Источник напряжения на схеме

Идеализированные активные элементы

Идеальные источники тока и напряжения представляют собой идеализированные источники энергии. Они обладают способностью отдавать энергию подключенным к ним участкам электрической цепи, другими словами, потребляемая ими энергия может быть отрицательной. Таким образом, идеальные источники тока и напряжения относятся к идеализированным активным элементам.

Идеальный источник напряжения (источник напряжения, источник э. д. с. ) представляет собой идеализированный активный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от протекающего через него тока. Напряжение и на зажимах источника напряжения равно электродвижущей силе е (t) и может быть произвольной функцией времени. В частном случае е (t) = Е_ может не зависеть от времени. Источник такого типа называется источником постоянного напряжения (источником постоянной э. д. с.). Условное графическое обозначение источника напряжения приведено на рис. 1.12, а. Стрелка внутри кружка на рисунке указывает направление э. д. с. Для источников постоянного напряжения она направлена от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с более высоким потенциалом, в то время как напряжение на внешних зажимах источника направлено от зажима с более высоким потенциалом к зажиму с меньшим потенциалом.

Внешней характеристикой любого источника электрической энергии называется зависимость напряжения на его зажимах 01 тока источника. Внешняя характеристика источника постоянного напряжения является прямой линией, параллельной оси токов (Рис. 1.12, б).

Если подключить к зажимам источника э. д. с. сопротивление нагрузки

С уменьшением ток нагрузки и выделяемая в ней мощность неограниченно возрастают. Вследствие этого источник напряжения иногда называют источником бесконечной мощности.

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока (источник тока) — это идеализированный активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Ток источника i=j(t) может быть произвольной функцией времени, в частном случае он может не зависеть от времени i(t) = J_ (источник постоянного тока). Внешняя характеристика источника постоянного тока показана на рис. 1.14, б.

Условное графическое обозначение источника тока приведено на рис. 1.14, а. Двойная стрелка на рисунке показывает направление тока внутри источника. У источников постоянного тока это направление совпадает с направлением перемещения положительных зарядов внутри источника, т. е. с направлением от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом.

Ток источника тока и напряжение источника напряжения являются параметрами идеализированных активных элементов подобно тому, как сопротивление, емкость и индуктивность являются параметрами одноименных идеализированных пассивных элементов.

Если подключить к внешним выводам источника тока сопротивление нагрузки (рис. 1.15), то согласно (1.9), (1.11) напряжение на сопротивлении нагрузки и выделяемая в нагрузке мощность будут равны соответственно:

С увеличением напряжение на нагрузке и выделяемая в ней мощность неограниченно увеличиваются, поэтому источник тока, так же как и источник напряжения, является источником бесконечной мощности).

Зависимость тока источника тока от напряжения имеет такой же вид, как и зависимость напряжения источника напряжения от тока, поэтому эти источники являются дуальными элементами.

Схемы замещения реальных источников

Идеализированные источники тока и напряжения можно рассматривать как упрощенные модели реальных источников энергии. При определенных условиях, в достаточно узком диапазоне токов и напряжений, внешние характеристики ряда реальных источников энергии могут приближаться к характеристикам идеализированных активных элементов. Так, внешняя характеристика гальванического элемента в области малых токов имеет вид, близкий к внешней характеристике источника напряжения (см. рис. 1.12,6), а внешняя характеристика выходного каскада на транзисторе в определенном диапазоне напряжений приближается к внешней характеристике источника тока (см рис. 1.14,6).

В то же время свойства реальных источников энергии значительно отличаются от свойств идеализированных активных элементов. Реальные источники энергии обладают конечной мощностью; их внешняя характеристика, как правило, не параллельна оси токов или оси напряжений, а пересекает эти оси в двух характерных точках, соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания (иногда в источниках энергии применяют специальные виды защиты, исключающие работу в предельных режимах или в одном из них).

С достаточной для практики точностью внешние характеристики большинства реальных источников энергии могут быть приближенно представлены прямой линией, пересекающей оси токов и напряжений в точках 1 и 2 (рис. 1.16, а):

соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания источника. Источники, имеющие линейную внешнюю характеристику, в дальнейшем будем называть линеаризованными источниками энергии (реальными).

