O sursă de tensiune este un dispozitiv care generează o tensiune de ieșire care, în teorie, nu se schimbă indiferent de curentul de sarcină.

Am văzut că există două tipuri de elemente în cadrul unui circuit electric sau electronic: elemente pasive și elemente active. Un element activ este cel care este capabil să furnizeze în mod continuu energie unui circuit, cum ar fi o baterie, un generator, un amplificator operațional etc. Un element pasiv, pe de altă parte, sunt elementele fizice, cum ar fi rezistențe, condensatoare, inductori etc., care nu pot genera energie electrică singuri, ci doar o pot consuma.

Tipurile de elemente de circuit active care sunt cele mai importante pentru noi sunt cele care furnizează energie electrică circuitelor sau rețelei conectate la ele. Acestea se numesc "surse electrice", cele două tipuri de surse electrice fiind sursa de tensiune și sursa de curent. Sursa de curent este, de obicei, mai puțin obișnuită în circuite decât sursa de tensiune, dar ambele sunt utilizate și pot fi considerate ca fiind complementare una alteia.

O sursă electrică sau pur și simplu "o sursă" este un dispozitiv care furnizează energie electrică unui circuit sub forma unei surse de tensiune sau a unei surse de curent. Ambele tipuri de surse electrice pot fi clasificate ca surse directe (DC) sau alternative (AC) în care o tensiune constantă este denumită tensiune DC iar una care variază sinusoidal cu timpul se numește tensiune AC. De exemplu, bateriile sunt surse DC, iar priza de 230 V sau priza de alimentare din locuința dvs. este o sursă AC.

Am spus mai devreme că sursele electrice furnizează energie, dar una dintre caracteristicile interesante ale unei surse electrice este că acestea sunt capabile să transforme energia neelectrică în energie electrică și invers. De exemplu, o baterie transformă energia chimică în energie electrică, în timp ce o mașină electrică, cum ar fi un generator DC sau un alternator AC, transformă energia mecanică în energie electrică.

Tehnologiile regenerabile pot converti energia de la soare, vânt și unde în energie electrică sau termică. Dar, pe lângă convertirea energiei de la o sursă la alta, sursele electrice pot furniza sau absorbi energie permițând acesteia să circule în ambele direcții.

O altă caracteristică importantă a unei surse electrice și una care definește funcționarea acesteia este caracteristica ei I-V. Caracteristica I-V a unei surse electrice poate să ne ofere o foarte frumoasă descriere pictorială a sursei, fie ca o sursă de tensiune, fie ca o sursă de curent, așa cum este arătată.

Surse electrice

Sursele electrice, atât ca sursă de tensiune, cât și ca sursă de curent, pot fi clasificate fie ca fiind independente (ideale) sau dependente (controlate), adică ale căror valori depind de o tensiune sau curent în altă parte a circuitului, care poate fi ea însăși constantă sau variabilă în timp.

Când ai de a face cu legile și analiza circuitelor, sursele electrice sunt deseori privite ca fiind "ideale", adică sursa este ideală deoarece ar putea furniza teoretic o cantitate infinită de energie fără pierdere, având astfel caracteristici reprezentate de o linie dreaptă. Totuși, în surse reale sau practice există întotdeauna o rezistență conectată în paralel pentru o sursă de curent, sau serie pentru o sursă de tensiune asociate sursei care afectează ieșirea acesteia.

Sursa de tensiune

O sursă de tensiune, cum ar fi o baterie sau un generator, asigură o diferență de potențial (tensiune) între două puncte dintr-un circuit electric, care permite curentului să circule prin el. Amintiți-vă că tensiunea poate exista fără curent. O baterie este cea mai obișnuită sursă de tensiune pentru un circuit cu tensiunea care apare pe bornele pozitive și negative ale sursei, numită tensiunea terminalelor.

Sursă de tensiune ideală

O sursă de tensiune ideală este definită ca un element activ cu două terminale care este capabil să furnizeze și să mențină aceeași tensiune, (v) la terminalele sale, indiferent de curentul (i) care trece prin el. Cu alte cuvinte, o sursă de tensiune ideală va furniza o tensiune constantă în orice moment, indiferent de valoarea curentului furnizat, producând o caracteristică I-V reprezentată de o linie dreaptă.

Pe de altă parte, o Sursă de tensiune dependentă sau o sursă de tensiune controlată furnizează o sursă de tensiune a cărei magnitudine depinde fie de tensiunea, fie de curentul care trece prin alt element de circuit. O sursă de tensiune dependentă este indicată cu o formă de diamant și este utilizată ca sursă electrică echivalentă pentru multe dispozitive electronice, cum ar fi tranzistoarele și amplificatoarele operaționale.

