Obecne źródło

Rysunek 1: Idealne źródło prądu I , napędzające rezystor R i wytwarzające napięcie V

Źródło prądu to obwód elektroniczny , który dostarcza lub pochłania prąd elektryczny , który jest niezależny od napięcia na nim.

Źródło prądu jest podwójnym źródłem napięcia . Termin ujście prądu jest czasami używany w odniesieniu do źródeł zasilanych z ujemnego źródła napięcia. Rysunek 1 przedstawia schematyczny symbol idealnego źródła prądu napędzającego obciążenie rezystancyjne . Istnieją dwa rodzaje. Niezależne źródło prądu (lub zlew) dostarcza stały prąd. Zależne źródło prądu dostarcza prąd, który jest proporcjonalny do innego napięcia lub prądu w obwodzie.

Tło


Źródło napięcia	Obecne źródło

Kontrolowane źródło napięcia	Kontrolowane źródło prądu

Bateria ogniw	Pojedyncza komórka

Rysunek 2: Symbole źródłowe

Idealne źródło prądu generuje prąd, który jest niezależny od zmian napięcia na nim. Idealnym źródłem prądu jest model matematyczny, do którego rzeczywiste urządzenia mogą się bardzo zbliżyć. Jeśli prąd przepływający przez idealne źródło prądu można określić niezależnie od jakiejkolwiek innej zmiennej w obwodzie, nazywa się to niezależnym źródłem prądu. I odwrotnie, jeśli prąd płynący przez idealne źródło prądu jest określony przez inne napięcie lub prąd w obwodzie, nazywa się to zależnym lub kontrolowanym źródłem prądu . Symbole tych źródeł przedstawiono na rysunku 2.

Rezystancja wewnętrzna idealnego źródła prądu jest nieskończona. Niezależne źródło prądu o zerowym prądzie jest identyczne z idealnym obwodem otwartym . Napięcie na idealnym źródle prądu jest całkowicie określone przez obwód, do którego jest ono podłączone. Po podłączeniu do zwarcia napięcie jest zerowe, a zatem dostarczana jest zerowa moc . Po podłączeniu do rezystancji obciążenia źródło prądowe zarządza napięciem w taki sposób, aby utrzymać stały prąd; więc w idealnym źródle prądu napięcie na źródle zbliża się do nieskończoności, gdy rezystancja obciążenia zbliża się do nieskończoności (obwód otwarty).

Żadne fizyczne źródło prądu nie jest idealne. Na przykład żadne fizyczne źródło prądu nie może działać po przyłożeniu do obwodu otwartego. Istnieją dwie cechy, które definiują źródło prądowe w prawdziwym życiu. Jednym z nich jest jego rezystancja wewnętrzna , a drugim jego napięcie zgodności . Napięcie zgodności to maksymalne napięcie, jakie źródło prądu może dostarczyć do obciążenia. W danym zakresie obciążenia niektóre rodzaje rzeczywistych źródeł prądu mogą wykazywać prawie nieskończoną rezystancję wewnętrzną. Jednak gdy źródło prądu osiągnie napięcie zgodne, nagle przestaje być źródłem prądu.

W analizie obwodów źródło prądu o skończonej rezystancji wewnętrznej jest modelowane przez umieszczenie wartości tej rezystancji na idealnym źródle prądu (obwód zastępczy Nortona). Jednak ten model jest użyteczny tylko wtedy, gdy źródło prądu działa w ramach swojego napięcia zgodności.