Покажем, что линеаризованный источник энергии может быть представлен моделирующей цепью, состоящей из идеализированного источника напряжения Е и внутреннего сопротивления или идеализированного источника тока J и внутренней проводимости Действительно, уравнение прямой, проходящей через две точки с координатами имеет вид

Подставляя (1.28), (1.29) в (1.30) и представляя напряжение u как функцию тока i, находим аналитическое выражение для внешней характеристики линеаризованного источника

В соответствии с (1.31) напряжение линеаризованного источника состоит из двух составляющих. Первая их имеет размерность напряжения и не зависит от тока, протекающего через источник. Ее можно интерпретировать как напряжение некоторого идеального источника напряжения с э. д. с. Вторая составляющая напряжения источника прямо пропорциональна току. Ее можно рассматривать как падение напряжения на некотором сопротивлении через которое протекает ток источника i (это сопротивление в дальнейшем будем называть внутренним сопротивлением источника). Итак, уравнению (1.31) может быть поставлена в соответствие схема замещения линеаризованного источника, изображенная на рис. 1.16,б. Такая схема замещения получила название

последовательной. Можно убедиться, что зависимость напряжения на зажимах этой цепи от тока определяется уравнением

равносильным уравнению (1.31) и, следовательно, внешняя характеристика цепи имеет вид, показанный на рис. 1.16, а.

Из анализа выражения (1.32) видно, что с уменьшением внутреннего сопротивления источника внешняя характеристика линеаризованного источника приближается к внешней характеристике идеального источника напряжения (рис. 1.17, а). При = 0 источник с линейной внешней характеристикой вырождается в идеальный источник напряжения. Таким образом, идеальный источник напряжения можно рассматривать как источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю.

Рассмотрим другую схему замещения линеаризованного источника, в которой содержится идеальный источник тока. Для этого, используя (1.31), выразим ток i как функцию напряжения на зажимах источника:

Как видно из выражения (1.33), ток линеаризованного источника состоит из двух составляющих. Первая не зависит от напряжения на зажимах источника. Ее можно рассматривать как ток некоторого идеального источника тока Вторая составляющая тока и прямо пропорциональна напряжению на зажимах источника, поэтому ее можно интерпретировать как ток, текущий через некоторую (внутреннюю) проводимость к которой приложено напряжение u. Итак, выражению (1.33) можно поставить в соответствие схему замещения, изображенную на рис. 1.16, в. Такая схема замещения называется параллельной.

Зависимость между током и напряжением на зажимах соответствующей моделирующей цепи определяется уравнением, равносильным уравнению (1.33):

Из уравнения (1.34) видно, что с уменьшением внутренней проводимости источника внешняя характеристика линеаризованного источника приближается к внешней характеристике идеального источника тока (рис. 1.17, б). В пределе, при = 0, линеаризованный источник энергии вырождается в идеальный источник тока. Таким образом, идеальный источник тока можно рассматривать как источник энергии с бесконечно малой внутренней проводимостью (бесконечно большим внутренним сопротивлением).

Обе рассмотренные схемы замещения линеаризованного источника были получены из одного уравнения (1.30), имеют одну и ту же внешнюю характеристику и, следовательно, их поведение относительно внешних зажимов совершенно одинаково. Выбор той или иной схемы замещения может быть сделан совершенно произвольно, однако в процессе исследования цепи может возникнуть необходимость перехода от одной схемы к другой. Используя выражения (1.31)—(1.34), можно найти формулы перехода от последовательной схемы замещения к параллельной

и от параллельной схемы к последовательной

Необходимо обратить внимание на то, что переход от одной схемы замещения к другой возможен только для источников, внутреннее сопротивление которых имеет конечное значение

Соотношения для взаимного преобразования схем замещения источников энергии (1.35) и (1.36) применимы для источников постоянного тока и напряжения. Аналогичные соотношения могут быть получены и для источников, в которых напряжение u и ток i являются произвольными функциями времени.

Анализируя выражения (1 32), (1.34), можно установить, что цепь, составленная из источника напряжения с последовательно включенным сопротивлением и цепь, представляющая собой параллельное соединение источника тока и проводимости являются дуальными.

Управляемые источники тока и напряжения

Идеальные источники тока и напряжения могут быть либо неуправляемыми (независимыми) либо управляемыми (зависимыми). Неуправляемый источник представляет собой идеализированный элемент с одной парой выводов, параметр которого (ток или напряжение) не зависит ни от каких других гоков или напряжений, действующих в цепи. Управляемый источник тока или напряжения — это идеализированный активный элемент, параметр которого является определенной функцией тока или напряжения некоторого участка цепи. В общем случае управляемый источник — это идеализированный элемент с двумя парами выводов. К одной паре выводов (выводы источника) присоединяют идеализированный источник, параметр которого является заданной функцией напряжения или тока другой пары выводов (управляющие выводы). Как и для неуправляемых

источников, внутреннее сопротивление управляемого источника напряжения равно нулю, а внутреннее сопротивление управляемого источника тока равно бесконечности.

Различают четыре типа управляемых источников:

• а) источник напряжения, управляемый напряжением (рис. 1.18, а). Напряжение u этого источника является определенной функцией управляющего напряжения
• б) источник напряжения, управляемый током (рис. 1.18, б). Напряжение этого источника u — функция управляющего тока (в частном случае управляющим током может быть ток источника i, тогда управляемый источник напряжения представляет собой двухполюсный элемент);
• в) источник тока, управляемый напряжением (рис. 1.18, в). Ток i этого источника есть заданная функция управляющего напряжения (в частном случае управляющим напряжением может быть напряжение источника u);
• г) источник тока, управляемый током (рис. 1.18, г). Ток такого источника является определенной функцией управляющего тока

В теории цепей к управляемым источникам относят только те, параметр которых зависит от действующих в цепи токов и напряжений. Источники, параметр которых зависит от какой-либо неэлектрической величины, не связанной с токами или напряжениями рассматриваемой цепи, относят к неуправляемым.

Вид функциональной зависимости между током или напряжением управляемого источника и управляющим воздействием в принципе может быть произвольным, однако в теории цепей и во всех ее приложениях наибольшее распространение получили линейно управляемые источники, параметр которых у прямо пропорций^ лен управляющему воздействию х:

Коэффициент пропорциональности между параметром источника е или j и внешним воздействием называется коэффициентом управления В зависимости от типа источника этот коэффициент может иметь размерность сопротивления (источник напряжения, управляемый током), проводимости (источник тока, управляемый напряжением) или быть безразмерной величиной (источник напряжения,

управляемый напряжением, и источник тока, управляемый током). Если управляющее воздействие линейно управляемого источника равно нулю, то параметр источника также будет равен нулю. Таким образом, линейно управляемые источники не могут отдавать энергию в отсутствие управляющего воздействия.

Управляемые источники тока и напряжения широко используют при построении эквивалентных схем различных электровакуумных и полупроводниковых приборов (рис. 1.19).

1. Электротехника
2. Основы теории цепей

• Топологии электрических цепей
• Уравнения электрического равновесия цепей
• Линейные цепи при гармоническом воздействии
• Нелинейные резистивные цепи
• Однофазные цепи синусоидального тока
• Законы и правила Кирхгофа для электрических цепей
• Линии с распределенными параметрами
• Идеализированные пассивные элементы

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Бурыкин Валерий

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

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.

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

Стабилизатор напряжения.

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

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:

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:
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:

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.

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.

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:

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:
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:
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

Требования заказчика:
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.

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:
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):
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.
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:

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
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.

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.

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

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

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%.

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:

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.
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.

Часто производители в описании своей продукции делают большую ошибку.
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.

Наилучшая программа сквозного проектирования печатной платы:
Принципиальная схема → Печатная плата → Документы на производство по ГОСТ.
3D модели печатных плат.

11 response to «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.»

1. By: Виктор Posted: 03.12.2021

Большое спасибо за детальную и полезную в практическом смысле публикацию. Во всяком случае мне очень пригодилось!

Здравствуйте. Скажите,как посчитали: При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,53 В.

• By: Бурыкин Валерий Posted: 03.05.2020

Динамическое сопротивление стабилитрона:
rст = 60 Ом (См. таблицу выше) dI = dU/2кОм = 9мА
dUоп. = dI * rст. = 0.009 * 60 = 0.54 В
Простите на 0,01V ошибся. Но я считал навскидку.

А во! — Вразумте дядько разницу между генератором тока и напряжения или как там ЭДС, а также, что подразумить глядя на батарейку — это источник тока и источник ЭДС, а где там вооще то есть напряжение и что мы в первую очередь можем определить и измерить.
Может это курица и яйцо ;))

• By: Бурыкин Валерий Posted: 16.01.2020

То есть дядько Вам сейчас в своём ответе должен пересказать всю статью?
Там есть объяснение в чём разница.
А к чему Вы приплели здесь ЭДС. Это вообще овощ с другого огорода и к созданию электронных схем никакого отношения не имеет.
Если Вам это точно интересно то вот Вам ссылка: https://samelectrik.ru/chto-takoe-eds-obyasnenie-prostymi-slovami.html

• By: triak Posted: 01.08.2020

нас в институте учили так — если внутреннее сопротивление источника близко к нулю, — это источник напряжения.
Если внутреннее сопротивление источника близко к бесконечности, — это источник тока.
Любая реальная батарейка, аккум или выход выпрямителя — где-то между.
Пока при снижении сопротивления нагрузки (т.е. увеличении нагрузки) напряжение на ней не падает (а только растёт ток через неё) — это она питается от хорошего источника напряжения.
Если при изменении величины нагрузки остаётся стабильным ток через неё (по при этом меняется напряжение, и ИСТОЧНИК НЕ ПЕРЕГРЕВАЕТСЯ и не сгорает) — она питается от хорошего источника тока

• By: Бурыкин Валерий Posted: 02.08.2020

Ну так в статье как раз об этом и рассказано. Только вот в статье дано математическое обоснование всему этому и примеры расчетов.
Что касается батарейки, аккумуляторов, солнечных элементов, различных электрогенераторов без схем управления и т.д. и т.п., то они действительно находятся между генератором напряжения и генератором тока. Называются такие источники источниками ЭДС.

Упс:)
<>
— Из тогот, что Uстаб=Uбэ+Uэ и постоянном напряжением Uiсточ. МОЖНО сделать вывод:, — что повышая Rнагр ток проходящий через Rэ будет падать и ни о какой стабилизации тока нет и речи касательно самых первых примитивных схем. Источнику негде взять повышение напряжения соразмерно повышения Rнагр.

• By: Бурыкин Валерий Posted: 16.01.2020

Идеального генератор тока и напряжения в природе не существует.Все зависит он нагрузки, когда мы можем говорить об одном или о другом.Точнее об соотношении нагрузки и внутреннего сопротивления источника.То,что вы приводите в конце статьи- это перевод .Возможно даже машинный.Что же к этому придираться?

• By: Бурыкин Валерий Posted: 28.04.2019

Я придираюсь к тем кто публикует такие переводы.
Или их также публикуют машины? Но на самом деле если Вы наберёте в поиске запрос «генератор тока»
То таких, как Вы говорите «переводов» найдёте море, да практически
все результаты поиска будут из них состоять.

Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Архитектуры источников тока

Для создания источника тока существуют различные способы. Прежде чем мы рассмотрим схему с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Вы можете узнать обо всех них подробнее, кликнув на соответствующие ссылки.

Другой вариант – схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает схему с двумя операционными усилителями, но один из усилителей представляет собой не операционный усилитель, а измерительный (инструментальный усилитель).

Наконец, у нас есть источник тока Хауленда, который был тщательно проанализирован в статье, написанной доктором Серджио Франко.

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку A_V = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно I_вых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели схему двунаправленного источника тока, которая имеет разумные требования к перечню элементов и включает в себя входной каскад дифференциального управляющего напряжения. В следующей статье мы будем использовать LTspice для более подробного анализа производительности этой схемы.

Связанная информация

• Анализ характеристик прецизионного источника тока в LTspice
• Моделирование источника тока при погрешностях сопротивлений резисторов и изменяющейся температуре
• Влияние напряжения смещения на точность источника тока