Conectarea surselor de tensiune împreună

Surse de tensiune ideale pot fi conectate împreună atât în ​​paralel, cât și în serie, la fel ca și pentru orice element de circuit. Tensiunile serie se adună împreună, în timp ce tensiunile paralele au aceeași valoare. Rețineți că sursele inegale de tensiune ideale nu pot fi conectate împreună, direct în paralel.

Surse de tensiune în paralel

În timp ce nu este cea mai bună practică pentru analiza circuitului, sursele de tensiune ideale pot fi conectate în paralel cu condiția ca acestea să aibă aceeași valoare de tensiune. Aici, în acest exemplu, două surse de tensiune de 10 volți sunt combinate pentru a produce 10 volți între bornele A și B. În mod ideal, ar exista o singură sursă de tensiune de 10 volți dată între bornele A și B.

Ceea ce nu este permis sau nu este cea mai bună practică este conectarea împreună a surselor de tensiune ideale care au valori de tensiune diferite așa cum se arată, sau sunt scurtcircuitate de o buclă sau ramură închisă externă.

Conexiuni de tensiuni necorespunzătoare

Dar, atunci când se ocupă cu analiza circuitului, pot fi utilizate surse de tensiune de diferite valori, cu condiția să existe alte elemente de circuit între ele pentru a se conforma cu Legea de tensiune a lui Kirchoff, KVL.

Spre deosebire de sursele de tensiune conectate paralel, sursele de tensiune ideale de diferite valori pot fi conectate în serie pentru a forma o singură sursă de tensiune a cărei ieșire va fi adunarea sau scăderea algebrică a tensiunilor utilizate. Conexiunea lor poate fi: tensiuni serie-adunate sau tensiuni serie-opuse:

Surse de tensiune în serie

Sursele de tensiune serie adunate sunt surse conectate în serie cu polaritățile lor conectate astfel încât terminalul plus al uneia este conectat la borna negativă a următoarei care permite curentului să curgă în aceeași direcție. In exemplul de mai sus, pot fi adunate cele două tensiuni de 10 V și 5 V ale primului circuit, pentru o VS de 10 + 5 = 15 V. Deci, tensiunea la bornele A și B este de 15 volți.

Sursele de tensiune serie opuse sunt surse conectate în serie care au polaritățile lor conectate astfel încât bornele plus sau bornele negative sunt conectate împreună, așa cum se arată în cel de-al doilea circuit de mai sus. Rezultatul net este că tensiunile sunt scăzute una din alta. Atunci, cele două tensiuni de 10V și 5V ale celui de-al doilea circuit sunt scăzute cu tensiunea mai mică scăzută din tensiunea mai mare. Rezultă VS de 10-5 = 5V.

Polaritatea la bornele A și B este determinată de polaritatea surselor de tensiune mai mari, în acest exemplu terminalul A este pozitiv, iar borna B este negativă rezultând +5 volți. Dacă tensiunile serie opuse sunt egale, tensiunea netă la A și B va fi zero deoarece o tensiune echilibrează cealaltă. De asemenea, orice curenți (I) vor fi, de asemenea, zero, deoarece fără sursă de tensiune, curentul nu poate circula.

Sursa de tensiune. Exemplul nr. 1

Două surse de tensiune ideale de 6 volți și respectiv 9 volți sunt conectate împreună pentru a alimenta o rezistență de sarcină de 100 Ohmi. Calculați: tensiunea sursei VS, curentul de sarcină prin rezistor IR și puterea totală P disipată de rezistor. Desenați circuitul.

Deci, VS = 15V, IR = 150mA sau 0,15A și PR = 2,25 W.

Sursă de tensiune practică

Am văzut că o sursă de tensiune ideală poate realiza o sursă de tensiune care este independentă de curentul care trece prin ea, adică menține aceeași valoare de tensiune întotdeauna. Această idee poate funcționa bine pentru tehnici de analiză a circuitelor, dar în sursele de tensiune din lumea reală se comportă puțin diferit, ca pentru o sursă de tensiune practică, tensiunea terminală va scădea de fapt cu o creștere a curentului de sarcină.

Deoarece tensiunea pe terminale a unei surse de tensiune ideale nu variază odată cu creșterea curentului de sarcină, aceasta înseamnă că o sursă de tensiune ideală are rezistență internă zero, RS = 0. Cu alte cuvinte, este o sursă de tensiune fără rezistență. În realitate, toate sursele de tensiune au o rezistență internă foarte mică, care reduce tensiunea la terminale a acestora, când furnizează curenți de sarcină mai mari.

Pentru surse de tensiune ne-ideale sau practice, cum ar fi bateriile, rezistența internă (RS) produce același efect ca o rezistență conectată în serie cu o sursă de tensiune ideală deoarece aceste două elemente conectate în serie transportă același curent, ca mai jos.

