전압 소스
전압 소스는 이론적으로 부하 전류에 관계없이 변하지 않는 정확한 출력 전압을 생성하는 장치입니다.
전압 소스는 다른 회로 요소와 완전히 독립적인 지정되고 일정한 전압을 제공하는 활성 요소입니다. 그러나 실제 또는 실제 전압 소스 단자의 정격 전압은 공급하는 부하 전류가 증가함에 따라 떨어집니다.
우리는 이 기본 전자 튜토리얼 웹사이트 전체에서 전기 또는 전자 회로 내에 수동 요소 와 능동 요소 라는 두 가지 유형의 요소가 있음을 확인했습니다 . 능동소자는 배터리, 발전기, 연산증폭기 등과 같은 회로에 지속적으로 에너지를 공급할 수 있는 소자를 말한다. 반면, 수동소자는 저항기, 커패시터, 인덕터 등과 같은 물리적인 소자를 말한다. 스스로 전기 에너지를 생산할 수 없고 소비만 하는 것입니다.
우리에게 가장 중요한 능동 회로 요소의 유형은 이에 연결된 회로 또는 네트워크에 전기 에너지를 공급하는 요소입니다. 이를 "전기 소스"라고 하며 두 가지 유형의 전기 소스인 전압 소스 와 전류 소스를 사용합니다 . 전류 소스는 일반적으로 전압 소스보다 회로에서 덜 일반적이지만 둘 다 사용되며 서로 보완적인 것으로 간주될 수 있습니다.
전기 공급 장치 또는 간단히 "소스"는 전압 소스 또는 전류 소스의 형태로 회로에 전력을 공급하는 장치입니다. 두 가지 유형의 전원 모두 직접(DC) 또는 교류(AC) 전원으로 분류될 수 있습니다. 여기서 일정한 전압을 DC 전압이라고 하고 시간에 따라 정현파로 변하는 것을 AC 전압이라고 합니다. 예를 들어 배터리는 DC 전원이고 집에 있는 230V 벽면 소켓이나 주 콘센트는 AC 전원입니다.
앞서 전기 소스가 에너지를 공급한다고 말했지만, 전기 소스의 흥미로운 특성 중 하나는 비전기 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환할 수도 있다는 것입니다. 예를 들어, 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반면, DC 발전기 또는 AC 교류 발전기와 같은 전기 기계는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.
재생 가능 기술은 태양, 바람, 파도의 에너지를 전기 또는 열 에너지로 변환할 수 있습니다. 그러나 한 소스에서 다른 소스로 에너지를 변환하는 것 외에도 전기 소스는 에너지를 전달하거나 흡수하여 양방향으로 흐를 수 있습니다.
전원의 또 다른 중요한 특성이자 작동을 정의하는 특성은 IV 특성입니다. 전기 소스의 IV 특성은 그림과 같이 전압 소스 또는 전류 소스로서 소스에 대한 매우 훌륭한 그림 설명을 제공할 수 있습니다.
전기 소스
전압 소스 또는 전류 소스로서의 전기 소스는 독립형 ( 이상적) 또는 종속형 (제어형)으로 분류될 수 있습니다. 즉, 그 값은 회로 내 다른 곳의 전압 또는 전류에 따라 달라지며, 그 자체는 일정하거나 일정할 수 있습니다. 시간에 따라 변합니다.
회로 법칙 및 분석을 다룰 때 전기 소스는 종종 "이상적"이라고 간주됩니다. 즉, 이론적으로 손실 없이 무한한 양의 에너지를 전달할 수 있어 직선으로 표시되는 특성을 갖기 때문에 소스가 이상적입니다. 그러나 실제 또는 실제 소스에는 항상 전류 소스에 대해 병렬로 연결되거나 출력에 영향을 미치는 소스와 관련된 전압 소스에 대해 직렬로 연결된 저항이 있습니다.
