Questa serie fornirà uno sguardo a ciascuna di queste fonti elettriche di energia: luce, pressione, attrito, sostanze chimiche, calore e magnetismo.
Le batterie possono essere rappresentate da un ideale voltaggio sorgente in serie alla resistenza interna della batteria. Poiché si presume che una sorgente di tensione ideale abbia una tensione che non cambia, viene definita una sorgente di tensione costante.
Una sorgente di tensione ideale mantiene una tensione di uscita costante indipendentemente dalla resistenza di carico. Ad esempio, supponiamo che la sorgente di tensione nella Figura 1a sia una sorgente di tensione ideale. Come mostrato in figura, la tensione ai capi dei terminali aperti della sorgente è 10V. Questa tensione a “terminale aperto” viene definita tensione di uscita a vuoto (VNL). Quando le varie resistenze di carico mostrate in Figura 1b sono collegate alla sorgente, mantiene la stessa uscita a 10 V. Pertanto, per una sorgente di tensione ideale, indipendentemente dal valore della resistenza di carico, abbiamo:
VNL=VRL
dove VRL denota la tensione attraverso la resistenza di carico.
Figura 1. La tensione di uscita di una sorgente di tensione ideale non cambia in (a) condizioni di assenza di carico e (b) condizioni di carico.
Per qualsiasi sorgente di tensione pratica, una diminuzione della resistenza di carico si traduce in una diminuzione della tensione di uscita della sorgente. Ciò sta nel fatto che ogni sorgente di tensione ha una certa quantità di resistenza della sorgente interna, come rappresentato dal Resistore (RS) nella figura 2a. Quando un carico è collegato alla sorgente, come mostrato nella Figura 2b, forma un partitore di tensione con la resistenza interna della sorgente. Questo fa sì che VRL essere inferiore alla tensione di uscita a vuoto (VBN), come dimostrato nell'Esempio 1.
Figura 2. Una pratica sorgente di tensione
Esempio 1: calcolo di VRL
La tensione di uscita a vuoto della sorgente nella Figura 3 è 12V. Calcola i valori di VRL per RL= 100Ω e RL= 20Ω
Figura 3. Sorgente di tensione (E) con la resistenza di carico (RL)
Soluzione
La resistenza di carico forma un partitore di tensione con la resistenza interna della sorgente (RS). Quando RL= 100 Ω, VRL si trova come:
Quando RL = 20 Ω, VRL si trova come:
Come puoi vedere, la diminuzione della resistenza al carico ha causato una drastica diminuzione di V.RL.
La resistenza interna della maggior parte delle sorgenti di tensione CC è di 50 Ω o inferiore. In quanto tale, non presenta un grosso problema per i carichi nell'intervallo kΩ o superiore. Tuttavia, può causare un calo significativo della tensione di uscita quando è presente un carico a bassa resistenza. Questo è il motivo per cui una bassa resistenza interna è considerata desiderabile per una sorgente di tensione CC.
Funzionamento in parallelo e in serie
Le sorgenti di tensione possono essere azionate in serie senza difficoltà. La Figura 4a mostra due sorgenti di tensione collegate in serie e la Figura 4b mostra il circuito equivalente. La tensione a vuoto del circuito equivalente è la somma delle tensioni a vuoto delle singole sorgenti e la resistenza del circuito equivalente è la somma delle resistenze delle singole sorgenti.
Figura 4. (a) Le sorgenti di tensione possono essere azionate in serie senza difficoltà, (b) la tensione di uscita equivalente è la somma delle tensioni a vuoto delle tensioni a vuoto delle singole sorgenti e la resistenza della sorgente equivalente è la somma delle singole resistenze della sorgente.
Le sorgenti di tensione possono essere messe in funzione in parallelo solo se le tensioni di sorgente sono uguali. Come illustrato nelle Figure 5a e 5b, la resistenza della resistenza del circuito equivalente è la combinazione parallela delle singole resistenze della sorgente e la tensione a vuoto del circuito equivalente, ovviamente, è uguale a quella del parallelo originale- sorgenti di tensione collegate. La figura 5c mostra che quando si collegano in parallelo sorgenti con tensioni disuguali, la sorgente a tensione inferiore tenderà a scaricare la sorgente a tensione superiore.
Figura 5. (a) È possibile far funzionare in parallelo sorgenti di tensione con tensioni uguali, (b) il circuito equivalente di sorgenti di tensione collegate in parallelo, (c) sorgenti di tensione con tensioni diverse non devono essere collegate in parallelo.
