Sumber listrik memberikan energi yang dibutuhkan sirkuit. Beberapa menjaga tegangan tetap stabil, sementara yang lain menjaga arus tetap stabil. Sumber nyata berubah ketika beban, suhu, atau resistansi internal bergeser. Efek ini membentuk seberapa stabil output tetap ada. Artikel ini memberikan informasi yang jelas dan terperinci tentang perilaku sumber, resistansi internal, model, pengujian, dan batas umum.
Ikhtisar Sumber Listrik
Sumber listrik adalah bagian dari rangkaian yang menyediakan energi yang dibutuhkan agar semuanya bekerja. Ini dapat memasok tegangan stabil atau arus stabil. Mengetahui mana yang diberikannya membantu Anda memahami bagaimana seluruh sirkuit akan bekerja saat bagian yang berbeda terhubung.
Sumber tegangan menjaga tegangan pada tingkat yang sama, sedangkan sumber arus menjaga arus pada jumlah yang sama. Ide-ide ini sederhana, tetapi mereka membentuk cara kerja setiap sirkuit. Sumber listrik nyata tidak bisa tetap sempurna sepanjang waktu. Outputnya dapat berubah ketika beban menjadi lebih berat atau lebih ringan, dan ini memengaruhi seberapa stabil sirkuit tetap ada.
Meskipun sumber tegangan dan arus bertujuan untuk mempertahankan nilainya stabil, masing-masing memiliki batasan berdasarkan bagaimana ia dibangun. Ketika beban berubah, sumbernya mungkin tidak mempertahankan tegangan atau arus yang tepat lagi.
Dengan gagasan dasar tentang sumber tegangan dan arus yang ideal, kita sekarang dapat melihat bagaimana sumber nyata berbeda dengan memperkenalkan resistansi internal ke dalam model kita.
Resistansi Internal dalam Sumber Tegangan dan Arus Nyata
Sumber listrik nyata tidak berperilaku persis seperti yang terbaik karena mencakup resistansi internal. Resistansi tersembunyi ini memengaruhi berapa banyak tegangan atau arus yang dapat disampaikan sumber setelah beban terhubung. Akibatnya, output dari sumber nyata berubah tergantung pada kekuatan beban.
Sumber tegangan biasanya memiliki resistansi kecil secara seri, yang menyebabkan tegangan turun ketika lebih banyak arus ditarik darinya. Sumber arus memiliki resistansi besar secara paralel, yang membuat pergeseran arus ketika resistansi beban berubah. Bagian-bagian internal ini membentuk seberapa stabil output dalam kondisi nyata.
| Jenis Model | Perilaku Terbaik | Formulir Praktis | Batasan Utama |
|---|---|---|---|
| Sumber Tegangan | Tegangan tetap konstan | Sumber dengan seri Rs | Tegangan turun saat beban menarik lebih banyak arus |
| Sumber Saat Ini | Arus tetap konstan | Sumber dengan Rp paralel | Perubahan saat ini saat resistansi beban berubah |
Perilaku Beban dalam Sumber Tegangan dan Arus
Sumber Tegangan
• Sirkuit terbuka: Tegangan ada; arus hampir nol
• Korsleting: Arus menjadi sangat tinggi dan tergantung pada resistansi internal
Sumber Saat Ini
• Sirkuit terbuka: Tegangan meningkat karena arus tidak memiliki jalur
• Korsleting: Arus tetap mendekati nilai yang ditetapkan; tegangan menjadi sangat rendah
Untuk menyederhanakan analisis tentang bagaimana sumber dan beban berinteraksi, kita dapat mengubah sumber nyata apa pun menjadi bentuk yang setara, yang membawa kita ke kesetaraan sumber Thévenin-Norton di bagian berikutnya.
Kesetaraan Sumber Thévenin–Norton
Model Thévenin dan Norton memberikan dua cara yang cocok untuk mewakili sumber listrik yang sama dan resistansi internalnya. Satu menggunakan sumber tegangan dengan resistansi seri, dan yang lainnya menggunakan sumber arus dengan resistansi paralel. Keduanya menggambarkan perilaku yang sama pada terminal keluaran, sehingga operasi sirkuit yang sebenarnya tidak berubah. Mereka hanyalah dua bentuk dari sumber yang sama.
Rumus
• Bentuk arus dari bentuk tegangan:
DALAM = VTH / RTH
• Bentuk tegangan dari bentuk arus:
VTH = IN×RN
• Hubungan resistansi:
RN=RTH
Perilaku Tegangan-Arus dalam Sumber Dependen
Sumber Tegangan yang Dikendalikan Tegangan (VCVS)
VCVS bertindak seperti sumber tegangan yang tingkat outputnya tergantung pada tegangan lain. Ini mencerminkan bagaimana sumber tegangan nyata dapat menyesuaikan output dalam sirkuit yang dikontrol umpan balik.
