Источники тока и напряжения: Источники тока и напряжения — Студопедия

Содержание

Источники тока и напряжения — Студопедия

Под источником понимают элемент, питающий цепь электромагнитной энергией. Эта энергия потребляется пассивными элементами цепи - запасается в индуктивностях и емкостях и расходуется в активном сопротивлении. Примерами реальных источников электромагнитной энергии могут служить генераторы постоянных, синусоидальных и импульсных сигналов разнообразной формы, сигналы, получаемые от различных датчиков, антенн радиоприемных устройств, источники питания, сигналы, поступающие с выходов электронных устройств и т.д.

Для анализа цепей удобно вводить идеализированные источники двух видов: источник напряжения и источник тока, которые учитывают главные свойства реальных источников. При соответствующем дополнении идеализированных источников пассивными элементами можно передать все свойства реальных источников по отношению к их внешним выводам.

Источник напряжения. Подисточником напряжения понимают такой элемент с двумя выводами (полюсами), напряжение между которыми задано в виде некоторой функции времени независимо от тока, отдаваемого во внешнюю цепь. Зависимость напряжения от тока идеального источника напряжения показана на рис. 1.3. Такой идеализированный источник способен отдавать неограниченную мощность. Наиболее часто применяемые условные графические изображения источника напряжения показаны на том же рисунке, где принятая положительная полярность напряжения источника указывается либо стрелкой внутри кружочка, либо знаками “+”, “-”.


Реальные источники сигнала имеют внутренние сопротивления. К источнику напряжения внутреннее сопротивление подключается последовательно. На рис. 1.4 показаны вольтамперная характеристика и схема реального источника напряжения. Для реального источника выходное напряжение будет равно

Uн = U0 – URвн = U0 – Iн Rвн.

Из формулы видно, что выходное напряжение реального источника тока зависит от тока нагрузки Iн. Чем больше ток нагрузки, тем больше падает напряжение на внутреннем сопротивлении источника, и меньшая часть напряжения U

0 поступает на нагрузку (на выход). С другой стороны, чем больше внутреннее сопротивление Rвн при неизменном токе нагрузки, тем больше падает на нем напряжения, что ведет к уменьшению напряжения на выходе источника. Применительно к электронным схемам внутреннее сопротивление источника часто называют выходным сопротивлением.


В случае идеального источника напряжения, его внутреннее сопротивление равно 0 и напряжение на нагрузке не зависит от тока нагрузки. При этом ток нагрузки может возрастать до бесконечности, если сопротивление нагрузки будет стремиться к 0. В действительности невозможно построить идеальный источник напряжения во всем диапазоне изменения выходного тока. Однако, во многих случаях, для ограниченного диапазона изменения выходного тока некоторые источники можно рассматривать как идеальные.

Например, источник питания в диапазоне рабочих токов имеет очень малое внутреннее сопротивление, которым можно пренебречь, по сравнению с сопротивлением нагрузки. Или другой пример, выходное сопротивление операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, может достигать нескольких сотых долей Ома. Таким внутренним сопротивлением можно пренебречь и рассматривать выход операционного усилителя как идеальный источник напряжения в диапазоне допустимых выходных токов.

Источник тока. Под идеальным источником тока понимают такой элемент цепи, через выводы которого протекает ток с заданным законом изменения во времени независимо от напряжения между выводами. Вольтамперная характеристика и условные графические изображения идеального источника тока показана на рис. 1.5. Независимость тока от напряжения означает, что внутренняя проводимость источника, куда может ответвляться ток, равна 0, а внутреннее сопротивление равно бесконечности. Вольтамперная характеристика и

схема реального источника тока показана на рис. 6. При увеличении напряжения на нагрузке за счет увеличения сопротивления нагрузки увеличивается внутренний ток источника тока. При этом меньшая часть тока I0 поступает в нагрузку. Выходной ток Iн будет равен

Iн = I

0 – Iвн = I0 – Uн / Rвн.

Из формулы видно, что чем больше внутреннее сопротивление источника тока, тем меньше внутренний ток Iвн и большая часть тока I0 отдается в нагрузку. В пределе при Rвн = ∞ весь ток I0 отдается в нагрузку, и ток нагрузки не будет зависеть от напряжения на нагрузке. В этом случае имеем дело с идеальным источником тока. Итак, в идеальном источнике тока внутреннее сопротивление равно бесконечности. В идеальном источнике тока при бесконечной величине сопротивления нагрузки (обрыв цепи нагрузки) на его зажимах будет напряжение бесконечной величины.

Это конечно идеализация – нельзя построить источник тока, у которого величина внутреннего сопротивления рана бесконечности. Однако на практике используются источники тока, построенные на транзисторах, с внутренним сопротивлением, достигающим величин многих мегом и более, работающие в ограниченном диапазоне выходных напряжений. Такие источники тока широко используются в схемах дифференциальных и операционных усилителей, при построении цифро-аналоговых преобразователей, при передаче сигналов по токовой петле и др.

Реальные источники напряжения и тока эквивалентны. Это означает, что относительно своих зажимов схемы ведут себя одинаковым образом, т.е. при анализе схемы один и тот же источник можно рассматривать как реальный источник напряжения или реальный источник тока. Условия эквивалентности можно получить из выражения для напряжения реального источника напряжения

Uн = U0 – Iн Rвн.

Разделим правую и левую части уравнения на Rвн, получим

Uн /Rвн = U0 /Rвн – Iн .

Введем обозначения U0 /Rвн = I0 = const; U0 /Rвн = Iвн и запишем уравнение в следующем виде

Iвн = I0 - Iн или I0 = Iвн + Iн.

Причем на сопротивлениях Rвн и Rн падает одно и то же напряжение Uн, т.е. они соединены параллельно

I0 = Uн /Rвн + Uн /Rн .

Отсюда приходим к схеме реального источника тока, показанного на рис.1.6.

Раз схемы реальных источников напряжения и тока эквивалентны, то возникает вопрос, когда использовать при анализе схемы тот или иной источник? Ответ простой. Используйте тот тип источника, при котором проще анализировать работу схемы. На практике часто поступают следующим образом. Если внутреннее сопротивление источника намного меньше сопротивления нагрузки, то такой источник целесообразно рассматривать как источник напряжения. И в первом приближении величиной внутреннего сопротивления можно пренебречь. Если внутреннее сопротивление намного больше сопротивления нагрузки, то такой источник рассматривают как источник тока. И при первоначальном анализе считают его идеальным. При более детальном анализе схемы учитывают не идеальность источника тока.

Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.