Implementacje

Pasywne źródło prądu

Najprostsze nieidealne źródło prądu składa się ze źródła napięcia połączonego szeregowo z rezystorem. Ilość prądu dostępnego z takiego źródła jest określona przez stosunek napięcia na źródle napięcia do rezystancji rezystora ( prawo Ohma ; $I = V / R$ ). Ta wartość prądu będzie dostarczana tylko do obciążenia przy zerowym spadku napięcia na jego zaciskach (zwarcie, nienaładowany kondensator, naładowana cewka indukcyjna, wirtualny obwód uziemienia itp.). Prąd dostarczany do obciążenia przy niezerowym napięciu (spadek ) na jego zaciskach (liniowy lub nieliniowy rezystor o skończonej rezystancji, naładowany kondensator, nienaładowana cewka indukcyjna, źródło napięcia itp.) Zawsze będzie inny. Jest to stosunek spadku napięcia na rezystorze (różnica między napięciem wzbudzającym a napięciem na obciążeniu) do jego rezystancji.

Dla prawie idealnego źródła prądu wartość rezystora powinna być bardzo duża, ale oznacza to, że dla określonego prądu źródło napięcia musi być bardzo duże (w granicach, gdy rezystancja i napięcie dążą do nieskończoności, źródło prądu stanie się idealny, a prąd nie będzie w ogóle zależał od napięcia na obciążeniu). Zatem wydajność jest niska (ze względu na straty mocy w rezystorze) i zwykle niepraktyczne jest zbudowanie w ten sposób „dobrego” źródła prądu. Niemniej jednak często zdarza się, że taki obwód zapewni odpowiednią wydajność, gdy określony prąd i rezystancja obciążenia są małe. Na przykład źródło napięcia 5 V połączone szeregowo z rezystorem 4,7 kΩ zapewni w przybliżeniu stały prąd 1 mA ± 5% do rezystancji obciążenia w zakresie od 50 do 450 Ω.

Przykładem takiego wysokonapięciowego źródła prądu jest generator Van de Graaffa . Zachowuje się jak źródło prawie stałego prądu ze względu na bardzo wysokie napięcie wyjściowe w połączeniu z bardzo wysoką rezystancją wyjściową, dzięki czemu dostarcza te same kilka mikroamperów przy dowolnym napięciu wyjściowym do setek tysięcy woltów (lub nawet dziesiątek megawoltów) dla dużych wersje laboratoryjne.

Aktywne źródła prądu bez ujemnego sprzężenia zwrotnego

W obwodach tych prąd wyjściowy nie jest monitorowany i sterowany za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego .

Aktualna stabilna implementacja nieliniowa

Są one realizowane przez aktywne elementy elektroniczne (tranzystory) o stabilnej prądowo nieliniowej charakterystyce wyjściowej, gdy są sterowane stałą wielkością wejściową (prądem lub napięciem). Obwody te zachowują się jak dynamiczne rezystory zmieniające swoją obecną rezystancję, aby skompensować zmiany prądu. Na przykład, jeśli obciążenie zwiększa swoją rezystancję, tranzystor zmniejsza swoją obecną rezystancję wyjściową (i odwrotnie ), aby utrzymać stałą całkowitą rezystancję w obwodzie.

Aktywne źródła prądu mają wiele ważnych zastosowań w układach elektronicznych . Są one często używane zamiast rezystorów omowych w analogowych układach scalonych (np. we wzmacniaczu różnicowym ) do generowania prądu, który zależy nieco od napięcia na obciążeniu.

Konfiguracja ze wspólnym emiterem zasilana stałym prądem lub napięciem wejściowym oraz wspólne źródło ( wspólna katoda ) zasilane stałym napięciem naturalnie zachowują się jak źródła prądu (lub pochłaniacze), ponieważ impedancja wyjściowa tych urządzeń jest naturalnie wysoka. Przykładem takiego źródła prądu szeroko stosowanego w układach scalonych jest część wyjściowa prostego zwierciadła prądowego . Konfiguracje ze wspólną bazą , wspólną bramką i wspólną siatką mogą również służyć jako źródła prądu stałego.

JFET można zmusić do działania jako źródło prądu, wiążąc jego bramkę ze źródłem . Płynący wówczas prąd to $I DSS$ FET. Można je kupić z już wykonanym połączeniem iw tym przypadku urządzenia nazywane są diodami regulatora prądu lub diodami stałoprądowymi lub diodami ograniczającymi prąd (CLD). Alternatywnie, zamiast JFET w obwodach wymienionych poniżej w celu uzyskania podobnej funkcjonalności można zastosować N-kanałowy MOSFET w trybie wzmocnienia (tranzystor polowy z efektem metal-tlenek-półprzewodnik).

