Источники тока примеры: Электрический ток и его источники – таблица, роль и определение

Физика 8 класс. Источники электрического тока :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Источник тока — это устройство,

в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа

по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц,

которые накапливаются на полюсах

источника.
Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

— механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях.

В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются

заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока

— внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Например, термоэлемент — две проволоки

из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть

место спая, тогда между другими концами этих проволок появится

напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока

— энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия

превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные

батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах,

видеокамерах.

Химический источник тока

— в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется

в электрическую.

Например, гальванический элемент —

в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен

в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем.

В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря.

При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный

заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным

стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком

источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый

сосуд — отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного

питания.
Аккумуляторы — в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника

тока на электрической схеме

или батареи, состоящей

из нескольких источников

Устали? — Отдыхаем!

2.

Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Электрическое поле создают источники электрического тока.

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

Существуют различные виды источников тока:

• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

Рис. \(1\). Электрофорная машина

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Рис. \(2\). Тепловой источник тока

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию.  Сюда относится фотоэлемент.

Рис. \(3\). Световой источник тока

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

• Химический источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую в результате протекающих химических реакций.
Примером такого источника является гальванический элемент. 

Рис. \(4\). Химический источник тока

Угольный стержень У (с металлической крышкой М) помещают в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С, а затем  в цинковый сосуд Ц. Оставшееся пространство заполняют желеобразным раствором соли Р. При протекании химической реакции цинк заряжается отрицательно (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно (положительный электрод). Между заряженным угольным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Рис. \(5\). Батарея гальванических элементов

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

Рис. \(6\). Аккумуляторы

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В металлогидридных аккумуляторах отрицательный электрод состоит из порошкообразного железа, а положительный из гидроокиси никеля с добавками графита и окиси бария. Электролитом служит раствор едкого калия с добавками моногидрата лития. 
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие.

Элементы электрической цепи:

• источник напряжения;
• потребители: резисторы, лампы, реостат…
• измерительные приборы: вольтметр, амперметр, ваттметр, омметр;
• соединительные провода;
• ключи для размыкания и переключения цепи.

Для поддержания электрического тока в цепи необходимы источники электрической энергии: источники электрического тока, источники электрического напряжения.

Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением.

Источник электрического тока — двухполюсник, создающий ток постоянного значения, не зависящего от значения сопротивления на подключенной нагрузке. Внутреннее сопротивление такого источника приближается к бесконечности.

Необходимое условие существования тока  — замкнутая цепь! Это означает, что все элементы цепи должны быть проводниками электричества и в цепи не должно быть разрывов. В случае размыкания цепи ток прекращает течь. Именно размыкание цепи и лежит в основе работы всех реле, кнопок и выключателей.

Порядок сборки электрической цепи указывается на специальном чертеже, который принято называть схемой.

Рис. \(7\). Схема 

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

Таблица 1. Некоторые приборы и их обозначения

Источники:

Рис. 2. Тепловой источник тока. © ЯКласс.
Рис. 3. Световой источник тока. © ЯКласс.
Рис. 4. Химический источник тока. © ЯКласс.
Рис. 5. Батарея гальванических элементов. © ЯКласс.

http://www.fizika.ru/kniga/index.php?mode=paragraf&theme=09&id=9010
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba06a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_8.swf

2.06. Транзисторный источник тока

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Рис. 2.20.

Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20. При условии что R_н » R (иными словами, U_н » U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U/R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что U_конд » U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RC-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока который бы обеспечивал точность 1% в диапазоне изменения напряжения на нагрузке от 0 до +10 В. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?

Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?

Рис. 2.21. Транзисторный источник тока: основная идея.

Какая мощность передается нагрузке? Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21). Работает он следующим образом: напряжение на базе U_б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U_э = U_б — 0,6 В. В связи с этим I_э = U_э/R_э = (U_э — 0,6/R_э. Так как для больших значений коэффициента h_21эI_э ≈ I_к, то I_к ≅ (U_б — 0,6 В)/R_э независимо от напряжения U_к до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (U_к > U_э + 0. 2 В).

Смешение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h_21эR_э. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания U_кк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22,6) транзистор p-n-p — типа питает током заземленную нагрузку (он — источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n-р-n — типа.) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую-либо точку схемы, то это источник, и наоборот]. В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ≅100кОм (для h_21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, — этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно + 5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем. чтобы не возник пробой транзистора (напряжение U_кэ не должно превышать значение U_кэпроб — напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения I_кU_кэ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n-р-n — типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения U_б, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала u_вх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения, т.е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (R_экв

1. При заданном токе коллектора и напряжение U_бэ, и коэффициент h_21э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмиттер. Изменение напряжения U_бэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента h_21э приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как I_к = I_э — I_б; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смешения, обусловленного изменениями коэффициента h_21э (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.22, a, составляет приблизительно 0,5% для транзистора типа 2N3565. В частности, при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В эффект Эрли обусловливает изменение тока на 0,5%, а нагрев транзистора — на 0,2%. Изменение коэффициента вносит дополнительный вклад в изменение выходного тока — 0,05% (для жесткого делителя напряжения). Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.

2. Напряжение U_бэ и коэффициент h_21э зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения и U_бэ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.23. В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т₂ компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т₁ который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R₃ играет роль нагрузки для Т₁, необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т₂.

Рис. 2.23. Один из методов температурной компенсации источника тока.

Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения U_бэ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения U_бэ (эффект Эрли оценивается величиной ΔU_бэ ≈ -0,001 ΔU_кэ), можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения U_бэ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если U_э = 0,1В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения U_бэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же U_э = 1,0 В, то такое же изменение U_бэ вызывает изменение тока на 1%. Однако, не стоит заходить слишком далеко. Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от U_э + 0,2 В до U_кк, т. е. от 5,2 до 10 В).

Рис. 2.24. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

На рис. 2.24 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока. Источник тока Т₁ работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т₂. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т₂) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения h_21э). В этой схеме напряжение U_кэ (дая Т₁) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения U_бэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. (Кстати, эту схему используют в высокочастотных усилителях, где она известна под названием «каскод»). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь, и в которых также решена задача устранения влияния изменений U_бэ на выходной ток.

Влияние коэффициента h_21э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h_21э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

Рис. 2.25. Транзисторный источник тока с использованием напряжения U_бэ в качестве опорного.

На рис 2.25 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение U_бэ транзистора Т₁, падая на резисторе R₁, определяет выходной ток независимо от напряжения U_кк

U_вых = U_бэ/R2U₂.

С помощью резистора R₁ устанавливается смещение транзистора Т₂ и потенциал коллектора Т₁, причем этот потенциал меньше, чем напряжение U_кк, на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на R₂ уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока 0,3%/°С).

Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем

Источники и проводники

Источник, приемники и проводники

Подробности

Категория: Электротехника

Источники, приёмники и проводники электрической энергии

Электрическая энергия — самый дешевый и удобный вид энергии. Она широко используется в народном хозяйстве и в быту. Производство и потребление электрической энергии  растет с каждым годом.

Для работы подавляющего большинства современных промышленных машин, аппаратов, приборов и бытовых устройств необходим источник электрической энергии (источник тока). Источником тока может быть генератор на электростанции, батарея гальванических элементов, аккумулятор.

   
 

Электрическая энергия, вырабатываемая источником, принимается потребителем (приемником) электроэнергии. Потребители электроэнергии — это и лампочка в фонаре, и двигатель в электрокаре и в станке, и электрический звонок, и электрический утюг, и многие другие устройства. В них электрическая энергия преобразуется в свет, звук, тепло, механическое движение.   

Для передачи электрической энергии от источника тока к потребителю нужны проводники. Хорошими проводниками являются металлы.

Материалы, не проводящие ток, называются изоляторами. К ним относятся пластмасса, стекло, фарфор, резина, сухая древесина, сухой воздух и др.

Электрическую энергию  можно получать по-разному. Существуют электростанции, которые вырабатывают электричество, сжигая топливо; электроэнергию получают используя силу ветра, приливных течений, а также – энергию солнца.

Ниже представлена схема, в которой наглядно показано, как происходит получение, передача, распределение и использование электрической энергии.   

                  Схема распределения электроэнергии потребителям 

Источники Тока Химические коды ТН ВЭД (2020): 9503007000, 9503007500, 9503004100

“Электрический ток.

Источники электрического тока. Электрическая цепь и ее составные части”

Тема
урока: “Электрический ток. Источники электрического тока. Электрическая цепь и
ее составные части”

Электрический ток – упорядоченное (направленное)
движение заряженных частиц.

Источник тока — любое устройство, обеспечивающее
длительное движение носителей тока в проводниках.

Показ роли физического эксперимента и физической
теории в изучении физических явлений.

План урока:

1.      Организационный момент (1 мин.).

2.      Актуализация знаний (5мин.).

3.      Передача учащимся новых знаний (23 мин.).

4.      Организация многократного выполнения
деятельности учащимися, указанной в цели по развитию(8 мин.).

5.      Контроль. (3мин)

Ход урока

1. Организационный момент.

Учитель: Здравствуйте, ребята! Запишем тему
сегодняшнего урока:

“Электрический ток в металлах. Действие электрического
тока”.

Также запишите домашнее задание: параграфы 32, 33.

2. Актуализация знаний.

Учитель: Сейчас мы с вами даже представить не можем
свою жизнь без телевизора, компьютера и других бытовых приборов, вывески
магазинов горят разноцветными огнями. Ведь раньше для освещения помещений
использовали свечи, керосиновые лампы, а сейчас мы с вами находимся в классе,
который освещен электрическими лампами. Вы наверняка знаете, что электрический
ток подводят к потребителю от электростанции по проводам. Поэтому, когда в
домах неожиданно гаснут электрические лампы или прекращается движение
троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток.

