Or you want a quick look: Nguồn điện áp là gì
Chúng tôi đã thấy rằng có hai loại phần tử trong một mạch điện hoặc điện tử: phần tử thụ động và phần tử tích cực . Phần tử tích cực là phần tử có khả năng cung cấp năng lượng liên tục cho mạch, chẳng hạn như pin, máy phát điện, bộ khuếch đại thuật toán, v.v. Mặt khác, phần tử thụ động là các phần tử vật lý như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, v.v. mà không thể tự tạo ra năng lượng điện mà chỉ tiêu thụ nó. Có thể bạn chưa hiểu về Nguồn điện áp là gì vậy hãy đọc tiếp nhé.
Các loại phần tử mạch hoạt động quan trọng nhất đối với chúng ta là những phần tử cung cấp năng lượng điện cho các mạch hoặc mạng kết nối với chúng. Chúng được gọi là “nguồn điện” với hai loại nguồn điện là nguồn điện áp và nguồn dòng điện . Nguồn dòng điện thường ít phổ biến trong mạch điện hơn nguồn điện áp, nhưng cả hai đều được sử dụng và có thể được coi là bổ sung của nhau. Mình chắc các bạn đã hiểu dần ra Nguồn điện áp là gì ? rồi đúng k ạ.
Nguồn cung cấp điện hay đơn giản là “nguồn”, là một thiết bị cung cấp năng lượng điện cho mạch điện dưới dạng nguồn điện áp hoặc nguồn dòng điện. Cả hai loại nguồn điện đều có thể được phân loại là nguồn một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC), trong đó điện áp không đổi được gọi là điện áp một chiều và biến thiên hình sin theo thời gian được gọi là điện áp xoay chiều. Vì vậy, ví dụ, pin là nguồn DC và ổ cắm điện trên tường 230V hoặc ổ cắm điện trong nhà của bạn là nguồn AC.
Trước đó chúng ta đã nói rằng các nguồn điện cung cấp năng lượng, nhưng một trong những đặc điểm thú vị của nguồn điện là chúng cũng có khả năng chuyển đổi năng lượng phi điện thành năng lượng điện và ngược lại. Ví dụ, pin chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện, trong khi một máy điện như máy phát điện một chiều hoặc máy phát điện xoay chiều chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
Công nghệ tái tạo có thể chuyển đổi năng lượng từ mặt trời, gió và sóng thành năng lượng điện hoặc nhiệt. Nhưng cũng như việc chuyển đổi năng lượng từ nguồn này sang nguồn khác, các nguồn điện có thể cung cấp hoặc hấp thụ năng lượng cho phép nó chuyển động theo cả hai hướng.
Một đặc tính quan trọng khác của nguồn điện và một đặc tính xác định hoạt động của nó, là các đặc tính IV của nó. Đặc tính IV của nguồn điện có thể cho chúng ta một mô tả bằng hình ảnh rất đẹp về nguồn, có thể là nguồn điện áp và nguồn dòng điện như hình vẽ.
Nguồn điện
Nguồn điện, cả nguồn điện áp hoặc nguồn dòng điện có thể được phân loại là độc lập (lý tưởng) hoặc phụ thuộc , (được điều khiển) mà giá trị của nó phụ thuộc vào điện áp hoặc dòng điện ở nơi khác trong mạch, bản thân nó có thể là không đổi hoặc thay đổi theo thời gian.
Khi xử lý các định luật và phân tích mạch, các nguồn điện thường được coi là “lý tưởng”, đó là nguồn lý tưởng vì về mặt lý thuyết, nó có thể cung cấp một lượng năng lượng vô hạn mà không bị mất đi do đó có các đặc tính biểu diễn bằng một đường thẳng. Tuy nhiên, trong các nguồn thực tế hoặc thực tế luôn có một điện trở được kết nối song song đối với nguồn dòng hoặc nối tiếp đối với nguồn điện áp được kết hợp với nguồn ảnh hưởng đến đầu ra của nó.
Nguồn điện áp là gì
Nguồn điện áp, chẳng hạn như pin hoặc máy phát điện, cung cấp hiệu điện thế (hiệu điện thế) giữa hai điểm trong mạch điện cho phép dòng điện chạy xung quanh nó. Hãy nhớ rằng điện áp có thể tồn tại mà không cần dòng điện. Pin là nguồn điện áp chung nhất cho một đoạn mạch có điện áp xuất hiện trên các cực dương và cực âm của nguồn được gọi là điện áp ở cực.
Nguồn điện áp lý tưởng
Nguồn điện áp lý tưởng được định nghĩa là phần tử hoạt động ở hai đầu cực có khả năng cung cấp và duy trì cùng một điện áp, (v) trên các đầu của nó bất kể dòng điện (i) chạy qua nó. Nói cách khác, nguồn điện áp lý tưởng sẽ cung cấp điện áp không đổi tại mọi thời điểm bất kể giá trị của dòng điện được cung cấp tạo ra đặc tính IV được biểu diễn bằng một đường thẳng.
Khi đó, nguồn điện áp lý tưởng được gọi là Nguồn điện áp độc lập vì điện áp của nó không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện chạy qua nguồn hoặc hướng của nó mà chỉ được xác định bởi giá trị của riêng nguồn. Vì vậy, ví dụ, một pin ô tô có điện áp 12V không đổi miễn là dòng điện qua nó không trở nên cao, cung cấp năng lượng cho ô tô theo một hướng và hấp thụ điện theo hướng khác khi nó sạc.
Mặt khác, Nguồn điện áp phụ thuộc hoặc nguồn điện áp được điều khiển, cung cấp nguồn điện áp có cường độ phụ thuộc vào điện áp trên hoặc dòng điện chạy qua một số phần tử mạch khác. Nguồn điện áp phụ thuộc được biểu thị bằng hình kim cương và được sử dụng làm nguồn điện tương đương cho nhiều thiết bị điện tử, chẳng hạn như bóng bán dẫn và bộ khuếch đại thuật toán.
Kết nối các nguồn điện áp với nhau
Các nguồn điện áp lý tưởng có thể được kết nối song song hoặc nối tiếp với nhau giống như đối với bất kỳ phần tử mạch nào. Các điện áp nối tiếp cộng lại với nhau trong khi các điện áp song song có cùng giá trị. Lưu ý rằng các nguồn điện áp lý tưởng không bằng nhau không thể được nối song song trực tiếp với nhau.
Nguồn điện áp song song
Mặc dù không phải là phương pháp hay nhất để phân tích mạch, nhưng các nguồn điện áp lý tưởng có thể được kết nối song song với điều kiện chúng có cùng giá trị điện áp. Ở đây trong ví dụ này, hai nguồn điện áp 10 vôn được kết hợp để tạo ra 10 vôn giữa các đầu A và B. Lý tưởng nhất là chỉ có một nguồn điện áp 10 vôn duy nhất được đưa ra giữa các đầu A và B.
Điều không được phép hoặc không được thực hành tốt nhất là kết nối với nhau các nguồn điện áp lý tưởng có các giá trị điện áp khác nhau như hình minh họa, hoặc bị ngắn mạch bởi một nhánh hoặc vòng kín bên ngoài.
Nguồn điện áp được kết nối kém
Tuy nhiên, khi xử lý phân tích mạch, có thể sử dụng các nguồn điện áp có giá trị khác nhau với điều kiện có các phần tử mạch khác ở giữa chúng tuân theo Luật điện áp của Kirchoff, KVL.
Không giống như các nguồn điện áp được kết nối song song, các nguồn điện áp lý tưởng có giá trị khác nhau có thể được kết nối với nhau theo chuỗi để tạo thành một nguồn điện áp duy nhất mà đầu ra sẽ là phép cộng hoặc trừ đại số của điện áp được sử dụng. Kết nối của chúng có thể là: điện áp hỗ trợ nối tiếp hoặc đối kháng nối tiếp như hình minh họa.
Nguồn điện áp nối tiếp
Nguồn điện áp nối tiếp là nguồn nối tiếp nối tiếp với các cực của chúng được kết nối sao cho cực cộng của một đầu nối được nối với cực âm của đầu nối tiếp theo cho phép dòng điện chạy theo cùng một hướng. Trong ví dụ trên, có thể mắc thêm hai hiệu điện thế 10V và 5V của đoạn mạch thứ nhất, cho V S là 10 + 5 = 15V. Vậy hiệu điện thế trên hai đầu A và B là 15 vôn.
Nguồn điện áp đối kháng nối tiếp là nguồn nối tiếp nối tiếp có các cực của chúng được kết nối sao cho cực dương hoặc cực âm được kết nối với nhau như thể hiện trong mạch thứ hai ở trên. Kết quả thực là các điện áp được trừ cho nhau. Khi đó hai hiệu điện thế 10V và 5V của đoạn mạch thứ hai bị trừ đi hiệu điện thế nhỏ hơn trừ hiệu điện thế lớn hơn. Dẫn đến V S là 10 – 5 = 5V.
Cực tính giữa các đầu A và B được xác định bởi cực tính lớn hơn của các nguồn điện áp, trong ví dụ này, đầu A là dương và đầu B là âm dẫn đến +5 vôn. Nếu các điện áp đối đầu nối tiếp bằng nhau, thì điện áp thuần trên A và B sẽ bằng không vì một điện áp này cân bằng với điện áp kia. Ngoài ra, bất kỳ dòng điện nào (I) cũng sẽ bằng 0, vì không có bất kỳ nguồn điện áp nào, dòng điện không thể chạy.
Ví dụ số 1 Nguồn điện áp là gì
Mắc nối tiếp hai nguồn điện áp lý tưởng có giá trị tương ứng là 6 vôn và 9 vôn với nhau để tạo ra điện trở tải 100 Ohms. Hãy tính: hiệu điện thế nguồn, V S , cường độ dòng điện tải qua điện trở, I R và công suất toàn phần, P do biến trở tiêu tán. Vẽ mạch điện.
Như vậy, V S = 15V, I R = 150mA hoặc 0,15A, và P R = 2,25W.
Nguồn điện áp là gì thực tế
Chúng ta đã thấy rằng một nguồn điện áp lý tưởng có thể cung cấp một nguồn điện áp không phụ thuộc vào dòng điện chạy qua nó, tức là nó luôn duy trì cùng một giá trị điện áp. Ý tưởng này có thể hoạt động tốt đối với các kỹ thuật phân tích mạch, nhưng trong thực tế các nguồn điện áp hoạt động hơi khác so với nguồn điện áp thực tế, điện áp đầu cuối của nó thực sự sẽ giảm khi dòng tải tăng lên.
Vì điện áp đầu cuối của nguồn điện áp lý tưởng không thay đổi khi dòng tải tăng lên, điều này ngụ ý rằng nguồn điện áp lý tưởng có điện trở trong bằng không, R S = 0. Nói cách khác, nó là nguồn điện áp không có điện trở. Trong thực tế, tất cả các nguồn điện áp có điện trở bên trong rất nhỏ, điều này làm giảm điện áp đầu cuối của chúng khi chúng cung cấp dòng tải cao hơn.
Đối với nguồn điện áp không lý tưởng hoặc thực tế như pin, điện trở trong của chúng (R S ) tạo ra hiệu ứng giống như điện trở mắc nối tiếp với nguồn điện áp lý tưởng vì hai phần tử mắc nối tiếp này mang cùng dòng điện như hình vẽ.
Nguồn điện áp lý tưởng và thực tế
Bạn có thể nhận thấy rằng nguồn điện áp thực tế gần giống với nguồn điện áp tương đương của Thevenin vì định lý Thevenin phát biểu rằng “bất kỳ mạng tuyến tính nào chứa điện trở và nguồn của sức điện động và dòng điện đều có thể được thay thế bằng một nguồn điện áp duy nhất, V S mắc nối tiếp với một điện trở, R S “. Lưu ý rằng nếu điện trở nguồn nối tiếp thấp thì nguồn điện áp là lý tưởng. Khi điện trở của nguồn là vô hạn thì nguồn điện áp hở mạch.
Trong trường hợp của tất cả các nguồn điện áp thực hoặc thực tế, điện trở trong này, R S, dù nhỏ đến đâu cũng có ảnh hưởng đến đặc tính IV của nguồn khi điện áp đầu cuối giảm khi dòng tải tăng. Điều này là do tải cùng một dòng điện chạy qua R S .
Định luật Ohms cho chúng ta biết rằng khi một dòng điện, (i) chạy qua một điện trở, thì điện áp sẽ giảm trên cùng một điện trở đó. Giá trị của điện áp rơi này được cho là i * R S . Khi đó V OUT sẽ bằng nguồn điện áp lý tưởng, V S trừ đi điện áp i * R S trên điện trở. Hãy nhớ rằng trong trường hợp của một nguồn điện áp lý tưởng, R S là bằng không vì không có nội trở, do đó điện áp 2 đầu là giống như V S .
Sau đó tổng điện áp xung quanh vòng lặp do pháp luật Kirchoff điện áp của, KVL là: V OUT = V S – i * R S . Phương trình này có thể được vẽ để đưa ra các đặc tính IV của điện áp đầu ra thực tế. Nó sẽ cho một đường thẳng có hệ số góc –R S cắt trục điện áp thẳng đứng tại điểm trùng với V S khi cường độ dòng điện i = 0 như hình vẽ.
