Fundamenty elektroniki – zadziwiające źródło prądowe

W poprzednich dwóch artykułach cyklu omówiłem dwa podstawowe wzory oraz dwa prawa Kirchhoffa. W tym artykule zajmiemy się ogromnie ważną sprawą źródeł energii. Dla wielu osób źródło napięciowe oraz źródło prądowe to jest dokładnie to samo. Przekonajmy się, że zdecydowanie nie jest to to samo.

Jeszcze raz przypomnę, że w elektronice najważniejsza jest energia, czyli najprościej zdolność do działania, do zmian. Energia elektryczna, ściślej elektromagnetyczna, która mocno związana jest z polem elektrycznym, polem magnetycznym, a w przypadkach, gdy wykorzystujemy przewody, także z napięciem elektrycznym i prądem elektrycznym.

Źródła energii, źródła napięcia czy prądu?

Urządzenia i obwody elektroniczne podczas pracy muszą być zasilane za pomocą jakichś źródeł energii elektrycznej. To kolejna „oczywista oczywistość”, ale nawet doświadczeni elektronicy z przyzwyczajenia używają tu nieprecyzyjnych określeń.

Otóż zamiast mówić źródło energii elektrycznej, bardzo często mówimy że jest to źródło prądu lub źródło napięcia. Te trzy określenia w potocznej mowie są synonimami i używamy ich wymiennie. Tak było, tak jest i zapewne długo jeszcze będzie.

Natomiast określenie źródło prądowe to określenie precyzyjne, ścisłe, które znaczy zupełnie co innego niż źródło napięciowe. Owszem, są to źródła energii elektrycznej, ale o zupełnie innych właściwościach. Źródło napięciowe niejako stara się utrzymać na swym wyjściu (na swych zaciskach) niezmienne napięcie. W przeciwieństwie do tego źródło prądowe stara się utrzymać niezmienny prąd, czyli utrzymać przepływ prądu o niezmiennym natężeniu.

Musimy przyjrzeć się temu bliżej! Otóż dla wielu osób napięcie i prąd to synonimy, bo prawie wszyscy mówimy: „nie ma prądu”, a innym razem „nie ma napięcia” opisując tę samą sytuację – przerwanie dostaw energii w sieci energetycznej. Dlatego też źródło napięcia, źródło napięciowe, źródło prądu, źródło prądowe znaczy dla wielu osób dokładnie to samo.

A zdecydowanie tak nie jest! Źródło napięcia, źródło prądu to określenia ogólne, nieprecyzyjne, niefachowe, potoczne. Natomiast fachowe określenie: źródło prądowe jest słabo rozumiane nawet wśród elektroników i przez wielu niesłusznie uważane za dziwaczny wymysł teoretyków. Nie ma natomiast problemu z interpretacją drugiego fachowego pojęcia, jakim jest źródło napięciowe.

Przyczyny wynikają z historii elektroniki, dlatego koniecznie musimy przypomnieć kilka faktów. Otóż gwałtowny rozkwit badań nad elektrycznością nastąpił po roku 1800, gdy Alessandro Volta wynalazł stos – baterię elektryczną, źródło energii elektrycznej o stabilnych, powtarzalnych parametrach. Wcześniej z tą powtarzalnością i stabilnością był problem, bo źródła energii elektrycznej były, powiedzmy, bardzo kapryśne (były to maszyny elektrostatyczne i kondensatory wysokonapięciowe).

Dziś w elektronice powszechnie wykorzystujemy (jednorazowe) baterie elektryczne, podobne ale dużo lepsze niż stos Volty, a także rozmaite akumulatory. Baterie i akumulatory są źródłami, zasobnikami energii, a nieco ściślej biorąc, podczas pracy zamieniają energię chemiczną (energię wiązań chemicznych) na energię elektryczną.

Baterie i akumulatory od ponad stu lat wykorzystujemy do zasilania różnych układów i urządzeń elektronicznych, a często zamiast baterii i akumulatorów, do ich zasilania stosujemy rozmaite zasilacze. Zasilacze, czyli urządzenia, które są dołączone do sieci energetycznej i „udają baterie”.

Co bardzo ważne, pierwsze „aktywne” urządzenia elektroniczne, a mianowicie archaiczne lampowe odbiorniki radiowe, pierwotnie zasilane były z baterii i akumulatorów, co było kosztowne i kłopotliwe. Dlatego z czasem zaczęto wykorzystywać zasilacze sieciowe. I tu koniecznie trzeba podkreślić, że dawne zasilacze do lampowych radioodbiorników bateryjnych nazywano eliminatorami baterii (battery eliminator). Fotografia 1 pokazuje taki opracowany w roku 1925 eliminator, który mógł zastępować ówczesne baterie (akumulatory).

Na fotografii 2 widoczny jest późniejszy eliminator baterii, pochodzący z roku 1975.

Obecnie tego określenia już się nie używa, ale do dziś większość „eliminujących baterie” zasilaczy ma właściwości podobne, często nawet lepsze od baterii. W każdym razie w tym artykule ważne jest to, że „eliminatory baterii” mają właściwości podobne do baterii i akumulatorów.

Źródła napięciowe

Podstawowym parametrem baterii i akumulatorów jest ich napięcie. Idealna bateria powinna mieć niezmienne napięcie i pracować bez żadnych ograniczeń nieskończenie długo. Idealna bateria miałaby tylko jeden parametr: napięcie.

Rzeczywiste baterie i akumulatory są niedoskonałe i dlatego podajemy ich drugi parametr, ważny z praktycznego punktu widzenia, a mianowicie pojemność. Pojemność to w sumie informacja o ilości energii (wyrażana w watogodzinach lub amperogodzinach), ale te kwestie teraz pominiemy. Skoncentrujemy się na najważniejszym – na napięciu.

Miarą doskonałości baterii jest stabilność jej napięcia podczas pracy. Pod tym względem baterie i akumulatory nie są doskonałe, bo po pierwsze w czasie rozładowania napięcie baterii znacząco się zmniejsza, a po drugie wzrost prądu obciążenia powoduje zmniejszenie użytecznego napięcia baterii. Są to znaczne zmiany napięcia. Przykładowo ogromnie dziś popularne akumulatory Li-Ion, czyli litowo-jonowe, mają napięcie nominalne (U_nom) 3,6 albo 3,7 wolta, natomiast podczas pracy ich napięcie zmniejsza się.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w grudniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 12/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.