Тұрақты ток көзі және оның түрлері

Кіріспе

Кернеуге қарамастан тұрақты электр тогын жеткізетін электрондық компонент – электр тогын өткізетін немесе сіңіретін, кернеуге тәуелсіз электрондық схема. Ток көзі – кернеу көзіне қарама-қарсы. Теріс кернеумен қуатталатын көздер үшін кейде "ток сіңіргіш" термині қолданылады. 1-суретте кедергілік жүктемені қозғайтын идеалдық ток көзінің схемалық белгісі көрсетілген. Олардың екі түрі бар. Тәуелсіз ток көзі (немесе сіңіргіші) тұрақты ток береді. Тәуелді ток көзі – тізбектегі басқа кернеу немесе токқа пропорционалды ток береді.

Пассивті ток көзі

Ең қарапайым идеалды емес ток көзі – кернеу көзі мен резистордан тұрады. Мұндай көзден алынатын ток мөлшері кернеу көзіндегі кернеутің резистордың кедергісіне қатынасымен анықталады (Ом заңы; I = V/R). Бұл ток мәні тек жүктемедегі кернеу түсірілімі нөлге тең болған жағдайда ғана беріледі (мысалы, қысқа тұйықталу, зарядталмаған конденсатор, зарядталған индуктор, виртуалды жер схемасы және т.б.). Жүктемедегі кернеу түсірілімі нөлден өзгеше болған жағдайда (шектелген кедергісі бар сызықтық немесе сызықтық емес резистор, зарядталған конденсатор, зарядталмаған индуктор, кернеу көзі және т.б.) берілетін ток әрқашан өзгеше болады. Ол резистордағы кернеу түсірілімінің (қоздырушы кернеу мен жүктемедегі кернеу арасындағы айырмашылық) оның кедергісіне қатынасымен анықталады. Идеалды ток көзіне жақын болу үшін резистордың мәні өте үлкен болуы керек, бірақ бұл белгілі бір ток үшін кернеу көзінің де өте үлкен болуын білдіреді (кедергі мен кернеу шексіздікке ұмтылғанда, ток көзі идеалды болады және ток жүктемедегі кернеуге ешқандай тәуелділік көрсетпейді). Осылайша, тиімділік төмен болады (резисторда қуат жоғалуына байланысты) және осылайша «жақсы» ток көзін құру көбінесе практикалық емес. Дегенмен, мұндай тізбек көрсетілген ток пен жүктеме кедергісі шағын болғанда жеткілікті нәтиже бере алады. Мысалы, 4,7 кОм кедергісі бар 5 В кернеу көзі 50-ден 450 Ом-ға дейінгі жүктеме кедергісіне 1 мА ± 5% шамасындағы тұрақты ток береді. Ван-де-Графф генераторы – мұндай жоғары кернеулі ток көзінің мысалы. Ол өте жоғары шығыс кернеуімен және өте жоғары шығыс кедергісімен байланысты шамамен тұрақты ток көзі ретінде жұмыс істейді, сондықтан ол жүздеген мың вольтқа (немесе тіпті ондаған мегавольтқа) дейінгі кез келген шығыс кернеуінде бірнеше микроамперді қамтамасыз етеді (үлкен зертханалық үлгілері үшін).

