OSNOVE ELEKTROTEHNIKE
INTERAKTIVNI NASTAVNI MATERIJALI
animacije · pokusi · lab. vježbe · simulacije · test pitanja · zadaci

Istosmjerni strujni krugovi · Otpornik priključen na laboratorijski izvor

Laboratorijski izvori mogu raditi kao naponski izvori (daju stalni napon) ili kao strujni (daju stalnu struju) izvori. Dakako, ovakvi izvori imaju ugrađenu elektroniku koja omogućava spomenute režime rada. Ukratko, radi se o izvorima koji se napajaju iz gradske mreže ($220 \text{ V}$, $50 \text{ Hz}$), a zatim se taj sinusni napon odgovarajućim elektroničkim i drugim sklopovima (transformator, ispravljač, regulator, stabilizator) pretvara u željeni istosmjerni napon odnosno struju. Često se koriste u eksperimentalnom radu pa ovakve izvore nazivamo laboratorijski izvori.

Program prikazuje voltampersku $\left( U-I \right)$ karakteristiku laboratorijskog izvora kojemu možemo mijenjati parametre (namještati najveći napon i najveću struju).

  • Horizontalna linija označava područje rada kada u kojem se laboratorijski izvor ponaša kao naponski izvor, tj. kada daje stalni napon $U_\text{m}$. Taj se napon može ovdje podešavati od $1 \text{ V}$ do $12 \text{ V}$.
  • Vertikalna linija označava područje rada kada u kojem se laboratorijski izvor ponaša kao strujni izvor, tj. kada daje stalnu struju $I_\text{m}$. Ta se struja može ovdje podešavati od $10 \text{ mA}$ do $1200 \text{ mA}$.
U interaktivnom primjeru na početku je zadano $U_\text{m} = 4 \text{ V}$, $I_\text{m} = 800 \text{ mA}$, a na laboratorijski izvor je spojeno trošilo — promjenjivi otpornik $R_\text{t}$ kojeg možemo podešavati od $0 \text{ } \Omega$ do $120 \text{ } \Omega$ (na početku je zadano $R_\text{t} = 8 \text{ } \Omega$).

U kojem će režimu izvor raditi ovisi o opteretnom otporniku (trošilu) $R_\text{t}$. Radna točka $Q$ je presjecište $U-I$ karakteristika izvora i trošila. Nakon što podesite $U_\text{m}$ i $I_\text{m}$ možete istražiti kako područje rada ovisi o otporu trošila $R_\text{t}$. Na primjer, uz početne vrijednosti $U_\text{m} = 4 \text{ V}$ i $I_\text{m} = 800 \text{ mA}$, izvor će raditi kao naponski (stalni napon $U = 4 \text{ V}$, a struja se mijenja $\longrightarrow$ raste do $I_\text{m}$) za sve otpore trošila veće ili jednake $R_\text{t} = 5 \text{ } \Omega$. A smanjivanjem otpora trošila ispod te vrijednosti izvor postaje strujni (stalna struja $I = 0.8 \text{ A}$, a napon se mijenja $\longrightarrow$ pada prema nuli).

Općenito, za neki laboratorijski izvor $\left( U_\text{m} , \, I_\text{m} \right)$ trebamo ustanoviti točku prijelaza — otpor trošila kod kojeg se mijenja njegov režim rada. Kako se zorno vidi na prikazanoj $U-I$ karakteristici laboratorijskog izvora, to je: $$R_\text{t (prijelaz)} = {U_\text{m} \over I_\text{m}}$$ Potom razmotrimo što će se dogoditi kada na takav izvor spojimo trošilo veće ili manje od tog otpora:

  • za sve otpore trošila od $\infty$ (odspojeno trošilo — prazni hod) do $R_\text{t (prijelaz)}$:
    • napon je stalan i iznosi $U_\text{m}$
    • struja kroz trošilo se mijenja prema Ohmovom zakonu (kako smanjujemo otpor trošila $R_\text{t}$ tako struja raste prema $I_\text{m}$): $$I = {U \over R_\text{t}}$$
  • za sve otpore trošila manje od $R_\text{t (prijelaz)}$ do nule (trošilo samo žica — kratki spoj)
    • struja je stalna i iznosi $I_\text{m}$
      • razmislite što bi se dogodilo da nismo zadali najveću dozvoljenu struju $I_\text{m}$ $\longrightarrow$ pri sve manjim otporima trošila struja bi i dalje samo rasla po formuli $I = {U \over R_\text{t}}$ sve do $\infty$...
    • napon na trošilu se mijenja prema Ohmovom zakonu (kako smanjujemo otpor trošila $R_\text{t}$ tako i napon pada prema nuli): $$U = R_\text{t} \cdot I$$


Bitno je uočiti razlike između priključka trošila na realni izvor i na opisani laboratorijski izvor. Pogledajte koje se veličine mijenjaju pri promjeni otpora trošila u oba slučaja!

U stvarnosti laboratorijski izvori imaju gumbe za podešavanje napona i struje. Tipične vrijednosti su: za napon $0-30 \text{ V}$, a za struju $0-3 \text{ A}$. Važan je podatak o stabilnosti napona odnosno struje (odstupanje od horizontale odnosno vertikale). Isto tako, u stvarnom pokusu prijelaz između naponskog i strujnog režima rada nije ovako oštar kao u primjeru — dobili biste lagano zaobljeno koljeno u blizini točke prijelaza. Uobičajeno je da se izvori proizvode po dva u istom kućištu tako da se mogu spajati serijski (za dobivanje većeg napona) odnosno paralelno (za dobivanje veće struje).

Treba razlikovati pojednostavljeni model izvora od stvarnog izvora električne energije. U zadacima na osnovama ćete susretati modele idealnog naponskog izvora, idealnog strujnog izvora, realnih naponskih i strujnih izvora. Konkretan izvor se može u određenim granicama uklopiti u spomenute modele. Na primjer, razmislite o modelu(ima) u koje bi se mogli uklopiti olovni akumulatori, baterije iz mobitela ili solarni izvori.

Nadalje, treba razlikovati prirodne izvore električne energije u kojima se neka energija (svjetlosna, toplinska, kemijska ili mehanička) pretvara u električnu od umjetnih izvora u kojima se jedan oblik električne energije pretvara opet u električnu, ali s posebnim svojstvima (npr. promjena napona, valnog oblika...). Svaki električni uređaj ima u tom smislu sklop za napajanje (npr. napajanje PC računala) koji proizvodi potrebne napone i struje. Posebna grupa izvora su izvori signala koji služe za prijenos informacija.