Kai suprasime, kaip realūs komponentai susiejami su įtampos šaltinio ir srovės šaltinio modeliais, kitas žingsnis yra išbandyti šiuos įrenginius ir palyginti jų elgesį su idealiais modeliais laboratorijoje.
Įtampos ir srovės šaltinių testavimas ir palyginimas
• Išmatuokite atviros grandinės įtampą, kad pamatytumėte tikrąją šaltinio neapkrautą išvestį.
• Tikrinkite trumpojo jungimo srovę tik įrankiais, skirtais saugiai valdyti didelę srovę.
• Nustatykite vidinę varžą lygindami rodmenis su dviem skirtingomis apkrovos vertėmis.
• Prieš įrašydami rezultatus, leiskite matavimams nusistovėti, kad šaltinis ir matuoklis stabilizuotųsi.
Įtampos ir srovės šaltinių reguliavimas ir apsauga
Reglamentas
Įtampos šaltiniai naudoja grįžtamąjį ryšį, kad sumažintų įtampos kritimą esant apkrovai. Srovės šaltiniai reguliuoja išėjimą, kad srovė išliktų stabili net ir kylant įtampai.
Apsauga
Įtampos šaltiniams reikalinga apsauga nuo trumpojo jungimo, kad būtų apribota per didelė srovė. Srovės šaltiniams reikalinga atviros grandinės apsauga, kad būtų išvengta pavojingai aukštos įtampos kaupimosi.
Dažnos klaidingos nuomonės apie įtampą ir srovės šaltinius
• Idealių versijų nėra dėl vidinio pasipriešinimo.
• Aukštesnė įtampa ar didesnė srovė nereiškia geresnio našumo.
• Atviri srovės šaltiniai gali sukurti pavojingai aukštą įtampą.
• Thévenin ir Norton modeliai nekeičia tikrojo elgesio.
Išsklaidę šias klaidingas nuomones, galime priimti praktinius dizaino sprendimus, todėl kitame skyriuje daugiausia dėmesio skiriama tam, kaip pasirinkti įtampos ir srovės šaltinius konkrečioms reikmėms.
Pasirinkimas tarp įtampos ir srovės šaltinių
• Tinkamo modelio pasirinkimas padeda numatyti, kaip šaltinis elgiasi prijungus apkrovą, kai vidinė varža turi įtakos įtampai arba srovės išėjimui.
• Pirmiausia nuspręskite, ar prietaisas turėtų veikti daugiausia kaip įtampos šaltinis, ar kaip srovės šaltinis, priklausomai nuo to, ar svarbiau pastovi įtampa, ar pastovi srovė.
• Išmatuokite arba įvertinkite vidinę varžą arba varžą, nes ši vertė nustato įtampos kritimo, srovės pokyčio ir bendros galios valdymo ribas.
• Apsvarstykite, kaip temperatūra veikia vidinį pasipriešinimą, nes šiluma gali pakeisti galios lygį ir sumažinti stabilumą.
• Įtraukite kintamosios srovės veikimą, kai šaltinis veikia skirtingais dažniais, nes varža keičiasi priklausomai nuo dažnio ir gali pakeisti išvestį.
• Pridėkite apsaugą nuo trumpojo jungimo, didelių srovių ar aukštos įtampos, kad šaltinis neviršytų saugių veikimo ribų.
• Prireikus paruoškite "Thévenin" ir "Norton" formas, kad supaprastintumėte analizę, palygintumėte elgseną arba atitiktumėte skaičiavimui reikalingą formą.
Išvada
Įtampos ir srovės šaltiniai niekada neišlieka tobuli, nes vidinė varža, apkrovos pokyčiai, šiluma ir senėjimas turi įtakos jų išėjimui. Žinant, kaip jie veikia atviro ir trumpojo jungimo metu, kaip sutampa Thévenin ir Norton formos ir kuo skiriasi kintamosios ir nuolatinės srovės šaltiniai, šaltinio elgsena tampa lengviau suprantama. Šie punktai padeda paaiškinti realias ribas ir tinkamą energijos srautą.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kaip temperatūra veikia šaltinio stabilumą?
Aukštesnė temperatūra keičia vidinę varžą, todėl įtampa arba srovė dreifuoja ir tampa mažiau pastovi.
Kodėl kai kurie šaltiniai sukelia elektros triukšmą?
Triukšmas kyla iš vidinių dalių, kurios nėra visiškai stabilios, ir tai šiek tiek trikdo šaltinio išvestį.
Kodėl šaltinis negali akimirksniu reaguoti į įkėlimo pokyčius?
Kiekvienas šaltinis turi įmontuotą atsako greitį, todėl įtampa ar srovė gali trumpam pakilti arba nukristi prieš nusistovint.
Kaip senėjimas keičia šaltinio veikimą?
Vidinis pasipriešinimas laikui bėgant didėja, todėl sumažėja išvesties stabilumas ir šaltinis tampa mažiau tikslus.
Kodėl matavimo įrankiai kartais rodo skirtingus rodmenis?
Kiekvienas skaitiklis turi savo vidinę varžą, kuri turi įtakos šaltinio matomai apkrovai ir keičia rodmenis.
Kas atsitinka, kai apkrova keičiasi labai greitai?
Greiti apkrovos pokyčiai gali sukelti trumpus kritimus, šuolius ar svyravimus, nes šaltiniui reikia laiko prisitaikyti.