The simplest non ideal current source consists of a voltage source in series with a resistor. The amount of current available from such a source is given by the ratio of the voltage across the voltage source to the resistance of the resistor (Ohm's law; 1=I = V/R). This value of current will only be delivered to a load with zero voltage drop across its terminals (a short circuit, an uncharged capacitor, a charged inductor, a virtual ground circuit, etc.) The current delivered to a load with nonzero voltage (drop) across its terminals (a linear or nonlinear resistor with a finite resistance, a charged capacitor, an uncharged inductor, a voltage source, etc.) will always be different. It is given by the ratio of the voltage drop across the resistor (the difference between the exciting voltage and the voltage across the load) to its resistance. For a nearly ideal current source, the value of the resistor should be very large but this implies that, for a specified current, the voltage source must be very large (in the limit as the resistance and the voltage go to infinity, the current source will become ideal and the current will not depend at all on the voltage across the load). Thus, efficiency is low (due to power loss in the resistor) and it is usually impractical to construct a 'good' current source this way. Nonetheless, it is often the case that such a circuit will provide adequate performance when the specified current and load resistance are small. For example, a 5 V voltage source in series with a 4.7 kΩ resistor will provide an approximately constant current of 1 mA ± 5% to a load resistance in the range of 50 to 450 Ω. A Van de Graaff generator is an example of such a high voltage current source. It behaves as an almost constant current source because of its very high output voltage coupled with its very high output resistance and so it supplies the same few microamperes at any output voltage up to hundreds of thousands of volts (or even tens of megavolts) for large laboratory versions.

Теріс кері байланыссыз белсенді ток көздері

Бұл тізбектерде шығыс тогы теріс кері байланыс арқылы қадағаланбайды және реттелмейді.

Ағымдағы тұрақты сызықтық емес іске асыру

Олар тұрақты кіріс шамасымен (ток немесе кернеу) басқарылғанда ток тұрақты, сызықтық емес шығыс сипаттамасына ие белсенді электрондық компоненттер (транзисторлар) арқылы іске асырылады. Бұл тізбектер динамикалық кедергілер ретінде жұмыс істейді, ағымдағы өзгерістерді өтеу үшін олардың қазіргі кедергісін өзгертеді. Мысалы, егер жүктеме кедергісін арттырса, транзистор тізбектегі тұрақты жалпы кедергіні сақтау үшін оның қазіргі шығыс кедергісін азайтады (және керісінше). Активті ток көздері электрондық тізбектерде көптеген маңызды қолданымдарға ие. Олар аналогты интегралдық тізбектерде (мысалы, дифференциалдық күшейткіште) оммалық резисторлардың орнына, жүктемедегі кернеуге аз мөлшерде тәуелді ток тудыру үшін жиі қолданылады. Тұрақты кіріс тогымен немесе кернеуімен басқарылатын ортақ эмиттер конфигурациясы және тұрақты кернеумен басқарылатын ортақ көз (жалпы катод) құрылғылардың шығыс кедергісі табиғи түрде жоғары болғандықтан, ток көздері (немесе тұндырғыштар) ретінде табиғи түрде жұмыс істейді. Қарапайым ток айнасының шығыс бөлігі – интегралдық тізбектерде кеңінен қолданылатын осындай ток көзінің мысалы. Ортақ база, ортақ қақпа және ортақ желілік конфигурациялар да тұрақты ток көздері ретінде қызмет ете алады. JFET-тің қақпасын оның көзіне қосу арқылы оны ток көзі ретінде пайдалануға болады. Одан ағатын ток FET-тің IDSS-і болады. Мұндай құрылғыларды осы қосылыммен дайын күйде сатып алуға болады, және олар ток реттегіш диодтар, тұрақты ток диодтары немесе ток шектегіш диодтар (CLD) деп аталады. Сондай-ақ, аталған тізбектерде ұқсас функционалдылық үшін JFET орнына кеңейтілген режимдегі N-арналы MOSFET (металл-оксидті жартылай өткізгіштік өрістік эффекті транзисторы) қолданылуы мүмкін.

Кернеуді іске асырудан кейін

Мысал: бастапқы ток көзі.

Кернеуді өтеуді іске асыру

Қарапайым резисторлық пассивті ток көзі тек оның бойындағы кернеу нөлге тең болғанда ғана идеалды болады; сондықтан көзді жақсарту үшін теріс кері байланыс арқылы кернеуді компенсациялау қарастырылуы мүмкін. Кері байланыспен жұмыс істейтін операциялық күшейткіштер кірістері арасындағы кернеуді азайтуға тиімді жұмыс істейді. Бұл инверттеуші кірістің виртуалды жерге айналуына әкеледі, сонда ток кері байланыс немесе жүктеме арқылы, сондай-ақ пассивті ток көзі арқылы өтеді. Кіріс кернеу көзі, резистор және операциялық күшейткіш бірге "идеалды" ток көзін құрайды. Трансимпеданс күшейткіші және операциялық күшейткіштің инверттеуші күшейткіші – бұл идеяның әдеттегі іске асырылуы. Бұл схемадағы жүктеменің тұрақсыздығы – бұл шешімнің маңызды кемшілігі.

