Источник тока на схеме: Источник стабильного тока от 5 мкА до 20 мА / Хабр

Источник стабильного тока от 5 мкА до 20 мА / Хабр

Источник стабильного тока понадобился автору для отладки схем на биполярных транзисторах, которые, как известно, управляются током. Важное требование к нему — изоляция общего провода прибора от общего провода отлаживаемого устройства, поэтому источник питания пришлось взять автономный. Встроенный четырёхразрядный микроамперметр с автоматическим переключением пределов позволяет немного уменьшить количество аппаратуры, одновременно размещаемой на столе экспериментатора.

Идея схемы взята отсюда. Собственно источник стабильного тока устроен так:

Сопротивление резистора R1 некритично, нужно только, чтобы ток базы транзистора Т1 полностью открывал его. Коэффициент передачи тока транзистора BC559C — около 500, верхний предел регулировки тока у источника — 20 мА, значит, 200 мкА через базу — более чем достаточно. Резистор в 10 кОм обеспечит около 1 мА при 10 В, в принципе, можно увеличить его даже до 50 кОм.

Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одинаковыми, но при больших токах параметры Т1 всё равно будут немного «уплывать» из-за небольшого нагрева.

Ток, подаваемый устройством во внешнюю цепь, определяется суммарным сопротивлением резисторов R3 — R5. Их функции: R3 — ограничение тока в случае, если оба переменных резистора вывернуты «в нуль», R4 — точная регулировка тока, R5 — грубая. Ток рассчитывается по формуле I=0.7/(R3+R4+R5), поэтому, например, если резистор R3 взять сопротивлением в 27 Ом, верхний предел регулировки тока составит 0.7/27=25,9мА. На практике получилось 21,6 мА, поскольку падение напряжения на транзисторе Т2 оказалось меньше — около 0,6 В.

Полная схема устройства:

«Крона» питает источник стабильного тока, два элемента ААА — четырёхразрядный микроамперметр. Поэтому выключатель питания взят с двумя нормально разомкнутыми группами контактов. Переключатель S1 позволяет отключить верхнюю клемму и замкнуть источник тока накоротко, чтобы настроить его заранее, до подключения к отлаживаемой схеме.

Параметры на практике получились следующими: максимальный ток — 21,6 мА, максимальный ток при «грубом» регуляторе, вывернутом «в нуль» — 0,3 мА, минимальный — 4,7 мкА. Правда, встроенный микроамперметр меньше 10 мкА не показывает, поэтому внешний иногда может и потребоваться. Выставленный ток остаётся практически неизменным при изменении напряжения на внешней цепи от 0 до 8 В.

Микроамперметр сделан из мультиметра с автоматическим переключением пределов JT-033A фирмы SHENZHEN JINGTENGWEI INDUSTRY CO.,LTD: переключатель режимов удалён, вместо него впаяны перемычки, заставляющие его всегда работать в режиме измерения тока.

Расположение компонентов в корпусе следующее:

Jim сделал симуляцию схемы в Falstad, автор её немного переработал для отображения большего количества параметров, получилось:

$ 1 0.000005 7.619785657297057 65 5 50
t 224 240 176 240 0 -1 0.6771607865907852 -0.5873050244463638 500
t 256 272 304 272 0 -1 1.8738439949380101 -0.6771607865907852 500
r 176 304 176 400 0 10000
v 80 288 80 192 0 0 40 9 0 0 0.5
w 176 304 176 272 3
w 176 272 176 256 0
w 176 224 176 32 1
w 176 32 80 32 0
w 80 32 80 192 0
w 80 288 80 400 0
w 80 400 176 400 3
w 176 400 304 400 0
w 304 336 304 288 3
w 304 240 224 240 1
174 304 128 352 48 0 5000 0. 9950000000000001 Resistance
w 176 32 304 32 2
w 304 256 304 240 0
w 304 240 304 208 2
w 304 128 336 128 0
w 352 80 352 128 0
w 352 128 336 128 0
w 256 272 176 272 1
w 304 128 304 208 1
r 304 336 304 400 0 250

Результат симуляции:

А вот результат симуляции при сопротивлении резистора R1 в 100 кОм:

Схемы замещения источников энергии

Простейшая электрическая цепь и ее схема замещения, как указывалось, состоят из одного источника энергии с ЭДС Е и внутренним сопротивлением r_вт и одного приемника с сопротивлением r (см. рис. 1.3). Ток во внешней по отношению к источнику энергии части цепи, т. е. в приемнике с сопротивлением r, принимается направленным от точки а с большим потенциалом к точке b с меньшим потенциалом .

Направление тока будем обозначать на схеме стрелкой с просветом или указывать двумя индексами у буквы I, такими же, как и у соответствующих точек схемы. Так, для схемы рис. 1.3 ток в приемнике I = I_ab, где индексы а и b обозначают направление тока от точки а к точке b.
Покажем, что источник энергии с известными ЭДС E и внутренним сопротивлением r_вт, может быть представлен двумя основными схемами замещения (эквивалентными схемами).
Как уже указывалось, с одной стороны, напряжение на выводах источника энергии меньше ЭДС на падение напряжения внутри источника:

с другой стороны, напряжение на сопротивлении r

Ввиду равенства из (1.5а) и (1.56) получается или

В частности, при холостом ходе (разомкнутых выводах а и b) получается E=U_x, т. е. ЭДС равна напряжению холостого хода. При коротком замыкании (выводов а и b) ток

Из (1.7 б) следует, что r_вт источника энергии, так же как и сопротивление приемника, ограничивает ток.
На схеме замещения можно показать элемент схемы с r_вт, соединенным последовательно с элементом, обозначающим ЭДС E (рис. 1.7, а). Напряжение U зависит от тока приемника и равно разности между ЭДС E источника энергии и падением напряжения r_втI (1. 6а). Схема источника энергии, показанная на рис. 1.7, а, называется первой схемой замещения или схемой с источником ЭДС.
Если r_вт<<r и напряжение U_вт<<U, т. е. источник электрической энергии находится в режиме, близком к холостому ходу, то можно практически пренебречь внутренним падением напряжения и принять U_вт = r_вт = 0. В этом случае для источника энергии получается более простая эквивалентная схема только с источником ЭДС, у которого в отличие от реального источника исключается режим короткого замыкания (U =0). Такой источник энергии без внутреннего сопротивления (r_вт = 0), обозначенный кружком со стрелкой внутри и буквой E (рис. 1.7, б), называют идеальным источником ЭДС или источником напряжения (источником с заданным напряжением). Напряжение на выводах такого источника не зависит от сопротивления приемника и всегда равно ЭДС E. Его внешняя характеристика — прямая, параллельная оси абсцисс (штриховая прямая ab на рис. 1.4).
Источник энергии может быть представлен и второй схемой замещения (рис. 1.8, а). Чтобы обосновать эту возможность, разделим правую и левую части уравнения (1.7а) на r_вт. В результате получим

где g_вт=1/r_вт — внутренняя проводимость источника энергии, или

J = I + I_вт, (1.8)

где J = E/r_вт — ток при коротком замыкании источника энергии (т. е. ток при сопротивлении r=0); I_вт=U/r_вт=g_втU—некоторый ток, равный отношению напряжения на выводах источника энергии к его внутреннему сопротивлению; I = U/r = gU — ток приемника; g = 1/r — проводимость приемника.
Полученному уравнению (1.8) удовлетворяет схема замещения с источником тока, состоящая из источника с заданным током J = E/r_вт (рис. 1.8, а) и соединенного с ним параллельно элемента rвт (общие выводы 1 и 2).
Если g_вт<<g или r_вт>>r и при одном и том же напряжении U = U₁₂ = U_ab ток Iвт<<I, т. е. источник энергии находится в режиме, близком к короткому замыканию, то можно принять ток I_вт = g_втU = 0. В этом случае для источника энергии получается более простая схема замещения только с источником тока (рис. 1.8,б). Такой источник с внутренней проводимостью g_вт = 0 , обозначенный кружком с двойной стрелкой с разрывом внутри и буквой J, называют идеальным источником тока (источником с заданным током). Ток идеального источника тока J не зависит от сопротивления приемника r. Его внешняя характеристика — прямая, параллельная оси ординат (штриховая прямая cd на рис. 1.4). Для идеального источника тока исключается режим холостого хода (I = 0).
В дальнейшем, если нет специальных указаний, терминами «источник ЭДС (напряжения)» и «источник тока» обозначаются часто идеальные источники.
Источники ЭДС и источники тока называются активными элементами электрических схем, а резистивные элементы — пассивными.
При составлении электрической схемы замещения для той или иной реальной цепи стремятся по возможности учесть известные электрические свойства как каждого участка, так и в целом всей цепи.
В зависимости от электрических свойств цепи и условий поставленной задачи важно правильно выбирать схемы замещения и пользоваться ими для исследования режимов в реальных электрических цепях.

Генератор стабильного тока Видлара

Источник тока Видлара является разновидностью основной схемы двухтранзисторного токового зеркала, которая содержит токоограничивающий резистор в цепи эмиттера выходного транзистора, что позволяет использовать эту схему для генерации слабых токов, применяя токоограничивающий резистор только средних номиналов.