Получается, что электрический ток свободно “гуляет” по
проводам, “заходит” к нам в гости, чтобы осветить наш дом.

Может кто-то из вас знает, что такое электрический
ток?

Ученики делают предположения.

Учитель: Давайте попробуем вместе разобраться, что
такое электрический ток

3. Передача учащимся новых знаний.

Мы уже знаем, что в телах имеются электроны.

Если внести проводник в электрическое поле, что
произойдет с электронами под действием сил поля?

Ученики: Электроны придут в движение под действием сил
поля.

Учитель: Электрическими зарядами могут обладать и
более крупные частицы вещества – ионы. Значит, в проводниках могут перемещаться
различные заряженные частицы.

Теперь подумайте и скажите, что такое электрический
ток?

Ученики делают предположения.

Учитель: Давайте запишем точное определение:
электрический ток – упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Что необходимо для возникновения в проводнике
электрического тока?

Ученики: Чтобы получить электрический ток в
проводнике, надо создать в нем электрическое поле.

Учитель: Как сохранить электрический ток в проводнике
длительное время?

Ученики: Необходимо все это время поддерживать в нем
электрическое поле.

Учитель: При помощи чего можно поддерживать
электрическое поле в проводнике

Ученики делают предположения.

Учитель: Электрическое поле в проводнике создается и
может длительное время поддерживаться источниками электрического тока.
Источники тока

бывают различные. Может, вы сможете привести примеры
или придумать свою модель источников электрического тока?

Ученики придумывают свою модель, затем выходят и
рисуют её на доске.

Учитель: Ваши модели очень интересные.

Запишем определение: Источник тока — любое устройство,
обеспечивающее длительное движение носителей тока в проводниках.

Давайте посмотрим на примеры источников электрического
тока.

Учитель демонстрирует электрофорную машину, источник
тока и презентацию “Источники электрического тока”.

Учитель: Во всех источниках электрического тока
совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц.
Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Так называются
места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один
полюс источника тока заряжается положительно, другой отрицательно. Если полюсы
источников соединить проводником, то под действием электрического поля
свободные заряженные частицы в проводнике начнут двигаться в определенном
направлении, возникает электрический ток.

Мы уже много говорим об источниках тока и потребителях
(лампы, плитки, всевозможные электробытовые приборы). Доставляют электрическую
энергию к потребителю (приемнику) по проводам. Что применяют для включения и
выключения приемников электрической энергии в нужное нам время.

Ученики: Кнопки включатели.

Учитель: Правильно. Ключи, рубильники, кнопки
включатели называют замыкающими, размыкающими устройствами.

Источник тока, приемники, замыкающие устройства, соединенные
между собой проводами, составляют простейшую электрическую цепь. Чтобы в цепи
был ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять только из проводников
электричества.

Если в каком-нибудь месте провод оборвется, можно ли
считать цепь замкнутой?

Ученики: Нет, цепь будет разомкнутой.

Учитель: Верно.

Электрическую цепь для удобства можно изображать в
виде схемы

Давайте, попробуем придумать, как их изображать на
схемах источник тока(гальванический элемент), лампочку, ключ, провода, т. е.
придумать условные обозначения. Можно попробовать сразу зарисовать
электрическую цепь, используя придуманные обозначения.

Ученики выполняют задание, затем выходят к доске и
зарисовывают свои схемы.

Учитель: Молодцы. Давайте теперь зарисуем принятые
условные обозначения, применяемые на схемах, которыми мы будем пользоваться.

Учитель: Чертежи, на которых изображены способы
соединения электрических приборов в цепь, называют схемами. Давайте рассмотрим
некоторые схемы.

Учитель демонстрирует презентацию “Схемы электрических
цепей”.

4. Организация многократного выполнения деятельности
учащимися, указанной в цели по развитию.

1. Убедитесь, что источник тока — любое устройство,
обеспечивающее длительное движение носителей тока в проводниках. Для этого
соберите цепь, состоящую из источника тока, ключа и лампочки.

2. Начертите схему цепи, содержащей один
гальванический элемент и два звонка, каждый из которых можно включать отдельно.

3. Начертите схему цепи, содержащей один
гальванический элемент, резистор, ключ, лампочку.

4. Начертите схему цепи, содержащей батарею элементов
и аккумуляторов, два звонка, лампочку, каждые из которых можно включать
отдельно.

5. Убедите своих одноклассников, что на рисунках
представлены электрические цепи и опишите, из каких элементов она состоит.

Используется презентация “ Различные схемы
электрических цепей”.

5. Контроль.

1. Продолжите фразу: Упорядоченное (направленное)
движение заряженных частиц — ……………..

2. Продолжите фразу: Любое устройство, обеспечивающее
длительное движение носителей тока в проводниках — …………..

3. Опишите, из каких элементов состоит электрическая
цепь, представленная на рисунке. Используются различные схемы электрических
цепей (рисунки, которые выводятся на компьютер).

Учитель: Спасибо за урок. До свидания!

Какие есть источники постоянного тока

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Постоянный ток — это такой ток, который почти (поскольку ничего идеального в мире нет) не изменяется во времени, ни по величине, ни по направлению. Исторически первые источники постоянного тока были исключительно химическими. Сначала они были представлены только гальваническими элементами, а позже появились и аккумуляторы.

Гальванические элементы и аккумуляторы имеют строго определенную полярность, и направление тока в них самопроизвольно не изменяется, поэтому химические источники тока — это принципиально источники постоянного тока.

Гальванический элемент

Пальчиковая батарейка АА — яркий пример современного гальванического элемента. Цилиндрическая щелочная батарейка ( которую любят называть алкалиновой, тогда как слово «alkaline» переводится как «щелочная») содержит внутри раствор гидроксида калия в качестве электролита. На положительном полюсе батарейки находится диоксид марганца, а на отрицательном — цинк в виде порошка.

Когда внешняя цепь батарейки замыкается на нагрузку, на аноде (отрицательном полюсе) происходит химическая реакция окисления цинка, одновременно с этим на катоде (положительном полюсе) идет реакция восстановления оксида марганца четырехвалентного до оксида марганца трехвалентного.

В результате с отрицательного полюса электроны бегут в сторону положительного полюса через внешнюю цепь нагрузки. Так работает источник постоянного тока — гальванический элемент.

Химический процесс в гальваническом элементе не обратим, то есть пытаться заряжать его бесполезно. Напряжение между полюсами новой пальчиковой батарейки 1,5 вольта, что обусловлено потенциалами веществ, участвующих в химической реакции внутри нее.

Аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор, в отличие от батарейки, можно после разрядки снова заряжать, поскольку химический процесс в нем обратим. С виду аккумулятор работает как батарейка, то есть тоже дает в цепь нагрузки принципиально только постоянный ток, но емкость у аккумулятора обычно больше чем у батарейки примерно такого же размера.

В ходе разрядки литиевого аккумулятора, химическая реакция на аноде (отрицательном электроде) состоит в отделении лития от углерода и его переходе в состав соли на катоде (положительном электроде). А при зарядке ионы лития вновь переходят к углероду на аноде.

Разность потенциалов между полюсами литий-ионного аккумулятора может доходить до 4,2 вольт. Максимальный ток зависит от площади взаимодействия электродов внутри аккумулятора с электролитом и соответственно друг с другом.

Генератор

В промышленных масштабах постоянный ток получают при помощи генераторов постоянного тока. Как правило, на статоре такой машины расположены неподвижные магниты либо электромагниты, наводящие во вращающихся контурах ЭДС по закону электромагнитной индукции.

Вращающиеся контуры соединены каждый с контактными пластинами щеточно-коллекторного узла, через которые посредством неподвижных щеток и снимается в цепь нагрузки генерируемый ток. Поскольку контуры контактируют с положительной и отрицательной щетками только при прохождении мимо определенных магнитных полюсов статора, ток во внешней цепи получается выпрямленным переменным, то есть пульсирующим постоянным.

Величина тока зависит от сечения проводов, индукции магнитного поля статора и площади статора. Величина напряжения — от скорости вращения ротора генератора и от индукции магнитного поля статора.

Солнечный элемент

Солнечные батареи также дают постоянный ток. Фотоны солнечного света попадая на фотоэлемент вызывают движение положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных электронов через p-n-переход, и во внешней цепи получается таким образом постоянный ток.

Чем больше совокупная площадь фотоэлементов — тем больше электронов и дырок участвуют в образовании тока, тем больший ток можно получить от солнечной батареи. Генерируемое напряжение солнечной батареи зависит от интенсивности солнечного света и от количества соединенных последовательно фотоэлементов, входящих в конструкцию солнечной батареи.

Трансформатор с выпрямителем

Раньше в электронной аппаратуре для получения постоянного тока, при питании от бытовой сети переменного тока, сплошь и рядом использовались блоки питания с трансформаторами на железе. Переменное сетевое напряжение понижалось при помощи трансформатора, а затем выпрямлялось при помощи лампового или диодного выпрямителя.

После выпрямителя в такой схеме всегда стоит фильтр, состоящий как минимум из конденсатора, а в лучшем случае — из конденсатора и дросселя, да еще и транзисторного стабилизатора напряжения, особенно если источник тока должен быть регулируемым.

Напряжение на выходе такого блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки трансформатора, а максимальная величина тока — от номинальной мощности трансформатора.

Импульсный блок питания

Сегодня в радиоэлектронной аппаратуре для получения постоянного тока почти не используют блоки питания с низкочастотными трансформаторами на железе, на замену им пришли импульсные блоки питания. В них выпрямленное сетевое напряжение сначала понижается при помощи высокочастотного трансформатора и транзисторных ключей, а затем выпрямляется. Ток направляется через фильтр в конденсатор фильтра.

