Skoordynowany tryb pracy obwodu elektrycznego, dopasowanie źródła i obciążenia

Tematem artykułu będzie ogólne przedstawienie trybów pracy sieci elektrycznej w warunkach dopasowania źródła i obciążenia. Jakie są te warunki i kiedy i dlaczego są potrzebne? Odpowiedni tryb (pod względem mocy) zasługuje na szczególną uwagę, ale rozważymy między innymi inne odpowiednie tryby.

Tryb skoordynowany, w ogólnym znaczeniu, to taki tryb pracy obwodu elektrycznego, w którym maksymalna moc, jaką to źródło może dać w swoim aktualnym stanie, jest rozdzielana na obciążenie podłączone do danego źródła.

Warunkiem wystąpienia tego trybu jest równość rezystancji obciążenia rezystancja wewnętrzna źródła dla obwodów prądu stałego lub równość impedancji wewnętrznego źródła do zespolonej impedancji obciążenia dla obwodów prądu przemiennego.

Oczywiste jest, że dla rzeczywistych źródeł zasilania o pewnej ograniczonej rezystancji wewnętrznej prawdą jest, że wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia startującego od zera, moc uwalniana na nim najpierw rośnie nieliniowo, następnie szczyt mocy uwalnianej przy po osiągnięciu obciążenia (dla danego źródła) i przy dalszym wzroście rezystancji obciążenia moc do niego przekazywana maleje nieliniowo, zbliżając się do zera.

Wynika to z faktu, że prąd źródła jest powiązany nie tylko z rezystancją obciążenia R, ale także z rezystancją własną źródła r:

Tak czy inaczej, aby dopasować obciążenie i źródło, wybiera się właśnie taki stosunek między rezystancją wewnętrzną źródła a rezystancją obwodu obciążenia, aby powstały układ wykazywał dokładnie takie właściwości, jakie są od niego wymagane do określonego zadania . Z tego powodu istnieje kilka opcji dopasowania obciążenia i źródła, i uczciwie zwróćmy uwagę na główne: napięcie, prąd, moc, impedancja charakterystyczna.

Odpowiednie obciążenie i źródło napięcia

Aby uzyskać maksymalne napięcie na obciążeniu, jego rezystancja jest znacznie większa niż rezystancja wewnętrzna źródła. Oznacza to, że w granicach źródło musi pracować pod obciążeniem, ale jednocześnie w trybie bezczynności, wówczas napięcie w obciążeniu będzie równe emf źródła. Takie dopasowanie jest stosowane w szczególności w układach elektronicznych, gdzie napięcie pełni rolę nośnika informacji, nośnika sygnału i konieczne jest, aby straty podczas transmisji tego sygnału były minimalne.

Dopasowanie obciążenia i źródła prądu

Gdy konieczne jest uzyskanie maksymalnego prądu obciążenia, rezystancja obciążenia jest wybierana jak najmniejsza, znacznie mniejsza niż rezystancja wewnętrzna źródła. Oznacza to, że źródło działa w trybie zwarciowym, a prąd równy prądowi zwarciowemu przepływa przez obciążenie.

Rozwiązanie to jest stosowane w szczególności w układach elektronicznych, w których nośnikiem sygnału jest prąd. Na przykład szybka fotodioda przesyła sygnał prądowy, który jest następnie przetwarzany na wymagany poziom napięcia. Niska impedancja wejściowa rozwiązuje problem zawężenia pasma z powodu fałszywego filtra RC.

Dopasowanie mocy obciążenia i źródła (tryb dopasowania)

Przy obciążeniu uzyskuje się maksymalną moc, jaką może zapewnić źródło. Rezystancja obciążenia jest równa rezystancji wewnętrznej źródła (impedancji). Rozkład mocy w tym trybie obciążenia określa wzór:

Dopasowanie obciążenia i źródła poprzez impedancję charakterystyczną

W teorii długich linii i technologii mikrofalowej jest to szczególnie ważny rodzaj zbiegu okoliczności. Dopasowanie impedancji charakterystycznej daje maksymalny współczynnik fali biegnącej w linii transmisyjnej, który na długich liniach jest identyczny z dopasowaniem mocy w konwencjonalnych obwodach prądu przemiennego.

Po dopasowaniu pod względem impedancji charakterystycznej impedancja charakterystyczna obciążenia musi być równa impedancji wewnętrznej źródła fali. Dopasowanie impedancji falowej jest stosowane wszędzie w technice mikrofalowej.

Nawiasem mówiąc, jeśli chodzi o alternatywne źródła energii w najbliższej przyszłości, kiedy źródło prądu ma indywidualne cechy, które bardzo różnią się od tradycyjnych, przede wszystkim należy zapewnić skoordynowany tryb pracy źródła i odbiornika poprzez wykonanie odbiornika dopasowanego jego charakterystyką do danego źródła, a dopiero potem przekonwertować otrzymany energię w postaci akceptowalnej dla obciążenia.