Қазіргі кездегі өтемақыны жүзеге асыру

Типикалық мысал - Хауленд тогының көзі және оның туындысы, Дебу интеграторы. Соңғы мысалда (сурет 1), Хауленд тогының көзі кіріс кернеу көзі VIN, оң кедергі R, жүктеме (конденсатор C, импеданс Z ретінде әрекет етеді) және теріс импеданс түрлендіргіші INIC (және операциялық күшейткіштен) тұрады. Кіріс кернеу көзі және кедергі R жүктеме арқылы IR тогын өткізетін, толық емес ток көзін құрайды (көз дерегіндегі 3-сурет). INIC екінші ток көзі ретінде жүктеме арқылы "көмектесетін" I-R тогын өткізеді. Нәтижесінде жүктеме арқылы өтетін жалпы ток тұрақты болады және кіріс көзі көретін тізбек импедансы артады. Дегенмен, Хауленд тогының көзі кеңінен қолданылмайды, себебі ол төрт кедергінің мінсіз сәйкес келуін қажет етеді, сондай-ақ оның импедансы жоғары жиіліктерде төмендейді. Бұл тізбек шешімінің артықшылығы - жүктемені жерге қосу мүмкіндігі.

Теріс кері байланыс бар ағымдағы көздер

Олар тұрақты кіріс кернеу көзімен (яғни, теріс кері байланыспен кернеуді тұрақтандырғыш) басқарылатын сериялық теріс кері байланыспен кернеуді жалғаушы ретінде іске асырылады. Кернеуді жалғаушы кері байланыс тізбегіне қосылған қарапайым ток-кернеу түрлендіргіші ретінде әрекет ететін тұрақты (токты сездіретін) кедергімен жүктеледі. Осы ток көзінің сыртқы жүктемесі ток сездіретін кедергіге ток жеткізетін жолдың бір жеріне, бірақ кері байланыс тізбегінен тыс қосылады. Кернеуді жалғаушы жүктеме арқылы өтетін шығыс тогын IOUT реттейді, осылайша ток сездіретін кедергі R арқылы кернеудің түсуі тұрақты кіріс кернеуі VIN-ге тең болады. Осылайша, кернеуді тұрақтандырғыш тұрақты кедергі арқылы тұрақты кернеудің түсуін сақтайды; демек, тұрақты ток кедергі арқылы және сәйкесінше жүктеме арқылы өтеді. Егер кіріс кернеуі өзгерсе, бұл құрылым кернеу-ток түрлендіргіші (кернеумен басқарылатын ток көзі, VCCS) ретінде әрекет етеді; оны теріс кері байланыс арқылы жұмыс істейтін ток-кернеу түрлендіргіші деп қарастыруға болады. R кедергісі беру коэффициентін (транспроводимость) анықтайды. Сериялық теріс кері байланыс схемалары түрінде іске асырылған ток көздерінің кемшілігі – ток сездіретін кедергі арқылы кернеудің түсуі жүктемедегі максималды кернеуді (келісім кернеуін) төмендетеді.

Тұрақты ток диоды

Тұрақты ток көзі немесе тұндырғышы бір компоненттен құралады: көзіне қосылған қақпасы бар JFET. Ағын-көз кернеуі белгілі бір ең төменгі мәнге жеткенде, JFET ток шамамен тұрақты болатын қанығу режиміне енеді. Бұл конфигурация тұрақты ток диоды деп аталады, себебі ол қарапайым кернеу көздерінде қолданылатын тұрақты кернеу диодына (Зенер диодына) ұқсас келеді. JFET-тердің қанығу тогының кең ауқымда өзгеруіне байланысты, көбінесе токты қажетті деңгейге дейін реттеуге мүмкіндік беретін бастапқы резисторды (жанындағы суретте көрсетілген) қосу қалыпты жағдай.

