Inżynierowie elektrycy wykorzystują energię elektryczną do wykonywania użytecznych zadań poprzez projektowanie obwodów, w których napięcia i prądy są kontrolowane, modyfikowane i wykorzystywane przez wiele różnych komponentów. Te napięcia i prądy reprezentują energię: obwód jest systemem energetycznym, w którym napięcie funkcjonuje jak energia potencjalna, a prąd jest podobny do energii kinetycznej. Komponenty, które włączamy do obwodów elektrycznych nie mogą kontrolować i wykorzystywać energii elektrycznej, jeśli coś nie generuje energii elektrycznej, dlatego też obwody posiadają źródła napięcia i źródła prądu. Nazywamy te elementy źródłami, ponieważ dostarczają one do obwodu energię elektryczną, która jest wymagana do prawidłowego funkcjonowania.
Charakterystyka źródeł napięcia
Źródło napięcia generuje różnicę potencjałów pomiędzy swoimi dwoma zaciskami. Kiedy te dwa zaciski są połączone z siecią połączonych komponentów, które tworzą ciągłą ścieżkę przewodzącą, prąd będzie płynął.
Proste obwody elektryczne często składają się z jednego źródła napięcia połączonego z kilkoma komponentami. W takich sytuacjach ujemny zacisk źródła jest interpretowany jako zerowoltowy węzeł odniesienia, a co za tym idzie, węzeł podłączony do dodatniego zacisku źródła będzie miał napięcie równe wartości źródła.
Jednakże należy pamiętać, że źródła napięcia mogą zajmować różne pozycje w sieci elektrycznej, a co za tym idzie, zacisk ujemny nie zawsze będzie na poziomie 0 V. Na przykład:
Więc, wartość źródła nie zawsze wskazuje napięcie na dodatnim zacisku; raczej wartość źródła wskazuje różnicę w napięciu pomiędzy ujemnym zaciskiem źródła a dodatnim zaciskiem źródła.
Jednostki
Wartość źródła napięcia jest różnicą potencjałów wytworzoną pomiędzy dwoma zaciskami źródła, i w konsekwencji wartość jest podawana w woltach. Jeden wolt jest równy jednemu dżulowi na jeden coulomb. Tak więc napięcie wskazuje ilość energii potencjalnej przypadającej na jeden coulomb ładunku elektrycznego. Mówiąc praktycznie, jeżeli źródło 5 V i źródło 10 V są podłączone do dwóch identycznych obwodów, źródło 10 V napędza ładunek elektryczny z dwa razy większą energią i w konsekwencji wytworzy dwa razy większy prąd.
Idealne źródła napięcia
Kiedy symbol źródła napięcia pojawia się na schemacie, reprezentuje on idealne źródło napięcia. Przez „idealne” rozumiemy, że napięcie generowane przez źródło nigdy się nie zmienia i nie ma na nie wpływu wielkość prądu pobieranego przez obwód. Rzeczywiste źródła napięcia nigdy nie są idealne.
Często zdarza się, że ta różnica między teorią a rzeczywistością nie ma znaczącego wpływu na działanie obwodu i dlatego może być ignorowana. Czasami jednak musimy wprowadzić dodatkowe elementy obwodu, aby uwzględnić nieidealną charakterystykę rzeczywistych źródeł napięcia.
Charakterystyka źródeł prądu
Źródło prądu wytwarza określoną ilość prądu elektrycznego w części obwodu. Wartość źródła prądu jest wielkością przepływu prądu tworzonego przez źródło, a symbol zawiera strzałkę wskazującą kierunek prądu.
Kiedy widzisz źródło prądu na schemacie obwodu, wiesz, że ścieżka przewodząca podłączona do źródła prądu będzie miała przepływ prądu równy wartości źródła. Jeśli ta ścieżka rozdziela się na wiele gałęzi, jak pokazano na poniższym schemacie, musisz wykonać analizę obwodu, aby określić część prądu źródła, która jest dostarczana do każdej gałęzi.
Jednostki
Wartość źródła prądu jest podawana w amperach. Jednostka ta mówi nam o szybkości, z jaką ładunek elektryczny przepływa przez dany punkt w obwodzie. Jeśli mierzymy prąd o wartości jednego ampera, wiemy, że jeden kulomb ładunku przepływa przez dowolny punkt mierzonej gałęzi w każdej sekundzie.
Idealne źródła prądu
Idealne źródło prądu zawsze generuje dokładny prąd znamionowy i nie ma na niego wpływu charakterystyka obwodu, do którego jest podłączone. Rzeczywiste źródła prądu, podobnie jak rzeczywiste źródła napięcia, są nieidealne i muszą być reprezentowane przez idealne źródło w połączeniu z co najmniej jednym dodatkowym elementem.
Przykłady źródeł napięciowych i prądowych
Gdy analizujemy i projektujemy podstawowe obwody, widzimy źródła napięciowe znacznie częściej niż prądowe, ponieważ systemy elektroniczne są zazwyczaj zasilane przez baterie lub regulowane zasilacze prądu stałego, a oba te źródła funkcjonują jako źródła napięcia.
Nie widzimy zazwyczaj źródeł prądowych jako głównych dostawców energii elektrycznej w obwodzie. Są one częściej środkiem do uchwycenia zachowania komponentów obwodu, takich jak światłoczułe diody i tranzystory. Wyjątkiem jest ogniwo fotowoltaiczne, które jest modelowane jako źródło prądowe (w połączeniu z kilkoma innymi komponentami) i może funkcjonować jako podstawowe źródło energii dla obwodu zasilanego energią słoneczną.
Wniosek
Ta krótka dyskusja na temat źródeł napięcia i prądu dała Ci kilka podstawowych informacji na temat tych dwóch podstawowych sposobów wprowadzania energii elektrycznej do obwodu. W kolejnych samouczkach wideo przyjrzymy się różnicy między źródłami zależnymi i niezależnymi oraz zależnościom między źródłami napięcia prądu zmiennego (AC) i stałego (DC).