В схеме Видлара могут использоваться как биполярные, так и полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП — транзисторы), и даже вакуумные лампы. Примером использования этого источника тока может служить операционный усилитель модели 741, Видлар применял свой источник тока во многих конструкциях.

Эта схема была названа в честь её изобретателя, Боба Видлара, и была запатентована в 1967 году.

Анализ схемы

Рис. 1. Источник тока Видлара

На рисунке 1 изображена схема источника тока Видлара на биполярных транзисторах, здесь резистор R2 установлен в цепи эмиттера выходного транзистора VT2, что позволяет сделать ток, протекающий через транзистор VT2, относительно небольшим по сравнению с током транзистора VT1. Главной особенностью этой схемы является то, что падение напряжения на резисторе R2 вычитается из напряжения база-эмиттер транзистора VT2, что приводит к уменьшению проводимости этого транзистора по сравнению с транзистором VT1. Это наблюдение выражается равенством базовых напряжений с обеих сторон схемы из рисунка 1:

V_B = V_BE1 = V_BE2+(β₂+1) * I_B2 * R2 ,

где β₂ — это β (коэффициент передачи по току) выходного транзистора, этот параметр отличается от β первого транзистора из-за технологического разброса параметров, а так же отчасти из-за того, что силы токов, протекающих через оба транзистора сильно отличаются. I_B2 — это базовый ток выходного транзистора, V_BE — это напряжение база — эмиттер. Из этого уравнения следует (используя формулу Шокли для идеальных диодов):

(β2+1) * I _B2 = (1 + 1 / β2) * I_C2 = (V_BE1 — V_BE2) / R2 = V_T / R2 * ln(I_C1 * I_S2 / (I_C2 * I_S1)) ,

где V_T — тепловое напряжение.

Из этого уравнения примерно следует, что величины обеих токов гораздо больше, чем масштабные токи I_S1, I_S2, это приближение верно для токов любой силы, за исключением тех, значения которых находятся вблизи зоны отсечки. В дальнейшем различие между двумя масштабными токами уменьшается, хотя эта разница может быть важна в случае использования транзисторов с различными рабочими областями.

Рис. 2. Токовое зеркало Видлара
на транзисторах КТ503А.

Рассмотрим практический пример генератора тока Видлара (рис. 2). Здесь опорная цепь питается от источника +Vcc напряжением 10,75 Вольт, что обеспечивает опорный ток, равный 10 мА (при сопротивлении резистора R1 = 1 кОм), а цепь нагрузки — коллектор транзистора VT2 запитан от источника V_A напряжением = 25 В.

При опорном токе, равном 20 мА (R1 = 0,5 кОм) изменим сопротивление эмиттерного резистора R2:

Теперь то же самое проделаем для опорного тока 10 мА (R1 = 1 кОм):

Как видно из результатов, незначительное изменение сопротивления резистора R2 существенно уменьшает ток коллектора токового зеркала. Кроме того, при сопротивлении эмиттерного резистора R2 равном нулю отношение полученных эмиттерных токов будет равно 25,56/12,8 = 1,99 ≈ 2, а в случае когда сопротивление R2 равно 100 Ом отношение полученных эмиттерных токов станет равно 0,95/0,8 = 1,18, то есть чем больше сопротивление эмиттерного резистора, тем меньше зависимость выходного тока от опорного.

BACK MAIN PAGE

обозначение, характеристики, виды источников таблицей

Существует несколько видов источников тока, различающиеся по природе происхождения энергии. Каждый из этих видов имеет свои индивидуальные особенности, в частности, принципы выработки электрической энергии, а также ее преобразование. Определить, какой тип элемента применяется, можно с помощью графического обозначения.

Что такое источники тока

Источники тока – это элементы электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом, энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные устройства для выработки тока:

• Идеальные определяются только благодаря гипотезам и теоретическим выкладкам. Так, учёные нередко определяют ряд условий, при которых ток имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть, осуществляется имитация идеального источника.
• Реальные условия поддерживают заданные параметры выходного тока и напряжения. Любой прибор обеспечивает свою работу, при условии, что это позволяют сделать его технические характеристики.

Важно! Таким образом, максимальное значение тока и напряжения дают возможность определить, какой именно вариант источника будет использован в цепи – идеальный или реальный.

Виды источников

Существует несколько видов устройств для выработки тока, каждый из которых имеет свои основные показатели, характеристики и особенности, приведённые в следующей таблице:

Вид источника	Характеристики источника тока
Механический	Специальное устройство (генератор) обеспечивает трансформацию механической энергии в электрическую. В настоящее время большое количество тока производится именно с помощью механических источников.
Тепловой	В основу работы агрегатов заложен принцип переработки тепловой энергии в электрическую. Такое преобразование происходит благодаря разности температур контактирующих между собой полупроводников. В настоящее время разработаны источники тока, тепловая энергия  в которых вырабатывается благодаря распаду радиоактивных элементов.
Химический	Химические варианты можно условно разделить на 3 группы – гальванические, аккумуляторы и тепловые. ·         Гальванический элемент работает посредством взаимодействия 2-х разных металлов, помещенных в электролит. ·         Аккумуляторы – устройства, которые можно несколько раз заряжать и разряжать. Существует несколько видов аккумуляторов с различными типами элементов, входящих в их состав. ·         Химически-тепловые используются только для кратковременной работы. Применяются, в основном, в сфере ракетостроения.
Световой	В конце XX века достаточно популярными стали солнечные батареи, которые «собирают» световые частицы, преобразуемые впоследствии в электрическую энергию. Это происходит за счет выдачи напряжения и благодаря воздействию на световые частицы.

Важно! Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии.

Механические источники

Механические агрегаты являются самыми простыми по принципу их использования и обустройства. Характеристика таких генераторов очень проста для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, которая впоследствии преобразуется в электричество. Такие приборы используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Механический

Тепловые источники

Тепловые варианты источников обеспечивают уникальный принцип работы. Энергия вырабатывается благодаря образованию термопары, которая. Это означает, что на концах проводников обеспечивается расчётная разность температур, элементы взаимодействуют между собой, создавая электрическое поле.

Тепловой

Обратите внимание! Радиоактивные термопары используют в космической промышленности. Эффективность такого использования возможна благодаря долгому сроку службы и эффективным показателям вырабатываемой мощности.

В результате подобного движения заряженных частиц от горячей части проводника к холодной возникает электроток. При этом, чем больше разница температур, тем выше показатель результативной энергии. На практике термопары нередко входят в состав измерительных приборов.

Световые источники

Световые устройства ля выработки электроэнергии считаются самыми экологичными, эффективными и относительно дешевыми. Специальная панель из полупроводников поглощает световые частицы, которые при таком взаимодействии выдают определенное напряжение.

Световой

При этом, световые панели имеют небольшой показатель КПД – 15 %. Панели такого типа нашли широкое применение – от бытовых приборов до инновационных разработок в космической отрасли.

Важно! Световые источники начали использоваться вместо литиевых батарей из-за высокой стоимости последних. Несмотря на то, что многие объекты промышленности требуют значительного переоснащения для перехода на световые источники, конечная экономия возникает уже на первичных этапах эксплуатации.

Химические источники

В данную группу входит 3 основных устройства, отличающиеся строением и принципом работы:

• Гальванический элемент – это вариант для выработки электроэнергии, который может быть использован один раз. То есть, после полной разрядки, повторное накопление заряда на внутреннем веществе невозможно. В состав таких приборов входят солевые, литиевые или щелочные батарейки.
• Аккумуляторы – подразделяются на несколько типов: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.
• Тепловые элементы – используются в космической и инновационной промышленности для производства кратковременного тока с высокими показателями. Практическое применение агрегатов основано на потребностях в резервных источниках питания.

Важно! Химико-тепловые устройства требуют первоначального нагрева до 500–600 °С, чтобы активизировать твердый электролит.

Химический

В каждой сфере промышленности используется собственный вариант с конкретными параметрами. В бытовых условиях применяются, в основном, батарейки; в производственной – аккумуляторы.

Обозначение источников тока

Чтобы при выборе не возникало вопроса относительно того, какой тип источника тока представлен, используются специальные обозначения. В физике существуют точные графические изображения, которые позволяют идентифицировать тип применяемого источника:

Обозначения

На каждой схеме условных обозначений можно увидеть следующие параметры:

• Общее обозначение источника тока и движущей силы ЭДС;
• Графическое изображение без ЭДС;
• Химический тип;
• Батарея;
• Постоянное напряжение;
• Переменное напряжение;
• Генератор.

Благодаря графическим идентификаторам на схеме электрической цепи всегда можно определить, какой именно тип используется в конкретной ситуации, и как правильно его обозначать. Существуют также международные обозначения, которые встречаются немного реже, обычно при реализации интернациональных проектов.

Принцип действия

Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В стандартной ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей, а именно:

• Механический тип. В результате взаимодействия деталей механизма, возникает трение. Благодаря такому явлению, возникает статическое электричество, преобразуемое в ток.
• Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частиц. Явление возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частицы покидают структуру кристаллической решётки металла, входя в состав проводящей жидкости.
• Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы под воздействием светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.
• Тепловые. Как правило, это 2 последовательно соединенных металлических основания. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.

