2.1
Zdroje a spotřebiče
Pojmem zdroj v elektrotechnice označujeme místo, kde vzniká elektrická energie. Zdrojem může být skupina prvků (součástek), které vytváří (generují) napětí nebo proud. Tyto obvody označujeme jako aktivní obvody a jejich prvky jako aktivní prvky. Je-li přesně definovanou obvodovou veličinou tohoto obvodu napětí, potom tento obvod nazýváme zdrojem napětí. Pokud tento obvod definujeme velikostí vytvářeného proudu, nazýváme jej zdroj proudu. Zdroj napětí nebo proudu můžeme dále rozdělit na ideální a skutečný.
Definice
Ideální zdroj (součástka) je takové označení pro zdroj (součástku), kdy v popisu jeho vlastností uvažujeme pouze základní parametry (napětí/proud), pro které byl konstruován.
2.1.1
Ideální zdroj napětí
Je označení pro zdroj, který vytváří napětí dané velikosti mezi dvěma svorkami a udržuje toto napětí konstantní (stejné velikosti) při libovolném odebíraném proudu. Schematická značka:
+
1. Ideální zdroj napětí
Obr. 1. Ideální zdroj napětí
Vlastnosti zdroje nejčastěji popisujeme charakteristikou. U zdrojů tuto charakteristiku nazýváme zatěžovací charakteristika zdroje. Vyjadřuje, jak se mění napětí na svorkách zdroje UAB v závislosti na velikosti proudu Iz, který zdroj dodává do spotřebiče.
+
2. Zatěžovací charakteristika ideálního zdroje napětí
Obr. 2. Zatěžovací charakteristika ideálního zdroje napětí
Z charakteristiky můžeme zjistit následující parametry:
  • Při výstupním proudu Iz = 0 A nedodává zdroj do spotřebiče žádný proud. Tento režim nazýváme napětí naprázdno.
  • Při výstupním proudu zdroje Iz1 je výstupní napětí UAB1.
  • Při výstupním proudu zdroje Iz2 je výstupní napětí UAB2.
  • Při výstupním proudu zdroje Iz3 je výstupní napětí UAB3.
Pro jednotlivá napětí UAB1, UAB2UAB3 platí:
UABUABUAB= konstantní hodnota.
Matematicky můžeme tuto vlastnost zdroje zapsat takto:
U= fI .
V našem případě:
U= fI=konstanta .
V praxi zapisujeme přímo hodnotu napětí zdroje takto:
U=5 V nebo U=2,65 V nebo U=1,2·10-3 V .
Definice
Ideální zdroj napětí je zdroj, který má nulový vnitřní odpor Ri=0  . Hodnota výstupního svorkového napětí ideálního zdroje je vždy konstantní, bez závislosti na dodávaném proudu do spotřebiče. Hodnota výstupního napětí UAB odpovídá vnitřnímu napětí zdroje U0.
Poznámka
Matematický zápis UABf (Iz) píšeme přímo k zatěžovací charakteristice zdroje.
2.1.2
Skutečný zdroj napětí
Tak zní označení pro zdroj, u kterého se výstupní (svorkové) napětí mění s velikostí odebíraného proudu. Schematická značka:
+
3. Skutečný zdroj napětí
Obr. 3. Skutečný zdroj napětí
Zatěžovací charakteristika zdroje má následující podobu:
+
4. Zatěžovací charakteristika skutečného zdroje napětí
Obr. 4. Zatěžovací charakteristika skutečného zdroje napětí
Z charakteristiky můžeme zjistit následující parametry:
  • Bod na ose y nazýváme napětí naprázdno → UAB = 0 V (Iz = 0 A), většinou jsou svorky zdroje odpojeny od zátěže.
  • Bod na ose x nazýváme proud nakrátko Iz Izk nebo zkratový proud (Uz = 0 V).
  • Při výstupním proudu zdroje Iz1 je výstupní napětí zdroje UAB1.
  • Při výstupním proudu zdroje Iz2 je výstupní napětí zdroje UAB2.
  • Při výstupním proudu zdroje Iz3 je výstupní napětí zdroje UAB3.
Napětí UAB1, UAB2, UAB3 nejsou stejná: UAB1UAB2UAB3 .
V obvodu zdroje a spotřebiče platí:
Iz1<Iz2<Iz3 .
Pro svorkové napětí zdroje UAB platí:
UAB= fIz ,
UAB1>UAB2>UAB3 .
Definice
Skutečný zdroj napětí má vnitřní odpor Ri>0  . Na tomto vnitřním odporu vzniká při průtoku proudu ze zdroje do spotřebiče úbytek napětí. O tento úbytek se snižuje výstupní svorkové napětí zdroje UAB (UAB je zároveň napětí spotřebiče).
V kapitole 4.6 učebního textu „Elektronika I“ jsme si odvodili vzorce pro výstupní (svorkové) napětí zdroje:
U0=URi+URz .
Pro výstupní napětí zdroje URz můžeme psát:
URz=UO-URi=U0-I·Ri .
