Nuværende kilde - Current source

Figur 1: En ideel strømkilde, I , der driver en modstand, R , og skaber en spænding V

En strømkilde er et elektronisk kredsløb, der leverer eller absorberer en elektrisk strøm, der er uafhængig af spændingen over den.

En strømkilde er det dobbelte af en spændingskilde . Udtrykket strømvask bruges undertiden til kilder, der fødes fra en negativ spændingsforsyning. Figur 1 viser det skematiske symbol for en ideel strømkilde, der driver en resistiv belastning . Der er to typer. En uafhængig strømkilde (eller synke) leverer en konstant strøm. En afhængig strømkilde leverer en strøm, der er proportional med en anden spænding eller strøm i kredsløbet.

Baggrund

Spændingskilde.svg Nuværende Source.svg
Spændingskilde Nuværende kilde
Spændingskilde (kontrolleret) .svg Nuværende kilde (kontrolleret) .svg
Kontrolleret spændingskilde Styret nuværende kilde
Batterisymbol.svg Cell.svg
Batteri af celler Enkeltcelle
Figur 2: Kildesymboler

En ideel strømkilde genererer en strøm, der er uafhængig af spændingsændringerne over den. En ideel strømkilde er en matematisk model, som rigtige enheder kan nærme sig meget tæt. Hvis strømmen gennem en ideel strømkilde kan specificeres uafhængigt af enhver anden variabel i et kredsløb, kaldes det en uafhængig strømkilde. Omvendt, hvis strømmen gennem en ideel strømkilde bestemmes af en anden spænding eller strøm i et kredsløb, kaldes den en afhængig eller kontrolleret strømkilde . Symboler for disse kilder er vist i figur 2.

Den interne modstand for en ideel strømkilde er uendelig. En uafhængig strømkilde med nulstrøm er identisk med et ideelt åbent kredsløb . Spændingen over en ideel strømkilde bestemmes fuldstændigt af det kredsløb, den er forbundet til. Ved tilslutning til en kortslutning er der nul spænding og dermed nul effekt leveret. Når den er forbundet til en belastningsmodstand , styrer strømkilden spændingen på en sådan måde, at strømmen holdes konstant; så i en ideel strømkilde nærmer spændingen sig over kilden uendeligt, når belastningsmodstanden nærmer sig uendeligt (et åbent kredsløb).

Ingen fysisk strømkilde er ideel. For eksempel kan ingen fysisk strømkilde fungere, når den tilsluttes et åbent kredsløb. Der er to karakteristika, der definerer en nuværende kilde i det virkelige liv. Den ene er dens interne modstand, og den anden er dens overensstemmelsesspænding . Overensstemmelsesspændingen er den maksimale spænding, som den aktuelle kilde kan levere til en belastning. Over et givet belastningsinterval er det muligt for nogle typer reelle strømkilder at udvise næsten uendelig intern modstand. Men når den nuværende kilde når sin overensstemmelsesspænding, stopper den pludselig med at være en strømkilde.

I kredsløbsanalyse modelleres en strømkilde med endelig intern modstand ved at placere værdien af ​​denne modstand på tværs af en ideel strømkilde (Norton -ækvivalent kredsløb). Denne model er imidlertid kun nyttig, når en strømkilde fungerer inden for dens overensstemmelsesspænding.

Implementeringer

Passiv strømkilde

Den enkleste ikke-ideelle strømkilde består af en spændingskilde i serie med en modstand. Mængden af ​​strøm, der er tilgængelig fra en sådan kilde, er givet ved forholdet mellem spændingen over spændingskilden og modstanden i modstanden ( Ohms lov ; I = V / R ). Denne værdi af strøm vil kun blive leveret til en belastning med nul spændingsfald på tværs af dens terminaler (en kortslutning, en uladet kondensator, en ladet induktor, et virtuelt jordkredsløb osv.) Strømmen leveres til en belastning med nulspænding (fald ) på tværs af dets terminaler (en lineær eller ikke -lineær modstand med en endelig modstand, en ladet kondensator, en uladet induktor, en spændingskilde osv.) vil altid være anderledes. Det er givet ved forholdet mellem spændingsfaldet over modstanden (forskellen mellem spændingsspændingen og spændingen over belastningen) og dens modstand.