7 050

      Бурыкин Валерий Иванович

      Генератор тока и генератор напряжения. В чём разница? Что такое Генератор тока и каковы области его применения.

      ***

      По работе нужно было найти какое либо внятное описание того, что собой представляет

генератор тока (стабилизатор тока, источник тока), его области применения и примеры расчёта. Ничего приемлемого найти не удалось.

      Пришлось самому приступить к написанию статьи отвечающей на эти вопросы.

      И ещё, пришлось заменить общепринятые обозначения «дельта» и «бесконечность» на слова. К сожалению, вместо них при попытке считать текст отображаются вопросительные знаки.

      28.02.2012г.

      

      ***

      

      Первое, что нам необходимо понять — это то в чём различия генератора тока и стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения.

       Другие названия:

       — источник напряжения;

       — генератор напряжения;

       — источник опорного напряжения (в схемах его обычно обозначают как ИОН).

      Основное требование:

      Uвых. = const.

      Ток в нагрузке подключенной к выходу стабилизатора напряжения изменяется в зависимости от величины Rнагр.

      Идеальный режим работы стабилизатора напряжения соответствует Rнагр. = бесконечности.

      Идеальный генератор напряжения создаёт на сопротивлении нагрузки напряжение стабильной величины. При этом его внутреннее сопротивление равно нулю (Ru = 0). Ток в нагрузке определяется по формуле:

      Iнагр. = U / Rнагр.

      Из этого можно сделать вывод:

      — так как напряжение стабильно, то при изменении Rнагр. будет изменяться ток, протекающий через нагрузку, Рис. 1.


Рис. 1 Схема идеального источника напряжения.

      Идеальный источник напряжения при уменьшении Rнагр. до нуля способен создавать ток бесконечно большой величины.

      Но в жизни ничего идеального не существует, все источники напряжения имеют некоторое внутреннее сопротивление — Ru.

      Это приводит к тому, что напряжение источника делится между внутренним сопротивлением Ru и сопротивлением нагрузки Rнагр, Рис. 2



Рис. 2 Функциональная схема реального источника напряжения.

      Поэтому ток в нагрузке вычисляется по формуле:

      Iнагр. = U / (Ru + Rнагр.)

      Максимальный ток возникает при Rнагр. = 0.

      Из формулы видно — ток в нагрузке зависит от напряжения развиваемого источником, а также от величины суммы сопротивлений Rнагр. и Ru.

      Как правило, внутреннее сопротивление источника напряжения (Ru) выбирается как минимум в 100 раз меньше минимально возможного значения сопротивления нагрузки (Rнагр. min). В этом случае напряжение на выходе источника при изменении сопротивления нагрузки от бесконечности до Rнагр. min будет изменяться не более чем на 1%.

      Т.е. желательно, чтобы соблюдалось условие:

      Rнагр. min => 100*Ru

      В данном случае мы не рассматриваем вопрос о мощности источника напряжения. Мощность зависит от принципа построения источника, реализуемой схемы и применяемых компонентов.

      Теперь посмотрим, что собой представляет генератор тока

Генератор тока.

      Другие названия:

       — источник тока;

       — стабилизатор тока.

      Основное требование:

      Iвых. = const.

      При этом напряжение на нагрузке

изменяется в зависимости от величины Rнагр.

      Идеальный режим работы стабилизатора тока возникает при Rнагр. = 0

      Идеальный источник тока создаёт в нагрузке стабильный ток, то есть — ток, величина которого не зависит от сопротивления нагрузки, Рис. 3.



Рис. 3 Функциональная схема идеального источника тока.

      Так как ток источника не зависит от величины сопротивления нагрузки то при изменении Rнагр. пропорционально будет изменяться и Uнагр.

      Uнагр. = Rнагр. * Iист.

      Идеальным генератором тока считается такой источник, через который протекает ток неизменной величины и не зависящий от Rнагр.

      В таком случае если Rнагр стремится к бесконечности, то Uнагр. так же стремится к бесконечности. Такая ситуация на практике неосуществима. Реальные генераторы тока поддерживают стабильный ток в нагрузке только в пределах от Rнагр. = 0 до некоторой величины Rнагр. max.

      Эквивалентные схемы генераторов тока, приводимые в академической литературе малопонятны, а формулы, описывающие их работу, вряд ли когда-либо понадобятся в практических расчетах.

      Поэтому я начну сразу с практических схем.

      Наиболее доступная и простая как в понимании, так и в расчётах схема выглядит так:



Рис. 4 Практические схемы простых генераторов тока на биполярных транзисторах.

      На рисунке изображены две одинаковые схемы простых генераторов тока. Разница состоит только в том, что применены транзисторы разной проводимости. Другое отличие это то, к какому полюсу источника питания подключена нагрузка.

      В обоих случаях применена схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Эмиттерным повторителем она названа за то, что изменение напряжения на эмиттере (Uэ) повторяет изменение напряжения на базе, в нашем случае это Uстаб.

      Повторяет именно изменение напряжения, а не само напряжение так как существует падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Поэтому в случае усилителя постоянного тока напряжение Uэ будет определяться по формуле:

      Uэ = Uстаб. — Uбэ

      где Uбэ — падение напряжения на переходе база — эмиттер транзистора.

      Поскольку Uэ зависит только от напряжения стабилизации стабилитрона и от напряжения Uбэ, а значения этих напряжений можно считать константами, то в идеальном случае Uэ не будет зависеть от изменения Uпит. и Rн.

      Ток протекающий через Rэ является одновременно и током протекающим через нагрузку, то есть IRэ = Iист.

      Соответственно Iист. вычисляется по формуле:

      Iист. = Uэ / Rэ

      где: Uэ и Rэ константы, следовательно и Iист. — так же константа.

      На самом деле стабильность напряжения Uэ зависит от того насколько стабилитрон VD чувствителен к изменению протекающего через него тока и к воздействию окружающей температуры.

      То же самое относится и к переходу база — эмиттер транзистора.

      Пока будем считать, что эти факторы нас не касаются.

      В этом случае мы будем находиться в счастливом заблуждении, что наши расчёты абсолютно точны.

       Основные параметры источника (генератора) тока:

      1. Величина требуемого СТАБИЛЬНОГО тока — (Iист.).

       Т. е. тока, который питает нагрузку и не изменяется под воздействием внешних факторов.

      2. Максимальное сопротивление нагрузки — (Rнагр. max).

      3. Минимально возможное напряжение источника питания для нашей схемы — (Uпит. min).

Что нужно для расчёта источника тока.

      Самый тяжёлый вариант входных условий.

