Czym są źródła napięciowe i prądowe?

Moja biblioteczka książek na temat elektrotechniki urosła już do sporych rozmiarów. I choć część pozycji porusza kwestię źródeł napięciowych i prądowych, to jednak żadna z nich nie mówi wprost czym owe źródła tak naprawdę są. Pora wyjść temu zagadnieniu na przeciw.

Skąd się bierze energia elektryczna?

Wszystkie źródła elektryczne, czy to napięciowe, czy prądowe, mają za zadanie dostarczać energię elektryczną do naszych urządzeń. Tylko co to tak naprawdę znaczy? Całą sytuację najlepiej opisać na przykładzie gry w kręgle. Tocząca się kula, dzięki swej masie i prędkości, ma wystarczająco duży impet (fachowo nazywany energią kinetyczną), by rozbić kręgle. W świecie elektryczności odpowiednikiem kuli są pędzące elektrony, które, tak jak kula, mają pewną masę i prędkość. Kiedy wpadną do, dajmy na to, żarnika żarówki, to rozbijają się o jego atomy, co skutkuje powstaniem jaskrawego blasku. I to właśnie o te małe, pędzące przewodami kuleczki rozgrywa się cała elektryczna gra.

Energia nie bierze się znikąd. Aby wprawić kulę do kręgli w ruch, musimy użyć siły własnych mięśni. Taktyka ta w przypadku cząstek niewidocznych gołym okiem na wiele się nie zda. Na szczęście fizycy odkryli pewną wyjątkową cechę elektronów, która pozwala nam przyspieszać i spowalniać je wedle naszej woli. Owa cecha nazywa się ujemnym ładunkiem elektrycznym. I choć tak naprawdę do dziś nie do końca wiemy skąd i dlaczego elektrony mają ładunek, to na przestrzeni lat dość dobrze nauczyliśmy się go wykorzystywać.

Wspomniany ładunek elektryczny sprawia, że elektrony zachowują się podobnie jak znane nam z makro-świata magnesy. Jeśli jeden elektron napotka drugi, to nagle pojawi się siła, która odepchnie cząstki od siebie. Jeśli z kolei elektron napotka cząstkę obdarzoną ładunkiem dodatnim (taką jak na przykład proton), to bardzo chętnie pomknie w jej stronę. Niestety obliczenie impetu z jakim elektron zostanie odepchnięty od innego elektronu nie jest takie proste. Wszystko dlatego, że siły fizyczne są tak naprawdę wielkościami wektorowymi.

Oznacza to, że jeśli chcemy dowiedzieć się czegokolwiek o zachowaniu elektronu, musimy brać pod uwagę nie tylko wartość działającej na niego siły, ale również jej kierunek i zwrot. Jeśli elektronów jest kilka, należy dodatkowo wziąć pod uwagę siły oddziaływania każdego z każdym, a do tego kierunki wszystkich tych sił, ich zwroty i tak dalej… Nikt nie mówił, że fizyka jest prosta – rozpracowywanie wielocząsteczkowych układów przekazujących energię bardzo szybko staje się zadaniem ponad siły przeciętnego śmiertelnika.

Na szczęście pewni pomysłowi ludzie zorientowali się, że gdy elektronów jest tak dużo, że i tak nikt nie jest w stanie ich ogarnąć, wówczas możemy traktować ich skupisko jak jedną wielką masę. Dlatego właśnie w elektryce rozprawiamy nie o siłach działających na każdą cząstkę z osobna, a o różnicy potencjałów, która napędza cały elektronowy ocean.

Różnica potencjałów, zwana popularnie napięciem, to nic innego jak pewne uproszczenie skomplikowanego, fizycznego obrazka. Mówi nam ona wprost jak bardzo dane skupisko elektronów chce przemieścić się z jednego miejsca w inne. A skoro elektrony chcą się ruszyć, to znaczy, że mogą nam przy okazji przynieść energię. Ile tej energii ostatecznie będzie powiemy sobie innym razem, bo dziś musimy przede wszystkim dobrze zrozumieć czym są i jak działają jej źródła.