Zener диодты ток көзі

Бұл жоғарыдағы жалпы идеяның биполярлы тоқпен басқарылатын транзистор (BJT) (4-сурет) бойынша жүзеге асырылуында, Зенер кернеуін тұрақтандырғыш (R1 және DZ1) жүктеме тогын сезетін тұрақты эмитерлік кедергімен (R2) жүктелген эмитерлік іздеушіні (Q1) басқарады. Осы ток көзінің сыртқы (қалқымалы) жүктемесі коллекторға қосылған, сондықтан одан және эмитерлік кедергіден дерлік бірдей ток өтеді (оларды тізбекке жалғанған деп есептеуге болады). Транзистор Q1 шығыс (коллектор) тогын реттейді, сонда тұрақты эмитерлік кедергі R2 арқылы кернеудің түсуі, Зенер диоды DZ1 арқылы салыстырмалы түрде тұрақты кернеудің түсуіне тең болады. Нәтижесінде, жүктеме кедергісі және/немесе кернеуі өзгерсе де, шығыс тогы дерлік тұрақты болады. Схеманың жұмыс істеу принципі төменде егжей-тегжейлі қарастырылады. Зенер диоды кері полярленген кезде (схемада көрсетілгендей), одан өтетін токқа қарамастан, тұрақты кернеудің түсуіне ие болады. Осылайша, Зенер тогы (IZ) белгілі бір деңгейден жоғары болғанда (бұл деңгейді ұстап тұру тогы деп атайды), Зенер диодындағы кернеу (VZ) тұрақты болады. Резистор R1 Зенер тогын және NPN транзисторының (Q1) базалық тогын (IB) қамтамасыз етеді. Тұрақты Зенер кернеуі Q1 транзисторының базасы мен эмитерлік кедергі R2-ге түсіріледі. R2 кедергісіндегі кернеу (VR2) VZ - VBE арқылы анықталады, мұнда VBE – Q1 транзисторының база-эмиттерлік түсуі. Q1 транзисторының эмитерлік тогы, сонымен қатар R2 кедергісінен өтетін ток, мына формуламен беріледі:

In this bipolar junction transistor (BJT) implementation (Figure 4) of the general idea above, a Zener voltage stabilizer (R1 and DZ1) drives an emitter follower (Q1) loaded by a constant emitter resistor (R2) sensing the load current. The external (floating) load of this current source is connected to the collector so that almost the same current flows through it and the emitter resistor (they can be thought of as connected in series). The transistor, Q1, adjusts the output (collector) current so as to keep the voltage drop across the constant emitter resistor, R2, almost equal to the relatively constant voltage drop across the Zener diode, DZ1. As a result, the output current is almost constant even if the load resistance and/or voltage vary. The operation of the circuit is considered in details below. A Zener diode, when reverse biased (as shown in the circuit) has a constant voltage drop across it irrespective of the current flowing through it. Thus, as long as the Zener current (IZ) is above a certain level (called holding current), the voltage across the Zener diode (VZ) will be constant. Resistor, R1, supplies the Zener current and the base current (IB) of NPN transistor (Q1). The constant Zener voltage is applied across the base of Q1 and emitter resistor, R2. Voltage across R2 (VR2) is given by VZ − VBE, where VBE is the base emitter drop of Q1. The emitter current of Q1 which is also the current through R2 is given by

Since VZ is constant and VBE is also (approximately) constant for a given temperature, it follows that VR2 is constant and hence IE is also constant. Due to transistor action, emitter current, IE, is very nearly equal to the collector current, IC, of the transistor (which in turn, is the current through the load). Thus, the load current is constant (neglecting the output resistance of the transistor due to the Early effect) and the circuit operates as a constant current source. As long as the temperature remains constant (or doesn't vary much), the load current will be independent of the supply voltage, R1 and the transistor's gain. R2 allows the load current to be set at any desirable value and is calculated by

where VBE is typically 0.65 V for a silicon device. (IR2 is also the emitter current and is assumed to be the same as the collector or required load current, provided hFE is sufficiently large). Resistance R1 is calculated as

where K = 1.2 to 2 (so that RR1 is low enough to ensure adequate IB),

and hFE,min is the lowest acceptable current gain for the particular transistor type being used.