Po wykonaniu napięcia

Przykład: uruchomione bieżące źródło.

Implementacja kompensacji napięcia

Proste pasywne źródło prądu z rezystorem jest idealne tylko wtedy, gdy napięcie na nim wynosi zero; więc można rozważyć kompensację napięcia poprzez zastosowanie równoległego ujemnego sprzężenia zwrotnego w celu poprawy źródła. Wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem zwrotnym skutecznie minimalizują napięcie na swoich wejściach. Powoduje to, że wejście odwracające jest wirtualną masą , z prądem przepływającym przez sprzężenie zwrotne lub obciążenie oraz pasywne źródło prądu. Źródło napięcia wejściowego, rezystor i wzmacniacz operacyjny stanowią „idealne” źródło prądu o wartości $I OUT = V IN / R$ . Typowymi realizacjami tego pomysłu są wzmacniacz transimpedancyjny i wzmacniacz odwracający wzmacniacz operacyjny .

Pływający ładunek jest poważną wadą tego rozwiązania obwodu.

Bieżąca realizacja kompensacji

Typowym przykładem jest źródło prądowe Howlanda i jego pochodny integrator Deboo. W ostatnim przykładzie (rys. 1) źródło prądowe Howlanda składa się ze źródła napięcia wejściowego $V IN$ , dodatniego rezystora R, obciążenia (kondensatora C działającego jako impedancja $Z$ ) i ujemnej przetwornicy impedancji INIC ( $R1 = R2 = R3 = R i$ wzmacniacz operacyjny). Źródło napięcia wejściowego i rezystor R stanowią niedoskonałe źródło prądowe przepuszczające prąd $I R$ przez obciążenie (rys. 3 w źródle). INIC działa jako drugie źródło prądu, przepuszczając „pomocniczy” prąd $I -R$ przez obciążenie. W rezultacie całkowity prąd przepływający przez obciążenie jest stały, a impedancja obwodu widziana przez źródło wejściowe wzrasta. Jednak źródło prądowe Howland nie jest szeroko stosowane, ponieważ wymaga idealnego dopasowania czterech rezystorów, a jego impedancja spada przy wysokich częstotliwościach.

Uziemione obciążenie jest zaletą tego rozwiązania obwodu.

Bieżące źródła z negatywnymi opiniami

Są realizowane jako wtórnik napięciowy z szeregowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym napędzanym przez stałe źródło napięcia wejściowego (tj. stabilizator napięcia z ujemnym sprzężeniem zwrotnym ). Wtórnik napięciowy jest obciążany przez stały rezystor (czujący prąd), który działa jak prosty konwerter prąd-napięcie włączony w pętlę sprzężenia zwrotnego. Zewnętrzne obciążenie tego źródła prądu jest podłączone gdzieś na ścieżce prądu zasilającego rezystor wykrywający prąd, ale poza pętlą sprzężenia zwrotnego.

Wtórnik napięciowy reguluje prąd wyjściowy $I OUT$ przepływający przez obciążenie tak, aby spadek napięcia $wejściowemu VR = I OUT R$ na rezystorze wykrywającym prąd R był równy stałemu napięciu $V IN$ . W ten sposób stabilizator napięcia utrzymuje stały spadek napięcia na stałym rezystorze; więc stały prąd $I OUT = V R / R = V IN / R$ przepływa przez rezystor i odpowiednio przez obciążenie.

Jeśli napięcie wejściowe się zmienia, układ ten będzie działał jako konwerter napięcia na prąd (źródło prądu sterowane napięciem, VCCS); można go traktować jako odwrócony (za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego) przetwornik prądu na napięcie. Rezystancja R określa współczynnik przenoszenia ( transkonduktancja ).

