Diese Serie bietet einen Überblick über jede dieser elektrischen Energiequellen: Licht, Druck, Reibung, Chemikalien, Wärme und Magnetismus.
Batterien können durch ein Ideal dargestellt werden Spannung Quelle in Reihe mit dem Innenwiderstand der Batterie. Da angenommen wird, dass eine ideale Spannungsquelle eine Spannung aufweist, die sich nicht ändert, wird sie als Konstantspannungsquelle bezeichnet.
Eine ideale Spannungsquelle hält unabhängig von ihrem Lastwiderstand eine konstante Ausgangsspannung aufrecht. Nehmen wir beispielsweise an, dass die Spannungsquelle in Abbildung 1a eine ideale Spannungsquelle ist. Wie in der Abbildung dargestellt, beträgt die Spannung an den offenen Anschlüssen der Quelle 10 V. Diese „offene Klemme“-Spannung wird als Leerlauf-Ausgangsspannung (V) bezeichnetNL). Wenn die verschiedenen in Abbildung 1b gezeigten Lastwiderstände an die Quelle angeschlossen werden, bleibt der gleiche 10-V-Ausgang erhalten. Für eine ideale Spannungsquelle haben wir also unabhängig vom Wert des Lastwiderstands:
VNL=VRL
wo V.RL bezeichnet die Spannung über dem Lastwiderstand.
Abbildung 1. Die Ausgangsspannung einer idealen Spannungsquelle ändert sich unter (a) Leerlauf- und (b) Lastbedingungen nicht.
Bei jeder praktischen Spannungsquelle führt eine Verringerung des Lastwiderstands zu einer Verringerung der Ausgangsspannung der Quelle. Dies liegt in der Tatsache, dass jede Spannungsquelle einen gewissen internen Quellenwiderstand aufweist, wie durch die dargestellt Widerstand (RS) in Abbildung 2a. Wenn eine Last an die Quelle angeschlossen wird, wie in Abbildung 2b dargestellt, bildet sie einen Spannungsteiler mit dem Innenwiderstand der Quelle. Dies verursacht V.RL niedriger sein als die Leerlaufausgangsspannung (V.Niederlande), wie in Beispiel 1 gezeigt.
Abbildung 2. Eine praktische Spannungsquelle
Beispiel 1: Berechnung von V.RL
Die Leerlaufausgangsspannung der Quelle in Abbildung 3 beträgt 12V. Berechnen Sie die Werte von V.RL für RL= 100Ω und R.L= 20 Ω
Abbildung 3. Spannungsquelle (E) mit dem Lastwiderstand (R.L)
Lösung
Der Lastwiderstand bildet mit dem Innenwiderstand der Quelle (R) einen SpannungsteilerS). Wenn R.L= 100 Ω, VRL wird gefunden als:
Wenn R.L = 20 Ω, VRL wird gefunden als:
Wie Sie sehen können, führte die Abnahme des Lastwiderstands zu einer drastischen Abnahme von V.RL.
Der Innenwiderstand der meisten Gleichspannungsquellen beträgt 50 Ω oder weniger. Als solches stellt es kein großes Problem für Lasten im kΩ-Bereich oder höher dar. Es kann jedoch zu einem erheblichen Abfall der Ausgangsspannung kommen, wenn eine niederohmige Last vorhanden ist. Aus diesem Grund wird ein niedriger Innenwiderstand für eine Gleichspannungsquelle als wünschenswert angesehen.
Parallel- und Serienbetrieb
Spannungsquellen können problemlos in Reihe betrieben werden. Fig. 4a zeigt zwei in Reihe geschaltete Spannungsquellen, und Fig. 4b zeigt das Ersatzschaltbild. Die Leerlaufspannung des Ersatzschaltbilds ist die Summe der Leerlaufspannungen der einzelnen Quellen, und der Widerstand des Ersatzschaltbilds ist die Summe der Widerstände der einzelnen Quellen.
Abbildung 4. (a) Spannungsquellen können problemlos in Reihe betrieben werden. (B) Die äquivalente Ausgangsspannung ist die Summe der Leerlaufspannungen der Leerlaufspannungen der einzelnen Quellen und der äquivalente Quellenwiderstand ist der Summe der einzelnen Quellenwiderstände.
Spannungsquellen können nur dann parallel betrieben werden, wenn die Quellenspannungen gleich sind. Wie in den 5a und 5b dargestellt, ist der Widerstand des Widerstands der Ersatzschaltung die parallele Kombination der einzelnen Quellenwiderstände, und die Leerlaufspannung der Ersatzschaltung ist natürlich gleich der der ursprünglichen Parallelschaltung. angeschlossene Spannungsquellen. Abbildung 5c zeigt, dass die Quelle mit niedrigerer Spannung dazu neigt, die Quelle mit höherer Spannung zu entladen, wenn Quellen mit ungleichen Spannungen parallel geschaltet werden.
Abbildung 5. (a) Spannungsquellen mit gleichen Spannungen können parallel betrieben werden. (B) Das Ersatzschaltbild parallel geschalteter Spannungsquellen. (C) Spannungsquellen mit ungleichen Spannungen sollten nicht parallel geschaltet werden.