Sumber Tegangan Terkontrol Arus (CCVS)
CCVS menghasilkan tegangan berdasarkan arus yang dirasakan. Ini menyelaraskannya dengan sirkuit di mana output tegangan dibentuk oleh perilaku arus beban, seperti sumber tegangan nyata dengan pengaturan yang bergantung pada arus.
Sumber Arus yang Dikendalikan Tegangan (VCCS)
VCCS berperilaku sebagai sumber arus yang diatur oleh tegangan eksternaltages. Ini mencerminkan bagaimana sumber arus merespons ketika tegangan kontrol mengatur arus konstan.
Sumber Arus Terkontrol Arus (CCCS)
CCCS mencerminkan sumber arus yang stabil tetapi menskalakan outputnya berdasarkan arus lain di rangkaian. Model ini menjelaskan bagaimana driver arus multi-tahap mempertahankan tingkat arus yang seimbang.
Tegangan AC dan DC Sumber & Arus
| Fitur | Sumber Tegangan DC | Sumber Arus DC | Sumber Tegangan AC | Sumber Arus AC |
|---|---|---|---|---|
| Keluaran Alam | Tegangan tetap | Arus tetap | Tegangan bervariasi dengan bentuk gelombang | Arus bervariasi dengan bentuk gelombang |
| Batasan | Penurunan tegangan dari Rs | Pergeseran saat ini dari Rp | Dipengaruhi oleh reaktansi | Dipengaruhi oleh besaran impedansi |
| Interaksi Muat | Tegangan stabil hingga arus tinggi | Arus stabil hingga tegangan tinggi | Harus menangani fase/impedansi | Harus menjaga arus meskipun fase |
| Perilaku Kekuatan | Konstan dari waktu ke waktu | Konstan dari waktu ke waktu | Bervariasi per siklus | Bervariasi per siklus |
Dengan mempertimbangkan perilaku DC dan AC, kita sekarang dapat fokus pada apa yang pada akhirnya dipedulikan oleh kebanyakan orang: berapa banyak daya yang dapat diberikan sumber ke beban dan seberapa efisien sumber melakukannya.
Tegangan vs. Arus: Perbandingan Pengiriman Daya dan Efisiensi
| Sudut pandang | Sumber Tegangan | Sumber Saat Ini |
|---|---|---|
| Kondisi Daya Maks | ( R~beban~ = R~s~ ) | ( R~beban~ = R~p~ ) |
| Di mana Kerugian Terjadi | Panas yang dihasilkan dalam resistansi seri (R~s~) | Panas yang dihasilkan dalam resistansi paralel (Rp ~) |
| Hubungan Beban Khas | Beban lebih besar dari (R~s~), meningkatkan efisiensi | Beban biasanya lebih kecil dari (R~p~), menjaga arus tetap stabil |
| Perilaku Keluaran | Tegangan tetap mendekati nilai yang ditetapkan sampai beban menjadi terlalu berat | Arus tetap mendekati nilai yang ditetapkan hingga beban menjadi terlalu ringan |
| Tren Efisiensi | Lebih tinggi ketika beban jauh lebih besar dari resistansi seri internal | Lebih tinggi ketika beban jauh lebih kecil dari resistansi paralel internal |
| Pola Aliran Daya | Daya tergantung pada seberapa banyak arus yang ditarik beban | Daya tergantung pada berapa banyak tegangan yang dibutuhkan beban |
Perangkat Praktis yang Dimodelkan sebagai Sumber Tegangan atau Arus
Komponen nyata dapat dievaluasi dengan mencocokkan perilakunya dengan model sumber tegangan atau sumber arus. Ini membantu memprediksi bagaimana mereka merespons beban yang berbeda dan seberapa dekat mereka cocok dengan karakteristik sumber yang ideal.
| Perangkat | Model Terbaik | Mengapa Cocok | Batasan |
|---|---|---|---|
| Baterai | Sumber tegangan dengan ( R~S~) | Tegangan tetap stabil | Resistansi internal meningkat dari waktu ke waktu |
| Catu Daya DC | Sumber tegangan yang diatur | Menjaga tegangan tetap konstan | Output arus terbatas |
| Sel Surya | Sumber saat ini | Arus tergantung pada sinar matahari | Penurunan tegangan di bawah beban berat |
| Driver LED | Sumber saat ini | Menjaga arus LED tetap stabil | Memiliki rentang tegangan maksimum |
Setelah kita memahami bagaimana komponen nyata memetakan ke model sumber tegangan dan sumber arus, langkah selanjutnya adalah menguji perangkat ini dan membandingkan perilakunya dengan model ideal di laboratorium.