For en næsten ideel strømkilde skal værdien af ​​modstanden være meget stor, men dette indebærer, at for en bestemt strøm skal spændingskilden være meget stor (i grænsen, når modstanden og spændingen går i det uendelige, er strømkilden bliver ideel, og strømmen vil slet ikke afhænge af spændingen over belastningen). Således er effektiviteten lav (på grund af effekttab i modstanden), og det er normalt upraktisk at konstruere en 'god' strømkilde på denne måde. Ikke desto mindre er det ofte sådan, at et sådant kredsløb vil give tilstrækkelig ydeevne, når den angivne strøm og belastningsmodstand er lille. For eksempel vil en 5 V spændingskilde i serie med en 4,7 kΩ modstand give en omtrent konstant strøm på 1 mA ± 5% til en belastningsmodstand i området 50 til 450 Ω.

En Van de Graaff -generator er et eksempel på en sådan højspændingsstrømkilde. Det opfører sig som en næsten konstant strømkilde på grund af sin meget høje udgangsspænding kombineret med sin meget høje udgangsmodstand, og leverer derfor de samme få mikroampere ved enhver udgangsspænding op til hundredtusinder af volt (eller endda titalls megavolt ) til store laboratorieversioner.

Aktive strømkilder uden negativ feedback

I disse kredsløb overvåges og styres udgangsstrømmen ikke ved hjælp af negativ feedback .

Nuværende stabil ikke-lineær implementering

De implementeres af aktive elektroniske komponenter (transistorer), der har strømstabil ikke-lineær udgangskarakteristik, når de drives af en stabil indgangsmængde (strøm eller spænding). Disse kredsløb opfører sig som dynamiske modstande, der ændrer deres nuværende modstand for at kompensere strømvariationer. For eksempel, hvis belastningen øger sin modstand, reducerer transistoren sin nuværende outputmodstand (og omvendt ) for at opretholde en konstant total modstand i kredsløbet.

Aktive strømkilder har mange vigtige anvendelser i elektroniske kredsløb . De bruges ofte i stedet for ohmiske modstande i analoge integrerede kredsløb (f.eks. En differentialforstærker ) til at generere en strøm, der afhænger lidt af spændingen over belastningen.

Den fælles emitterkonfiguration drevet af en konstant indgangsstrøm eller spænding og fælles kilde ( fælles katode ) drevet af en konstant spænding opfører sig naturligvis som strømkilder (eller synker), fordi output -impedansen for disse enheder er naturligt høj. Udgangsdelen af ​​det simple strømspejl er et eksempel på en sådan strømkilde, der er meget udbredt i integrerede kredsløb . Den fælles base , fælles gate og fælles netkonfigurationer kan også fungere som konstante strømkilder.

En JFET kan få en til at fungere som en strømkilde ved at binde porten til dens kilde. Den nuværende strømning er I DSS for FET. Disse kan købes med denne forbindelse allerede foretaget, og i dette tilfælde kaldes enhederne strømregulatordioder eller konstantstrømdioder eller strømbegrænsende dioder (CLD). En forbedret tilstand N-kanal MOSFET (metaloxid-halvlederfelt-effekt-transistor) kan bruges i de kredsløb, der er anført nedenfor.

Efter implementering af spænding

Et eksempel: bootstrapped nuværende kilde.

Spændingskompensation implementering

Den simple modstands passive strømkilde er kun ideel, når spændingen over den er nul; så spændingskompensation ved at anvende parallel negativ feedback kan overvejes at forbedre kilden. Operationsforstærkere med feedback fungerer effektivt for at minimere spændingen på tværs af deres input. Dette resulterer i at gøre den inverterende input til en virtuel grund , hvor strømmen løber gennem feedbacken eller indlæsning og den passive strømkilde. Indgangsspændingen kilde, modstanden, og op-amp udgør en "ideel" aktuelle kilde med værdi, I OUT = V IN / R . Den Transimpedansforstærkeren og en op-amp inverterende forstærker er typiske implementeringer af denne idé.

Den flydende belastning er en alvorlig ulempe ved denne kredsløbsløsning.