Важно! Любое изменение в строении вещества может привести к необратимым последствиям, которые проявятся при работе устройства.

Конструкция

Конструкция элемента влияет на принцип его работы. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

• Самый простой бытовой аккумулятор включает в себя металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины, на которых накапливаются катоды и аноды.

Аккумулятор

• Обычная бытовая батарейка с входящим в её состав сухим элементом имеет металлический корпус, в который помещен стержень-накопитель катодов. Всё прочее пространство заполнено солевым электролитом.

Батарейка

• Генератор переменного тока – это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки.

Механический принцип устройства

• Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно, конструкция подключена к измерительному прибору, типа амперметра. Источник тепла – это пламя или внешний электрический импульс.

Тепловое устройство

Важно! Подобная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, которая впоследствии преобразуется в ток. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала.

Условия работы источников тока

Любой источник тока работает при определенных условиях. В отсутствие химической реакции внутри элементов не смогут образовываться заряженные частицы. Если будет отсутствовать анод и катод, то движения частиц не возникнет даже при наличии реакции.

В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.

Идеальный и реальный

Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно необходимо иметь в наличии приспособление ля преобразования полученной энергии.

Тепловой вариант не будет работать, если в его основу входит 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.

Источники

Для выработки электрической энергии требуется выбрать источник тока, соответствующий потребностям в конкретной сфере применения. Существует несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и индивидуальные технические показатели.

Источник тока на ОУ и транзисторе

Предлагаем очень несложную конструкцию аналогового генератора постоянного тока общего назначения, с использованием легко доступных компонентов. Это действительно простая схема, которую легко собрать, и она очень полезна, особенно если вы хотите провести эксперименты с мощными светодиодами и так далее. Вот полная схема аналогового генератора постоянного тока. Схемотехника и теория работы просты и понятны.

Схема аналогового источника постоянного тока

Поскольку это источник постоянного тока, то есть своеобразная электронная нагрузка, он адаптирован для работы со слаботочным независимым блоком питания 12 В. Силовая часть схемы — это доступный мощный полевой МОП-транзистор IRF3205, рассматриваемый как переменный резистор. Обратите внимание, что силовой полевой транзистор можно также использовать в линейном (а не переключающем) режиме, и тогда он обычно рассматривается как переменный резистор.

Следующим ключевым элементом в этой схеме является трехконтактный программируемый диод шунтирующего стабилизатора TL431A. Также есть микросхема маломощного двойного операционного усилителя — LM358.

Принцип работы источника тока на ОУ

Принцип работы аналогового источника тока: когда нагрузка постоянного тока находится под напряжением, на силовом резисторе 1 Ом (R4) создается небольшое напряжение, которое подается на инвертирующий вход (контакт 2) IC1. Это положительное напряжение инвертируется IC1, уменьшая напряжение на выходе (вывод 1), что дополнительно снижает напряжение на R4 через T1. Это стабилизирует выходное напряжение до значения, которое окажется на его неинвертирующем входе (вывод 3). Любое изменение тока через R4 вызывает изменение напряжения на выводе 2, которое точно компенсируется отрицательной обратной связью. В результате через силовой резистор и подключенную нагрузку протекает постоянный ток.

Опорное напряжение составляет около 2,5 В, использовалась TL431A (VR1) в качестве источника опорного напряжения, потому что микросхема была под рукой. Также можно попробовать другие, более дешевые идеи создания постоянного опорного напряжения. Потенциометр 10K (TM1) предназначен для точной настройки тока, и, следовательно, 10-оборотный точный многооборотный подстроечный резистор был бы лучше, чем обычный, который использовался в данном случае.

Обратите внимание, что когда через R4 протекает ток 1 А, на нём будет 1 В. И максимальное опорное напряжение, которое может видеть IC1, будет около 1,2 В. Опорное напряжение 2,5 В дополнительно уменьшено цепью резисторов R2 — TM1 примерно до 1,2 В.

Далее была сделана быстрая тестовая версия на макетной плате. Стоит обратить внимание на то, что эту схему довольно легко заставить возбуждаться, а это нежелательно и может затруднить точную регулировку тока нагрузки. Более того, силовой резистор 1 Ом должен рассеивать довольно много энергии, да и силовой полевой транзистор должен использоваться с подходящим радиатором.

Испытания собранного устройства

Сначала тестировался прототип с белым светодиодом 12 В / 10 Вт, и подключенный осциллограф показывает, что нет никаких лишних колебаний. А затем тестировался до 12 А, используя старый резистор 0,1 Ом / 20 Вт вместо резистора по схеме 1 Ом / 5 Вт. Конечно также поменян радиатор на более мощный. По паспортным данным транзистор IRF3205 может выдерживать ток 100 А, но при достаточном охлаждении.

Теперь о нескольких вещах, которые необходимо учесть при сборке. Во-первых, для схемы генератора постоянного тока следует использовать отдельный источник питания 12 В. Затем, если решите использовать другой операционный усилитель, то выберите ОУ с питанием от шины к сети, поскольку он будет лучше, чем операционный усилитель LM358, который использовался тут. Кроме того, важно уделять внимание номинальным характеристикам компонентов в цепи силовой электроники. Неправильный выбор может привести к серьезным бедствиям, таким как перегрев.

Если что, можете заменить опорное напряжение аналоговым (или широтно-импульсным сигналом с цифровым управлением). Это более условно и легче для понимания, поэтому я не буду сейчас вдаваться в подробности. В таких случаях неиспользуемый второй операционный усилитель будет выступать в качестве буфера с единичным усилением — повторитель напряжения. Входное сопротивление буфера операционного усилителя очень высокое, а выходное очень низкое. Такое включение помогает решить проблемы согласования сопротивлений. Такое включение помогает решить проблемы согласования сопротивлений.

Практические схемы токовых нагрузок

На базе операционного усилителя и полевого транзистора и делают большинство схем источников тока или токовых нагрузок. Практические примеры конструкций смотрите далее.

1.3. Источники в электрических цепях

1.3. Источники в электрических цепях.

Под источником в электротехнике понимают электротехническое

устройство, производящее электрическую энергию и питающее электрическую цепь. Источники являются причиной появления токов и напряжений в цепи.             Электрическая энергия постоянного                            Рис  1.4

тока может быть получена путем преобразования различных видов энергии: химической (гальванические элементы и аккумуляторы), механической (генераторы постоянного тока), тепловой (термоэлектрогенераторы), лучистой, например, световой (солнечные батареи). Все источники электрической энергии характеризуются определенным значением либо электродвижущей силы Е (э.д.с.)-источники напряжения, либо тока I-источники тока. В источниках (активных элементах цепи) за счет энергии сторонних сил совершается перенос положительных зарядов от меньшего потенциала к большему. Работа сторонних сил, затрачиваемая на перенос единичного заряда от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом, называется электродвижущей силой — Э.Д.С. источника и обозначается, в цепях постоянного тока, буквой Е.  Э.Д.С. источника численно равна напряжению между зажимами источника при отсутствии в нем тока.

1.3.1. Источник напряжения.

Идеальный источник напряжения — это активный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник. Внутреннее сопротивление r₀ идеального источника напряжения равно нулю.

Условные графические изображения источников постоянного напряжения приведены на рис. 1.4.(а, б, в), где стрелками обозначены положительные направления э.д.с. и напряжений на зажимах источника. Поскольку для идеального источника напряжение остается неизменным (U=E),то в схемах вместо источника э.д.с. часто показывают зажимы, к которым приложено напряжение U (рис. 1.4. б).

На рисунке 1.5  представлена вольтамперная характеристика U=f(I) идеального источника напряжения (кривая «a»), где на осях обозначены: U-напряжение на зажимах источника, I-ток, протекающий через источник. Такой источник, судя по его вольтамперной характеристике, способен отдавать во внешнюю цепь бесконечно большую мощность. Очевидно,

                    Рис  1.5                                 что, в действительности, такого источника не существует. Реальный источник напряжения обладает внутренним сопротивлением r₀. Его схема замещения имеет вид рис. 1.4 (а), а вольтамперная характеристика-кривая «в» на рис. 1.5, которая математически может быть описана уравнением:

Рекомендуемые файлы

                                      (1.5)

Вместе с этой лекцией читают «1.10 Напряжения на октаэдрической площадке».

1.3.2. Источник тока.

Наряду с понятием источника э.д.с. при расчетах электрических цепей пользуются понятием — источник тока.

Идеальным источником тока называется активный элемент, который поддерживает во внешней цепи ток, не зависящий от напряжения на его зажимах. Внутреннее сопротивление идеального источника тока r₀=∞. Для изображения

                 Рис  1.6                          источника тока используется обозначение, представленное на рис. 1.6 (а). Направление двойной стрелки соответствует положительному направлению тока источника.

