Deze serie geeft een blik op elk van deze elektrische energiebronnen: licht, druk, wrijving, chemicaliën, warmte en magnetisme.
Batterijen kunnen worden weergegeven door een ideaal spanning bron in serie met de interne weerstand van de batterij. Omdat wordt aangenomen dat een ideale spanningsbron een spanning heeft die niet verandert, wordt dit een bron met constante spanning genoemd.
Een ideale spanningsbron handhaaft een constante uitgangsspanning, ongeacht de belastingsweerstand. Laten we bijvoorbeeld zeggen dat de spanningsbron in figuur 1a een ideale spanningsbron is. Zoals weergegeven in de afbeelding is de spanning over de open aansluitingen van de bron 10 V. Deze "open terminal" -spanning wordt de onbelaste uitgangsspanning (VNL Wanneer de verschillende belastingsweerstanden getoond in figuur 1b zijn verbonden met de bron, behoudt deze dezelfde 10 V-uitvoer. Dus voor een ideale spanningsbron, ongeacht de waarde van de belastingsweerstand, hebben we:
VNL=VRL
waar VRL geeft de spanning over de belastingsweerstand aan.
Figuur 1. De uitgangsspanning van een ideale spanningsbron verandert niet onder (a) onbelaste en (b) belaste omstandigheden.
Voor elke praktische spanningsbron resulteert een afname van de belastingsweerstand in een afname van de uitgangsspanning van de bron. Dit ligt in het feit dat elke spanningsbron een bepaalde hoeveelheid interne bronweerstand heeft, zoals weergegeven door de Weerstand (RS) in Figuur 2a. Wanneer een belasting op de bron is aangesloten, zoals weergegeven in figuur 2b, vormt deze een spanningsdeler met de interne weerstand van de bron. Dit veroorzaakt VRL lager zijn dan de nullastuitgangsspanning (V.NL), zoals aangetoond in Voorbeeld 1.
Figuur 2. Een praktische spanningsbron
Voorbeeld 1: V berekenenRL
De onbelaste uitgangsspanning van de bron in figuur 3 is 12V. Bereken de waarden van VRL voor RL= 100Ω en RL= 20 Ω
Figuur 3. Spanningsbron (E) met de belastingsweerstand (RL)
Oplossing
De belastingsweerstand vormt een spanningsdeler met de interne weerstand van de bron (R.S Toen RL= 100 Ω, VRL wordt gevonden als:
Toen RL = 20 Ω, VRL wordt gevonden als:
Zoals u kunt zien, veroorzaakte de afname van de belastingsweerstand een drastische afname van VRL.
De interne weerstand van de meeste gelijkspanningsbronnen is 50Ω of minder. Als zodanig vormt het geen groot probleem voor belastingen in het kΩ-bereik of hoger. Het kan echter een aanzienlijke daling van de uitgangsspanning veroorzaken wanneer een belasting met lage weerstand aanwezig is. Daarom wordt een lage interne weerstand als wenselijk beschouwd voor een gelijkspanningsbron.
Parallelle en seriële werking
Spanningsbronnen kunnen probleemloos in serie worden gebruikt. Figuur 4a toont twee in serie geschakelde spanningsbronnen en figuur 4b toont het equivalente circuit. De nullastspanning van het equivalente circuit is de som van de nullastspanningen van de individuele bronnen, en de weerstand van het equivalente circuit is de som van de weerstanden van de individuele bronnen.
Figuur 4. (a) Spanningsbronnen kunnen zonder problemen in serie worden gebruikt, (b) de equivalente uitgangsspanning is de som van de onbelaste spanningen van de onbelaste spanningen van de afzonderlijke bronnen, en de equivalente bronweerstand is de som van de individuele bronweerstanden.
Spanningsbronnen kunnen alleen parallel worden gebruikt als de bronspanningen gelijk zijn. Zoals geïllustreerd in figuur 5a en 5b, is de weerstand van de weerstand van het equivalente circuit de parallelle combinatie van de individuele bronweerstanden, en de nullastspanning van het equivalente circuit is natuurlijk gelijk aan die van de originele parallelle schakeling. aangesloten spanningsbronnen. Figuur 5c laat zien dat wanneer bronnen met ongelijke spanningen parallel worden geschakeld, de lager-spanningsbron de neiging zal hebben om de hoger-spanningsbron te ontladen.
Figuur 5. (a) Spanningsbronnen met gelijke spanningen kunnen parallel worden gebruikt, (b) het equivalente circuit van parallel geschakelde spanningsbronnen, (c) spanningsbronnen met ongelijke spanningen mogen niet parallel worden geschakeld.