Menguji dan Membandingkan Tegangan vs. Sumber Arus
• Ukur tegangan sirkuit terbuka untuk melihat output yang sebenarnya dari sumber yang tidak dimuat.
• Periksa arus hubung singkat hanya dengan alat yang dirancang untuk menangani arus tinggi dengan aman.
• Tentukan resistansi internal dengan membandingkan pembacaan dengan dua nilai beban yang berbeda.
• Biarkan pengukuran mengendap sehingga sumber dan meteran stabil sebelum merekam hasil.
Regulasi dan Perlindungan dalam Sumber Tegangan dan Arus
Peraturan
Sumber tegangan menggunakan umpan balik untuk mengurangi penurunan tegangan di bawah beban. Sumber arus mengatur output untuk menjaga arus tetap stabil bahkan ketika tegangan naik.
Perlindungan
Voltage sumber membutuhkan perlindungan hubung singkat untuk membatasi arus yang berlebihan. Sumber arus membutuhkan perlindungan sirkuit terbuka untuk mencegah penumpukan tegangan tinggi yang berbahaya.
Kesalahpahaman Umum Tentang Tegangan vs. Sumber Arus
• Versi ideal tidak ada karena resistansi internal.
• Tegangan yang lebih tinggi atau arus yang lebih tinggi saja tidak berarti kinerja yang lebih baik.
• Sumber arus terbuka dapat menciptakan tegangan tinggi yang berbahaya.
• Model Thévenin dan Norton tidak mengubah perilaku aktual.
Menjernihkan kesalahpahaman ini menempatkan kita pada posisi yang baik untuk membuat pilihan desain praktis, itulah sebabnya bagian berikut berfokus pada cara memilih antara sumber tegangan dan arus untuk aplikasi tertentu.
Memilih Antara Sumber Tegangan dan Arus
• Memilih model yang tepat membantu memprediksi bagaimana sumber berperilaku setelah beban terhubung, ketika resistansi internal memengaruhi output tegangan atau arus.
• Putuskan terlebih dahulu apakah perangkat harus bertindak terutama sebagai sumber tegangan atau sumber arus, tergantung pada apakah tegangan stabil atau arus stabil lebih penting.
• Ukur atau perkirakan resistansi atau impedansi internal, karena nilai ini menetapkan batas penurunan tegangan, perubahan arus, dan penanganan daya secara keseluruhan.
• Pertimbangkan bagaimana suhu memengaruhi resistansi internal karena panas dapat menggeser tingkat keluaran dan mengurangi stabilitas.
• Sertakan perilaku AC saat sumber beroperasi pada frekuensi yang berbeda, karena impedansi berubah dengan frekuensi dan dapat mengubah output.
• Tambahkan perlindungan untuk korsleting, arus tinggi, atau tegangan tinggi untuk menjaga sumber tetap dalam batas pengoperasian yang aman.
• Siapkan formulir Thévenin dan Norton bila diperlukan untuk menyederhanakan analisis, membandingkan perilaku, atau mencocokkan formulir yang diperlukan untuk perhitungan.
Kesimpulan
Sumber tegangan dan arus tidak pernah tetap sempurna karena resistansi internal, perubahan beban, panas, dan penuaan semuanya memengaruhi outputnya. Mengetahui bagaimana mereka bertindak selama sirkuit terbuka dan korsleting, bagaimana kecocokan bentuk Thévenin dan Norton, dan bagaimana sumber AC dan DC berbeda membuat perilaku sumber lebih mudah dipahami. Poin-poin ini membantu menjelaskan batas nyata dan aliran daya yang tepat.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Bagaimana suhu mempengaruhi stabilitas sumber?
Suhu yang lebih tinggi mengubah resistansi internal, menyebabkan tegangan atau arus melayang dan menjadi kurang stabil.
Mengapa beberapa sumber menghasilkan kebisingan listrik?
Kebisingan berasal dari bagian internal yang tidak stabil sempurna, dan sedikit mengganggu output sumber.
Mengapa sumber tidak dapat merespons perubahan beban secara instan?
Setiap sumber memiliki kecepatan respons bawaan, sehingga tegangan atau arus dapat naik atau turun sesaat sebelum mengendap.
Bagaimana penuaan mengubah kinerja sumber?
Resistansi internal meningkat seiring waktu, mengurangi stabilitas keluaran dan membuat sumber kurang akurat.
Mengapa alat ukur terkadang menunjukkan pembacaan yang berbeda?
Setiap meteran memiliki resistansi internalnya sendiri, yang mempengaruhi beban yang dilihat oleh sumber dan mengubah pembacaan.
Apa yang terjadi jika beban berubah dengan sangat cepat?
Perubahan beban yang cepat dapat menyebabkan penurunan pendek, lonjakan, atau osilasi karena sumber membutuhkan waktu untuk menyesuaikan.