Електрическите източници осигуряват енергията, от която веригите се нуждаят. Някои поддържат напрежението стабилно, докато други поддържат тока стабилен. Реалните източници се променят, когато натоварването, температурата или вътрешното съпротивление се променят. Тези ефекти определят колко стабилен остава изходът. Тази статия предоставя ясна и подробна информация за поведението на източника, вътрешната устойчивост, моделите, тестването и обичайните граници.
Преглед на електрическия източник
Електрическият източник е частта от веригата, която осигурява енергията, необходима за работа. Той може да осигури или стабилно напрежение, или постоянен ток. Знаейки кой точно се получава, ти помага да разбереш как ще се държи цялата верига, когато различни части са свързани.
Източникът на напрежение поддържа напрежението на същото ниво, докато източникът на ток поддържа същото количество. Тези идеи са прости, но оформят начина, по който работи всяка схема. Истинските електрически източници не могат да останат перфектни през цялото време. Тяхната мощност може да се промени, когато натоварването стане по-тежко или по-леко, което влияе на стабилността на веригата.
Въпреки че източниците на напрежение и ток се стремят да поддържат стойностите си стабилни, всеки има ограничения според начина, по който е изработен. Когато натоварването се промени, източникът може вече да не поддържа точното напрежение или ток.
С основната идея за идеални източници на напрежение и ток, сега можем да разгледаме как реалните източници се различават, като въведем вътрешно съпротивление в нашите модели.
Вътрешно съпротивление в източници на реално напрежение и ток
Истинските електрически източници не се държат точно като най-добрите, защото имат вътрешно съпротивление. Това скрито съпротивление влияе на това колко напрежение или ток може да достави източникът, след като товарът е свързан. В резултат на това изходът на реален източник се променя в зависимост от силата на натоварването.
Източникът на напрежение обикновено има малко съпротивление в последователност, което води до спад на напрежението, когато от него се изтегли повече ток. Източникът на ток има голямо съпротивление паралелно, което кара тока да се измества при промяна на товарното съпротивление. Тези вътрешни части определят колко стабилен ще бъде изходът при реални условия.
| Тип модел | Най-добро поведение | Практическа форма | Основно ограничение |
|---|---|---|---|
| Източник на напрежение | Напрежението остава постоянно | Източник със серия Rs | Напрежението пада, когато товарът черпи повече ток |
| Текущ източник | Токът остава постоянен | Източник с паралелен Rp | Токът се променя, когато натоварването се променя |
Поведение на натоварването в източници на напрежение и ток
Източник на напрежение
• Отворена верига: Напрежението е налице; Токът е почти нула
• Късо съединение: Токът става много голям и зависи от вътрешното съпротивление
Източник на ток
• Отворена верига: Напрежението се увеличава, защото токът няма път
• Късо съединение: Токът остава близо до зададената стойност; Напрежението става много ниско
За да опростим анализа на взаимодействието между източници и товари, можем да преобразуваме всеки реален източник в еквивалентна форма, което ни води до еквивалентността на източника Тевенин–Нортън в следващия раздел.
Еквивалентност на източника на Тевенин–Нортън
Моделите на Тевенин и Нортън дават два начина за съвпадение за представяне на един и същ електрически източник и неговото вътрешно съпротивление. Единият използва източник на напрежение с серийно съпротивление, а другият – източник на ток с паралелно съпротивление. И двете описват едно и също поведение на изходните терминали, така че реалната работа на веригата не се променя. Те са просто две форми на един и същ източник.
Формули
• Токова форма от волтовата форма:
IN=VTH/RTH
• Форма на напрежение от токова форма:
VTH=IN×RN
• Съпротивително отношение:
RN=RTH
Поведение на напрежение-ток в зависими източници
Източник на напрежение, контролиран от напрежение (VCVS)
VCVS действа като източник на напрежение, чието изходно ниво зависи от друго напрежение. Той отразява начина, по който реалните източници на напрежение могат да регулират изхода в вериги с обратна връзка.
