Как мы создаем текущие источники?

Источники постоянного тока... таких устройств в природе нет; почти все источники являются (постоянными) источниками напряжения. Поэтому мы должны их сделать.

Я думаю, вы правы. В силу физики химические батареи (DC) и электромагнитные (AC) почти всегда (место для маневра!) создают источники напряжения. Обратите внимание, однако, что если сопротивление нагрузки очень низкое по сравнению с источником,$R_L << R_S$, что теперь источник становится источником постоянного тока.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Рис. 1. Источник напряжения с внутренним сопротивлением действует как источник тока, когда$R_L << R_S$.

Итак, каковы основные идеи, лежащие в основе современных источников? Как они реализуются на практике? Почему они реализованы именно так? Что делают активные элементы в этих цепях? Какие функции они выполняют?

Идеальный источник напряжения имеет нулевое выходное сопротивление. Идеальный источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление. Напряжение на источнике тока или нагрузке определяется исключительно нагрузкой.

Хотелось бы не только знать конкретные схемотехнические решения... Я хочу в них разобраться... увидеть за ними идею... "лес за деревьями".

Рисунок 2. Этот импульсный драйвер постоянного тока обеспечивает постоянный ток для светодиода в диапазоне напряжений питания и независимо от прямого напряжения светодиода. Если переключение не требуется, подключите In к Vbb. Источник: Простой драйвер постоянного тока .

Теория работы объясняется в моей связанной статье. Основная идея состоит в том, что Q1 включается резистором R1, но поскольку ток через R2 превышает 0,6 В или около того, Q2 включается и крадет смещение у Q1, и схема стабилизируется, когда ток = 0,6/R2. Будут небольшие ошибки из-за тока через R1 и Q2.

Интегрированные регуляторы тока с двумя выводами доступны, например, от Diodes Incorporated.

Рис. 2. SMD-корпус AL5809.

Рисунок 3. AL5809 содержит установленный на заводе стабилизатор постоянного тока с соответствующей схемой управления. Источник изображения: LEDnique.com .

Регулятор напряжения с малым падением напряжения (LDO) обеспечивает питание внутренней схемы. Это определяет минимальное рабочее напряжение устройства, равное 2,5 В. Это означает, что минимальное требуемое напряжение питания равно V _F диодов + 2,5 В. ( V _IN(min) = V _LOAD + 2,5 В.) Предустановленный резистор установки тока светодиода задает опорный ток блока регулирования тока. Резистор установки тока светодиода зависит от каждого варианта AL5809. Точное зеркало тока в блоке управления регулировкой тока увеличивает опорный ток до предустановленного тока светодиода AL5809. Смотрите связанную статью для получения дополнительной информации.

Я изложу свою философию в несколько последовательных шагов, каждый из которых проиллюстрирован красочной картинкой. Левая часть а представляет собой концептуальную электрическую схему, иллюстрирующую основную идею; правая часть b представляет собой примерную электронную схему, основанную на этой идее. Величины не имеют точных значений. Представление столбиками напряжения является приблизительным, но полярность напряжения и направление тока являются реальными, а не произвольными.

В большинстве приведенных ниже случаев я предполагаю, что источники тока производят постоянный ток, а нагрузка (обычно резистивного типа) изменяет свое сопротивление как помеха. Такое расположение лучше всего показывает текущее поведение источника, когда его беспокоят.

В целях понимания на этом интуитивном уровне при введении понятий я использовал нетрадиционный язык, в котором для выявления ассоциаций с хорошо известными явлениями используются описательные и образные термины. Это хорошо известные приемы творческого мышления. Однако приложения объясняются в общепринятых терминах.

Мне удалось выделить шесть основных методов из множества конкретных текущих реализаций исходных кодов. Я буду рад, если вы сможете обогатить их больше.

Являются ли текущие источники действительно источниками?

«Настоящий» источник тока. Простейшая электрическая цепь из возможных состоит из двух элементов - источника и нагрузки (рис. 1а). Здесь источник является настоящим источником тока (в том смысле, что он может «производить» энергию). Простейшей нагрузкой является резистор с сопротивлением RL.

