Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Виды источников тока - с примерами иллюстрациями и пояснениями

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

  1. механические – генераторы,
  2. тепловые – термопары, термогенераторы,
  3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
  4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рис. 1. В зависимости от видов энергии, преобразуемой в электрическую, источники разбивают на группы

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Рис. 2. Механическую энергию в электрическую можно преобразовать с помощью электрофорной машины

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Рис. 3. Генератор – источник тока для велосипеда

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается.

Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Рис. 4. Бытовой электрогенератор с бензиновым двигателем

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент —  это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Рис. 5. Две проволоки из различных металлов могут создавать ток в цепи при нагревании

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Рис. 6. Некоторые оксиды, а, так же, чистые вещества, при освещении видимым светом могут отдавать электроны

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Рис. 7. Металлический катод и сетчатый анод в прозрачном стеклянном баллоне образуют вакуумный фотоэлемент

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Рис. 8. Полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрическую, поэтому, из них изготавливают солнечные батареи

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Рис. 9. Лимон и два кусочка различных металлов помогут создать простой источник тока

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

  1. Проводящие жидкости называют электролитами.
  2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Рис. 10. Конструкция Вольтова столба

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Рис. 11. Сухой гальванический элемент, в быту называемый батарейкой

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Рис. 12. Виды сухих гальванических элементов, выпускаемых промышленностью

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Рис. 13. Пластины, помещенные в электролит, образуют аккумулятор

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Рис. 14. Аналогия между жидкостным насосом и источником электрического тока

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_{1}\), по правую сторону — \(\large P_{2}\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

\[\large P_{1} > P_{2}\]

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_{1}\) и \(\large \varphi_{2}\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_{1} > \varphi_{2}\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».

Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.

\[\large \Delta \varphi = \varphi_{2} — \varphi_{1} = U \]

\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;

\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;

 

Физика 8 класс. Источники электрического тока :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.
Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

- механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.


К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока

- внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.


Например, термоэлемент - две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока

- энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент - при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Химический источник тока

- в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Например, гальванический элемент - в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд - отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.
Аккумуляторы - в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.


УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника тока на электрической схеме

или батареи, состоящей из нескольких источников

Устали? - Отдыхаем!

Источники тока. Электрическая цепь | Физика

В 1786 г. итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани решил изучить действие атмосферного электричества на мышцы лягушки. Для этого он прикрепил к нерву лапки свежепрепарированной лягушки медный крючок, после чего подвесил лапку к железной решетке, окружавшей висячий садик его дома. Однако никакого действия атмосферы не последовало. И лишь тогда, когда под порывами ветра лапка случайно коснулась решетки забора, ее мускулы резко содрогнулись. Гальвани решил повторить опыты дома. Положив лапку на железную дощечку, он снова обнаружил конвульсивные сокращения мышц. После четырех лет всестороннего исследования открытого им явления Гальвани сообщил о своих наблюдениях в книге, которая называлась «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Появление этой книги вызвало огромный интерес в среде ученых. Опыты с лягушачьей лапкой стали повторять и физики, и химики, и философы, и врачи. Но лишь одному из них — итальянскому ученому Алессандро Вольта удалось понять истинную причину наблюдаемого эффекта.

Лапка сокращается не потому, что в лягушке сосредоточено какое-то особое «животное» электричество (как считал Гальвани), а потому, что через нее проходит электрический ток, возникающий благодаря контакту двух проводников из разных металлов, — к такому выводу пришел Вольта после тщательных исследований этого явления. По мнению Вольта, лягушка в этих опытах нужна лишь как «электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем даже самый чувствительный электрометр с золотыми листочками». Поэтому тот же ток можно получить и без использования лягушки, если только позаботиться о том, чтобы разнородные металлы соприкасались с жидкостью, способной проводить электричество. И Вольта подтверждает свой вывод опытом на самом себе: соединив одни концы серебряной и оловянной проволочек между собой, он прикасается их противоположными концами к своему языку. Появившийся при этом кисло-горький вкус означал, что по языку пошел ток. Если бы источником электричества была сама мышца языка, то вкус должен был бы ощущаться и тогда, когда металлы одинаковые; этого, однако, не происходило.

Вольта продолжает опыты. Он берет две монеты из разного вещества и одну из них кладет себе на язык, а другую — под него. Соединив монеты проволочкой, он снова ощущает специфический вкус.

Наконец, в 1800 г. Вольта берет несколько десятков пар круглых пластин (из цинка и серебра) и, проложив между ними кружочки картона, смоченные соленой водой, располагает их в виде столба. Подсоединив к верхней и нижней пластинам столба провода, Вольта получает первый источник постоянного тока (вольтов столб).
На демонстрации вольтова столба перед французскими учеными присутствовал Наполеон Бонапарт. Опыты Вольта произвели на присутствующих очень сильное впечатление. Поэтому неудивительно, что за свои исследования Вольта получил титул графа и стал рыцарем Почетного легиона.

В последующие годы источники тока непрерывно совершенствовались и в конце концов приобрели тот вид, к которому мы все привыкли (рис. 22).

Конструкции современных источников разнообразны. Те из них, которые работают за счет химических реакций, называют химическими источниками тока. К ним относятся гальванические элементы (или просто элементы) и аккумуляторы.

Гальванические элементы (названные так в честь Л. Гальвани) являются источниками тока, как правило, разового пользования. Аккумуляторы же можно использовать многократно, периодически заряжая их.

У любого из этих источников имеются два полюса — положительный (+) и отрицательный (–). Разные заряды этих полюсов обусловлены химическими реакциями, протекающими внутри источника на проводниках (электродах), погруженных в специальный раствор.

Если с помощью проводов к источнику тока подключить какие-либо устройства, потребляющие электроэнергию, то под действием электрического поля, создаваемого источником, через них пойдет ток.

Соединенные друг с другом источник тока, провода и потребители электроэнергии (лампы, электроплитки, электро- и радиоаппаратура) образуют электрическую цепь.

Для того чтобы в цепи мог идти постоянный ток (т. е. ток, не изменяющийся с течением времени), электрическая цепь должна быть замкнутой. Если же где-то появится обрыв, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие кнопок, рубильников, ключей и других устройств, позволяющих включать и выключать в цепи ток. Некоторые из этих выключателей, применяемые в школьных опытах, показаны на рисунке 23. На рисунке 24 изображен клавишный выключатель, используемый в помещениях для замыкания и размыкания скрытой электропроводки.

Для подключения электрооборудования или бытовой техники к сети используют специальные соединители, например штепсельные розетку (рис. 25, а) и вилку (рис. 25, б).

При замыкании цепи электрическое поле источника со скоростью 300000 км/с распространяется вдоль проводников, и свободные заряженные частицы в них практически одновременно приходят в упорядоченное движение — в цепи появляется ток.

За направление тока в цепи принимают то направление, в котором должны были бы двигаться по цепи положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Такое соглашение было принято в первой половине XIX в. и с тех пор учитывается во всех правилах и законах теории электрического тока.

В металлических проводниках ток создается отрицательно заряженными частицами (электронами), которые движутся по цепи от отрицательного полюса источника к положительному. Направление тока и направление движения носителей тока в этом случае противоположны.

В растворах кислот, солей и щелочей (электролитах) носителями тока являются положительные и отрицательные ионы. Первые из них движутся в направлении от «+» источника к его «–», вторые — от «–» к «+».

Чертежи, на которых изображают электрические цепи, называют схемами. Каждый элемент цепи на схемах обозначают специальным условным знаком. Некоторые из этих условных обозначений приведены в таблице 2 и на форзаце.

Примеры электрических схем представлены на рисунке 26. На каждой из этих схем две лампы. Однако способ их включения различен. Соединение ламп, изображенное на рисунке 26, а, называют последовательным, а соединение ламп, изображенное на рисунке 26, б, — параллельным.

??? 1. Кто и когда изобрел первый источник тока? 2. Какие химические источники тока вы знаете? 3. Из чего состоит электрическая цепь? 4. Какой должна быть цепь, чтобы в ней мог существовать постоянный электрический ток? 5. Какое направление в цепи выбирают за направление тока? Совпадает ли оно с направлением движения свободных электронов? 6. Зачем в электрической цепи нужен источник тока?

Экспериментальное задание. Возьмите лимон, яблоко или соленый огурец и воткните в него два проводника. Одним из них может быть медный провод, а другим — железный гвоздь. Принесите изготовленный таким образом источник тока в школу и, подсоединив его проводами к гальванометру, убедитесь, что источник работает. (Гальванометром называют прибор для регистрации и измерения слабых токов. Школьный демонстрационный гальванометр изображен на рисунке 27.)

Постоянный и переменный ток, его источники и их применение в электротехнике

Такое понятие, как источник тока, имеет несколько трактовок. Одна из них – это строгое физическое определение, другая – устоявшийся термин, причем не только в бытовой среде, но и среди профессионалов. Оба варианта имеют право на существование в том случае, если из прямых указаний или из контекста ясно, какое из определений имеется в виду.

Обозначение на электрических схемах

Что такое источник тока

Будучи синонимами, оба термина имеют различное значение, хотя и относятся к электротехнике. Что они означают:

  • Элемент электрической цепи, создающий постоянный ток, значение которого не зависит от сопротивления нагрузки и напряжения. Может иметь равнозначные термины: идеальный источник тока или токовый генератор. Данная формулировка используется в теоретической электротехнике для описания работы электрических цепей;
  • Устройство электропитания (электрической энергии). Устоявшаяся терминология в практической области. Может означать источники питания постоянного тока (химические, аккумуляторы и т.д.), переменного тока (генераторы, трансформаторы).

Теоретическая электротехника

Источник тока, как и источник напряжения, используется в электротехнике для моделирования реальных устройств питания цепей с некоторыми допущениями.

Идеальный источник характеризуется следующими параметрами:

  • Значение тока, протекающего через него, всегда постоянно, вне зависимости от значения нагрузки;
  • Выходное напряжение зависит лишь от сопротивления нагрузки и определяется по закону Ома при условии, что I=const:

U=I·R

  • Внутренняя проводимость бесконечно мала.

