Voltaj Kaynağı

Voltaj kaynağı, teorik olarak yük akımından bağımsız olarak değişmeyen kesin bir çıkış voltajı üreten bir cihazdır.

Bir elektrik veya elektronik devresinde iki tür eleman olduğunu gördük : pasif elemanlar ve aktif elemanlar. Aktif eleman, pil, jeneratör, işlemsel yükselteç vb. gibi bir devreye sürekli olarak enerji sağlayabilen elemandır. Pasif eleman ise dirençler, kondansatörler, indüktörler vb. gibi fiziksel elemanlardır. elektrik enerjisini kendi kendine üretemez, sadece tüketir.

Bizim için en önemli olan aktif devre elemanları türleri, bunlara bağlı devrelere veya şebekelere elektrik enerjisi sağlayanlardır. Bunlara, voltaj kaynağı ve akım kaynağı olmak üzere iki tür elektrik kaynağı ile “elektrik kaynakları” denir. Akım kaynağı genellikle devrelerde voltaj kaynağından daha az yaygındır, ancak her ikisi de kullanılır ve birbirinin tamamlayıcısı olarak kabul edilebilir.

Bir elektrik kaynağı veya basitçe “bir kaynak”, bir devreye bir voltaj kaynağı veya bir akım kaynağı şeklinde elektrik gücü sağlayan bir cihazdır. Her iki elektrik kaynağı türü de, sabit bir voltajın DC voltajı olarak adlandırıldığı ve zamanla sinüzoidal olarak değişen bir AC voltajı olarak adlandırılan doğrudan (DC) veya alternatif (AC) bir kaynak olarak sınıflandırılabilir. Örneğin piller DC kaynaklarıdır ve evinizdeki 230V duvar prizi veya elektrik prizi bir AC kaynağıdır.

Daha önce elektrik kaynaklarının enerji sağladığını söylemiştik, ancak bir elektrik kaynağının ilginç özelliklerinden biri de elektrik dışı enerjiyi elektrik enerjisine veya tam tersine çevirebilmeleridir. Örneğin, bir pil kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürken, DC jeneratör veya AC alternatör gibi bir elektrik makinesi mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.

Yenilenebilir teknolojiler güneşten, rüzgardan ve dalgalardan gelen enerjiyi elektrik veya termal enerjiye dönüştürebilir. Ancak, elektrik kaynakları, enerjiyi bir kaynaktan diğerine dönüştürmenin yanı sıra, her iki yönde de akmasına izin vererek enerjiyi hem iletebilir hem de emebilir.

Bir elektrik kaynağının ve çalışmasını tanımlayan bir diğer önemli özelliği de IV özellikleridir. Bir elektrik kaynağının IV özelliği, gösterildiği gibi bir voltaj kaynağı ve bir akım kaynağı olarak bize kaynağın çok güzel bir resimli tanımını verebilir.

Elektrik Kaynakları

Hem voltaj kaynağı hem de akım kaynağı olarak elektrik kaynakları, bağımsız (ideal) veya bağımlı , (kontrollü) olarak sınıflandırılabilir; bu, değeri devrenin başka bir yerindeki bir voltaja veya akıma bağlı olup zamanla değişebilir ya da sabit olabilir.

Devre kuralları ve analizi ile uğraşırken, elektrik kaynakları genellikle “ideal” olarak kabul edilir, yani kaynak idealdir çünkü teorik olarak kayıpsız sonsuz miktarda enerji iletebilir ve dolayısıyla düz bir çizgi ile temsil edilen özelliklere sahip olabilir. Bununla birlikte, gerçek veya pratik kaynaklarda, her zaman bir akım kaynağı için paralel bağlanmış veya çıkışını etkileyen kaynakla ilişkili bir voltaj kaynağı için seri bağlanmış bir direnç vardır.

Voltaj Kaynağı

Pil veya jeneratör gibi bir voltaj kaynağı, akımın etrafından akmasına izin veren bir elektrik devresi içindeki iki nokta arasında potansiyel bir fark (voltaj) sağlar. Gerilimin akım olmadan da var olabileceğini unutmayın. Bir pil, kaynağın pozitif ve negatif terminallerinde görünen voltaj terminal voltajı olarak adlandırılan bir devre için en yaygın voltaj kaynağıdır.