      Здесь вас пытаются уложить в Прокрустово ложе тем, что лишают манёвра.

      Требования заказчика:

      а. Ток источника тока (генератора тока) = Iист.

      б. Сопротивление нагрузки, которое меняется от Rнагр. min до Rнагр. max.

      Замечу — нижний предел сопротивления нагрузки (Rнагр. min) для генератора тока всегда можете смело принимать за ноль.

      Rнагр. max. — определяется из характеристик питаемого оборудования и важен для расчёта.

      в. Напряжение питания = Uпит.

      Методика расчёта генератора тока.

      Первое, что нужно определить это то какое максимальное напряжение необходимо развить на Rнагр.

      Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max

      Далее определить то, каким запасом по напряжению мы располагаем.

      Uзап. = Uпит. — Uнагр. max

      Нужно понимать, что напряжение запаса должно поделиться между Uкэ. и Uэ.

      Значение напряжения Uкэ. которое снижается до минимального значения при максимальном значении Rнагр. желательно принять не менее 3 Вольт. Конечно чем больше, тем лучше

      Далее можем вычислить с каким максимальным напряжением стабилизации при заданных условиях можно выбрать стабилитрон.

      Uстаб. max = Uзап. — Uкэ + Uбэ

      Сопротивление Rэ рассчитываем по формуле:

      Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист.

      

      Из этой формулы видно, что током генератора тока мы можем управлять двумя способами:

      — изменяя Uстаб.;

      — изменяя Rэ.

      Uбэ — константа и изменению не подлежит.

      Есть ещё один подводный камень, это соотношение напряжений Uбэ и Uстаб.

      Из последней формулы видно, что если Uстаб. окажется меньше или равно Uбэ, то в этом случае Rэ должно быть либо равным нулю, либо отрицательным. И то, и другое невозможно.

      Таким образом, если Uстаб. получится меньше или равно Uбэ то схема окажется неработоспособной, так как в этом случае мы не сможем открыть транзистор и создать хоть какое либо падение напряжения на Rэ.

      Желательно получить Uстаб. в шесть — семь раз превышающее Uбэ.

      Если Uстаб. получается близким по значению к Uбэ то необходимо изменять входные условия. Если вы не можете повлиять на параметры нагрузки: (уменьшить Rнагр. max) или согласовать уменьшение тока от генератора тока, остается только один вариант — увеличить напряжение питания. Если и это невозможно согласовать…. Тогда пошлите заказчика к чёрту, а расчёты выкиньте в корзину.

      

Пример расчета простого генератора тока на биполярном транзисторе

      Тяжёлый вариант.

      Требования заказчика:

      а. Iист. = 20мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Это и есть то самое Прокрустово ложе.

      Простейшая для понимания схема будет такова:



Рис. 5

Пример расчета:

      Первое что нужно сделать, это проверить возможность создания такого генератора тока.

      Попробуем произвести расчёт.

      Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max. = 0.02 * 3 000 = 60В

      Видим неприятную картину.

      Заданное Uпит. меньше требуемого Uнагр. max. Следовательно мы не сможем обеспечить требуемый ток в нагрузке при максимальном сопротивлении Rнагр.

      Что делать?

      Самое удобное для нас это уменьшить ток генератора тока. Как было сказано ранее этого можно добиться либо уменьшая Uстаб., либо увеличивая Rэ.

      Ток при этом определяется по формуле:

      Iист. = (Uстаб. — Uбэ) / Rэ

      Допустим, нам удалось согласовать изменение величины тока.

      Посмотрим, какая величина Iист. нас устроит.

      Как уже говорилось Uстаб. желательно выбрать не менее 6* Uбэ. Среднее значение Uбэ для кремниевых транзисторов составляет 0,65 В. Оно может изменяться в зависимости от выбранного транзистора, но ненамного (если конечно вы не выберете составной транзистор). Рассчитаем величину Uстаб.

      Uстаб. = Uбэ * 6 = 0,65 * 6 = 3,9В

      Обращаемся к справочнику по диодам, находим там раздел «Стабилитроны». И о чудо! Есть такой стабилитрон! И зовут его 2С139А.

      Он обладает следующими параметрами:


      Uст — напряжение стабилизации стабилитрона

      Uст ном — номинальное напряжение стабилизации стабилитрона

      Iст — ток стабилизации стабилитрона

      Iст ном — номинальный ток стабилизации стабилитрона

      Рmax — максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне

      rст — дифференциальное сопротивление стабилитрона

      aст — температурный коэффициент стабилизации стабилитрона

      Тк max — максимально-допустимая температура корпуса стабилитрона

      Далее определим необходимый запас по напряжению.

      Uзап. = Uстаб. — Uбэ + Uкэ = 3,9 — 0,65 + 3 = 6,25 В

      Вычитаем из величины питающего напряжения напряжение запаса и получаем максимально возможное напряжение на нагрузке.

      Uнагр. = Uпит. — Uзап. = 50 — 6,25 = 43,75 В

      Полученную величину Uнагр. делим на Rнагр. max. и получаем то значение тока, которое нас устроит.

      Iист. = Uнагр / Rнагр. max = 43.25 / 3000 = 0.0144 А

      Итак, нам удалось изменить требования заказчика, теперь они выглядят так:

      а. Iист. = 14,4мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Значит, мы можем приступить к окончательному расчёту элементов схемы.

      Rбал. = (Uпит. — Uстаб.) / Iст ном = (50 — 3,9) / 0,01 = 4610 Ом

          Где: Iст ном — взято из справочника.

      Выбираем ближайшее значение Rбал. (желательно в меньшую сторону):

      Rбал. = 4,3кОм.

      

      Определим величину сопротивления Rэ.

      Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист. = (3,9 — 0,65) / 0.0144 = 225,694444444444…….Ом.

      Опять же принимаем ближайшее значение и снова в меньшую сторону.

      Rэ = 220 Ом.

      В итоге получаем окончательную схему.



Рис. 6 Результат расчёта.

      Какой выбрать транзистор VT1?

      Да любой биполярный npn транзистор.

      Нужно помнить только, что у нас задано Uпит = 50 В. А это говорит о том, что допустимое напряжение Uкэ должно быть не менее этого значения (лучше раза в полтора больше). Максимальную мощность, рассеиваемую на корпусе транзистора можно рассчитать исходя из предельного режима, когда Rнагр. = 0.

      В этом случае Uкэ будет равно Uпит.-Uэ.