전압 소스
배터리나 발전기와 같은 전압원은 전기 회로 내의 두 지점 사이에 전위차(전압)를 제공하여 전류가 그 주위로 흐르도록 합니다. 전류 없이도 전압이 존재할 수 있다는 점을 기억하십시오. 배터리는 소스의 양극 및 음극 단자에 나타나는 전압을 단자 전압이라고 하는 회로의 가장 일반적인 전압 소스입니다.
이상적인 전압 소스
이상적인 전압원은 전류에 관계없이 단자 전체에 동일한 전압(v)을 공급하고 유지할 수 있고(i) 이를 통해 흐르는 2단자 능동 소자로 정의됩니다. 즉, 이상적인 전압원은 공급되는 전류의 값에 관계없이 항상 일정한 전압을 공급하여 직선으로 표시되는 IV 특성을 생성합니다.
그러면 이상적인 전압 소스는 전압이 소스를 통해 흐르는 전류 값이나 방향에 의존하지 않고 소스 값에 의해서만 결정되므로 독립 전압 소스 라고 합니다. 예를 들어, 자동차 배터리에는 전류가 너무 높아지지 않는 한 일정하게 유지되는 12V 단자 전압이 있어 충전 시 한 방향으로 자동차에 전력을 전달하고 다른 방향으로 전력을 흡수합니다.
반면에 종속 전압 소스 또는 제어 전압 소스는 전압 또는 다른 회로 요소를 통해 흐르는 전류에 따라 크기가 달라지는 전압 공급을 제공합니다. 종속 전압 소스는 다이아몬드 모양으로 표시되며 트랜지스터 및 연산 증폭기와 같은 많은 전자 장치의 등가 전원으로 사용됩니다.
전압 소스를 함께 연결
이상적인 전압 소스는 모든 회로 요소와 마찬가지로 병렬 또는 직렬로 함께 연결할 수 있습니다. 직렬 전압은 서로 합산되지만 병렬 전압은 동일한 값을 갖습니다. 동일하지 않은 이상적인 소스는 병렬로 직접 연결할 수 없습니다.
병렬 전압 소스
회로 분석에 대한 모범 사례는 아니지만 전압 값이 동일한 경우 이상적인 전압 소스를 병렬로 연결할 수 있습니다. 이 예에서는 두 개의 10V 전압 소스가 결합되어 단자 A와 B 사이에 10V를 생성합니다. 이상적으로는 단자 A와 B 사이에 10V의 단일 전압 소스가 하나만 제공됩니다.
허용되지 않거나 모범 사례가 아닌 것은 표시된 것과 같이 전압 값이 서로 다르거나 외부 폐쇄 루프 또는 분기에 의해 단락된 이상적인 전압 소스를 함께 연결하는 것입니다.
잘못 연결된 전압 소스
그러나 회로 분석을 처리할 때 Kirchoff의 전압 법칙(KVL)을 준수하기 위해 사이에 다른 회로 요소가 있는 경우 다양한 값의 전압 소스를 사용할 수 있습니다.
병렬 연결된 소스와 달리, 서로 다른 값의 이상적인 전압 소스를 직렬로 함께 연결하여 출력이 사용된 전압의 대수적 덧셈 또는 뺄셈이 되는 단일 전압 소스를 형성할 수 있습니다. 이들 연결은 그림과 같이 직렬 보조 또는 직렬 반대 전압과 같을 수 있습니다.
직렬 전압 소스
직렬 보조 전압 소스는 극성이 연결된 직렬 연결 소스로, 하나의 플러스 단자가 다음 음극 단자에 연결되어 전류가 같은 방향으로 흐르도록 합니다. 위의 예에서 첫 번째 회로의 10V와 5V의 두 전압을 추가하면 V S 가 10 + 5 = 15V가 됩니다. 따라서 단자 A와 B의 전압은 15V입니다.
