Zasilacze prądowe oraz zasilacze napięciowe

W dwóch artykułach omówione są tak zwane zasilacze prądowe – zarówno ze strony teoretycznej, jak i praktycznej. Podstawą jest kwestia: czy źródło napięcia oraz źródło prądu to jest to samo? Aby zrozumieć dlaczego tak nie jest, trzeba przypomnieć pojęcia źródła napięciowego i źródła prądowego.

Coraz częściej mówi się o zasilaczach prądowych. Czy to coś nowego? Czy może to tylko nowe określenie marketingowe, mająca zwiększyć sprzedaż?

W mowie potocznej często wymiennie używamy określeń: źródło napięcia oraz źródło prądu, na przykład mając na uwadze baterie. Może się wydawać, że nie ma też problemu z zasilaczami, a tymczasem taka nieścisłość wprowadza oraz utrwala błędne wyobrażenia i przyzwyczajenia, które dziś poważnie przeszkadzają w praktyce.

W zasadzie, najprościej mówiąc, zasilacze napięciowe to stabilizatory napięcia, a zasilacze prądowe to stabilizatory prądu, ale dziś trzeba te kwestie zbadać dokładniej, bowiem te drugie zasilają diody LED, które są bardzo specyficznym obciążeniem.

Źródło napięcia, czy może źródło prądu?

Czy rozróżnianie między źródłem napięcia i źródłem prądu ma sens? Ktoś może słusznie stwierdzić, że to nie ma znaczenia, bo to jednocześnie i jedno, i drugie: źródło napięcia jest też jednocześnie źródłem prądu, a w grę wchodzi jeszcze oporność (rezystancja), która wyznacza zależność między prądem i napięciem według prawa Ohma i bodaj najpopularniejszego w elektronice wzoru I = U / R oraz jego przekształconych form: U = I × R, R = U / I.

Argument taki wydaje się logiczny. Prawdą jest, że podczas pracy źródła zawsze w grę wchodzi i napięcie, i prąd. Prawdą jest też, że ogromnie ważna jest oporność. Jednak rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana i dlatego trzeba to zbadać.

Powszechne wyobrażenia wyniesione głównie z codziennej praktyki więcej tu przeszkadzają niż pomagają. W zasadzie zagadnienie nie jest bardzo trudne, ale sprostowanie nieprecyzyjnych wyobrażeń i uporządkowanie fragmentarycznej wiedzy wymaga sporo wysiłku i czasu. Po pierwsze, nie rezygnuj i przeczytaj do końca i ten artykuł, i następny, wyjaśniający szczegóły. Po drugie, potem potrzeba będzie trochę czasu, żeby te nowe, dziwne informacje naprawdę przyswoić i zaakceptować.

Najprościej biorąc, dotychczas w praktyce mieliśmy do czynienia tylko z zasilaczami napięciowymi (źródłami napięciowymi). Bardzo rzadko mieliśmy do czynienia z zasilaczami prądowymi, więc ich właściwości dziwią i wprowadzają w zakłopotanie.

Drugą przyczyną zamieszania jest brak precyzji i mieszanie odrębnych pojęć, na przykład utożsamianie źródła napięcia ze źródłem prądu.

Trzecia przyczyną zamieszania i niejasności jest to, że bardzo różne właściwości mają realne elementy i obwody, które nazywany źródłami prądowymi.

Źródło napięciowe to nie jest źródło prądowe!

Najpierw muszę przypomnieć fakt, że w elektronice mówimy o czymś takim jak: źródło prądowe (nie źródło prądu) oraz źródło napięciowe (nie źródło napięcia). W elektronice zdecydowanie rozróżniamy te dwa pojęcia, a przynajmniej rozróżniają je ci, który już zrozumieli związane z tym zagadnienia.

Źródło prądowe (current source) ma zdecydowanie inne właściwości niż źródło napięciowe (voltage source). To prawda, że te pojęcia wykorzystywane są przy analizie obwodów i że są to teoretyczne, hipotetyczne, doskonałe modele. Tak, jedynie teoretyczne modele, a nie realne elementy, jednak ma to bardzo ścisły związek z rzeczywistością i zasilaczami.

Źródła napięciowe i prądowe na schematach przedstawiane są za pomocą różnych symboli graficznych; niektóre z nich pokazano na rysunku 1. Tą różnorodnością zupełnie się nie przejmuj. Symbole graficzne są różne, ale najważniejsza jest idea. Przypomnijmy ją.

Źródło napięciowe

Źródło napięciowe to taki hipotetyczny, idealny element obwodu elektrycznego, który ma tylko jeden parametr: napięcie (wyjściowe, napięcie na zaciskach), często oznaczane nie literą U, tylko literą E jako tzw. siła elektromotoryczna (SEM). I to napięcie jest niezmienne, nie zależy od prądu obciążenia – rysunek 2.

Nieprzypadkowo na rysunku przedstawiłem dwa pokazujące to wykresy z odwrotnie oznaczonymi osiami. Prąd obciążenia I_L może zmieniać się od zera do nieskończoności i jest wyznaczony przez dołączoną rezystancję obciążającą: I_L = E / R_L. Podkreślmy, że hipotetyczne, doskonałe źródło napięciowe zachowałoby swoje nominalne napięcie E nawet przy nieskończenie wielkim prądzie obciążenia.

Napięcie jest tu niezmienne, więc moc pobierana ze źródła napięciowego jest wprost proporcjonalna do poboru prądu (P = U × I), a odwrotnie proporcjonalna do rezystancji obciążenia R_L. Czym większa rezystancja obciążenia, tym mniejszy prąd i mniejsza moc pobierana z tego źródła. To wydaje się naturalne – jesteśmy do tego przyzwyczajeni.

Właściwości zbliżone do idealnego źródła napięciowego ma potężny akumulator – przykład na fotografii 3 (Aliexpress), z którego można pobrać duży prąd, nawet rzędu setek amperów.

(…) ciach!

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze sierpniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.