Nuværende kompensationsimplementering

Et typisk eksempel er Howland nuværende kilde og dens afledte Deboo integrator. I det sidste eksempel (fig. 1) består Howland -strømkilden af ​​en indgangsspændingskilde, V IN , en positiv modstand, R, en belastning (kondensatoren, C, der fungerer som impedans Z ) og en negativ impedansomformer INIC ( R 1 = R 2 = R 3 = R og op-amp). Indgangsspændingskilden og modstanden R udgør en ufuldkommen strømkilde, der passerer strøm, I R gennem belastningen (fig. 3 i kilden). INIC fungerer som en anden strømkilde, der passerer "hjælpende" strøm, I −R , gennem belastningen. Som følge heraf er den samlede strøm, der strømmer gennem belastningen, konstant, og kredsløbsimpedansen, der ses af inputkilden, øges. Howland -strømkilden er imidlertid ikke meget udbredt, fordi den kræver, at de fire modstande er perfekt matchede, og dens impedans falder ved høje frekvenser.

Den jordede belastning er en fordel ved denne kredsløbsløsning.

Nuværende kilder med negativ feedback

De implementeres som en spændingsfølger med seriens negative feedback drevet af en konstant indgangsspændingskilde (dvs. en negativ feedback -spændingsstabilisator ). Spændingsfølgeren indlæses af en konstant (strømfølende) modstand, der fungerer som en simpel strøm-til-spændingsomformer, der er forbundet i feedback-sløjfen. Den eksterne belastning af denne strømkilde er forbundet et eller andet sted i banen til strømmen, der forsyner den aktuelle registreringsmodstand, men ud af feedback -sløjfen.

Spændingsfølgeren justerer sin udgangsstrøm I OUT, der strømmer gennem belastningen, for at gøre spændingsfaldet V R = I OUT R hen over den strømfølende modstand R lig med den konstante indgangsspænding V IN . Således holder spændingsstabilisatoren et konstant spændingsfald hen over en konstant modstand; så en konstant strøm I OUT = V R / R = V IN / R strømmer gennem modstanden og henholdsvis gennem belastningen.

Hvis indgangsspændingen varierer, fungerer dette arrangement som en spænding-til-strøm-omformer (spændingsstyret strømkilde, VCCS); det kan opfattes som en omvendt (ved hjælp af negativ feedback) strøm-til-spændingsomformer. Modstanden R bestemmer overførselsforholdet ( transkonduktans ).

Strømkilder implementeret som kredsløb med seriens negative feedback har den ulempe, at spændingsfaldet over den strømfølende modstand reducerer den maksimale spænding over belastningen ( overensstemmelsesspændingen ).

Enkle transistorstrømkilder

Konstant strømdiode
Den interne struktur af en strømbegrænsende diode

Den enkleste konstantstrømskilde eller sink er dannet af en komponent: en JFET med porten fastgjort til kilden. Når afløbskildespændingen når en bestemt minimumsværdi, går JFET ind i mætning, hvor strømmen er omtrent konstant. Denne konfiguration er kendt som en konstantstrømdiode , da den opfører sig meget som en dobbelt til konstantspændingsdioden ( Zener-diode ), der bruges i enkle spændingskilder.

På grund af den store variation i mætningsstrøm for JFET'er er det almindeligt også at inkludere en kildemodstand (vist i det tilstødende billede), som gør det muligt at justere strømmen til en ønsket værdi.

Zenerdiode strømkilde
Figur 4: Typisk BJT konstant strømkilde med negativ feedback

I denne implementering af bipolar junction transistor (BJT) (figur 4) af den generelle idé ovenfor driver en Zener spændingsstabilisator (R1 og DZ1) en emitterfølger (Q1) indlæst af en konstant emittermodstand (R2), der registrerer belastningsstrømmen. Den eksterne (flydende) belastning af denne strømkilde er forbundet til kollektoren, så næsten den samme strøm strømmer gennem den og emittermodstanden (de kan betragtes som serieforbundne). Transistoren, Q1, justerer output (kollektor) strømmen for at holde spændingsfaldet over den konstante emittermodstand, R2, næsten lig med det relativt konstante spændingsfald over zenerdioden, DZ1. Som følge heraf er udgangsstrømmen næsten konstant, selvom belastningsmodstanden og/eller spændingen varierer. Kredsløbets drift betragtes i detaljer nedenfor.