직렬 반대 전압 소스는 위의 두 번째 회로에 표시된 것처럼 양극 단자 또는 음극 단자가 서로 연결되도록 극성이 연결된 직렬 연결 소스입니다. 최종 결과는 전압이 서로 차감된다는 것입니다. 그런 다음 두 번째 회로의 10V와 5V의 두 전압을 더 큰 전압에서 더 작은 전압을 뺍니다. 결과적으로 VS는 10 – 5 = 5V가 됩니다.
단자 A와 B의 극성은 전압 소스의 더 큰 극성에 의해 결정됩니다. 이 예에서 단자 A는 양극이고 단자 B는 음극이므로 +5V가 됩니다. 직렬 반대 전압이 동일한 경우 한 전압이 다른 전압과 균형을 이루므로 A와 B의 순 전압은 0이 됩니다. 또한 전압이 없으면 전류가 흐를 수 없으므로 전류(I)도 0이 됩니다.
전압 소스 예 No1
각각 6V와 9V의 이상적인 전압 소스를 지원하는 두 개의 직렬이 함께 연결되어 100Ω의 부하 저항을 공급합니다. 계산: 소스 전압 V S , 저항기를 통과하는 부하 전류 I R 및 저항기에 의해 소비되는 총 전력 P. 회로를 그립니다.
따라서 V S = 15V, I R = 150mA 또는 0.15A, P R = 2.25W입니다.
실제 전압 소스
우리는 이상적인 전압 소스가 이를 통해 흐르는 전류와 독립적인 전압 공급을 제공할 수 있다는 것을 확인했습니다. 즉, 항상 동일한 전압 값을 유지합니다. 이 아이디어는 회로 분석 기술에 적합할 수 있지만 실제 전압 소스에서는 실제 전압 소스와 약간 다르게 동작하므로 부하 전류가 증가하면 단자 전압이 실제로 감소합니다.
이상적인 전압원의 단자 전압은 부하 전류의 증가에 따라 변하지 않기 때문에 이는 이상적인 전압원의 내부 저항이 0(RS = 0)임을 의미합니다 . 즉, 저항이 없는 전압원입니다. 실제로 모든 전압 소스는 내부 저항이 매우 작아서 더 높은 부하 전류를 공급하므로 단자 전압이 감소합니다.
배터리와 같은 비이상적이거나 실용적인 전압 소스의 경우 내부 저항(R S )은 그림과 같이 직렬로 연결된 두 요소가 동일한 전류를 전달하므로 이상적인 전압 소스와 직렬로 연결된 저항과 동일한 효과를 생성합니다.
이상적이고 실용적인 전압 소스
Thevenin의 정리에 따르면 "저항과 EMF 및 전류 소스를 포함하는 모든 선형 네트워크는 단일 전압 소스, 단일 저항과 직렬인 V S로 대체될 수 있으므로 실제 전압 소스는 Thevenin의 등가 회로와 매우 유사합니다 . " , RS “ . 직렬 소스 저항이 낮으면 전압 소스가 이상적입니다. 소스 저항이 무한대이면 전압 소스는 개방 회로입니다.
모든 실제 또는 실제 전압 소스의 경우, 이 내부 저항 RS는 부하 전류가 증가함에 따라 단자 전압이 떨어지기 때문에 아무리 작아도 소스의 IV 특성에 영향을 미칩니다. 이는 R S 에 동일한 부하 전류가 흐르기 때문이다 .
옴의 법칙에 따르면 전류(i)가 저항을 통해 흐를 때 동일한 저항에서 전압 강하가 발생합니다. 이 전압 강하 값은 i*RS 로 제공 됩니다 . 그러면 V OUT 은 이상적인 전압 소스인 V S 에서 저항기의 i*R S 전압 강하를 뺀 값과 동일해집니다. 이상적인 소스 전압의 경우 내부 저항이 없으므로 RS 는 0이므로 단자 전압은 V S 와 동일합니다 .