Конструкция импульсного блока питания получается гораздо меньше размером, чем с трансформатором на железе. Но шумов в выходном токе больше. Поэтому особое внимание при конструировании импульсных блоков питания уделяют фильтрации тока на выходе к нагрузке.

Напряжение на выходе импульсного блока питания зависит от устройства электронной схемы, а максимальный ток — от размера высокочастотного трансформатора и качества находящихся на схеме радиоэлектронных компонентов.

Конденсатор и ионистор

Источником постоянного электрического тока можно назвать в определенном смысле электрический конденсатор. Конденсатор накапливает электрическую энергию в форме постоянного электрического поля между своими обкладками, а затем может отдавать эту энергию в форме постоянного тока или импульсного разряда. И то и другое по сути — постоянный ток, отличающийся лишь длительностью проявления.

Но электролитические конденсаторы сегодня выпускаются на огромные емкости в тысячи и более микрофарад. Особая разновидность конденсатора — ионистор (суперконденсатор) — он занимает промежуточное место между аккумулятором и конденсатором.

Химические процессы в ионисторе протекают практически с такой же скоростью как в конденсаторе, но в отличие от аккумулятора, ионистор обладает меньшим внутренним сопротивлением, что позволяет получать от ионисторов большие постоянные токи на протяжении более длительного времени. Чем больше емкость конденсатора — тем больший по величине и более продолжительный ток можно получить с его помощью.

Ранее ЭлектроВести писали, что встреча глав США и СССР в 1985 году подарила миру один из самых амбициозных технологических проектов: экспериментальный термоядерный реактор ITER («путь»). В Провансе, на юге Франции, тысячи ученых и строителей готовят комплекс для научных экспериментов, способных открыть человечеству дорогу к термоядерным электростанциям будущего.

По материалам: electrik.info.

Пример источника напряжения и тока, свойства, отличие

Эй, в этой статье мы собираемся обсудить источник тока и источник напряжения. Источники напряжения и тока — это тип источников электроэнергии для управления электрической нагрузкой. Источники электрической энергии являются активными устройствами и могут быть зависимыми или независимыми. Итак, здесь мы обсудим пример источника тока и напряжения, свойства, типы и разницу между ними. Помните, что концепции источника напряжения и тока отличаются как с практической, так и с идеальной точек зрения.Хотя в реальном мире нет идеальных источников, мы должны обсудить это для лучшего понимания.

Что такое источник напряжения?

Идеальный источник напряжения – это источник электроэнергии, который всегда обеспечивает или поддерживает постоянный уровень напряжения независимо от отдаваемого им тока. Хотя идеального источника не существует, а практические источники напряжения никогда не поддерживают точно постоянный уровень напряжения. В идеальном источнике напряжения нет концепции короткого замыкания.Потому что в случае короткого замыкания напряжение на источнике напряжения будет равно нулю, что не поддерживает определение идеального источника напряжения.

Возможны различные типы источников напряжения, такие как идеальные источники напряжения, практические источники напряжения, зависимые источники напряжения, независимые источники напряжения, управляемые источники напряжения.

Свойства источника напряжения

1. Идеальный источник напряжения всегда обеспечивает постоянное напряжение независимо от потребляемого от него тока.

2. Идеальное напряжение имеет нулевое внутреннее сопротивление, но в реальном мире не существует идеального источника напряжения, поэтому практический источник напряжения имеет некоторое сопротивление, но оно очень низкое по сравнению с сопротивлением нагрузки.

3. В практическом источнике напряжения напряжение на клеммах всегда ниже фактического напряжения, генерируемого источником, из-за его внутреннего сопротивления.

4. В практическом источнике напряжения уровень напряжения меняется в зависимости от отдаваемого им тока.

5. Поскольку источник напряжения всегда обеспечивает постоянное напряжение, то потребляемый от источника ток зависит от внешней цепи или нагрузки, и любой ток может потребляться от источника напряжения.

6. Падение напряжения зависит от тока, потребляемого нагрузкой, и сопротивления нагрузки или сопротивления компонентов цепи.

Пример источника напряжения

Некоторые примеров источника напряжения : батарея (источник постоянного тока), генератор переменного тока (источник переменного тока), генератор постоянного тока (источник постоянного тока)

Что такое источник тока?

Источник тока — это источник электроэнергии, который всегда имеет постоянный ток независимо от напряжения на нем или без изменения уровня напряжения.Здесь также доступна практичная и идеальная концепция, такая как источник напряжения. Идеальный источник тока с бесконечным внутренним сопротивлением гайки практически невозможен. Практический источник тока имеет очень высокое внутреннее сопротивление, но оно конечно. Источник тока всегда имеет замкнутую цепь только потому, что если цепь разомкнута, ток не будет течь или ток будет равен нулю.

Источники тока также могут быть различных типов, таких как — зависимые источники тока, независимые источники тока, практические источники тока, идеальные источники тока

Свойства источника тока

1. Идеальный источник тока имеет бесконечное внутреннее сопротивление, а реальный источник тока имеет очень высокое внутреннее сопротивление.

2. Источник тока является двойным источником напряжения.

3. Напряжение на источнике тока зависит от внешней цепи и нагрузки.

4. Поскольку источник тока всегда обеспечивает постоянный ток, падение напряжения или потребляемая мощность зависят от сопротивления нагрузки и компонента цепи.

Примеры источников тока

На самом деле надежных источников тока нет. Источник тока можно сделать, подключив последовательно к источнику напряжения очень высокое сопротивление. Примерами источников тока являются: вторичный ток в трансформаторе тока, солнечных панелях, полупроводниковых устройствах и т. д.

Разница между источником напряжения и источником тока

Читайте также:  

Спасибо за посещение сайта. продолжайте посещать для получения дополнительных обновлений.

Источники тока — Electronics-Lab.com

Введение

В продолжение учебника по источникам напряжения мы представляем в этой статье Источники тока , которые являются вторым типом источников электричества, которые мы рассмотрим.

Аналогично тому, что было сделано для источников напряжения, мы сначала введем понятие идеальных источников тока , где обсуждаются их особенности и характеристики.

Однако в реальных цепях идеальные источники тока не могут быть найдены, так как в этой модели появляются некоторые парадоксы и невозможности. Мы различаем эти практические источники как реальных источников тока и увидим, в чем их отличия от идеальной модели. Правила взаимосвязи между двумя или несколькими источниками тока также обсуждаются далее в том же разделе.

Наконец, в последнем разделе подробно описаны зависимые источники тока , которые являются источниками тока, управляемыми напряжением или током.

Презентация

Идеальный источник тока — это устройство, которое может обеспечивать постоянное и стабильное значение тока независимо от напряжения, которое необходимо обеспечить для конкретной выходной нагрузки. Идеальные источники тока представлены двойным кругом или стрелкой внутри круга, как показано на Рисунок 1 ниже:

рис. 1: Идеальный источник тока, питающий нагрузку с импедансом Z (слева) и связанная с ним характеристика напряжения/тока (справа)

Характеристика идеального источника тока иногда представляется как I=f(V), так как приведенное выше представление Рис. 1 , строго математически говоря, является не функцией, а распределением.

Реальные источники тока

Внутренние потери мощности, происходящие в источнике тока, можно смоделировать с помощью резистора (R _S ), подключенного параллельно. Характеристика I/V больше не является плоской, но, например, для источников напряжения, скорректирована с наклоном значения -1/R _s , как показано на рисунке 2 :

.
рис. 2: Реальный источник тока, питающий нагрузку с импедансом Z (слева) и связанная с ним вольт-амперная характеристика (справа)

Можно отметить, что идеальный источник тока эквивалентен реальному источнику, сопротивление которого R _S стремится к +∞ (разомкнутая цепь).

Правила подключения

В этом подразделе мы подчеркиваем тот факт, что при включении источников тока в цепь необходимо помнить о некоторых правилах подключения.

Прежде всего, клеммы источника тока нельзя размещать в разомкнутой цепи:

рис. 3: Источник тока в разомкнутой цепи, запрещенное подключение

Сопротивление разомкнутой цепи равно +∞, когда источник дает ток, не равный нулю, величина напряжения стремится к +∞, что невозможно.На практике напряжение будет увеличиваться до значения пробоя , заставляя воздух/вакуум между клеммами источника становиться проводящими. Это явление часто приводит к разрушению источника или хотя бы одного из его компонентов.

Кроме того, запрещается последовательное соединение двух или многих источников тока, даже если оба источника обеспечивают одинаковое значение тока.

рис. 4: Источники тока в последовательной конфигурации, запрещенное подключение

Причина, по которой этот тип соединения не допускается, заключается в том, что эквивалентную схему нельзя предсказать: добавятся ли источники или эффективно будет работать только один?

Ток в ветви цепи может принимать только одно значение, не может быть наложения многих токов.

Наконец, параллельное объединение источников тока абсолютно разрешено и рекомендуется для получения более высокого выходного тока:

рис. 5: Источники тока в параллельной конфигурации, допустимое подключение

Как показано на второй схеме Рис. 5 , значения также можно вычесть, если один из источников ориентирован в противоположном направлении.

В параллельной конфигурации выходной ток представляет собой алгебраическую сумму источников тока, участвующих в процессе питания.

Зависимые источники

В предыдущих разделах был представлен независимый источник тока , а их значение фиксировано и зависит только от конструкции источника.