Из определения следует, что при увеличении сопротивления нагрузки напряжение и мощность, которые отдает источник тока, увеличиваются, стремясь к бесконечности.

Реальный источник тока имеет некоторое внутреннее сопротивление, аналогично реальному источнику напряжения, поэтому характеристики будут соответствовать определению только в некотором диапазоне сопротивления нагрузки. В частности, с некоторым приближением, таковым можно считать вторичную обмотку мощного трансформатора тока, включенного в цепь переменного тока.

Реальный источник тока

В теоретической электротехнике существует возможность взаимного преобразования токовых генераторов источников напряжения, то есть можно выбрать наиболее удобное для дальнейших расчетов отображение.

Применение

Источники с характеристиками, приближенными к идеальным, имеют и практическое применение. Яркий пример – зарядное устройство для аккумуляторов. Для заряда современных аккумуляторных батарей используются устройства, которые формируют зарядное напряжение по специальным алгоритмам, но наиболее просто и не менее надежно (особенно для простых кислотных и щелочных батарей) производить зарядку стабильным током до тех пор, пока напряжение на выходе не сравняется с ЭДС аккумуляторной батареи. К ним также можно отнести аппараты для электродуговой сварки, которые стабилизируют ток дуги для получения однородного сварного шва, вне зависимости от длины дуги.

В аналоговой схемотехнике применяются источники, сконструированные на основе биполярных и полевых транзисторов. Они применяются для питания дифференциальных и операционных усилителей, измерительных и сравнивающих мостовых схем.

Токовый генератор

Практическая электротехника

В практической электротехнике источниками тока именуются все, без исключения, устройства питания, хотя большинство из них относится к классу источников напряжения. К ним относятся преобразователи любых видов энергии в электрическую:

  • Химические источники тока;
  • Физические;
  • Вторичные устройства электропитания.
Химические источники тока

К таким устройствам относятся такие, которые вырабатывают электрическую электроэнергию в результате химических процессов, в частности, окислительно-восстановительных реакций. Это:

  • Устройства однократного применения – гальванические элементы;
  • Устройства многократного применения – аккумуляторы;
  • Электрохимические генераторы (топливные элементы).

Гальванические элементы реализуются наиболее просто, чем и объясняется то, что они были созданы самыми первыми. Особенность гальванических элементов – способность работать длительное время при небольших отборах мощности. Отрицательная сторона – при исчерпании запаса энергии химического преобразования элемент подлежит утилизации. Некоторые типы, например, щелочные элементы, допускают регенерацию в конце службы путем заряда со стороны внешнего блока питания, но эффективность таких действий невысока и является временным выходом из положения.

Гальванический элемент

Аккумуляторы рассчитаны на многократное повторение циклов разряд-заряд. Восстановление емкости производится от зарядного устройства. Аккумуляторы способны выдавать в импульсе большие значения мощности, а некоторые типы рассчитаны на длительную работу в буферном режиме.

Количество циклов работы ограничено, но даже с этим условием использование аккумуляторов экономически более выгодно, чем гальванических элементов.

Работа источника тока на электрохимическом генераторе по принципу выработки электроэнергии подобна гальваническому элементу, но в нем используется химическая реакция между веществами, подаваемыми в активную область непрерывно. Срок службы ограничивается запасом химических веществ.

Все химические устройства вырабатывают постоянный ток, и для получения переменного требуется использование преобразователя.

Физические источники

Данные устройства основаны на физических принципах выработки электроэнергии, преобразуя в нее энергию других видов:

  • Тепловую;
  • Механическую;
  • Атомную;
  • Солнечную.

Наиболее мощные преобразователи используют первые три типа энергии и работают на одном принципе. Это тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Тепло при сгорании углеводородного топлива или распада атомного ядра используется для нагрева жидкости (воды), которая в виде пара под давлением крутит вал турбины генератора.

Гидроэлектростанции используют для вращения генераторов энергию падающей воды.

Все эти генераторы могут вырабатывать переменный или постоянный ток, но, главным образом, первый из них, поскольку его легко трансформировать для других значений напряжения.

Гидроэлектростанция

Существуют устройства, способные преобразовать тепловую энергию в электричество напрямую, без промежуточного использования воды, но они имеют ограниченное распространение из-за низкого КПД и эффективности.

Солнечные элементы (фотоэлементы) производят прямое преобразование энергии света в постоянный ток. В настоящее время КПД промышленных образцов солнечных батарей невысок, для устойчивой работы необходимо наличие прямого попадания солнечных лучей          на фотопреобразователи. Служат основным источником электроэнергии на космических кораблях, работающих на ближайших к солнцу орбитах. С удалением от солнца энергия лучей падает пропорционально квадрату расстояния, поэтому приходится переходить на электрохимические генераторы.

Солнечная батарея

Вторичные источники электропитания

Выходные параметры устройств питания не всегда соответствуют требованиям. Многие области применения требуют подачи различного по величине и другим характеристикам питающего напряжения.

Преобразование к нужным параметрам производится во вторичных блоках электропитания. Схемы построения во многом зависят от типа входного напряжения. Для преобразования напряжения постоянного тока используются, в основном, инверторные преобразователи, которые при помощи мощных транзисторных ключей формируют импульсы высокой частоты. Высокочастотный сигнал поступает на трансформатор, со вторичных обмоток которого снимается необходимое напряжение.

Для преобразования переменного напряжения применяется обычный трансформатор, но может использоваться и инверторная схема с предварительным выпрямлением входного напряжения.

Использование терминов зависит от того, в какой из областей их применение. Для строгости понятий термин «Источник тока» следует использовать только для определения идеального источника, в остальных случаях более корректным будет употребление формулировки «источник напряжения», питания, генератор.

Видео

Оцените статью:

Химические источники тока

ООО "ЭФО" осуществлет поставки следующих типов химических источников тока:

  • гальванические элементы (первичные элементы, «батарейки», незаряжаемые)
  • аккумуляторы (вторичные или перезаряжаемые элементы питания)

Изделия обеих групп могут иметь различные типоразмеры (ААА, АА, А, В, С, D и т. д.),  а также химический состав и конструктив.

Дополнительно расширяет номенклатуру возможность собирать из элементов батареи на различные напряжения и токи кратные напряжениям и токам элементов питания.

 

Сводная таблица технологий и производителей поставляемых продуктов

 

 

Аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы

В массовом производстве литий-ионных аккумуляторов сейчас используются три класса катодных материалов: кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе никелата лития NiCoO2, литий-марганцевая шпинель LiMn2O4 , литий-феррофосфат LiFePO4.  
литий-полимерные аккумуляторы это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал, что позволяет производить аккумуляторы произвольных форм.
Общие плюсы литиевых аккумуляторов: большая плотность энергии, низкий саморазряд, достаточно большое количество циклов заряд-разряд, почти полное отсутствие эффекта «памяти».
Общие минусы литиевых аккумуляторов: узкий рабочий температурный диапазон (-20...+60С), старение (потеря емкости со временем (до 20% в год при +25С). Критичность к процессам заряда- разряда (глубокий разряд выводит и строя батарею, перезаряд вызывает перегрев и деградацию).
Применение: смартфоны, планшеты, радиоуправляемые модели, аккумуляторный электротранспорт, системы резервирования питания.
Производители: SAFT, Panasonic, Minamoto, Toshiba.
Документация: SAFT, Panasonic, Minamoto

Щелочные аккумуляторы

Самое большое распространение получили никель-кадмиевые и никель-металгидридные щелочные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH.  
Плюсы: Длительный срок хранения, длительный срок службы (до 25 лет) стабильная работа до  -40 °C, невозможность возгорания при разгерметизации в сравнении с литиевыми, малый удельный вес в сравнении со свинцовыми и дешевизна в сравнении с серебряно-цинковыми, меньшее внутренне сопротивление, большая надёжность и морозостойкость в сравнении с NiMH.
Минусы: Экологическая опасность кадмия, эффект «памяти»
Применение: Тяговые и стартерные аккумуляторы, системы хранения и резервирования электроэнергии, питание радио и другой аппаратуры, питание аккумуляторного электроинструмента.

Свинцовый (кислотный) аккумулятор

Наиболее распространенный тип аккумуляторов. Электролитом является раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца. 
Варианты со связанным электролитом: AGM (пористый пропитанный кислотой материал) и гелевые (раствор кислоты и оксида кремния).
Плюсы: простота, дешевизна, способность отдавать большие токи.
Минусы: Достаточно узкий температурный диапазон (-40...+40С), малое количество циклов заряд-разряд (200-300). Критичность к глубокому разряду (микродеформации). Неэкологичность (свинец).
Применение: Тяговые и стартерные аккумуляторы, системы хранения и резервирования электроэнергии.

 

Гальванические элементы (батарейки)

Литиевые элементы

Напряжения от 1,5 до 3,6 В, Высокая удельная энергоемкость. Меньшая, чем у серебра и ртути, дефицитность металлов. Малые токи саморазряда (от 1% в год). Длительные сроки эксплуатации (до 20 лет). Широкий температурный диапазон (-60...+85С).

Применение: Энергонезависимая память (BIOS), системы учета расхода газа и жидкости с дистанционной передачей информации. Автономные устройства, работающие в труднодоступных местах при жестких климатических условиях.

Щелочные марганцево-цинковые элементы

«Алкалиновые батарейки». Напряжение 1,5 В., по сравнению с солевыми элементами: больше емкость, лучше работают при низких температурах и больших токах нагрузки.
Применение: Там где энерговооруженности солевых батареек не хватает. Фотоаппараты, игрушки.