      Значит, мощность рассеяния можно определить из формулы:

      Pк max = (Uпит. — (Uстаб. — Uбэ)) * Iист. = (50 — (3,9 — 0,65)) * 0,0144 = 0,673 W

      где Pк — мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора и выбирается она из справочника. (Надеюсь нет смысла объяснять почему нужно выбрать транзистор с несколько большим Pк?).

      В этом расчёте мы исходим из условия короткого замыкания в нагрузке.

      Можно конечно произвести расчёт из условия Rнагр = Rнагр. min, т.е. то минимальное сопротивление которое задано заказчиком. В этом случае Pк max. получится меньше, но в тоже время источник может оказаться слишком чувствительным к короткому замыканию в нагрузке.

      Может случиться так, что заказчик не пойдет на то чтобы изменить входные параметры.

      В этом случае нужно понять: какую сумму он готов заплатить за готовое изделие.

      Физика есть физика и против её законов не попрёшь.

      Если заказчик готов раскошелиться, то в схему можно ввести дополнительный источник питания, позволяющий входное напряжение 50В преобразовать в то напряжение, которое позволит нам вписаться в исходные условия.

      Рассчитаем какое минимальное Uпит. нам необходимо для удовлетворения первоначальных условий. Вот эти условия:

      а. Iист. = 20мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Uэ и Uкэ можно оставить прежними, к ним у нас претензий быть не должно.

      То, какое максимальное напряжение на нагрузке при данных условиях мы должны развить уже было рассчитано (Uнагр. max = 60 В).

      В этом случае (если мы снова возьмём стабилитрон 2С139А) минимальное значение напряжения питания можно определить из формулы:

      Uпит. min = Uнагр. max + Uэ + Uкэ = 60 + 3,25 + 3 = 66,25 В

      где Uэ = Uстаб. — Uбэ.

      Для ровного счёта примем Uпит. min = 67 В.

      В этом случае схема примет следующий вид:



Рис. 7 Генератор тока с внутренним источником напряжения.

      Есть одно НО! Добавление этого квадратика может увеличить стоимость схемы в сотню раз. Хотя желание заказчика мы при этом удовлетворим.

      Иногда в схему генератора тока вводят операционный усилитель (другое название — дифференциальный усилитель). Это позволяет создать большой коэффициент усиления в цепи отрицательной обратной связи и исключить влияние Uбэ транзистора на стабильность выходного тока.

      Пример такой схемы приведён на Рис. 8.

      Расчёт такой схемы отличается только тем, что нужно забыть об Uбэ.



Рис. 8 Генератор тока с дифференциальным усилителем.

      Можно пойти дальше и создать стабилизатор тока с регулируемым значением Iист.

      В этом случае желательно заменить стабилитрон на маломощный линейный стабилизатор напряжения. Обычно такие стабилизаторы напряжения в схемах обозначаются как ИОН (источник опорного напряжения).

      Вот пример такой схемы:



Рис. 9 Регулируемый генератор тока.

      Ну вот, кажется всё основное, то что касается построения и расчёта генераторов тока я изложил.

      Теперь встаёт вопрос…. А на кой чёрт нам всё это нужно?

      Ну, стабилизаторы напряжения… — тут всё понятно!

      Широко применяются в бытовой и промышленной электронике. Ни одно современное электронное устройство не обходится без них.

      А зачем нужно устройство, которое не может поддерживать стабильное напряжение на нагрузке, и это напряжение постоянно «гуляет», а величина этого напряжения будто привязана к величине Rнагр.?

      Рассмотрим некоторые области применения генераторов тока (стабилизаторов тока, источников тока).

      Первая и наверное самая распространённая область — это источники стабильного напряжения, как раз то без чего не обходится практически ни одно современное электронное устройство.

      В простейшем случае общая схема стабилизатора напряжения выглядит так:



Рис. 10 Функциональная схема стабилизатора напряжения.

      Обозначения в схеме:

      

      ИОН — источник опорного напряжения;

      Уош. — усилитель ошибки;

      Uоп. — опорное напряжение;

      Uдел. — напряжение снимаемое с делителя подключенного к выходному напряжению стабилизатора напряжения.

      Uош. — напряжение ошибки, оно вычисляется как Uоп. — Uдел.

      

      Напряжение на выходе стабилизатора зависит от величины Uоп. и коэффициента деления делителя.

      Uстаб. = Uоп * (Rдв + Rдн) / Rдн

      Усилитель ошибки сравнивает два напряжения Uоп. и Uдел., его главная задача поддерживать Uош. близким к нулю, а следовательно следить за тем, чтобы Uстаб. оставалось неизменным.

      Допустим мы имеем почти идеальный Уош., способный удерживать Uош. в десятки тысяч раз меньшим чем Uоп. (такие дифференциальные каскады сейчас существуют)

      В этом случае мы можем пренебречь влиянием элементов схемы Уош. на величину Uстаб. и главным виновником в нестабильности выходного напряжения при изменении Uпит. будет ИОН.

      

      Простейший источник опорного напряжения выглядит так:



Рис. 11 Простой источник опорного напряжения.

      Допустим, в процессе эксплуатации, Uпит. может изменяться от 18 до 36 Вольт.

      Мы располагаем всё тем же стабилитроном 2С139А (учтите, буквы русские).

      Первое что нужно сделать это рассчитать Rбал. Оно рассчитывается исходя из минимальной величины Uпит, при этом следует задаться минимальным током стабилитрона Iстаб. min.

      Из справочных данных следует что рабочий диапазон токов стабилитрона лежит в пределах 3 — 70 mA. Номинальный ток — 10 mA. Подбираться слишком близко к нижнему пределу не стоит, так как при этом слишком сильно возрастает Rст. Определимся с минимальным током стабилитрона равным 7mA.

      Тогда:

      Rбал. = (Uпит. min — Uстаб.) / Iстаб. min = (18 — 3.9) / 7 = 2.014 кОм.

      Ближайшее значение 2 кОм.

      При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,54 В.

     Динамическое сопротивление стабилитрона:

     rст = 60 Ом (См. табдицу выше).

     dI = dU/2кОм = 9мА

     dUоп. = dI*rст. = 0.009*60 = 0.54 В

      Разделив дельту на номинальное напряжение стабилитрона, определим величину нестабильности напряжения такого ИОН:

      0,54 / 3,9 = 0,135

      Т.е. нестабильность ИОН будет равна 13,5%.Понятно, что напряжение на выходе стабилизатора напряжения будет изменяться по такому же закону. И его нестабильность так же составит 13,5%.

      Посмотрим на сколько при таком изменении напряжения питания изменится ток протекающий через стабилитрон.