Източник на напрежение, контролиран от ток (CCVS)
CCVS произвежда напрежение, базирано на усещан ток. Това го подравнява с вериги, където изходното напрежение се оформя от поведението на натоварването, като реални източници на напрежение с регулиране, зависимо от тока.
Източник на ток, контролиран от напрежение (VCCS)
VCCS се държи като източник на ток, управляван от външно напрежение. Той отразява как реагират източниците на ток, когато управляващо напрежение задава постоянен ток.
Ток-контролиран източник (CCCS)
CCCS отразява стабилен източник на ток, но мащабира изхода си според друг ток в схемата. Този модел обяснява как многостепенните токови драйвери поддържат балансирани нива на ток.
Източници на AC и DC напрежение и ток
| Характеристика | Източник на DC напрежение | Източник на постоянен ток | Източник на променлив ток | Източник на променлив ток |
|---|---|---|---|---|
| Изходна природа | Фиксирано напрежение | Фиксиран ток | Напрежението варира според формата на вълната | Токът варира според формата на вълната |
| Ограничение | Спадът на напрежението от Rs | Текуща промяна от Rp | Засегнати от реакцията | Повлияно от големината на импеданса |
| Зареждане | Напрежението е стабилно до висок ток | Токът е стабилен до високо напрежение | Трябва да се справя с фаза/импеданс | Трябва да поддържа ток въпреки фазата |
| Енергийно поведение | Константа във времето | Константа във времето | Варира според цикъла | Варира според цикъла |
С оглед на поведението на DC и AC, сега можем да се съсредоточим върху това, което повечето хора в крайна сметка интересуват: колко енергия може да достави един източник на товар и колко ефективно го прави.
Напрежение срещу ток: Сравнение на доставка на енергия и ефективност
| Гледна точка | Източник на напрежение | Текущ източник |
|---|---|---|
| Максимално захранване | ( R~load~ = R~s~ ) | ( Р~зареждане~ = Р~п~ ) |
| Където настъпва загуба | Топлина, произведена със серийно съпротивление (R~s~) | Топлина, произведена при паралелно съпротивление (Rp ~) |
| Типично натоварване | Натоварването е по-голямо от (R~s~), което подобрява ефективността | Натоварването обикновено е по-малко от (R~p~), което поддържа тока стабилен |
| Изходно поведение | Напрежението остава близо до зададената стойност, докато натоварването не стане твърде голямо | Токът остава близо до зададената стойност, докато натоварването не стане твърде малко |
| Тенденция на ефективността | По-високо, когато натоварването е много по-голямо от вътрешното серийно съпротивление | По-високо, когато натоварването е много по-малко от вътрешното паралелно съпротивление |
| Модел на потока на мощността | Мощността зависи от това колко ток черпи товарът | Мощността зависи от това колко напрежение изисква товарът |
Практични устройства, моделирани като източници на напрежение или ток
Реалните компоненти могат да се оценяват чрез съпоставяне на поведението им с модели на източник на напрежение или източник на ток. Това помага да се предвиди как реагират на различни товари и доколко точно съвпадат с идеалните характеристики на източника.
| Устройство | Най-добър модел | Защо пасва | Ограничение |
|---|---|---|---|
| Батерия | Източник на напрежение с ( R~S~) | Напрежението остава стабилно | Вътрешното съпротивление се увеличава с времето |
| Захранване с постоянен ток | Регулиран източник на напрежение | Поддържа напрежението постоянно | Ограничен ток |
| Слънчева клетка | Текущ източник | Токът зависи от слънчевата светлина | Напрежението пада при голямо натоварване |
| LED драйвер | Текущ източник | Поддържа електродиода стабилен ток | Има максимален диапазон на напрежение |
След като разберем как реалните компоненти се съпоставят с модели с източник на напрежение и ток източници, следващата стъпка е да тестваме тези устройства и да сравним поведението им с идеалните модели в лабораторията.
Тестване и сравнение между напрежение и източници на ток
• Измерете напрежението в отворената верига, за да видите истинския ненатоварен изход на източника.