Вольтамперная характеристика источника тока имеет вид рис. 1.7, где зависимость«a»-вольтамперная характеристика идеального источника тока, а зависимость «в»-вольтамперная характеристика реального источника тока, имеющего конечное внутреннее сопротивление. На схеме реальный источник изображается в виде идеального источника тока и подключенного параллельного ему сопротивления (рис. 1.6 (б)). Необходимо отметить, что обе схемы замещения

          Рис  1.7          реальных источников электрической энергии (рис.1.4(а)  и рис.1.5(б)) являются эквивалентными (они имеют одну и ту же вольтамперную характеристику ) с точки зрения токов, напряжений и мощностей во внешних участках электрической цепи. Если внутреннее сопротивление источника r₀ много больше сопротивления пассивного сопротивления приемника (нагрузки) r_Н, т.е. r₀>r_Н, то ток источника при изменении r_Н  остается практически неизменным. В этом случае источник электрической энергии выступает в роли источника тока; в случае, когда r₀<< r_Н, напряжение на зажимах источника остается практически неизменным при изменении r_Н. В этом случае в качестве источника электрической энергии рассматривается источник напряжения.

Источник тока Хауленда

Добавлено 15 ноября 2020 в 13:35

Сохранить или поделиться

Источник тока Хауленда, изобретенный профессором Брэдфордом Хаулендом из Массачусетского технологического института в начале 1960-х годов, состоит из операционного усилителя и симметричного резисторного моста и выдает ток в любом направлении. Рассмотрим его подробнее.

Источник тока Хауленда, показанный на рисунке 1a, представляет собой схему, которая принимает входное напряжение v_вх, преобразует его в выходной ток i_вых = Av_вх, с A в качестве коэффициента крутизны, и выдает i_вых в нагрузку, независимо от напряжения v_нагр, вырабатываемого самой нагрузкой. Чтобы увидеть, как он работает, добавим на схему обозначения, как на рисунке 1b, и применим закон Кирхгофа и закон Ома.

Рисунок 1 – (a) Источник тока Хауленда. (b) Необходимые обозначения для анализа его схемы

\[i_{вых} = i_1 + i_2 = \frac{v_{вх} — v_{нагр}}{R_1} + \frac{v_{усил} — v_{нагр}}{R_2} \qquad (1)\]

Операционный усилитель вместе с R₃ и R₄, относительно v_нагр, образует неинвертирующий усилитель, что дает

\[v_{усил} = \left( 1 + \frac{R_4}{R_3} \right) v_{нагр} \qquad (2)\]

Подставляя v_усил в уравнение 1 и упрощая формулу, мы получаем довольно очевидную зависимость i_вых.

\[i_{вых}=Av_{вх}-\frac{v_{нагр}}{R_{вых}} \qquad (3)\]

где A – коэффициент крутизны, в А/В (ампер на вольт),

\[A = \frac{1}{R_1} \qquad (4)\]

а R_вых – выходное сопротивление цепи к нагрузке,

\[R_{вых} = \frac{R_2}{\frac{R_2}{R_1} — \frac{R_4}{R_3}} \qquad (5)\]

Чтобы сделать i_вых независимым от v_нагр, мы должны обеспечить R_вых → ∞ или условие баланса моста.

\[\frac{R_4}{R_3} = \frac{R_2}{R_1} \qquad (6)\]

Взгляните на пример на рисунке 2 и проследите за строками в таблице, как операционный усилитель регулирует i₂ с помощью v_усил, чтобы обеспечить неизменный ток i_вых независимо от v_нагр.

Рисунок 2 – (a) Источник тока 2 мА и (b) его внутренняя работа для различных значений v_нагр (напряжения в вольтах, токи в миллиамперах; отрицательное значение тока означает, что ток течет в направлении, противоположном стрелке)

С полярностью V_опор, как показано, источник подает ток i_вых на нагрузку. Изменение полярности V_опор приведет к «приему» тока из нагрузки. Обратите внимание, что для правильной работы источника v_нагр всегда должно быть ограничено линейным диапазоном работы операционного усилителя. Если операционный усилитель перейдет в режим насыщения, источник перестанет работать должным образом.

Влияние несовпадения сопротивлений

На практике мост, вероятно, будет разбалансирован из-за погрешностей сопротивления, поэтому R_вых, вероятно, будет меньше бесконечности. Обозначая погрешности используемых сопротивлений буквой p, мы увидим, что знаменатель D в уравнении 5 максимизируется, когда R₂ и R₃ максимизированы, а R₁ и R₄ минимизированы. Для p << 1 запишем

\[D_{max} = \frac{R_2(1+p)}{R_1(1-p)} — \frac{R_4(1-p)}{R_3(1+p)} \cong \frac{R_2}{R_1} [(1+2p)-(1-2p)] \cong \frac{R_2}{R_1} 4p\]

Здесь мы включили соотношение уравнения 6, применили приближение

\[\frac{1}{1 \mp p} \cong 1 \pm p\]

и проигнорировали квадратичные члены в p. Подстановка в уравнение 5 дает

\[R_{вых(min)} = \frac{R_2}{D_{max}} \cong \frac{R_1}{4p} \qquad (7)\]

Например, использование сопротивлений 1% (p = 0,01) в схеме на рисунке 2a может снизить R_вых с ∞ до 1000/(4×0,01) = 25 кОм, таким образом, согласно уравнению 3 делая i_вых зависимым от v_нагр. Если мост несбалансирован в направлении, противоположном указанному выше, то наихудшее условие для R_вых составляет –25 кОм. Таким образом, в зависимости от несовпадения, R_вых может лежать в диапазоне от +25 кОм до ∞ до –25 кОм.

Рисунок 3 – (a) Использование потенциометра R_п для балансировки резисторного моста. (b) Настройка калибровки.

Для повышения производительности мы должны либо использовать сопротивления с более низкой погрешностью, либо сбалансировать мост с помощью потенциометра R_п, как на рисунке 3a. Чтобы откалибровать схему, соедините вход с землей, как показано на рисунке 3b, и используйте амперметр A. Сначала переведите переключатель в положение «земля» и, если необходимо, снижайте до нуля входное напряжение смещения операционного усилителя, пока амперметр не покажет ноль. Затем установите переключатель на известное напряжение, например 5 В, и регулируйте R_п, пока амперметр снова не покажет ноль. Предполагая, что i_вых с v_нагр = 5 В равен i_вых с v_нагр = 0 В, мы делаем i_вых независимым от v_нагр, что фактически приводит R_вых к бесконечности согласно уравнению 3.

Влияние неидеальности операционных усилителей

Коэффициент подавления синфазного сигнала

На практике операционный усилитель чувствителен к синфазному входному напряжению, особенность, которая моделируется небольшим внутренним напряжением смещения, последовательно соединенным с неинвертирующим входом. В случае источника тока Хауленда это напряжение смещения может быть выражено как v_нагр/CMRR, где CMRR (common-mode rejection ratio) – коэффициент подавления синфазного сигнала, указанный в техническом описании операционного усилителя. Как видно по рисунку 4a, уравнение 1 всё еще сохраняется, но уравнение 2 изменяется на

\[v_{усил} = \left(1+\frac{R_4}{R_3}\right) \times \left( v_{нагр} + \frac{v_{нагр}}{CMRR} \right) = \left(1+\frac{R_2}{R_1} \right) \times v_{нагр} \times \left(1+\frac{1}{CMRR} \right)\]

Подставляя эту формулу в уравнение 1, решая его для i_вых и помещая i_вых в уравнение 3, получаем

\[R_{вых} = (R_1 || R_2) \times CMRR \qquad (8)\]

Например, использование операционного усилителя с CMRR = 60 дБ (= 1000) в приведенном выше примере снизит R_вых с ∞ до (10³||10³)×1000 = 500 кОм. При модификации схемы, показанной на рисунке 3b, мы можем использовать потенциометр для компенсации совокупного влияния дисбаланса моста, а также небесконечного CMRR.

Коэффициент усиления при разомкнутой петле отрицательной обратной связи

До сих пор мы предполагали, что операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент усиления без обратной связи. Коэффициент усиления \(a\) реального операционного усилителя конечен, поэтому давайте теперь посмотрим, как он влияет на поведение схемы.

Рисунок 4 – Схемы для исследования влияния (a) небесконечного коэффициента подавления синфазного сигнала и (b) небесконечного коэффициента усиления без обратной связи

Что касается рисунка 4b, теперь у нас есть

\[v_{усил} = a \left(v_{нагр}-\frac{R_3}{R_3+R_4}v_{усил} \right)\]

Решение для v_усил, подстановка в уравнение 1, решение для i_вых и подстановка i_вых в уравнение 3 дают

\[R_{вых} = (R_1||R_2) \times \left( 1+\frac{a}{1+\frac{R_2}{R_1}} \right) \qquad (9)\]

Например, использование операционного усилителя с усилением постоянного напряжения 100 дБ (=100000 В/В) снизит R_вых с ∞ до (10³||10³)×(1 + 100000/2) ≅ 25 МОм. При модификации схемы, показанного на рисунке 3b, мы можем использовать потенциометр для компенсации совокупного влияния дисбаланса моста, небесконечного CMRR и небесконечного усиления по постоянному напряжению при разомкнутой петле отрицательной обратной связи, и поднять R_вых как можно ближе к ∞.