      Изменение тока протекающего через стабилитрон можно вычислить по следующей формуле:

      дельта Iстаб. = (Uпит. max — Uпит. min) / Rбал. = (36 — 18) / 2000 = 9 mA.

      Изменение тока составило 129% так как:

      дельта Iстаб. / Iстаб. min = 9 / 7 = 1,29

      Но нестабильность по напряжению в 13,5% нас не устраивает. Что делать?

      Вот здесь нам и придёт на помощь его величество Генератор Тока.

      Давайте запитаем стабилитрон, с которого будем снимать опорное напряжение, через это самое величество:



Рис. 12 Схема ИОН с повышенной стабильностью Uоп.

      Допустим VD1 иVD2 будут всё те же 2С139А. В этом случае Rбал. так же будет равно 2 кОм.

      Зададимся током через VD2. По справочнику номинальный ток этого стабилитрона 10 mA. Не мудрствуя лукаво примем это за истину.

      Вычислим величину Rэ.

      Rэ = (UVD1 — Uбэ.) / IVD2 = (3.9 — 0.65) / 10 = 0.325 кОм.

      Принимаем ближайшее значение 330 Ом.

      Изменение тока протекающего через Rэ, а значит и через VD2 при изменении Uпит. на 18 Вольт будет таким же как и изменение напряжения на VD1 рассчитанное ранее, т.е. 13,5%.

      Абсолютная величина изменения тока VD2 составит: 10mA * 13.5% = 1,35mA, в отличии от 9 mA в VD1. Это приведёт к изменению напряжения на стабилитроне VD2 на 0,081V. Нестабильность опорного напряжения снизится до 2,1%.

      Вместо 13,5% на VD1!

      И это притом, что я выбрал довольно паршивый стабилитрон. Хотите получить меньшую нестабильность выбирайте стабилитрон с меньшим Rст.

      

      Ну вот, с одной областью применения генераторов тока кажется разобрались.

      Что же ещё? Где ещё нам может понадобиться источник стабильного тока?

      Да там где используются резистивные датчики.

      Фоторезисторы, термосопротивления, резистивные тензодатчики и т.д. и т.п.



Рис. 13 Один из вариантов подключения датчиков к генератору тока.

      Сопротивление таких датчиков является функцией какого либо внешнего параметра — температуры, освещённости, давления. Обозначим зависимость Rдат. от величины параметра (P) как f(P).

      Как правило, сопротивление связано с измеряемым параметром определённой математической формулой. Ток протекающий через датчик в случае использования идеального источника тока не зависит от Uпит.

      Падение напряжения на Rдат будет определяться по формуле:

       Uдат. = Iист. * f(P).

      Так как Iист. = const, то Uдат. будет изменяться по тому же закону что и Rдат. Вот здесь нам и пригодилось то, что напряжение на выходе генератора тока «привязано» к Rнагр.

      А дальше всё просто: берём контроллер на основе микропроцессора, закладываем в него софт состоящий из многих программ предназначенных для расчёта различных f(P), программу опроса множества датчиков, величины критических значений измеряемых параметров и подключаем всё это к центральному компьютеру межзвёздного корабля.

      Теперь дежурная вахта в любой момент может получить информацию о величине температуры, освещения и давления в сотнях, а может и тысячах отсеках корабля, и даже о том, с каким ускорением летит корабль.

      Лифт сможет сообщить о том, каков вес груза находящегося в кабине.

      Вот кажется и всё то основное, что я хотел рассказать о генераторе тока.

      Теперь вернёмся к началу статьи. В чём всё-таки сходства и различия генераторов (стабилизаторов, источников) тока от устройств поддерживающих на своём выходе стабильное напряжение (стабилизаторов напряжения)?

      Составим таблицу сравнительных характеристик.


      Отсюда видно, что генератор тока и стабилизатор напряжения представляют собой зеркальное отражение друг друга.

      Я описал лишь некоторые области применения источников тока. На самом деле их намного больше.

      Дерзайте.

      Если вы заметили в статье я постоянно «путал» названия: генератор, источник, стабилизатор.

      Это сделано специально. Т.к. в различной литературе по электронике и электротехнике вы можете столкнуться с любым из них.

      

       И ещё.

      Часто производители в описании своей продукции делают большую ошибку.

      Вот пример:

      

       С сайта «FG Wilson (Engineering) Ltd» :

      

       Схема стабилизатора напряжения R438 обеспечивает управление по замкнутому циклу для выходного напряжения генератора переменного тока регулированием тока поля возбудителя. R438 может получать питание от поля системы с бесщеточным самовозбуждением или ПМГ и, как вариант, устанавливается на следующих генераторах переменного тока:

      Генераторы переменного тока серии 1000*

      Генераторы переменного тока серии 2000

      Генераторы переменного тока серии 3000

      

      В стабилизаторе напряжения R438 предусмотрена возможность проведения следующих регулировок (перед проведением регулировок необходимо внимательно ознакомиться с руководством по установке и техническому обслуживанию генератора переменного тока)

      

      Я не буду воспроизводить всю статью, но и из этой выдержки видно, что для того, кто писал описание этого устройства нет разницы между генератором напряжения и генератором тока.

       На самом деле это совершенно разные устройства.

      Если мы говорим о генераторе тока, то это означает, что нормирован ток.

      Если мы говорим о генераторе напряжения, то это означает, что нормировано напряжение.

      Дополнительно о стабилизаторах тока и напряжения читайте в статье «Стабилизатор тока и стабилизатор напряжения» этого раздела.


1.04. Источники тока и напряжения

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Напряжение, ток и сопротивление


Идеальный источник напряжения - это «чёрный ящик», имеющий два вывода, между которыми он поддерживает постоянное падение напряжения независимо от величины сопротивления нагрузки. Это означает, например, что он должен порождать ток, равный
I = UR, если к выводам подключить резистор с сопротивлением R. Реальный источник напряжения не может дать ток, больший некоторого предельного максимального значения, и в общем случае он ведёт себя как идеальный источник напряжения, к которому последовательно подключён резистор с небольшим сопротивлением. Очевидно, чем меньше сопротивление этого последовательно подключённого резистора, тем лучше. Например, стандартная щелочная батарея на 9 В в последовательном соединении с резистором, имеющим сопротивление 3 Ом, ведёт себя как идеальный источник напряжения 9 В и даёт максимальный ток (при замыкании накоротко) величиной 3 А (который, к сожалению, погубит батарею за несколько минут). По понятным причинам источник напряжения «предпочитает» нагрузку в виде разомкнутой цепи, а нагрузку в виде замкнутой цепи «недолюбливает». (Понятия «разомкнутая цепь» и «замкнутая цепь» очевидны: к разомкнутой цепи ничего не подключено, а в замкнутой цепи кусок провода замыкает выход.) Условные обозначения источников напряжения приведены на рис. 1.7.

