Elektriallikad annavad vooluringidele vajaliku energia. Mõned hoiavad pinget stabiilsena, teised hoiavad voolu stabiilsena. Tegelikud allikad muutuvad, kui koormus, temperatuur või sisetakistus muutub. Need mõjud mõjutavad, kui stabiilne väljund püsib. See artikkel annab selget ja detailset teavet allika käitumise, sisemise takistuse, mudelite, testimise ja ühiste piiride kohta.
Elektriallika ülevaade
Elektriallikas on vooluringi osa, mis annab vajaliku energia, et kõik toimiks. See võib anda kas ühtlast pinget või ühtlast voolu. Teadmine, millist see annab, aitab mõista, kuidas kogu ahel toimib, kui erinevad osad on ühendatud.
Pingeallikas hoiab pinge samal tasemel, samas kui vooluallikas hoiab voolu samal tasemel. Need ideed on lihtsad, kuid kujundavad, kuidas iga vooluring töötab. Tõelised elektriallikad ei saa alati täiuslikud püsida. Nende väljund võib muutuda, kui koormus muutub raskemaks või kergemaks, ja see mõjutab, kui stabiilne ahel püsib.
Kuigi pinge- ja vooluallikad püüavad hoida oma väärtusi stabiilsena, on igal neist piirangud, sõltuvalt sellest, kuidas see on ehitatud. Kui koormus muutub, ei pruugi allikas enam säilitada täpset pinget ega voolu.
Kui ideaalse pinge ja vooluallikate põhiidee on paigas, saame nüüd vaadata, kuidas reaalsed allikad erinevad, tuues meie mudelitesse sisemise takistuse.
Sisetakistus reaalpinge- ja vooluallikates
Tõelised elektriallikad ei käitu täpselt nagu parimad, sest neil on sisemine takistus. See varjatud takistus mõjutab, kui palju pinget või voolu allikas suudab edastada, kui koormus on ühendatud. Selle tulemusena muutub reaalse allika väljund sõltuvalt koormuse tugevusest.
Pingeallikal on tavaliselt väike takistus jadamisi, mis põhjustab pinge langust, kui sellest võetakse rohkem voolu. Vooluallikal on paralleelselt suur takistus, mis põhjustab voolu nihkumise, kui koormustakistus muutub. Need sisemised osad kujundavad, kui stabiilne väljund on reaalsetes tingimustes.
| Mudelitüüp | Parim käitumine | Praktiline vorm | Peamine piirang |
|---|---|---|---|
| Pingeallikas | Pinge jääb konstantseks | Allikas sarjaga Rs | Pinge langeb, kui koormus tõmbab rohkem voolu |
| Praegune allikas | Vool püsib konstantsena | Allikas paralleelse rollimänguga | Vool muutub, kui koormustakistus muutub |
Koormuse käitumine pinge- ja vooluallikates
Pingeallikas
• Avatud ahel: pinge on olemas; vool on peaaegu null
• Lühis: vool muutub väga suureks ja sõltub sisetakistusest
Praegune allikas
• Avatud vooluring: pinge suureneb, kuna voolul puudub tee
• Lühis: vool jääb seatud väärtuse lähedale; pinge muutub väga madalaks
Allikate ja koormuste omavahelise interaktsiooni lihtsustamiseks saame teisendada iga reaalse allika ekvivalentseks vormiks, mis viib järgmises osas Thévenin–Nortoni allikaekvivalentsile.
Thévenin–Nortoni allika ekvivalentsus
Thévenini ja Nortoni mudelid pakuvad kahte sobitusviisi sama elektriallika ja selle sisetakistuse esitamiseks. Üks kasutab pingeallikat jadatakistusega ja teine vooluallikat paralleeltakistusega. Mõlemad kirjeldavad sama käitumist väljundklemmide juures, seega vooluringi tegelik töö ei muutu. Need on lihtsalt kaks vormi samast allikast.
Valemid
• Voolu kuju pingevormist:
IN=VTH/RTH
• Pinge kuju voolu vormist:
VTH=IN×RN
• Vastupanu seos:
RN=RTH
Pinge-voolu käitumine sõltuvates allikates
Pingega juhitav pingeallikas (VCVS)
VCVS toimib nagu pingeallikas, mille väljundtase sõltub teisest pingest. See peegeldab seda, kuidas päris pingeallikad võivad reguleerida väljundit tagasisidega juhitavates ahelates.
