В этой серии статей мы рассмотрим каждый из этих электрических источников энергии: свет, давление, трение, химические вещества, тепло и магнетизм.
Аккумуляторы можно представить идеальным напряжение источник последовательно с внутренним сопротивлением батареи. Поскольку предполагается, что идеальный источник напряжения имеет постоянное напряжение, его называют источником постоянного напряжения.
Идеальный источник напряжения поддерживает постоянное выходное напряжение независимо от сопротивления нагрузки. Например, предположим, что источник напряжения на рисунке 1а является идеальным источником напряжения. Как показано на рисунке, напряжение на открытых клеммах источника составляет 10В. Это напряжение «открытой клеммы» называется выходным напряжением холостого хода (ВNL). Когда к источнику подключены различные сопротивления нагрузки, показанные на рисунке 1b, он поддерживает то же самое выходное напряжение 10 В. Таким образом, для идеального источника напряжения независимо от величины сопротивления нагрузки имеем:
VNL=VRL
где VRL обозначает напряжение на сопротивлении нагрузки.
Рис. 1. Выходное напряжение идеального источника напряжения не меняется в условиях (а) холостого хода и (б) нагрузки.
Для любого практического источника напряжения уменьшение сопротивления нагрузки приводит к уменьшению выходного напряжения источника. Это связано с тем, что каждый источник напряжения имеет некоторое внутреннее сопротивление источника, представленное резистор (RS) на рисунке 2а. Когда нагрузка подключена к источнику, как показано на рисунке 2b, она образует делитель напряжения с внутренним сопротивлением источника. Это приводит к тому, что VRL быть ниже выходного напряжения холостого хода (ВНидерланды), как показано в Примере 1.
Рисунок 2. Практический источник напряжения
Пример 1: Расчет VRL
Выходное напряжение холостого хода источника на Рисунке 3 составляет 12 В. Рассчитайте значения VRL для RL= 100 Ом и RL= 20 Ом
Рисунок 3. Источник напряжения (E) с сопротивлением нагрузки (RL)
Решения
Сопротивление нагрузки образует делитель напряжения с внутренним сопротивлением источника (RS). Когда RL= 100 Ом, VRL находится как:
Когда RL = 20 Ом, VRL находится как:
Как видите, уменьшение сопротивления нагрузки вызвало резкое уменьшение VRL.
Внутреннее сопротивление большинства источников постоянного напряжения составляет 50 Ом или меньше. Таким образом, это не представляет серьезной проблемы для нагрузок в диапазоне кОм или выше. Однако это может вызвать значительное падение выходного напряжения при наличии нагрузки с низким сопротивлением. Вот почему низкое внутреннее сопротивление считается желательным для источника постоянного напряжения.
Параллельная и последовательная работа
Источники напряжения могут без проблем работать последовательно. На рис. 4а показаны два последовательно соединенных источника напряжения, а на рис. 4б показана эквивалентная схема. Напряжение холостого хода эквивалентной схемы представляет собой сумму напряжений холостого хода отдельных источников, а сопротивление эквивалентной схемы представляет собой сумму сопротивлений отдельных источников.
Рисунок 4. (a) Источники напряжения могут без проблем работать последовательно, (b) эквивалентное выходное напряжение представляет собой сумму напряжений холостого хода отдельных источников напряжения, а эквивалентное сопротивление источника равно сумма сопротивлений отдельных источников.
Источники напряжения могут работать параллельно, только если напряжения источников равны. Как показано на рисунках 5a и 5b, сопротивление эквивалентной схемы представляет собой параллельную комбинацию сопротивлений отдельных источников, а напряжение холостого хода эквивалентной схемы, конечно, равно напряжению исходной параллельной схемы. подключенные источники напряжения. На рисунке 5c показано, что при параллельном подключении источников с неравными напряжениями источник с более низким напряжением будет стремиться разряжать источник с более высоким напряжением.