VZ тұрақты және VBE де (шамамен) тұрақты болғандықтан, VR2 тұрақты болады, демек IE де тұрақты. Транзистордың әрекетіне сәйкес, эмитерлік ток IE транзистордың коллекторлық тогына IC-ге (ол өз кезегінде жүктеме арқылы өтетін токқа) өте жақын. Осылайша, жүктеме тогы тұрақты (транзистордың шығыс кедергісін Эрли эффектісінен туындаған кедергіні ескермеу) және схема тұрақты ток көзі ретінде жұмыс істейді. Температура тұрақты болғанша (немесе көп өзгермейінше), жүктеме тогы қоректендіру кернеуінен, R1 кедергісінен және транзистордың күшейту коэффициентінен тәуелсіз болады. R2 кедергісі жүктеме тогын кез келген қажетті мәнге орнатуға мүмкіндік береді және мына формуламен есептеледі:

мұнда VBE кремнийлі құрылғы үшін әдетте 0,65 В-қа тең. (IR2 сондай-ақ эмитерлік ток болып табылады және hFE жеткілікті үлкен болса, коллекторлық немесе қажетті жүктеме тогымен бірдей деп есептеледі). R1 кедергісі мына формуламен есептеледі:

мұнда K = 1,2-ден 2-ге дейін (RR1 IB-ді қамтамасыз ету үшін жеткілікті төмен болуын қамтамасыз ету үшін) және hFE,min – қолданылатын транзистордың белгілі бір түрі үшін ең төменгі қабылданатын ток күшейту коэффициенті.

Ағымдағы және кернеу көздерін салыстыру

Электр энергиясының көптеген көздері (желілік электр, батарея және т.б.) кернеу көздері ретінде модельделеді. Мұндай көздер тұрақты кернеуді қамтамасыз етеді, яғни көзден алынатын ток көздің мүмкіндіктері шегінде болғанда, оның шығыс кернеуі тұрақты болады. Идеалдық кернеу көзі ашық тізбекпен (яғни шексіз кедергімен) жүктелгенде энергия бермейді, бірақ жүктеме кедергісі нөлге (қысқа тізбек) жақындағанда шексіз қуат пен токқа жақындайды. Мұндай теориялық құрылғыда көзбен тізбектес нөлдік Омдық шығыс кедергісі болады. Нақты әлемдегі кернеу көзі өте төмен, бірақ нөлдік емес шығыс кедергісіне ие: көбінесе 1 Омнан аспайды. Керісінше, ток көзі, егер де көз терминалдарына қосылған жүктеме жеткілікті төмен кедергіге ие болса, тұрақты ток береді. Идеалдық ток көзі қысқа тізбекке энергия бермейді және жүктеме кедергісі шексізге жақындағанда (ашық тізбек) шексіз энергия мен кернеуге жақындайды. Идеалдық ток көзі көзбен параллель шексіз шығыс кедергісіне ие. Нақты әлемдегі ток көзі өте жоғары, бірақ шекті шығыс кедергісіне ие. Транзисторлық ток көздері жағдайында бірнеше мегольмға дейінгі (төмен жиіліктерде) кедергілер кездеседі. Идеалдық ток көзін идеалдық ашық тізбекпен қосуға болмайды, өйткені бұл тұрақты, нөлдік емес токты (ток көзінен) нөлдік ток анықталған элемент арқылы (ашық тізбек) өткізудің парадоксын тудырады. Сондай-ақ, егер ток көздері әртүрлі болса, ток көзін басқа ток көзіне қосуға болмайды, бірақ бұл схема жиі қолданылады (мысалы, динамикалық жүктемелі күшейткіш сатыларында, CMOS тізбектерінде және т.б.). Сол сияқты, идеалдық кернеу көзін идеалдық қысқа тізбекпен (R = 0) қосуға болмайды, өйткені бұл нөлдік кернеуді анықталған элемент арқылы нөлдік емес кернеудің ұқсас парадоксын тудырады (қысқа тізбек). Сондай-ақ, кернеу көзін басқа кернеу көзіне кернеулері әртүрлі болса, қосуға болмайды, бірақ бұл схема жиі қолданылады (мысалы, ортақ негіз және дифференциалдық күшейткіш сатыларында). Керісінше, ток пен кернеу көздерін бір-бірімен ешқандай проблемасыз қосуға болады және бұл техника схемаларда кеңінен қолданылады (мысалы, каскодтық тізбектерде, ортақ эмиттерлік ток көзі бар дифференциалдық күшейткіш сатыларында және т.б.). Себебі, екі түрдің идеалдық көздері жоқ (барлық нақты әлемдегі мысалдарда шекті және нөлдік емес кедергі бар), кез келген ток көзін бірдей кедергісі бар кернеу көзі ретінде қарастыруға болады және керісінше. Бұл ұғымдар Нортон мен Тевенин теоремаларымен қарастырылады. Конденсаторды тұрақты ток көзімен және кернеу көзімен зарядтау әр түрлі. Конденсатордың тұрақты ток көзіне уақыт бойынша зарядталуы сызықтық болады, ал конденсатордың кернеу көзіне зарядталуы уақыт бойынша экспоненциалды болады. Тұрақты ток көзінің бұл ерекше қасиеті сигналды дұрыс кондициялауға көмектеседі, ал жүктемеден кері байланыс нөлге жуық болады.

