.svg/1280px-Ohms_law_current_source_(white_background).svg.png)
Источник тока — это электронная схема , которая вырабатывает или поглощает электрический ток , не зависящий от напряжения на ней.
Источник тока является дуалом источника напряжения . Термин сток тока иногда используется для источников, питаемых от отрицательного источника напряжения. На рисунке 1 показан схематический символ идеального источника тока, управляющего резистивной нагрузкой . Существует два типа. Независимый источник тока (или сток) обеспечивает постоянный ток. Зависимый источник тока обеспечивает ток, пропорциональный некоторому другому напряжению или току в цепи.
Идеальный источник тока генерирует ток, который не зависит от изменений напряжения на нем. Идеальный источник тока — это математическая модель, к которой реальные устройства могут приближаться очень близко. Если ток через идеальный источник тока можно задать независимо от любой другой переменной в цепи, он называется независимым источником тока. И наоборот, если ток через идеальный источник тока определяется каким-либо другим напряжением или током в цепи, он называется зависимым или управляемым источником тока . Символы для этих источников показаны на рисунке 2.
Внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно. Независимый источник тока с нулевым током идентичен идеальной разомкнутой цепи . Напряжение на идеальном источнике тока полностью определяется цепью, к которой он подключен. При подключении к короткому замыканию напряжение равно нулю, а значит, и мощность не вырабатывается. При подключении к сопротивлению нагрузки источник тока управляет напряжением таким образом, чтобы поддерживать ток постоянным; поэтому в идеальном источнике тока напряжение на источнике стремится к бесконечности, когда сопротивление нагрузки стремится к бесконечности (разомкнутая цепь).
Ни один физический источник тока не идеален. Например, ни один физический источник тока не может работать при подаче на разомкнутую цепь. В реальной жизни источник тока определяется двумя характеристиками. Одна из них — его внутреннее сопротивление , а другая — его выходное напряжение . Выходное напряжение — это максимальное напряжение, которое источник тока может подавать на нагрузку. В заданном диапазоне нагрузок некоторые типы реальных источников тока могут демонстрировать почти бесконечное внутреннее сопротивление. Однако, когда источник тока достигает своего выходного напряжения, он резко перестает быть источником тока.
В анализе цепей источник тока с конечным внутренним сопротивлением моделируется путем помещения значения этого сопротивления через идеальный источник тока (эквивалентная схема Нортона). Однако эта модель полезна только тогда, когда источник тока работает в пределах своего напряжения соответствия.
Простейший неидеальный источник тока состоит из источника напряжения, соединенного последовательно с резистором. Величина тока, доступная от такого источника, определяется отношением напряжения на источнике напряжения к сопротивлению резистора ( закон Ома ; I = V / R ). Это значение тока будет подаваться только на нагрузку с нулевым падением напряжения на ее клеммах (короткое замыкание, незаряженный конденсатор, заряженная индуктивность, виртуальная заземляющая цепь и т. д.). Ток, подаваемый на нагрузку с ненулевым напряжением (падением) на ее клеммах (линейный или нелинейный резистор с конечным сопротивлением, заряженный конденсатор, незаряженная индуктивность, источник напряжения и т. д.), всегда будет разным. Он определяется отношением падения напряжения на резисторе (разница между возбуждающим напряжением и напряжением на нагрузке) к его сопротивлению.
Для почти идеального источника тока значение резистора должно быть очень большим, но это подразумевает, что для указанного тока источник напряжения должен быть очень большим (в пределе, когда сопротивление и напряжение стремятся к бесконечности, источник тока станет идеальным, и ток вообще не будет зависеть от напряжения на нагрузке). Таким образом, эффективность низкая (из-за потерь мощности в резисторе), и обычно нецелесообразно строить «хороший» источник тока таким образом. Тем не менее, часто бывает так, что такая схема будет обеспечивать адекватную производительность, когда указанный ток и сопротивление нагрузки малы. Например, источник напряжения 5 В последовательно с резистором 4,7 кОм будет обеспечивать приблизительно постоянный ток 1 мА ± 5% на сопротивление нагрузки в диапазоне от 50 до 450 Ом.
Генератор Ван де Граафа является примером такого источника тока высокого напряжения. Он ведет себя как почти постоянный источник тока из-за своего очень высокого выходного напряжения в сочетании с очень высоким выходным сопротивлением, и поэтому он выдает те же самые несколько микроампер при любом выходном напряжении вплоть до сотен тысяч вольт (или даже десятков мегавольт ) для больших лабораторных версий.
В этих схемах выходной ток не контролируется и не регулируется посредством отрицательной обратной связи .