Onafhankelijke spanningsbron
Een bron die niet afhankelijk is van een andere hoeveelheid (zoals spanning of stroom) in het circuit, wordt een onafhankelijke bron genoemd. De volgende afbeelding toont enkele veelgebruikte symbolen voor het weergeven van onafhankelijke spanningsbronnen:
Figuur 6. (a) DC-spanningsbron; (b) batterijsymbool; (c) Wisselspanningsbronsymbool
Als u een ideale onafhankelijke spanningsbron aansluit op een weerstandscircuit of een circuit dat een willekeurige combinatie van weerstanden, inductoren en condensatoren bevat, verandert de uitgangsspanning van de bron niet. Zelfs als u de waarde van deze componenten verdubbelt, blijft de waarde van de onafhankelijke spanningsbron constant.
Figuur 7. Een onafhankelijke ideale spanningsbron vertoont een constante uitgangsspanning wanneer deze is aangesloten op een willekeurige combinatie van verschillende circuitelementen
Afhankelijke spanningsbronnen
Zoals de naam suggereert, zijn de afhankelijke (of gecontroleerde) spanningsbronnen degene waarvan de uitgangsspanning afhangt van een andere spanning of stroom in het circuit. Het volgende symbool wordt gebruikt om de afhankelijke spanningsbron weer te geven:
Figuur 8. Symbool van de afhankelijke spanningsbron
Laten we nu proberen afhankelijke spanningsbronnen te begrijpen aan de hand van een voorbeeld.
Figuur 9. Voorbeeld van een afhankelijke spanningsbron
In het bovenstaande circuit hebben we één afhankelijke spanningsbron. De waarde van deze bron wordt gegeven door de uitdrukking 2Ix; waarbij Ix de stroom is die door de 2 ohm vloeit weerstand. Dus als de stroom die door deze weerstand van 2 ohm vloeit, verandert, verandert ook de waarde van de spanningsbron. We kunnen dus concluderen dat de stroom Ix de spanning van deze spanningsbron regelt.
Er zijn twee soorten afhankelijke spanningsbronnen. De eerste is een stroomgestuurde spanningsbron (CCVS) en de tweede is een spanningsgestuurde spanningsbron (VCVS).
Stroomgestuurde spanningsbron (CCVS)
Het volgende diagram geeft de stroomgestuurde spanningsbron weer:
Figuur 10. Weergave van stroomgestuurde spanningsbron
Hier kunt u zien dat de huidige Iin de uitgangsspanning van de afhankelijke spanningsbron regelt. De uitgangsspanning kan worden geschreven als:
Waar Iin de stroom is die de waarde van de afhankelijke spanningsbron regelt en r een coëfficiënt is met de eenheid van weerstand. Soms wordt deze r ook wel trans-resistentie genoemd.
Voorbeeld 2: CCVS
Een op-amp die is geconfigureerd in een trans-conductantiemodus (Afbeelding 11 hieronder) fungeert als een CCVS. De uitgangsspanning van de op-amp is afhankelijk van de ingangsstroom. Als de ingangsstroom Ii verandert, verandert de uitgangsspanning met de volgende uitdrukking:
Vo = Li RL
Figuur 11. Een op-amp in trans-conductantiemodus; een voorbeeld van een CCVS.
Spanningsgestuurde spanningsbron (VCVS)
Het volgende diagram geeft de spanningsgestuurde spanningsbron weer:
Afbeelding 12. Weergave van spanningsgestuurde spanningsbronnen.
Hier regelt een spanningsgrootheid, Vin, de waarde van de afhankelijke spanningsbron. De uitgangsspanning Vout kan worden geschreven als:
Waar Vin de ingangsspanning is die de spanning van deze spanningsbron regelt en µ een eenheidloze coëfficiënt is. De coëfficiënt µ wordt ook wel de spanningsoverdrachtsverhouding genoemd.
Voorbeeld 3: VCVS
Wanneer we een op-amp configureren in een inverterende of niet-inverterende configuratie, fungeert deze als een VCVS. Zodra we de versterking hebben aangepast, hangt de uitgangsspanning Vo af van de ingangsspanning Vi. Terwijl we Vi veranderen, verandert de uitgangsspanning dienovereenkomstig door de volgende uitdrukking:
Figuur 13. Een op-amp in inverterende configuratie; een voorbeeld van een VCVS.
The Bottom Line
Een ideale spanningsbron zorgt voor een constante output, ongeacht de waarde van de belastingsweerstand RL Een praktische spanningsbron daarentegen heeft een uitgangsspanning die varieert met RL Dit betekent dat een verandering in de belastingsweerstand een verandering in de belastingsspanning zal veroorzaken. De kenmerken van ideale en praktische spanningsbronnen zijn samengevat in Figuur 14.