En zener -diode har , når den er omvendt forudindtaget (som vist i kredsløbet) et konstant spændingsfald hen over den, uanset den strøm der strømmer igennem den. Således, så længe Zener strøm ( I Z ) er over et vist niveau (kaldet holdestrøm), spændingen over Zener diode ( V Z vil) være konstant. Modstand, R1, forsyner Zener -strømmen og basisstrømmen ( I B ) i NPN -transistoren (Q1). Den konstante Zener -spænding påføres på tværs af bunden af ​​Q1 og emittermodstand, R2.

Spænding over R 2 ( V R2 ) er givet ved V Z - V BE , hvor V BE er base-emitter dråbe Q1. Emitterstrømmen for Q1, som også er strømmen til og med R2, er givet ved

Da V Z er konstant og V BE også (omtrent) konstant for en given temperatur, følger det, at V R2 er konstant, og derfor er I E også konstant. På grund af transistoren handling, emitterstrøm, I E , er meget næsten lig med kollektorstrømmen, I C , af transistoren (som igen, er strømmen gennem belastningen). Således er belastningsstrømmen konstant (negligerer transistorens outputmodstand på grund af den tidlige effekt ), og kredsløbet fungerer som en konstant strømkilde. Så længe temperaturen forbliver konstant (eller ikke varierer meget), vil belastningsstrømmen være uafhængig af forsyningsspændingen, R1 og transistorens forstærkning. R2 gør det muligt at indstille belastningsstrømmen til enhver ønsket værdi og beregnes af

hvor V BE typisk er 0,65 V for en siliciumenhed.

( I R2 er også emitterstrømmen og antages at være den samme som kollektoren eller den nødvendige belastningsstrøm, forudsat at h FE er tilstrækkelig stor). Modstand R 1 beregnes som

hvor K = 1,2 til 2 (så R R1 er lav nok til at sikre tilstrækkelig I B ),

og h FE, min er den laveste acceptable strømforstærkning for den særlige transistortype, der anvendes.

LED strømkilde
Figur 5: Typisk konstant strømkilde (CCS) ved hjælp af LED i stedet for zener -diode

Zener -dioden kan erstattes af enhver anden diode; f.eks. en lysemitterende LED1 som vist i figur 5. LED-spændingsfaldet ( V D ) bruges nu til at udlede den konstante spænding og har også den yderligere fordel at spore (kompensere) V BE- ændringer på grund af temperatur. R 2 beregnes som

og R 1 som

, hvor I D er LED -strømmen
Transistorstrømkilde med diodekompensation
Figur 6: Typisk konstant strømkilde (CCS) med diodekompensation

Temperaturændringer vil ændre udgangsstrømmen, der leveres af kredsløbet i figur 4, fordi V BE er følsom over for temperatur. Temperaturafhængighed kan kompenseres ved hjælp af kredsløbet i figur 6, der inkluderer en standarddiode, D, (af det samme halvledermateriale som transistoren) i serie med zenerdioden som vist på billedet til venstre. Diodedråbet ( V D ) sporer V BE -ændringer på grund af temperatur og modvirker dermed væsentligt temperaturafhængighed af CCS.

Modstand R 2 beregnes nu som

Da V D = V BE = 0,65 V ,

(I praksis er V D aldrig ligefrem lig V BE, og det undertrykker derfor kun ændringen i V BE i stedet for at annullere det.)

R 1 beregnes som

(kompensationsvalsen diodens spændingsfald, V D , vises i ligningen og er typisk 0,65 V for siliciumindretninger.)

Nuværende spejl med emitter degeneration

Serie negativ feedback bruges også i det to-transistor nuværende spejl med emitterdegeneration . Negativ feedback er en grundlæggende funktion i nogle aktuelle spejle, der bruger flere transistorer, såsom Widlar -strømkilden og Wilson -strømkilden .

Konstant strømkilde med termisk kompensation

En begrænsning med kredsløbene i figur 5 og 6 er, at den termiske kompensation er ufuldkommen. I bipolære transistorer, som krydset temperatur forøger V be slip (spændingsfald fra base til emitter) aftager. I de to foregående kredsløb vil et fald i V be medføre en stigning i spændingen over emittermodstanden, hvilket igen vil medføre en stigning i kollektorstrøm trukket gennem belastningen. Slutresultatet er, at mængden af ​​'konstant' strøm, der leveres, i det mindste er noget afhængig af temperaturen. Denne effekt formindskes i vid udstrækning, men ikke fuldstændigt, af tilsvarende spændingsfald for dioden, D1, i figur 6 og LED, LED1, i figur 5. Hvis strømafbrydelsen i CCS's aktive enhed ikke er der bruges lille og/eller utilstrækkelig emitterdegeneration, kan dette blive et ikke-trivielt problem.