Они реализованы с помощью активных электронных компонентов (транзисторов), имеющих нелинейную выходную характеристику с постоянным током при управлении постоянной входной величиной (током или напряжением). Эти схемы ведут себя как динамические резисторы, изменяющие свое текущее сопротивление для компенсации изменений тока. Например, если нагрузка увеличивает свое сопротивление, транзистор уменьшает свое текущее выходное сопротивление (и наоборот ), чтобы поддерживать постоянное общее сопротивление в цепи.
Активные источники тока имеют много важных применений в электронных схемах . Они часто используются вместо омических резисторов в аналоговых интегральных схемах (например, дифференциальный усилитель ) для генерации тока, который немного зависит от напряжения на нагрузке.
Конфигурация с общим эмиттером, управляемая постоянным входным током или напряжением, и общий источник ( общий катод ), управляемый постоянным напряжением, естественным образом ведут себя как источники тока (или стоки), поскольку выходное сопротивление этих устройств естественно высокое. Выходная часть простого токового зеркала является примером такого источника тока, широко используемого в интегральных схемах . Конфигурации с общей базой , общим затвором и общей сеткой также могут служить источниками постоянного тока.
JFET можно заставить работать как источник тока, связав его затвор с истоком. Ток, который затем протекает, является I DSS FET. Их можно приобрести с уже выполненным соединением, и в этом случае устройства называются диодами регулятора тока или диодами постоянного тока или диодами ограничения тока (CLD). В качестве альтернативы, вместо JFET в схемах, перечисленных ниже, можно использовать N-канальный MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) с режимом обогащения для аналогичной функциональности.
Пример: источник тока с самовозбуждением . [1]
Простой резисторный пассивный источник тока идеален только тогда, когда напряжение на нем равно нулю; поэтому компенсация напряжения путем применения параллельной отрицательной обратной связи может рассматриваться как способ улучшения источника. Операционные усилители с обратной связью эффективно работают над минимизацией напряжения на своих входах. Это приводит к тому, что инвертирующий вход становится виртуальной землей , а ток проходит через обратную связь или нагрузку и пассивный источник тока. Источник входного напряжения, резистор и операционный усилитель составляют «идеальный» источник тока со значением I OUT = V IN / R . Трансимпедансный усилитель и инвертирующий усилитель на операционном усилителе являются типичными реализациями этой идеи.
Плавающая нагрузка является серьезным недостатком этого схемного решения.
Типичным примером являются источник тока Хауленда [2] и его производный интегратор Дебу. [3] В последнем примере (рис. 1) источник тока Хауленда состоит из источника входного напряжения V IN , положительного резистора R, нагрузки (конденсатора C, действующего как импеданс Z ) и преобразователя отрицательного импеданса INIC ( R 1 = R 2 = R 3 = R и операционного усилителя). Источник входного напряжения и резистор R образуют несовершенный источник тока, пропускающий ток I R через нагрузку (рис. 3 в источнике). INIC действует как второй источник тока, пропускающий «вспомогательный» ток I − R через нагрузку. В результате общий ток, протекающий через нагрузку, постоянен, а импеданс цепи, видимый входным источником, увеличивается. Однако источник тока Хауленда не получил широкого распространения, поскольку он требует идеального согласования четырех резисторов, а его импеданс падает на высоких частотах. [4]
Преимуществом данного схемного решения является заземленная нагрузка.
Они реализованы как повторитель напряжения с последовательной отрицательной обратной связью, управляемый источником постоянного входного напряжения (т. е. стабилизатор напряжения с отрицательной обратной связью ). Повторитель напряжения нагружен постоянным (чувствительным к току) резистором, действующим как простой преобразователь тока в напряжение, включенный в контур обратной связи. Внешняя нагрузка этого источника тока подключена где-то на пути тока, питающего чувствительный к току резистор, но вне контура обратной связи.
Повторитель напряжения регулирует свой выходной ток I OUT, протекающий через нагрузку, таким образом, чтобы падение напряжения V R = I OUT R на токочувствительном резисторе R было равно постоянному входному напряжению V IN . Таким образом, стабилизатор напряжения поддерживает постоянное падение напряжения на постоянном резисторе; таким образом, постоянный ток I OUT = V R / R = V IN / R протекает через резистор и, соответственно, через нагрузку.
Если входное напряжение меняется, эта схема будет действовать как преобразователь напряжения в ток (управляемый напряжением источник тока, VCCS); ее можно рассматривать как обратный (с помощью отрицательной обратной связи) преобразователь тока в напряжение. Сопротивление R определяет коэффициент передачи ( крутизна ).