Sursă de tensiune ideală și practică

S-ar putea să fi observat că o sursă de tensiune practică seamănă foarte mult cu cea a unui circuit echivalent al lui Thevenin, deoarece teorema lui Thevenin spune: "orice rețea liniară care conține rezistențe și surse de emf și curent poate fi înlocuită de o singură sursă de tensiune, VS în serie cu un singur rezistor, RS". Rețineți că dacă rezistența sursei serie este scăzută, sursa de tensiune este ideală. Când rezistența sursei este infinită, sursa de tensiune este circuit deschis.

În cazul tuturor surselor de tensiune reale sau practice, această rezistență internă RS, indiferent cât de mică, are efect asupra caracteristicii I-V a sursei, deoarece tensiunea la terminale scade cu o creștere a curentului de sarcină. Acest lucru se datorează faptului că același curent de sarcină trece prin RS.

Legea lui Ohm ne spune că atunci când un curent (i) curge printr-o rezistență, se produce o cădere de tensiune pe rezistență. Valoarea acestei căderi de tensiune este dată de i.RS. Atunci VOUT va fi egală cu sursa de tensiune ideală VS minus căderea de tensiune i.RS pe rezistor. Nu uitați că, în cazul unei surse ideale de tensiune, RS este egal cu zero, deoarece nu există nici o rezistență internă, prin urmare, tensiunea la borne este aceeași ca și VS.

Deci, suma de tensiuni în jurul buclei, dată de legea lui Kirchhoff de tensiuni KVL, este: VOUT = VS - i.RS. Această ecuație poate fi reprezentată grafic pentru a da caracteristicile I-V ale tensiunii de ieșire reale. Aceasta va da o linie dreaptă cu o pantă -RS care intersectează axa verticală de tensiune în același punct ca și VS atunci când curentul i = 0 așa cum se arată.

Caracteristicile sursei de tensiune practice

Prin urmare, toate sursele de tensiune ideale vor avea o caracteristică liniară I-V, dar sursele ne-ideale sau surse de tensiune reale vor avea o caracteristică I-V care este puțin înclinată în jos, cu o cantitate egală cu i.RS, unde RS este rezistența (sau impedanța) internă a sursei. Caracteristicile I-V ale unei baterii reale oferă o aproximare foarte apropiată de o sursă de tensiune ideală, deoarece rezistența sursei RS este de obicei destul de mică.

Scăderea în unghi a pantei caracteristicilor I-V, deoarece crește curentul, este cunoscută sub denumirea de reglare. Reglarea tensiunii este o măsură importantă a calității unei surse practice de tensiune, deoarece măsoară variația tensiunii la terminale între nici o sarcină, adică atunci când IL = 0, (un circuit deschis) și sarcină totală, adică atunci când IL este la maxim (un scurtcircuit).

Sursa de tensiune, Exemplul nr. 2

O sursă baterie constă dintr-o sursă de tensiune ideală în serie cu un rezistor intern. Tensiunile și curentul măsurat la bornele bateriei s-au dovedit a fi VOUT1 = 130V la 10A și VOUT2 = 100V la 25A. Calculați tensiunea nominală a sursei de tensiune ideale și valoarea rezistenței sale interne. Desenați caracteristicile I-V.

Mai întâi, putem defini în simplă "formă de ecuație simultană" cele două ieșiri de tensiune și de curent ale bateriei date ca: VOUT1 și VOUT2.

Ca și cu tensiunile și curenții într-o formă de ecuație simultană, pentru a găsi VS vom înmulți mai întâi VOUT1 cu cinci (5) și VOUT2 cu doi (2) așa cum se arată pentru a face valoarea celor două curenți (i) la fel pentru ambele ecuații.

După ce am făcut coeficienții pentru RS aceiași, prin înmulțirea cu constantele anterioare, acum înmulțim a doua ecuație VOUT2 cu minus unu (-1) pentru a permite scăderea celor două ecuații astfel încât să putem rezolva pentru VS, după cum se arată:

Știind că sursa ideală de tensiune VS este egală cu 150 de volți, putem folosi această valoare pentru ecuația VOUT1 (sau VOUT2 dacă se dorește) și se rezolvă pentru a găsi rezistența serie RS.

Atunci, pentru exemplul nostru simplu, sursa de tensiune internă a bateriei se calculează astfel: VS = 150 volți și rezistența sa internă ca: RS = 2Ω. Caracteristicile I-V ale bateriei sunt date de:

Sursă de tensiune dependentă

Spre deosebire de o sursă de tensiune ideală care produce o tensiune constantă la terminalele sale, indiferent de ceea ce este conectat la aceasta, o sursă de tensiune controlată sau dependentă își schimbă tensiunea la terminale în funcție de tensiunea pe, sau de curent prin, alt element conectat la circuit, și ca atare, este uneori dificil să specificați valoarea unei surse de tensiune dependente, dacă nu cunoașteți valoarea reală a tensiunii sau curentului de care depinde.