İdeal Voltaj Kaynağı

İdeal bir gerilim kaynağı, (i) içinden geçen akımdan bağımsız olarak terminalleri boyunca aynı gerilimi sağlama ve sürdürme yeteneğine sahip iki terminalli aktif eleman olarak tanımlanır. Başka bir deyişle, ideal bir voltaj kaynağı, düz bir çizgi ile temsil edilen bir IV karakteristiği üreten sağlanan akımın değerinden bağımsız olarak her zaman sabit bir voltaj sağlayacaktır.

Daha sonra ideal bir voltaj kaynağı Bağımsız Voltaj Kaynağı olarak bilinir, çünkü voltajı kaynaktan geçen akımın değerine veya yönüne bağlı değildir, yalnızca kaynağın değeri ile belirlenir. Örneğin, bir otomobil aküsü, içinden geçen akım yükselmediği sürece sabit kalan, araca bir yönde güç sağlayan ve şarj olurken diğer yönde gücü emen 12V’luk bir terminal voltajına sahiptir.

Öte yandan, bir Bağımlı Voltaj Kaynağı veya kontrollü bir gerilim kaynağı, büyüklüğü ya üzerindeki gerilime ya da başka bir devre elemanından geçen akıma bağlı olan bir gerilim kaynağı sağlar. Bağımlı bir voltaj kaynağı bir elmas şekliyle gösterilir ve transistörler ve işlemsel yükselteçler gibi birçok elektronik cihaz için eşdeğer elektrik kaynakları olarak kullanılır.

Gerilim Kaynaklarını Birlikte Bağlama

İdeal voltaj kaynakları, herhangi bir devre elemanında olduğu gibi hem paralel hem de seri olarak birbirine bağlanabilir. Seri voltajlar birbirine eklenirken paralel voltajlar aynı değere sahiptir. Eşit olmayan ideal voltaj kaynaklarının paralel olarak doğrudan birbirine bağlanamayacağını unutmayın.

Paralel Gerilim Kaynağı

Devre analizi için en iyi uygulama olmasa da, aynı voltaj değerinde olmaları koşuluyla ideal voltaj kaynakları paralel bağlanabilir. Bu örnekte, A ve B terminalleri arasında 10 volt üretmek için iki adet 10 voltluk voltaj kaynağı birleştirilmiştir. İdeal olarak, A ve B terminalleri arasında verilen 10 voltluk tek bir voltaj kaynağı olacaktır.

İzin verilmeyen veya en iyi uygulama olmayan, gösterildiği gibi farklı voltaj değerlerine sahip ideal voltaj kaynaklarını birbirine bağlamak veya harici bir kapalı döngü veya dal tarafından kısa devre yapılmasıdır.

Kötü Bağlanmış Gerilim Kaynakları

Bununla birlikte, devre analizi ile uğraşırken, Kirchoff’un Gerilim Yasası, KVL’ye uymak için aralarında başka devre elemanları olması koşuluyla farklı değerlerdeki gerilim kaynakları kullanılabilir.

Paralel bağlı gerilim kaynaklarından farklı olarak, farklı değerlerdeki ideal gerilim kaynakları, çıkışı kullanılan gerilimlerin cebirsel olarak toplanması veya çıkarılması olacak tek bir gerilim kaynağı oluşturmak için seri olarak birbirine bağlanabilir. Bağlantıları şu şekilde olabilir: gösterildiği gibi seri yardımcı veya seri zıt voltajlar.

Seri Gerilim Kaynağı

Seri yardımcı gerilim kaynakları, kutupları birbirine bağlanmış, böylece birinin artı terminali bir sonrakinin negatif terminaline bağlanarak akımın aynı yönde akmasına izin verecek şekilde seri bağlı kaynaklardır. Yukarıdaki örnekte , 10 + 5 = 15V’luk bir V _S için ilk devrenin 10V ve 5V’luk iki voltajı eklenebilir . Yani A ve B terminallerindeki voltaj 15 volttur.

Seri karşıt gerilim kaynakları, polariteleri, artı terminal veya negatif terminaller yukarıdaki ikinci devrede gösterildiği gibi birbirine bağlanacak şekilde bağlanan seri bağlı kaynaklardır. Net sonuç, gerilimlerin birbirinden çıkarılmasıdır. Daha sonra, ikinci devrenin 10V ve 5V’luk iki voltajı, daha büyük voltajdan daha küçük voltaj çıkarılarak çıkarılır. 10 – 5 = 5V’luk bir V _S ile sonuçlanır .