Unabhängige Spannungsquelle
Eine Quelle, die von keiner anderen Größe (wie Spannung oder Strom) in der Schaltung abhängt, wird als unabhängige Quelle bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt einige allgemeine Symbole zur Darstellung unabhängiger Spannungsquellen:
Abbildung 6. (a) Gleichspannungsquelle; (b) Batteriesymbol; (c) Wechselspannungsquellensymbol
Wenn Sie eine ideale unabhängige Spannungsquelle an eine Widerstandsschaltung oder eine Schaltung anschließen, die eine beliebige Kombination von Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren enthält, ändert sich die Ausgangsspannung der Quelle nicht. Selbst wenn Sie den Wert dieser Komponenten verdoppeln, bleibt der Wert der unabhängigen Spannungsquelle konstant.
Abbildung 7. Eine unabhängige ideale Spannungsquelle weist eine konstante Ausgangsspannung auf, wenn sie an eine beliebige Kombination verschiedener Schaltungselemente angeschlossen wird
Abhängige Spannungsquellen
Wie der Name schon sagt, sind die abhängigen (oder gesteuerten) Spannungsquellen solche, deren Ausgangsspannung von einer anderen Spannung oder einem anderen Strom in der Schaltung abhängt. Das folgende Symbol wird verwendet, um die abhängige Spannungsquelle darzustellen:
Abbildung 8. Symbol für abhängige Spannungsquelle
Lassen Sie uns nun anhand eines Beispiels daran arbeiten, abhängige Spannungsquellen zu verstehen.
Abbildung 9. Beispiel für eine abhängige Spannungsquelle
In der obigen Schaltung haben wir eine abhängige Spannungsquelle. Der Wert dieser Quelle wird durch den Ausdruck 2Ix angegeben; Dabei ist Ix der Strom, der durch das 2-Ohm fließt Widerstand. Wenn sich also der durch diesen 2-Ohm-Widerstand fließende Strom ändert, ändert sich auch der Wert der Spannungsquelle. Daraus können wir schließen, dass der Strom Ix die Spannung dieser Spannungsquelle steuert.
Es gibt zwei Arten von abhängigen Spannungsquellen. Die erste ist eine stromgesteuerte Spannungsquelle (CCVS) und die zweite ist eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle (VCVS).
Stromgesteuerte Spannungsquelle (CCVS)
Das folgende Diagramm zeigt die stromgesteuerte Spannungsquelle:
Abbildung 10. Darstellung der stromgesteuerten Spannungsquelle
Hier sehen Sie, dass der Strom Iin die Ausgangsspannung der abhängigen Spannungsquelle steuert. Die Ausgangsspannung kann wie folgt geschrieben werden:
Wobei Iin der Strom ist, der den Wert der abhängigen Spannungsquelle steuert, und r ein Koeffizient mit der Widerstandseinheit ist. Manchmal wird dieses r auch als Transwiderstand bezeichnet.
Beispiel 2: CCVS
Ein in einem Transleitfähigkeitsmodus konfigurierter Operationsverstärker (Abbildung 11 unten) fungiert als CCVS. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers hängt vom Eingangsstrom ab. Wenn sich der Eingangsstrom Ii ändert, ändert sich die Ausgangsspannung durch den folgenden Ausdruck:
Vo = Li R.L
Abbildung 11. Ein Operationsverstärker im Transleitfähigkeitsmodus. ein Beispiel für ein CCVS.
Spannungsgesteuerte Spannungsquelle (VCVS)
Das folgende Diagramm zeigt die spannungsgesteuerte Spannungsquelle:
Abbildung 12. Spannungsgesteuerte Spannungsquellendarstellung.
Hier steuert eine Spannungsgröße Vin den Wert der abhängigen Spannungsquelle. Die Ausgangsspannung Vout kann wie folgt geschrieben werden:
Wobei Vin die Eingangsspannung ist, die die Spannung dieser Spannungsquelle steuert, und µ ein Koeffizient ohne Einheit ist. Der Koeffizient µ wird auch als Spannungsübertragungsverhältnis bezeichnet.
Beispiel 3: VCVS
Wenn wir einen Operationsverstärker in einer invertierenden oder nicht invertierenden Konfiguration konfigurieren, fungiert er als VCVS. Sobald wir die Verstärkung eingestellt haben, hängt die Ausgangsspannung Vo von der Eingangsspannung Vi ab. Wenn wir Vi ändern, ändert sich die Ausgangsspannung entsprechend durch den folgenden Ausdruck:
Abbildung 13. Ein Operationsverstärker in invertierender Konfiguration. ein Beispiel für ein VCVS.
Fazit
Eine ideale Spannungsquelle liefert unabhängig vom Wert ihres Lastwiderstands R eine konstante LeistungL. Eine praktische Spannungsquelle hat andererseits eine Ausgangsspannung, die mit R variiertL. Dies bedeutet, dass eine Änderung des Lastwiderstands eine Änderung der Lastspannung bewirkt. Die Eigenschaften idealer und praktischer Spannungsquellen sind in Abbildung 14 zusammengefasst.