Voolujuhitav pingeallikas (CCVS)
CCVS tekitab pinge, mis põhineb tuvastatud voolul. See seob selle vooluringidega, kus pingeväljundit kujundab koormusvoolu käitumine, nagu reaalsed pingeallikad voolust sõltuva regulatsiooniga.
Pingega juhitav vooluallikas (VCCS)
VCCS käitub vooluallikana, mida juhib väline pinge. See peegeldab, kuidas vooluallikad reageerivad, kui juhtpinge seab konstantse voolu.
Voolujuhitav vooluallikas (CCCS)
CCCS peegeldab stabiilset vooluallikat, kuid skaleerib oma väljundit teise vooluvoolu alusel. See mudel selgitab, kuidas mitmeastmelised voolujuhid säilitavad tasakaalustatud voolutasemed.
Vahelduvvoolu ja alalisvoolu pinge ning vooluallikad
| Funktsioon | Alalisvoolu pingeallikas | DC vooluallikas | Vahelduvvoolu pingeallikas | AC vooluallikas |
|---|---|---|---|---|
| Väljund Olemus | Fikseeritud pinge | Fikseeritud vool | Pinge varieerub sõltuvalt lainekujust | Vool muutub lainekuju järgi |
| Piirangud | Pinge langeb Rs | Praegune üleminek Rp | Mõjutatud reaktantsist | Mõjutatud takistuse suurus |
| Koormuse interaktsioon | Pinge on stabiilne kuni kõrge vooluni | Vool on stabiilne kuni kõrge pingeni | Peab käsitlema faasi/takistust | Peab hoidma voolu hoolimata faasist |
| Võimsuse käitumine | Konstantne aja jooksul | Konstantne aja jooksul | Varieerub tsükliti | Varieerub tsükliti |
Alalisvoolu ja vahelduvvoolu käitumist silmas pidades saame nüüd keskenduda sellele, mis enamikule inimestele lõpuks korda läheb: kui palju energiat suudab allikas koormusele edastada ja kui tõhusalt ta seda teeb.
Pinge vs. vool: võimsuse edastamise ja efektiivsuse võrdlus
| Vaatenurk | Pingeallikas | Praegune allikas |
|---|---|---|
| Maksimaalne võimsustingimus | ( R~koorem~ = R~s~ ) | ( R~koorem~ = R~p~ ) |
| Kus kaotus toimub | Soojus, mis tekib jadatakistuses (R~s~) | Soojus, mis tekib paralleelse takistusega (Rp ~) |
| Tüüpiline koormuse suhe | Koormus on suurem kui (R~s~), mis parandab efektiivsust | Koormus on tavaliselt väiksem kui (R~p~), hoides voolu stabiilsena |
| Väljundkäitumine | Pinge püsib seatud väärtuse lähedal, kuni koormus muutub liiga suureks | Vool püsib seatud väärtuse lähedal, kuni koormus muutub liiga kergeks |
| Efektiivsuse trend | Kõrgem, kui koormus on palju suurem kui sisemine jadatakistus | Kõrgem, kui koormus on palju väiksem kui sisemine paralleeltakistus |
| Võimsuse voolumuster | Võimsus sõltub sellest, kui palju voolu koormus tarbib | Võimsus sõltub sellest, kui palju pinget koormus vajab |
Praktilised seadmed, mis on modelleeritud pinge- või vooluallikatena
Reaalseid komponente saab hinnata, sobitades nende käitumist pingeallika või vooluallika mudelitega. See aitab ennustada, kuidas nad reageerivad erinevatele koormustele ja kui täpselt nad vastavad ideaalsetele allikaomadustele.
| Seade | Parim modell | Miks see sobib | Piirangud |
|---|---|---|---|
| Patarei | Pingeallikas ( R~S~) | Pinge püsib stabiilsena | Sisemine takistus suureneb aja jooksul |
| Alalisvoolu toiteallikas | Reguleeritud pingeallikas | Hoiab pinge konstantsena | Piiratud voolu väljund |
| Päikesepatarei | Praegune allikas | Vool sõltub päikesevalgusest | Pinge langeb suure koormuse all |
| LED-draiver | Praegune allikas | Hoiab LED-voolu stabiilsena | Maksimaalse pingevahemikuga |
Kui mõistame, kuidas päris komponendid sobituvad pingeallika ja vooluallika mudelitega, on järgmine samm nende seadmete testimine ja nende käitumise võrdlemine labori ideaalsete mudelitega.
Pinge ja vooluallikate testimine ja võrdlemine
• Mõõda avatud vooluringi pinget, et näha allika tegelikku tühjendatud väljundit.