Most sources of electrical energy (mains electricity, a battery, etc.) are best modeled as voltage sources. Such sources provide constant voltage, which means that as long as the current drawn from the source is within the source's capabilities, its output voltage stays constant. An ideal voltage source provides no energy when it is loaded by an open circuit (i. e., an infinite impedance), but approaches infinite power and current when the load resistance approaches zero (a short circuit). Such a theoretical device would have a zero ohm output impedance in series with the source. A real world voltage source has a very low, but non zero output impedance: often much less than 1 ohm. Conversely, a current source provides a constant current, as long as the load connected to the source terminals has sufficiently low impedance. An ideal current source would provide no energy to a short circuit and approach infinite energy and voltage as the load resistance approaches infinity (an open circuit). An ideal current source has an infinite output impedance in parallel with the source. A real world current source has a very high, but finite output impedance. In the case of transistor current sources, impedances of a few megohms (at low frequencies) are typical. An ideal current source cannot be connected to an ideal open circuit because this would create the paradox of running a constant, non zero current (from the current source) through an element with a defined zero current (the open circuit). Also, a current source should not be connected to another current source if their currents differ but this arrangement is frequently used (e. g., in amplifying stages with dynamic load, CMOS circuits, etc.) Similarly, an ideal voltage source cannot be connected to an ideal short circuit (R = 0), since this would result a similar paradox of finite non zero voltage across an element with defined zero voltage (the short circuit). Also, a voltage source should not be connected to another voltage source if their voltages differ but again this arrangement is frequently used (e. g., in common base and differential amplifying stages). Contrary, current and voltage sources can be connected to each other without any problems, and this technique is widely used in circuitry (e. g., in cascode circuits, differential amplifier stages with common emitter current source, etc.) Because no ideal sources of either variety exist (all real world examples have finite and non zero source impedance), any current source can be considered as a voltage source with the same source impedance and vice versa. These concepts are dealt with by Norton's and Thévenin's theorems. Charging of capacitor by constant current source and by voltage source is different. Linearity is maintained for constant current source charging of capacitor with time, whereas voltage source charging of capacitor is exponential with time. This particular property of constant current source helps for proper signal conditioning with nearly zero reflection from load.