Czy wiesz, że…

Różnica potencjałów, czyli popularne napięcie (ang. voltage) początkowo nazywane było naprężeniem (ang. tension) lub elektryfikacją (ang. electrifiaction). Dopiero w 1785 roku wybitny matematyk Pierre Laplace wprowadził pojęcie potencjału (ang. potential), które doskonale wpasowało się w wiele dziedzin fizyki, w tym dział elektryczności. Co ciekawe, dawne słownictwo pozostawiło trwały ślad chociażby w krajach rosyjsko-języcznych, gdzie napięcie tłumaczy się jako napryazheniye (oryg. напряжение)

więcej tego typu ciekawostek znajdziesz w moim ebooku Krótka Historia Elektryczności

Jak wytworzyć napięcie?

Aby poruszyć elektronami, musimy zadziałać na nie siłą, a więc wytworzyć napięcie – to już wiemy. Ale w jaki sposób to zrobić? Jak mówiłem, elektrony są zbyt małe, by taktyka ,,złap i rzuć” miała sens. Nie oznacza to jednak, że siła naszych mięśni nie może nam się do niczego przydać. Otóż jeśli zaczniemy pocierać o siebie dwiema różnymi powierzchniami, to jest szansa, że całkiem sporo elektronów zostanie oderwanych od jednej z nich i przeskoczy na drugą.

Efekt ten nazywamy elektryzowaniem przez tarcie. Zjawisko to towarzyszy nam chociażby w trakcie przechadzania się po miękkim dywanie, czy przy wysiadaniu z samochodu. W tym drugim przypadku nasze ubrania trą o tapicerkę, wydzierając z niej całą masę elektronów. Uwięzione cząstki (które, przypominam, nie lubią swojego towarzystwa) będą pragnęły czym prędzej powrócić tam, skąd przybyły, a to spowoduje powstanie niezwykle potężnej siły napędowej. Jeśli w tej sytuacji dotkniemy karoserii auta, odczujemy bolesny przeskok iskry – będzie to znak, że elektrony szturmem powróciły do swojej ojczyzny, a po zgromadzonym napięciu nie pozostał już żaden ślad.

Dokładnie tym samym zjawiskiem, acz o nieporównywalnie większej skali, są wyładowania atmosferyczne. Elektrony, za sprawą tarcia o siebie cząsteczek w powietrzu, zostają wyrwane ze swoich atomów i kumulują się w atmosferze. Z czasem jest ich tak dużo, a napięcie osiąga tak kolosalne rozmiary, że bez trudu są w stanie pokonać grubą warstwę powietrza i uciec do gruntu. Dzieje się to rzecz jasna przy akompaniamencie przeraźliwego grzmotu.

Tarcie to oczywiście najprostszy możliwy sposób wytwarzania napięcia. Niestety fakt, że całą skumulowaną energię tracimy w ułamku sekundy sprawia, że nie jest to źródło, na którym możemy polegać. Znacznie popularniejszym sposobem zmuszania elektronów do ruchu jest ten znany z baterii. We wnętrzu tych niewielkich, pokrytych metalowym płaszczem urządzeń zamyka się takie związki chemiczne, które, reagując ze sobą, wyrzucają z siebie elektrony i nie dają im już możliwości powrotu. Wówczas jedyną możliwością ucieczki dla osieroconych cząstek staje się obwód, który do takiej baterii podłączymy.

Niektóre reakcje chemiczne wykorzystywane w bateriach wytwarzają napięcie rzędu 1,5 V (jak w bateriach alkalicznych typu AA), a inne na przykład 3 V (jak w akumulatorach litowo-jonowych). Wszystko zależy tak naprawdę od rodzaju zachodzących reakcji, ale niewątpliwą zaletą tej technologii jest możliwość łączenia ogniw ze sobą, To właśnie w ten sposób jesteśmy w stanie osiągać napięcia potrzebne do napędzenia elektronarzędzi, dronów, a nawet samochodów elektrycznych.

Jeszcze innym sposobem wytwarzania napięcia jest ten znany z rowerowego dynamo. Polega on na wykorzystaniu ruchu obrotowego na spółkę z kilkoma prawami elektromagnetyzmu. Temat jest dość skomplikowany, ale zasadniczo chodzi o to, że tak jak w baterii zamienialiśmy energię chemiczną w elektryczną, tak tutaj przemianie ulega energia mechaniczna (pochodząca z kół napędzających dynamo).