Условные обозначения источников напряжения

Рис. 1.7.

Идеальный источник тока - это «чёрный ящик», имеющий два вывода и поддерживающий постоянный ток во внешней цепи независимо от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Для того чтобы выполнять свои функции, он должен уметь поддерживать нужное напряжение между своими выводами. Реальные источники тока (самая нелюбимая тема для большинства учебников) имеют ограниченный диапазон, в котором может изменяться создаваемое ими напряжение (он называется рабочим диапазоном выходного напряжения или просто диапазоном), и, кроме того, выходной ток источника нельзя считать абсолютно постоянным. Источник тока «предпочитает» нагрузку в виде замкнутой цепи, а нагрузку в виде разомкнутой цепи «недолюбливает». Условные обозначения источника тока приведены на рис. 1.8.

Условные обозначения источника тока

Рис. 1.8.

Хорошим примером источника напряжения может служить батарея (для источника тока подобной аналогии найти нельзя). Например, стандартная батарейка от карманного фонаря обеспечивает напряжение 1.5 В, ее эквивалентное последовательное сопротивление составляет 1/4 Ом, а общий запас энергии равен приблизительно 10000 Вт·с (постепенно эти характеристики ухудшаются; к концу срока службы батарейки напряжение может составлять около 1 В, а внутреннее сопротивление - несколько ом). О том, как создать источник напряжения с лучшими характеристиками, вы узнаете, когда мы изучим обратную связь. В электронных устройствах, за исключением портативных, батарейки используются редко. В гл. 14 мы рассмотрим интересную тему конструирования маломощных схем (на батарейках).


Сигналы


Разница между источником тока и источником напряжения

Трудно представить современный мир без электричества, телефон останется без подзарядки, а просмотр фильма попросту станет невозможен. Да, без этого явления жизнь покажется тяжелой. Но для того чтобы получить его, нужен поток энергии, физическая составляющая которого, может иметь различный характер. В электротехнике принято подразделять элементы питания на две группы: по постоянному току или напряжению. Они бывают идеальными, но существующие лишь в теории и реальные, которые возможно увидеть на практике.

Идеальный источник тока (генератор)

Для начала рассмотрим абстрактный вариант: сила тока, созданная в этом устройстве, всегда одинаковая. Опираясь на закон Ома, можно легко сделать заключение, что напряжение находится в зависимости лишь от сопротивления подключенной нагрузки. Внутреннее сопротивление такого элемента питания имеет бесконечную величину, поэтому не воздействует на основной параметр. Вследствие того, что сила тока значение постоянное, то на значение мощности теоретического агрегата влияет только сопротивление подключенной нагрузки. В устройстве, при возникновении короткого замыкания, также сохраняется основное свойство источника.

Такой идеальный элемент можно создать лишь в теории, его применяют при моделировании электромагнитных процессов. На практике такой системы достичь невозможно, поэтому рассмотрим материальную вариацию.

Реальный генератор

Главное различие между реальным и идеальным устройством — наличие внутреннего сопротивления. Чем выше данный параметр, тем ближе элемент к улучшенному варианту. Из этого следует, что напряжение и мощность значения конечные, т. е имеют определенный рабочий диапазон. При этом система также обладает ограничением по присоединяемой нагрузке. При решении задач, реальное устройство изображают в качестве идеального, с подключенным в параллель внутренним сопротивлением.

Реальный генератор

Эксплуатация данного агрегата возможна при холостом ходе (без внешней нагрузки) вследствие того, что имеем замкнутый контур за счет внутреннего сопротивления. Ток на выходе во время такого режима снижается до нулевого значения. При подключении накоротко (режим короткого замыкания) получим максимальную величину, а выходное напряжение опустится до 0.

В качестве примера такого устройства, обратимся к катушке индуктивности. Это положение справедливо в момент размыкания цепи. Так разность потенциалов в таком режиме резко увеличивается по сравнению с предыдущим состоянием. Все дело в ЭДС самоиндукции возникающей в этом элементе. При увеличении напряжения катушка накапливает энергию, при снижении отдает ее в сеть.

Еще одним примером является вторичная обмотка трансформатора тока, которая в нормальных условиях работы всегда должна быть закорочена. В противном случае, если в ней произойдет разрыв, то она станет генератором. Все дело в законе сохранения энергии, так мощность на первичной и вторичной обмотке должна быть одинаковой. Параметры первичной обмотки неизменны, вследствие конструктивных особенностей трансформатора (обмотка имеет один виток). При обрыве во вторичной обмотке, упорядоченного движения заряженных частиц не будет, соответственно напряжение резко возрастет.

Идеальный источник напряжения (ЭДС)

У идеального устройства, напряжение является неизменным параметром и не зависит от значения нагрузочного тока, вместе с тем, его внутреннее сопротивление равно 0. Если создание данного прибора было бы возможным, то он представлял источник бесконечной мощности. Величина тока и мощности при подключенной нагрузке стремилась к бесконечному числу. Но, как мы знаем мощность, имеет конечное значение.

Описанный элемент питания, является теоретическим понятием, на практике таких условий достичь невозможно, поэтому применяется лишь в моделировании процессов.

Реальный источник напряжения

В реальности имеем устройство ЭДС, которое характеризуется наличием внутреннего сопротивления, по этой причине ток будет иметь граничное значение. В большинстве устройств внутреннее сопротивление незначительная величина, если сравнивать с внешними показателями, и чем меньше это параметр, тем ближе к идеальному варианту. При увеличении тока будет происходить падение напряжения. В расчетах обозначается как идеальный источник ЭДС с подключенным последовательно сопротивлением. Ток через источник равен 0, если создан режим холостого хода. При возникновении короткого замыкания, примет максимальное значение, а разность потенциалов на выходе станет равной 0.

В качестве примера можно рассмотреть аккумуляторную батарею, принцип работы которой, основан на химической реакции.

Аккумуляторная батарея

Вывод

  • Реальные приборы в отличие от идеальных устройств содержат внутреннее сопротивление.
  • Что касается отличия идеального устройства тока от напряжения, то оно заключается в том, какой параметр является постоянным и не зависит от присоединяемой нагрузки. Это соответствует их названиям, для приборов ЭДС– напряжение, для генератора – ток.
  • При составлении схемы замещения, внутреннее сопротивление источника тока подключается параллельно, напряжения – последовательно.
  • Для реальных устройств, существует разница во внутреннем сопротивлении: для генераторов лучше иметь большое сопротивление, для источника ЭДС – малое.

