المصادر الكهربائية تعطي الطاقة التي تحتاجها الدوائر. بعضها يحافظ على ثبات الجهد، بينما يحافظ البعض الآخر على التيار. المصادر الحقيقية تتغير عندما تتغير الحمل أو درجة الحرارة أو المقاومة الداخلية. تشكل هذه التأثيرات مدى استقرار الإنتاج. تقدم هذه المقالة معلومات واضحة ومفصلة عن سلوك المصدر، والمقاومة الداخلية، والنماذج، والاختبارات، والحدود الشائعة.
نظرة عامة على مصدر الكهرباء
المصدر الكهربائي هو الجزء من الدائرة الذي يوفر الطاقة اللازمة لعمل كل شيء. يمكنه توفير جهد ثابت أو تيار ثابت. معرفة أي واحدة تعطيها تساعدك على فهم كيف ستعمل الدائرة بأكملها عندما تكون الأجزاء متصلة بالكامل.
مصدر الجهد يحافظ على الجهد عند نفس المستوى، بينما مصدر التيار يحافظ على التيار عند نفس المقدار. هذه الأفكار بسيطة، لكنها تشكل طريقة عمل كل دائرة كهربائية. المصادر الكهربائية الحقيقية لا يمكن أن تبقى مثالية طوال الوقت. يمكن أن يتغير خرجها عندما يصبح الحمل أثقل أو أخف، وهذا يؤثر على مدى ثبات الدائرة.
على الرغم من أن مصادر الجهد والتيار تهدف إلى الحفاظ على قيمها مستقرة، إلا أن لكل منهما حدود بناء على طريقة بنائها. عندما يتغير الحمل، قد لا يحتفظ المصدر بالجهد أو التيار الدقيق.
مع وجود الفكرة الأساسية لمصادر الجهد والتيارات المثالية، يمكننا الآن النظر في كيفية اختلاف المصادر الحقيقية من خلال إدخال مقاومة داخلية إلى نماذجنا.
المقاومة الداخلية في مصادر الجهد والتيار الحقيقية
المصادر الكهربائية الحقيقية لا تتصرف تماما مثل الأفضل لأنها تحتوي على مقاومة داخلية. تؤثر هذه المقاومة الخفية على مقدار الجهد أو التيار الذي يمكن أن يوفره المصدر بمجرد توصيل الحمل. نتيجة لذلك، يتغير خرج المصدر الحقيقي حسب قوة الحمل.
عادة ما يكون لدى مصدر الجهد مقاومة صغيرة على التوالي، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد عند سحب المزيد من التيار منه. مصدر التيار له مقاومة كبيرة على التوازي، مما يجعل التيار يتحول عندما تتغير مقاومة الحمل. تشكل هذه الأجزاء الداخلية مدى استقرار الناتج في الظروف الحقيقية.
| نوع الطراز | أفضل سلوك | الشكل العملي | القيود الرئيسية |
|---|---|---|---|
| مصدر الجهد | الجهد يبقى ثابتا | المصدر مع سلسلة Rs | ينخفض الجهد عندما يسحب الحمل تيارا أكبر |
| المصدر الحالي | التيار يبقى ثابتا | المصدر مع Rp متوازي | يتغير التيار عند تغير مقاومة الحمل |
سلوك الحمل في مصادر الجهد والتيارات
مصدر الجهد 3.1
• الدائرة المفتوحة: الجهد موجود؛ التيار يكاد يكون معدوما
• دائرة قصيرة: يصبح التيار مرتفعا جدا ويعتمد على المقاومة الداخلية
المصدر الحالي
• الدائرة المفتوحة: يزداد الجهد لأن التيار لا يملك مسارا
• دائرة قصيرة: يبقى التيار قريبا من القيمة المحددة؛ يصبح الجهد منخفضا جدا
لتبسيط تحليل كيفية تفاعل المصادر والأحمال، يمكننا تحويل أي مصدر حقيقي إلى شكل مكافئ، مما يقودنا إلى تكافؤ مصادر ثيفينين-نورتون في القسم التالي.
تكافؤ المصدر بين ثيفينين-نورتون
تقدم نماذج ثيفينين ونورتون طريقتين متطابقتين لتمثيل نفس المصدر الكهربائي ومقاومته الداخلية. يستخدم أحدهما مصدر جهد بمقاومة متسلسلة، والآخر يستخدم مصدر تيار بمقاومة متوازية. كلاهما يصف نفس السلوك عند أطراف الإخراج، لذا لا يتغير عمل الدائرة الفعلي. هما ببساطة شكلان من نفس المصدر.
الصيغ
• شكل التيار من شكل الجهد:
IN=VTH/RTH
• شكل الجهد من شكل التيار:
VTH=IN×RN
• علاقة المقاومة:
RN=RTH
سلوك الجهد والتيار في المصادر التابعة
مصدر الجهد المتحكم فيه بالجهد (VCVS)
يعمل VCVS كمصدر جهد يعتمد مستوى إخراجه على جهد آخر. يعكس كيف يمكن لمصادر الجهد الحقيقية ضبط الخرج في الدوائر التي تتحكم بها التغذية الراجعة.