Fonte di tensione indipendente
Una sorgente che non dipende da nessun'altra grandezza (come tensione o corrente) nel circuito è definita sorgente indipendente. La figura seguente mostra alcuni simboli comuni per rappresentare sorgenti di tensione indipendenti:
Figura 6. (a) Sorgente di tensione CC; (b) simbolo della batteria; (c) Simbolo della sorgente di tensione CA.
Se si collega una sorgente di tensione indipendente ideale a un circuito resistivo o un circuito che contiene una combinazione arbitraria di resistori, induttori e condensatori, la tensione di uscita della sorgente non cambierà. Anche se si raddoppia il valore di questi componenti, il valore della sorgente di tensione indipendente rimarrà comunque costante.
Figura 7. Una sorgente di tensione ideale indipendente mostra una tensione di uscita costante quando è collegata a una combinazione arbitraria di diversi elementi del circuito
Fonti di tensione dipendenti
Come suggerisce il nome, le sorgenti di tensione dipendenti (o controllate) sono quelle la cui tensione di uscita dipende da qualche altra tensione o corrente nel circuito. Il seguente simbolo viene utilizzato per rappresentare la sorgente di tensione dipendente:
Figura 8. Simbolo della sorgente di tensione dipendente
Ora, lavoriamo per comprendere le sorgenti di tensione dipendenti attraverso un esempio.
Figura 9. Esempio di sorgente di tensione dipendente
Nel circuito sopra, abbiamo una sorgente di tensione dipendente. Il valore di questa sorgente è dato dall'espressione 2Ix; dove Ix è la corrente che scorre attraverso i 2 ohm resistore. Pertanto, quando la corrente che scorre attraverso questo resistore da 2 ohm cambia, cambia anche il valore della sorgente di tensione. Pertanto, possiamo concludere che la corrente Ix controlla la tensione di questa sorgente di tensione.
Esistono due tipi di sorgenti di tensione dipendenti. La prima è una sorgente di tensione controllata in corrente (CCVS) e la seconda è una sorgente di tensione controllata in tensione (VCVS).
Fonte di tensione controllata in corrente (CCVS)
Il diagramma seguente rappresenta la sorgente di tensione controllata in corrente:
Figura 10. Rappresentazione della sorgente di tensione controllata in corrente
Qui puoi vedere che la corrente Iin controlla la tensione di uscita della sorgente di tensione dipendente. La tensione di uscita può essere scritta come:
Dove Iin è la corrente che controlla il valore della sorgente di tensione dipendente er è un coefficiente avente l'unità di resistenza. A volte, questa r è anche nota come trans-resistenza.
Esempio 2: CCVS
Un amplificatore operazionale configurato in modalità trans-conduttanza (Figura 11 sotto) funge da CCVS. La tensione di uscita dell'amplificatore operazionale dipende dalla corrente di ingresso. Quando la corrente di ingresso Ii cambia, la tensione di uscita cambia con la seguente espressione:
Vo = Li RL
Figura 11. Un amplificatore operazionale in modalità trans-conduttanza; un esempio di CCVS.
Sorgente di tensione controllata in tensione (VCVS)
Il diagramma seguente rappresenta la sorgente di tensione controllata in tensione:
Figura 12. Rappresentazione della sorgente di tensione controllata dalla tensione.
Qui, una quantità di tensione, Vin, controlla il valore della sorgente di tensione dipendente. La tensione di uscita Vout può essere scritta come:
Dove Vin è la tensione di ingresso che controlla la tensione di questa sorgente di tensione e µ è un coefficiente senza unità. Il coefficiente µ è anche noto come rapporto di trasferimento della tensione.
Esempio 3: VCVS
Quando configuriamo un amplificatore operazionale in una configurazione invertente o non invertente, agisce come un VCVS. Una volta regolato il guadagno, la tensione di uscita Vo dipende dalla tensione di ingresso Vi. Quando cambiamo Vi, la tensione di uscita cambia di conseguenza con la seguente espressione:
Figura 13. Un amplificatore operazionale in configurazione invertente; un esempio di un VCVS.
Conclusione
Una sorgente di tensione ideale fornisce un'uscita costante, indipendentemente dal valore della sua resistenza di carico RL. Una pratica sorgente di tensione, invece, ha una tensione di uscita che varia con RL. Ciò significa che un cambiamento nella resistenza di carico provocherà un cambiamento nella tensione di carico. Le caratteristiche delle sorgenti di tensione ideali e pratiche sono riassunte nella Figura 14.