Pro proud I (uzavřené smyčka zdroj-spotřebič) platí:
I=U0Ri+Rz .
Po dosazení za I do předchozí rovnice můžeme psát:
URz=U0-I·Ri=U0-U0Ri+Rz·Ri .
Novým parametrem skutečného zdroje je zkratový proud zdroje. Je to proud, který dodává zdroj do zátěže s nulovým odporem Rz = 0 Ω. V praxi se jedná o zkratované výstupní svorky zdroje.
Hodnota zkratového proudu zdroje Izk se vypočítá ze vzorce:
Izk=U0Ri .
Příklad
Skutečný zdroj napětí má napětí naprázdno U0=9 V . Vnitřní odpor zdroje Ri=1  . Vypočítejte hodnotu výstupního napětí zdroje (napětí na zátěži) po připojení zátěže (spotřebiče) RZ=20  Ω. Dále stanovte hodnotu zkratového proudu zdroje.
Zobrazit řešení
Řešení
URz=U0-I·Ri=U0-U0Ri+Rz·Ri=9 V-9 V1 +20 ·1=8,57 V
Izk=U0Ri=9 V1 =9 A
Příklad
Zdroj napětí má hodnotu napětí naprázdno (napětí na svorkách zdroje UAB bez připojené zátěže) o velikosti U = 12,2 V. Po připojení spotřebiče (zátěže) Rz na svorky AB zdroje kleslo napětí zdroje na hodnotu 9,5 V. Spotřebičem protékal proud IRz = 0,5 A. Vypočítejte hodnotu vnitřního odporu zdroje Ri, hodnotu zkratového proudu Izk a nakreslete zatěžovací charakteristiku zdroje.
Zobrazit řešení
Řešení
Numerické řešení využívá základních definičních vztahů pro uzavřený obvod zdroj-spotřebič. (Ohmův zákon a Kirchhoffovy zákony).
Pro úbytek napětí na vnitřním odporu Ri zdroje platí:
URi=U0-URz=12,2-9,5=2,7 V .
Hodnota vnitřního odporu zdroje Ri je rovna:
Ri=URiIRi=URiIRz=2,7 V0,5 A=5,4  .
Hodnotu zkratového proudu Izk vypočítáme:
Izk=U0Ri=12,2 V5,4 =2,259 A zaokrouhlíme na hodnotu 2,26 A.
2.1.3
Ideální zdroj proudu
Tak zní označení pro zdroj, který dodává konstantní proud do libovolné zátěže, která je připojena na výstupní svorky AB zdroje proudu. Schematická značka:
+
5. Ideální zdroj proudu
Obr. 5. Ideální zdroj proudu
Ideální zdroj proudu se skládá ze zdroje proudu a paralelně zapojeného vnitřního odporu Ri. U ideálního zdroje proudu je hodnota tohoto odporu nekonečně velká (Ri = ∞ Ω). Pro správné pochopení funkce proudového zdroje je potřeba si uvědomit následující skutečnosti:
  • Hodnota vnitřního odporu proudového zdroje má vysokou hodnotu (ne nekonečně velkou).
  • Vnitřní odpor Ri zdroje proudu je po připojení zátěže připojen paralelnězátěži.
  • Na výstupních svorkách zdroje proudu po připojení zátěže platí vztah mezi proudem, odporem a napětím, tedy Ohmův zákon.
+
6. Zatěžovací charakteristika ideálního zdroje proudu
Obr. 6. Zatěžovací charakteristika ideálního zdroje proudu
2.1.4
Skutečný zdroj proudu
Tento zdroj proudu se vyznačuje vysokou hodnotou vnitřního odporu a konečným rozsahem výstupního napětí na svorkách AB.
+
7. Skutečný zdroj proudu
Obr. 7. Skutečný zdroj proudu
Od zdroje proudu požadujeme, aby byl schopen dodat konstantní proud do libovolné hodnoty zatěžovacího odporu. Tuto vlastnost (schopnost) realizuje pomocí změny svorkového napětí.
+
8. Zatěžovací charakteristika skutečného zdroje proudu
Obr. 8. Zatěžovací charakteristika skutečného zdroje proudu
Příklad
Zdroj proudu Izp s hodnotou 1 mA byl zatížen postupně rezistorem Rz1 = 1 kΩ a Rz2 = 5 kΩ. Vypočítejte jakou hodnotu napětí UAB naměříme na svorkách zdroje proudu.
Zobrazit řešení
Řešení
Pro rezistor Rz1 platí:
UAB=Izp·Rz1=1 mA·1000 =1 V .
Pro rezistor Rz2 platí:
UAB=Izp·Rz2=1 mA·5000 =5 V .
Po připojení zatěžovacího rezistoru Rz1 bude na svorkách zdroje proudu napětí 1 V po připojení rezistoru Rz2 napětí 5 V.
2.1.5
Spotřebič
Výrazem spotřebič v elektrotechnice označujeme prvek (součástku) nebo skupinu prvků, které dodávanou energii od zdrojů pouze využívají ke své činnosti, a to většinou ztrátovým způsobem.