Źródła prądowe realizowane jako obwody z szeregowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym mają tę wadę, że spadek napięcia na rezystorze pomiarowym prądu zmniejsza maksymalne napięcie na obciążeniu (napięcie zgodności ).

Proste tranzystorowe źródła prądu

Dioda stałoprądowa

Budowa wewnętrzna diody ograniczającej prąd

Najprostsze źródło lub ujście prądu stałego składa się z jednego elementu: JFET z bramką przymocowaną do źródła. Gdy napięcie dren-źródło osiągnie pewną minimalną wartość, JFET wchodzi w nasycenie, w którym prąd jest w przybliżeniu stały. Ta konfiguracja jest znana jako dioda stałoprądowa , ponieważ zachowuje się podobnie jak dioda podwójna do diody stałego napięcia ( dioda Zenera ) stosowanej w prostych źródłach napięcia.

Ze względu na dużą zmienność prądu nasycenia tranzystorów JFET często stosuje się również rezystor źródłowy (pokazany na sąsiednim obrazie), który umożliwia dostrojenie prądu do pożądanej wartości.

Źródło prądowe diody Zenera

Rysunek 4: Typowe źródło prądu stałego BJT z ujemnym sprzężeniem zwrotnym

W tej implementacji powyższego ogólnego tranzystora bipolarnego (BJT) (rysunek 4), stabilizator napięcia Zenera (R1 i DZ1) steruje wtórnikiem emiterowym (Q1) ładowanym przez stały rezystor emiterowy (R2) wykrywający prąd obciążenia. Zewnętrzne (pływające) obciążenie tego źródła prądu jest podłączone do kolektora, dzięki czemu przepływa przez niego prawie taki sam prąd, jak i przez rezystor emitera (można je traktować jako połączone szeregowo). Tranzystor Q1 reguluje prąd wyjściowy (kolektor) tak, aby spadek napięcia na stałym rezystorze emiterowym R2 był prawie równy stosunkowo stałemu spadkowi napięcia na diodzie Zenera DZ1. W rezultacie prąd wyjściowy jest prawie stały, nawet jeśli zmienia się rezystancja obciążenia i/lub napięcie. Działanie obwodu omówiono szczegółowo poniżej.

Dioda Zenera , gdy jest spolaryzowana zaporowo (jak pokazano na schemacie), ma na sobie stały spadek napięcia , niezależnie od przepływającego przez nią prądu . Tak więc, dopóki prąd Zenera ( $I Z$ ) jest powyżej pewnego poziomu (nazywanego prądem podtrzymującym), napięcie na diodzie Zenera ( $V Z$ ) będzie stałe. Rezystor R1 dostarcza prąd Zenera i prąd bazowy ( $I B )$ tranzystora NPN (Q1). Stałe napięcie Zenera jest przykładane do podstawy tranzystora Q1 i rezystora emitera R2.

Napięcie na $VBE R2$ $()$ VR2 jest określone przez $. VZ - VBE jest$ $Q1,$ gdzie spadkiem baza-emiter Prąd emitera Q1, który jest również prądem płynącym przez R2, jest określony przez

{\ Displaystyle I _ {\ tekst {R2}} (= ja _ {\ tekst {E}} = ja _ {\ tekst {C}}) = {\ Frac {V_ {\ tekst {R2}}} {R_ {\ tekst {2}}}}={\frac {V_{\text{Z}}-V_{\text{BE}}}{R_{\text{2}}}}.}

Ponieważ $V Z$ jest stałe i $VBE .$ jest również (w przybliżeniu) stałe dla danej temperatury, wynika z tego, że $V R2$ jest stałe, a zatem $I E$ również jest stałe Ze względu na działanie tranzystora prąd emitera $I E$ jest prawie równy prądowi kolektora $I C$ tranzystora (który z kolei jest prądem płynącym przez obciążenie). Zatem prąd obciążenia jest stały (pomijając rezystancję wyjściową tranzystora z powodu efektu wczesnego ), a obwód działa jako źródło prądu stałego. Dopóki temperatura pozostaje stała (lub nie zmienia się zbytnio), prąd obciążenia będzie niezależny od napięcia zasilania, R1 i wzmocnienia tranzystora. R2 umożliwia ustawienie prądu obciążenia na dowolną pożądaną wartość i jest obliczany przez

