2. Aktivní součásti elektrických obvodů
Aktivní součásti elektrického obvodu jsou ty, které do obvodu dodávají elektrickou energii, tedy jinými slovy zdroje, generátory. Zdroje jsou tzv. dvoupóly, tj. mají dvě svorky, kterými se připojují do elektrického obvodu. Základní rozdělení zdrojů je na tzv. autonomní a neautonomní. Typickým příkladem autonomního zdroje je elektrochemický článek, příp. z nich složená baterie; je to takový zdroj, který dodává energii nezávisle na situaci v elektrickém obvodu, který studujeme. Autonomním zdrojem je i síťová zásuvka elektrického rozvodu, stejnosměrný síťový zdroj, generátor střídavého napětí. Studujeme-li naproti tomu obvod, jehož součástí je transformátor, pak víme, že na sekundáru transformátoru je napětí právě když je primár připojen ke zdroji střídavého napětí; napětí na sekundáru je tedy závislé na situaci v jiném místě studovaného obvodu a z tohoto hlediska je sekundár transformátoru neautonomním, závislým zdrojem. Obdobně můžeme např. výstup zesilovače považovat za neautonmní zdroj, neboť je závislý na signálu na vstupu zesilovače. Zdůrazněme, že pojem autonomního a neautonomního, jinými slovy nezávislého a závislého zdroje se vztahuje jen na studovaný obvod, např. sekundár transformátoru můžeme považovat za autonomní zdroj v případě, že primární obvod transformátoru není součástí studovaného obvodu (síťová zásuvka například je zcela jistě připojena na sekundár transformátoru, který snižuje vyšší napětí potřebné k přenosu elektrické energie na dálku na napětí 220V a přesto zásuvku považujeme v mnoha případech za autonomní zdroj). Pojem autonomního a neautonomního zdroje není idealizace, tj. i reálný zdroj můžeme takto klasifikovat.
Jak nezávislé, tak závislé generátory (zdroje) dělíme dále na zdroje napětí a zdroje proudu. U ideálního zdroje napětí nezávisí napětí na jeho svorkách na odebíraném nebo dodávaném proudu. Na obrázku 1.9. je charakteristika ideálního zdroje napětí, tj. graf, kde na ose pořadnic je vyneseno napětí na svorkách zdroje a na ose úseček v 1. kvadrantu odebíraný proud, ve 2. kvadrantu dodávaný proud. Vidíme, že zatěžovací charakteristika ideálního zdroje napětí je lineární rovnoběžná s osou úseček v obou kvadrantech. Část charakteristiky v 1. kvadrantu se nazývá zatěžovací charakteristika zdroje napětí.
obr. 1.9
Ideální zdroj napětí neexistuje. V praxi vždy když odebíráme proud z jakéhokoli zdroje, mění se (obvykle klesá) na jeho výstupních svorkách napětí a obdobně když proud do zdroje dodáváme, např. při nabíjení akumulátoru, je napětí zdroje na tomto proudu závislé. Tato závislost není obecně lineární, ale většinou obsahuje úsek, který lze s přesností odpovídající přesnosti analýzy zbývajícího obvodu, lineární funkcí aproximovat, viz obr. 1.10.
obr. 1.10
Záporně vzatou směrnici extrapolační přímky pak nazýváme vnitřním odporem zdroje napětí. Reálný zdroj napětí tedy v obvodových schematech s dostatečnou přesností nahrazujeme seriovou kombinací ideálního zdroje napětí a rezistoru s odporem rovným vnitřnímu odporu zdroje. Je tedy zřejmé, že ideální zdroj napětí má vnitřní odpor roven nule. Dobrou aproximací ideálního zdroje napětí je olověný akumulátor, který má vnitřní odpor (pro vybíjení, tj. v 1. kvadrantu) v řádu jednotek mW až do proudů řádu stovek ampér, nebo elektronicky stabilizovaný zdroj napětí, který má typicky vnitřní odpor rovněž v řádu jednotek, i zlomků mW, výstupní proudy u běžných síťových laboratorních zdrojů jsou v řádu do jednotek až desítek ampér. U síťových zdrojů je většinou udána zatěžovací charakteristika jen pro odebíraný proud; charakteristika ve 2. kvadrantu, která by byla zajímavá tehdy, kdy nedopatřením dojde k přiložení jiného zdroje s vyšším napětím na výstup, není udávána a většina stabilizovaných zdrojů není pro tento případ ani elektronicky jištěna; přiložení vyššího napětí na výstup stabilizovaného zdroje vede proto ve většině případů ke zničení zdroje. Pokud bychom si představili síťovou zásuvku elektrického rozvodu jako zdroj napětí, měl by tento zdroj vnitřní odpor (podle stavu vnitřních rozvodů) řádově 1W, tj. při zapojení spotřebiče s odběrem 10A by kleslo napětí v zásuvce o hodnotu cca 10V. Schematické značení zdrojů napětí není jednotné, některé příklady vidíme na obr. 1.11.
obr. 1.11
Příkladem zdroje napětí s elektronickou regulací je tzv. tříbodový stabilizátor napětí, obr. 1.12.
obr. 1.12
Ideální zdroje napětí lze řadit do serie a podle polarity jednotlivých zdrojů tak zvyšovat nebo snižovat celkové napětí na seriové kombinaci zdrojů. Paralelní kombinace ideálních zdrojů napětí postrádá smysl, neboť z definice plyne, že by pak na společných svorkách mělo být současně jak napětí jednoho, tak druhého zdroje, což vede obecně ke sporu.
obr. 1.13
Duálním reprezentantem k ideálnímu zdroji napětí je ideální zdroj proudu. Jeho charakteristiku vidíme na obrázku 1.13. Na rozdíl od charakteristiky ideálního zdroje napětí jsme prohodili význam osy úseček a pořadnic. Charakteristika ideálního zdroje proudu vyjadřuje nezávislost dodávaného proudu na napětí na spotřebiči; tímto spotřebičem může být pasivní prvek nebo zdroj napětí. Aplikujeme-li definici vnitřního odporu na charakteristiku ideálního zdroje proudu dojdeme k závěru, že ideální zdroj proudu má nekonečný vnitřní odpor.Ideální zdroj proudu v praxi neexistuje, pro řadu účelů je však možné jej s potřebnou přesností realizovat, ale vždy jen v omezeném rozsahu napětí na spotřebiči. Představme si například, že potřebujeme vytvořit zdroj proudu o velikosti 1 mA ± 1% v rozsahu napětí na spotřebiči ± 10V. Realizaci provedeme (myšlenkově, v praxi bychom použili elektronický stabilizátor) tak, že použijeme zdroj napětí o velikosti 1000V a k němu připojíme do serie rezistor s odporem 1MW (výraz "... připojíme do serie odpor 1MW" je třeba zařadit do profesionálního slangu elektroniků, kterého se budu snažit se v tomto textu vyvarovat). Na výstup této seriové kombinace připojujeme spotřebič, např. akumulátor s napětím 10V. Je-li akumulátor pólován shodně se zdrojem 1000V, je na odporu 1 W napětí 990V a tedy do akumulátoru teče proud 0.99mA, při opačné polaritě akumulátoru je na odporu 1 W napětí 1010 V a akumulátor se bude vybíjet proudem 1.01 mA (nakreslete si schemata pro obě polarity). Zdroj vysokého napětí s rezistorem o vysokém odporu v serii aproximuje proto dostatečně dobře ideální zdroj proudu, pokud napětí na spotřebiči je mnohem nižší než na zdroji vysokého napětí. V praxi se realizují zdroje proudu elektronickou regulací, mnohdy lze regulátor napětí jednoduchou úpravou zapojení převést do režimu regulace proudu, viz obr. 1.14.
obr. 1.14
Schematické značení zdrojů proudu opět není jednotné, některé schematické značky jsou uvedeny na obr. 1.15.
obr. 1.15
Ideální zdroje proudu lze řadit paralelně, přičemž výsledný proud v obvodu připojenému k paralelní kombinaci bude dán součtem proudů obou (všech) zdrojů se započtením znaménka jejich směrů. Seriová kombinace ideálních zdrojů proudu pozbývá smyslu neboť vede ke sporu s definicí obdobným způsobem, jako jsme ukázali v případě paralelní kombinace ideálních zdrojů napětí.Charakteristika reálných zdrojů proudu je obecně nelineární, proto se, pokud je to s dostatečnou přesností možné, aproximuje lineární závislostí. Záporně vzatá směrnice této závislosti má rozměr W-1 a vyjadřuje tzv. vnitřní vodivost. Reálný zdroj proudu se proto v obvodových schematech s dostatečnou přesností nahrazuje ideálním zdrojem proudu, ke kterému je paralelně připojena vnitřní vodivost (nebo, což je totéž, rezistor s odporem rovným převrácené hodnotě vnitřní vodivosti). Náš reálný zdroj proudu z příkladu uvedeného výše by tedy byl reprezentován v obvodovém schematu paralelní kombinací ideálního zdroje proudu 1 mA a rezistoru s odporem 1MW a tato reprezentace je ekvivalentní s naší modelovou reprezentací (zdroj napětí 1000V s odporem 1MW v serii). Vyzkoušejte si, že obě reprezentace dají v naší modelové situaci opravdu stejné výsledky; jedná se o speciální příklad obecného zákona obvodů o transformaci zdroje napětí na zdroj proudu a naopak (ekvivalence reálného zdroje napětí a reálného zdroje proudu).
