منابع الکتریکی انرژی مورد نیاز مدارها را فراهم می کنند. برخی ولتاژ را ثابت نگه می دارند، در حالی که برخی دیگر جریان را ثابت نگه می دارند. منابع واقعی زمانی تغییر می کنند که بار، دما یا مقاومت داخلی تغییر می کند. این اثرات میزان پایداری خروجی را تعیین می کنند. این مقاله اطلاعات واضح و دقیقی درباره رفتار منبع، مقاومت داخلی، مدل ها، آزمون ها و محدودیت های رایج ارائه می دهد.
۱. مروری بر منبع برق
منبع الکتریکی بخشی از مدار است که انرژی لازم برای عملکرد همه چیز را تأمین می کند. این دستگاه می تواند ولتاژ ثابت یا جریان ثابت را تأمین کند. دانستن اینکه کدام یک را ارائه می دهد به شما کمک می کند بفهمید کل مدار وقتی قطعات مختلف به هم متصل می شوند چگونه عمل می کند.
منبع ولتاژ ولتاژ را در همان سطح نگه می دارد، در حالی که منبع جریان جریان را در همان مقدار نگه می دارد. این ایده ها ساده اند، اما نحوه عملکرد هر مدار را شکل می دهند. منابع الکتریکی واقعی نمی توانند همیشه بی نقص بمانند. خروجی آن ها می تواند زمانی تغییر کند که بار سنگین تر یا سبک تر شود و این موضوع بر پایداری مدار تأثیر می گذارد.
اگرچه منابع ولتاژ و جریان سعی دارند مقادیر خود را ثابت نگه دارند، هرکدام محدودیت هایی بر اساس نحوه ساخت خود دارند. وقتی بار تغییر می کند، ممکن است منبع دیگر ولتاژ یا جریان دقیق را حفظ نکند.
با ایده پایه ای ولتاژ و منابع جریان ایده آل، اکنون می توانیم با وارد کردن مقاومت داخلی به مدل های خود، تفاوت منابع واقعی را بررسی کنیم.
۲. مقاومت داخلی در منابع ولتاژ و جریان واقعی
منابع الکتریکی واقعی دقیقا مانند بهترین ها رفتار نمی کنند چون مقاومت داخلی دارند. این مقاومت پنهان بر میزان ولتاژ یا جریان منبع پس از اتصال بار تأثیر می گذارد. در نتیجه، خروجی یک منبع واقعی بسته به شدت بار تغییر می کند.
یک منبع ولتاژ معمولا مقاومت کوچکی به صورت سری دارد که باعث کاهش ولتاژ هنگام کشیده شدن جریان بیشتر می شود. یک منبع جریان به صورت موازی مقاومت زیادی دارد که باعث تغییر جریان هنگام تغییر مقاومت بار می شود. این قطعات داخلی میزان پایداری خروجی در شرایط واقعی را تعیین می کنند.
| نوع مدل | بهترین رفتار | فرم عملی | محدودیت اصلی |
|---|---|---|---|
| منبع ولتاژ | ولتاژ ثابت می ماند | منبع با سری Rs | ولتاژ زمانی کاهش می یابد که بار جریان بیشتری بکشد |
| منبع فعلی | جریان ثابت می ماند | منبع با Rp موازی | جریان هنگام تغییر مقاومت بار |
۳. رفتار بار در منابع ولتاژ و جریان
۳.۱ منبع ولتاژ
• مدار باز: ولتاژ وجود دارد؛ جریان تقریبا صفر است
• اتصال کوتاه: جریان بسیار بالا می رود و به مقاومت داخلی بستگی دارد
۳.۲ منبع فعلی
• مدار باز: ولتاژ افزایش می یابد زیرا جریان مسیر ندارد
• اتصال کوتاه: جریان نزدیک به مقدار تعیین شده باقی می ماند؛ ولتاژ بسیار پایین می آید
برای ساده سازی تحلیل نحوه تعامل منابع و بارها، می توانیم هر منبع حقیقی را به یک فرم معادل تبدیل کنیم که ما را به معادل منبع تئونن–نورتون در بخش بعدی می رساند.
۴. معادل منبع تئونین–نورتون
مدل های Thévenin و Norton دو روش مشابه برای نمایش همان منبع الکتریکی و مقاومت داخلی آن ارائه می دهند. یکی از منبع ولتاژ با مقاومت سری استفاده می کند و دیگری از منبع جریان با مقاومت موازی بهره می برد. هر دو رفتار یکسانی را در ترمینال های خروجی توصیف می کنند، بنابراین عملکرد واقعی مدار تغییر نمی کند. آن ها صرفا دو شکل از یک منبع واحد هستند.
۴.۱ فرمول ها
• شکل جریان از فرم ولتاژ:
IN=VTH/RTH
• شکل ولتاژ از فرم جریان:
VTH=IN×RN
• رابطه مقاومت:
RN=RTH
۵. رفتار ولتاژ-جریان در منابع وابسته
۵.۱ منبع ولتاژ کنترل شده با ولتاژ (VCVS)
یک VCVS مانند یک منبع ولتاژ عمل می کند که سطح خروجی آن به ولتاژ دیگری وابسته است. این روش بازتاب دهنده نحوه تنظیم خروجی منابع ولتاژ واقعی در مدارهای کنترل شده با بازخورد است.
۵.۲ منبع ولتاژ کنترل شده با جریان (CCVS)
یک CCVS ولتاژی را بر اساس جریان حس شده تولید می کند. این موضوع آن را با مدارهایی هم راستا می کند که خروجی ولتاژ توسط رفتار جریان بار شکل می گیرد، مانند منابع ولتاژ واقعی با تنظیم وابسته به جریان.
۵.۳ منبع جریان کنترل شده با ولتاژ (VCCS)
یک VCCS به عنوان یک منبع جریان که توسط ولتاژ خارجی کنترل می شود، عمل می کند. این بازتاب دهنده واکنش منابع جریان زمانی است که ولتاژ کنترلی جریان ثابتی را تنظیم می کند.
۵.۴ منبع جریان کنترل شده با جریان (CCCS)
یک CCCS منبع جریان پایدار را آینه می کند اما خروجی خود را بر اساس جریان دیگری در مدار مقیاس بندی می کند. این مدل توضیح می دهد که چگونه درایورهای جریان چندمرحله ای سطوح جریان متعادل را حفظ می کنند.
۶. منابع ولتاژ و جریان AC و DC
| ویژگی | منبع ولتاژ DC | منبع فعلی DC | منبع ولتاژ AC | منبع جریان AC |
|---|---|---|---|---|
| ماهیت خروجی | ولتاژ ثابت | جریان ثابت | ولتاژ با موج | جریان با شکل موج |
| محدودیت | کاهش ولتاژ از Rs | تغییر فعلی از RP | تحت تأثیر راکتانس | تحت تأثیر بزرگی امپدانس |
| تعامل بار | ولتاژ تا زمان جریان بالا پایدار است | جریان تا ولتاژ بالا پایدار است | باید فاز/امپدانس را مدیریت کند | باید جریان را با وجود فاز حفظ کند |
| رفتار قدرت | ثابت در طول زمان | ثابت در طول زمان | در هر چرخه متفاوت است | در هر چرخه متفاوت است |
با در نظر گرفتن رفتار DC و AC، اکنون می توانیم روی چیزی تمرکز کنیم که اکثر مردم در نهایت به آن اهمیت می دهند: اینکه یک منبع چقدر توان می تواند به یک بار منتقل کند و چقدر کارآمد است.
۷. ولتاژ در مقابل جریان: تحویل توان و مقایسه بازده
| دیدگاه | منبع ولتاژ | منبع فعلی |
|---|---|---|
| شرایط حداکثر توان | ( R~load~ = R~s~ ) | ( R~load~ = R~p~ ) |
| جایی که از دست دادن رخ می دهد | حرارت تولید شده در مقاومت سری (R~s~) | گرمای تولید شده در مقاومت موازی (Rp ~) |
| رابطه بار معمولی | بار بزرگ تر از (R~s~) است که باعث بهبود کارایی | بار معمولا کوچکتر از (R~p~) است و جریان را پایدار نگه می دارد |
| رفتار خروجی | ولتاژ نزدیک به مقدار تعیین شده خود باقی می ماند تا زمانی که بار بیش از حد سنگین شود. جریان تا زمانی که بار بیش از حد سبک نشود، نزدیک به مقدار تعیین شده خود باقی می ماند | |
| روند کارایی | زمانی که بار بسیار بیشتر از مقاومت سری داخلی باشد | زمانی که بار بسیار کمتر از مقاومت موازی داخلی باشد، بالاتر است. |
| الگوی جریان قدرت | توان بستگی به میزان جریان مصرفی بار دارد | توان بستگی به میزان ولتاژ مورد نیاز بار دارد |
۸. دستگاه های عملی مدل سازی شده به عنوان منابع ولتاژ یا جریان
اجزای واقعی را می توان با تطبیق رفتار آن ها با مدل های منبع ولتاژ یا منبع جریان ارزیابی کرد. این موضوع به پیش بینی واکنش آن ها به بارهای مختلف و میزان تطابق با ویژگی های ایده آل منبع کمک می کند.
| دستگاه | بهترین مدل | چرا مناسب است | محدودیت |
|---|---|---|---|
| باتری | منبع ولتاژ با ( R~S~) | ولتاژ ثابت می ماند | مقاومت داخلی با گذشت زمان افزایش می یابد |
| منبع تغذیه DC | منبع ولتاژ تنظیم شده | ولتاژ را ثابت نگه می دارد | خروجی جریان محدود |
| سلول خورشیدی | منبع فعلی | جریان به نور خورشید بستگی دارد | افت ولتاژ تحت بار سنگین |
| درایور LED | منبع فعلی | جریان LED را پایدار نگه می دارد | حداکثر دامنه ولتاژ |
وقتی فهمیدیم اجزای واقعی چگونه به مدل های ولتاژ-منبع و جریان-منبع نگاشت می شوند، گام بعدی آزمایش این دستگاه ها و مقایسه رفتار آن ها با مدل های ایده آل در آزمایشگاه است.
۹. آزمایش و مقایسه منابع ولتاژ در مقابل جریان
• ولتاژ مدار باز را اندازه گیری کنید تا خروجی واقعی منبع بدون بارگذاری را مشاهده کنید.
• فقط با ابزارهایی که برای مدیریت ایمن جریان بالا طراحی شده اند، جریان اتصال کوتاه را بررسی کنید.
• مقاومت داخلی را با مقایسه خوانش ها با دو مقدار بار متفاوت تعیین کنید.
• اجازه دهید اندازه گیری ها تثبیت شوند تا منبع و متر تثبیت شوند قبل از ثبت نتایج.
۱۰. تنظیم و حفاظت در منابع ولتاژ و جریان
مقررات
منابع ولتاژ از بازخورد برای کاهش افت ولتاژ تحت بار استفاده می کنند. منابع جریان خروجی را تنظیم می کنند تا جریان حتی هنگام افزایش ولتاژ پایدار بماند.
۱۰.۲ حفاظت
منابع ولتاژ برای محدود کردن جریان بیش از حد نیاز به محافظت در برابر اتصال کوتاه دارند. منابع جریان نیاز به محافظت مدار باز دارند تا از تجمع خطرناک ولتاژ بالا جلوگیری شود.
۱۱. تصورات غلط رایج درباره ولتاژ در مقابل منابع جریان
• نسخه های ایده آل به دلیل مقاومت داخلی وجود ندارند.
• ولتاژ یا جریان بالاتر به تنهایی به معنای عملکرد بهتر نیست.
• منابع جریان باز می توانند ولتاژ بسیار بالایی ایجاد کنند.
• مدل های تِونین و نورتون رفتار واقعی را تغییر نمی دهند.
رفع این سوءتفاهم ها ما را در موقعیت خوبی قرار می دهد تا انتخاب های عملی طراحی داشته باشیم، به همین دلیل بخش بعدی بر نحوه انتخاب بین منابع ولتاژ و جریان برای کاربردهای خاص تمرکز دارد.
۱۲. انتخاب بین منابع ولتاژ و جریان
• انتخاب مدل مناسب به پیش بینی رفتار منبع پس از اتصال بار، زمانی که مقاومت داخلی بر ولتاژ یا جریان خروجی تأثیر می گذارد، کمک می کند.
• ابتدا تصمیم بگیرید که دستگاه باید عمدتا به عنوان منبع ولتاژ عمل کند یا منبع جریان، بسته به اینکه ولتاژ پایدار یا جریان پایدار اهمیت بیشتری دارد.
• اندازه گیری یا تخمین مقاومت یا امپدانس داخلی، زیرا این مقدار حد افت ولتاژ، تغییر جریان و کنترل کلی توان را تعیین می کند.
• بررسی کنید که دما چگونه بر مقاومت داخلی تأثیر می گذارد، زیرا گرما می تواند سطح خروجی را تغییر داده و پایداری را کاهش دهد.
• رفتار AC را زمانی که منبع در فرکانس های مختلف کار می کند، شامل شود، زیرا امپدانس با فرکانس تغییر می کند و می تواند خروجی را تغییر دهد.
• افزودن حفاظت برای اتصال کوتاه، جریان های بالا یا ولتاژهای بالا برای حفظ منبع در محدوده های عملیاتی ایمن.
• آماده سازی هر دو فرم Thévenin و Norton در صورت نیاز برای ساده سازی تحلیل، مقایسه رفتارها یا تطبیق فرم مورد نیاز برای محاسبه.
۱۳. نتیجه گیری
منابع ولتاژ و جریان هرگز کامل نمی مانند چون مقاومت داخلی، تغییرات بار، گرما و فرسودگی همه بر خروجی آن ها تأثیر می گذارند. دانستن نحوه عملکرد آن ها در مدارهای باز و کوتاه، نحوه تطابق فرم های Thévenin و Norton و تفاوت منابع AC و DC باعث می شود رفتار منبع آسان تر قابل فهم باشد. این نکات به توضیح محدودیت های واقعی و جریان قدرت مناسب کمک می کنند.
۱۴. پرسش های متداول [پرسش های متداول]
۱۴.۱ دما چگونه بر پایداری منبع تأثیر می گذارد؟
دمای بالاتر مقاومت داخلی را تغییر می دهد و باعث می شود ولتاژ یا جریان جابجا شده و کمتر پایدار شود.
۱۴.۲ چرا برخی منابع نویز الکتریکی ایجاد می کنند؟
نویز از بخش های داخلی می آید که کاملا پایدار نیستند و کمی خروجی منبع را مختل می کند.
۱۴.۳ چرا یک منبع نمی تواند فورا به تغییرات بارگذاری پاسخ دهد؟
هر منبع دارای سرعت پاسخ داخلی است، بنابراین ولتاژ یا جریان ممکن است به طور موقت بالا یا پایین برود قبل از اینکه ته نشین شود.
۱۴.۴ چگونه پیری عملکرد یک منبع را تغییر می دهد؟
مقاومت داخلی با گذشت زمان افزایش می یابد و پایداری خروجی را کاهش داده و دقت منبع را کاهش می دهد.
۱۴.۵ چرا ابزارهای اندازه گیری گاهی خوانش های متفاوتی نشان می دهند؟
هر متر مقاومت داخلی خاص خود را دارد که بر بار مشاهده شده توسط منبع تأثیر می گذارد و خوانش را تغییر می دهد.
۱۴.۶ وقتی بار خیلی سریع تغییر می کند چه اتفاقی می افتد؟
تغییرات سریع بار می تواند باعث فرورفتگی های کوتاه، نوسان یا نوسان شود چون منبع نیاز به زمان برای تنظیم دارد.