{\ Displaystyle R _ {\ tekst {2}} = {\ Frac {V _ {\ tekst {Z}} -V _ {\ tekst {BE}}} {ja _ {\ tekst { R2}}}}}

gdzie $VBE wynosi$ zwykle 0,65 V dla urządzenia krzemowego.

( $I R2$ jest również prądem emitera i zakłada się, że jest taki sam jak kolektor lub wymagany prąd obciążenia, pod warunkiem, że $h FE$ jest wystarczająco duży). Rezystancja $R 1$ jest obliczana jako

{\ Displaystyle R _ {\ tekst {1}} = {\ Frac {V _ {\ tekst {S}} -V _ {\ tekst {Z}}}} I_{\text{Z}}+K\cdot I_{\text{B}}}}}

gdzie $K$ = 1,2 do 2 (tak, aby $R R1$ było wystarczająco niskie, aby zapewnić odpowiedni $I B$ ),

{\ Displaystyle I _ {\ tekst {B}} = {\ Frac {I _ {\ tekst {C}}} {h_ {FE, {\ tekst {min}}}}} }

a $h FE,min$ jest najniższym akceptowalnym wzmocnieniem prądowym dla określonego typu zastosowanego tranzystora.

Źródło prądu LED

Rysunek 5: Typowe źródło prądu stałego (CCS) wykorzystujące diodę LED zamiast diody Zenera

Diodę Zenera można zastąpić dowolną inną diodą; np. dioda elektroluminescencyjna LED1, jak pokazano $VBE na$ rysunku 5. Spadek napięcia diody LED ( $VD ) jest teraz wykorzystywany$ do uzyskiwania stałego napięcia, a także ma dodatkową zaletę śledzenia (kompensowania) zmian spowodowanych temperaturą. $R2 jako$ oblicza się

{\ Displaystyle R _ {\ tekst {2}} = {\ Frac {V _ {\ tekst {D}} -V _ {\ tekst {BE}}} {ja _ {\ tekst { R2}}}}}

i $R1_$ jako

{\ Displaystyle R _ {\ tekst {1}} = {\ Frac {V _ {\ tekst {S}} -V _ {\ tekst {D}}}} I_{\text{D}}+K\cdot I_{\text{B}}}}}

, gdzie I _D to prąd diody LED

Tranzystorowe źródło prądowe z kompensacją diodową

Rysunek 6: Typowe źródło prądu stałego (CCS) z kompensacją diody

Zmiany temperatury zmienią prąd wyjściowy dostarczany przez obwód z rysunku 4, ponieważ $V BE$ jest wrażliwy na temperaturę. Zależność od temperatury można skompensować za pomocą obwodu z rysunku 6, który obejmuje standardową diodę D (z tego samego materiału półprzewodnikowego co tranzystor) połączoną szeregowo z diodą Zenera, jak pokazano na rysunku po lewej stronie. Spadek diody ( $VD przeciwdziała$ ) śledzi zmiany $VBE pod wpływem temperatury, a tym samym znacząco$ zależności CCS od temperatury.

Rezystancja $R 2$ jest teraz obliczana jako

{\ Displaystyle R_ {2} = {\ Frac {V _ {\ tekst {Z}} + V _ {\ tekst {D}} -V_ {BE}} { ja_{\text{R2}}}}}

Ponieważ $V re = VBE 0,65 V,$ =

{\ Displaystyle R_ {2} = {\ Frac {V _ {\ tekst {Z}}} {ja _ {\ tekst {R2}}}}}

$i ($ W praktyce $VD VBE$ $VBE nigdy$ nie jest dokładnie równe dlatego raczej tłumi zmianę niż ją zeruje.)