Однако когда мы увеличиваем рабочую частоту, коэффициент усиления \(a\) падает по мере увеличения частоты, что приводит к прогрессивному ухудшению R_вых. Например, у операционного усилителя с коэффициентом усиления по постоянному напряжению 100 дБ произведение коэффициента усиления и ширины полосы пропускания равно 1 МГц, зависимость его коэффициента усиления без отрицательной обратной связи от частоты (при условии однополюсной характеристики) будет выглядеть следующим образом:

Однополюсная частотная характеристика операционного усилителя 1 МГц с усилением разомкнутого контура постоянного тока 100 дБ.

Рисунок 5 – Однополюсная частотная характеристика операционного усилителя на 1 МГц с коэффициентом усиления постоянного напряжения 100 дБ при разомкнутой петле обратной связи

Таким образом, коэффициент усиления \(a\) падает до 60 дБ (= 1000 В/В) на частоте 1 кГц, а значение R_вых упадет до 500×(1 + 1000/2) ≅ 250 кОм. На 10 кГц R_вых падает до 500×(1 + 100/2) ≅ 25 кОм и так далее.

Оригинал статьи:

Теги

CMRR / КОСС (коэффициент ослабления синфазного сигнала)GBP (произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания)Источник токаИсточник тока ХаулендаОУ (операционный усилитель)Управление с помощью напряжения

Сохранить или поделиться

LM334 Цепи постоянного тока Учебное пособие

Рис. 1

Льюис Лофлин

Источник постоянного тока (CCS) в электронике представляет собой устройство/схему, которая обеспечивает постоянное значение тока независимо от напряжения источника или сопротивления нагрузки. На рис. 1 показана обычная схема CCS с использованием биполярного транзистора PNP. Значения Ic = Ib * hfe (бета) транзистора. Цепь постоянного тока также может использоваться в качестве ограничителя тока.

Maxim Semiconductor отмечает следующее, почему нам необходимо использовать источник постоянного тока:

При использовании белых светодиодов для задней подсветки дисплея или других осветительных приборов есть две причины использовать для них постоянный ток: Чтобы избежать нарушения абсолютного максимального номинального тока и снижения надежности.

Чтобы получить предсказуемую и согласованную силу света и цветность от каждого светодиода… Зависимость прямого тока от прямого напряжения шести случайных белых светодиодов (по три от каждого из двух производителей)… питание этих шести светодиодов, например, 3,4 В, их прямой ток будет варьироваться от 10 мА до 44 мА, в зависимости от светодиода.»

Помимо светодиодов, источники постоянного тока используются с резистивными датчиками, такими как фотоэлементы и термисторы, для большей стабильности и для источников питания с ограниченным током.Также полезно для тестирования и прототипирования.

См. Источник постоянного тока LM334 с резистивными датчиками.

Рис. 2

На рис. 2 показан источник постоянного тока с операционным усилителем 741. См. Источник постоянного тока на 3-амперном операционном усилителе LM741.

На рис. 1 Ib управляется резистором 1K и потенциометром 5K. При напряжении Vcc 12 вольт падение напряжения 0,6 вольт на переходе база-эмиттер транзистора Q1. Мы настраиваем потенциометр на базовый ток 3 мА (0,003 А). Если Q1 имеет hfe 50: Ic = .003 * 50 = 150 мА или 0,15 А.

Эти схемы необходимы для работы массивов мощных светодиодов (LED). Вышеприведенная схема проста, может быть немного нестабильной из-за температурных дрейфов Q1, вызывающих дрейф тока. Эта проблема незначительна по сравнению с дрейфом источника питания, который может вызвать гораздо большую нестабильность.

В других источниках постоянного тока используется популярный регулируемый регулятор напряжения LM317.

TL431A — еще одна популярная деталь в небольшом корпусе TO-92.Проще говоря, TL431A представляет собой переменный/регулируемый https://www.bristolwatch/ele/zener_power_supply.htmZener диод с температурной компенсацией. Он также может выступать в качестве опорного напряжения или источника постоянного тока.

Рис. 3

Рис. 3 использует LM334, источник тока с тремя выводами, предназначенный для работы с уровнями тока от 1 мкА до 10 мА, которые задаются внешним резистором Rset. Устройство работает как «настоящий двухконтактный источник тока, не требующий дополнительных подключений питания». Он также может работать как датчик температуры.

В этом примере я использую LM334 для управления Ib на Q3. Rset — это комбинация R1 и R2, настроенная на 100 Ом. Iуст = Iб = 67,7 мВ / Rуст = 677 мкА. Ic = Ib * hfe; Ic = 677 мкА * 180 = 120 мА. Q3 был 2N2907. См. спецификацию LM334.

Это намного лучше, чем две предыдущие схемы, потому что перепады напряжения не вызывали измеримых изменений Ic. Но у LM334 максимальный ток возбуждения составляет всего 10 мА, а во многих приложениях требуются гораздо более высокие токи.

В следующем разделе мы рассмотрим использование регулируемого регулятора напряжения LM317 в режиме источника постоянного тока.

См. Цепи постоянного тока LM317

Выше мы увеличиваем ток от LM317. См. LM317 Блок питания с регулируемым напряжением и током

.

Больше схем и теории CCS

Видео на You Tube

Прочие схемы

Домашняя страница Hobby Electronics и домашняя страница веб-мастера (за пределами сайта)

Базовый источник постоянного тока на МОП-транзисторах

Узнайте о простой версии схемы, которая необходима при разработке аналоговых интегральных схем.

Дополнительная информация

Что такое неуловимый источник тока?

Источники постоянного тока занимают видное место в упражнениях по анализу цепей и сетевых теоремах, затем они, кажется, более или менее исчезают. . . если вы не дизайнер микросхем. Хотя они редко встречаются в типовых конструкциях печатных плат, источники тока широко распространены в мире аналоговых ИС. Это связано с тем, что они используются 1) для смещения и 2) в качестве активных нагрузок.

1. Смещение:  Транзисторы, работающие в качестве линейных усилителей, должны быть смещены таким образом, чтобы они работали в нужной части своей передаточной характеристики.Наилучший способ сделать это в контексте проектирования ИС — заставить заданный ток протекать через сток транзистора (для полевых МОП-транзисторов) или коллектор (для биполярных транзисторов). Этот заданный ток должен быть стабильным и независимым от напряжения на компоненте источника тока. Конечно, никакая реальная схема никогда не будет абсолютно стабильной или совершенно невосприимчивой к изменениям напряжения, но, как это обычно бывает в технике, совершенство вовсе не обязательно.
2. Активные нагрузки:  В схемах усилителей вместо резисторов коллектора/стока могут использоваться источники тока.Эти «активные нагрузки» обеспечивают более высокий коэффициент усиления по напряжению и позволяют схеме нормально функционировать при более низком напряжении питания. Кроме того, технология производства ИС отдает предпочтение транзисторам, а не резисторам.

В этой статье я буду называть выход источника тока «током смещения» или I _BIAS , потому что я думаю, что приложение смещения является более простым средством для обдумывания основных функций этой схемы.

Цепь источника постоянного тока MOSFET

Вот базовый источник постоянного тока MOSFET:

Удивительно просто, на мой взгляд — два транзистора NMOS и резистор.Давайте посмотрим, как работает эта схема.

Как видите, сток Q ₁ закорочен на его вентиль. Это означает, что V _G = V _D и, следовательно, V _GD = 0 В. Итак, находится ли Q ₁ в отсечке, в области триода или в области насыщения? Он не может быть в отсечке, потому что, если бы ток не протекал через канал, напряжение затвора было бы равно V _DD , и, таким образом, V _GS было бы больше, чем пороговое напряжение V _TH (мы можем смело предположим, что V _DD выше, чем V _TH ).Это означает, что Q ₁ всегда будет находиться в состоянии насыщения (также называемом «активным» режимом), потому что V _GD = 0 В, и один из способов выражения условия насыщения MOSFET состоит в том, что V _GD должно быть меньше чем V _TH .

Если мы вспомним, что в затвор MOSFET не протекает установившийся ток, мы увидим, что опорный ток I _REF будет таким же, как ток стока Q ₁ . Мы можем настроить этот опорный ток, выбрав соответствующее значение для R _SET .2\]

На данный момент мы игнорируем модуляцию длины канала; следовательно, как показано в уравнении, ток стока не зависит от напряжения сток-исток. Теперь обратите внимание, что истоки обоих полевых транзисторов подключены к земле, а их затворы замкнуты накоротко — другими словами, оба имеют одинаковое напряжение между затвором и истоком. Таким образом, если предположить, что оба устройства имеют одинаковые размеры каналов, их токи стока будут равны, независимо от напряжения на стоке Q ₂ .Это напряжение обозначено как V _CS , что означает напряжение на компоненте c urrent- s source; это помогает напомнить нам, что Q ₂ , как и любой источник тока с хорошими характеристиками, генерирует ток смещения, на который не влияет напряжение на его выводах. Другими словами, Q ₂ имеет бесконечное выходное сопротивление:

В этих условиях через выходное сопротивление R _O никогда не протекает ток, даже когда V _CS очень велико.Это означает, что ток смещения всегда точно равен опорному току.

Обычное название этой схемы — «токовое зеркало». Вероятно, вы понимаете, почему — ток, генерируемый правым транзистором, отражает (т. е. подобен) опорному току, протекающему через левый транзистор. И это название особенно уместно, если учесть визуальную симметрию типичного схематического изображения.