Текущее значение зависимых источников тока можно настроить с помощью внешнего параметра. Существует два типа зависимых источников тока: Источники тока, управляемые напряжением (VCCS) и Источники тока, управляемые током (CCCS) . На принципиальной схеме источники, зависящие от тока, обозначены стрелкой (в направлении тока), окруженной ромбовидным узором:

.
рис. 6: VCCS (слева) и CCCS (справа)

Источник тока с регулируемым напряжением

Для этого типа зависимого источника тока характер входного сигнала (напряжение) отличается от выходного (ток), коэффициент связи обозначен σ=1/R и представляет проводимость в Сименсах (См) или Ом ^-1 .

Мы проиллюстрируем, как может выглядеть простая схема, содержащая VCCS, на рис. 7 и покажем, как вычислить ее вход.

Рис. 7: Цепь VCCS

Поскольку источник напряжения V ₁ питает делитель напряжения 1 кОм/1 кОм, вход VCCS определяется выражением V _IN =V ₁ /2=5 В. Поскольку усиление ВСУ составляет 0,2 С, выходной ток зависимого источника I _S =0,2×В _IN =1 А . Выходное напряжение просто вычисляется путем применения закона Ома к резистору R ₃ , мы получаем В _S = I _S × R ₃ = 200 В .

Примером VCCS является усилитель MOSFET, который представляет собой транзистор на основе эффекта напряжения:

Рис. 8: Пример VCCS, MOSFET обеспечивает выходную нагрузку R _L

В качестве VCCS усилитель MOSFET принимает на вход напряжение, известное как напряжение затвора , и обеспечивает выходной ток, известный как ток стока .

Мы можем утверждать, что МОП-транзистор действительно является источником тока, взглянув на его характеристику I _D =f(V _DS ):

рис. 9: Выходная характеристика MOSFET

В зависимости от управляющего напряжения затвора (V _GS ) характеристика усилителя MOSFET становится плоской после определенного значения выходного напряжения V _DS .Эта характеристика в области насыщения типична для источника тока.

Источник тока с регулируемым током

В случае CCCS и вход, и выход имеют одинаковую природу (токи), поэтому коэффициент усиления представляет собой безразмерную величину, обозначенную k .

Мы снова проиллюстрируем аналогичную схему, которая интегрирует CCCS, чтобы прояснить, как получить выходные величины:

Рис. 10: Цепь CCCS

Входной ток, управляющий CCCS, определяется здесь непосредственно законом Ома: I _IN =V ₁ /(R ₁ +R ₂ )=5 мА . Выходной ток получается путем умножения входного тока на коэффициент усиления k, I _S =k.I _IN =3 мА . Наконец, выходное напряжение снова определяется применением закона Ома к резистору R ₃ , В _S = I _S × R ₃ = 0,6 В .

Примерами CCCS являются усилители на основе биполярных транзисторов (BJT), читатель может обратиться к руководствам по усилителю с общим эмиттером и усилителю с общим коллектором, чтобы получить более подробную информацию.

Рисунок 11 представляет собой график выходной характеристики в коллекторной ветви (C) для нескольких токов базы команд (I _B ):

рис. 11: ВАХ биполярного транзистора

. Мы снова видим плоскую ВАХ после определенного значения напряжения, типичного для источника тока, точно такого же, как для усилителя MOSFET.

Заключение

Чтобы концептуализировать источники тока, мы сначала представили идеальных источников тока , которые не являются реальными устройствами, а представляют собой идеальную конструкцию. Идеальные источники тока обеспечивают постоянное и стабильное значение выходного тока независимо от величины напряжения на выходной нагрузке. Они идентифицируются по плоской вольт-амперной характеристике, которая предполагает, что может быть обеспечена бесконечная мощность.

Реальные источники тока, однако, имеют небольшой наклон в своей ВАХ для учета внутренних потерь мощности. Значение этого наклона определяется проводимостью сопротивления источника, расположенного параллельно источнику.Сопротивление источника физически не присутствует в устройстве, это скорее способ объяснить и упростить расчеты.

Более того, мы видели, что при проектировании цепей, включающих в себя источники тока, необходимо учитывать некоторые правила подключения. Размещение источника тока в разомкнутой цепи и объединение двух или более источников не рекомендуется. Однако параллельное соединение допустимо, поскольку это полезный метод, который может увеличить выходной ток.

Наконец, мы видели, что некоторыми специальными источниками тока можно управлять с помощью внешней величины схемы. Они известны как зависимые источники , а для текущих источников существует два типа:

1. Источники тока, управляемые напряжением (VCCS)
2. Источники тока с регулируемым током (CCCS)

Типичными примерами токозависимых источников являются MOSFET (VCCS) и биполярные транзисторы (CCCS).

Идеальный зависимый независимый источник тока напряжения

В нашей повседневной жизни встречается несколько источников напряжения , а также источников тока .Аккумуляторы, генератор постоянного тока или генератор переменного тока — все это очень распространенные примеры источников напряжения. Есть также некоторые источники тока, встречающиеся в нашей повседневной жизни, такие как фотоэлементы, метадиновые генераторы и т.д.
Источники можно разделить на два разных типа – независимый источник и зависимый источник.

Независимый источник напряжения

Выход независимого источника не зависит от напряжения или тока любой другой части сети. Когда на напряжение на клеммах источника напряжения не влияет ток или напряжение какой-либо другой части сети, говорят, что источник является независимым источником напряжения.

Источники этого типа могут называться постоянными источниками или переменными во времени источниками. Когда напряжение на клеммах независимого источника остается постоянным на протяжении всей его работы, его называют постоянным или постоянным независимым источником напряжения . Опять же, независимый источник напряжения может иметь переменный во времени тип, когда напряжение на выходных клеммах источника изменяется со временем. Здесь напряжение на клеммах источника не зависит от изменения напряжения или тока какой-либо другой части сети, но изменяется во времени.

Независимый источник тока

Точно так же выходной ток независимого источника тока не зависит от напряжения или тока любой другой части сети. Он также классифицируется как независимый во времени и переменный во времени источник тока.

Символические представления независимых во времени и во времени переменных источников напряжения и тока показаны ниже.

Теперь поговорим о зависимом напряжении или источнике тока . Зависимый источник напряжения — это источник, выходное напряжение которого является функцией напряжения или тока любой другой части схемы.Точно так же зависимый источник тока — это источник, выходной ток которого является функцией тока или напряжения любых других частей схемы. Усилитель является идеальным примером зависимого источника, где выходной сигнал зависит от сигнала, подаваемого на входную цепь усилителя.

Зависимый источник напряжения и зависимый источник тока

Существует четыре возможных зависимых источника, представленных ниже:

1. Зависимый от напряжения источник напряжения.
2. Источник напряжения, зависящий от тока.
3. Источник тока, зависящий от напряжения.
4. Источник тока, зависящий от тока.

Зависимые источники напряжения и зависимые источники тока также могут быть зависимыми от времени или неизменными во времени. Это означает, что когда выходное напряжение или ток зависимого источника изменяется во времени, это называется зависимым от времени источником тока или напряжения, а если оно не изменяется во времени, это называется изменением во времени.

Идеальный источник напряжения

Теперь мы обсудим идеальный источник напряжения .
В каждом практическом источнике напряжения есть некоторое электрическое сопротивление. Это сопротивление называется внутренним сопротивлением источника. Когда клемма источника разомкнута, ток через нее не течет; следовательно, внутри источника нет падения напряжения, но когда нагрузка подключена к источнику, ток начинает течь через нагрузку, а также через сам источник. Из-за сопротивления внутри источника напряжения будет некоторое падение напряжения на источнике. Теперь, если кто-либо измерит напряжение на клеммах источника, он или она получит напряжение между его клеммами, уменьшенное на величину внутреннего падения напряжения источника. Таким образом, всегда будет разница между напряжениями холостого хода (когда клеммы источника разомкнуты) и напряжением нагрузки практического источника напряжения. Но в идеальном источнике напряжения эта разность считается равной нулю, что означает, что в нем не будет падения напряжения при протекании через него тока, а это означает, что внутреннее сопротивление идеального источника должно быть равно нулю.Отсюда можно сделать вывод, что напряжение на источнике остается постоянным при всех значениях тока нагрузки.
Ниже показаны вольт-амперные характеристики идеального источника напряжения .

Не существует как такового идеального источника напряжения, но свинцово-кислотная батарея или сухой элемент могут рассматриваться как пример, когда потребляемый ток ниже определенного предела.

Идеальный источник тока

Идеальные источники тока — это источники, которые подают постоянный ток на нагрузку независимо от их импеданса.Это означает, что каким бы ни было сопротивление нагрузки; идеальный источник тока всегда пропускает через себя один и тот же ток. Даже если нагрузка имеет бесконечный импеданс или нагрузка, она разомкнута по отношению к идеальному источнику тока , который дает через него такой же ток. Поэтому, естественно, из определения ясно, что этот тип источника тока практически невозможен.

Преобразование источника тока в источник напряжения

Все источники электроэнергии дают как ток, так и напряжение.Практически невозможно отличить источник напряжения от источника тока. Любой электрический источник может быть представлен как источник напряжения, так и источник тока. Это просто зависит от условий эксплуатации. Если импеданс нагрузки намного выше внутреннего импеданса источника, то предпочтительно рассматривать источник как источник напряжения, с другой стороны, если импеданс нагрузки намного ниже внутреннего импеданса источника; предпочтительно рассматривать источник как источник тока для преобразования источника напряжения или преобразование источника напряжения для источника тока всегда возможно.
Теперь мы обсудим, как преобразовать источник тока в источник напряжения и наоборот.
Рассмотрим источник напряжения, который не имеет напряжения на клеммах нагрузки или напряжения источника V и внутреннего сопротивления r. Теперь мы должны преобразовать это в эквивалентный источник тока. Для этого сначала мы должны рассчитать ток, который мог бы протекать через источник, если бы клеммы A и B источника напряжения были замкнуты накоротко. Это было бы ничем иным, как I = V/r. Этот ток будет подаваться эквивалентным источником тока, и к этому источнику будет подключено такое же сопротивление.