$R1 jako$ oblicza się

{\ Displaystyle R_ {1} = {\ Frac {V_ {\ tekst {S}} -V _ {\ tekst {Z}} -V_ { \text{D}}}{I_{\text{Z}}+K\cdot I_{\text{B}}}}}

(spadek napięcia przewodzenia diody kompensacyjnej, $Vd .$ , pojawia się w równaniu i zwykle wynosi 0,65 V dla urządzeń krzemowych)

Należy zauważyć, że działa to dobrze tylko wtedy, gdy DZ1 jest diodą odniesienia lub innym stabilnym źródłem napięcia. Wraz z „normalnymi” diodami Zenera, zwłaszcza przy niższych napięciach Zenera (<5 V), dioda może nawet pogorszyć ogólną zależność od temperatury.

Obecne lustro ze zwyrodnieniem emitera

Szeregowe ujemne sprzężenie zwrotne jest również wykorzystywane w dwutranzystorowym zwierciadle prądowym z degeneracją emitera . Ujemne sprzężenie zwrotne jest podstawową cechą niektórych zwierciadeł prądowych wykorzystujących wiele tranzystorów, takich jak źródło prądu Widlara i źródło prądu Wilsona .

Źródło prądu stałego z kompensacją termiczną

Jednym z ograniczeń obwodów na rysunkach 5 i 6 jest to, że kompensacja termiczna jest niedoskonała. W tranzystorach bipolarnych wraz ze wzrostem temperatury złącza $spadek Vbe$ (spadek napięcia od bazy do emitera). W dwóch poprzednich obwodach spadek $V be$ spowoduje wzrost napięcia na rezystorze emiterowym, co z kolei spowoduje wzrost prądu kolektora pobieranego przez obciążenie. Końcowym rezultatem jest to, że ilość dostarczanego „stałego” prądu jest przynajmniej w pewnym stopniu zależna od temperatury. Efekt ten jest w dużym stopniu łagodzony, ale nie całkowicie, przez odpowiednie spadki napięcia dla diody D1 na rysunku 6 i diody LED LED1 na rysunku 5. Jeżeli rozpraszanie mocy w aktywnym urządzeniu CCS nie jest stosuje się małą i/lub niewystarczającą degenerację emitera, może to stać się problemem nietrywialnym.

Wyobraź sobie na rysunku 5, że po włączeniu zasilania dioda LED ma napięcie 1 V, które steruje podstawą tranzystora. W temperaturze pokojowej występuje spadek o około 0,6 V na $Vbe 0,4$ , a więc 0,4 V na rezystorze emiterowym, co daje w przybliżeniu prąd kolektora (obciążenia) równy $/R e$ amperów. Teraz wyobraź sobie, że rozpraszanie mocy w tranzystorze powoduje jego nagrzewanie. Powoduje to $spadek Vbe$ (który wynosił 0,6 V w temperaturze pokojowej) do, powiedzmy, 0,2 V. Teraz napięcie na rezystorze emiterowym wynosi 0,8 V, czyli dwa razy więcej niż przed rozgrzaniem. Oznacza to, że prąd kolektora (obciążenia) jest teraz dwukrotnie większy od wartości projektowej! To oczywiście skrajny przykład, ale służy zilustrowaniu problemu.

