Zdroj (elektrotechnika)
Elektrický zdroj je súhrnný názov pre elektrické zariadenia, medzi ktorých dvoma rozličnými časťami (pólmi) je aj po pripojení elektrického obvodu (tzv. záťaže) udržovaný rozdiel elektrických potenciálov alebo napätia, pričom dodávajú do obvodu elektrický prúd. Ide tým vlastne o zdroj elektrickej energie.
Významy pojmu elektrický zdroj
Pojem elektrický zdroj sa používa v niekoľkých súvislostiach:
- ako abstraktný pojem v teórii elektrických obvodov
- ako všeobecný názov zariadení meniacich iný druh energie na elektrickú energiu, ako je napr. dynamo, galvanický článok
- ako názov pre zariadenia pre napájanie elektrického či elektronického obvodu (tzv. napájací zdroj), obvykle prispôsobujúce elektrickú energiu z iného zdroja pre potreby daného obvodu; napr. stabilizovaný zdroj, spínaný zdroj, vysokonapäťový zdroj atď.
Elektrický zdroj ako abstraktný pojem
Pre účely modelovania (výpočtu vlastností) reálnych elektrických obvodov sa v teoretickej elektrotechnike používajú zjednodušené, abstraktné modely prvkov obvodu. Pre elektrický zdroj sa používajú dva abstraktné modely:
- ideálny zdroj napätia (ktorý má na póloch konštantné napätie bez ohľadu na pripojený vonkajší obvod)
- ideálny zdroj prúdu (ktorým tečie konštantný prúd bez ohľadu na pripojený vonkajší obvod)
Bližšie skutočným elektrickým zdrojom je model tzv. reálneho zdroja napätia (prúdu), ktorý pozostáva z ideálneho zdroja napätia (prúdu) so sériovo (paralelne) zapojeným rezistorom, ktorý predstavuje tzv. vnútorný odpor zdroja. Takýto reálny zdroj napätia (prúdu) je možné na základe Theveninovej (Nortonovej) teorémy konvertovať na reálny zdroj prúdu (napätia).
Ani tento model však nie je dokonalou reprezentáciou skutočných elektrických zdrojov, ktoré vykazujú napr. periodickú a neperiodickú premenlivosť výstupného napätia v čase, teplotné závislosti, nelineárnu zaťažovaciu charakteristiku apod.
Reálne elektrické zdroje
V praxi má prevažná väčšina reálnych elektrických zdrojov, t. j. zariadení na premenu energie na elektrickú, charakter bližší napäťovému zdroju (t. j. majú relatívne malý vnútorný odpor); preto elektrický zdroj nazývame aj zdroj elektrického napätia. Póly sú vyvedené na povrch zdroja a upravené na praktické použitie; volajú sa svorky zdroja. Keď elektrický obvod nie je pripojený na zdroj, obvodom prúd neprechádza.
Vznik napätia v zdroji
Medzi svorkami zdroja vznikne napätie, ak jedna svorka bude obsahovať menej voľných elektrónov (kladný pól) ako druhá svorka (záporný pól). Preto vnútri zdroja pôsobia sily, ktoré odvádzajú z kladnej svorky voľné ióny, alebo zo zápornej svorky kladné ióny. Tieto sily prekonávajú elektrostatické sily utvoreného elektrického poľa medzi nabitými svorkami. Vnútri zdroja napätia teda musia pôsobiť neelektrostatické sily.
Udržovanie napätia v zdroji (regenerácia)
Pripojením kovového vodiča na elektricky nabité svorky vzniká vo vodiči elektrické pole, ktoré spôsobuje usporiadaný pohyb voľných elektrónov vo vodiči od prvej svorky k druhej. Na svorkách sa následne začne zmenšovať počet prebytočných nábojov. Tým sa zoslabí elektrické pole vnútri zdroja, takže sa poruší rovnosť veľkosti elektrostatických síl. V dôsledku toho, že na okamih prevládajú neelektrostatické sily, začne vnútri zdroja prebiehať taký pohyb voľných častíc s nábojom, ktorý obnovuje elektrické náboje na svorkách zdroja. Tak sa v uzavretom elektrickom obvode trvalo udržiava elektrický prúd.
Vybitie zdroja
Usporiadaný pohyb nabitých častíc vnútri zdroja sa končí, ak sa veľkosť elektrostatických a neelektrostatických síl rovná. Zdroj bez pripojeného obvodu na svorky je v rovnovážnom stave a medzi jeho svorkami je trvalé napätie, ktoré sa rovná rozdielu elektrických potenciálov svoriek.
Typy zdrojov napätia
V rozličných zdrojoch napätia vznikajú rôzne druhy neelektrostatických síl. Tieto zdroje napätia vo vodiči vyvolávajú jednosmerný elektrický prúd.
- Elektrochemický zdroj – neelektrostatické sily vznikajú chemickou reakciou elektród s elektrolytom. Príkladom je galvanický článok alebo akumulátor
- Fotoelektrický zdroj – napätie v ňom vzniká vzájomným pôsobením svetla s elektrónmi v kovoch alebo polovodičoch. Príkladom je fotočlánok. Používa sa napríklad ako sekundárny napäťový zdroj v menších prístrojoch (kalkulačky atď.).
- Termoelektrický zdroj – napätie, ktoré vzniká na spoji dvoch rozličných kovov závisí od teploty spoja. Zdroj sa nazýva termočlánok. Napätie termočlánku je tým väčšie, čím väčší je teplotný rozdiel medzi zohrievaným spojom a voľnými koncami.
- Elektrodynamický zdroj – neelektrostatické sily v ňom vznikajú pohybom vodiča v magnetickom poli. Tento jav sa nazýva elektromagnetická indukcia. Na tomto princípe pracuje napríklad dynamo, alebo alternátor.
- Mechanický zdroj – náboje sa v ňom oddeľujú trením pásu a prenášajú sa jeho pohybom. Príkladom je van de Graaffov generátor.