Рис. 1. Интерфейс аналоговой токовой петли

И ток, и сопротивление могут варьироваться в зависимости от конкретного применения. Например, интерфейс аналоговой токовой петли показан на рис. 1b. На входе длинной линии входное напряжение VIN преобразуется в ток I с помощью источника тока, управляемого напряжением . Затем на выходе линии ток преобразуется обратно в падение напряжения на резисторе RL. В этой схеме переменный ток протекает через постоянное сопротивление и создает на нем переменное падение напряжения. Это напряжение определяется законом Ома и может быть значительным. В других приведенных ниже примерах ток будет постоянным, а сопротивление будет меняться.

Суть использования токового интерфейса заключается в том, что источник тока преодолевает любое нежелательное сопротивление и падение напряжения вдоль линии за счет увеличения внутреннего напряжения или уменьшения внутреннего сопротивления (см. рис. 4-7 ниже).

«Неверный» текущий источник. Электронные схемы питаются от источника питания, отрицательный вывод которого (обычно) служит заземлением (рис. 2а). Пара источника и нагрузки выше обычно «растянута» между питающими шинами. Чаще источник подключается к отрицательной шине питания (земле) и действует как приемник ; нагрузка подключена к положительной шине и действует как натяжной элемент . Текущий источник не является истинным в том смысле, что он не может «производить» энергию.

Рис. 2. Решение схемы смещения напряжения (в операционном усилителе Widlar 702)

Каждый из трех атрибутов — ток, сопротивление и напряжение — может варьироваться в зависимости от конкретного применения. Давайте, например, рассмотрим более интересную ситуацию, когда напряжение меняется, а ток и сопротивление остаются постоянными — так называемый «сдвиг напряжения». Этот метод применил Боб Видлар во внутренней структуре своего первого операционного усилителя 702 (рис. 2b). Рассмотрим это гениальное схемотехническое решение.

Эмиттерный повторитель Q5 действует как источник напряжения V из концептуального рис. 2а и задает напряжение верхнего конца R5. «Источник» тока Q9 задает постоянный ток через R5 и, соответственно, постоянное напряжение на нем. Таким образом, резистор R5 действует как своего рода «стабилитрон», который «сдвигает» вниз изменения напряжения эмиттера Q5 к базе Q6.

Как мы создаем текущие источники?

1. Статический резистор. Хотя в электронных схемах элемент, «вырабатывающий» ток I, изображается символом источника тока, он не является источником в прямом смысле слова, поскольку не «вырабатывает» мощность; наоборот, потребляет энергию. Вы можете убедиться сами, увидев, что на рис. 2а выше полярность напряжения источника тока не соответствует направлению тока. Если бы это был источник с достаточно большой величиной тока, он мог бы изменить полярность... но не может... и величина напряжения ограничена напряжением питания.

Итак, этот загадочный элемент чем-то похож на резистор. В простейшем случае это именно резистор (RI на рис. 3а). Для чего нужен этот резистор?

Рис. 3. Токовое зеркало БЯТ

По сути, для получения тока согласно закону Ома I = V/RL нам нужны только напряжение V и сопротивление нагрузки RL. Проблема этого чрезвычайно простого «источника тока» заключается в том, что ток будет полностью определяться нагрузкой... и когда нагрузка меняется, ток также будет меняться. Поэтому для подавления сопротивления нагрузки RL подключаем дополнительный резистор RI.

Примером такого «резисторного» источника тока является входная часть токового зеркала BJT (рис. 3б выше). Резистор RI устанавливает ток через выходную часть T1, действующую как «активный диод». Ток относительно постоянный, так как нагрузка существенно не меняется.