Forestil dig i figur 5, ved opstart, at LED'en har 1 V på tværs af den, der driver basen af ​​transistoren. Ved stuetemperatur er ca. 0,6 V drop tværs af V være krydset og dermed 0,4 V over emittermodstanden, hvilket giver en omtrentlig solfangeren (belastning) strøm på 0,4 / R e ampere. Forestil dig nu, at effekttab i transistoren får den til at varme op. Dette får V til at falde (som var 0,6 V ved stuetemperatur) til at falde til for eksempel 0,2 V. Nu er spændingen over emittermodstanden 0,8 V, det dobbelte af hvad den var før opvarmningen. Det betyder, at kollektor (belastning) strømmen nu er det dobbelte af designværdien! Dette er selvfølgelig et ekstremt eksempel, men tjener til at illustrere problemet.

Strømbegrænser med NPN -transistorer

Kredsløbet til venstre overvinder det termiske problem (se også strømbegrænsning ). For at se, hvordan kredsløbet fungerer, skal du antage, at spændingen netop er blevet påført ved V+. Strøm løber gennem R1 til bunden af ​​Q1, tænder den og får strøm til at begynde at strømme gennem belastningen ind i kollektoren af ​​Q1. Den samme belastningsstrøm strømmer derefter ud af Q1's emitter og følgelig gennem R -sans til jorden. Når denne strøm gennem R -sans til jord er tilstrækkelig til at forårsage et spændingsfald, der er lig med V være faldet i Q2, begynder Q2 at tænde. Når Q2 tænder, trækker den mere strøm gennem sin kollektormodstand, R1, som afleder noget af den injicerede strøm i bunden af ​​Q1, hvilket får Q1 til at lede mindre strøm gennem belastningen. Dette skaber en negativ tilbagekoblingssløjfe i kredsløbet, som holder spændingen ved Q1s sender næsten nøjagtig lig med V være faldet af Q2. Da Q2 er utrættende meget lidt strøm i forhold til 1. kvartal (da alle belastningsstrømmen går gennem Q1, ikke Q2), vil Q2 ikke varme op nogen betydelig mængde og referencen (nuværende indstilling) spænding over R fornuft vil forblive konstant på ≈0.6 V , eller et diodefald over jorden, uanset de termiske ændringer i V være fald på Q1. Kredsløbet er stadig følsomt over for ændringer i den omgivende temperatur, hvor enheden fungerer, da BE -spændingsfaldet i Q2 varierer lidt med temperaturen.

Op-amp nuværende strømkilder

Figur 7: Typisk op-amp strømkilde.

Den simple transistorstrømkilde fra figur 4 kan forbedres ved at indsætte transistorens basis-emitterforbindelse i feedback-loop af en op-amp (figur 7). Nu øger op-amp sin udgangsspænding for at kompensere for V BE- faldet. Kredsløbet er faktisk en bufret, ikke-inverterende forstærker drevet af en konstant indgangsspænding. Det holder denne konstante spænding på tværs af konstantfølelsesmodstanden. Som følge heraf er strømmen, der strømmer gennem belastningen, også konstant; det er præcis Zener -spændingen divideret med følelsesmodstanden. Belastningen kan tilsluttes enten i emitteren (figur 7) eller i kollektoren (figur 4), men i begge tilfælde flyder den som i alle kredsløbene ovenfor. Transistoren er ikke nødvendig, hvis den krævede strøm ikke overstiger op-amp'ens indkøbsevne. Artiklen om nuværende spejl diskuterer et andet eksempel på disse såkaldte gain-boosted aktuelle spejle.