Рисунок 5. (a) Источники напряжения с равным напряжением могут работать параллельно, (b) эквивалентная схема параллельно соединенных источников напряжения, (c) источники напряжения с неравными напряжениями не должны подключаться параллельно.
Независимый источник напряжения
Источник, который не зависит от какой-либо другой величины (например, напряжения или тока) в цепи, называется независимым источником. На следующем рисунке показаны некоторые общие символы для обозначения независимых источников напряжения:
Рисунок 6. (а) Источник постоянного напряжения; (б) символ батареи; (c) Обозначение источника переменного напряжения
Если вы подключите идеальный независимый источник напряжения к резистивной цепи или схеме, содержащей произвольную комбинацию резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, выходное напряжение источника не изменится. Даже если вы удвоите значение этих компонентов, значение независимого источника напряжения все равно останется постоянным.
Рисунок 7. Независимый идеальный источник напряжения демонстрирует постоянное выходное напряжение при подключении к произвольной комбинации различных элементов схемы.
Зависимые источники напряжения
Как следует из названия, зависимые (или контролируемые) источники напряжения - это источники, выходное напряжение которых зависит от какого-либо другого напряжения или тока в цепи. Следующий символ используется для обозначения зависимого источника напряжения:
Рисунок 8. Обозначение зависимого источника напряжения.
Теперь давайте поработаем над пониманием зависимых источников напряжения на примере.
Рисунок 9. Пример зависимого источника напряжения.
В схеме выше у нас есть один зависимый источник напряжения. Значение этого источника дается выражением 2Ix; где Ix - ток, протекающий через 2-омный резистор. Таким образом, по мере изменения тока, протекающего через этот резистор сопротивлением 2 Ом, значение источника напряжения также меняется. Таким образом, можно сделать вывод, что ток Ix управляет напряжением этого источника напряжения.
Есть два типа зависимых источников напряжения. Первый - это источник напряжения, управляемый током (CCVS), а второй - источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS).
Источник контролируемого напряжения тока (CCVS)
На следующей схеме представлен источник напряжения с регулируемым током:
Рисунок 10. Представление источника напряжения с управляемым током.
Здесь вы можете видеть, что ток Iin управляет выходным напряжением зависимого источника напряжения. Выходное напряжение можно записать как:
Где Iin - это ток, который контролирует значение зависимого источника напряжения, а r - коэффициент, имеющий единицу сопротивления. Иногда это r также называют транс-резистентностью.
Пример 2: CCVS
Операционный усилитель, настроенный в режиме проводимости (рисунок 11 ниже), действует как CCVS. Выходное напряжение операционного усилителя зависит от входного тока. При изменении входного тока Ii выходное напряжение изменяется следующим выражением:
Во = Ли РL
Рисунок 11. Операционный усилитель в режиме проводимости; пример CCVS.
Источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS)
На следующей схеме представлен источник напряжения, управляемый напряжением:
Рис. 12. Изображение источника напряжения, управляемого напряжением.
Здесь величина напряжения Vin управляет значением зависимого источника напряжения. Выходное напряжение Vout можно записать как:
Где Vin - входное напряжение, которое управляет напряжением этого источника напряжения, а µ - безразмерный коэффициент. Коэффициент µ также известен как коэффициент передачи напряжения.
Пример 3: VCVS
Когда мы настраиваем операционный усилитель в инвертирующей или неинвертирующей конфигурации, он действует как VCVS. После регулировки усиления выходное напряжение Vo зависит от входного напряжения Vi. Когда мы меняем Vi, выходное напряжение изменяется соответственно следующим выражением:
Рисунок 13. Операционный усилитель в инвертирующей конфигурации; пример VCVS.
Выводы
Идеальный источник напряжения обеспечивает постоянный выходной сигнал независимо от значения его сопротивления нагрузки RL. С другой стороны, практический источник напряжения имеет выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от RL. Это означает, что изменение сопротивления нагрузки вызовет изменение напряжения нагрузки. Характеристики идеальных и практичных источников напряжения приведены на рисунке 14.
