Esta série dará uma olhada em cada uma dessas fontes elétricas de energia: luz, pressão, fricção, produtos químicos, calor e magnetismo.
As baterias podem ser representadas por um ideal Voltagem fonte em série com a resistência interna da bateria. Como uma fonte de tensão ideal é considerada como tendo uma tensão que não muda, ela é chamada de fonte de tensão constante.
Uma fonte de tensão ideal mantém uma tensão de saída constante, independentemente da resistência de sua carga. Por exemplo, digamos que a fonte de tensão na Figura 1a seja uma fonte de tensão ideal. Conforme mostrado na figura, a tensão nos terminais abertos da fonte é 10V. Esta tensão de “terminal aberto” é chamada de tensão de saída sem carga (VNL) Quando as várias resistências de carga mostradas na Figura 1b são conectadas à fonte, ela mantém a mesma saída de 10 V. Assim, para uma fonte de tensão ideal, independente do valor da resistência de carga, temos:
VNL=VRL
onde VRL denota a tensão através da resistência de carga.
Figura 1. A tensão de saída de uma fonte de tensão ideal não muda nas condições (a) sem carga e (b) com carga.
Para qualquer fonte de tensão prática, uma diminuição na resistência da carga resulta em uma diminuição na tensão de saída da fonte. Isso reside no fato de que cada fonte de tensão tem alguma quantidade de resistência de fonte interna, conforme representado pelo Resistor (RS) na Figura 2a. Quando uma carga é conectada à fonte, conforme mostrado na Figura 2b, ela forma um divisor de tensão com a resistência interna da fonte. Isso faz com que VRL ser menor do que a tensão de saída sem carga (VHolanda), conforme demonstrado no Exemplo 1.
Figura 2. Uma fonte de tensão prática
Exemplo 1: Calculando VRL
A tensão de saída sem carga da fonte na Figura 3 é 12V. Calcule os valores de VRL para RL= 100Ω e RL= 20Ω
Figura 3. Fonte de tensão (E) com a resistência de carga (RL)
Solução
A resistência de carga forma um divisor de tensão com a resistência interna da fonte (RS) Quando RL= 100 Ω, VRL é encontrado como:
Quando RL = 20 Ω, VRL é encontrado como:
Como você pode ver, a diminuição da resistência de carga causou uma diminuição drástica na VRL.
A resistência interna da maioria das fontes de tensão DC é de 50Ω ou menos. Como tal, não apresenta um grande problema para cargas na faixa de kΩ ou superior. No entanto, pode causar uma queda significativa na tensão de saída quando uma carga de baixa resistência está presente. É por isso que a resistência interna baixa é considerada desejável para uma fonte de tensão CC.
Operação Paralela e em Série
As fontes de tensão podem ser operadas em série sem dificuldade. A Figura 4a mostra duas fontes de tensão conectadas em série e a Figura 4b mostra o circuito equivalente. A tensão sem carga do circuito equivalente é a soma das tensões sem carga das fontes individuais, e a resistência do circuito equivalente é a soma das resistências das fontes individuais.
Figura 4. (a) As fontes de tensão podem ser operadas em série sem dificuldade, (b) a tensão de saída equivalente é a soma das tensões sem carga das tensões sem carga das fontes individuais, e a resistência da fonte equivalente é a soma das resistências da fonte individual.
As fontes de tensão podem ser operadas em paralelo apenas se as tensões da fonte forem iguais. Conforme ilustrado nas Figuras 5a e 5b, a resistência da resistência do circuito equivalente é a combinação paralela das resistências da fonte individual e a tensão sem carga do circuito equivalente, é claro, é igual à do paralelo original. fontes de tensão conectadas. A Figura 5c mostra que quando fontes com tensões desiguais são conectadas em paralelo, a fonte de tensão mais baixa tende a descarregar a fonte de tensão mais alta.
Figura 5. (a) Fontes de tensão com tensões iguais podem ser operadas em paralelo, (b) o circuito equivalente de fontes de tensão conectadas em paralelo, (c) fontes de tensão com tensões desiguais não devem ser conectadas em paralelo.