В случае переменного сопротивления нагрузки можно увеличить RI. Чем выше RI, тем больше от него будет зависеть ток... и не будет зависеть от изменения нагрузки - I = V/(RI + RL); только ток будет мал, так как напряжение постоянно и ограничено. Но если колоссально увеличить и напряжение V, и сопротивление RI, RL станет пренебрежимо малым по сравнению с RI... и мы придем к известному из учебников по электротехнике определению идеального источника тока - источнику с бесконечно высоким напряжением и сопротивление. Они высокие, но постоянные (статические)... и в этом беда больших потерь мощности в РИ. Примером такого «идеального» источника тока, сделанного таким глупым способом, является светодиод, питаемый от сети через (большой) резистор.

2. Динамический резистор. В электронных схемах мы поступаем более хитро - варьируя RI противоположно вариациям RL. В результате общее сопротивление остается постоянным... и ток также остается постоянным (рис. 4а). RI динамичен, но низок... так что потери мощности невелики. У нас есть иллюзия чрезвычайно высокого (дифференциального) сопротивления, но фактическое (статическое) сопротивление низкое.

Рис. 4. Источник тока BJT (сток)

На практике динамические резисторы реализуются транзисторами (BJT, MOSFET), имеющими такое поведение. Например, простой источник тока BJT построен таким образом на рис. 4б.

3. Источник динамического напряжения. В приведенной выше схеме, чтобы поддерживать постоянный ток, мы изменяли сопротивление RI, сохраняя при этом постоянное напряжение V. С таким же успехом мы можем изменять напряжение V, сохраняя сопротивление RI постоянным... т. е. питать сеть RI-RL «динамическим источником напряжения» (рис. 5а). Например, если RL увеличить свое сопротивление, то падение напряжения на нем VL = I.RL увеличится... но источник напряжения увеличит свое напряжение V на ту же величину... и ток I = V/(RI + РЛ) не изменится. Образно говоря (для воображения), увеличение напряжения устраняет увеличение сопротивления нагрузки... как будто оно действует как эквивалентное отрицательное сопротивление , которое устраняет увеличение положительного сопротивления.

Рис. 5. Усовершенствованный токовый насос Хоуленда

Прекрасной реализацией этой методики является гениальное схемное решение так называемого «улучшенного токового насоса Хауленда» (рис. 5б). Здесь операционный усилитель действует как источник динамического напряжения V, выходное напряжение которого «поднимается» (инвертирующим входом) при постоянном напряжении VRI выше напряжения нагрузки VL. Выходное напряжение следует за изменениями напряжения нагрузки VL по механизму положительной обратной связи. Комбинацию операционного усилителя и четырех резисторов R можно представить как две каскадные схемы — делитель напряжения справа с отношением R/(R + R) = 1/2 и неинвертирующий усилитель слева с соотношением R/(R + R) = 1/2. коэффициент усиления (R + R)/R = 2. Таким образом, общий коэффициент передачи всей схемы равен 1, а изменения напряжения нагрузки (в нижней части RI) появляются на выходе операционного усилителя (в верхней части RI). ). Как результат, на постоянном резисторе RI наблюдается постоянное падение напряжения; поэтому ток через RI и RL постоянен (не зависит от нагрузки). Цепь можно рассматривать как «повторитель со смещенным напряжением», который ведет себя как источник тока с чрезвычайно высоким дифференциальным внутренним сопротивлением.

Обратите внимание, что хотя существует два вида обратной связи - отрицательная и положительная, этот источник тока не использует никакой обратной связи для поддержания постоянного тока ... это источник тока без отрицательной обратной связи. Схема вслепую корректирует входное напряжение, не следя за конечным результатом — током нагрузки. Поэтому сопротивления должны быть точными.

4. Дополнительный источник напряжения.

«Улучшенная идея Хауленда» гениальна, но во многих случаях мы не можем изменить напряжение питания в зависимости от напряжения нагрузки (например, когда она находится на большом расстоянии от нагрузки). Тогда нам поможет еще одна замечательная идея - вместо того, чтобы повышать напряжение питания с нужным увеличением, мы добавляем его, подключая последовательно (и в том же направлении) к основному источнику напряжения V еще один источник напряжения VH (рис. 6а). Результат тот же, но есть важное преимущество - мы можем разместить этот "поддерживающий" источник напряжения близко к нагрузке.