그러면 Kirchoff의 전압 법칙 KVL에 의해 주어진 루프 주위의 전압 합은 다음과 같습니다. V OUT = V S – i*R S . 이 방정식을 그려 실제 출력 전압의 IV 특성을 얻을 수 있습니다. 그림과 같이 전류 i = 0일 때 VS 와 동일한 지점에서 수직 전압 축과 교차하는 기울기 -RS를 갖는 직선을 제공합니다 .
실제 전압원 특성
따라서 모든 이상적인 전압 소스는 직선 IV 특성을 갖지만 비이상적이거나 실제 실제적인 전압 소스는 그렇지 않고 대신 i*RS와 동일한 양만큼 약간 아래로 기울어진 IV 특성을 갖습니다 . 여기서 RS 는 내부 소스 저항(또는 임피던스). 실제 배터리의 IV 특성은 소스 저항 RS가 일반적으로 매우 작기 때문에 이상적인 전압 소스에 매우 가까운 근사치를 제공 합니다 .
전류가 증가함에 따라 IV 특성의 기울기 각도가 감소하는 것을 조절이라고 합니다. 전압 조정은 무부하, 즉 IL = 0(개방 회로)과 최대 부하(IL이 다음과 같은 경우) 사이 의 단자 전압 변화를 측정하므로 실제 전압원의 품질을 측정하는 중요한 척도입니다. 최대(단락).
전압 소스 예 No2
배터리 공급 장치는 내부 저항기와 직렬로 연결된 이상적인 전압 소스로 구성됩니다. 배터리 단자에서 측정된 전압과 전류는 10A에서 V OUT1 = 130V, 25A에서 V OUT2 = 100V인 것으로 나타났다. 이상적인 전압원의 정격 전압과 내부 저항 값을 계산합니다. IV 특성을 그려보세요.
먼저 간단한 " 연립 방정식 형식 "으로 배터리 공급 장치의 두 가지 전압 및 전류 출력을 V OUT1 및 V OUT2 로 정의하겠습니다 .
연립방정식 형태의 전압과 전류와 마찬가지로, V S 를 찾기 위해 먼저 V OUT1 에 5를 곱하고(5) V OUT2 에 2를 곱하고(2) 두 전류의 값을 만듭니다. i) 두 방정식 모두 동일합니다.
이전 상수를 곱하여 R S 에 대한 계수를 동일하게 만든 후 이제 두 번째 방정식 V OUT2 에 빼기 1(-1)을 곱하여 두 방정식을 뺄 수 있습니다. 그림과 같이 V S.
이상적인 전압원 V S 가 150V와 동일하다는 것을 알고 있으면 이 값을 방정식 V OUT1 (또는 원할 경우 V OUT2 )에 사용하고 이를 풀어 직렬 저항 RS를 찾을 수 있습니다 .
그런 다음 간단한 예에서 배터리 내부 전압 소스는 V S = 150V로 계산되고 내부 저항은 R S = 2Ω으로 계산됩니다. 배터리의 IV 특성은 다음과 같습니다.
배터리 IV 특성
종속 전압 소스
연결된 항목에 관계없이 터미널 전체에 일정한 전압을 생성하는 이상적인 전압 소스와 달리 제어 또는 종속 전압 소스는 회로에 연결된 다른 요소 전체의 전압 또는 통과하는 전류에 따라 터미널 전압을 변경합니다. 따라서 의존하는 전압 또는 전류의 실제 값을 알지 못하는 경우 종속 전압 소스의 값을 지정하는 것이 때로는 어렵습니다.
종속 전압 소스는 지금까지 살펴본 전기 소스와 유사하게 작동하며 실용적이고 이상적입니다(독립적). 이번에는 종속 전압 소스가 입력 전류 또는 전압에 의해 제어될 수 있다는 차이점이 있습니다. 전압 입력에 의존하는 전압 소스는 일반적으로 전압 제어 전압 소스 또는 VCVS 라고 합니다 . 전류 입력에 의존하는 전압 소스는 전류 제어 전압 소스 ( CCVS) 라고도 합니다 .