Кстати, в старых ИС часто требовался внешний резистор для R _SET .Однако в настоящее время производители используют встроенные резисторы, которые были подогнаны для достижения достаточной точности.

Важность пребывания транзистора в состоянии насыщения

Первым серьезным нарушением идеализированного анализа этой схемы является тот факт, что все разваливается, когда транзистор не находится в состоянии насыщения. Если Q ₂ находится в триодном (линейном) районе, ток стока будет сильно зависеть от V _DS . Другими словами, у нас больше нет источника тока, поскольку на ток смещения влияет V _CS .Мы знаем, что напряжение затвор-сток Q ₂ должно быть меньше порогового напряжения, чтобы поддерживать насыщение.

Другой способ сказать это так: Q ₂ покинет область насыщения, когда напряжение стока станет V _TH вольт ниже напряжения затвора. Мы не можем указать точное число, потому что и напряжение затвора, и пороговое напряжение будут варьироваться от одной реализации к другой.

Разумным примером является следующий: напряжение затвора, необходимое для создания желаемого тока смещения, составляет около 0.9 В, а пороговое напряжение 0,6 В; это означает, что мы можем поддерживать насыщение до тех пор, пока V _CS остается выше ~0,3 В.

Модуляция длины канала

К сожалению, даже если наша общая конструкция схемы гарантирует, что Q ₂ всегда будет находиться в состоянии насыщения, наш источник тока на МОП-транзисторах не совсем идеален. Виновником является модуляция длины канала.

Суть области насыщения заключается в «отсеченном» канале, который существует, когда напряжение затвор-сток не превышает порогового напряжения.

Идея состоит в том, что ток стока становится независимым от V _DS после пережатия канала, потому что дальнейшее увеличение напряжения стока не влияет на форму канала. Однако в действительности увеличение V _DS приводит к смещению «точки отсечки» к истоку, и это позволяет напряжению стока оказывать небольшое влияние на ток стока, даже когда полевой транзистор находится в состоянии насыщения. Результат можно представить следующим образом:

I _BIAS теперь представляет собой сумму I _REF (определяется R _SET ) и I _ERROR (ток, протекающий через выходное сопротивление).I _ERROR подчиняется простому закону Ома: чем выше V _CS , тем больше I _ERROR и, следовательно, больше I _BIAS , и, таким образом, источник тока больше не зависит от напряжения на его клеммах.

Регулировка и управление

Эта удобная схема источника тока становится еще лучше, когда вы понимаете, насколько она гибкая. Сначала давайте рассмотрим настройку тока, генерируемого Q ₂ . До сих пор мы предполагали, что генерируемый ток такой же, как опорный ток, но это верно только тогда, когда транзисторы имеют одинаковое отношение ширины канала к длине канала.2\]

Ток стока прямо пропорционален отношению ширины к длине, поэтому мы можем увеличить или уменьшить I _BIAS , просто сделав отношение W/L Q ₂ выше или ниже, чем у Q ₁ . Например, если мы хотим, чтобы ток смещения был в два раза больше, чем опорный ток, все, что нам нужно сделать, это сохранить длину канала той же и увеличить ширину канала Q ₂ в два раза. (Это может показаться не таким простым, если вы привыкли работать с дискретными полевыми транзисторами, но указание размеров канала является стандартной практикой при проектировании ИС.)

Также довольно просто использовать эту схему для «управления током». Следующая диаграмма иллюстрирует концепцию управления током:

Это продуманное устройство позволяет нам генерировать несколько токов смещения из одного опорного тока. Более того, каждый из этих токов может быть разным — их можно индивидуально модифицировать, просто регулируя отношение ширины к длине.

Заключение

Мы рассмотрели работу и возможности базового источника постоянного тока на МОП-транзисторах, а также обсудили ограничения.Как следует из прилагательного «базовый», существуют схемы получше. Но базовая схема — хорошее место для начала, потому что двухтранзисторное токовое зеркало остается концептуальным ядром высокопроизводительных топологий.

Источник напряжения и источник тока — идеальное сравнение с практическим

Источник – это устройство, которое преобразует механическую, химическую, тепловую или другую форму энергии в электрическую. Типы источников, доступных в электрической сети, — это источник напряжения и источник тока .Источник напряжения используется для подачи напряжения на нагрузку, а источник тока используется для подачи тока.

Источник напряжения

Источник напряжения — это устройство, которое обеспечивает постоянное напряжение для нагрузки в любой момент времени и не зависит от потребляемого от него тока. Этот тип источника известен как идеальный источник напряжения. Практически невозможно создать идеальный источник напряжения. Он имеет нулевое внутреннее сопротивление. Обозначается этим символом.

Символ источника напряжения

Идеальный источник напряжения

График представляет изменение напряжения источника напряжения во времени.Он постоянен в любой момент времени.

Источники напряжения, которые имеют некоторое внутреннее сопротивление, известны как практические источники напряжения. Из-за этого внутреннего сопротивления происходит падение напряжения. Если внутреннее сопротивление высокое, на нагрузку будет подаваться меньшее напряжение, а если внутреннее сопротивление меньше, источник напряжения будет ближе к идеальному источнику напряжения. Таким образом, практический источник напряжения обозначается последовательным сопротивлением, которое представляет собой внутреннее сопротивление источника.

Практический источник напряжения

На графике представлена ​​зависимость напряжения источника напряжения от времени. Она не постоянна, но продолжает уменьшаться с течением времени.

Источник тока

Источник тока — это устройство, которое обеспечивает постоянный ток для нагрузки в любое время и не зависит от напряжения, подаваемого в цепь. Этот тип тока известен как идеальный источник тока; практически идеального источника тока также не существует. Обладает бесконечным сопротивлением.Обозначается этим символом.

Символ источника тока

Идеальный источник тока

График представляет изменение тока источника тока во времени. Он постоянен в любой момент времени.

Почему идеальный источник тока имеет бесконечное сопротивление?

Источник тока используется для питания нагрузки, поэтому нагрузка включается. Стараемся подавать 100% мощности в нагрузку. Для этого мы подключаем некоторое сопротивление для передачи 100% мощности в нагрузку, потому что ток всегда идет по пути наименьшего сопротивления.Итак, чтобы ток шел по пути наименьшего сопротивления, мы должны подключить сопротивление выше, чем нагрузка. Вот почему у нас есть идеальный источник тока с бесконечным внутренним сопротивлением. Это бесконечное сопротивление не повлияет на источники напряжения в цепи.

Практический Источник тока

Практически источники тока не имеют там бесконечного сопротивления, но имеют конечное внутреннее сопротивление. Таким образом, ток, подаваемый практическим источником тока, не является постоянным, а также в некоторой степени зависит от напряжения на нем.

Практический источник тока представлен как идеальный источник тока, соединенный параллельно с сопротивлением.

Практический Источник тока

График представляет ток источника тока в зависимости от времени. Она не постоянна, но также продолжает уменьшаться с течением времени.

Примеры источников тока и напряжения

Примерами источников тока являются солнечные элементы, транзисторы, а примерами некоторых источников напряжения являются батареи и генераторы переменного тока.

Все дело было в идеальных и практичных источниках энергии. Идеальные источники очень полезны для расчетов в теории, но поскольку идеальные источники практически невозможны, в практических схемах используются только практические источники. Батареи, которые мы используем, являются практичным источником энергии, и напряжение и сила тока уменьшаются по мере их использования. Таким образом, оба полезны для нас по-своему.

%PDF-1.4
%
187 0 объект
>
эндообъект

внешняя ссылка
187 77
0000000016 00000 н
0000002671 00000 н
0000003047 00000 н
0000003099 00000 н
0000003499 00000 н
0000003550 00000 н
0000003706 00000 н
0000003862 00000 н
0000004001 00000 н
0000004140 00000 н
0000005716 00000 н
0000005794 00000 н
0000006338 00000 н
0000006689 00000 н
0000007207 00000 н
0000007929 00000 н
0000008242 00000 н
0000008638 00000 н
0000008675 00000 н
0000009155 00000 н
0000009481 00000 н
0000014373 00000 н
0000016165 00000 н
0000016517 00000 н
0000016908 00000 н
0000017080 00000 н
0000017220 00000 н
0000018991 00000 н
0000019304 00000 н
0000019849 00000 н
0000019987 00000 н
0000020216 00000 н
0000021780 00000 н
0000022827 00000 н
0000024083 00000 н
0000025424 00000 н
0000026874 00000 н
0000034176 00000 н
0000034696 00000 н
0000035068 00000 н
0000035405 00000 н
0000039382 00000 н
0000039814 00000 н
0000040213 00000 н
0000040480 00000 н
0000040703 00000 н
0000041594 00000 н
0000042121 00000 н
0000042312 00000 н
0000043591 00000 н
0000045675 00000 н
0000055056 00000 н
0000057750 00000 н
0000057986 00000 н
0000058048 00000 н
0000058301 00000 н
0000058363 00000 н
0000058412 00000 н
0000058463 00000 н
0000058534 00000 н
0000058628 00000 н
0000058787 00000 н
0000058889 00000 н
0000058946 00000 н
0000059036 00000 н
0000059092 00000 н
0000059201 00000 н
0000059249 00000 н
0000059394 00000 н
0000059441 00000 н
0000059592 00000 н
0000059646 00000 н
0000059789 00000 н
0000059836 00000 н
0000059890 00000 н
0000002493 00000 н
0000001872 00000 н
трейлер
]>>
startxref
0
%%EOF

263 0 объект
>поток
xb«`f`\

Преобразование источника (напряжение в ток и ток в напряжение)

Что такое преобразование источника?