Jeśli zaś chodzi o napięcie 230 V znane z naszych domowych gniazdek, to jest to przykład najbardziej złożony. Dochodzi tutaj bowiem do kilkustopniowego przetwarzania energii – najpierw poprzez spalanie paliw wytwarza się parę pod bardzo wysokim ciśnieniem, a następnie za jej pomocą napędza ogroooomne dynamo, nazywane turbogeneratorem. Innymi słowy, najpierw przechodzimy z energii chemicznej w mechaniczną, a dopiero później w elektryczną. Tak w skrócie 😉

Co to jest źródło napięciowe

Wszystkie opisane powyżej źródła energii elektrycznej nazywamy źródłami napięciowymi. Dlaczego? Bo wszystkie one w założeniu wywierają na elektronach swego rodzaju ,,stałą presję”, która dla nas objawia się powstanie napięcia o pewnej ustalonej wartości – dla baterii może to być 1,5 V, dla instalacji domowej 230 V, a dla wyładowania atmosferycznego kilka milionów woltów.

W praktyce źródła napięciowe stanowią 99% wszystkich otaczających nas źródeł energii elektrycznej. Dlaczego? Bo bazują one na fundamentalnych prawach natury i aby takie źródła stworzyć, nie trzeba się nawet specjalnie natrudzić. I nie mówię tu o banalnym wręcz tarciu, bo i proste źródło chemiczne nie jest trudne do wykonania. Wystarczy wziąć chociażby cytrynę, po jednej stronie wbić żelazny gwóźdź, po drugiej miedziany pręt i w ten sposób uzyskamy źródło napięcia o wartości 1 V.

Rozbierając rowerowe dynamo również dostrzeżemy, że nie ma w tym urządzeniu niczego skomplikowanego. Ot zwykły magnesik na trzpieniu, zwój drutu i dwa przewody połączone z lampką rowerową. Przy odrobinie zapału każdy może takie urządzenie wykonać w domu.

Podsumowując: źródła napięciowe mają za zadanie generować siłę zdolną do poruszenia elektronami. To ile tych elektronów popłynie zależy już od konstrukcji naszego obwodu (a przede wszystkim od podłączonych odbiorników). Mała rezystancja pozwoli na przepływ dużego prądu, a duża rezystancja będzie ten prąd ograniczać. Inne natężenie prądu to też inna ilość płynącej w kierunku naszych odbiorników energii. O tym wszystkim porozmawiamy jeszcze w przyszłości. Teraz, jeśli idea źródeł napięciowych jest już dla Ciebie zrozumiała, zapraszam na drugą część artykułu, w której wejdziemy na znacznie wyższy poziom wtajemniczenia.

Co to jest źródło prądowe?

Wykorzystując prawa natury możemy bez trudu wytworzyć napięcie, które to z kolei wywoła przepływ prądu. Wszystko wydaje się czytelne, proste i logiczne. A co jeśli zechcemy pójść naturze na przekór i stworzyć takie źródło, które wytwarza prąd o stałej wartości bez względu na to co zasilamy? Czy takie coś ma w ogóle sens? Przecież do wytworzenia prądu potrzebne jest napięcie!

Owszem, starożytna zasada mówi: ,,Nie ma prądu bez napięcia”. Dlatego źródła prądowe tak naprawdę też wytwarzają napięcie i automatycznie dostosowują jego wartość tak, by w obwodzie przez cały czas płynął ten sam prąd. Brzmi to dziwnie i skomplikowanie? Nic dziwnego, bo i budowa źródła prądowego nie jest wcale taka prosta. Do jego stworzenia nie wystarczy już tylko cytryna, dwa kawałki metalu i wszystkie odcinki MacGyvera na VHS.

Prawdę mówiąc to znam tylko jeden fizyczny proces, który pozwala w naturalny sposób wytworzyć stały prąd. Mowa tutaj o zjawisku fotoelektrycznym, które jest wykorzystywane do tłoczenia elektronów przez ogniwa fotowoltaiczne. Zasada działania ogniwa słonecznego jest bardzo podobna do zasady działania baterii – również tutaj elektrony są wyrzucane z miejsca, do którego przynależały, ale tym razem nie za sprawą reakcji chemicznej, a zjawiska fizycznego.

Siłą napędową zjawiska fotoelektrycznego jest światło, a konkretnie fotony. Cząstki te, docierając do ogniwa, przekazują elektronom tak duża dawkę energii, że te bez trudu odrywają się od swoich atomów. Oczywiście wykorzystanie takich pobudzonych fotonami elektronów nie jest łatwe i w praktyce nie byłoby możliwe, gdyby nie opracowana w połowie ubiegłego wieku technologia półprzewodników. To właśnie one stanowią podstawę paneli słonecznych, które, mimo skomplikowanej budowy, wciąż pozostają najprostszymi źródłami prądowymi jakie znamy.