Источники тока, реализованные в виде схем с последовательной отрицательной обратной связью, имеют тот недостаток, что падение напряжения на токоизмерительном резисторе снижает максимальное напряжение на нагрузке ( напряжение соответствия ).
Самый простой источник или сток постоянного тока формируется из одного компонента: JFET с затвором, присоединенным к истоку. Как только напряжение сток-исток достигает определенного минимального значения, JFET входит в насыщение, при котором ток приблизительно постоянен. Такая конфигурация известна как диод постоянного тока , поскольку она ведет себя во многом как двойной диод постоянного напряжения ( диод Зенера ), используемый в простых источниках напряжения.
Из-за большой изменчивости тока насыщения JFET-транзисторов обычно также включают резистор источника (показан на соседнем изображении), который позволяет настраивать ток до желаемого значения.
В этой реализации биполярного транзистора (BJT) (рисунок 4) общей идеи, изложенной выше, стабилизатор напряжения Zener (R1 и DZ1) управляет эмиттерным повторителем (Q1), нагруженным постоянным эмиттерным резистором (R2), считывающим ток нагрузки. Внешняя (плавающая) нагрузка этого источника тока подключена к коллектору так, что через него и эмиттерный резистор протекает почти тот же ток (их можно рассматривать как соединенные последовательно). Транзистор Q1 регулирует выходной (коллекторный) ток так, чтобы поддерживать падение напряжения на постоянном эмиттерном резисторе R2 почти равным относительно постоянному падению напряжения на стабилитроне DZ1. В результате выходной ток почти постоянен, даже если сопротивление нагрузки и/или напряжение изменяются. Работа схемы подробно рассматривается ниже.
Диод Зенера , когда смещен в обратном направлении (как показано на схеме), имеет постоянное падение напряжения на нем независимо от тока, протекающего через него. Таким образом, пока ток Зенера ( I Z ) выше определенного уровня (называемого током удержания), напряжение на диоде Зенера ( V Z ) будет постоянным. Резистор R1 обеспечивает ток Зенера и базовый ток ( I B ) транзистора NPN (Q1). Постоянное напряжение Зенера приложено к базе Q1 и эмиттерному резистору R2.
Напряжение на R 2 ( V R2 ) определяется как V Z − V BE , где V BE — падение напряжения база-эмиттер Q1. Ток эмиттера Q1, который также является током через R2, определяется как
Поскольку V Z является постоянным, а V BE также (приблизительно) постоянным для данной температуры, то следует, что V R2 является постоянным, а следовательно, I E также является постоянным. Из-за действия транзистора ток эмиттера, I E , почти равен току коллектора, I C , транзистора (который, в свою очередь, является током через нагрузку). Таким образом, ток нагрузки является постоянным (пренебрегая выходным сопротивлением транзистора из-за эффекта Эрли ), и схема работает как источник постоянного тока. Пока температура остается постоянной (или не сильно меняется), ток нагрузки будет независим от напряжения питания, R1 и коэффициента усиления транзистора. R2 позволяет установить ток нагрузки на любое желаемое значение и рассчитывается по формуле
где V BE обычно составляет 0,65 В для кремниевого устройства. [5]
( I R2 также является током эмиттера и предполагается, что он такой же, как ток коллектора или требуемый ток нагрузки, при условии, что h FE достаточно велико). Сопротивление R 1 рассчитывается как
где K = от 1,2 до 2 (так что R R1 достаточно низок для обеспечения адекватного I B ),
и h FE,min — наименьший допустимый коэффициент усиления тока для конкретного типа используемого транзистора.
Диод Зенера можно заменить любым другим диодом, например, светодиодом LED1, как показано на рисунке 5. Падение напряжения на светодиоде ( VD ) теперь используется для получения постоянного напряжения, а также имеет дополнительное преимущество отслеживания (компенсации) изменений VBE из -за температуры. R2 рассчитывается как
и R 1 как
Изменения температуры изменят выходной ток, подаваемый схемой на рисунке 4, поскольку V BE чувствителен к температуре. Температурную зависимость можно компенсировать с помощью схемы на рисунке 6, которая включает стандартный диод D (из того же полупроводникового материала, что и транзистор) последовательно с диодом Зенера, как показано на рисунке слева. Падение напряжения на диоде ( VD ) отслеживает изменения V BE из-за температуры и, таким образом , значительно противодействует температурной зависимости CCS.
Сопротивление R 2 теперь рассчитывается как
Поскольку V D = V BE = 0,65 В , [6]
(На практике V D никогда не бывает точно равен V BE , и поэтому он только подавляет изменение V BE, а не обнуляет его.)