Ogranicznik prądu z tranzystorami NPN

Obwód po lewej przezwycięża problem termiczny (patrz także ograniczenie prądu ). Aby zobaczyć, jak działa obwód, załóżmy, że napięcie zostało właśnie przyłożone do V+. Prąd przepływa przez R1 do podstawy Q1, włączając go i powodując przepływ prądu przez obciążenie do kolektora Q1. Ten sam prąd obciążenia wypływa następnie z emitera tranzystora Q1, aw konsekwencji przez $sens R$ do masy. Kiedy ten prąd płynący przez $czujnik R$ do masy jest wystarczający, aby spowodować spadek napięcia równy $spadkowi V$ na tranzystorze Q2, Q2 zaczyna się włączać. Gdy Q2 się włącza, pobiera więcej prądu przez rezystor kolektora R1, który odwraca część prądu wtryskiwanego do podstawy Q1, powodując, że Q1 przewodzi mniejszy prąd przez obciążenie. Tworzy to pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego w obwodzie, która utrzymuje napięcie na emiterze Q1 prawie dokładnie równe $spadkowi V$ na tranzystorze Q2. Ponieważ Q2 rozprasza bardzo mało mocy w porównaniu z Q1 (ponieważ cały prąd obciążenia przechodzi przez Q1, a nie przez Q2), Q2 nie nagrzeje się w znaczący sposób, a napięcie odniesienia (ustawienie prądu) na czujniku $R pozostanie$ stałe na poziomie ≈0,6 V , lub jedna dioda spadnie nad ziemię, niezależnie od zmian termicznych w $spadku napięcia$ Q1. Obwód jest nadal wrażliwy na zmiany temperatury otoczenia, w którym pracuje urządzenie, ponieważ spadek napięcia BE w Q2 zmienia się nieznacznie wraz z temperaturą.

Źródła prądu wzmacniacza operacyjnego

Rysunek 7: Typowe źródło prądowe wzmacniacza operacyjnego.

Proste tranzystorowe źródło prądowe z rysunku 4 można ulepszyć, umieszczając złącze baza-emiter tranzystora w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego (rysunek 7). Teraz wzmacniacz operacyjny zwiększa napięcie wyjściowe, aby skompensować $V BE$ . Obwód jest w rzeczywistości buforowanym wzmacniaczem nieodwracającym zasilanym stałym napięciem wejściowym. Utrzymuje to stałe napięcie na stałym rezystorze czujnikowym. W rezultacie prąd przepływający przez obciążenie jest również stały; jest to dokładnie napięcie Zenera podzielone przez rezystor czujnika. Obciążenie można podłączyć albo w emiterze (Rysunek 7), albo w kolektorze (Rysunek 4), ale w obu przypadkach jest ono płynne, jak we wszystkich powyższych obwodach. Tranzystor nie jest potrzebny, jeśli wymagany prąd nie przekracza możliwości pozyskiwania wzmacniacza operacyjnego. Artykuł o aktualnym zwierciadle omawia inny przykład tak zwanych zwierciadeł prądowych o wzmocnionym wzmocnieniu .

Rysunek 8: Źródło prądu stałego wykorzystujące regulator napięcia LM317

Źródła prądowe regulatora napięcia

Ogólny układ ujemnego sprzężenia zwrotnego można zaimplementować za pomocą regulatora napięcia IC ( regulator napięcia LM317 na rysunku 8). Podobnie jak w przypadku gołego wtórnika emitera i precyzyjnego wtórnika wzmacniacza operacyjnego powyżej, utrzymuje on stały spadek napięcia (1,25 V) na stałym rezystorze (1,25 Ω); tak więc przez rezystor i obciążenie przepływa stały prąd (1 A). Dioda LED świeci się, gdy napięcie na obciążeniu przekracza 1,8 V (obwód wskaźnika wprowadza błąd). Ważną zaletą tego rozwiązania jest uziemiony ładunek.

rurki Curpistora

Szklane rurki wypełnione azotem z dwiema elektrodami i skalibrowaną liczbą bekereli (rozszczepienia na sekundę) wynoszącą ²²⁶ Ra zapewniają stałą liczbę nośników ładunku na sekundę do przewodzenia, co określa maksymalny prąd, jaki rura może przepuszczać w zakresie napięcia od 25 do 500 V.