O sursă de tensiune care depinde de o intrare de tensiune este, în general, denumită ca Voltage Controlled Voltage Source sau VCVS. O sursă de tensiune care depinde de o intrare de curent este denumită Current Controlled Voltage Source sau CCVS.

Sursele ideale dependente sunt utilizate în mod obișnuit în analiza caracteristicilor de intrare/ieșire sau câștigul elementelor de circuit cum ar fi amplificatoare operaționale, tranzistoare și circuite integrate. În general, o sursă ideală de tensiune dependentă controlată fie de tensiune, fie de curent, este desemnată printr-un simbol în formă de diamant așa cum este arătat.

Simboluri pentru surse de tensiune dependente

O sursă ideală de tensiune dependentă, controlată de tensiune, VCVS, menține o tensiune de ieșire egală cu o anumită constantă de multiplicare (în esență un factor de amplificare) înmulțită cu tensiunea de control prezentă în altă parte a circuitului. Deoarece constanta de multiplicare este o constantă, tensiunea de control, VIN va determina magnitudinea tensiunii de ieșire, VOUT. Cu alte cuvinte, tensiunea de ieșire "depinde" de valoarea tensiunii de intrare, făcând-o o sursă de tensiune dependentă și în multe moduri, un transformator ideal poate fi considerat ca un dispozitiv VCVS cu factorul de amplificare fiind raportul său de transformare.

Atunci, tensiunea de ieșire VCVS este determinată de următoarea ecuație: VOUT = μVIN. Rețineți că constanta de multiplicare μ este fără dimensiuni, deoarece este pur și simplu un factor de scalare deoarece μ = VOUT/VIN, deci unitățile sale vor fi volți/volți.

O sursă ideală de tensiune dependentă, controlată de curent, CCVS, menține o tensiune de ieșire egală cu o anumită constantă de multiplicare (ro) înmulțită cu intrare de curent de control generată în altă parte a circuitului conectat. Atunci, tensiunea de ieșire "depinde" de valoarea curentului de intrare, transformând-o din nou într-o sursă de tensiune dependentă.

Deoarece un curent de control IIN determină magnitudinea tensiunii de ieșire, VOUT înmulțită cu constanta de multiplicare ρ (ro), aceasta ne permite să modelam o sursă de tensiune controlată de curent ca un amplificator de transrezistență cu constantă de multiplicare ρ ce ne dă următoarea ecuație: VOUT = ρ.IIN. Această constantă de multiplicare ρ (ro) are unități în Ohmi deoarece ρ = VOUT/IIN, iar unitățile sale vor fi deci volți/amperi.

REZUMAT Sursa de tensiune

Am văzut că o sursă de tensiune poate fi o sursă de tensiune independentă sau controlată. Sursele de tensiune independente furnizează o tensiune constantă care nu depinde de nici o altă cantitate din circuit. Surse ideale independente pot fi bateriile, generatoarele DC sau tensiunile AC variabile în timp furnizate de alternatoare.

Sursele de tensiune independente pot fi modelate fie ca o sursă de tensiune ideală, (RS = 0) unde ieșirea este constantă pentru toți curenții de sarcină, fie ne-ideală sau practică, cum ar fi o baterie cu rezistență conectată în serie cu circuitul pentru a reprezenta rezistența internă a sursei. Sursele de tensiune ideale pot fi conectate împreună în paralel numai dacă au aceeași valoare de tensiune. Adunarea-serie sau opoziția-serie vor afecta valoarea de ieșire.

De asemenea, pentru rezolvarea analizei circuitelor și a teoremelor complexe, sursele de tensiune devin surse scurtcircuitate, ceea ce face ca tensiunea acestora să fie egală cu zero pentru a ajuta la rezolvarea rețelei. Rețineți, de asemenea, că sursele de tensiune sunt capabile să furnizeze sau să absoarbă puterea.

Sursele ideale de tensiune dependente, reprezentate de un simbol în formă de diamant, depind de și sunt proporționale cu tensiunea și curentul de control extern. Constanta de multiplicare μ pentru un VCVS nu are unități, în timp ce constanta de multiplicare ρ pentru un CCVS are unități în Ohmi. O sursă de tensiune dependentă prezintă un mare interes pentru a modela dispozitive electronice sau dispozitive active cum ar fi amplificatoare operaționale și tranzistoare care au câștig.

În următorul tutorial despre sursele electrice, vom analiza sursa de curent și vom vedea că sursele de curent pot fi de asemenea clasificate ca surse electrice dependente sau independente.