R 1 рассчитывается как
(прямое падение напряжения компенсирующего диода, V D , появляется в уравнении и обычно составляет 0,65 В для кремниевых приборов. [6] )
Обратите внимание, что это работает хорошо только если DZ1 является опорным диодом или другим стабильным источником напряжения. Вместе с «нормальными» стабилитронами, особенно с более низким напряжением стабилитрона (<5 В), диод может даже ухудшить общую температурную зависимость.
Последовательная отрицательная обратная связь также используется в двухтранзисторном токовом зеркале с вырождением эмиттера . Отрицательная обратная связь является базовой функцией в некоторых токовом зеркале, использующем несколько транзисторов, таких как источник тока Видлара и источник тока Вильсона .
Одним из ограничений схем на рисунках 5 и 6 является то, что термокомпенсация несовершенна. В биполярных транзисторах с ростом температуры перехода падение V be (падение напряжения от базы к эмиттеру) уменьшается. В двух предыдущих схемах уменьшение V be приведет к увеличению напряжения на резисторе эмиттера, что, в свою очередь, вызовет увеличение тока коллектора, протекающего через нагрузку. Конечным результатом является то, что величина «постоянного» подаваемого тока, по крайней мере, в некоторой степени зависит от температуры. Этот эффект смягчается в значительной степени, но не полностью, соответствующими падениями напряжения для диода D1 на рисунке 6 и светодиода LED1 на рисунке 5. Если рассеиваемая мощность в активном устройстве CCS не мала и/или используется недостаточное вырождение эмиттера, это может стать нетривиальной проблемой.
Представьте себе на рисунке 5, что при включении питания светодиод имеет 1 В на нем, управляя базой транзистора. При комнатной температуре падение напряжения на переходе V be составляет около 0,6 В и, следовательно, 0,4 В на резисторе эмиттера, что дает приблизительный ток коллектора (нагрузки) 0,4/R e ампера. Теперь представьте, что рассеиваемая мощность в транзисторе заставляет его нагреваться. Это приводит к тому, что падение напряжения V be (которое было 0,6 В при комнатной температуре) падает, скажем, до 0,2 В. Теперь напряжение на резисторе эмиттера составляет 0,8 В, что вдвое больше, чем было до прогрева. Это означает, что ток коллектора (нагрузки) теперь вдвое больше расчетного значения! Конечно, это экстремальный пример, но он служит для иллюстрации проблемы.
Схема слева преодолевает тепловую проблему (см. также ограничение тока ). Чтобы увидеть, как работает схема, предположим, что напряжение только что было подано на V+. Ток проходит через R1 к базе Q1, включая его и заставляя ток начать течь через нагрузку в коллектор Q1. Этот же ток нагрузки затем вытекает из эмиттера Q1 и, следовательно, через R sense на землю. Когда этот ток через R sense на землю достаточен, чтобы вызвать падение напряжения, равное падению V be Q2, Q2 начинает включаться. Когда Q2 включается, он тянет больше тока через свой резистор коллектора, R1, который отводит часть инжектированного тока в базу Q1, заставляя Q1 проводить меньше тока через нагрузку. Это создает отрицательную обратную связь в схеме, которая поддерживает напряжение на эмиттере Q1 почти точно равным падению V be Q2. Поскольку Q2 рассеивает очень мало мощности по сравнению с Q1 (поскольку весь ток нагрузки проходит через Q1, а не через Q2), Q2 не будет нагреваться в значительной степени, а опорное (заданное по току) напряжение на R sense останется стабильным на уровне ≈0,6 В или на уровне одного диодного падения над землей, независимо от тепловых изменений падения V be Q1. Схема по-прежнему чувствительна к изменениям температуры окружающей среды, в которой работает устройство, поскольку падение напряжения BE в Q2 немного меняется с температурой.
Простой транзисторный источник тока с рисунка 4 можно улучшить, вставив переход база-эмиттер транзистора в петлю обратной связи операционного усилителя (рисунок 7). Теперь операционный усилитель увеличивает свое выходное напряжение, чтобы компенсировать падение V BE . Схема на самом деле является буферизированным неинвертирующим усилителем, управляемым постоянным входным напряжением. Он поддерживает это постоянное напряжение на постоянном резисторе датчика. В результате ток, протекающий через нагрузку, также постоянен; это в точности напряжение Зенера, деленное на резистор датчика. Нагрузка может быть подключена либо в эмиттер (рисунок 7), либо в коллектор (рисунок 4), но в обоих случаях она плавающая, как и во всех схемах выше. Транзистор не нужен, если требуемый ток не превышает исходную способность операционного усилителя. В статье о токовом зеркале обсуждается еще один пример этих так называемых токовых зеркал с усилением .