• Kontrolli lühiseid voolusid ainult tööriistadega, mis on mõeldud suure voolu ohutuks käsitlemiseks.
• Määra sisetakistus, võrreldes näitud kahe erineva koormusväärtusega.
• Lase mõõtmistel settida, et allikas ja mõõtja stabiliseeruksid enne tulemuste salvestamist.
Pinge- ja vooluallikate reguleerimine ja kaitse
Regulatsioon
Pingeallikad kasutavad tagasisidet, et vähendada pingelangust koormuse all. Vooluallikad reguleerivad väljundit, et hoida vool stabiilsena isegi pinge tõustes.
Kaitse
Pingeallikad vajavad lühiskaitset, et piirata liigset voolu. Vooluallikad vajavad avatud vooluringi kaitset, et vältida ohtlikult kõrge pinge kogunemist.
Levinud eksiarvamused pinge ja vooluallikate kohta
• Ideaalseid versioone ei eksisteeri sisemise takistuse tõttu.
• Kõrgem pinge või suurem vool üksi ei tähenda paremat jõudlust.
• Avatud vooluallikad võivad tekitada ohtlikult kõrget pinget.
• Thévenini ja Nortoni mudelid ei muuda tegelikku käitumist.
Nende eksiarvamuste kõrvaldamine annab meile hea võimaluse teha praktilisi disainivalikuid, mistõttu keskendub järgmine osa sellele, kuidas valida pinge- ja vooluallikaid konkreetsete rakenduste jaoks.
Pinge- ja vooluallikate valik
• Õige mudeli valimine aitab ennustada, kuidas allikas käitub, kui koormus on ühendatud, kui sisetakistus mõjutab pinget või väljundvoolu.
• Otsusta esmalt, kas seade peaks toimima peamiselt pingeallikana või vooluallikana, sõltuvalt sellest, kas stabiilne pinge või vool on olulisem.
• Mõõda või hinnata sisemist takistust või takistust, kuna see väärtus määrab pingelanguse, voolumuutuse ja üldise võimsuse taluvuse piirid.
• Vaadake, kuidas temperatuur mõjutab sisemist takistust, sest soojus võib nihutada väljundtaset ja vähendada stabiilsust.
• Lisage vahelduvvoolu käitumine, kui allikas töötab erinevatel sagedustel, kuna takistus muutub sagedusega ja võib muuta väljundit.
• Lisada kaitset lühiste, suurte voolude või kõrgete pingete vastu, et hoida allikas ohututes tööpiirides.
• Valmistada vajadusel nii Thévenini kui Norton'i vorme, et lihtsustada analüüsi, võrrelda käitumisi või sobitada arvutuse jaoks vajalikku vormi.
Kokkuvõte
Pinge- ja vooluallikad ei püsi kunagi täiuslikud, sest sisetakistus, koormuse muutused, kuumus ja vananemine mõjutavad nende väljundit. Teades, kuidas nad käituvad avatud ja lühise ajal, kuidas Thévenini ja Nortoni vormid sobituvad ning kuidas vahelduvvoolu ja alalisvoolu allikad erinevad, muudab allika käitumise lihtsamini mõistetavaks. Need punktid aitavad selgitada tegelikke piire ja õiget võimsusvoogu.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Kuidas mõjutab temperatuur allika stabiilsust?
Kõrgem temperatuur muudab sisemist takistust, põhjustades pinge või voolu triivimise ja ebastabiilse muutumise.
Miks mõned allikad tekitavad elektrilist müra?
Müra tuleb sisemistest osadest, mis pole täiesti stabiilsed, ja see häirib veidi allika väljundit.
Miks ei saa allikas koormuse muutustele koheselt reageerida?
Igal allikal on sisseehitatud reageerimiskiirus, seega võib pinge või vool hetkeks tõusta või langeda enne vajumist.
Kuidas vananemine muudab allika jõudlust?
Sisetakistus suureneb aja jooksul, vähendades väljundstabiilsust ja muutes allika vähem täpseks.
Miks näitavad mõõtevahendid mõnikord erinevaid näite?
Igal mõõtjal on oma sisemine takistus, mis mõjutab allika poolt nähtavat koormust ja muudab näitu.
Mis juhtub, kui koormus muutub väga kiiresti?
Kiired koormuse muutused võivad põhjustada lühikesi langusi, tõuse või võnkeid, sest allikal on vaja aega kohanemiseks.