مصدر الجهد المتحكم به التيار (CCVS)
ينتج CCVS جهدا مبنيا على تيار مستشعر. هذا يتوافق مع الدوائر التي يتشكل فيها خرج الجهد بواسطة سلوك تيار الحمل، مثل مصادر الجهد الحقيقية ذات التنظيم المعتمد على التيار.
مصدر تيار يتحكم فيه بالجهد (VCCS)
يتصرف نظام VCCS كمصدر تيار يحكمه جهد خارجي. يعكس كيف تستجيب مصادر التيار عندما يضبط جهد التحكم تيارا ثابتا.
مصدر التيار المتحكم به التيار (CCCS)
يعكس CCCS مصدر تيار مستقر لكنه يغير خرجاته بناء على تيار آخر في الدائرة. يشرح هذا النموذج كيف تحافظ محركات التيار متعدد المراحل على مستويات توازن التيار.
الجهد والتيار المستمر والتيار المتردد
| ميزة | مصدر جهد التيار المستمر | مصدر DC الحالي | مصدر جهد التيار المتردد | مصدر تيار متردد |
|---|---|---|---|---|
| الطبيعة المخرجة | جهد ثابت | التيار الثابت | يتغير الجهد حسب الموجة | يتغير التيار حسب الموجة |
| القيود | انخفض الجهد من روبية | التحول الحالي من Rp | المتأثرة بالمفاعلة | متأثر بمقدار المقاومة |
| تفاعل الحمل | الجهد مستقر حتى يصل التيار العالي إلى | التيار مستقر حتى الجهد العالي | يجب التعامل مع الطور/المعاوقة | يجب الحفاظ على التيار رغم الطور |
| سلوك القوة | ثابت على مدى الزمن | ثابت على مدى الزمن | تختلف حسب الدورة | تختلف حسب الدورة |
مع وضع سلوك التيار المستمر والتيار المتردد في الاعتبار، يمكننا الآن التركيز على ما يهتم به معظم الناس في النهاية: كم من الطاقة يمكن أن يوفرها المصدر للحمل ومدى كفاءته في ذلك.
الجهد مقابل التيار: توصيل الطاقة ومقارنة الكفاءة
| وجهة نظر | مصدر الجهد | المصدر الحالي |
|---|---|---|
| حالة القوة القصوى | ( R~load~ = R~s~ ) | ( R~load~ = R~p~ ) |
| حيث يحدث الفقدان | الحرارة الناتجة بمقاومة متسلسلة (R~s~) | الحرارة الناتجة في مقاومة موازية (Rp ~) |
| علاقة الحمل النموذجية | الحمل أكبر من (R~s~)، مما يحسن الكفاءة | عادة ما يكون الحمل أصغر من (R~p~)، مما يحافظ على استقرار التيار |
| سلوك الإخراج | يبقى الجهد قريبا من قيمته المحددة حتى يصبح الحمل ثقيلا جدا | يبقى التيار قريبا من قيمته المحددة حتى يصبح الحمل خفيفا جدا |
| اتجاه الكفاءة | أعلى عندما يكون الحمل أكبر بكثير من مقاومة السلسلة الداخلية | أعلى عندما يكون الحمل أقل بكثير من المقاومة الداخلية المتوازية |
| نمط تدفق الطاقة | تعتمد القدرة على مقدار التيار الذي يسحب الحمل | تعتمد القدرة على مقدار الجهد الذي يتطلبه الحمل |
الأجهزة العملية التي تم نمذجتها كمصادر جهد أو تيار
يمكن تقييم المكونات الحقيقية من خلال مطابقة سلوكها مع نماذج مصدر الجهد أو مصدر التيار. يساعد ذلك في التنبؤ بكيفية استجابتها للأحمال المختلفة ومدى توافقها مع خصائص المصدر المثالية.
| الجهاز | أفضل عارض | لماذا يناسب ذلك | القيود |
|---|---|---|---|
| البطارية | مصدر الجهد مع ( R~S~) | الجهد يبقى ثابتا | تزداد المقاومة الداخلية مع مرور الوقت |
| مصدر الطاقة المستمر | مصدر الجهد المنظم | يحافظ على ثبات الجهد | إنتاج تيار محدود |
| الخلية الشمسية | المصدر الحالي | التيار يعتمد على ضوء الشمس | انخفاض الجهد تحت الحمل الثقيل |
| سائق LED | المصدر الحالي | يحافظ على استقرار تيار LED | له نطاق جهد أقصى |
بمجرد أن نفهم كيف تتطابق المكونات الحقيقية مع نماذج مصدر الجهد ومصدر التيار، فإن الخطوة التالية هي اختبار هذه الأجهزة ومقارنة سلوكها مع النماذج المثالية في المختبر.
اختبار ومقارنة الجهد مقابل مصادر التيار
• قياس جهد الدائرة المفتوحة لرؤية الخرج الحقيقي غير المحمل للمصدر نفسه.