Общая схема отрицательной обратной связи может быть реализована с помощью регулятора напряжения на основе микросхемы ( регулятор напряжения LM317 на рисунке 8). Как и в случае с повторителем с открытым эмиттером и точным повторителем на операционном усилителе выше, он поддерживает постоянное падение напряжения (1,25 В) на постоянном резисторе (1,25 Ом); таким образом, через резистор и нагрузку протекает постоянный ток (1 А). Светодиод загорается, когда напряжение на нагрузке превышает 1,8 В (схема индикатора вносит некоторую погрешность). Заземленная нагрузка является важным преимуществом этого решения.
Заполненные азотом стеклянные трубки с двумя электродами и калиброванным количеством Беккереля (распадов в секунду) 226 Ra обеспечивают постоянное число носителей заряда в секунду для проводимости, что определяет максимальный ток, который трубка может пропускать в диапазоне напряжений от 25 до 500 В. [7]
Большинство источников электроэнергии ( электросети , батареи и т. д.) лучше всего моделировать как источники напряжения , однако некоторые (особенно солнечные элементы ) лучше моделировать с использованием источников тока. Иногда проще рассматривать источник тока как источник напряжения и наоборот (см. преобразование на рисунке 9), используя теоремы Нортона и Тевенена .
Источники напряжения обеспечивают почти постоянное выходное напряжение, пока ток, потребляемый от источника, находится в пределах возможностей источника. Идеальный источник напряжения, нагруженный разомкнутой цепью (т. е. бесконечным импедансом ), не будет обеспечивать ток (и, следовательно, мощность). Но когда сопротивление нагрузки приближается к нулю ( короткое замыкание ), ток (и, следовательно, мощность) приближаются к бесконечности. Такое теоретическое устройство имеет выходное сопротивление нулевое Ом последовательно с источником. Реальные источники напряжения вместо этого имеют ненулевое выходное сопротивление , которое предпочтительно очень низкое (часто намного меньше 1 Ом).
Наоборот, источник тока обеспечивает постоянный ток, пока импеданс нагрузки достаточно ниже параллельного импеданса источника тока (который предпочтительно очень высок и в идеале бесконечен). В случае транзисторных источников тока импедансы в несколько мегаом (на низких частотах) являются типичными. Поскольку мощность — это квадрат тока, умноженный на сопротивление, то по мере того, как сопротивление нагрузки, подключенной к источнику тока, приближается к нулю (короткое замыкание), ток и, следовательно, мощность стремятся к нулю.
Идеальных источников тока не существует. Гипотетически подключение одного из них к идеальной разомкнутой цепи создало бы парадокс прохождения постоянного, ненулевого тока (от источника тока) через элемент с определенным нулевым током (разомкнутая цепь). Поскольку сопротивление нагрузки идеального источника тока стремится к бесконечности (разомкнутая цепь), напряжение на нагрузке будет стремиться к бесконечности (потому что напряжение равно току, умноженному на сопротивление ), и, следовательно, потребляемая мощность также будет стремиться к бесконечности. Ток реального источника тока, подключенного к разомкнутой цепи, вместо этого будет протекать через внутреннее параллельное сопротивление источника тока (и тратиться в виде тепла).
Аналогично, идеальных источников напряжения не существует. Гипотетически подключение одного из них к идеальному короткому замыканию привело бы к аналогичному парадоксу конечного ненулевого напряжения на элементе с определенным нулевым напряжением (короткое замыкание).
Так же, как источники напряжения не должны быть подключены параллельно к другому источнику напряжения с другим напряжением, источник тока также не должен быть подключен последовательно к другому источнику тока. Обратите внимание, что некоторые схемы используют элементы, которые похожи, но не идентичны источникам напряжения или тока и могут работать при подключении такими способами, которые запрещены для реальных источников тока или напряжения. Также, как источники напряжения могут быть подключены последовательно для сложения их напряжений, источники тока могут быть подключены параллельно для сложения их токов.
Поскольку заряд на конденсаторе равен интегралу тока по времени , идеальный постоянный источник тока заряжает конденсатор линейно со временем, независимо от любого последовательного сопротивления. Аналого-цифровой преобразователь Уилкинсона , например, использует это линейное поведение для измерения неизвестного напряжения, измеряя количество времени, которое требуется источнику тока для зарядки конденсатора до этого напряжения. Источник напряжения вместо этого заряжает конденсатор через резистор нелинейно со временем , поскольку зарядный ток от источника напряжения уменьшается экспоненциально со временем.