Đặc điểm nguồn điện áp thực tế
Do đó, tất cả các nguồn điện áp lý tưởng sẽ có đặc tính đường thẳng IV nhưng các nguồn điện áp thực tế không lý tưởng hoặc thực tế thì không mà thay vào đó sẽ có đặc tính IV hơi chếch xuống một lượng bằng i * R S trong đó R S là nội trở nguồn (hoặc trở kháng). Đặc tính IV của pin thực cung cấp giá trị gần đúng với nguồn điện áp lý tưởng vì điện trở nguồn R S thường khá nhỏ.
Sự giảm góc của độ dốc của các đặc tính IV khi dòng điện tăng lên được gọi là sự điều chỉnh. Điều chỉnh điện áp là một thước đo quan trọng để đánh giá chất lượng của nguồn điện áp thực tế vì nó đo sự biến thiên của điện áp đầu cuối giữa không tải, đó là khi I L = 0, (mạch hở) và đầy tải, đó là khi I L là ở mức tối đa, (ngắn mạch).
Ví dụ số 2 Nguồn điện áp là gì
Nguồn điện gồm một nguồn điện áp lí tưởng mắc nối tiếp với một điện trở trong. Điện áp và dòng điện đo được ở các cực của pin được tìm thấy là V OUT1 = 130V ở 10A và V OUT2 = 100V ở 25A. Tính hiệu điện thế của nguồn điện áp lý tưởng và giá trị của điện trở trong của nó. Rút ra các đặc điểm IV.
Đầu tiên, hãy xác định ở dạng đơn giản ” dạng phương hệ phương “, hai đầu ra điện áp và dòng điện của nguồn cung cấp pin được cho là: V OUT1 và V OUT2 .
Giống như với điện áp và dòng điện ở dạng hệ phương trình, để tìm V S, trước tiên chúng ta sẽ nhân V OUT1 với năm, (5) và V OUT2 với hai, (2) như được hiển thị để tạo ra giá trị của hai dòng điện, ( i) giống nhau cho cả hai phương trình.
Sau khi làm cho hiệu của R S giống nhau bằng cách nhân với các hằng số trước đó, bây giờ chúng ta nhân phương trình thứ hai V OUT2 với trừ một, (-1) để cho phép trừ hai phương trình để chúng ta có thể giải V S như hình vẽ.
Biết rằng nguồn lý tưởng điện áp, V S tương đương với 150 volt, chúng ta có thể sử dụng giá trị này cho phương trình V OUT1 (hoặc V OUT2 nếu có thì muốn) và giải quyết để tìm ra điện trở nối tiếp, R S .
Sau đó, đối với ví dụ đơn giản của chúng tôi, nguồn điện áp bên trong của pin được tính là: V S = 150 volt, và điện trở bên trong của nó là: R S = 2Ω. Các đặc tính IV của pin được đưa ra như:
Đặc tuyến I-V của Pin
Nguồn điện áp phụ thuộc
Không giống như nguồn điện áp lý tưởng tạo ra điện áp không đổi trên các đầu nối của nó bất kể thứ được kết nối với nó, nguồn điện áp được điều khiển hoặc phụ thuộc sẽ thay đổi điện áp đầu cuối của nó tùy thuộc vào điện áp trên hoặc dòng điện qua, một số phần tử khác được kết nối với mạch, và như vậy, đôi khi rất khó xác định giá trị của nguồn điện áp phụ thuộc, trừ khi bạn biết giá trị thực của điện áp hoặc dòng điện mà nó phụ thuộc vào.
Nguồn điện áp phụ thuộc hoạt động tương tự như các nguồn điện mà chúng ta đã xem xét cho đến nay, cả thực tế và lý tưởng (độc lập), sự khác biệt lần này là nguồn điện áp phụ thuộc có thể được điều khiển bởi dòng điện đầu vào hoặc điện áp. Nguồn điện áp phụ thuộc vào đầu vào điện áp thường được gọi là Nguồn điện áp điều khiển bằng điện áp hoặc VCVS . Nguồn điện áp phụ thuộc vào đầu vào dòng điện cũng được gọi là Nguồn điện áp được kiểm soát dòng điện hoặc CCVS .
Các nguồn phụ thuộc lý tưởng thường được sử dụng để phân tích các đặc tính đầu vào / đầu ra hoặc độ lợi của các phần tử mạch như bộ khuếch đại thuật toán, bóng bán dẫn và mạch tích hợp. Nói chung, một nguồn phụ thuộc điện áp lý tưởng, được điều khiển bằng điện áp hoặc dòng điện được chỉ định bằng ký hiệu hình thoi như hình bên.
Ký hiệu nguồn điện áp phụ thuộc – Nguồn điện áp là gì
Nguồn điện áp điều khiển phụ thuộc lý tưởng, VCVS, duy trì điện áp đầu ra bằng một hằng số nhân nào đó (về cơ bản là hệ số khuếch đại) nhân với điện áp điều khiển hiện diện ở nơi khác trong mạch. Vì hằng số nhân, tốt, là một hằng số, nên điện áp điều khiển, V IN sẽ xác định độ lớn của điện áp đầu ra, V OUT . Nói cách khác, điện áp đầu ra “phụ thuộc” vào giá trị của điện áp đầu vào khiến nó trở thành nguồn điện áp phụ thuộc và theo nhiều cách, một máy biến áp lý tưởng có thể được coi như một thiết bị VCVS với hệ số khuếch đại là tỷ số vòng của nó.
Khi đó điện áp đầu ra VCVS được xác định theo phương trình sau: V OUT = μV IN . Lưu ý rằng hằng số nhân μ không có thứ nguyên vì nó hoàn toàn là một hệ số tỷ lệ vì μ = V OUT / V IN , vì vậy đơn vị của nó sẽ là vôn / vôn.
Nguồn điện áp điều khiển dòng điện phụ thuộc lý tưởng, CCVS, duy trì điện áp đầu ra bằng một số hằng số nhân (rho) với đầu vào dòng điện điều khiển được tạo ra ở nơi khác trong mạch được kết nối. Sau đó, điện áp đầu ra “phụ thuộc” vào giá trị của dòng điện đầu vào, một lần nữa làm cho nó trở thành nguồn điện áp phụ thuộc.
Là một dòng điện điều khiển, I IN xác định độ lớn của điện áp đầu ra, V OUT nhân với hằng số khuếch đại ρ (rho), điều này cho phép chúng ta tạo lập mô hình nguồn điện áp điều khiển dòng điện như một bộ khuếch đại điện trở với hằng số nhân ρ cho ta được phương trình sau: V OUT = ρI IN . Hằng số nhân ρ (rho) này có đơn vị là Ohm vì ρ = V OUT / I IN , và đơn vị của nó do đó sẽ là vôn / ampe.
Tóm tắt nguồn điện áp là gì
Ở đây chúng ta đã thấy rằng Nguồn điện áp là gì nó có thể là nguồn điện áp độc lập lý tưởng hoặc nguồn điện áp phụ thuộc có điều khiển. Nguồn điện áp độc lập cung cấp một điện áp không đổi không phụ thuộc vào bất kỳ đại lượng nào khác trong mạch. Các nguồn độc lập lý tưởng có thể là pin, máy phát điện một chiều hoặc nguồn cung cấp điện áp xoay chiều thay đổi theo thời gian từ máy phát điện xoay chiều.
Nguồn điện áp độc lập có thể được mô hình hóa như một nguồn điện áp lý tưởng, (R S = 0) trong đó đầu ra là không đổi đối với tất cả các dòng tải, hoặc không lý tưởng hoặc thực tế, chẳng hạn như pin có điện trở mắc nối tiếp với mạch để biểu diễn nội trở của nguồn. Các nguồn điện áp lý tưởng chỉ có thể được nối song song với nhau khi chúng có cùng giá trị điện áp. Các kết nối hỗ trợ nối tiếp hoặc đối lập nối tiếp sẽ ảnh hưởng đến giá trị đầu ra.
Ngoài ra để giải phân tích mạch và các định lý phức tạp, các nguồn điện áp trở thành nguồn ngắn mạch làm cho điện áp của chúng bằng 0 để giúp giải quyết mạng. Cũng lưu ý rằng các nguồn điện áp có khả năng phân phối hoặc hấp thụ điện năng.
Các nguồn điện áp phụ thuộc lý tưởng được biểu thị bằng biểu tượng hình thoi, phụ thuộc vào và tỷ lệ thuận với điện áp hoặc dòng điện điều khiển bên ngoài. Hằng số nhân, μ đối với VCVS không có đơn vị, trong khi hằng số nhân ρ đối với CCVS có đơn vị là Ohm. Nguồn điện áp phụ thuộc rất được quan tâm để tạo mô hình các thiết bị điện tử hoặc thiết bị hoạt động như bộ khuếch đại thuật toán và bóng bán dẫn có độ lợi.
Trong hướng dẫn tiếp theo về nguồn điện một chiều, chúng ta sẽ xem xét nguồn dòng điện và thấy rằng các nguồn dòng điện cũng có thể được phân loại là nguồn điện phụ thuộc hoặc độc lập.