A ve B terminalleri arasındaki polarite, voltaj kaynaklarının daha büyük polaritesi ile belirlenir, bu örnekte terminal A pozitiftir ve terminal B negatiftir ve +5 volt ile sonuçlanır. Seri karşıt voltajlar eşitse, bir voltaj diğerini dengelediğinden A ve B’deki net voltaj sıfır olacaktır. Ayrıca herhangi bir akım (I) da sıfır olacaktır, çünkü herhangi bir voltaj kaynağı olmadan akım akamaz.

Gerilim Kaynağı Soru Örneği 1

100 Ohm’luk bir yük direnci sağlamak için sırasıyla 6 volt ve 9 voltluk ideal voltaj kaynaklarına yardımcı olan iki seri birbirine bağlanır. 

kaynak gerilimi, V _S , dirençten geçen yük akımı, I _R ve direnç tarafından harcanan toplam güç, P’yi hesaplayın ve devreyi çizin:

Böylece, V _S  = 15V, I _R  = 150mA veya 0.15A ve P _R  = 2.25W.

Pratik Gerilim Kaynağı

İdeal bir gerilim kaynağının, içinden geçen akımdan bağımsız bir gerilim kaynağı sağlayabildiğini, yani her zaman aynı gerilim değerini koruduğunu gördük. Bu fikir devre analizi teknikleri için iyi çalışabilir, ancak gerçek dünyadaki voltaj kaynakları, pratik bir voltaj kaynağından biraz farklı davranır, terminal voltajı aslında yük akımındaki bir artışla azalacaktır.

İdeal bir voltaj kaynağının terminal voltajı, yük akımındaki artışlarla değişmediğinden, bu, ideal bir voltaj kaynağının sıfır iç dirence sahip olduğu anlamına gelir, R _S  = 0. Diğer bir deyişle, dirençsiz bir voltaj kaynağıdır. Gerçekte tüm voltaj kaynakları, daha yüksek yük akımları sağladıkları için terminal voltajlarını azaltan çok küçük bir iç dirence sahiptir.

İdeal olmayan veya pil gibi pratik voltaj kaynakları için, iç direnci (R _S ) gösterildiği gibi bağlanır elemanlar aynı akım taşıyan bu iki seri olarak ideal bir gerilim kaynağı ile seri bağlanmış bir direnç olarak aynı etkiyi meydana getirir.

İdeal ve Pratik Gerilim Kaynağı

Pratik bir voltaj kaynağının Thevenin’in eşdeğer devresine çok benzediğini fark etmişsinizdir, çünkü Thevenin teoremi “dirençler ve emk ve akım kaynakları içeren herhangi bir lineer ağ, tek bir voltaj kaynağı ile değiştirilebilir, V _S tek bir voltaj kaynağı ile seri olarak değiştirilebilir. direnç, R _S ”. Seri kaynak direnci düşükse, voltaj kaynağının ideal olduğunu unutmayın. Kaynak direnci sonsuz olduğunda, voltaj kaynağı açık devredir.

Tüm gerçek veya pratik voltaj kaynakları durumunda, bu dahili direnç, R _S ne kadar küçük olursa olsun, yük akımındaki bir artışla terminal voltajı düştüğü için kaynağın IV özelliği üzerinde bir etkisi vardır. Bunun nedeni, aynı yük akımının R _S üzerinden akmasıdır .

Ohm kanunu bize bir akım (i) bir dirençten geçtiğinde, aynı direnç boyunca bir voltaj düşüşü oluştuğunu söyler. Bu voltaj düşüşünün değeri i*R _S olarak verilir . O zaman V _OUT , ideal voltaj kaynağına, V _S eksi direnç boyunca i*R _S voltaj düşüşüne eşit olacaktır. İdeal bir kaynak voltajı durumunda, dahili direnç olmadığından R _S‘nin sıfıra eşit olduğunu, dolayısıyla terminal voltajının V _S ile aynı olduğunu unutmayın .

O halde, Kirchoff’un voltaj kanunu KVL tarafından verilen döngü etrafındaki voltaj toplamı: V _OUT  = V _S  – i*R _S . Bu denklem, gerçek çıkış voltajının IV özelliklerini verecek şekilde çizilebilir. Gösterildiği gibi akım i = 0 olduğunda V _{S ile} aynı noktada dikey gerilim eksenini kesen –R _S eğimli düz bir çizgi verecektir .

Pratik Voltaj Kaynağı Karakteristikleri

Bu nedenle, tüm yere gerilim kaynakları hafif bir miktar ile açılanması bir IV karakteristiğine sahip olacaktır, ancak bunun yerine bir düz çizgi IV karakteristiğini ama ideal olmayan ya da gerçek pratik gerilim kaynakları olacaktır ı ve R * için eşit _S burada R _S olduğu dahili kaynak direnci (veya empedans). Gerçek bir pilin IV özellikleri, kaynak direnci R _S genellikle oldukça küçük olduğundan, ideal bir voltaj kaynağına çok yakın bir yaklaşım sağlar .

IV karakteristiklerinin eğim açısındaki azalma akım arttıkça regülasyon olarak bilinir. Bu ne zaman hiçbir yük arasında uç geriliminin değişimini ölçer olarak gerilim düzenleme pratik gerilim kaynağının kalitesinin önemli bir ölçüsüdür _L  olduğu = 0, (açık devre) ve tam yük ne zaman _L olduğu maksimumda, (kısa devre).

Gerilim Kaynağı Soru Örneği 2

Bir pil kaynağı, dahili bir dirençle seri olarak ideal bir voltaj kaynağından oluşur. Akü terminallerinde ölçülen voltaj ve akım  10A’da V _OUT1 = 130V  , 25A’da V _OUT2 = 100V olarak bulunmuştur. İdeal gerilim kaynağının gerilim derecesini ve iç direncinin değerini hesaplayın. IV karakteristiklerini çizin.

Öncelikle basit “ eşzamanlı denklem şeklinde ”, akü beslemesinin iki voltaj ve akım çıkışını V _OUT1 ve V _OUT2 olarak tanımlayalım .

Gerilimler ve akımlar eşzamanlı bir denklem biçiminde olduğu gibi, V _S‘yi bulmak için önce V _OUT1‘i beş, (5) ve V _OUT2‘yi iki ile çarpacağız , (2) iki akımın değerini yapmak için gösterildiği gibi, (i) her iki denklem için de aynıdır.

İdeal voltaj kaynağının, V _S’nin 150 volta eşit olduğunu bilerek, bu değeri V _OUT1 (veya istenirse V _OUT2 ) denklemi için kullanabilir ve seri direnci R _S bulmak için çözebiliriz .

Daha sonra basit örneğimiz için, pillerin dahili voltaj kaynağı şu şekilde hesaplanır: V _S  = 150 volt ve iç direnci: R _S  = 2Ω. Pilin IV özellikleri şu şekilde verilmiştir:

Pil IV Özellikleri

Bağımlı Gerilim Kaynağı

Neye bağlı olduğuna bakılmaksızın terminalleri arasında sabit bir voltaj üreten ideal bir voltaj kaynağından farklı olarak, kontrollü veya bağımlı bir voltaj kaynağı, terminal voltajını, devreye bağlı başka bir elemanın karşısındaki voltaj veya geçen akıma bağlı olarak değiştirir, ve bu nedenle, bağlı olduğu voltajın veya akımın gerçek değerini bilmiyorsanız, bağımlı bir voltaj kaynağının değerini belirtmek bazen zordur.

Bağımlı voltaj kaynakları, şimdiye kadar incelediğimiz elektrik kaynaklarına benzer şekilde davranır, hem pratik hem de ideal (bağımsız) bu seferki fark, bağımlı bir voltaj kaynağının bir giriş akımı veya voltajı ile kontrol edilebilmesidir. Bir voltaj girişine bağlı olan bir voltaj kaynağına genellikle Voltaj Kontrollü Voltaj Kaynağı veya VCVS denir . Akım girişine bağlı bir voltaj kaynağına Akım Kontrollü Voltaj Kaynağı veya CCVS de denir .

İdeal bağımlı kaynaklar, işlemsel yükselteçler, transistörler ve tümleşik devreler gibi devre elemanlarının giriş/çıkış özelliklerinin veya kazancının analizinde yaygın olarak kullanılır. Genel olarak, voltaj veya akım kontrollü ideal bir voltaj bağımlı kaynak, gösterildiği gibi elmas şeklindeki bir sembolle gösterilir.

