מקור מתח

מקור מתח אידאלי V, מספק מתח לנגד R ויוצר זרם I.

מקור מתח הוא התקן או מערכת אשר מייצרת כוח אלקטרו-מניע (כא"מ) בין הדקיו או מקבל מתח משני ממקור כא"מ עיקרי. מקור מתח עיקרי אינו זקוק לאספקת חשמל חיצונית על מנת לתפקד, בעוד שמקורות מתח "משניים" זקוקים למקור חיצוני המספק את האנרגיה החשמלית. כך למשל, ספק חשמלי זקוק לחיבור לרשת החשמל כדי לפעול, בעוד שתחנת כוח מייצרת חשמל בעצמה ואינה תלויה באספקת חשמל חיצונית. גם מקורות משניים, למרות שאינם באמת מקור ראשוני של חשמל, בכל זאת נקראים "מקורות" במונחי אלקטרוניקה.

מקורות מתח אידאליים

מקור מתח אידאלי הוא רכיב תאורטי במעגלים חשמליים אשר מייצר מתח חשמלי קבוע בין הדקיו, ללא כל תלות בזרם החשמלי שהוא יוצר. כאשר הוא מחובר למעגל פתוח (נתק) הוא מספק אפס זרם ואפס הספק. ככל שההתנגדות של העומס שואפת ל־0 (קצר) הזרם וההספק שואפים לאינסוף. מקור כזה קיים רק במודלים מתמטיים של מעגלים. העכבה הפנימית של התקן זה שווה לאפס, בעוד שבפועל למקור מתח אמיתי יש התנגדות פנימית.

מקורות מתח מעשיים

מעגל חשמלי עם מקור מתח מעשי (המורכב מ-R_S ו-V_S) וצרכן R_L

באופן מעשי אין מקור מתח אשר עונה על ההגדרות התאורטיות הנ"ל ושומר על מתח מדויק לחלוטין. למקור מתח מעשי ישנה התנגדות פנימית שנובעת מהמבנה הפנימי של המקור, בין אם בגלל המוליכים שמרכיבים אותו, ובין אם בגלל רכיבים חשמליים שונים שנמצאים בתוכו ומבצעים פעולות שונות כגון סינון רעשים, בחירת מתח מוצא רצוי מתוך טווח אפשרי, מעגלי ייצוב ומעגלי הגנה ובטיחות.

ניתן לייצג מקור מתח מעשי על ידי הוספת ההתנגדות פנימית R_S, אל מקור מתח אידאלי V_S, כפי שמופיע בשרטוט. בעזרת השרטוט ניתן לראות שהמבנה הפנימי של מקור מתח משפיע גם על הביצועים שמפגין מקור המתח. לדוגמה, אם ההתנגדות הפנימית של מקור המתח תהיה גדולה באופן משמעותי מהתנגדות הצרכן (R_L) אזי רוב המתח של המקור האידאלי ייפול על ההתנגדות הפנימית של המקור, והצרכן יקבל מתח ששונה במידה רבה מהמתח של המקור האידאלי. בצורה דומה, נוכחותה של ההתנגדות הפנימית משפיעה גם על הזרם היוצא מהמקור המעשי, ומפחיתה אותו בשיעור מסוים. התנגדות פנימית גבוהה מידי, תגרום להגבלת הזרם שיכול המקור המעשי להפיק. לפיכך, נהוג להשתמש במקורות מתח מעשיים שבהם ההתנגדות הפנימית היא קטנה ככל האפשר, ובכל מקרה קטנה משמעותית מהתנגדות הצרכן שישתמש במתח של המקור.

על מנת לאפיין מקורות מתח מעשיים נהוג להשתמש במושגים הבאים:

מתח ריקם V₀

המתח שמפיק מקור המתח המעשי כאשר לא מחובר אליו צרכן חיצוני. במצב זה לא מוזרם זרם דרך ההתנגדות הפנימית, ומפל המתח עליה הוא אפס - מצב שבו מקור המתח מפיק כלפי חוץ את המתח האידאלי שבו.

זרם קצר I₀

הזרם בין הדקי מקור המתח כאשר יש ביניהן התנגדות אפס (מצב של קצר חשמלי). במצב זה כל המתח נופל על ההתנגדות הפנימית.

על פי מתח הריקם וזרם הקצר ניתן להסיק מהי ההתנגדות הפנימית של מקור המתח, על פי הנוסחא: $R_{S}={\frac {V_{0}}{I_{0}}}\$

שקילות נורטון

על-פי משפט נורטון קיים מקור זרם אשר מתנהג באופן זהה למקור המתח המעשי, והוא בעל הנתונים הבאים:

• התנגדות פנימית R_NO כפי שיש למקור המתח המעשי: $R_{NO}=R_{TH}$
• הפקת זרם פנימי אידאלי עפ"י: $I_{NO}={\frac {V_{TH}}{R_{TH}}}\$

דוגמאות

דוגמאות למקורות מתח מעשיים:

• מקורות מתח עיקריים:
  • רשת החשמל
  • סוללה חשמלית
  • תא סולארי
• מקורות מתח משניים:
  • חיבור במקביל אל דיודת זנר
  • חלק של מחלק מתח (חיבור של שני עומסים בטור אל מקור מתח, כך שערכי העומסים גורמים למתח היחסי שנופל עליהם להיות המתח הרצוי)
  • מעגלים לייצוב מתח (כגון LPF) וממירי מתח