• فحص تيار القصر فقط باستخدام أدوات مصممة للتعامل مع التيار العالي بأمان.
• تحديد المقاومة الداخلية بمقارنة القراءات مع قيمتين حمليتين مختلفتين.
• ترك القياسات تستقر حتى يستقر المصدر والمقياس قبل تسجيل النتائج.
التنظيم والحماية في مصادر الجهد والتيارات
التنظيم
تستخدم مصادر الجهد التغذية الراجعة لتقليل انخفاض الجهد تحت الحمل. تنظم مصادر التيار الخرج للحفاظ على استقرار التيار حتى عند ارتفاع الجهد.
الحماية
تحتاج مصادر الجهد إلى حماية من القصر الكهربائي للحد من التيار الزائد. تحتاج مصادر التيار إلى حماية مفتوحة الدائرة لمنع تراكم الجهد العالي الخطير.
المفاهيم الخاطئة الشائعة حول الجهد مقابل مصادر التيار
• الإصدارات المثالية غير موجودة بسبب المقاومة الداخلية.
• الجهد الأعلى أو التيار الأعلى وحده لا يعني أداء أفضل.
• مصادر التيار المفتوح يمكن أن تخلق جهدا عاليا خطيرا.
• نماذج ثيفينين ونورتون لا تغير السلوك الفعلي.
توضيح هذه المفاهيم الخاطئة يضعنا في موقع جيد لاتخاذ قرارات تصميمية عملية، ولهذا السبب يركز القسم التالي على كيفية الاختيار بين مصادر الجهد والتيار لتطبيقات محددة.
الاختيار بين مصادر الجهد والتيار
• اختيار النموذج المناسب يساعد في التنبؤ بكيفية تصرف المصدر بمجرد توصيل الحمل، ومتى تؤثر المقاومة الداخلية على الجهد أو التيار الخارج.
• تحديد ما إذا كان يجب أن يعمل الجهاز بشكل رئيسي كمصدر جهد أم كمصدر تيار، اعتمادا على ما إذا كان الجهد المستقر أو التيار المستقر أكثر أهمية.
• قياس أو تقدير المقاومة أو المقاومة الداخلية، حيث تحدد هذه القيمة حدود انخفاض الجهد، وتغير التيار، والتعامل العام مع الطاقة.
• فكر في كيفية تأثير درجة الحرارة على المقاومة الداخلية لأن الحرارة يمكن أن تغير مستويات الخرج وتقلل من الاستقرار.
• تضمين سلوك التيار المتردد عندما يعمل المصدر عند ترددات مختلفة، لأن المعاوقة تتغير مع التردد وقد تغير المخرج.
• إضافة حماية للدوائر القصيرة أو التيارات العالية أو الجهود العالية للحفاظ على المصدر ضمن حدود التشغيل الآمنة.
• إعداد كل من نماذج ثيفينين ونورتون عند الحاجة لتبسيط التحليل، مقارنة السلوكيات، أو مطابقة النموذج المطلوب للحساب.
الخاتمة
مصادر الجهد والتيار لا تبقى مثالية أبدا لأن المقاومة الداخلية، تغيرات الأحمال، الحرارة، والشيخوخة كلها تؤثر على خرجتها. معرفة كيف تتصرف أثناء الدوائر المفتوحة والدوائر القصيرة، وكيف تتطابق أشكال ثيفينين ونورتون، وكيف تختلف مصادر التيار المتردد والتيار المستمر يجعل سلوك المصدر أسهل في الفهم. تساعد هذه النقاط في تفسير الحدود الحقيقية وتدفق الطاقة الصحيح.
الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]
كيف تؤثر درجة الحرارة على استقرار المصدر؟
تغير درجة الحرارة الأعلى المقاومة الداخلية، مما يؤدي إلى انحراف الجهد أو التيار ويصبح أقل ثباتا.
لماذا تخلق بعض المصادر ضوضاء كهربائية؟
يأتي الضوضاء من أجزاء داخلية غير مستقرة تماما، وتسبب بعض الإزعاج قليلا في إخراج المصدر.
لماذا لا يستطيع المصدر الاستجابة الفورية لتغييرات التحميل؟
لكل مصدر سرعة استجابة مدمجة، لذا قد يرتفع أو ينخفض الجهد أو التيار مؤقتا قبل أن يستقر.
كيف يؤثر التقدم في العمر على أداء المصدر؟
تزداد المقاومة الداخلية مع مرور الوقت، مما يقلل من استقرار الخرج ويجعل المصدر أقل دقة.
لماذا تظهر أدوات القياس أحيانا قراءات مختلفة؟
لكل مقياس مقاومته الداخلية الخاصة، والتي تؤثر على الحمل الذي يراه المصدر وتغير القراءة.
ماذا يحدث عندما يتغير الحمل بسرعة كبيرة؟
التغيرات السريعة في الحمل قد تسبب انخفاضات قصيرة، أو ارتفاعات، أو تذبذبات لأن المصدر يحتاج إلى وقت للتكيف.