Аналогичным образом источник тока с выходным током I, включенный параллельно с сопротивлением r, может быть преобразован в эквивалентный источник напряжения с напряжением V = Ir и сопротивлением r, включенным последовательно с ним.

Анализ цепей с помощью преобразования источника

В этой статье используются примеры для объяснения метода преобразования исходного кода.

Фоновое исследование

Электрическая сеть может состоять из источников и пассивных элементов. Источники – это элементы цепи, обладающие собственной энергией и способные передавать эту энергию другим элементам цепи.

Существует два основных типа источников: источники напряжения и источники тока. Их можно дополнительно классифицировать как независимые или зависимые. В случае независимых источников напряжение или ток фиксированы. Если источник зависим, значение напряжения или тока зависит от количества тока или напряжения в другом месте цепи.

Пассивные компоненты не имеют собственной энергии. В связи с этим они считаются поглотителями. Однако они влияют на величину тока или напряжения в данной части цепи.Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются пассивными компонентами.

Анализ электрических сетей

Сложность электрических сетей варьируется от очень простых — например, делителя напряжения — до очень сложных — например, внутренняя структура интегральной схемы (ИС).

Ожидается, что хороший проектировщик электротехники хорошо разбирается во всей системе, независимо от ее сложности. Это абсолютно необходимо, когда возникает вопрос об обновлении или устранении неполадок в системе.

На этом этапе важно отметить, что анализ электрической цепи иногда бывает простым и понятным и занимает всего пару минут. Иногда, однако, это может потребовать много тяжелой работы (точнее, умной работы) и может даже заставить анализатор прибегнуть к помощи программного обеспечения. Тем не менее способ анализа основан на определенных основных правилах и теоремах.

Вот список важных теорем с кратким пояснением:

1. Теорема суперпозиции: помогает найти ток и напряжение в цепи с несколькими источниками; эффекты, производимые каждым из источников в отдельности, могут быть суммированы.
2. Теорема Тевенина: помощь в упрощении схемы; несколько источников и сопротивлений могут быть представлены эквивалентной схемой только с одним источником напряжения и одним резистором.
3. Теорема Нортона: помогает упростить схему; несколько источников и сопротивлений могут быть представлены эквивалентной схемой только с одним источником тока и одним резистором.
4. Теорема Миллмана: метод упрощения, использующий схемы с параллельными ветвями.

Здесь следует отметить, что все эти теоремы основаны на основных правилах, регулирующих область электроники, а именно на законах Ома и Кирхгофа.

Кроме того, иногда мы можем найти схему, в которой резисторы соединены по схеме треугольник/пи или звезда/звезда/треугольник. В таких случаях мы можем использовать преобразование звезда-треугольник или треугольник-звезда при анализе схемы.

Преобразование источника для независимых источников

Рассмотрим схему, показанную на рис. 1; цель состоит в том, чтобы найти ток (обозначенный i) через центральный резистор 5 Ом.Здесь анализ сетки (закон напряжения Кирхгофа, KVL) не может быть легко применен, потому что цепь имеет ветвь, которая имеет источник тока. Таким образом, нам нужно разработать метод, с помощью которого мы можем исключить этот источник тока из нашей схемы. Однако при этом мы должны позаботиться о том, чтобы ток и напряжение в цепи оставались неизменными.

Рисунок 1

Вспомните закон Ома, который гласит, что $$I = \frac{V}{R}$$.

Шаг 1: Преобразование источника тока в напряжение

Снова взглянув на схему (рис. 1), мы видим, что источник тока 1 А имеет параллельный резистор 10 Ом. Давайте теперь заменим эту комбинацию источником напряжения, V = 1 A × 10 Ом = 10 В, и последовательным резистором 10 Ом. Вы можете увидеть, как это выглядит на Рисунке 2. Обратите внимание, что положительный вывод источника напряжения расположен слева, потому что стрелка источника тока указывала влево.Эти две схемы (рис. 1 и рис. 2) считаются эквивалентными: ток 1 А, поступающий в узел X из узла Y, не изменился.

Рисунок 2

Осуществляемый здесь процесс называется преобразованием источника. Мы преобразовали существующий источник тока с параллельным резистором в эквивалентный источник напряжения с последовательным резистором.

Шаг 2. Преобразование источника напряжения в ток

Схема на рис. 2 может быть еще более упрощена, так как она имеет резистор 10 Ом последовательно с резистором 5 Ом.Их можно заменить эквивалентным резистором 15 Ом (= 10 Ом + 5 Ом). Упрощенная схема показана на рисунке 3(а).

Теперь мы можем легко применить анализ сетки для решения стоящей перед нами задачи. Однако есть и гораздо более простой графический способ добиться этого: снова применить исходное преобразование!

Ранее мы преобразовали источник тока с параллельным резистором, но мы также можем применить преобразование источника к источнику напряжения с последовательным резистором. У нас есть две таких схемы, как показано на рисунке 3(b).Эта схема эквивалентна схеме, показанной на рис. 3(а).

Рисунок 3

Итак, здесь мы применим преобразование источника напряжения в ток, что очень похоже на преобразование источника тока в напряжение. Процесс включает в себя замену источника напряжения V последовательно с резистором R с эквивалентной сетью, которая имеет источник тока $$I = \frac{V}{R}$$ параллельно с резистором R. Источник тока ориентирован так чтобы стрелка указывала на плюсовую клемму заменяемого источника напряжения (см. рис. 4).

Таким образом, для крайней левой ветви у нас есть источник тока $$I = \frac{10}{5} = 2\ A$$ параллельно с резистором 5 Ом. Точно так же для самой правой ветви мы получаем $$I = \frac{10}{15} = \frac{2}{3}\ A$$ параллельно с резистором 15 Ом. Получившаяся схема показана на рисунке 4.

Схема на рис. 4 имеет два источника тока, направленных в одном направлении, поэтому их можно заменить одним источником тока, значение которого равно их сумме, т. е. $$\frac{8}{3}\ A$ $.

Рисунок 4

Имеется три резистора: два резистора 5 Ом и один резистор 15 Ом, все подключены параллельно. Мы могли бы заменить все три из них эквивалентным сопротивлением (R _EQ ), но наша цель — найти ток через резистор 5 Ом, поэтому мы объединим только два других.

$$R_{EQ} = \frac{5 × 15}{5 + 15} = \frac{5 × 15}{20} = \frac{15}{4}\ \Omega$$

Внеся эти изменения, мы получим схему, показанную на рисунке 5.

Рисунок 5

Шаг 3: Преобразование источника тока в напряжение (снова)

Теперь давайте еще раз применим преобразование источника тока в напряжение для комбинации, показанной на рисунке 5.

Здесь источник напряжения будет иметь значение $$V=\frac{8}{3}\times\frac{15}{4}=10\ V$$, с положительным выводом к узлу X, последовательно с резистором $$\frac{15}{4}\\Omega$$.

Полученная схема показана на рисунке 6.

Рисунок 6

Для рисунка 6 мы можем легко применить KVL для получения тока через резистор 5 Ом:

$$10 — \frac{15}{4}i — 5i = 0$$

$$10 — \frac{35}{4}i = 0 $$

$$10 = \frac{35}{4}i $$

$$i = 10\times\frac{4}{35} = \frac{8}{7}\ A$$

Преобразование источника для зависимых источников

Преобразование источника

применимо даже для цепей с зависимыми источниками. Рассмотрим схему, показанную на рис. 7(а).

Здесь необходимо прибегнуть к смещению источника для источника тока 3 А, прежде чем применять преобразование источника. Это дает схему, показанную на рисунке 7 (б).

Рисунок 7

Шаг 1: Преобразование источника тока в напряжение

Теперь применим преобразование источника тока в напряжение для элементов схемы, указанных на рисунке 7(b).

Для верхней части имеем V = 3 × 1 = 3 В с положительным выводом, направленным вниз, последовательно с резистором 1 Ом.Точно так же для нижней части мы получаем V = 3 × 2 = 6 В, направленное вниз последовательно с резистором 2 Ом. Это приводит к схеме, показанной на рисунке 8(a).

Рисунок 8

Схема может быть дополнительно уменьшена: верхняя сетка имеет резистор 1 Ом последовательно с резистором 2 Ом, образуя эквивалентное сопротивление 3 Ом, а нижняя сетка имеет резистор 2 Ом последовательно с резистором 3 Ом, который можно заменить одним резистором 5 Ом. В результате получается схема, показанная на рисунке 8(b).

Шаг 2. Преобразование источника напряжения в ток

Глядя на рисунок 8(b), вы можете видеть, что нам нужно применить преобразование источника напряжения в ток три раза (по одному разу для каждой комбинации источник-резистор).

Вариант 1: Для источника 3 В последовательно с 3 Ом

$$I = \frac{3}{3}=1\ A$$ параллельно резистору 3 Ом, направленному влево.

Вариант 2: Для 5i ₁ зависимый источник напряжения последовательно с 5 Ом

$$I =\frac{5i_{1}}{5}= 1i_{1}\ A$$ параллельно с резистором 5 Ом, направленным вправо.

Вариант 3: Для источника 6 В последовательно с 5 Ом

$$I = \frac{6}{5}\ A$$ параллельно с резистором 5 Ом, направленным вправо.

Эти шаги ведут к схеме, показанной на рис. 9.

Рисунок 9

Здесь два независимых источника тока ориентированы в противоположных направлениях и, таким образом, могут быть заменены одним источником тока, значение которого определяется выражением $$I = \frac{6}{5}-1 = \frac{1}{5 }\ A$$, направленный вправо.