• Проверявайте тока при късо съединение само с инструменти, предназначени да управляват висок ток безопасно.
• Определяне на вътрешното съпротивление чрез сравнение на показанията с две различни стойности на натоварването.
• Оставете измерванията да се стабилизират, за да се стабилизират източникът и уредът, преди да се запишат резултатите.
Регулиране и защита в източници на напрежение и ток
Регулация
Източниците на напрежение използват обратна връзка, за да намалят спада на напрежението при натоварване. Източниците на ток регулират изхода, за да поддържат тока стабилен дори когато напрежението се покачва.
Защита
Източниците на напрежение се нуждаят от защита от късо съединение, за да се ограничи излишният ток. Източниците на ток се нуждаят от защита от отворена верига, за да се предотврати опасно високо напрежение.
Често срещани погрешни схващания относно напрежението срещу източниците на ток
• Идеални версии не съществуват поради вътрешно съпротивление.
• По-високо напрежение или по-висок ток само по себе си не означават по-добра производителност.
• Отворените токови източници могат да създадат опасно високо напрежение.
• Моделите на Тевенен и Нортън не променят реалното поведение.
Изясняването на тези погрешни схващания ни поставя в добра позиция да правим практични дизайнерски решения, затова следващият раздел се фокусира върху това как да се избира между източници на напрежение и ток за конкретни приложения.
Избор между източници на напрежение и ток
• Изборът на правилния модел помага да се предвиди как се държи източникът, след като товарът е свързан, когато вътрешното съпротивление влияе на напрежението или изходния ток.
• Първо решете дали устройството трябва да действа основно като източник на напрежение или ток, в зависимост от това дали стабилното напрежение или стабилният ток имат по-голямо значение.
• Измерване или оценка на вътрешното съпротивление или импеданса, тъй като тази стойност задава границите на спад на напрежението, промяна на тока и обща мощност.
• Обмислете как температурата влияе на вътрешното съпротивление, тъй като топлината може да промени нивата на изход и да намали стабилността.
• Да се включи поведението на променлив ток, когато източникът работи на различни честоти, тъй като импедансът се променя с честотата и може да промени изхода.
• Добавете защита срещу късо съединение, високи токове или високи напрежения, за да поддържате източника в безопасни работни граници.
• Подготвя както формулярите на Тевенин, така и на Нортън, когато е необходимо, за да опростят анализа, да сравняват поведенията или да съвпадат с необходимата форма за изчисление.
Заключение
Източниците на напрежение и ток никога не остават перфектни, защото вътрешното съпротивление, промените в натоварването, топлината и стареенето влияят на изхода им. Да знаем как действат по време на отворени и къси съединения, как съвпадат формите на Тевенин и Нортън и как се различават източниците на променлив ток и постоянен ток прави поведението на източника по-лесно за разбиране. Тези точки помагат да се обяснят реалните граници и правилния поток на енергия.
Често задавани въпроси [ЧЗВ]
Как температурата влияе на стабилността на източника?
По-високата температура променя вътрешното съпротивление, което кара напрежението или тока да се променят и да стават по-малко стабилни.
Защо някои източници създават електрически шум?
Шумът идва от вътрешни части, които не са напълно стабилни, и леко нарушава изхода на източника.
Защо изходният код не може да реагира мигновено при промени при зареждане?
Всеки източник има вградена скорост на отговор, така че напрежението или токът могат временно да се повишат или спаднат преди да се утаят.
Как стареенето променя представянето на източника?
Вътрешното съпротивление се увеличава с времето, намалявайки стабилността на изхода и правейки източника по-малко точен.
Защо измервателните инструменти понякога показват различни показания?
Всеки уред има собствено вътрешно съпротивление, което влияе на натоварването, което източникът вижда, и променя показанията.
Какво се случва, когато натоварването се промени много бързо?
Бързите смени на натоварването могат да причинят кратки спадове, пикове или осцилации, защото източникът се нуждае от време за адаптация.