Porównanie źródła prądu i napięcia

Większość źródeł energii elektrycznej ( elektryczność z sieci elektrycznej , bateria itp.) najlepiej modeluje się jako źródła napięciowe . Źródła takie zapewniają stałe napięcie, co oznacza, że dopóki prąd pobierany ze źródła mieści się w jego możliwościach, jego napięcie wyjściowe pozostaje stałe. Idealne źródło napięcia nie dostarcza energii, gdy jest obciążone przez obwód otwarty (tj. nieskończoną impedancję ), ale zbliża się do nieskończonej mocy i prądu, gdy rezystancja obciążenia zbliża się do zera ( zwarcie ). Takie teoretyczne urządzenie miałoby impedancję wyjściową zerową w szeregu ze źródłem. Rzeczywiste źródło napięcia ma bardzo niską, ale niezerową impedancję wyjściową : często znacznie mniejszą niż 1 om.

I odwrotnie, źródło prądu zapewnia stały prąd, o ile obciążenie podłączone do zacisków źródła ma wystarczająco niską impedancję. Idealne źródło prądu nie dostarczałoby energii do zwarcia i zbliżałoby się do nieskończonej energii i napięcia, gdy rezystancja obciążenia zbliża się do nieskończoności (obwód otwarty). Idealne źródło prądu ma nieskończoną impedancję wyjściową równolegle ze źródłem. Rzeczywiste prądu ma bardzo wysoką, ale skończoną impedancję wyjściową . W przypadku tranzystorowych źródeł prądowych typowe są impedancje rzędu kilku megaomów (przy niskich częstotliwościach).

Idealne źródło prądu nie może być podłączone do idealnego obwodu otwartego, ponieważ stworzyłoby to paradoks polegający na przepuszczaniu stałego, niezerowego prądu (ze źródła prądowego) przez element o określonym prądzie zerowym (obwód otwarty) . Również źródło prądowe nie powinno być podłączane do innego źródła prądowego, jeśli ich prądy są różne, ale taki układ jest często używany ( np .

Podobnie idealne źródło napięcia nie może być podłączone do idealnego zwarcia (R = 0), ponieważ skutkowałoby to podobnym paradoksem skończonego niezerowego napięcia na elemencie o określonym napięciu zerowym (zwarcie). Również źródło napięcia nie powinno być podłączane do innego źródła napięcia, jeśli ich napięcia są różne, ale znowu ten układ jest często używany (np. we wspólnych stopniach wzmacniania podstawowego i różnicowego).

Wręcz przeciwnie, źródła prądowe i napięciowe można łączyć ze sobą bez żadnych problemów, a technika ta jest szeroko stosowana w obwodach elektrycznych ( np .

Ponieważ nie istnieją żadne idealne źródła żadnej z odmian (wszystkie rzeczywiste przykłady mają skończoną i niezerową impedancję źródła), każde źródło prądu można uznać za źródło napięcia o tej samej impedancji źródła i odwrotnie . Pojęciami tymi zajmują się Nortona i Thévenina .

Ładowanie kondensatora ze źródła prądu stałego i ze źródła napięcia jest inne. Liniowość jest zachowana dla ładowania kondensatora ze źródła prądu stałego w czasie, podczas gdy ładowanie kondensatora ze źródła napięcia jest wykładnicze w czasie. Ta szczególna właściwość stałego źródła prądu pomaga w prawidłowym kondycjonowaniu sygnału przy prawie zerowym odbiciu od obciążenia.

Zobacz też

Prąd stały
Ograniczenie prądu
Bieżąca pętla
Obecne lustro
Obecne źródła i pochłaniacze
Mostek Fontana , skompensowane źródło prądowe
Rezystor żelazowo-wodorowy
Nasycalny reaktor
Przetwornica napięcia na prąd
Zasilacz spawalniczy , urządzenie służące do spawania łukowego , z których wiele zaprojektowano jako urządzenia stałoprądowe.
Źródło prądowe Widlara

Dalsza lektura

„Źródła prądu i odniesienia do napięcia” Linden T. Harrison; Publikacja Elsevier-Newnes 2005; 608 stron; ISBN 0-7506-7752-X

Linki zewnętrzne