Далее, мы можем выразить значение зависимого источника тока как $$I = \frac{1}{5}+1i_{1} = \frac{1+5i_{1}}{5}\ A$$, вправо.

Нам нужно найти ток, протекающий через резистор 5 Ом (тот, что посередине). Поэтому оставим все как есть и заменим два других (т.е. резисторы 3 Ом и 5 Ом сверху и снизу) эквивалентным сопротивлением: R = 5 || 3 = $$\frac{5\times 3}{5+3} = \frac{15}{8}\ \Omega$$.

Схема теперь может быть изображена следующим образом:

Рисунок 10

Шаг 3: Преобразование источника тока в напряжение (снова)

Наконец, мы можем преобразовать зависимый источник тока в зависимый источник напряжения со значением

$$V’ = \frac{1+5i_1}{5} × \frac{15}{8} = \frac{3+15i_1}{8}\ V$$

Он будет включен последовательно с резистором $$\frac{15}{8}\ \Omega$$ и будет иметь положительный вывод справа.

Рисунок 11

Теперь KVL можно использовать для вычисления i ₁ :

$$\frac{3+15i_1}{8}-\frac{15}{8}\times i_1-5i_1 = 0$$

$$\frac{3}{8}+\frac{15i_1}{8}-\frac{15}{8}\times i_1-5i_1 = 0$$

$$\frac{3}{8}-5i_1 = 0$$

$$\frac{3}{8} = 5i_1$$

$$i_1 = \frac{3}{40}\ A$$

Преобразование источника для цепей с катушками индуктивности и конденсаторами

Обратите внимание, что преобразование источника также применимо для цепей с катушками индуктивности и конденсаторами. Однако в этом случае необходимо проанализировать схему в частотной области.

Давайте посмотрим на схему, показанную на рис. 12(а).

Рисунок 12

Здесь, если принять ω равным 50 рад/с, то

• Полное сопротивление конденсатора 2 мФ = -j/ωC = -j/(50 × 2 × 10 ^-3 ) = -j/(100 × 10 ^-3 ) = -10j
• Полное сопротивление катушки индуктивности 40 мГн = jωL = j × 50 × 40 × 10 ^-3 = 2j

Теперь предположим, что нам нужно найти напряжение на катушке индуктивности 40 мГн.

Когда мы смотрим на принципиальную схему, становится очевидным, что этот процесс станет проще, если мы преобразуем параллельный источник тока 2 А с импедансом -10 Дж в источник напряжения. Этот процесс дает V = 2 × (-10j) = -20j, направленный вниз последовательно с импедансом -10j .

Полученная схема показана на рисунке 13.

Рисунок 13

Теперь применим КВЛ к цепи, чтобы определить ток I, протекающий по ней.

$5-2jI + 10jI-20j = 0$$

$$\влево(10j-2j\вправо)I = 20j-5$$

$$8jI = 20j-5$$

$$I = \frac{20j-5}{8j} = \left(2,5+0,625j\right)\ A$$

Таким образом, напряжение на катушке индуктивности V _L будет равно

$$5-V_L + 10jI-20j = 0$$

$$5-V_L + (10j)\times(2,5+0,625j)-20j = 0$$

$$5 + \влево(-6,25+25j\вправо)-20j = V_L$$

$$V_L = \left(-1.25+5j\right)\ V$$

Заключение

Анализ преобразования источника, представленный в этой статье, можно резюмировать в следующих трех пунктах:

1.Преобразование источника, выполненное в соответствии с правилами, показанными на рисунке 14, можно использовать для упрощения схем и облегчения анализа сетки.

Рисунок 14

2. Зависимые источники можно преобразовывать так же, как и независимые источники (Рисунок 15).

Рисунок 15

3. Метод преобразования источника можно использовать даже для анализа цепей с конденсаторами и катушками индуктивности при условии, что мы анализируем их в частотной области.

Я надеюсь, что эта статья помогла вам лучше понять преобразование исходного кода.

Введение в электрическую энергию: источник тока и источник напряжения

Инженеры-электрики используют электричество для выполнения полезных задач, разрабатывая схемы, в которых напряжения и токи контролируются, изменяются и используются множеством различных компонентов. Однако эти напряжения и токи представляют энергию : цепь — это энергетическая система, в которой напряжение функционирует как потенциальная энергия, а ток аналогичен кинетической энергии.Компоненты, которые мы включаем в электрические цепи, не могут контролировать и использовать электрическую энергию, если только что-то не также генерирует электрическую энергию, и поэтому цепи имеют источников напряжения и источников тока . Мы называем эти элементы источниками , потому что они снабжают цепь электрической энергией, необходимой для правильной работы.

Характеристики источников напряжения

Источник напряжения создает разность потенциалов на двух своих клеммах.Когда эти две клеммы соединены в сеть взаимосвязанных компонентов, образующих непрерывный проводящий путь, по ним будет течь ток.

Простые электрические цепи часто состоят из одного источника напряжения, соединенного с несколькими компонентами. В этих ситуациях отрицательная клемма источника интерпретируется как эталонный узел с нулевым напряжением, и, следовательно, узел, подключенный к положительной клемме источника, будет иметь напряжение, равное значению источника.

Однако важно иметь в виду, что источники напряжения могут занимать различные положения в электрической сети, и, следовательно, отрицательная клемма не всегда будет на 0 В.Например:

Таким образом, значение источника не всегда указывает напряжение на плюсовой клемме; скорее значение источника указывает разность напряжения между отрицательным выводом источника и положительным выводом источника.

Единицы

Значение источника напряжения представляет собой разность потенциалов, генерируемую между двумя клеммами источника, и, следовательно, значение указывается в вольтах.Один вольт равен одному джоулю на кулон. Таким образом, напряжение указывает количество потенциальной энергии на кулон электрического заряда. Чтобы выразить это на практике, если источник 5 В и источник 10 В подключены к двум идентичным цепям, источник 10 В перемещает электрический заряд с вдвое большей энергией и, следовательно, будет производить вдвое больший ток.

Идеальные источники напряжения

Когда на схеме появляется символ источника напряжения, он представляет i источник напряжения .Под «идеальным» мы подразумеваем, что напряжение, генерируемое источником, никогда не колеблется и не зависит от величины тока, потребляемого цепью. Реальные источники напряжения никогда не бывают идеальными.

Часто бывает так, что это различие между теорией и реальностью не оказывает существенного влияния на работу схемы и поэтому может быть проигнорировано. Однако иногда нам необходимо ввести дополнительные элементы схемы, чтобы учесть неидеальные характеристики реальных источников напряжения.

Характеристики источников тока

Источник тока устанавливает определенное количество электрического тока в части цепи.Значение источника тока представляет собой величину тока, создаваемого источником, а символ включает стрелку, указывающую направление тока.

Когда вы видите источник тока на принципиальной схеме, вы знаете, что токопроводящий путь, подключенный к источнику тока, будет иметь ток, равный значению источника. Если этот путь разделяется на несколько ответвлений , как показано на диаграмме ниже, вам необходимо выполнить анализ цепи, чтобы определить долю тока источника, который поступает в каждую ветвь.

Единицы

Значение источника тока указывается в амперах. Эта единица говорит нам о скорости, с которой электрический заряд проходит через данную точку цепи. Если мы измеряем ток в один ампер, мы знаем, что каждую секунду через любую точку измеряемой ветви проходит один кулон заряда.

Идеальные источники тока

Идеальный источник тока всегда генерирует точно свой номинальный ток, и на него не влияют характеристики цепи, к которой он подключен.Реальные источники тока, как и реальные источники напряжения, неидеальны и должны быть представлены идеальным источником в сочетании хотя бы с одним дополнительным компонентом.

Примеры источников напряжения и тока

Когда мы анализируем и проектируем базовые схемы, мы видим источники напряжения гораздо чаще, чем источники тока, потому что электронные системы обычно питаются от батарей или регулируемых источников питания постоянного тока, и оба они функционируют как источники напряжения.

Обычно мы не рассматриваем источники тока в качестве основного поставщика электрической энергии в цепи. Чаще всего они являются средством регистрации поведения компонентов схемы, таких как светочувствительные диоды и транзисторы. Исключением является фотогальванический элемент, который моделируется как источник тока (в сочетании с несколькими другими компонентами) и может функционировать как основной источник энергии для схемы, работающей от солнечной энергии.

Заключение

Это краткое обсуждение источников напряжения и тока дало вам некоторую базовую информацию об этих двух основных способах введения электрической энергии в цепь.В будущих видеоуроках мы рассмотрим разницу между зависимыми источниками и независимыми источниками, а также взаимосвязь между источниками напряжения переменного тока (AC) и источниками напряжения постоянного тока (DC).

Большой источник тока с высокой точностью и быстрой установкой

Источники тока, управляемые напряжением (VCCS), широко используются во многих областях, таких как медицинское оборудование и промышленная автоматизация. Точность постоянного тока, производительность переменного тока и возможности привода VCCS очень важны в этих приложениях. В этой статье анализируются ограничения схемы усовершенствованного источника тока Howland (EHCS) и показано, как улучшить ее с помощью топологии составного усилителя для реализации источника тока ±500 мА с высокой точностью и быстрой установкой.

Усовершенствованный источник тока Howland

Рис. 1. Схема источника тока Хауленда.

На рис. 1 показана традиционная схема источника тока Howland (HCS), а уравнение 1 показывает, как можно рассчитать выходной ток. Выходной ток будет постоянным, если R2 достаточно велико.

Рис. 2. Усовершенствованная схема источника тока Howland.

В то время как большой резистор R2 снизит скорость и точность схемы, вставка буфера в путь обратной связи для формирования усовершенствованного источника тока Хауленда устранит это, как показано на рис. 2. Весь ток протекает через R ₀ через в R _L . Выходной ток рассчитывается по уравнению 2.