Идеальные источники тока и напряжения — Студопедия

Как и в случае идеальных пассивных элементов, при идеализации активных элементов (источник напряжения, источник тока) на них накладывают энергетические ограничения. Первое ограничение заключается в том, что в идеальных активных элементах не происходит ни рассеяния, ни накопления электрической энергии. Второе ограничение состоит в том, что идеальные активные элементы обладают неограниченной мощностью, которую они могут отдавать в электрическую цепь.

Идеальным источником напряжения называют активный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от параметров цепи, подключенной к нему, т.е. не зависит от величины тока, протекающего через источник.

Условное графическое обозначение идеального источника напряжения показано на рис.1.15. Его выполняют в виде окружности (обычно диаметром 8 мм), внутри которой располагается стрелка, указывающая положительное направление ЭДС . На зажимах источника возникает напряжение .

Рис. 1.15. Условное графическое изображение идеального источника напряжения

В соответствии с определением идеального источника напряжения, он имеет внутреннее сопротивление и обладает бесконечной мощностью. Так, если сопротивление нагрузки на зажимах источника ,то его ток ( ), а напряжение источника остается равным , что и приводит к бесконечно большой величине мощности , которой не может обладать реальный источник напряжения.

Идеальным источником тока называется идеализированный активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Условное обозначение идеального источника тока показано на рис.1.16. Двойная стрелка (рис. 1.16,а) показывает направление тока внутри источника.


В соответствии с определением идеального источника тока, он обладает бесконечной мощностью и имеет внутреннее сопротивление . Так, если сопротивление нагрузки

(рис. 1.16,б) неограниченно увеличивать ( ), то по определению, через нее должен проходить ток i, создавая на зажимах напряжение и мощность будет неограниченно увеличиваться ( ).

Рис. 1.16. Идеальный источник тока:

а – условное графическое изображение;

б – подключение нагрузки к источнику тока

источники напряжения и источники тока — Студопедия

Активные элементы – источники электрической энергии: источники напряжения и источники тока. Эти источники представляются в виде активного двухполюсника ( рисунок 2.1).

В теории электрических цепей пользуются идеализированными источниками электрической энергии: источником ЭДС и источником тока.

Идеальный источник ЭДС – активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от тока, проходящего через источник. Упорядоченное перемещение положительных зарядов в источнике от меньшего потенциала к большему возможно за счет присущих источнику сторонних сил. Величина работы, затрачиваемой сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от зажима «плюс» к зажиму «минус» называется электродвижущей силой источника и обозначается .

Напряжение на зажимах рассматриваемого источника равно его ЭДС, т. е.

Графическое изображение идеального источника ЭДС следующее:

Рисунок 2.5 Условное графическое обозначение источника ЭДС

Стрелкой указано положительное направление ЭДС или полярность источника. Источник ЭДС конечной мощности изображается в виде источника ЭДС с подключенным к нему последовательно пассивным элементом, который характеризует внутренние параметры источника и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю электрическую цепь.

Идеальный источник тока – активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Внутренне сопротивление идеального источника тока бесконечно велико, и поэтому параметры внешней электрической цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника, не влияют на ток источника.


Графическое обозначение идеального источника тока следующее:

Рисунок 2.6 Условное графическое обозначение источника тока

Стрелка в источнике тока указывает положительное направление тока , т. е. направление перемещения положительных зарядов. Источник тока конечной мощности изображается в виде идеального источника тока с подключенным к его зажимам пассивным элементом, который характеризует внутренние параметры источника и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю электрическую цепь.

Источники тока (напряжения) подразделяются на:

- независимые

- зависимые.

Вольт - амперная характеристика (ВАХ) –графическое изображение зависимости между напряжением на зажимах элемента электрической цепи и током, протекающим в этой цепи.

-

Вольт – амперные характеристики идеальных источников ЭДС и тока представляются прямыми, параллельными осям тока и напряжения.

Реальные источники энергии по своим вольт – амперным характеристикам могут приближаться к идеальным источникам тока и ЭДС.

Методические рекомендации.

После изучения подразделов 2.1 и 2.2 дайте письменные ответы на контрольные вопросы, приведенные ниже.

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах

Схемы генераторов тока, разновидности токовых зеркал, Онлайн калькулятор
расчёта элементов источников тока.


На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию "Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования", поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока.
- Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! - начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин.
- Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц - как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков.
"Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?" - станет темой нашего научного коллоквиума.

Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:

«Источник тока - элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока...» - учит нас Википедия.

Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.

Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока.
Первой и основной из них является величина выходного тока.
Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.
Третья спецификация - это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме.
В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.

Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.1

Схема источника тока на биполярном транзисторе - самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков - и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк≈β×Iб.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток - практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников.
Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.

Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) - вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Единственное, но существенное в отдельных случаях "но" состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой никаким боком к земле.
Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой Iн= Uвх/R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.
Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.2

Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока.
За примерами далеко ходить не надо - источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока.
Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку.
Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб.
Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать - максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы.
Выходной ток рассчитывается по простой формуле Iн≈0,6/ R1.
В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.3


Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока.
Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2.

Здесь ток   Ik1, задаваемый резистором R1:
Iк1≈(Eп-0,7)/(R1+ Rэ1),
а ток, протекающий в нагрузке:
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.4


Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые двойным зеркалом тока.
Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние.

Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1),
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.5


Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток.

Все формулы аналогичны предыдущему описанию:
Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1),
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.6


Каскодный генератор тока, изображённый на Рис. 6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в несколько МОм.

И опять - всё то же самое:
Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1),
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).

Легко заметить, что для всех типов приведённых токовых зеркал формула для расчёта выходного тока - одна и та же. Формула приблизительная, не учитывающая влияние на расчётные показатели незначительных величин базовых токов транзисторов, однако дающая возможность с погрешностью, не превышающей 5-7%, рассчитать величины токозадающих элементов.


При необходимости сгенерить ток обратного направления, следует перевернуть схему вверх ногами и заменить n-p-n транзисторы на полупроводники обратной проводимости.

И по традиции приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.

РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников, практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем. При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.
Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.6

Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах - занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное.
Другое дело - специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа.
Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Рис.7

Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент.
Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.