Figur 8: Konstant strømkilde ved hjælp af spændingsregulatoren LM317

Spændingsregulator strømkilder

Det generelle negative feedback arrangement kan implementeres af en IC spændingsregulator ( LM317 spændingsregulator på figur 8). Som med den bare emitter-følger og den præcise op-amp-follower ovenfor, holder den et konstant spændingsfald (1,25 V) over en konstant modstand (1,25 Ω); så en konstant strøm (1 A) strømmer gennem modstanden og belastningen. Lysdioden lyser, når spændingen over belastningen overstiger 1,8 V (indikator kredsløbet indfører en vis fejl). Den jordede belastning er en vigtig fordel ved denne løsning.

Curpistor -rør

Nitrogenfyldte glasrør med to elektroder og en kalibreret Becquerel (fission pr. Sekund) mængde på 226 Ra tilbyder et konstant antal ladningsbærere pr. Sekund til ledning, som bestemmer den maksimale strøm, røret kan passere over et spændingsområde fra 25 til 500 V.

Strøm og spændingskilde sammenligning

De fleste kilder til elektrisk energi ( net , et batteri osv.) Er bedst modelleret som spændingskilder . Sådanne kilder giver konstant spænding, hvilket betyder, at så længe strømmen udtaget fra kilden er inden kildens kapacitet, dens output spænding forbliver konstant. En ideel spændingskilde giver ingen energi, når den belastes af et åbent kredsløb (dvs. en uendelig impedans ), men nærmer sig uendelig strøm og strøm, når belastningsmodstanden nærmer sig nul (en kortslutning ). En sådan teoretisk enhed ville have en nul ohm udgangsimpedans i serie med kilden. En spændingskilde i den virkelige verden har en meget lav, men ikke-nul udgangsimpedans : ofte meget mindre end 1 ohm.

Omvendt giver en strømkilde en konstant strøm, så længe belastningen, der er forbundet til kildeterminalerne, har tilstrækkelig lav impedans. En ideel strømkilde ville ikke levere energi til en kortslutning og nærme sig uendelig energi og spænding, når belastningsmodstanden nærmer sig uendeligt (et åbent kredsløb). En ideel strømkilde har en uendelig udgangsimpedans parallelt med kilden. En strømkilde i den virkelige verden har en meget høj, men begrænset outputimpedans . I tilfælde af transistorstrømkilder er impedanser på et par megohms (ved lave frekvenser) typiske.

En ideel strømkilde kan ikke forbindes til et ideelt åbent kredsløb, fordi dette ville skabe paradokset for at køre en konstant, ikke-nul strøm (fra den aktuelle kilde) gennem et element med en defineret nulstrøm (det åbne kredsløb). En strømkilde bør heller ikke tilsluttes en anden strømkilde, hvis deres strøm er forskellig, men dette arrangement bruges ofte (f.eks. I forstærkningstrin med dynamisk belastning, CMOS -kredsløb osv.)

På samme måde kan en ideel spændingskilde ikke tilsluttes en ideel kortslutning (R = 0), da dette ville resultere i et lignende paradoks af endelig ikke-nul spænding over et element med defineret nul spænding (kortslutningen). En spændingskilde bør heller ikke tilsluttes en anden spændingskilde, hvis deres spændinger er forskellige, men igen bruges dette arrangement ofte (f.eks. I fælles baser og differentialforstærkningstrin).

I modsætning hertil kan strøm- og spændingskilder forbindes til hinanden uden problemer, og denne teknik bruges i vid udstrækning i kredsløb (f.eks. I cascode -kredsløb , differentialforstærker -trin med fælles emitterstrømkilde osv.)

Fordi der ikke eksisterer nogen ideelle kilder til begge sorter (alle virkelige eksempler har en endelig og ikke-nul kildeimpedans), kan enhver strømkilde betragtes som en spændingskilde med den samme kildeimpedans og omvendt. Disse begreber behandles af Nortons og Thévenins sætninger .

Opladning af kondensator ved konstant strømkilde og ved spændingskilde er anderledes. Linearitet opretholdes for konstant strømkildeladning af kondensator med tiden, mens spændingskildeladning af kondensator er eksponentiel med tiden. Denne særlige egenskab ved konstant strømkilde hjælper med korrekt signalbehandling med næsten nulreflektion fra belastning.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

  • "Aktuelle kilder og spændingsreferencer" Linden T. Harrison; Publ. Elsevier-Newnes 2005; 608 sider; ISBN  0-7506-7752-X

eksterne links