Если R1/R2 = R3/R4 = k, уравнение меняется на уравнение 3. Выходной ток не зависит от нагрузки и регулируется только входным напряжением.Это идеальная VCCS.

Анализ производительности

Уравнение 3 основано на идеальной системе. На рис. 3 показана модель анализа ошибок по постоянному току EHCS. V _OS и IB+/IB– входное напряжение смещения и ток смещения основного усилителя. V _OSbuf и I _Bbuf — входное напряжение смещения и ток смещения буфера. Суммарную ошибку вывода можно рассчитать по уравнению 4.

Рисунок 3. Расчет напряжения смещения.

Игнорировать несоответствие резисторов усиления и считать R ₁ /R ₂ = R ₃ /R ₄ = k, R ₁ //R ₂ = R _{3 // Р 4 .Выходной ток смещения зависит от смещения усилителя и тока смещения, как показано в уравнении 5.}

Принимая во внимание несоответствие R ₁ /R ₂ и R ₃ /R ₄ , R _L будет влиять на выходной ток смещения. Наихудшая относительная ошибка показана в уравнении 6. Ошибка зависит от R _L /R ₀ и k. Меньший нагрузочный резистор и более высокий k уменьшат ошибку смещения.

Мы также можем рассчитать температурный дрейф цепи, который исходит от усилителей и резисторов.Напряжение смещения и ток смещения усилителей изменяются в зависимости от рабочей температуры. Для большинства входных КМОП-усилителей ток смещения удваивается при повышении на каждые 10°C. Дрейф резисторов сильно меняется в зависимости от типа. Например, TC блоков углеродного состава составляет приблизительно 1500 частей на миллион/°C, в то время как TC металлических пленочных и объемных металлических резисторов может составлять 1 частей на миллион/°C.

Таблица 1. Параметры прецизионных усилителей

Устройства	В ОС Макс. (мкВ)	IB Макс. (пА)	ГБ (МГц)	Скорость нарастания (В/мкс)	Isc (мА)
АДА4522	5	150	3	1. 3	22
АДА4077	25	1500	4	1	22
LTC2057HV	4	120	2	1,2	26
LT1012	25	100	1	0.2	13

Выбор прецизионного усилителя хорош для точности постоянного тока на выходе. Однако существует множество ограничений при выборе прецизионного усилителя. Возможности привода и производительность переменного тока недостаточно хороши. В таблице 1 перечислены некоторые распространенные прецизионные усилители. Мы хотим создать источник тока ±500 мА с временем установления 1 мкс. Для источника тока нам потребуется высокая мощность привода. Для источника тока с дополнительным большим временем установления нам нужны хорошие характеристики по переменному току.Как правило, прецизионные усилители не обеспечивают такое сочетание характеристик, поскольку скорость нарастания и полоса пропускания недостаточно хороши. Это требует выбора из нескольких других усилителей.

Внедрение EHCS

ADA4870 — это высокоскоростной усилитель с высоким напряжением и большой мощностью. Он может подавать от 10 В до 40 В с ограничением выходного тока 1,2 А. Его полоса пропускания составляет более 52 МГц для большого сигнала, а скорость нарастания до 2500 В/мкс. Все эти характеристики делают его подходящим для быстрого установления и большого источника тока.На рис. 4 показана схема EHCS на базе ADA4870, которая генерирует выходной ток ±500 мА при входном напряжении 10 В.

Рис. 4. Схема EHCS на базе ADA4870.

В спецификациях переменного тока нас больше заботят время установления, скорость нарастания, полоса пропускания и шум. Время установления составляет около 60 нс, а полоса пропускания — около 18 МГц, как показано на рис. 5. Скорость нарастания выходного тока можно рассчитать, измерив наклон каскада нарастания и спада. Положительная и отрицательная скорости нарастания составляют +25 А/мкс и –25 А/мкс.Шумовые характеристики показаны на кривой плотности выходного шума. Это около 24 нВ/√Гц на частоте 1 кГц.

Рис. 5. Время установления и частотная характеристика EHCS на базе ADA4870

Рис. 6. Кривая плотности выходного шума EHCS на базе ADA4870.

Из-за большого входного напряжения смещения и тока смещения точность постоянного тока в этой схеме невысока. В Таблице 2 показаны различные источники ошибок постоянного тока и их влияние. Основная ошибка по постоянному току исходит от V _os и I _B ADA4870.Типичное смещение выходного тока составляет около 11,06 мА, что составляет около 2,21% погрешности диапазона, относящегося к полному диапазону 500 мА.

Таблица 2. Ошибка постоянного тока EHCS на основе ADA4870

Источник ошибки	Параметры (тип.)	Выход ошибки (мА)	Процент
ИБ	–12 мкА	6,00	54,2%
ИБ+	+9 мкА	4.50	40,7%
В ОС	1 мВ	0,55	5,0%
I Ббуф	–0,1 мкА	0,00	0,0%
В OSbuf	0,02 мВ	0,01	0,1%
Итого		11.06	100%

Топология композитного усилителя

Высокоточные усилители, такие как параметры постоянного тока ADA4870, ограничивают точность выходного тока, а высокоточные усилители не обладают достаточной скоростью. Здесь мы можем объединить все эти качества в одну схему с составной топологией усилителя. На рис. 7 показан источник тока Howland с комбинированным усилителем (CAEHCS), который состоит из ADA4870 и ADA4898-2.

Рис. 7. Схема EHCS с композитным усилителем.

ADA4898-2 выбран для создания составного усилителя из-за его превосходных характеристик переменного и постоянного тока. Его полоса пропускания по уровню –3 дБ составляет 63 МГц. Время установления до 0,1 % при шаге выходного сигнала 5 В составляет 90 нс, а скорость нарастания — до 55 В/мкс. Он также имеет сверхнизкий уровень шума. Плотность шума напряжения составляет 0,9 нВ/√Гц, а плотность шума тока – 2,4 пА/√Гц. Что касается характеристик постоянного тока, он также хорошо работает. Типичное входное напряжение смещения составляет 20 мкВ с температурным дрейфом 1 мкВ/°C. Ток смещения составляет 0,1 мкА. В таблице 3 показана погрешность по постоянному току CAEHCS.Смещение выходного тока уменьшено до 0,121 мА, что означает, что погрешность диапазона меньше 0,03%.

Характеристики CAEHCS по переменному току показаны в таблице 4. Время установления и полоса пропускания ниже, чем у EHCS, из-за задержки контура составного усилителя. Выходной шум CAEHCS намного ниже, чем выходной шум EHCS из-за низкого тока шума ADA4898-2. Как указано в технических характеристиках, плотность шума инвертированного входного тока ADA4870 составляет 47 пА/√Гц.С резисторами в несколько кОм шум будет намного выше, чем шум напряжения (2,1 нВ/√Гц). В то время как плотность шума входного тока CAEHCS составляет 2,4 пА/√Гц. Это будет генерировать гораздо более низкий выходной шум.

Прежде всего, CAEHCS значительно улучшил точность постоянного тока VCCS с сопоставимой мощностью привода и производительностью переменного тока. Кроме того, существует множество вариантов композитных усилителей для различных требований.В таблице 5 показаны характеристики различных усилителей в схеме CAEHCS. LT6275 является лучшим по характеристикам переменного тока. Его время установления может быть в пределах 100 нс, а скорость нарастания до 15 А/мкс. Усилители с нулевым дрейфом, такие как ADA4522-2, подходят для высокоточных приложений с погрешностью смещения выходного тока около 0,002 мА.

Результаты испытаний

Характеристики EHCS и CAEHCS на основе ADA4898 показаны в таблице 6 и на рисунке 8.

Рисунок 8. Время установления ADA4898-2 (Ch2-Input, Ch3-Output).

Схема CAEHCS имеет гораздо лучшие характеристики постоянного тока, чем схема EHCS. Смещение выходного тока составляет 0,2 мА, тогда как смещение выходного тока схемы EHCS составляет 10,9 мА. Схема CAEHCS также имеет хорошие характеристики переменного тока. Время установления обоих составляет около 100 нс.Полоса пропускания контура EHCS составляет 18 МГц, а контура CAEHCS — 8 МГц.

Производительность CAEHCS на базе ADA4522-2 и LT6275 показана в таблице 7. Погрешность смещения выхода версии ADA4522-2 ниже и составляет 0,04 мА. Время установления версии LT6275 составляет около 60 нс, а скорость нарастания выходного тока достигает 16,6 А/мкс, что показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Время установления LT6275 (Ch2-вход, Ch3-выход).

Термическое рассмотрение

Выходной ток VCCS может составлять несколько сотен миллиампер. Суммарная рассеиваемая мощность может составлять несколько ватт. Если выходная эффективность плохая, температура детали будет быстро расти. Термическое сопротивление (θ _JA ) ADA4870 без радиатора может составлять 15,95 °C/Вт. Повышение температуры можно рассчитать с помощью уравнения 7.

Значение R ₀ будет влиять на рассеиваемую мощность ADA4870. В таблице 8 показано повышение температуры при выборе различных R ₀ при питании ±20 В.Повышение температуры значительно уменьшится при использовании более крупного R ₀ . Поэтому рекомендуется больший R ₀ , чтобы уменьшить повышение температуры.

Таблица 8. Рассеиваемая мощность и повышение температуры ADA4870 в зависимости от R0 (Io = 500 мА)

RL/Ом	Рассеиваемая мощность (Вт)		Повышение температуры (°C)
	R 0 = 2 Ом	R 0 = 10 Ом	R 0 = 2 Ом	R 0 = 10 Ом
1	10. 55	8,55	168,3	136,4
5	9,55	7,55	152,3	120,4
10	8.30	6,30	132,4	100,5

Заключение

Схема CAEHCS, сочетающая в себе усилитель с высокой мощностью и прецизионный усилитель, может обеспечить отличные характеристики переменного и постоянного тока с большой выходной мощностью в приложениях VCCS.Для использования в этой схеме рекомендуется использовать ADA4870 в сочетании с ADA4898, LT6275 и ADA4522.