А на следующей странице продолжим тему - посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах

 

Источник напряжения

В теории электрических цепей идеальный источник напряжения - это элемент цепи, где напряжение на нем не зависит от проходящего через него тока. Источник напряжения - это двойник источника тока. При анализе источник напряжения обеспечивает постоянный постоянный или переменный потенциал между своими выводами для любого тока, протекающего через него. Реальные источники электроэнергии, такие как батареи, генераторы или энергосистемы, могут быть смоделированы для целей анализа как комбинация идеального источника напряжения и дополнительных комбинаций элементов импеданса.

Принципиальная схема идеального источника напряжения В , управляющего резистором R и создающего ток I

Идеальные источники напряжения

Идеальный источник напряжения - это математическая абстракция, упрощающая анализ электрических цепей. Если напряжение на идеальном источнике напряжения может быть определено независимо от любой другой переменной в цепи, он называется независимым источником напряжения . И наоборот, если напряжение на идеальном источнике напряжения определяется каким-либо другим напряжением или током в цепи, он называется зависимым или управляемым источником напряжения.Математическая модель усилителя будет включать в себя зависимые источники напряжения, величина которых, например, определяется некоторой фиксированной зависимостью от входного сигнала. [1] При анализе неисправностей в электроэнергетических системах вся сеть взаимосвязанных источников и линий передачи может быть с успехом заменена идеальным источником напряжения (переменного тока) и одним эквивалентным сопротивлением.

Символы, используемые для источников напряжения

Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю; он может подавать или поглощать любое количество тока.Ток через идеальный источник напряжения полностью определяется внешней цепью. При подключении к разомкнутой цепи возникает нулевой ток и, следовательно, нулевая мощность. При подключении к сопротивлению нагрузки ток через источник приближается к бесконечности, а сопротивление нагрузки приближается к нулю (короткое замыкание). Таким образом, идеальный источник напряжения может обеспечивать неограниченную мощность.

Нет идеального источника напряжения; все имеют отличное от нуля эффективное внутреннее сопротивление, и ни один не может обеспечивать неограниченный ток.Однако внутреннее сопротивление реального источника напряжения эффективно моделируется при анализе линейной цепи путем объединения ненулевого сопротивления последовательно с идеальным источником напряжения (эквивалентная схема Тевенина).

Сравнение источников напряжения и тока

Большинство источников электрической энергии (сеть, аккумулятор) моделируются как источники напряжения. Идеальный источник напряжения не обеспечивает энергии, когда он нагружен разомкнутой цепью (то есть бесконечным импедансом), но приближается к бесконечной энергии и току, когда сопротивление нагрузки приближается к нулю (короткое замыкание).Такое теоретическое устройство должно было бы иметь выходной импеданс нулевого Ом последовательно с источником. Реальный источник напряжения имеет очень низкий, но ненулевой выходной импеданс: часто намного меньше 1 Ом.

И наоборот, источник тока обеспечивает постоянный ток, пока нагрузка, подключенная к клеммам источника, имеет достаточно низкий импеданс. Идеальный источник тока не будет обеспечивать энергию короткого замыкания и приближаться к бесконечным энергии и напряжению, когда сопротивление нагрузки приближается к бесконечности (разомкнутая цепь).Источник тока ideal имеет неограниченное выходное сопротивление параллельно источнику. Реальный источник тока имеет очень высокий, но конечный выходной импеданс. В случае транзисторных источников тока типичным является импеданс в несколько МОм (на низких частотах).

Поскольку не существует идеальных источников ни того, ни другого (все реальные примеры имеют конечный и ненулевой импеданс источника), любой источник тока можно рассматривать как источник напряжения с таким же импедансом источника и наоборот. К. С. А. Смит, Р. Э. Аллей, Электрические цепи: введение , Cambridge University Press, 1992 ISBN 0521377692, стр. 11-13

См. Также

.

155 Источник переменного / постоянного тока и напряжения

Попробуйте без риска с нашей 90-дневной гарантией возврата денег при заказе источника тока и напряжения 155 непосредственно у Lake Shore Cryotronics.

Положения и условия

  • Это ограниченное по времени предложение распространяется на первый заказ Покупателя на источник MeasureReady 155.
  • Заказ должен быть размещен непосредственно через Lake Shore Cryotronics.
  • 90-дневный период начинается с даты отгрузки продукта с завода в Лейк-Шор.
  • Перед возвратом любого прибора MeasureReady 155 покупатель должен связаться с компанией Lake Shore Cryotronics для получения разрешения на возврат материалов (RMA).
  • Покупатель несет ответственность за все расходы по доставке и транспортировке любого продукта MeasureReady 155, возвращенного в Lake Shore Cryotronics (550 Tressler Drive, Westerville, OH 43082).
  • Возвращенный прибор MeasureReady 155 должен быть отправлен в оригинальной упаковке и включать все содержимое, входящее в исходную поставку.
  • Плата за пополнение запасов не взимается, и покупателю будет зачислен полный возврат первоначальной покупной цены MeasureReady 155 (без учета первоначальной стоимости доставки и погрузочно-разгрузочных работ), если материалы будут получены компанией Lake Shore в первоклассном товарном виде. состояние. Любые дополнительные расходы, необходимые для возврата полученного материала в первоклассное товарное состояние, могут быть вычтены из предоставленного кредита.
  • Применяются все остальные стандартные положения и условия.

Низкий уровень шума при постоянном токе без ущерба для полосы пропускания переменного тока

Малошумящий прецизионный источник тока и напряжения MeasureReady ™ 155 сочетает в себе превосходные характеристики с беспрецедентной простотой для материаловедов и инженеров, которым требуется точный источник напряжения и тока.

Обладая обширным опытом в области создания малошумящих приборов для исследований, компания Lake Shore использовала новейшие электронные технологии для снижения минимального уровня шума внутри и вне полосы для источника MeasureReady 155 до уровней, которые ранее были возможны только с использованием надстройки. фильтры. Результатом является комбинация источника переменного / постоянного тока и напряжения, которая хорошо подходит для задач определения характеристик чувствительных материалов и устройств, где требуются более низкие сигналы возбуждения и минимальное введение шума в измерения. необходимо.

Несмотря на внутреннюю сложность, 155 необычайно проста в эксплуатации. Ведущие продуктовые дизайнеры отмечают, что простое намного сложнее выполнить, чем сложное - простое размещение сенсорного экрана на сложном продукте не поможет. сделай это проще. Современный, ориентированный на пользователя дизайн MeasureReady 155 от Lake Shore представляет собой лаконичный и интуитивно понятный интерфейс, который мгновенно становится знакомым и естественным для любого, у кого есть смартфон.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *