برق , مهندسی 2919 بازدید

همان‌طور که می‌دانیم، اجزای مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی دو نوع هستند: اجزای پسیو یا غیرفعال و اجزای اکتیو یا فعال. یک عنصر اکتیو، قادر است مدار را به صورت پیوسته تغذیه کند (مانند باتری، ژنراتور، تقویت‌کننده و غیره). عناصر پسیو، قطعاتی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها و غیره هستند که نمی‌توانند انرژی الکتریکی تولید کنند و فقط آن را مصرف می‌کنند.

اجزای اکتیو، مهمترین اجزای مدار هستند که از آن‌ها برای تامین انرژی سایر اجزای متصل به مدار استفاده می‌کنیم. این عناصر، «منابع الکتریکی» نامیده می‌شوند که متشکل از دو نوع جریان و ولتاژ هستند. منبع ولتاژ، معمولاً رایج‌تر از منبع جریان است، اما هر کدام دوگان یا مکمل دیگری است.

یک منبع الکتریکی یا به اختصار «منبع»، دستگاهی است که توان الکتریکی مدار را به فرم منبع ولتاژ یا منبع جریان تامین می‌کند. هر دو نوع منابع ولتاژ و جریان را می‌توان در دسته منابع جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) قرار داد. برای مثال، باتری‌ یک منبع DC و پریز 230 ولتی روی دیوار خانه، یک منبع AC است.

گفتیم که منابع الکتریکی، انرژی الکتریکی مدار را تامین می‌کنند. اما یکی از مشخصه‌های جذاب منابع این است که انرژی غیرالکتریکی را به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل می‌کنند. برای مثال، یک باتری، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، در حالی که یک ماشین الکتریکی مانند ژنراتور DC یا AC، انرژی مکانیکی را به فرم انرژی الکتریکی تحویل می‌دهد.

با به کارگیری انرژی‌های تجدیدپذیر، می توان انرژی خورشید، باد و امواج را به انرژی الکتریکی یا گرمایی تبدیل کرد. همان‌طور که منابع، انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌کنند، می‌توانند انرژی مصرف کنند یا تحویل دهند (جهت مبادله توان آن‌ها دوطرفه است).

منابع الکتریکی
منابع الکتریکی

منابع ولتاژ یا جریان را می‌توان در دو دسته مستقل یا نابسته (ایده‌آل) یا وابسته (کنترل شده)‌ نیز قرار داد.

وقتی درباره قوانین و تحلیل مدار صحبت می‌کنیم، معمولاً منابع را ایده‌آل در نظر می‌گیریم. به همین دلیل، منابع از نظر تئوری می‌توانند انرژی بی‌نهایت بدون تلفات به مدار تزریق کنند. مشخصه منابع ایده‌آل، یک خط راست است. در عمل، منابع چه جریان و چه ولتاژ باشند، یک مقاومت درونی دارند.

منبع ولتاژ

منابع ولتاژ مانند باتری یا ژنراتور، اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین دو نقطه از یک مدار تولید می‌کنند و سبب می‌شوند جریان برقرار شود. به یاد داشته باشید که ممکن است جریان در منابع ولتاژ برقرار نباشد. باتری رایج‌ترین منبع ولتاژ در مدار است که دو سر مثبت و منفی دارد و ولتاژ دو سر آن، ولتاژ ترمینال نامیده می‌شود.

منبع ولتاژ ایده‌آل
منبع ولتاژ ایده‌آل

منبع ولتاژ ایده‌آل، یک عنصر فعال با دو ترمینال است که بدون توجه به میزان جریان (i) قابلیت تغذیه و حفظ یک ولتاژ مشخص (v) را دارد و مشخصه I-V آن یک خط راست است.

منبع ولتاژ ایده‌آل که منبع ولتاژ مستقل نیز نامیده می‌شود (چون مقدار ولتاژ آن ثابت بوده و به جریان و جهت آن بستگی ندارد) ، تنها با مقدار ولتاژ مشخص می‌شود. برای مثال، ولتاژ باتری ماشین، 12 ولت است و با تغییر جریان کشیده شده از آن، تغییری نمی‌کند.

از سوی دیگر، دامنه ولتاژ یک منبع ولتاژ وابسته یا منبع ولتاژ کنترل شده، به ولتاژ یا جریان برخی از اجزای مدار بستگی دارد. منبع ولتاژ مستقل را با یک لوزی نشان می‌دهند. این نوع منبع، به عنوان منبع معادل بسیاری از قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستورها و تقویت‌کننده‌های عملیاتی به کار می‌رود.