Bağımlı Gerilim Kaynağı Sembolleri

İdeal bir bağımlı voltaj kontrollü voltaj kaynağı olan VCVS, çıkış voltajını devrenin başka bir yerinde bulunan kontrol voltajının bir çarpım sabitine (temelde bir amplifikasyon faktörü) eşit tutar. Çarpma sabiti bir sabit olduğundan, kontrol voltajı V _IN , çıkış voltajının büyüklüğünü V _OUT belirleyecektir . Başka bir deyişle, çıkış voltajı, onu bağımlı bir voltaj kaynağı yapan giriş voltajının değerine “bağlıdır” ve birçok yönden ideal bir transformatör, büyütme faktörü dönüş oranı olan bir VCVS cihazı olarak düşünülebilir.

Daha sonra VCVS çıkış voltajı aşağıdaki denklemle belirlenir: V _OUT  = μV _IN . Çarpma sabitinin μ boyutsuz olduğuna dikkat edin, çünkü μ = V _OUT /V _IN , bu nedenle birimleri volt/volt olacaktır.

İdeal bir bağımlı akım kontrollü voltaj kaynağı olan CCVS, bağlı devre içinde başka bir yerde üretilen bir kontrol akımı girişinin bazı çarpma sabiti (rho) çarpılarına eşit bir çıkış voltajını korur. Daha sonra çıkış voltajı, giriş akımının değerine “bağlıdır”, bu da onu yine bağımlı bir voltaj kaynağı yapar.

Bir kontrol akımı olarak, I _IN , çıkış voltajının büyüklüğünü, V _OUT çarpı büyütme sabiti ρ (rho) belirler, bu, akım kontrollü bir voltaj kaynağını bir trans-direnç yükselticisi olarak çarpma sabiti olarak modellememize izin verir, ρ verir bize aşağıdaki denklemi  veririz : V _OUT = ρI _IN . Bu çarpma sabiti ρ (rho), Ohm birimlerine sahiptir çünkü ρ = V _ÇIKIŞ /I _{IN dir} ve bu nedenle birimleri volt/amper olacaktır.

Voltaj Kaynağı Özetle

Burada bir Voltaj Kaynağının ideal bir bağımsız voltaj kaynağı veya kontrollü bir bağımlı voltaj kaynağı olabileceğini gördük. Bağımsız voltaj kaynakları, devre içindeki başka herhangi bir miktara bağlı olmayan sabit bir voltaj sağlar. İdeal bağımsız kaynaklar, piller, DC jeneratörler veya alternatörlerden zamanla değişen AC voltaj kaynakları olabilir.

Bağımsız voltaj kaynakları,  tüm yük akımları için çıkışın sabit olduğu ideal bir voltaj kaynağı (R _S = 0) veya devre ile seri olarak bağlanmış dirençli bir pil gibi ideal olmayan veya pratik bir voltaj kaynağı olarak modellenebilir. Kaynağın iç direncini temsil etmek için. İdeal gerilim kaynakları ancak aynı gerilim değerindeyse paralel bağlanabilir. Seri yardımcı veya seri karşıt bağlantılar çıkış değerini etkiler.

Ayrıca devre analizi ve karmaşık teoremleri çözmek için voltaj kaynakları, ağın çözülmesine yardımcı olmak için voltajlarını sıfıra eşitleyen kısa devre kaynakları haline gelir. Ayrıca voltaj kaynaklarının gücü hem iletme hem de emme yeteneğine sahip olduğunu unutmayın.

Elmas şeklindeki bir sembolle temsil edilen ideal bağımlı voltaj kaynakları, harici bir kontrol voltajına veya akımına bağlıdır ve orantılıdır. Bir VCVS için çarpma sabiti, μ birimi yoktur, bir CCVS için çarpma sabiti ρ ise Ohm birimlerine sahiptir. Kazançlı işlemsel yükselteçler ve transistörler gibi elektronik cihazları veya aktif cihazları modellemek için bağımlı bir voltaj kaynağı büyük ilgi görmektedir.

Elektrik kaynakları ile ilgili bir sonraki derste, akım kaynağı olan voltaj kaynağının iltifatına bakacağız ve akım kaynaklarının da bağımlı veya bağımsız elektrik kaynakları olarak sınıflandırılabileceğini göreceğiz.