Naponski aktivni električni izvor

Električnim izvorom općenito smatramo svaku napravu ili sustav koji stvaraju tzv. elektromotornu silu na svojim izlaznim priključnicama. U elektrotehnici, elektronici i drugdje stvarne električke izvore prikazujemo nadomjesnim pojednostavljenim naponskim ili strujnim električnim izvorima.

Aktivni električni izvor istosmjernog napona

Aktivnim električnim izvorima u širem smislu nazivamo električne izvore koji sadrže aktivne elektroničke komponente s posebnim dinamičkim svojstvima. Aktivni naponski izvor predstavlja u tom smislu aktivni električni izvor sa poželjno što manjim unutarnjim otporom koji na svojem izlazu treba dati praktički konstantan električni napon (u daljnjem tekstu: napon, struja, otpor i td.), koji će u što manjoj mjeri ovisiti i o opterećenju i o eventualnim promjenama napona napajanja sklopa (napona elektične mreže). Aktivni naponski izvor relativno je jednostavno izvesti ukoliko se radi o istosmjernom naponu. U tu svrhu koristimo aktivne elemente s malim dinamičkim otporom ili elektroničke sklopove s odgovarajućim svojstvima. Kod aktivnih izvora izmjeničnog napona prilike su daleko složenije i uključuju znatno kompleksniju izvedbu.

Aktivni naponski izvor sa Zener diodom

Stabilizator sa Zener diodom.

Naponski izvor sa Zener didom (često nazvan i stabilizatorom napona s Zener didom, slika desno) najjednostavnija je moguća izvedba takva izvora i može poslužiti svugdje gdje postoji veći istosmjerni napon od onog koji je potreban. Nedostatak konstrukcije je značajan utrošak energije i u uvjetima kada naponski izvor nije opterećen. Unutarnji otpor naponskog izvora je u okviru ove konstrukcije praktički jednak dinamičkom otporu Zener diode, a sama konstrukcija je izvedena na način da znatno umanjuje utjecaj promjena napona V_S na struju kroz opterećenje (R₂). Ova vrst naponskih izvora koristi se tamo gdje je opterećenje izvora relativno vrlo malo, odnosno tamo gdje je opteretni otpor velik. Uz poznavanje uvjeta kojima valja udovoljiti naponski izvor s Zener diodom i na temelju poznatih veličina lako se može izračunati i nazivna vrijednost otpora R₁:

[math]\displaystyle{ R_1 = \frac{V_S - V_Z}{I_Z + I_{R_2}}\ , }[/math]

gdje je V_Z napon zener diode, a I_Z istosmjerna struja koja teče kroz Zener diodu. Gubitak snage u strujnom krugu posljedica je disipacije na Zener diodi P=V_Z•I_Z (W). U namjeri da se postigne odgovarajuća stabilizacija napona, struja koja teče kroz Zener diodu mora biti nešto veća od predviđene maksimalne istosmjerne struje kroz opterećenje (otpor R₂.

Aktivni naponski izvori sa Zener diodom mogu na svom izlazu dati struju od kojih 10-30 mA uz nazivni napon reda veličine do desetak ili nešto više volti što ovisi prvenstveno o karakteristikama opteretivosti Zener diode. Složenije izvedbe stabilizatora izvedene su s jednim ili više tranzistora ili operacionim pojačalima te mogu podnijeti mnogostruko veća opterećenja uz praktički po volji velik nazivni napon stabilizatora.

Stabilizator napona s jednim tranzistorom

Naponske aktivne električne izvore, kada imaju namjenu izvora napona za napajanje drugih uređaja, redovito nazivamo stabilizatorima napona. Na slici lijevo prikazano je idejno rješenje stabilizatora napona s jednim tranzistorom, gdje stabilizator izveden tranzistorom može podnijeti znatno veća opterećenja u odnosu na sklop izveden samo sa Zener diodom. Kako napon u radnom području Zener diode D1 i napon [math]\displaystyle{ U_{be} }[/math] tranzistora vrlo malo ovise o veličini električne struje kroz njih, napon na izlazu sklopa [math]\displaystyle{ U_{out} }[/math] će vrlo malo ovisiti o opterećenju [math]\displaystyle{ R_L }[/math] i promjenama ulaznog istosmjernog napona. Kako je izlazna struja jednaka:

[math]\displaystyle{ I_{out }=\frac{U_{out}}{R_L}, }[/math]

struja kroz otpornik [math]\displaystyle{ R_V }[/math] bit će jednaka zbroju struja kroz diodu D1 i bazu tranzistora:

[math]\displaystyle{ I_V= I_{D1} + I_b = I_{D1} + \frac{I_{out}}{h_{FE}}, }[/math]

gdje je [math]\displaystyle{ {h_{FE}} }[/math] dinamičko strujno pojačanje tranzistora koje treba biti što veće. U uvjetima gdje kroz opterećenje teče najveća struja, kroz Zener diodu teče najmanja struja koja je dovoljna da radnu točku održava u području strmog dijela [math]\displaystyle{ U_Z }[/math]/[math]\displaystyle{ I_Z }[/math] karakteristike (kojih 1-2 mA). Uz poznatu jakost struje kroz otpor [math]\displaystyle{ R_V }[/math], može se naći i vrijednost samog otpora [math]\displaystyle{ R_V }[/math]:

[math]\displaystyle{ {R_V} = \frac{U_{in}-U_{D1}}{I_V}. }[/math]

U sklopu treba predvidjeti da je ulazni napon dovoljno velik u odnosu na izlazni napon sklopa te da je nazivni napon Zener diode otprilike za nekih 0.6 V veći od napona [math]\displaystyle{ U_{out} }[/math] koji se očekuje na izlazu sklopa. Izabere li se tranzistor odgovarajuće disipacije, ovakav sklop može na svom izlazu dati struju jakosti i više od jednog ampera.

Upravljani naponski električni izvori

Aktivne naponske električne izvore u užem smislu čine elektronički sklopovi izvedeni aktivnim elektroničkim elementima sa svojstvom pojačanja, gdje je napon izvora neposredno ovisan o ulaznom naponu ili, općenito, struji na način da je

[math]\displaystyle{ U_{izl}= f(U_{ul}) \, }[/math]

odnosno da je

[math]\displaystyle{ U_{izl}= f(I_{ul}) \, }[/math]

Operaciono pojačalo kao upravljan aktivni naponski elektični izvor

Operacijsko pojačalo je dobar primjer naponski upravljanog aktivnog električnog izvora, gdje operacijsko pojačalo možemo razmatrati kao četveropol s dvije ulazne i dvije izlazne priključnice. Izlazni napon takva četveropola neposredno ovisi o ulaznom naponu, gdje je naponsko pojačanje [math]\displaystyle{ A_V }[/math] mjera takve ovisnosti:

[math]\displaystyle{ u_{izl} = A_Vu_{ul}. \, }[/math]

Kako je unutarnji (izlazni) otpor operacijskog pojačala redovito znatno manji od otpora opterećenja, operacijsko pojačalo ima sve karakteristike naponskog električnog izvora. Operaciono pojačalo kao upravljani aktivni naponski električni izvor ima brojne primjene od regulacijske tehnike i različitih pojačala pa sve do sklopova za oblikovanje i generiranje različitih oblika napona.

Elektronska cijev kao upravljan aktivni naponski električni izvor

Elektronsku cijev primarno smatramo strujnim aktivnim izvorom gdje istosmjerna anodna struja ovisi o ulaznom naponu koji se pojavljuje između rešetke i katode elektronske cijevi. Razmatramo li takvu ovisnost za izmjenične napone i struje možemo zapisati da je:

[math]\displaystyle{ {i_a} = Su_{ul}, \, }[/math]

gdje je S strmina elektronske cijevi (mA/V). Međutim, elektronska cijev trioda je aktivni električni element s relativno malim dinamičkim unutarnjim otporom te se u nadomjestnim strujnim krugovima vrlo često prikazuje kao naponski upravljan izvor napona:

[math]\displaystyle{ {u_a} = \mu u_{ul} \, }[/math]

unutarnjeg otpora :

[math]\displaystyle{ R_i= \left| \frac{\vartriangle U_a}{\vartriangle I_a}\right|_{U_g=konst} }[/math]

gdje je naponsko pojačanje eletronske cijevi određeno kao:

[math]\displaystyle{ \mu =\left| \frac{\vartriangle U_a}{\vartriangle U_g}\right|_{I_a=konst} }[/math]

gdje je [math]\displaystyle{ \vartriangle U_a \, }[/math] promjena anodnog napona za [math]\displaystyle{ \vartriangle U_g \, }[/math] malu promjenu napona rešetke u okolini radne točke elektronske cijevi uz konstantnu anodnu struju, gdje odgovarajući odnosi vrijede i za pojam unutarnjeg otpora elektronske cijevi.

Primjena

Upravljani električni izvori od iznimne su važnosti na području elektronike jer čine nezamjenljivu osnovicu izvedbe nebrojenih elektroničkih sklopova i uređaja. U primjeni su daleko brojniji upravljani izvori gdje je napon izvora neposredno ovisan o promjeni napona na ulazu kao što je to na primjer kod operacijskog pojačala.

Literatura

Jelaković T. “Tranzistorska audiopojačala”, Školska knjiga, 1973.
Kerr R.B. “Electrical Network Science”, Prentice-Hall Inc., 1977.
Weinberg L. “Network Analysis and Synthesis”, McGraw-Hill Book Company, 1962.