اتصال منابع ولتاژ به یکدیگر

منابع ولتاژ ایده‌آل را می‌توان با هم سری یا موازی کرد. ولتاژهای سری با هم جمع می‌شوند، در حالی که ولتاژهای موازی با هم برابر هستند. دقت کنید که منابع ولتاژ ایده‌آل با مقادیر ولتاژ مختلف را نمی‌توان با یکدیگر موازی کرد.

اتصال موازی منابع
اتصال موازی منابع ولتاژ

اتصال منابع ولتاژ با مقادیر ولتاژ مختلف به صورت موازی و نیز اتصال کوتاه کردن یک منبع کار خطرناکی است و نباید آن را انجام داد.

اتصال اشتباه
اتصال نادرست منابع ولتاژ

شکل زیر، نتایج حاصل از اتصال سری منابع ولتاژ را نشان می‌دهد.

منبع ولتاژ سری
اتصال سری منابع ولتاژ

اگر پلاریته دو منبع ولتاژ سری یکسان باشد، ولتاژ آن‌ها را با هم جمع می‌کنیم و اگر پلاریته آن‌ها با هم فرق کند، ولتاژ کوچکتر را از ولتاژ‌ بزرگتر کم می‌کنیم.

مثال ۱

دو منبع ولتاژ ایده‌آل 6 و 9 ولتی در مدار شکل زیر وجود دارد که به صورت سری وصل شده و یک بار 100 اهمی را تغذیه می‌کنند. ولتاژ منبع $$V_S$$‌، جریان گذرنده از مقاومت ($$I_R$$) و توان کلی را که در مقاومت تلف می‌شود به دست آورید.

مدار مقاومتی
مدار مقاومتی با منابع ولتاژ سری

بنابراین، داریم: $$V_S=15V$$، $$I_R=150mA$$ و $$P_R=2.23kW$$.

منبع ولتاژ غیرایده‌آل

از آن‌جایی که ولتاژ دو سر یک منبع ولتاژ ایده‌آل، با افزایش جریان بار تغییری نمی‌کند، مقاومت داخلی ندارد. در عمل، هنگامی که دو سر یک منبع ولتاژ را به یک بار وصل کنیم، با افزایش جریان، ولتاژ دو سر منبع کاهش می‌یابد. بنابراین می‌توان گفت منابع ولتاژ در حقیقت یک مقاومت داخلی بسیار کوچک دارند که برای جریان های بار بیشتر، ولتاژ دو سر منبع را کاهش می‌دهد.

منبع ایده‌آل و غیر ایده‌آل
منبع ولتاژ ایده‌آل و غیر ایده‌آل

مدار معادل منبع ولتاژ غیرایده‌آل، به نوعی مدار معادل تونن است که با یک منبع و مقاومت سری با آن نشان داده می‌شود. اندازه مقاومت داخلی، هرچقدر که باشد، در صورت برقراری جریان، ولتاژ دو سر منبع را کاهش خواهد داد، زیرا عبور جریان از این مقاومت سبب افت ولتاژ خواهد شد.

شکل زیر را در نظر بگیرید که در آن، طبق قانون KVL داریم: $$V_{OUT}=V_S-i*R_S$$. با این معادله، می‌توان مشخصه I-V ولتاژ خروجی واقعی را رسم کرد. این معادله، یک خط راست را نشان می‌دهد که شیب آن $$-R_S$$ است و محور عمودی را در نقطه $$V_S$$ قطع می‌کند. در این نقطه، جریان صفر است.

مشخصه منبع
مشخصه منبع ولتاژ غیرایده‌آل

کاهش شیب مشخصه I-V به دلیل افزایش جریان، به عنوان «تنظیم» شناخته می‌شود. تنظیم ولتاژ، یک سنجه مهم برای کیفیت منبع ولتاژ است که تغییرات ولتاژ دو سر منبع را در حالت بی‌باری (مدار باز) و بار کامل (اتصال کوتاه) اندازه می‌گیرد.

مثال 2

یک باتری، از منبع ولتاژ ایده‌آل سری با مقاومت درونی تشکیل شده است. ولتاژ و جریان اندازه‌گیری شده بین دو سر باتری به ترتیب $$V_{OUT1}=130V$$ در 10A و $$V_{OUT2}=100V$$ در 25A است. ولتاژ و مقاومت درونی منبع را محاسبه و مشخصه I-V‌ را رسم کنید.

ابتدا «معادله لحظه‌ای» را تعریف و مقادیر داده شده را در آن جایگذاری می‌کنیم. بنابراین داریم:

معادله مشخصه

برای به دست آوردن $$V_S$$، ابتدا معادلات فوق را در دو ضریب مختلف ضرب می‌کنیم تا اندازه ضریب $$R_S$$ در دو معادله برابر شود. حل معادله

سپس یکی از معادلات را منفی کرده و با جمع کردن دو معادله، می‌توانیم مقدار $$V_S$$ را  محاسبه کنیم:

محاسبه مقاومت

اکنون با داشتن $$V_S=150V$$، می‌توان مقدار $$R_S$$‌ را نیز محاسبه کرد:

مقاومت منبع

حال با محاسبه دو مقدار $$V_S$$‌و $$R_S$$ مشخصه I-V را در اختیار داریم.

مشخصه I-V
مشخصه I-V باتری

منبع ولتاژ وابسته

برخلاف منبع ولتاژ ایده‌آل که بدون توجه به حضور یا عدم حضور بار، ولتاژ ثابتی تولید می‌کند، اندازه ولتاژ دو سر یک منبع ولتاژ وابسته یا کنترل شده، به ولتاژ یا جریان یکی از اجزای مدار بستگی دارد.

منابع ولتاژ وابسته، مانند منابع مستقل ایده‌آل و غیرایده‌آل عمل می‌کنند و می‌توان آن‌ها را با ولتاژ یا جریان ورودی کنترل کرد. منبع ولتاژی که به ولتاژ ورودی وابسته است، «منبع ولتاژ کنترل شده با ولتاژ» (Voltage Controlled Voltage Source) یا VCVS نامیده می‌شود و منبعی که به جریان ورودی وابسته است، «منبع ولتاژ کنترل شده با جریان» (Current Controlled Voltage Source) یا CCVS نام دارد. منابع وابسته ایده‌آل، معمولاً برای تحلیل مشخصه ورودی/خروجی یا بهره اجزای مدار مانند تقویت‌کننده‌ها، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع به کار می‌روند. منبع ولتاژ یا منبع جریان وابسته را با یک لوزی نشان می‌دهیم.

منبع وابسته
نماد منبع ولتاژ وابسته

ولتاژ خروجی یک VCVS ایده‌آل، برابر با حاصلضرب یک ثابت (اساساً یک عامل تقویت) در ولتاژ مشخص نقطه‌ای از مدار است ($$V_{OUT}=\mu V_{IN}$$). به طریق مشابه، حاصلضرب یک ثابت در جریان قسمت نقطه معینی از مدار ($$V_{OUT}=\rho I_{IN}$$)، مقدار ولتاژ خروجی CCVS‌ را تعیین می‌کند.

جمع‌بندی

دیدیم که یک منبع ولتاژ، ممکن است مستقل یا وابسته باشد. منابع ولتاژ مستقل، یک ولتاژ ثابت را تامین می‌کنند که به هیچ کمیتی از مدار وابسته نیست. از منابع ولتاژ مستقل می‌توان به باتری‌ها، ژنرانورهای DC یا منابع ولتاژ AC اشاره کرد.

منابع ولتاژ مستقل، در دو دسته ایده‌آل با مقاومت درونی صفر و غیرایده‌آل دارای مقاومت درونی دسته‌بندی می شوند. منابع ولتاژ ایده‌آل را می‌توان به صورت سری یا موازی به یکدیگر وصل کرد. البته اتصال موازی منابع ولتاژ، تنها در صورتی امکان دارد که اندازه ولتاژ آن‌ها برابر باشد.

منابع ولتاژ وابسته را با نماد لوزی نشان می‌دهند و رابطه تناسبی با ولتاژها یا جریان‌هایی دارند که آن‌ها را کنترل می‌کنند. ضریب ثابت $$\mu$$ در یک VCVS واحدی ندارد، در حالی که واحد $$\rho$$ در یک CCVS، اهم است. منبع ولتاژ وابسته، رهیافت جذابی برای مدل کردن دستگاه‌های الکترونیک یا اکتیو مانند تقویت‌کننده‌های عملیاتی و ترانزیستورها است.

در آموزش بعدی، منابع جریان را بررسی خواهیم کرد.

برای آشنایی بیشتر با موضوعات مرتبط با این مقاله می‌توانید به آموزش‌های زیر مراجعه کنید:

^^

telegram
twitter

سید سراج حمیدی

«سید سراج حمیدی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه سیستم‌های فتوولتائیک و کاربردهای کنترل در قدرت بوده و، در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق و ریاضیات مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 2 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *