Введение
Электронный компонент, обеспечивающий стабильный электрический ток независимо от напряжения.
Источник тока — это электронная схема, которая выдает или поглощает электрический ток, не зависящий от напряжения на его выводах. Источник тока является двойственным к источнику напряжения. Термин "поглотитель тока" иногда используется для источников, питаемых от отрицательного напряжения. На рисунке 1 представлена условная схема идеального источника тока, нагруженного резистивным сопротивлением. Существуют два типа источников тока. Независимый источник тока (или поглотитель) обеспечивает постоянный ток. Зависимый источник тока выдает ток, пропорциональный другому напряжению или току в цепи.
Пассивный источник тока
Самый простой неидеальный источник тока состоит из источника напряжения, включенного последовательно с резистором. Величина тока, доступного от такого источника, определяется отношением напряжения на источнике напряжения к сопротивлению резистора (закон Ома; I = V/R). Это значение тока будет выдаваться только нагрузке с нулевым падением напряжения на ее клеммах (короткое замыкание, незаряженный конденсатор, заряженная катушка индуктивности, схема виртуальной земли и т.п.). Ток, подаваемый нагрузке с ненулевым напряжением (падением напряжения) на ее клеммах (линейный или нелинейный резистор с конечным сопротивлением, заряженный конденсатор, незаряженная катушка индуктивности, источник напряжения и т.д.), всегда будет отличаться. Он определяется отношением падения напряжения на резисторе (разницы между приложенным напряжением и напряжением на нагрузке) к его сопротивлению. Для почти идеального источника тока значение резистора должно быть очень большим, но это подразумевает, что для заданного тока источник напряжения должен быть очень высоким (в пределе, когда сопротивление и напряжение стремятся к бесконечности, источник тока станет идеальным, и ток вообще не будет зависеть от напряжения на нагрузке). Таким образом, эффективность низкая (из-за потерь мощности в резисторе), и обычно непрактично создавать «хороший» источник тока таким способом. Тем не менее, часто такая схема обеспечивает достаточную производительность, когда заданный ток и сопротивление нагрузки малы. Например, источник напряжения 5 В, включенный последовательно с резистором 4,7 кОм, обеспечит приблизительно постоянный ток 1 мА ± 5% при сопротивлении нагрузки в диапазоне от 50 до 450 Ом. Генератор Ван-де-Граафа является примером такого источника тока высокого напряжения. Он ведет себя как почти постоянный источник тока из-за его очень высокого выходного напряжения в сочетании с его очень высоким выходным сопротивлением, и поэтому он обеспечивает те же несколько микроампер при любом выходном напряжении до сотен тысяч вольт (или даже десятков мегавольт) для больших лабораторных установок.
Активные источники тока без отрицательной обратной связи
В этих схемах выходной ток не измеряется и не регулируется с помощью отрицательной обратной связи.
Нелинейная реализация с постоянным током
Они реализуются активными электронными компонентами (транзисторами), обладающими стабильной нелинейной выходной характеристикой при воздействии постоянной величины на входе (тока или напряжения). Эти схемы ведут себя как динамические резисторы, изменяя свое текущее сопротивление для компенсации изменений тока. Например, если сопротивление нагрузки увеличивается, транзистор уменьшает свое текущее выходное сопротивление (и наоборот), чтобы поддерживать постоянное общее сопротивление в цепи. Источники активного тока имеют множество важных применений в электронных схемах. Они часто используются вместо обычных резисторов в аналоговых интегральных схемах (например, в дифференциальном усилителе) для создания тока, слабо зависящего от напряжения на нагрузке. Схема с общим эмиттером, управляемая постоянным входным током или напряжением, и схема с общим истоком (общим катодом), управляемая постоянным напряжением, естественно ведут себя как источники тока (или стоки), поскольку выходное сопротивление этих устройств естественно высокое. Выходная часть простого зеркала тока является примером такого источника тока, широко используемого в интегральных схемах. Схемы с общим базом, общим затвором и общей сеткой также могут служить источниками постоянного тока. JFET можно использовать в качестве источника тока, соединив его затвор с истоком. В этом случае протекающий ток будет равен IDSS этого JFET. Такие устройства можно приобрести с уже выполненным соединением, и в этом случае они называются диодами-регуляторами тока, диодами постоянного тока или диодами ограничения тока (CLD). В качестве альтернативы, для аналогичной функциональности вместо JFET в перечисленных ниже схемах можно использовать N-канальный MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) с каналом обогащения.
После внедрения напряжения
Пример: источник тока с обратной связью.
Реализация компенсации напряжения
Простой пассивный токовый источник на резисторе идеален только при нулевом напряжении на нем; поэтому для улучшения характеристик источника можно рассмотреть компенсацию напряжения с помощью параллельной отрицательной обратной связи. Операционные усилители с обратной связью эффективно минимизируют напряжение между своими входами. Это приводит к тому, что инвертирующий вход становится виртуальной землей, а ток протекает через цепь обратной связи (нагрузку) и пассивный источник тока. Источник входного напряжения, резистор и операционный усилитель вместе формируют "идеальный" источник тока с определенным значением. Усилитель трансимпеданса и инвертирующий усилитель на операционном усилителе – типичные реализации этой концепции. Плавающая нагрузка является существенным недостатком данного схемного решения.
Текущее осуществление компенсации
Типичным примером являются источник тока Хоуленда и его производный интегратор Дебу. В последнем примере (рис. 1) источник тока Хоуленда состоит из источника входного напряжения VIN, положительного резистора R, нагрузки (конденсатора C, выполняющего роль импеданса Z) и преобразователя отрицательного импеданса INIC (вместе с операционным усилителем). Источник входного напряжения и резистор R образуют неидеальный источник тока, пропускающий ток IR через нагрузку (рис. 3 в оригинале). INIC действует как второй источник тока, пропускающий "поддерживающий" ток I−R через нагрузку. В результате общий ток, протекающий через нагрузку, становится постоянным, а входное сопротивление цепи увеличивается. Однако источник тока Хоуленда не получил широкого распространения, поскольку требует точного согласования четырех резисторов, а его импеданс снижается на высоких частотах. Преимуществом этого схемного решения является возможность использования заземленной нагрузки.
Текущие источники с отрицательной обратной связью
Они реализованы как последователи напряжения с последовательной отрицательной обратной связью, управляемые источником постоянного входного напряжения (то есть стабилизатором напряжения с отрицательной обратной связью). Последователь напряжения нагружен постоянным (чувствительным к току) резистором, выполняющим функцию простого преобразователя тока в напряжение и включенным в контур обратной связи. Внешняя нагрузка этого источника тока подключена где-либо в цепи тока, питающего резистор измерения тока, но вне контура обратной связи. Последователь напряжения регулирует свой выходной ток IOUT, протекающий через нагрузку, таким образом, чтобы падение напряжения на резисторе измерения тока R было равно постоянному входному напряжению VIN. Таким образом, стабилизатор напряжения поддерживает постоянное падение напряжения на постоянном резисторе, что обеспечивает постоянный ток, протекающий через резистор и, соответственно, через нагрузку. Если входное напряжение изменяется, данная схема будет функционировать как преобразователь напряжения в ток (управляемый напряжением источник тока, VCCS), который можно рассматривать как инвертированный (благодаря отрицательной обратной связи) преобразователь тока в напряжение. Сопротивление R определяет коэффициент передачи (транспроводимость). Источники тока, реализованные на основе схем с последовательной отрицательной обратной связью, имеют недостаток: падение напряжения на резисторе измерения тока уменьшает максимальное напряжение на нагрузке (напряжение соответствия).
Диод постоянного тока
Самый простой источник или поглотитель постоянного тока состоит из одного компонента: JFET с затвором, подключенным к истоку. Как только напряжение сток-исток достигает определенного минимального значения, JFET переходит в режим насыщения, где ток остается приблизительно постоянным. Эта конфигурация известна как диод постоянного тока, поскольку ее поведение во многом аналогично двойственному по отношению к диоду постоянного напряжения (диоду Зенера), используемому в простых источниках напряжения. Из-за значительной вариативности тока насыщения JFET, часто добавляют резистор в цепь истока (как показано на соседнем изображении), что позволяет отрегулировать ток до необходимого значения.
Источник тока диода Зенера
В этой реализации биполярного транзистора с p-n переходом (BJT) (рисунок 4) описанной выше концепции, стабилизатор напряжения на диоде Зенера (R1 и DZ1) управляет эмиттерным повторителем (Q1), нагруженным постоянным сопротивлением эмиттера (R2), который измеряет ток нагрузки. Внешняя (плавающая) нагрузка этого источника тока подключена к коллектору таким образом, что через нее и эмиттерное сопротивление протекает практически одинаковый ток (их можно рассматривать как последовательно соединенные). Транзистор Q1 регулирует выходной (коллекторный) ток таким образом, чтобы падение напряжения на постоянном сопротивлении эмиттера R2 оставалось почти равным относительно постоянному падению напряжения на диоде Зенера DZ1. В результате выходной ток остается практически постоянным, даже если сопротивление и/или напряжение нагрузки изменяются. Принцип работы схемы рассматривается подробно ниже. Диод Зенера, при включении в обратном направлении (как показано на схеме), имеет постоянное падение напряжения на себе, независимо от протекающего через него тока. Таким образом, пока ток диода Зенера (IZ) превышает определенный уровень (называемый током удержания), напряжение на диоде Зенера (VZ) будет оставаться постоянным. Резистор R1 обеспечивает ток диода Зенера и базовый ток (IB) NPN-транзистора (Q1). Постоянное напряжение Зенера приложено к базе Q1 и резистору эмиттера R2. Напряжение на R2 (VR2) определяется как VZ − VBE, где VBE – падение напряжения между базой и эмиттером Q1. Эмиттерный ток Q1, который также является током, протекающим через R2, равен
Поскольку VZ постоянно, а VBE также (приблизительно) постоянно при заданной температуре, следует, что VR2 постоянно, а следовательно, и IE постоянно. Благодаря транзисторному эффекту, эмиттерный ток IE очень близок к коллекторному току IC транзистора (который, в свою очередь, является током, протекающим через нагрузку). Таким образом, ток нагрузки постоянен (если не учитывать выходное сопротивление транзистора из-за эффекта Эрли), и схема работает как источник постоянного тока. Пока температура остается постоянной (или не изменяется существенно), ток нагрузки будет независим от напряжения питания, R1 и коэффициента усиления транзистора. R2 позволяет установить ток нагрузки на любое желаемое значение и рассчитывается по формуле
где VBE обычно составляет 0,65 В для кремниевого прибора. (IR2 также является эмиттерным током и считается равным коллекторному или требуемому току нагрузки, при условии, что hFE достаточно велико). Сопротивление R1 рассчитывается как
где K = 1,2–2 (чтобы RR1 было достаточно низким для обеспечения адекватного IB),
а hFE,min – минимальный допустимый коэффициент усиления тока для конкретного используемого типа транзистора.
Сравнение источника тока и напряжения
Большинство источников электрической энергии (сетевое электричество, батарея и т.д.) лучше всего моделировать как источники напряжения. Такие источники обеспечивают постоянное напряжение, что означает, что до тех пор, пока ток, потребляемый от источника, находится в пределах его возможностей, выходное напряжение остается постоянным. Идеальный источник напряжения не отдает энергию при подключении к разомкнутой цепи (т.е. бесконечному импедансу), но стремится к бесконечной мощности и току при приближении сопротивления нагрузки к нулю (короткому замыканию). Такое теоретическое устройство имело бы нулевой выходной импеданс, включенный последовательно с источником. Реальный источник напряжения имеет очень низкий, но ненулевой выходной импеданс: часто значительно меньше 1 Ом. Напротив, источник тока обеспечивает постоянный ток, пока импеданс нагрузки, подключенной к его выводам, достаточно низок. Идеальный источник тока не отдает энергию короткому замыканию и стремится к бесконечной энергии и напряжению при приближении сопротивления нагрузки к бесконечности (разомкнутой цепи). Идеальный источник тока имеет бесконечный выходной импеданс, включенный параллельно с источником. Реальный источник тока имеет очень высокий, но конечный выходной импеданс. В случае транзисторных источников тока типичны импедансы в несколько мегомов (на низких частотах). Идеальный источник тока нельзя подключить к идеальной разомкнутой цепи, поскольку это создаст парадокс: протекание постоянного, ненулевого тока (от источника тока) через элемент с определенным нулевым током (разомкнутая цепь). Также источник тока не следует подключать к другому источнику тока, если их токи различаются, но такая схема часто используется (например, в усилительных каскадах с динамической нагрузкой, CMOS-схемах и т.п.). Аналогично, идеальный источник напряжения нельзя подключить к идеальному короткому замыканию (R = 0), поскольку это привело бы к аналогичному парадоксу: конечному ненулевому напряжению на элементе с определенным нулевым напряжением (короткое замыкание). Также источник напряжения не следует подключать к другому источнику напряжения, если их напряжения различаются, но эта схема также часто используется (например, в каскадах с общим эмиттером и дифференциальных усилителях). Напротив, источники тока и напряжения можно соединять друг с другом без каких-либо проблем, и эта техника широко используется в схемах (например, в каскодных схемах, дифференциальных усилителях с общим эмиттерным источником тока и т.п.). Поскольку не существует идеальных источников какого-либо из этих типов (все реальные примеры имеют конечный и ненулевой импеданс источника), любой источник тока можно рассматривать как источник напряжения с тем же импедансом источника и наоборот. Эти концепции рассматриваются в теоремах Нортона и Тевенина. Зарядка конденсатора источником постоянного тока и источником напряжения различна. Линейность сохраняется при зарядке конденсатора источником постоянного тока во времени, в то время как зарядка конденсатора источником напряжения экспоненциальна во времени. Это свойство источника постоянного тока помогает обеспечить правильное согласование сигнала с почти нулевым отражением от нагрузки.