Мы можем увидеть эту идею в повсеместно распространенной схеме инвертирующего усилителя на ОУ, если нарисуем ее более необычным образом (рис. 6б). Элементы с положительными напряжениями нарисованы выше линии нулевого напряжения (земли); элементы с отрицательным напряжением нарисованы ниже линии нулевого напряжения. Как бы нижняя часть схемы является зеркальной копией верхней части.

Рис. 6. Инвертирующий усилитель на ОУ

Чтобы добавить выходное напряжение VOA к входному напряжению VIN, операционный усилитель вынужден опуститься ниже нуля; следовательно, необходим дополнительный отрицательный источник питания V-. Как видно из принципиальной схемы, «источник» выходного напряжения операционного усилителя VOA (VH на концептуальном рисунке а ) подключен последовательно к источнику входного напряжения VIN (V); поэтому их напряжения суммируются. Схему можно рассматривать как мостовую схему, в которой напряжения слева равны соответствующим падениям напряжения на резисторах справа.

Опять же (для воображения), выходное напряжение операционного усилителя VOA компенсирует падение напряжения VL на нагрузке... как будто оно действует как эквивалентное (управляемое током, также известное как VNIC) отрицательное сопротивление , которое устраняет положительное сопротивление нагрузки. В результате комбинация ОУ, V- и RL действует как "кусок провода"... так называемая виртуальная земля ... и ток зависит только от сопротивления RI и входного напряжения VIN (это не зависит от RL).

Интересный факт, как и выше, хотя в этой инвертирующей схеме есть отрицательная обратная связь, на самом деле этот источник тока не использует отрицательную обратную связь для поддержания постоянного тока... это источник тока без отрицательной обратной связи. Он использует механизм отрицательной обратной связи только для того, чтобы скопировать напряжение на нагрузке на выходе ОУ с целью его последующего вычитания.

5. Отрицательный отзыв. Конечно, совершенная техника заключается в том, чтобы следить за конечным результатом — производимым током; таким образом все виды помех будут компенсированы. Для этого сначала преобразуем ток в падение напряжения, пропуская его через токоизмерительный резистор RI (рис. 7а). Затем мы сравниваем это падение напряжения с эталонным напряжением VREF с помощью устройства сравнения (индикатор нулевого напряжения на этом концептуальном рисунке)... и меняем ток переменным сопротивлением R (или напряжением V). Посмотрим, как эта идея реализована в классическом каскаде с общим эмиттером, где в качестве источника тока выступает эмиттерное вырождение (рис. 7б)

Рис. 7. Транзисторный источник тока с эмиттерным вырождением

Опорное напряжение VREF «вырабатывается» делителем напряжения R1-R2. Ток нагрузки проходит через эмиттерный резистор RE (RI на рис. 7а) и «создает» на нем пропорциональное напряжение VE = IL.RE. Транзистор T сравнивает эти напряжения своим переходом база-эмиттер и изменяет свое динамическое «сопротивление» RT (R на рис. 7а) до тех пор, пока VE не станет (почти) равным VREF (оно было бы точно равным, если включить эмиттерный повторитель T в отрицательная обратная связь операционного усилителя). Таким образом, если RL изменяется, RT будет изменяться в противоположном направлении, так что общее сопротивление сети RL + RT + RE остается постоянным... и, поскольку напряжение питания VCC постоянно, ток IL = VCC/(RL + RT + RE ), проходящий через сеть, является постоянным.

Тогда, если схемы с отрицательной обратной связью так хороши, почему до сих пор широко используются схемы без отрицательной обратной связи? Сравните концептуальный рис. 7а со всеми другими рисунками, и вы найдете ответ - он содержит на один резистор больше, чем нужно для измерения тока. Проблема не в самом резисторе, а в падении напряжения на нем. Поэтому входная часть токового зеркала простого биполярного транзистора (рис. 3б) построена без отрицательной обратной связи.

6. Дополнительный источник тока. На рис. 6 выше мы скомпенсировали «нежелательное» падение напряжения на нагрузке, добавив добавочное напряжение VH к основному напряжению питания V. Для этого мы подключили дополнительный «помогающий» источник напряжения последовательно к нагрузке. С таким же успехом можно напрямую компенсировать уменьшение тока нагрузки (из-за RL), добавляя дополнительный ток к начальному току нагрузки. Посмотрим, какова его величина.

Ток, создаваемый простейшим источником тока на рис. 3а, равен IL = (VIN - VL)/RI = VIN/RI - VL/RI. Он отличается от желаемого тока IL =VIN/RL слагаемым (ошибкой) VL/RI… и это величина дополнительного тока, который мы должны добавить для устранения ошибки. Таким образом, мы можем подключить «вспомогательный» источник тока, создающий ток IH = VL/RI, параллельно нагрузке (рис. 8а), и его ток будет дополнять уменьшенный ток нагрузки до желаемой постоянной величины. Точнее, это управляемый напряжением источник тока (ВУТ), управляемый напряжением нагрузки VL.

Рис. 8. Классический токовый насос Howland

Эта идея остроумно реализована в оригинальном токовом насосе Хоуленда (рис. 8б). Я объясню это двумя способами - обычным и образным.

Согласно общей идее выше, мы можем видеть параллельно три устройства: неидеальный источник входного тока , «помогающий» источник тока и нагрузку RL. Неидеальный источник тока реализован источником входного напряжения VIN с последовательно включенным резистором R. «Вспомогательный» источник тока состоит из операционного усилителя и трех других резисторов R. Эту комбинацию можно рассматривать как неинвертирующий усилитель (состоящий из операционного усилителя и делителя напряжения из двух резисторов R) с коэффициентом усиления 2 Его выходное напряжение (удвоенное напряжение нагрузки VL) преобразуется в ток IH = VL/R, который подается обратно в нагрузку. В результате ток нагрузки увеличивается - IL = IIN + IH = (VIN - VL)/R + VL/R = VIN/R. Так что это не зависит от напряжения нагрузки.

С большим воображением мы можем увидеть в этой VCCS другой тип отрицательного сопротивления - управляемый напряжением, также известный как INIC. Теперь он нейтрализует положительное внутреннее сопротивление R неидеального источника входного напряжения, делая его бесконечно высоким.

Как и в усовершенствованном токовом насосе Хоуленда , есть два вида обратной связи - отрицательная и положительная... но отрицательная обратная связь не используется для поддержания постоянного тока. Схема вслепую "вычисляет" корректирующий ток IH, не отслеживая конечный результат - ток нагрузки. Поэтому сопротивления R должны быть точными.

Смотрите также

Вот некоторые из моих историй о схемах, раскрывающих философию источника постоянного тока.

Новое изобретение источника постоянного тока (рассказ из серии «Истории цепей на доске», раскрывающий философию источника постоянного тока с помощью аналогий)

Создание простейшего источника тока на транзисторе (похожая статья в Викиучебнике, созданная при активном участии моих учеников)

Это был мой рассказ о философии текущих источников. Надеюсь, это поможет вам не только узнать, но и понять их.

Источники постоянного тока [...] таких устройств в природе не существует

Я не согласен 😎

Ток - это поток заряда. Таким образом, источник постоянного тока — это то, что создает постоянный поток заряда.

Такие устройства существуют на физическом уровне, например, солнечные батареи, фотодиоды и т. д. Каждая единица заряда в выходном токе возникает в результате взаимодействия между фотоном и полупроводниковым материалом. Таким образом, поток заряда (ток) пропорционален потоку фотонов (интенсивности света).

Физически это источник тока с пределом выходного напряжения, устанавливаемым утечкой, зависящей от напряжения.

Другим физическим источником тока может быть электронный луч или что-то, что стреляет в цель известным числом заряженных частиц в секунду...