Преобразование электрического источника (или просто «преобразование источника») — это метод упрощения схем путем замены источника напряжения его эквивалентным источником тока или источника тока его эквивалентным источником напряжения. Исходные преобразования реализуются с использованием теоремы Тевенина и теоремы Нортона.

Преобразование источника — это метод, используемый для упрощения электрической цепи.

Мы проиллюстрируем, как это делается, на примере.

Возьмем простой источник напряжения и последовательно с ним подключенное сопротивление.

Это последовательное сопротивление обычно представляет собой внутреннее сопротивление практического источника напряжения.

Теперь давайте замкнем накоротко выходные клеммы цепи источника напряжения, как показано ниже,

Теперь, применив закон Кирхгофа для напряжения в приведенной выше цепи, мы получим,

Где I — ток, подаваемый источником напряжения, когда это короткое замыкание.

Теперь давайте возьмем источник тока того же тока I, который создает такое же напряжение холостого хода на своих разомкнутых клеммах, как показано ниже,

Теперь, применив закон Кирхгофа к узлу 1 вышеприведенной схемы, мы получим,

Из уравнений (i) и (ii) получаем,

Напряжение холостого хода обоих источников равно V, а ток короткого замыкания обоих источников равен I. Одно и то же сопротивление, соединенное последовательно в источнике напряжения, подключено параллельно в его эквивалентный источник тока.

Таким образом, эти источник напряжения и источник тока эквивалентны друг другу.

Источник тока представляет собой двойную форму источника напряжения, а источник напряжения представляет собой двойную форму источника тока.

Источник напряжения может быть преобразован в эквивалентный источник тока, а источник тока также может быть преобразован в эквивалентный источник напряжения.

Если вы предпочитаете видеообъяснение по преобразованию источника тока в напряжение, посмотрите видео ниже:

Преобразование источника напряжения в источник тока

Предположим, источник напряжения с напряжением на клеммах V и внутренним сопротивление р. Это сопротивление включено последовательно. Ток, подаваемый источником, равен:

при замыкании клемм источника.

Этот ток обеспечивается эквивалентным источником тока, и к источнику будет подключено такое же сопротивление r. Преобразование источника напряжения в источник тока показано на следующем рисунке.

Преобразование источника тока в источник напряжения

Аналогичным образом предположим источник тока со значением I и внутренним сопротивлением r.Теперь по закону Ома напряжение на источнике можно рассчитать как

Следовательно, напряжение на источнике при разомкнутых клеммах равно В.

Зависимые (управляемые) источники | Абсолютная книга по электронике

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем

Источники, которые пропорциональны другим токам или напряжениям в цепи. Мощный инструмент в анализе и дизайне.

7 минут чтения

Наше предыдущее обсуждение идеальных источников напряжения и тока рассматривало исключительно независимых источника , которые имели фиксированное заданное напряжение или ток независимо от того, что еще происходило в цепи.

В этом разделе мы теперь рассмотрим зависимых источника , значение напряжения или тока которых управляется некоторым значением напряжения или тока в другом месте схемы.

В частности, рассмотрим линейно зависимых источника , значение которых пропорционально их управляющему значению, связанному только некоторой масштабной константой.

Эти зависимые источники важно понимать, потому что с их помощью мы моделируем и анализируем более сложные компоненты, такие как транзисторы.Многие транзисторные ситуации можно смоделировать так, как если бы небольшой управляющий сигнал тока или напряжения на одном выводе может управлять гораздо большим током или напряжением на другом выводе.

Напряжение и ток — две основные переменные состояния в электронной системе. Так же, как существует два типа независимых источников (напряжение и ток), существует четыре основных типа зависимых источников: их выход может быть либо напряжением, либо током, а их вход может быть либо напряжением, либо током.

Каждый зависимый источник имеет две выходные клеммы, как и независимый источник.

Каждый зависимый источник также имеет две входные клеммы, хотя они не всегда отображаются явно. Для источников, управляемых напряжением, они действуют как измерение напряжения холостого хода параллельно с управляющим напряжением. Для источников с регулируемым током они действуют как измерение тока короткого замыкания последовательно с управляющим током.

VCVS — это источник напряжения, в котором напряжение регулируется напряжением в другом месте цепи.

Упражнение Щелкните цепь, нажмите «Симуляция», затем «Запустить развертку постоянным током».

Для элемента VCVS1 установлено усиление 10, поэтому создается уравнение:

VXY=10VABV(X)−V(Y)=10⋅(V(A)−V(B))

Как обсуждалось в «Системах уравнений» и «Решение систем схем», мы обычно пишем линейные системы со всеми мультипликативными членами в левой части и только с одной константой в правой части:

В(Х)−V(Y)−10⋅(V(A)−V(B))=0V(X)−V(Y)−10V(A)+10V(B)=0

Все наши линейные управляемые источники будут иметь нулевой член в правой части.

Схема в этом примере может быть решена путем проверки, поскольку между управляющей стороной и управляемой стороной схемы отсутствует обратная связь.

Поскольку на управляющие клеммы измерения VCVS1 ток не поступает, то V1, R1 и R2 образуют простой резистивный делитель напряжения с VA=12.
и ВБ=6
, поэтому VAB=6
.

Из-за соотношения VCVS источник будет выглядеть как напряжение 10 В АБ
, что в данном случае составляет всего 60. Отсюда мы можем напрямую решить правую часть: VY=5
и VXY=60
, поэтому VX=65
и ток i3=0.65 А
течет через резистор R3.

В других схемах будет взаимосвязь, которая усложнит решение системы, но когда нет обратной связи, системы с управляемыми источниками могут быть решены от входа до выхода.

На практике VCVS часто используется при моделировании операционных усилителей (операционных усилителей), а также может использоваться при моделировании цепочки сигналов напряжения в более широком смысле.

VCCS — это источник тока, в котором ток контролируется напряжением в другом месте цепи.

Упражнение Нажмите, чтобы смоделировать описанную выше схему.

Мы заменили нашу VCVS выше на VCCS с коэффициентом усиления 0,5, что означает, что на каждый 1 В
разницы напряжений на входных клеммах источник тока будет иметь ток 0,5 А
в направлении стрелки, как нарисовано. Это ток ветви i2
как помечено. (Обзор см. в разделе Маркировка напряжений, токов и узлов.)

i2=0,5VABi2=0,5⋅(V(A)−V(B))

Или собираем термины в левой части:

i2−0.5В(А)+0,5В(В)=0

Опять же, эта схема не имеет обратной связи и ее достаточно просто решить путем проверки. ВАБ=6
как и прежде, так что i2=3
. Чтобы сопоставить ток нашего резистора с маркировкой i3
мы просто должны заметить, что i3=−i2
, так что i3=−3 A
.

Если бы нас также интересовали напряжения в узлах, мы бы просто использовали закон Ома для резистора R3 и увидели, что VX=−300
, тогда как остается верным, что VY=5
из-за источника напряжения V2.

На практике VCCS часто используется при моделировании полевых МОП-транзисторов или других транзисторов на основе эффекта напряжения.

CCVS — это источник напряжения, в котором напряжение контролируется током в другом месте цепи. Здесь мы указали коэффициент усиления 100 и управляющий ток R1.nA, что означает ток на выводе nA резистора R1:

Упражнение Нажмите на схему, нажмите «Симуляция» и «Запустить развертку постоянным током».

VXY=100⋅I(R1.nA)V(X)−V(Y)=100i1V(X)−V(Y)−100i1=0

Опять же, без обратной связи, общий ток в левой части равен i1=121000+1000=0.006
, поэтому источник будет VXY=0,6
. Таким образом, общее напряжение VX=5,6
, поэтому i3=0,056
.

В CircuitLab необходимо указать интересующий терминальный ток. Обзор того, как указывать токи ветвей и токи терминалов, см. в разделе Маркировка напряжений, токов и узлов.

CCVS — это источник тока, в котором ток контролируется другим током в другом месте цепи: здесь мы определили коэффициент усиления 0,5 и снова используем тот же управляющий ток клеммы R1.нА.

Упражнение Нажмите на схему, нажмите «Симуляция» и «Запустить развертку постоянным током».

i2=0,5i1i2−0,5i1=0

При отсутствии обратной связи общий управляющий ток не изменился i1=0,006
, поэтому источник будет i2=0,003
. Мы можем сопоставить i3=−i2=−0,003
. Отсюда напряжение VX=-0,3
.

На практике CCCS часто используется при моделировании транзисторов с биполярным переходом (BJT) или других транзисторов на основе тока.