Fonte de Tensão Independente
Uma fonte que não depende de nenhuma outra quantidade (como tensão ou corrente) no circuito é chamada de fonte independente. A figura a seguir mostra alguns símbolos comuns para representar fontes de tensão independentes:
Figura 6. (a) Fonte de tensão DC; (b) símbolo da bateria; (c) símbolo de fonte de tensão CA
Se você conectar uma fonte de tensão independente ideal a um circuito resistivo ou um circuito que contém uma combinação arbitrária de resistores, indutores e capacitores, a tensão de saída da fonte não mudará. Mesmo se você dobrar o valor desses componentes, o valor da fonte de tensão independente ainda permanecerá constante.
Figura 7. Uma fonte de tensão ideal independente exibe uma tensão de saída constante quando conectada a uma combinação arbitrária de diferentes elementos de circuito
Fontes de tensão dependentes
Como o nome sugere, as fontes de tensão dependentes (ou controladas) são aquelas cuja tensão de saída depende de alguma outra tensão ou corrente no circuito. O seguinte símbolo é usado para representar a fonte de tensão dependente:
Figura 8. Símbolo da fonte de tensão dependente
Agora, vamos trabalhar para entender as fontes de tensão dependentes através de um exemplo.
Figura 9. Exemplo de fonte de tensão dependente
No circuito acima, temos uma fonte de tensão dependente. O valor desta fonte é dado pela expressão 2Ix; onde Ix é a corrente fluindo através de 2 ohms resistência. Assim, à medida que a corrente que flui através deste resistor de 2 ohms muda, o valor da fonte de tensão também muda. Assim, podemos concluir que a corrente Ix está controlando a tensão desta fonte de tensão.
Existem dois tipos de fontes de tensão dependentes. O primeiro é uma fonte de tensão controlada por corrente (CCVS), e o segundo é uma fonte de tensão controlada por tensão (VCVS).
Fonte de tensão controlada de corrente (CCVS)
O diagrama a seguir representa a fonte de tensão controlada por corrente:
Figura 10. Representação da fonte de tensão controlada por corrente
Aqui, você pode ver que a corrente Iin está controlando a tensão de saída da fonte de tensão dependente. A tensão de saída pode ser escrita como:
Onde Iin é a corrente que controla o valor da fonte de tensão dependente er é um coeficiente tendo a unidade de resistência. Às vezes, este r também é conhecido como resistência trans.
Exemplo 2: CCVS
Um amplificador operacional configurado em um modo de trans-condutância (Figura 11 abaixo) atua como um CCVS. A tensão de saída do amplificador operacional depende da corrente de entrada. Conforme a corrente de entrada Ii muda, a tensão de saída muda pela seguinte expressão:
Vo = Li RL
Figura 11. Um op-amp no modo de trans-condutância; um exemplo de CCVS.
Fonte de tensão controlada por tensão (VCVS)
O diagrama a seguir representa a fonte de tensão controlada por tensão:
Figura 12. Representação da fonte de tensão controlada por tensão.
Aqui, uma quantidade de tensão, Vin, controla o valor da fonte de tensão dependente. A tensão de saída Vout pode ser escrita como:
Onde Vin é a tensão de entrada que está controlando a tensão dessa fonte de tensão e µ é um coeficiente sem unidade. O coeficiente µ também é conhecido como razão de transferência de tensão.
Exemplo 3: VCVS
Quando configuramos um amplificador operacional em uma configuração inversora ou não inversora, ele atua como um VCVS. Uma vez que ajustamos o ganho, a tensão de saída Vo depende da tensão de entrada Vi. À medida que mudamos Vi, a tensão de saída muda de acordo com a seguinte expressão:
Figura 13. Um op-amp na configuração invertida; um exemplo de um VCVS.
Concluindo!
Uma fonte de tensão ideal fornece uma saída constante, independentemente do valor de sua resistência de carga RL. Uma fonte de tensão prática, por outro lado, tem uma tensão de saída que varia com RL. Isso significa que uma mudança na resistência da carga causará uma mudança na tensão da carga. As características das fontes de tensão ideais e práticas estão resumidas na Figura 14.