Na omówienie zasady działania fotowoltaiki przyjdzie jeszcze czas w osobnym artykule. Póki co wystarczy nam fakt, że stałe natężenie światła powoduje wybicie pewnej stałej liczby elektronów ze struktury ogniwa. W tym właśnie kryje się tajemnica dlaczego ogniwa słoneczne to jednak źródła prądu, a nie napięcia – bez względu na to, czy do takiego ogniwa podłączysz mały rezystor, czy może trochę większy, płynący prąd w obu przypadkach będzie taki sam (przy stałym nasłonecznieniu). Inne będzie jedynie wytworzone przy okazji napięcie, które uzależnione będzie od tego jak łatwą drogę ucieczki damy elektronom (czyli jak duży będzie wspomniany rezystor).

Kolejnym, wciąż relatywnie prostym, przykładem źródła prądowego jest taki oto układ:

Na rysunku widzimy tranzystor, którego podstawową własnością jest fakt, że prąd I_B jest proporcjonalny do prądu I_K. Innymi słowy, odpowiednio dobierając rezystory, możemy uzyskać praktycznie dowolny prąd przepływający przez odbiornik R_O (oczywiście w granicach rozsądku). Dociekliwi zauważą, że coś tu jest nie tak, bo na rysunku widać, że nasz układ wymaga podłączenia napięcia (potencjału dodatniego V₊ i ujemnego V_–). Źródło prądowe zasilane źródłem napięciowym? Brzmi zabawnie, ale tak to właśnie działa. Nie ma w tym zresztą niczego złego, bo podstawowym założeniem tego układu jest dostarczenie do odbiornika prądu o pewnej wartości. Obwód ten będzie realizował to zadanie przy (teoretycznie) dowolnej wartości podłączonego napięcia, dlatego jest on źródłem prądowym w pełnym tego słowa znaczeniu.

Na tym niestety kończą się przykłady relatywnie prostych źródeł prądowych. Chcąc rozwinąć temat dalej, musimy zwrócić się w kierunku bardziej złożonej elektroniki, której przykładem może być ten bardzo popularny model zasilacza laboratoryjnego:

Jasne, w teorii zasilacze tego typu to po prostu źródła napięciowe obniżające i prostujące napięcie z naszych gniazdek. Warto jednak wiedzieć, że urządzenia takie mają możliwość zablokowania wartości prądu na ustalonym poziomie. Podkręcając wówczas limit napięcia na maksa, uzyskujemy uniwersalne źródło prądowe, na którym możemy testować swoje najbardziej ambitne projekty.

Po co nam źródła prądowe?

Przydatności źródeł napięciowych nie muszę chyba nikomu tłumaczyć – to dzięki nim działają nasze telefony, zegarki i komputery, które same pobierają ze źródła dokładnie tyle prądu ile potrzebują. Czy zatem istnienie źródeł prądowych ma jakikolwiek sens? Ależ oczywiście! Niech za pierwszy przykład posłużą diody LED, czyli kolejny przedstawiciel kasty półprzewodników w tym artykule.

Chcąc zasilić diody LED możesz skorzystać zarówno ze źródła napięciowego jak i prądowego. Dlaczego zatem lepiej jest zastosować to drugie? Otóż każda dioda charakteryzuje się określonym prądem, który musi przez nią płynąć, aby świeciła pełnym światłem. W teorii możesz zatem wziąć jakieś źródło napięciowe i dobrać rezystor tak, by układ takich diod dostał tyle prądu ile chce. Niestety nie będzie to najlepsze wyjście.

Problem z rozwiązaniem napięciowym zauważysz wtedy, gdy zdecydujesz się nagle dołożyć albo ująć nieco światełek. Wówczas będziesz zmuszony albo zmienić napięcie zasilania, albo dobrać nowy rezystor, by ponownie dostosować prąd. Nie brzmi to jak jakiś wielki kłopot? Niestety nawet jeśli nie planujesz zmieniać ilości diod, to i tak nie możesz spać spokojnie.