이상적인 종속 소스는 입출력 특성이나 연산 증폭기, 트랜지스터 및 집적 회로와 같은 회로 요소의 이득을 분석하는 데 일반적으로 사용됩니다. 일반적으로 전압 또는 전류 제어가 가능한 이상적인 전압 종속 소스는 그림과 같이 다이아몬드 모양의 기호로 지정됩니다.
종속 전압 소스 기호
이상적인 종속 전압 제어 전압 소스인 VCVS는 회로의 다른 곳에 존재하는 제어 전압에 곱셈 상수(기본적으로 증폭 계수)를 곱한 것과 동일한 출력 전압을 유지합니다. 곱셈 상수는 제어 전압인 상수이므로 V IN 은 출력 전압 V OUT 의 크기를 결정합니다 . 즉, 출력 전압은 입력 전압 값에 "의존"하여 종속 전압 소스가 되며, 여러 면에서 이상적인 변압기는 증폭 계수가 권선비인 VCVS 장치로 생각할 수 있습니다.
그런 다음 VCVS 출력 전압은 다음 방정식으로 결정됩니다. V OUT = μV IN . 곱셈 상수 μ 는 μ = V OUT /V IN 이므로 순전히 스케일링 인자이므로 차원이 없으므로 단위는 볼트/볼트입니다.
이상적인 종속 전류 제어 전압 소스인 CCVS는 연결된 회로 내 다른 곳에서 생성된 제어 전류 입력의 일부 곱셈 상수(rho)와 동일한 출력 전압을 유지합니다. 그런 다음 출력 전압은 입력 전류 값에 "의존"하여 다시 종속 전압 소스가 됩니다.
제어 전류로서 I IN은 출력 전압의 크기(V OUT 에 배율 상수 ρ(rho)를 곱함)를 결정합니다. 이를 통해 전류 제어 전압 소스를 곱셈 상수인 ρ로 트랜스 저항 증폭기로 모델링할 수 있습니다. 다음 방정식: V OUT = ρI IN . 이 곱셈 상수 ρ (rho)는 ρ = V OUT /I IN 이므로 옴 단위를 가지며 , 따라서 그 단위는 볼트/암페어가 됩니다.
전압 소스 요약
여기서는 전압 소스가 이상적인 독립 전압 소스이거나 제어된 종속 전압 소스일 수 있음을 확인했습니다 . 독립 전압 소스는 회로 내의 다른 양에 의존하지 않는 일정한 전압을 공급합니다. 이상적인 독립 소스는 배터리, DC 발전기 또는 교류 발전기의 시변 AC 전압 공급 장치일 수 있습니다.
독립적인 전압 소스는 모든 부하 전류에 대해 출력이 일정한 이상적인 소스(R S = 0)로 모델링될 수 있습니다. 또는 소스의 내부 저항을 나타내기 위해 저항이 회로와 직렬로 연결된 배터리와 같은 비이상적이거나 실용적인 소스입니다. 이상적인 전압 소스는 동일한 전압 값을 갖는 경우에만 병렬로 함께 연결할 수 있습니다. 직렬 보조 또는 직렬 반대 연결은 출력 값에 영향을 미칩니다.
또한 회로 분석 및 복잡한 정리를 해결하기 위해 전압 소스는 단락 소스가 되어 전압을 0과 동일하게 만들어 네트워크 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한 전압 소스는 전력을 전달하거나 흡수할 수 있습니다.
다이아몬드 모양의 기호로 표시되는 이상적인 종속 전압 소스는 외부 제어 전압 또는 전류에 종속되고 비례합니다. VCVS의 곱셈 상수 μ에는 단위가 없지만 CCVS의 곱셈 상수 ρ에는 옴 단위가 있습니다. 종속 전압 소스는 전자 장치나 이득이 있는 연산 증폭기 및 트랜지스터와 같은 능동 장치를 모델링하는 데 큰 관심을 갖습니다.