7.4: Зависимые источники — Технические библиотеки

Зависимый источник — это источник тока или напряжения, значение которого не является фиксированным (т. е. независимым), а скорее зависит от тока или напряжения какой-либо другой цепи. Общая форма значения зависимого источника: \(Y = kX\), где \(X\) и \(Y\) — токи и/или напряжения, а \(k\) — коэффициент пропорциональности.Например, значение зависимого источника напряжения может быть функцией тока, поэтому вместо источника, равного, скажем, 10 вольт, оно может быть равно двадцатикратному току, проходящему через конкретный резистор, или \( V=20I\).

Существует четыре возможных зависимых источника: источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS), источник напряжения, управляемый током (CCVS), источник тока, управляемый напряжением (VCCS), и источник тока, управляемый током (CCCS). Параметры источника и управления одинаковы как для VCVS, так и для CCCS, поэтому \(k\) безразмерно (хотя может быть задано как вольт/вольт и ампер/амп соответственно).Для VCCS и CCVS \(k\) имеет единицы ампер/вольт и вольт/ампер соответственно. Они называются поперечным сопротивлением и крутизной проводимости источников в омах и сименсах.

Схематические символы для зависимых или контролируемых источников обычно рисуются с использованием ромба. Также может быть вторичное соединение для управляющего тока или напряжения. Примеры источника напряжения, управляемого напряжением, источника напряжения, управляемого током, источника тока, управляемого напряжением, и источника тока, управляемого током, показаны на рисунке 7.4.1
, слева направо. На каждом из этих символов элемент управления показан слева от источника. Эта часть не всегда изображается на схеме. Вместо этого источник можно просто обозначить как функцию, например, \(V = 0,02 I_X\), где \(I_X\) — управляющий ток.

Рисунок 7.4.1
: Зависимые источники (слева направо): VCVS, CCVS, VCCS, CCCS.

Зависимые источники не являются готовыми изделиями, как батарея. Скорее, зависимые источники обычно используются для моделирования поведения более сложных устройств.Например, транзистор с биполярным переходом обычно моделируется как CCCS, тогда как полевой транзистор может быть смоделирован как VCCS ¹ . Точно так же многие схемы операционных усилителей моделируются как системы VCVS. Решения для цепей с использованием зависимых источников аналогичны решениям, установленным для независимых источников (т. е. применение закона Ома, КВЛ, ККЛ и т. д.), однако теперь источники зависят от остальной части схемы, что имеет тенденцию усложнять Анализ.

Как правило, возможны две конфигурации: изолированная и связанная.Пример изолированной формы показан на рис. 7.4.2.
.

Рисунок 7.4.2
: Зависимый источник: изолированная конфигурация.

В этой конфигурации зависимый источник (в центре) не взаимодействует с подсхемой слева, управляемой независимым источником, поэтому ее можно проанализировать как две отдельные цепи. Решения для этой формы относительно просты, поскольку управляющее значение для зависимого источника может быть вычислено напрямую. Затем это значение подставляется в зависимый источник, и анализ продолжается, как обычно.Иногда бывает удобно, если решение для определенного напряжения или тока определяется параметром управления, а не конкретным значением (например, напряжение на определенном резисторе может быть выражено как 8 \(V_A\) вместо 12 вольт. , где \(V_A\) равно 1,5 вольта).

Второй тип схемы (связанный) несколько сложнее, поскольку зависимый источник может влиять на параметр, управляющий зависимым источником. Другими словами, зависимый источник (источники) будет вносить термины, которые включают управляющий параметр (параметры), тем самым частично контролируя себя.Некоторые дополнительные усилия потребуются для того, чтобы решить эти схемы. Для иллюстрации рассмотрим схему на рис. 7.4.3.
.

Рисунок 7.4.3
: Зависимый источник: связанная конфигурация.

В этом примере должно быть очевидно, что ток от зависимого источника может влиять на напряжение в узле \(a\), и именно это напряжение, в свою очередь, устанавливает значение источника тока. Схемы этого типа можно анализировать с помощью сеточного или узлового анализа. Здесь хорошо работает узловой анализ, который проиллюстрирован ниже.

Начнем с определения текущих направлений. Предположим, что токи через \(R_1\) и \(R_3\) втекают в узел \(a\), ток через \(R_2\) вытекает из узла \(a\), а ток через \ (R_4\) вытекает из узла \(b\). Мы пронумеруем токи ветвей, чтобы отразить соответствующий резистор. Полученные уравнения KCL:

\[\сумма I_{вход} = \сумма I_{выход} \номер\]

\[\text{Узел} a: I_1+I_3 = I_2 \номер\]

\[\text{Узел} b: k V_a = I_3+I_4 \номер\]

Затем токи описываются их эквивалентами закона Ома:

\[\text{Узел} a: \frac{E−V_a}{R_1} + \frac{V_b−V_a}{R_3} = \frac{V_a}{R_2} \nonumber\]

\[\text{Узел } b: k V_a = \frac{V_b−V_a}{R_2} + \frac{V_b}{R_4} \nonumber\]

Расширение терминов дает:

\[\text{Узел} a: \frac{E}{R_1} — \frac{V_a}{R_1} + \frac{V_b}{R_3} — \frac{V_a}{R_3} = \frac{V_a }{R_2} \номер\]

\[\text{Узел} b: k V_a = \frac{V_b}{R_2} — \frac{V_a}{R_2} + \frac{V_b}{R_4} \nonumber\]

Сбор терминов и упрощение выходов:

\[\text{Узел} a : \frac{E}{R_1} = \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} \right ) V_a − \frac{1}{R_3} V_b \nonumber\]

\[\text{Узел } b: 0 = — \left( k+ \frac{1}{R_2} \right) V_a + \left( \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_4} \справа) V_b \номер\]

Значения резисторов \(k\) и \(E\) обычно известны, поэтому анализ продолжается напрямую.

Также стоит помнить, что можно выполнять преобразования источников на зависимых источниках в определенных пределах. Применяется та же процедура, что и для независимых источников. Новый источник останется зависимым источником (например, преобразование VCVS в VCCS). Этот процесс неприменим, если параметр управления напрямую связан с внутренним импедансом (т. е. является его напряжением или током).

Время для примера, здесь используется упрощенная модель транзисторного усилителя.

Пример 7.4.1

Найти \(V_b\) и \(V_c\) для схемы на рис. 7.4.4
.

Рисунок 7.4.4
: Схема для примера 7.4.1
.

Этот CCCS был бы типичным для простой модели биполярного переходного транзистора (узлы \(a\), \(b\) и \(c\)). В идеале выходное напряжение \(V_c\) должно быть равно входному напряжению (1 В), умноженному на отношение резисторов 15 кОм\(\Омега\) / 2 кОм\(\Омега\) и инвертировано, или приблизительно −7,5 вольт.На самом деле, обычно этого немного не хватает. Посмотрим, насколько хорошо это сработает.

Эта схема является хорошим кандидатом для узлового анализа с использованием общего метода. Обратите внимание, что точки, обозначенные \(a\) и \(b\), являются одним и тем же узлом, поэтому мы можем написать только две суммы KCL. Используя текущие направления, как показано на схеме, для узла \(b\) мы имеем:

\[\сумма I_{вход} = \сумма I_{выход} \номер\]

\[I_x+100 I_x = \frac{V_b}{2 k \Omega} \nonnumber\]

\[101 \frac{1V−V_b}{10 k \Omega} = \frac{V_b}{2 k \Omega} \nonumber\]

\[10.1 мА = \left( \frac{1}{2k \Omega} + \frac{101}{10k \Omega} \right) V_b \nonumber\]

\[10,1 мА = 10,6 мСм V_b \номер\]

\[V_b = 0,95283 В \номер\]

Для узла \(c\) имеем:

\[\сумма на входе = \сумма на выходе \не число\]

\[− \frac{V_c}{15 k \Omega} = 100 I_x \nonnumber\]

\[− \frac{V_c}{15 k \Omega} = 100 \frac{1V−V_b}{10 k \Omega} \nonumber\]

\[V_c = −7,0755 В \номер\]

В качестве альтернативы, вместо записи второй суммы KCL мы могли бы использовать \(V_b\) для определения \(I_x\), т. е.е., \((1 − V_b)/10\) k\( \Omega \). Поскольку ток через резистор 15 кОм\(\Омега\) равен \(100 I_x\), мы могли бы использовать закон Ома, чтобы найти \(V_c\). В любом случае, мы видим, что \(V_c\) инвертировано и просто не соответствует оценке 7,5 вольт.

Компьютерное моделирование

Для проверки схема зависимого источника из примера 7.4.1
вводится в симулятор, как показано на рисунке 7.4.5.
. Выполняется анализ рабочей точки постоянного тока, результаты которого показаны на рис. 7.4.6.
. Выходное напряжение показывает примерно -7.08 вольт и \(V_b\) чуть менее 1 вольта, таким образом достигается отличное совпадение с ручным расчетом.

Рисунок 7.4.5
: Схема рисунка 7.4.4
в симуляторе.

Рисунок 7.4.6
: Результаты моделирования для схемы на рис. 7.4.4.
.

Несмотря на то, что эта симуляция эффективна в данном случае, простое использование зависимого источника вместо транзистора довольно ограничено. Есть много других, возможно, более тонких элементов правильной модели транзистора, которые обеспечат как большую точность, так и правильные результаты в широком диапазоне условий эксплуатации.