Хотя мы можем использовать специальные символы для рисования контролируемых источников, мы также можем использовать особую способность всех источников напряжения и тока CircuitLab для опорных величин в других частях схемы.Например, вместо того, чтобы использовать специальный символ VCVS и подключать его, как показано выше, мы можем вместо этого использовать обычный источник напряжения и записать выражение «10*(В(А) — В(В))» в качестве значения. Это будет иметь тот же эффект:

Упражнение. Вы можете щелкнуть здесь и запустить симуляцию и обнаружить, что она работает идентично схеме VCVS, нарисованной выше.

Точно так же, чтобы сослаться на ток, мы можем просто использовать обозначение I(R1.nA), например, установив значение источника тока на «0,5*I(R1.нА)”:

Упражнение Нажмите и смоделируйте, чтобы увидеть, что это работает идентично схеме CCCS, нарисованной выше.

Этот подход к поведенческим выражениям позволяет создавать гораздо более сложные поведения компонентов, как мы увидим в следующих разделах.

На этой схеме показана VCCS, подключенная сама к себе, где собственное напряжение определяет ее ток. Как бы запутанно это ни звучало, именно это и делает резистор:

.

Упражнение Щелкните цепь и запустите моделирование постоянного тока и развертки постоянного тока, чтобы увидеть, что VCCS1 ведет себя так же, как 100 Ом.
резистор.

Компонент VCCS1 подчиняется следующему уравнению:

i1=0,01⋅ВБ

Идентичен резистору, VB=100⋅i1
.

Аналогично, та же ситуация может быть построена с использованием поведенческого источника тока, где специальная функция V()
что относится к собственной разности напряжений источника. Здесь мы заменяем VCCS1 на источник тока I1 с заданным током 0,01⋅В().
.

Упражнение Щелкните и запустите эту схему, чтобы увидеть, что I1 также действует как резистор.

Мы можем сделать то же самое с самоподключенной системой CCVS:

Упражнение Нажмите, чтобы смоделировать описанную выше схему.

Здесь компонент CCVS1 обращается к собственному току для определения своего напряжения.

И мы можем сделать то же самое, используя поведенческий источник напряжения, используя специальную функцию I()
для обозначения собственного тока элемента.

Упражнение Нажмите, чтобы смоделировать описанную выше схему.

Здесь мы только что показали четыре новых способа реализации резистора! Основная идея здесь заключается в том, что с точки зрения анализа цепей резисторы — это всего лишь особый случай, когда соотношение между напряжением и током оказывается на одном элементе схемы.В общем, управляемые источники допускают существование взаимосвязей между различными токами и напряжениями, не требуя, чтобы они были связаны с одним и тем же элементом, и они могут быть выражены либо с помощью четырех элементов источника VCVS/VCCS/CCVS/CCCS, либо с помощью тока или напряжения. источники, определенные с поведенческими выражениями.

В следующем разделе, Обратная связь зависимого источника, мы рассмотрим, что происходит, когда вход и выход зависимого источника взаимодействуют друг с другом.

Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2021, Ultimateelectronicsbook.com. Доступ . (Авторское право © 2021 CircuitLab, Inc.)

Источники напряжения и тока — Учебные пособия

Каждая схема имеет источник питания, иначе она мало что даст. Хотя фактический источник питания может сильно различаться, все они соответствуют двум общим названиям «источник напряжения» или «источник тока». Любой источник, от удара молнии до USB-порта, можно смоделировать как одну из этих двух вещей.Таким образом, они будут найдены почти в каждой цепи, с которой вы столкнетесь.

Источники напряжения

Схематические обозначения источников напряжения

Источником напряжения является все, что создает постоянную разницу напряжений между двумя его выходами. Как правило, вы предполагаете, что одна сторона заземлена или обеспечивает опорный уровень напряжения. Другая сторона поддерживается при номинальном напряжении, каким бы оно ни было. Идеальный источник напряжения будет источником любого тока, необходимого для поддержания разности напряжений, к которой вы стремитесь.При работе с источником напряжения важно никогда не замыкать его накоротко, поскольку он будет обеспечивать столько тока, сколько возможно для поддержания этой разницы напряжений.

Давайте посмотрим на закон Ома.

Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе прямо пропорционально току, протекающему через резистор.

Мы видим, что ток представляет собой превышение напряжения над сопротивлением. Если сопротивление стремится к нулю, ток соответственно становится бесконечным. В большинстве случаев это не идеальная ситуация.Хотя реальные источники напряжения, такие как батареи, не будут создавать бесконечный ток, они будут производить столько, сколько могут, что может вызвать ожоги или небольшие взрывы и, скорее всего, разрушить саму цепь.

Связь сопротивления и тока

Источники напряжения встречаются гораздо чаще, чем источники тока. Откровенно говоря, почти все, о чем вы думаете, будет источником напряжения. Батареи, блоки питания постоянного тока, электрические розетки, USB-порт вашего компьютера и даже такие вещи, как солнечные батареи, являются источниками напряжения.Хотя все они являются источниками напряжения, у них есть свои уникальные особенности работы с ними.

Различные источники напряжения — аккумуляторы, источники питания постоянного тока, электрические розетки, USB-порты и т. д.

Источники тока

Схематические обозначения источников тока

Хотя источники тока не так распространены среди большинства людей, они играют важную роль в полупроводниковой технике. схемы с такими вещами, как современные зеркала, и даже используются в драйверах светодиодов и зарядных устройствах. Источники тока изменяют свое напряжение, чтобы соответствовать конструктивным требованиям к току, необходимому для цепи. У них прямо противоположная проблема безопасности источников напряжения.

Давайте еще раз посмотрим на закон Ома, но в другом виде.

Перестроенная формула закона Ома.

В этой форме вы можете видеть, что если сопротивление стремится к нулю, а ток остается постоянным, то напряжение также стремится к нулю. Однако, если сопротивление стремится к бесконечности, разомкнутая цепь, то и напряжение будет стремиться к бесконечности. Опять же, это проблема. По сути, простое отсутствие соединения двух половин схемы создает опасное напряжение.Хотя реальные источники тока не достигают бесконечного напряжения, это все же опасная или разрушительная ситуация.

Соотношение сопротивления и напряжения

Для источников напряжения и тока, с хорошей схемой (и, как следствие, более высокой ценой), эти опасные ситуации контролируются. Тем не менее, если вы проектируете схему, вам нужно убедиться, что у вас есть что-то, что предотвратит такие ситуации.

Источник напряжения переменного тока

Источники напряжения переменного тока подчиняются всем тем же правилам, что и источники постоянного напряжения, и, поскольку они чрезвычайно распространены, для их представления существуют общепринятые обозначения.

Источник постоянного напряжения 5 В и источник переменного напряжения 120 В с частотой 60 Гц.

Символ и обозначения показывают, что источник напряжения справа является переменным (с изогнутой линией) и имеет пиковое напряжение 120 вольт. В нем прямо указано, что он чередуется с частотой 60 Гц, что является предположением в США, если не указано иное. Также предполагается, что источник напряжения является синусоидой, что всегда имеет место, если не указано иное. Точно так же, как этот источник постоянного напряжения будет обеспечивать любой ток, необходимый для поддержания 5 вольт, источник переменного напряжения будет обеспечивать любой ток, необходимый для поддержания напряжения *в данный момент*.

Время в схемах

Если вы думаете об определенных ситуациях, таких как молния, искры (миниатюрная молния!), размыкание/замыкание переключателя, вас может смутить мысль, что это создает «постоянный перепад напряжения». так как напряжение меняется быстро и часто. Это также зависит от времени, в то время как мы просто предполагаем устойчивое состояние со всем остальным, на что мы смотрели. Есть способы справиться и с этим.

Функция единичного шага показывает, как ведет себя переключатель (ВЫКЛ./ВКЛ.).

Для пошаговых функций, таких как размыкание или замыкание переключателя, вся необходимая информация записывается на схеме рядом с источником напряжения, представляющим этот переключатель. Затем вы используете постоянные времени и дифференциальные уравнения, чтобы увидеть, как напряжение изменяется во времени. Это может стать математически сложным, но мы не собираемся объяснять, как это работает, просто то, что это происходит.

Импульсы, что-то для представления молнии и искр, вы можете моделировать их несколькими различными способами, и обычно в модели также используются конденсаторы.Это, может быть, только меня удивляет, довольно обширная область исследования. В основном благодаря инженерам, которые посвящают свою жизнь тому, чтобы сделать электронику более устойчивой к статическим разрядам.

Идеальные и реальные источники питания

До сих пор мы предполагали, что эти источники являются идеальными источниками питания как для источников напряжения, так и для источников тока, и просто хотим уточнить, что мы обычно предполагаем, что наши источники идеальны или «идеально», когда мы запускаем симуляции или выполняем расчеты.Это значительно улучшает жизнь и, как правило, довольно близко к реальности. Это означает, что они могут получать столько тока или напряжения, сколько необходимо для выполнения их работы, и не имеют встроенных емкостей, сопротивлений или индуктивностей. Но мы должны заявить следующее: у реальных источников энергии есть ограничения и нежелательные импедансы, и они могут быть невероятно важными. Но, опять же, мы также очень часто можем игнорировать их.

Резюме

Если вам нужна дополнительная информация о зависимых источниках напряжения и тока, у нас есть еще одно обновление по этой теме в рамках серии учебных пособий «Схемы 1».