Powodem jest spadek napięcia, jaki generują LEDy. Jeśli nie do końca wiesz czym ów spadek jest, to zajrzyj do tego artykułu – tam wyjaśniłem go dokładnie. W skrócie chodzi o to, że diody są jak zatory w instalacji hydraulicznej – powodują one spadek „elektrycznego ciśnienia”. Załóżmy, że każda dioda powoduje spadek na poziomie 1 V. Jeśli twój zasilacz ma 12 V, to możesz spokojnie podłączyć szeregowo 12 takich diod i wszystko powinno działać. Teoretycznie.

W praktyce bowiem ,,napięciożerność” diody zależy chociażby od jej temperatury. Przez to zamiast 1 V, może ona zabierać nagle 1,2 V albo 0,8 V. Przez to cały pasek LEDów będzie raz świecił jaśniej, a raz ciemniej. To może nie tylko zdenerwować wnikliwego obserwatora, ale przede wszystkim znacząco skróci żywotność tych półprzewodnikowych źródeł światła. Nie bez przyczyny wszystkie dobre zasilacze LED są źródłami prądowymi – automatycznie dostosowują one wartość generowanego napięcia tak, by przez diody cały czas płynął ten sam prąd. Takie właśnie rozwiązania warto stosować.

O diodach LED będzie jeszcze okazja pomówić dokładniej. Teraz jednak przyszedł czas na praktyczny przykład źródła prądowego numer dwa, z którym jako automatyk mierzę się niemal codziennie. Do jego zobrazowania posłużę się niezwykle prostym przykładem: załóżmy, że posiadasz inteligentny grzejnik elektryczny, który dostosowuje temperaturę pomieszczenia do twojego widzimisię. Grzejnik taki musi przede wszystkim na bieżąco monitorować temperaturę pomieszczenia, by wiedzieć kiedy się włączyć i kiedy wyłączyć. Do tego służy rzecz jasna czujnik temperatury.

Czujniki tego typu są różne i aby uprościć całą sprawę przyjmijmy, że mamy do wyboru dwie konstrukcje: napięciową i prądową. Wersja napięciowa, jak sama nazwa wskazuje, wysyła w kierunku grzejnika napięcie zależne od temperatury – na przykład kiedy jest zimno mamy 1 V, a kiedy bardzo ciepło 10 V. Czujniki prądowe robią podobnie – jak jest zimno wysyłają na przykład 1 mA, a kiedy jest gorąco 10 mA. Pytanie za 100 punktów: dlaczego w przypadku tego typu sterowania znacznie lepszy będzie czujnik prądowy?

Powody są dwa. Po pierwsze, jeśli dojdzie do przerwania takie obwodu prądowego (fachowo nazywamy go pętlą prądową) w dowolnym miejscu, to w rezultacie wartość płynącego prądu w całym obwodzie spadnie do zera. Jeśli chodzi o sygnał napięciowy to takiej pewności nie mamy – czyniąc długą historię krótką, przerwanie go w pechowym miejscu sprawi, że grzejnik cały czas będzie otrzymywał napięcie na poziomie 10 V, nigdy się nie włączy, a my zamarzniemy na śmierć (chyba, że wcześniej wykryjemy usterkę).

Drugi powód jest może mniej spotykany w domowych warunkach, ale za to na obiektach przemysłowych to normalność. Chodzi o wszechobecne zakłócenia, których źródłem może być praktycznie każdy nieodpowiednio zabezpieczony silnik elektryczny. Z zakłóceniami tego typu (zwanymi elektromagnetycznymi) jest tak, że każdy sygnał napięciowy chłonie je niemal jak gąbka. Z kolei pętlę prądową niezwykle trudno jest zakłócić w ten sposób, bowiem jej celem jest wysyłanie stałej wartości prądu bez względu na to jakie fluktuacje napięcia dzieją się dookoła.

Wszystko brzmi tak idealnie…

Mam szczerą nadzieję, że po tym artykule wiesz już mniej więcej czym są źródła energii elektrycznej i czym się różnią. W kolejnym artykule zajmiemy się kolejną kwestią, którą często poruszają książki na temat podstaw elektrotechniki – co to znaczy, że źródło energii jest idealne? Czym różni się ono od źródła rzeczywistego? I czy idealne źródła energii w ogóle istnieją? Do usłyszenia wkrótce!

---

Dzięki za poświęcony czas!

---

Bibliografia