 
Серебряно-цинковые элементы

"Часовые батарейки". Напряжение 1,55 В., остается стабильным до конца разряда, хорошие низкотемпературные характеристики, низкое и стабильное внутреннее сопротивление. Дорогие. По этой причине выпускаются в основном в «монетном» типоразмере.
Применение: Часы, брелки сигнализаций, пульты управления

Воздушно-цинковые элементы

Напряжение 1,4-1,45В. , Отличается весьма высокой удельной энергоёмкостью. Широкому распространению препятствует короткий срок эксплуатации, связанный с высыханием электролита. Узкая сфера применения.
Применение: слуховые аппараты

 
Солевые марганцево-цинковые элементы («Солевые батарейки»)

Стандартное напряжение 1,5 В., самый дешевый вариант, небольшая емкость, плохая морозостойкость.Применение:  там где не требуется  большая энергия. Часы, звонки, пульты управления, радиоприемники и т. д.

 

 

Производители

Каталоги, брошюры, CD-диски

Химические источники тока книги, публикации, статьи

1

Кедринский И. А.

Li-ионные аккумуляторы

Скачать файл

2002

2

Аккумуляторные батареи

Скачать файл

1937

3

Аккумуляторы

Скачать файл

1961

4

Хрусталев Д. А.

Аккумуляторы

Скачать файл

2003

5

Аккумуляторы подвижного состава

Скачать файл

1970

6

Спижевский И. И.

Гальванические батареи и аккумуляторы

Скачать файл

1949

7

Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б

Герметичные химические источники тока

Скачать файл

2005

8

Герметичные химические источники тока для портативной аппаратуры

Скачать файл

2003

9

Таганова А. А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б

Герметичные химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Справочник. – СПб.: Химиздат, 2005. – 264 с.

Скачать файл

2005

10

Импульсный электролиз

Скачать файл

1980

11

Кедринский И. А. и др.

Литиевые источники тока.

Скачать файл

1992

12

Сербиновский М.Ю.

Литиевые источники тока: конструкции, электроды, материалы, способы изготовления и устройства для изготовления электродов

Скачать файл

2001

13

Сербиновский М. Ю.

Литиевые источники тока: конструкции, электроды, материалы, способы изготовления и устройства для изготовления электродов

Скачать файл

2001

14

Любимое дитя электрохимии. – М.: Знание, 1985. – 176 с.

Скачать файл

1985

15

Малогабаритные аккумуляторы для радиоэлектронной аппаратуры

Скачать файл

2002

16

Малогабаритные источники тока

Скачать файл

1970

17

Металл-водородные электрохимические системы

Скачать файл

1989

18

Новое в производстве химических источников тока

Скачать файл

1965

19

Савельчиков В. П.

Новое в производстве химических источников тока Выпуск.2

Скачать файл

1966

20

Новое в производстве химических источников тока. Выпуск 7

Скачать файл

1968

21

Новые источники питания радиоаппаратуры

Скачать файл

1959

22

Новые источники тока. Выпуск.27

Скачать файл

1962

23

Новый ресурс

Скачать файл

1978

24

Нормативы времени на обслуживание и текущий ремонт аккумуляторных батарей

Скачать файл

1988

25

О некоторых химических действиях электричества

Скачать файл

1933

26

Обслуживание стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов

Скачать файл

1974

27

Дасоян М. А., Агуф И.А.

Основы расчета, конструирования и технологии производства свинцовых аккумуляторов (1978)

Скачать файл

1978

28

Теньковцев В.В.

Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов

Скачать файл

1985

29

Теньковцев В. В.

Основы теории эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов

Скачать файл

1985

30

Основы технологии производства современных свинцовых аккумуляторов

Скачать файл

2012

31

Особенности свойств углеродного материала как носителя электродных катализаторов для топливных элементов

Скачать файл

2006

32

Первичные источники тока М. : Мир, 1986. – 328 с.

Скачать файл

1986

33

Правила ухода за аккумуляторными батареями подводных лодок ВМФ

Скачать файл

1956

34

Применение полимерных материалов в химических источниках тока

Скачать файл

1966

35

Самодельные аккумуляторы. – М.: Гос.радио, 1936. – 142 с.

Скачать файл

1936

36

Сенницкий В.П.

Самодельные гальванические элементы. – Л.: Госэнергоиздат, 1950. – 65 с.

Скачать файл

1950

37

Свинцовые аккумуляторы

Скачать файл

2009

38

Сернонатриевые аккумуляторы

Скачать файл

1988

39

Современная теория свинцового аккумулятора

Скачать файл

1975

40

Современные источники питания.

Современные источники питания.

Скачать файл

1998

41

Рогинский В.Ю.

Современные источники электропитания

Скачать файл

1969

42

Стартерные аккумуляторные батареи. Устройство, эксплуатация и ремонт

Скачать файл

1991

43

Тепловые химические источники тока

Скачать файл

1989

44

Тепловые химические источники тока.

Скачать файл

1989

45

Технологические карты обслуживания бортовых аккумуляторных батарей типа 20НКБН-25-УЗ

Скачать файл

1993

46

Топливные элементы

Скачать файл

1963

47

Богодский В.С.

Топливные элементы. Некоторые вопросы теории

Скачать файл

1964

48

Юсти Э., Винзель А

Топливные элементы. – М.: Мир, 1964. – 480 с.

Скачать файл

1964

49

Химические источники тока

Скачать файл

1981

50

Химические источники тока

Скачать файл

1984

51

Химические источники тока

Скачать файл

1968

52

Химические источники тока

Скачать файл

1978

53

Химические источники тока

Скачать файл

1948

54

Кедринский И.А.

Химические источники тока с литиевыми электродом

Скачать файл

1983

55

Химические источники тока. Справочник

Перейти

2003

56

Химические источники тока. Стационарные аккумуляторы

Скачать файл

2004

57

Варыпаев В.Н., Дасоян М.А, Никольский А.М.

Химические источники тока. Учебное пособие./Под ред.В.Н. Варыпаева. – М.: Высшая школа, 1990. – 240 с.

Скачать файл

1990

58

Химические источники электрической энергии для летательных аппаратов

Скачать файл

1965

59

Химические источники энергии

Скачать файл

1974

60

Пионтковский Б.А.

Эксплуатация электрических аккумуляторов на предприятиях электросвязи

Скачать файл

1969

61

Болотовский В.И.

Эксплуатация, обслуживание и ремонт свинцовых аккумуляторов

Скачать файл

1988

62

Электрические аккумуляторы

Скачать файл

1927

63

Электродные потенциалы в расплавленных хлоридах

Скачать файл

1973

64

Электромонтер-аккумуляторщик

Скачать файл

1968

65

Зарецкий С.А., Сучков В.Н., Животинский П.Б.

Электротехническая технология неорганических веществ и химические источники тока. – М.: Высшая школа, 1980. – 422 с.

Скачать файл

1980

66

Электрохимическая энергетика М.: Энергоатомиздат, 1991. – 262 с.

Скачать файл

1991

67

Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф

Электрохимические генераторы М.: Энергоиздат, 1982 – 50 с.

Скачать файл

1982

68

Тарасевич М.Р., Орлов С.Б., Школьников Е.И.

Электрохимия полимеров. – М.: Наука, 1990. – 238 с.

Скачать файл

1990

Химические источники электрического тока

Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения. Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источники питания. Востребованность химических источников тока в обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Химические источники электротока

Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

Последовательное соединение
(согласное включение)

 

 

Еобщ = Е1 + Е2 + Е3

Смешанное соединение
(встречное)

 

 

Еобщ = Е1 – Е2 + Е3

Параллельное соединение источников питания.
( Такое соединение применяется
для увеличения тока в цепи. )

 

 

 

Еобщ = Е1 = Е2 = Е3

В зависимости от характера работы различные типы химических источников питания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.

К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции. При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.

Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.

Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.

При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.

К химическим источникам тока предъявляется ряд общих и специальных технических требований. Все требования оговорены в соответствующей нормативной документации.

Общими являются требования: к габаритно-массовым характеристикам; к надежности; к отсутствию вредного влияния на окружающую среду; к безопасному использованию обслуживающим персоналом; к сроку службы; к минимальному саморазряду.

Специальными техническими условиями являются требования к удельным характеристикам, к механической прочности, к температурному диапазону рабочего режима, к невысокому значению внутреннего сопротивления, к работоспособности в любом положении, к удобству в эксплуатации.

источников тока | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Целевые / профилирующие файлы cookie:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. С этой целью мы также можем передавать эту информацию третьим лицам.
Отклонить файлы cookie

Текущие источники, приемники и зеркала в аудио

Текущие источники, приемники и зеркала в аудио
Elliott Sound Products Использование источников тока, приемников и зеркал в аудио

© 1999, Род Эллиотт (ESP)
Последнее обновление 6 января 2012 г.

Вершина
Основной индекс
Указатель статей

Содержание
Введение

Являясь неотъемлемой частью большинства систем усиления (включая аудио), источник тока и приемник тока незаменимы.Для целей этой статьи источники и поглотители должны рассматриваться как одно и то же - каковы они и есть, в зависимости от того, как смотреть на схему. По сути, функциональность (и назначение) идентичны - заставить ток через другое устройство быть постоянным, пока напряжение находится в пределах границ источника питания (за вычетом некоторого падения напряжения на источнике / приемнике).

Токовые зеркала

обладают способностью значительно увеличивать коэффициент усиления и линейность разомкнутого контура, обеспечивая лучшую производительность разомкнутого контура, что приводит к лучшим характеристикам замкнутого контура .В этой короткой статье рассматриваются различные типы - от теоретических или «идеальных» устройств до различных практических примеров.

В этой статье я пренебрегал эффектом Раннего, когда на коэффициент усиления биполярного транзистора влияет напряжение эмиттер-коллектор. Хотя это вполне реально и действительно влияет на реальные схемы в большей или меньшей степени, это без нужды усложняет описания и объяснения. В результате эффекта Early (названного в честь Джеймса М.Early), базовый теоретический анализ, который не включает его, предсказывает лучшую производительность, чем будет достигнута на практике. Хотя это может быть реальной проблемой для прецизионных или измерительных приложений, в большинстве случаев на это можно не обращать внимания. Влияние на производительность усилителя звука обычно незначительно.


1.0 - Идеальный источник тока

Идеальный источник тока можно сконструировать очень просто, требуя только бесконечного напряжения и бесконечного сопротивления.К сожалению, это также обеспечит бесконечный ток (который будет бесконечно постоянным), но (бесконечно?) Избыточен для бесконечного числа приложений.

Извините, я пошутил, но принцип, тем не менее, верен. В действительности достаточно высокое напряжение может вызвать ток через изменяющееся сопротивление, которое по существу является постоянным, при условии, что колебания напряжения на сопротивлении составляют небольшую часть (<100-го) напряжения питания. Это обеспечит точность 1% при соотношении напряжений 100: 1.

Это метод, который был распространен много лет назад, и у меня до сих пор есть (и использую) тестер транзисторов, который использует этот метод для обеспечения постоянного тока базы на тестируемом устройстве. При напряжении питания 250 В, питающем переход база-эмиттер (обычно 0,65 В) через переключаемые сопротивления, изменение напряжения база-эмиттер под нагрузкой не влияет на ток в какой-либо значительной степени.

Принцип работает хорошо, но в наши дни никто не хочет использовать такое высокое напряжение в оборудовании.Тем не менее, высокое напряжение также используется для измерения напряжения пробоя, что уже редко проверяется, хотя иногда это помогает идентифицировать подделки.

Так зачем вообще упоминать об этом методе? Просто потому, что работа и характеристики источников тока не совсем понятны большинству неинженеров (и довольно большому количеству инженеров). На рисунке 1 показан резистивный источник тока, который будет поддерживать установленный ток 1 мА с точностью лучше 1% в диапазоне 0–10 В.


Рисунок 1 - Простой резистивный источник тока

Первое, что нам нужно знать, это то, что импеданс очень высок, а идеальный источник тока (как описано выше) действительно имеет бесконечное сопротивление. Хотя это невозможно достичь на практике, вполне возможно полное сопротивление многих, многих мегом, и они регулярно используются во многих различных типах цепей. Фактический импеданс может быть настолько высоким, что сопротивление изоляции печатной платы и ток утечки транзистора могут стать определяющими факторами.

Симуляторы

действительно имеют источники тока, близкие к «идеальным», которые полезны для сравнения реальной схемы с идеальной версией, и они обычно используются для упрощения сложных схем. К счастью, реальные источники тока часто достаточно близки к идеальным в реальной цепи, поэтому разница минимальна.


2.0 - Транзисторный усилитель с общим эмиттером

Если мы посмотрим на простой транзисторный усилитель с общим эмиттером (рис. 2), выходное сопротивление будет равно сопротивлению коллектора.Это небольшое упрощение, потому что коллектор также имеет конечный импеданс, но для всех целей и задач разница крошечная (ошибка менее 1% в большинстве типичных схем). Коэффициент усиления примерно равен сопротивлению коллектора, деленному на r e - внутреннее сопротивление эмиттера транзистора. Это примерно равно ...

r e = 26 / I e (в мА)

Естественно, r e изменяется в зависимости от тока в соответствии с приведенной выше формулой.Обратите внимание, что компоненты смещения опущены для ясности, но на самом деле они должны использоваться, потому что h FE не является фиксированным числом и изменяется в зависимости от тока, напряжения коллектор-эмиттер и температуры.

Во всех примерах используется транзистор с коэффициентом усиления по току 100, а ток смещения будет установлен ровно 100-ой от ожидаемого тока коллектора (естественно, с использованием моделированного источника тока). На самом деле делитель напряжения или резистор между коллектором и базой обычно используется для обеспечения необходимого смещения для простых однотранзисторных схем.


Рисунок 2 - Усилитель на простом транзисторе с общим эмиттером

При низких уровнях выходного сигнала коэффициент усиления должен составлять 385, но при моделировании фактически 333. Это находится в пределах той степени точности, которую мы хотим получить в этой статье, поэтому практика хорошо коррелирует с теорией (можно было бы надеяться, или мы бы все были в беде).

По мере увеличения выходного напряжения транзисторов доступный ток коллектора (и, следовательно, ток эмиттера) падает, поэтому r e увеличивается (и наоборот).Чем выше выходное напряжение (относительно нуля вольт / земля), тем меньше течет ток эмиттера и тем меньше становится усиление. Когда транзистор включается (уменьшается выходное напряжение), происходит прямо противоположное, и коэффициент усиления увеличивается. Этот эффект сразу проявляется в искаженной форме выходного сигнала. Это показано на осциллограмме на рис. 2, и искажение четко видно: верхняя часть сигнала сглажена, а нижняя - «растянута». Это типично для любого транзисторного усилителя, работающего без обратной связи, а также для ламп и полевых транзисторов.


3.0 - Местная обратная связь

Одним из способов уменьшения этого искажения является введение сопротивления в цепь эмиттера (местная обратная связь) для уменьшения усиления и подавления колебаний r e . Это работает, но у нас все еще относительно низкий выходной импеданс, и искажения все еще очевидны, хотя и значительно уменьшены. Это показано на Рисунке 3, где добавлен эмиттерный резистор 100 Ом.

Распространено мнение, что местная обратная связь эмиттера (обычно известная как вырождение) снижает выходное сопротивление - это просто неправда - выходное сопротивление усилителя с общим эмиттером равно сопротивлению коллектора, независимо от вырождения эмиттера.Чтобы уменьшить выходное сопротивление, необходимо применить «истинную» обратную связь по всей цепи - от выхода до входа. Доказательство этого выходит за рамки данной статьи, но, тем не менее, это факт.


Рисунок 3 - Каскад с общим эмиттером и локальной обратной связью

При всех этих разговорах об искажениях я почти слышу возгласы всех энтузиастов термоэлектронных клапанов (ламп): «Я знал это - и вот доказательство, которое я искал!»

К сожалению, это не так.Клапаны делают то же самое, что и полевые транзисторы всех типов - механизм у каждого разный, но результат тот же. Коэффициент усиления зависит от тока во всех известных усилительных устройствах в большей или меньшей степени, поэтому изложенные здесь принципы действительны для любого устройства. Я остановился на биполярных транзисторах, потому что они наиболее часто используются из всех устройств, доступных в настоящее время. Когда вы «заперты» внутри операционных усилителей и других микросхем, вы можете не видеть их , но тем не менее они присутствуют.Современные зеркала также могут быть изготовлены с использованием полевых МОП-транзисторов, но они должны быть тщательно согласованы с V gs , иначе производительность будет довольно низкой.

В этом случае коэффициент усиления каскада составляет чуть более 76, и теория предсказывает коэффициент усиления 79, так что корреляция снова очень хорошая. Помните, что при токе эмиттера 1,001 мА (ток коллектора плюс ток базы) значение r e (буквально «немного re») составляет около 26 Ом, и это необходимо добавить к внешнему сопротивлению R e .Помните, что r e все еще изменяется в зависимости от тока, и резистор внешнего эмиттера не отменяет его полностью.


4.0 - Источник тока как нагрузка

Поскольку мы определили, что сопротивление нагрузки влияет на коэффициент усиления, и что вариации тока коллектора (и, следовательно, тока эмиттера) влияют на линейность, если бы источник тока использовался вместо резистора 10 кОм, мы должны получить гораздо больший коэффициент усиления, и искажение должно быть незначительным.

На самом деле именно это и произойдет, и Рисунок 4.1 показан теоретический источник тока в качестве нагрузки коллектора. Источник тока настроен на обеспечение тока 10 мА (а не 1 мА, как раньше). Осциллограмма не отображается, потому что линейность настолько хороша, что не видно искажений, а трассировка почти идеальной синусоиды становится утомительной через некоторое время.


Рисунок 4.1 - Использование источника тока в качестве нагрузки

На рисунке 4.1 показана схема, которая (теоретически) имеет коэффициент усиления около 3150. Естественно, в реальной жизни это уменьшится.На рисунке 4.2 показана та же схема с сервоприводом смещения (что означает, что выбранное смещение для поддержания желаемого напряжения коллектора сохраняется). Эта форма схемы больше не может быть смещена с использованием простого источника напряжения или тока, потому что коэффициент усиления схемы настолько велик, что даже малейшее изменение в транзисторе h FE или малейшее изменение номинала резистора приведет к тому, что выходной сигнал будет перейти на землю »или сесть на напряжение питания.

Следовательно, для подачи смещения был добавлен операционный усилитель, иначе схему практически невозможно стабилизировать.Использование сервопривода смещения таким образом не слишком распространено, но оно используется во многих приложениях. Если вы хотите поэкспериментировать с этой идеей, необходимо позаботиться о том, чтобы не образовался низкочастотный генератор с фазовым сдвигом.


Рисунок 4.2 - Теоретическая нагрузка источника тока с сервоприводом смещения

Для источника тока данного типа ток равен ...

I = ((V - 0,65) / R) × ч FE

Где I - ток, В, - напряжение питания, 0.65 - напряжение эмиттер-база (типичное), R - резистор базы и h FE - коэффициент усиления прямого тока транзистора.

Ультра-простые источники тока (просто транзистор с резистором с высоким номиналом, питаемый от высокого напряжения) могут работать, но я не собираюсь включать их, поскольку они не используются ни в одной разумной схеме. Ток зависит от напряжения, температуры и коэффициента усиления транзистора. Теперь, когда основные принципы изучены, мы рассмотрим некоторые реальные источники тока (или поглотители, в зависимости от того, как вы на это смотрите).

Хотя на этих примерах показан «сервопривод смещения», когда схема с высоким коэффициентом усиления подвергается глобальной обратной связи , схема обратной связи обеспечивает требуемые условия постоянного тока для правильное смещение, а также обеспечивает обратную связь по переменному току, чтобы схема могла иметь предсказуемый коэффициент усиления (установленный резисторами обратной связи). Сервопривод смещения необходим только тогда, когда глобальная обратная связь не используется и / или для демонстрационных схем, таких как показанные.


5.0 - Источники / приемники тока в реальных условиях

Два наиболее распространенных источника тока показаны на рис. 5.1 (A и B) и достаточно стабильны в зависимости от коэффициента усиления транзистора и температуры. Рисунок 5.1 (C) показан просто потому, что однажды он может пригодиться. Несмотря на то, что у них чрезвычайно высокий выходной импеданс, полевые МОП-транзисторы являются переключающими устройствами и не оптимизированы для шумовых характеристик. Термическая стабильность тоже не очень хорошая, потому что BJT и MOSFET никогда не отслеживают друг друга. При работе со звуком абсолютная стабильность не является действительно необходимой, поскольку используется контур обратной связи, чтобы гарантировать, что напряжения смещения поддерживаются на правильном значении.В некоторых случаях может использоваться сервоцепь постоянного тока (как показано на рисунках 5.3 и 5.4), но в большинстве случаев в этом нет необходимости. Сервопривод постоянного тока показан здесь, потому что он был смоделирован, а также помогает получить общее представление о схемотехнике.

На рис. 5.1 показаны два основных варианта, используемых для источников тока, с добавлением полевого МОП-транзистора в демонстрационных целях. «А» и «В» очень распространены, но есть и небольшие вариации. Например, вместо двух диодов можно использовать стабилитрон, светодиод или прецизионный эталонный диод.Это может улучшить производительность, но также может снизить максимальный размах напряжения. Из этих двух вариантов многотранзисторная версия предпочитается многими (включая меня), поскольку она имеет гораздо лучшие характеристики, чем схема, использующая опорный диод. Однако в нескольких проектах в качестве источника опорного напряжения использовался светодиод, поскольку он занимает очень мало места на печатной плате.

Обратите внимание, что на следующем рисунке нагрузочный резистор выделен жирным шрифтом, и там, где это необходимо, это было продолжено. Это упрощает различие между «функциональным» резистором (который необходим для работы схемы) и нагрузкой.


Рисунок 5.1 (A, B и C) - Две основные схемы источника тока (плюс MOSFET)

В каждом случае эмиттерный резистор 330 Ом устанавливает ток. Если предположить, что диоды и транзисторы имеют напряжение перехода 0,65 В, теоретический ток составляет ...

.
I = 0,65 / RE (0,65 / 330 = 1,97 мА)

Где RE - полное сопротивление эмиттера - внутреннее сопротивление r e транзистора плюс внешнее сопротивление R e (первое не учитывалось для этой демонстрации, но на самом деле полное сопротивление будет около 343 Ом, когда r e входит в комплект).В реальных схемах это не имеет большого значения, потому что напряжение база-эмиттер не является точным значением. Для обеспечения стабильности эталонный ток (через R1 или R3) должен быть в 10-20 раз больше ожидаемого базового тока. Схема MOSFET немного отличается в этом отношении, потому что затвор не потребляет ток.

Обе цепи имеют приемлемую стабильность тока при изменении температуры, но обе цепи будут изменяться с температурой. V - кремниевого транзистора изменяется примерно на 2 мВ / ° C, и это приводит к соответствующему изменению тока.Практически всегда рекомендуется держать источники тока подальше от нагретых компонентов, особенно если температура не постоянна. Я говорю «почти», потому что иногда вы можете захотеть использовать вариацию, например, для измерения температуры (и да, эти схемы могут хорошо работать как термодатчики, хотя они далеки от прецизионных устройств).


Рисунок 5.2 - Сравнение тока двух транзисторных источников тока и тока между ними. Напряжение

На приведенном выше графике показана зависимость тока от выходного напряжения с использованием двухтранзисторного источника, показанного на рисунке 5.1 (В). При условии, что выходное напряжение меньше 19,2 В (резистивная нагрузка 9,8 кОм или меньше), доступен полный ток 1,97 мА, и он быстро падает с более высокими нагрузочными резисторами. Этого следовало ожидать, потому что для источника тока есть только напряжение 20 В, и он не может обеспечить полный ток в резистор, если выходное напряжение будет равно или превысит напряжение питания (за вычетом напряжения на резисторе измерения тока R3 и минимум какое-то напряжение на транзисторе).

Если необходимо переключение на более высокое сопротивление, то необходимо уменьшить ток или увеличить напряжение питания. Всегда необходимо следить за тем, чтобы комбинация напряжения и тока (т. Е. Мощности) не превышала максимального номинального значения для транзистора. Из графика видно, что схема продолжает работать, даже когда напряжение эмиттер-коллектор на Q2 почти равно нулю. Доступен почти полный ток (1,89 мА против 1,94 мА), всего около 120 мВ через Q2.

Выходные импедансы источников тока версий «A» и «B» приведены в таблице ниже для широкого диапазона сопротивлений нагрузки.Предполагается, что температура составляет 25 ° C, а ток зависит от температуры, даже если транзисторы термически связаны.

2k 5k
Транзистор + два диода Два транзистора
RL1 / 2 Ток мА Напряжение Импеданс Ток мА Напряжение Импеданс
0 2.3020 0 нет данных 1.9516 0 нет
1k 2.2967 2.2967 433k 1.9506 1.9506 1,951k 2,2912 4,5824 833k 1,9496 3,8992 3,899k
3k 2,2851 6,8553 1,124k 1.9484 5,8452 4,871k
4k 2,2774 9,1096 1,183k 1,9471 7,7884 5,991k
2,2718 110031 2,2718 1,9457 9,7285 6,949k
6k 2,2644 13,5864 1,836k 1,9442 11,6652 7,777k
7k 2,777k
7k 2563 15,7941 1,950 тыс. 1,9424 13,5968 7,554 тыс.
8k 2,2476 17,9808 2,067 тыс. 1,9405 15,5240 2,1269 19,1421 159k 1,9383 17,4447 7,929k
10k 1,9188 19,1880 92k 1.9205 19.2050 1,079k
Таблица 1 - Динамические характеристики источников тока

Средний импеданс (исключая самый низкий и самый высокий токи) составляет 1432 кОм для источника с опорным диодом и 5 895 кОм для версии с двумя транзисторами. Совершенно очевидно, что двухтранзисторный источник тока имеет гораздо лучшую линейность в более широком диапазоне, но такой уровень точности обычно не требуется - хотя это тоже не повредит. Основным преимуществом является то, что импеданс намного выше - он остается выше 1 мегабайта на всех выходных нагрузках, вплоть до точки, когда остается только 0.15 В остается на транзисторе (Q2). В схемах, показанных ниже, используются оба типа источников тока.

Я не включил версию MOSFET в приведенную выше таблицу, потому что для всех целей и задач его выходное сопротивление бесконечно. Согласно симулятору, Z из составляет около 250 ГОм, и хотя я не обязательно верю симулятору неявно, несколько различных версий схемы были протестированы и дали аналогичные результаты. Вы можете с уверенностью ожидать, что выходное сопротивление превысит 2 ГОм в любых реальных условиях.Показанный BS250P представляет собой малосигнальный полевой МОП-транзистор с P-каналом и (примерно) является эквивалентом P-канала 2N7000 (N-канал). Одним из недостатков является то, что напряжение на MOSFET должно быть немного выше, чем на BJT. При напряжении менее 1 В (сток к истоку) большинство полевых МОП-транзисторов теряют большую часть своего усиления (крутизны).

Вполне можно задать вопрос: "Как рассчитать импеданс источника тока?" Метод не сразу очевиден, но он не имеет ничего общего с напряжением на транзисторе и током через него.Вы можете представить, что это даст вам ответ, и хотя дает ответ , это неверно. Вам нужно измерить напряжение на нагрузке и ток через нагрузку, затем немного изменить нагрузку и снова измерить. Это дает «дельту» (Δ означает изменение) двух значений.

В качестве примера: если нагрузка составляет 10 кОм, а ток равен 1 мА, на резисторе должно быть 10 В при условии, что значения точны. Если вы измените сопротивление на 9 кОм, вы ожидаете 9 В, но оно будет немного выше, потому что транзистор имеет конечное усиление.Предположим, что напряжение на 10 кОм составляет ровно 10 В, а напряжение на 9 кОм может составлять 9,005 В. Мы используем эту разницу для расчета динамического выходного сопротивления источника тока ...

ΔV = V1 - V2 (10 - 9,005 = 995 мВ)
ΔI = I1 - I2 (1.0006 мА - 1 мА = 600 нА)
Z выход = ΔV / ΔI
Z out = 995 мВ / 600 нА = 1.66 Мб

Выходное сопротивление (Z из ) источника тока составляет 1,66 МОм. Расчеты утомительны даже при использовании симулятора, который дает более точные результаты, чем у большинства обычных испытательных инструментов. Как и следовало ожидать, напряжение на более низком сопротивлении всегда немного выше, чем должно быть, и наоборот. Идеальный источник тока будет показывать одинаковый ток через сопротивление нагрузки, независимо от значения. Этот расчет является только примером и не связан с цифрами, приведенными в приведенной выше таблице.Однако теперь вы знаете, как определялись значения в таблице.

В качестве дальнейшего примера представьте себе «идеальный» источник тока 2 мА, устройство, которое существует в большинстве симуляторов, но не в реальной жизни. Напряжение на резисторе 1 кОм будет ровно 2 вольта. При нагрузке 900 Ом (например) ток не изменился, но теперь напряжение составляет 1,8 В. У нас есть ΔV (200 мВ), но нет ΔI, поэтому приведенный выше расчет даст ошибку «деление на ноль», и ответ будет бесконечностью (∞). Это, очевидно, невозможно в «реальном мире», даже если источник тока был получен из очень хорошего операционного усилителя очень .Я показал пример схемы на рисунке 5.2.1.

Изменение сопротивления нагрузки должно соответствовать измеряемому источнику тока, чтобы напряжение нагрузки находилось в допустимом диапазоне для измеряемой цепи. В идеале напряжение на нагрузке будет примерно вдвое меньше напряжения питания для обеих частей описанного испытания.


5.01 - Сток тока

Нет никакой реальной разницы между источником тока и текущим приемником , кроме терминологии.Мы склонны думать, что приемник тока подключен к общему (ноль вольт / земля) и «втекает» ток от источника питания. Схемы, показанные на рисунке 5.1, можно просто перевернуть (и поменять полярность полупроводников), чтобы получить эквивалентный сток тока. Номинальный ток устанавливается R2, ​​R4 или R6 и составляет около 1,97 мА (при условии, что напряжение база-эмиттер 0,65). Это зависит от температуры, и в некоторых случаях это необходимо учитывать. Рисунок 5.1 в этом отношении ничем не отличается.


Рисунок 5.3 (A, B и C) - Две основные схемы отвода тока (плюс MOSFET)

Понятно, что реальной разницы в самих схемах кроме переполюсовки нет. Нагрузка привязана к положительному источнику питания, а не к земле, но в остальном характеристики идентичны, по крайней мере, теоретически. Нет смысла показывать таблицу импеданса, так как она очень похожа на ту, что показана в таблице 1. Возможны небольшие вариации, потому что транзисторы NPN и PNP всегда немного отличаются - даже если они обозначены как дополняющие друг друга.Это редко является проблемой в обычных схемах.


5.1 - Транзисторные нагрузки источника тока

Использование источника тока в качестве нагрузки для транзистора (или JFET) увеличивает коэффициент усиления и улучшает линейность. Это удивительно распространенный метод, но не всегда очевидно, что - это - текущий источник или его цель. Источники тока также могут использовать операционный усилитель, особенно если требуется особенно точный ток. Коэффициент усиления операционного усилителя обеспечивает очень стабильный ток, а с операционными усилителями с низким входным смещением (или с подстройкой смещения) ток может быть очень точным.Пример показан ниже.

Оба они включают «сервопривод постоянного тока» (см. «Сервоприводы постоянного тока» для получения дополнительной информации). Это включено, потому что без обратной связи коэффициент усиления настолько велик, что никакая «нормальная» схема смещения не будет достаточно стабильной, чтобы поддерживать выходное напряжение (примерно) на уровне половины напряжения питания.


Рисунок 5.1.1 - Двухдиодный источник тока в качестве транзисторной нагрузки

Падение напряжения на двух диодах остается относительно постоянным (без учета тепловых эффектов). Это означает, что ток коллектора источника тока определяется напряжением база-эмиттер.0,65 В присутствует на R5, и это устанавливает ток коллектора. Формула для настройки обоих источников тока показана ниже.

На усиление Q1 практически не влияет изменение конфигурации источника тока. В любом из этих случаев включение эмиттерного резистора в транзистор усиления (Q1 на каждом рисунке) снижает коэффициент усиления, но это изменение намного меньше, чем в случае резистивной нагрузки. Помните, что выходной импеданс источника тока чрезвычайно высок, поэтому добавление сопротивления эмиттера имеет гораздо меньший эффект, чем при использовании «обычного» каскада усилителя с одним транзистором.


Рисунок 5.1.2 - Двухтранзисторный источник тока в качестве транзисторной нагрузки

Двухтранзисторный источник тока является одним из наиболее часто используемых и имеет приемлемую стабильность. Тепловое соединение транзисторов не очень помогает. Высокая стабильность не требуется для большинства приложений, поскольку, как упоминалось ранее, абсолютная точность / стабильность тока не является (или не должна) быть требованием для аудиоусилителя.

Это очень простая схема, но дает очень хорошие результаты везде, где она используется.Ток рассчитывается по (приблизительно) ...

I = 0,65 / Re

В этом случае внутреннее сопротивление эмиттера (r e ) не является проблемой, поскольку второй транзистор (Q3) позволяет только этой точной величине базового тока для источника тока (Q2) развить 0,65 В на резисторе. Если ток попытается увеличиться, Q3 просто включится сильнее и украдет больше базового тока. Ток через Q3 должен быть как минимум в 10 раз больше, чем ожидаемый базовый ток Q2 (источника тока).

Для всех показанных схем выходной импеданс очень высокий и, по моим тестам, составляет около 8,2 кОм. Включение эмиттерного резистора (обеспечивающего локальную обратную связь) очень мало влияет на выходное сопротивление - оно в первую очередь снижает коэффициент усиления.

Нередко можно увидеть один эталонный транзистор (Q3 на рисунке 5.1.2), управляющий двумя или более источниками тока (которые могут подавать разные токи). Ссылка всегда должна управлять транзистором источника тока, который имеет наиболее стабильный ток.Например, если есть источник тока для входного каскада и усилителя класса A, эталон всегда следует брать из источника, используемого для входного каскада. Это сводит к минимуму любую возможную перекрестную связь между двумя источниками тока.


5.2 - Прецизионный источник тока

Для многих прецизионных измерений часто требуется очень жестко регулируемый ток. Обычно он также калибруется, чтобы гарантировать, что ток (с сопротивлением нагрузки в пределах своего диапазона) не изменится более чем, возможно, на 0.1% или меньше. Лучший способ добиться этого - использовать операционный усилитель.

На следующем рисунке вы можете быть озадачены вторичным источником питания для операционного усилителя. Это было использовано, потому что большинство операционных усилителей не могут справиться с входом, находящимся так близко к шине питания. Они демонстрируют свое недовольство тем, что не работают должным образом (если вообще работают), а вспомогательный источник питания обеспечивает более чем достаточное напряжение между двумя входами и источником питания операционного усилителя для обеспечения надежной работы. Если вы хотите поэкспериментировать с этой схемой, вы должны включить вспомогательный источник питания!


Рисунок 5.2.1 - Источник тока на базе операционных усилителей

Маловероятно, что вам понадобится что-то вроде точности, которую может обеспечить вышеуказанная схема, но ее производительность будет выше, чем у простых транзисторных или транзисторных / диодных версий, в зависимости от реализации. Ток с показанной схемой (с использованием операционного усилителя TL071 и транзистора BC559C для моделирования) изменяется на 30 нА, когда резистор нагрузки изменяется с 2 кОм на 2,2 кОм, и с использованием формулы, показанной выше, это означает, что выходное сопротивление превышает 14 МОм.Показанная схема значительно лучше, чем описанная выше двухтранзисторная версия, но все же есть некоторые вариации. Виной всему ток базы транзистора, потому что, хотя напряжение на R2 практически не изменяется, переход база-эмиттер обеспечивает немного больший ток через R2 при изменении нагрузки. Наилучшие результаты достигаются, когда значение h FE транзистора максимально высокое. PNP Дарлингтон рекомендуется для максимально возможного выходного сопротивления (возможно более 100 МОм).

В качестве альтернативы можно использовать полевой МОП-транзистор с P-каналом, и выходное сопротивление будет неизмеримо высоким - даже с симулятором! Вряд ли вам нужно заходить так далеко, но я использовал аналогичную схему в статье Project 168 - Low Range Ohmmeter. В статье проекта для повышения стабильности вместо диодов используется прецизионный диод опорного напряжения, а также операционный усилитель с малым дрейфом. Как показано, использование диодов в качестве эталона снижает точность описания, поскольку их падение напряжения зависит от температуры.


5.3 - Источник тока начальной загрузки

Последний (и наименее понятный) из всех источников тока - это так называемая схема самонастройки. Хотя он не так хорош, как активный источник тока, его характеристики все же более чем приемлемы, и в примере, показанном на рисунке 5.1.1, удалось обеспечить усиление в 8 860. Это при токе всего 1 мА (в некоторых других показанных схемах используется 2 мА), поэтому коэффициент усиления немного уменьшается. Однако эта схема не относится к той же категории, что и миллионный выигрыш от источника тока, но в реальном выражении ее производительности более чем достаточно для каскада усилителя / драйвера класса A усилителя мощности.

У этой схемы есть некоторые преимущества и недостатки, и будет ли она подходить в зависимости от области применения. Если истинный источник тока имеет одинаковое (более или менее) полное сопротивление на всех частотах вплоть до постоянного тока, схема начальной загрузки имеет точку отсечки по низкой частоте, определяемую используемыми сопротивлением и емкостью. Это упрощает смещение постоянного тока (поскольку коэффициент усиления довольно низкий на постоянном токе), но, поскольку он немного снижает коэффициент усиления (и общую обратную связь) на постоянном токе, в результате может быть немного большее смещение постоянного тока на выходе усилителя.

Искажения также увеличиваются на очень низких частотах, поскольку постоянное напряжение на резисторе R2 не будет поддерживаться, поскольку сдвиг фазы (и спад НЧ) начинают сказываться. Если загрузочный конденсатор (C1 в приведенной ниже схеме) сделать достаточно большим, низкочастотные характеристики не ухудшатся в какой-либо измеримой степени.

Одним из преимуществ такой схемы является то, что напряжение на стыке R1 и R2 может превышать напряжение питания. Это особенно полезно, если схема управляет полевыми МОП-транзисторами, поскольку она может обеспечить необходимое дополнительное напряжение для управления затворами без вспомогательного источника питания.К сожалению, этот небольшой трюк работает только с одной полярностью, если не используется схема «двойной самозагрузки». . Другое преимущество - простота - пассивные компоненты, которые работают в пределах своих номиналов, имеют неограниченный срок службы. Крайне редко выходит из строя конденсатор начальной загрузки - я даже видел схему, в которой колпачок был установлен с обратной полярностью, и усилитель работал нормально. Там, где источники тока могут быть повреждены в случае выхода из строя устройства вывода, схема начальной загрузки этого не сделает.


Рисунок 5.3.1 - Источник тока начальной загрузки

Поскольку это так неправильно понимают, стоит несколько слов пояснить. R1 и R2 обеспечивают номинальный ток 1 мА (резисторы по 5 кОм каждый). В нормальных условиях (т.е. в состоянии покоя) на каждом резисторе будет 5 Вольт. При изменении выходной мощности конденсатор передает выходной сигнал обратно на центральный отвод двух резисторов, и, если бы эмиттерный повторитель был бы идеальным буферным усилителем, это было бы точно равно входному. В результате напряжение на R2 остается постоянным - если напряжение на резисторе постоянное, значит, ток через резистор также должен быть постоянным.Ток через R1 значительно меняется, но R2 поддерживает постоянный ток во всем рабочем диапазоне выходного сигнала.

Небольшие различия в напряжении (из-за потерь через эмиттерный повторитель) или по фазе (из-за того, что емкостное реактивное сопротивление начинает становиться значительным при уменьшении частоты), оба приводят к тому, что источник тока начальной загрузки снижает свою эффективность, поэтому сопротивление и коэффициент усиления падают, и искажение увеличивается. В хорошо спроектированной схеме эти эффекты минимальны на всех нормальных рабочих частотах, но их нельзя сбрасывать со счетов.Эта схема использовалась в нескольких конструкциях усилителей мощности ESP, каждый из которых показал очень хорошее звучание в тех ролях, для которых они были разработаны. Project 3A и Project 101 - примеры настоящих Hi-Fi-проектов, в которых используется эта техника. Несмотря на заявления о том, что он не так хорош, как «настоящий» источник тока, маловероятно, что кто-то сможет увидеть разницу в слепом тесте.

Обратите внимание, что схема самонастройки требует некоторой формы выходного каскада с единичным усилением для работы. Его нельзя заставить работать с одной ступенью.Пример простого предусилителя, использующего технику бутстрапа, можно увидеть в Проекте 13, и много-много лет назад я разработал схему как микрофонный предусилитель. Это все еще жизнеспособное предложение, несмотря на распространение малошумящих операционных усилителей.


5.4 - Источник тока JFET

Там, где требования не слишком высокие, в качестве источника тока можно использовать полевой транзистор (JFET). Хотя производительность самого полевого транзистора достаточно высока, между полевыми транзисторами существует значительная разница в напряжении затвор-исток.Это означает, что если используется постоянный резистор, как показано на рисунке 5.2.1, фактический ток будет варьироваться в зависимости от характеристик полевого транзистора. В зависимости от схемы это может быть или не быть проблемой.

Для цепей, которые имеют какую-либо обратную связь для стабилизации рабочих условий постоянного тока, изменения тока относительно не важны, но когда требуется конкретный ток, R1 должен быть подстроечным резистором или выбираться для обеспечения требуемого тока. Большинство полевых транзисторов ограничены относительно низкими токами - обычно не более 5 мА, но это зависит от типа полевого транзистора.Моделирование с использованием полевых транзисторов BF245A / B / C с R1, установленным на 560 Ом, дало токи 1,38, 2,03 и 4,46 мА соответственно, демонстрируя, что суффикс номера детали действительно может быть очень значительным.

Некоторые полевые транзисторы можно использовать вообще без резистора. Таким образом, ток на 100% зависит от характеристик конкретного полевого транзистора и может широко варьироваться даже при использовании одного и того же типа полевого транзистора из одной партии. Несмотря на очевидные недостатки, источники тока JFET находят множество применений, и они обеспечивают приемлемую производительность для многих приложений.


Рисунок 5.4.1 - Источник тока на переходном полевом транзисторе

Показанные выше характеристики источника тока лучше всего охарактеризовать как «респектабельные», а не как хорошие или отличные. При условии, что на JFET есть не менее 5 В, ток достаточно стабилен, но он быстро падает, если на самом полевом транзисторе недостаточно напряжения. Напряжение на R1 полностью зависит от самого полевого транзистора и может составлять от нескольких сотен милливольт до вольт и более. Выходное сопротивление зависит от крутизны JFET, но можно ожидать, что оно будет около 100 кОм или лучше.Это даже не близко к версиям транзисторов, но имеет преимущество простоты.

Одна из причин, по которой вы не видите, что источники / приемники тока JFET очень часто используются, - это их крайняя изменчивость. Если конструкция не является либо очень терпимой, либо не требует подстройки, позволяющей установить ток на определенное значение, JFET обычно не подходит. Большинство из них также имеют довольно низкое напряжение (обычно 30 В) и не подходят для цепей высокого напряжения. Хотя доступны полевые транзисторы высокого напряжения, они значительно дороже и их сложнее получить, чем биполярные транзисторы, которые в любом случае обеспечат лучшую производительность.Диапазон подходящих полевых транзисторов JFET значительно сократился в последние годы, причем некоторые из лучших полностью исчезли (они уже устарели, а те, которые вы покупаете в Азии, вероятно, будут , а не , будут чем-то похожими на оригиналы.


5.5 - Токовые диоды и микросхемы

Доступно несколько «токовых диодов» (некоторые из них называются CRD - эталонными диодами), которые можно использовать там, где ток не особенно важен. На самом деле это не диоды, а базовый стабилизатор тока с использованием JFET в диодном или 2-контактном корпусе TO-92.В отличие от источников тока JFET, описанных выше, CRD являются «пакетными», поэтому их проверяют на ток и маркируют в соответствии с током, прошедшим при испытательном напряжении (обычно 10-25 В). Как и у JFET, их характеристики зависят от приложенного напряжения и температуры. Они доступны от ряда производителей, но не являются точными устройствами.

Микросхемы LM334 (или 134/234) - лучший вариант там, где требуется точность. Это 3-контактные устройства с контактом «установка тока», который позволяет пользователю предварительно установить требуемый ток с помощью резистора или подстроечного резистора.В таблице приведены формулы, необходимые для определения силы тока. Поскольку это ИС, они связаны со многими проблемами, с которыми сталкивается любая ИС, такими как абсолютное максимальное напряжение (30-40 В) и ограничение на скорость нарастания, с которой они могут работать, что довольно низкое (1 В / мкс при 1 мА). . Это означает, что они (как правило) не подходят везде, где есть быстрые переходы. Однако для статических приложений они намного точнее, чем токовые диоды или большинство других методов.


Рисунок 5.5.1 - LM334 Источник тока / Примеры приемника

Есть уловки, которые можно использовать с этими устройствами, как показано выше. Ток устройства определяется как отношение между требуемым током и I set (ток, потребляемый с вывода «set»). Номинальное значение 18 - выходной ток в 18 раз больше установленного тока, но это зависит от установленного тока и температуры. LM334 имеет довольно значительную температурную зависимость, примерно 227 мкВ / ° C. Это неприятно, но в таблице данных показано, как ее можно уменьшить, добавив диод и резистор.В техническом описании даже есть приложение, использующее LM334 в качестве термометра.

Из таблицы данных не так очевидно то, что напряжение на установленном выводе (относительно вывода V) составляет около 68 мВ. Знание этого позволяет вам использовать устройство «интересными» способами, как показано в таблице данных и на втором рисунке рисунка 5.5.1 (приписывается Бобу Пизу). Обратите внимание: если (когда) вы видите онлайн-видео, посвященные LM334, многие из них ошибочны, и один человек (очевидно) имел наглость заявить, что Боб Пиз был неправ.Это всегда важный вопрос, но комментатор ошибался, бот Боб. Вы можете спросить, зачем был включен дополнительный транзистор, но он для того, чтобы ток через LM334 был минимальным, а это означает, что самонагревание практически отсутствует.


5.6 - Источники опорного напряжения

Все источники / приемники тока требуют опорного напряжения. Хотя в большинстве дискретных схем в качестве источника опорного напряжения используется диод, переход транзистора или светодиод, все они имеют (часто значительные) колебания в зависимости от температуры.В большинстве случаев это на самом деле не имеет большого значения - аудиоусилитель не является точным инструментом, и возникающие вариации редко вызывают какие-либо проблемы (я никогда не видел проблемы с текущим источником в каком-либо звуковом приложении). Обычно подходят LM358 или TL071, они недорогие (менее 1 австралийского доллара), но имеют очень хорошие характеристики (особенно на низких частотах).

Токовые «диоды» используют полевой транзистор, а опорным напряжением является напряжение затвор-исток. Это не очень точно и чувствительно к температуре, но для многих приложений это не имеет значения.Если все, что вам нужно, это источник / приемник тока с высоким импедансом, но фактический ток не имеет большого значения, тогда они в порядке. Для обеспечения точности необходим лучший (и более предсказуемый) источник опорного напряжения.

ИС

, особенно те, которые используются для регуляторов напряжения или других прецизионных приложений, обычно используют опорную ширину запрещенной зоны (см. Ссылку 1). Хотя они могут быть сделаны с использованием дискретных устройств, их производительность никогда не будет очень хорошей. Поскольку все транзисторы в ИС находятся на одной подложке и, как правило, хорошо согласованы (и термически связаны), характеристики эталонных ИС намного лучше, чем вы получите от дискретных схем.Поскольку абсолютная точность никогда не требуется для аудиоприложений, использование дискретных источников опорного напряжения запрещенной зоны не рекомендуется. Если вам нужна такая степень точности, используйте коммерческую ИС опорного напряжения - она ​​будет намного лучше, чем та, которую вы создаете с использованием отдельных транзисторов.


6.0 - Практическое применение

Теперь, когда мы рассмотрели различные типы источников тока (их гораздо больше, но другие здесь не рассматриваются), мы можем изучить, где они лучше всего используются и почему.

Меня всегда интересовало усиление звука, и поэтому я сосредоточусь на этом аспекте использования источников тока и зеркал. Естественно, существует бесчисленное множество других приложений, но я оставлю воображение читателя, чтобы изучить дополнительные применения. Несколько распространенных применений включают таймеры, источники питания (дискретные), инструментальные усилители (которые часто работают в звуковом диапазоне) и контроллеры промышленных процессов, но это лишь небольшая часть использования. Почти каждая когда-либо созданная линейная ИС широко использует источники / приемники тока.

Одна из самых утомительных нагрузок для любого усилителя - это нагрузка, которая имеет врожденную нелинейность, и выходной каскад аудиоусилителя определенно подходит под это описание. Рассмотрим наихудший случай, когда к выходным устройствам, работающим в классе B, не приложено прямое смещение. Общая обратная связь в усилителе обычно считается основным спасателем, поскольку она снижает составляющие искажения за счет использования входного каскада в качестве усилителя ошибки.

На самом деле это лишь небольшая часть истории - правильно спроектированный усилитель класса A будет иметь как высокое усиление, так и высокое выходное сопротивление, и то, и другое полезно для уменьшения неизбежных в противном случае кроссоверных искажений.Рассмотрим рисунки 6.1 и 6.2, на которых показан один и тот же выходной каскад, обеспечивающий одинаковое пиковое выходное напряжение при одинаковом сопротивлении.

В первом используется усилитель с низким импедансом (операционный усилитель) с единичным усилением, как показано, но обычно он регулируется для получения требуемого выхода, а во втором используется источник с высоким сопротивлением, имеющий выходное сопротивление, но все же обеспечивающий то же выходное напряжение. . Усилительный каскад на рис. 6.2 (Q3) имеет значительное усиление, но для демонстрации это не важно.


Рисунок 6.1 - Использование источника напряжения, управляющего несмещенным выходным каскадом

Нагрузка для каждого усилителя составляет 100 Ом, и из первого рисунка (6.1) видно, что кроссоверные искажения очень велики. На рисунке 6.2 показано, как высокоимпедансный привод к выходному каскаду преодолевает кроссоверные искажения - форма выходного сигнала не показана, потому что на осциллограмме практически не видно искажений, поэтому она выглядит как синусоидальная волна. Это не значит, что на нем нет искажений - его просто не видно на следе.


Рисунок 6.2 - Использование источника тока, управляющего несмещенным выходным каскадом

Помните, что здесь нет никакой обратной связи - добавление обратной связи уменьшит искажения еще больше - как и некоторое смещение на выходном каскаде. Ни один из них не был включен, чтобы более четко показать эффект. Обратите внимание, что настройки осциллографа не менялись между этими симуляциями, чтобы гарантировать, что полный эффект не будет затемнен (или усилен) для каждого примера.

Неизбежный вывод состоит в том, что привод с высоким импедансом значительно поможет в преодолении нелинейностей в выходном каскаде, даже таких неприятных, как полностью несмещенная комплементарная пара, как показано на рисунке. Естественно, другие нелинейности также устраняются (до некоторой степени) этими методами, которые в значительной степени универсальны в современных конструкциях усилителей. Однако использование высокоомного каскада класса A с обратной связью не может устранить кроссоверные искажения! Когда выходные транзисторы не проводят, нет обратной связи .Это происходит из-за того, что непроводящие транзисторы не имеют усиления, поэтому общий коэффициент усиления усилителя будет чрезвычайно низким. Обратная связь может работать только тогда, когда усилительный каскад имеет общее усиление!

Ничто из вышеперечисленного не должно означать, что нам больше не нужна отрицательная обратная связь - идея состоит в том, чтобы сделать усилитель максимально линейным до добавления обратной связи. Это делает хороший усилитель лучше - обратная связь никогда не сделает плохой усилитель хорошим!


Рисунок 6.3 - Операционный усилитель с разомкнутым контуром, управляющий несмещенным выходным каскадом

Если операционный усилитель используется с обратной связью, взятой с выхода , его эффективное выходное сопротивление чрезвычайно велико, и он работает точно так же, как схема, показанная на рисунке 6.2. Форма волны в точке «А» такая же, а высокое усиление операционного усилителя позволяет схеме работать лучше, чем ожидалось. Однако , производительность на высоких частотах будет плохой, и это тот случай, когда добавление обратной связи не превращает «плохой» усилитель в «хороший» усилитель.


7.0 - Текущие зеркала

Следующий пункт - текущие зеркала, еще одна мало понятная схема. Они чрезвычайно полезны при проектировании усилителей, и в этом разделе я покажу, где их можно использовать и какие преимущества можно получить.

Базовое токовое зеркало показано на рисунке 7.1, и можно увидеть, что любой ток, вводимый в левую сторону, отражается, а правая сторона является источником постоянного тока (стоком), отражающим введенный ток. Если входной ток изменится, то изменится и выходной ток, но он останется постоянным, независимо от фактического напряжения (конечно, при условии, что оно остается в пределах питания).


Рисунок 7.1 - Базовое токовое зеркало

Проблема с этой схемой заключается в том, что ток в двух половинах различается - отраженный ток слишком низкий, отличается на 19 мкА (на самом деле это 20 мкА, но использованная точность моделирования была недостаточно велика, чтобы показать это).Если мы проверим, то обнаружим, что эмиттерные токи обоих транзисторов идентичны, поэтому «исчезнувшие» 20 мкА - это базовый ток, который должен подаваться на каждый транзистор (по 10 мкА каждый).

Добавление эмиттерных резисторов абсолютно ничего не делает, чтобы облегчить это, но полезно, если транзисторы не согласованы. Даже в этом случае резисторы не приносят много пользы, если только напряжение, развиваемое на них, не является значительным (по крайней мере, 100 мВ, а желательно больше), но это немного помогает.


Рисунок 7.2 - Токовое зеркало с буферизацией

Лучшее решение - использовать буфер, как показано на рис. 7.2. Это удаляет базовый текущий компонент ошибки и делает текущее зеркальное сопоставление намного лучше. Это простое дополнение значительно уменьшило ошибку, но ее можно улучшить еще больше. Хотя обычно не требуется для усиления звука, улучшенные характеристики необходимы для испытаний и измерений или других важных приложений.


Рисунок 7.3 - Токовое зеркало с четырьмя транзисторами

Как видно из вышеизложенного, Рисунок 7.3 [1] почти идеален - текущий баланс чрезвычайно хорош. Хотя эта схема используется в аналоговых операционных усилителях и других схемах, требующих высокой точности, ее использование в усилителе мощности не даст никаких преимуществ. В такой точности просто нет необходимости. Обычно это не улучшает искажения, полосу пропускания или динамику, но может дать незначительное улучшение смещения постоянного тока (которое может достигать 100 мВ, не вызывая каких-либо проблем в большинстве усилителей мощности, используемых для звука).Все, что нам нужно сделать сейчас, это найти применение этим схемам.

Обратите внимание, что я показал токовые зеркала с очень хорошим согласованием, но это также зависит от согласованных транзисторов. В дискретных схемах согласование с требуемыми уровнями несколько утомительно, и если вы не создаете прецизионную схему (которая обычно будет использовать массив транзисторов для обеспечения согласования и тепловой связи), это обычно не имеет значения. Простое зеркало, показанное на рис. 7.1, идеально подходит для большинства приложений.


8.0 - Усилитель дифференциальной пары

Рассмотрим дифференциальную пару (также известную как пара с длинным хвостом или LTP). В большинстве случаев мы теряем половину коэффициента усиления схемы, поскольку выходной сигнал берется только с одного коллектора, как показано на рисунке 8.1. Эта конфигурация также страдает проблемами линейности, если только на выходе не подается только ток - как в случае с управлением базой транзистора (это показано ниже).


Рисунок 8.1 - Пара с длинным хвостом как усилитель напряжения

Схема, как показано (без существенных компонентов смещения, которые были опущены для ясности) имеет коэффициент усиления по напряжению 285 (опять же с использованием транзисторов с h FE , равным 100) и является довольно линейным при низких выходных напряжениях.Линейность сильно пострадает при увеличении уровня, и даже при использовании источников питания ± 20 В она не является удовлетворительной (10% THD) в качестве усилителя напряжения для выходов более 1,35 В (среднеквадратичное значение) (это при входном напряжении 5 мВ).

Использование источника / стока тока в «хвосте» очень распространено в схемах усилителя, и этот вариант показан ниже. Обычно (но совершенно ошибочно) предполагается, что это увеличивает усиление (в показанной схеме усиление снижено до 168), но реальная цель состоит в том, чтобы улучшить возможности схемы в синфазном режиме.Синфазные сигналы - это те, которые подаются на оба входа с одинаковой полярностью и обычно должны быть отклонены. Использование простого резистивного хвоста сильно ограничивает синфазное напряжение, которое может быть адаптировано до того, как возникнут серьезные искажения, и действительно, подавление синфазного сигнала в схеме почти бесполезно.

В приведенном выше примере подавление синфазного сигнала значительно ниже 1 дБ, но с текущим стоком подавление составляет почти 65 дБ. В большинстве схем усилителей синфазные сигналы (нежелательного типа) не являются проблемой, если входной каскад правильно спроектирован.Хотя обычно считается необходимой высокая способность синфазного сигнала, это не всегда так. Для типичного усилителя мощности синфазное напряжение не может превышать входное напряжение для полной мощности. Однако есть и другие веские причины использовать источник / приемник тока, одна из которых - обеспечить стабилизацию цепи при низком напряжении, устраняя (или, по крайней мере, сводя к минимуму) удары при включении / выключении.

Если в качестве нагрузки используется токовое зеркало, коэффициент усиления увеличивается на очень полезную величину, и Рисунок 8.2 показывает используемую компоновку. Усиление каскада теперь составляет 850, и использование стока тока в качестве хвоста не имеет никакого эффекта (при условии, что ток поддерживается на уровне 4 мА). Эта схема показана на рисунке 8.2, и, хотя она полезна в определенных приложениях, она не подходит для управления выходным каскадом усилителя мощности.


Рисунок 8.2 - Использование токового зеркала в качестве нагрузки LTP

Если мы действительно хотели пошутить (и я это видел), мы можем собрать все биты в одном месте и закончить с входным каскадом + драйвером класса A с общим усилением разомкнутого контура (т.е. без обратной связи) 33 800 или 90 дБ (но все еще загружено 100 КБ). Это не будет резко увеличиваться при буферизации выхода - выходное сопротивление на самом деле достаточно низкое, около 4 кОм. Буферизованное токовое зеркало не способствует усилению, но уменьшает смещение выходного сигнала. Полная схема показана на рисунке 8.3 и является полезным примером методов, обсуждаемых в этой статье. Искажение разомкнутого контура составляет около 5% при выходе 6 В RMS, но резко упадет при применении обратной связи.


Рисунок 8.3 - Комбинация LTP и Current Mirror

В этой схеме используется входной LTP, который управляет вторичным LTP в качестве каскада усиления класса A. Нагрузкой для этого второго LTP является токовое зеркало, и это устройство имеет отличную линейность. Я подозреваю, что это может быть корова для стабилизации в реальной схеме усилителя, и, честно говоря, я не вижу смысла заходить так далеко. Многие усилители были разработаны с использованием этой схемы, и это очень распространено для выходных каскадов MOSFET. Первоначальные измерения усилителя MOSFET с использованием этого каскада привода показывают, что стабильность не так хороша, как я хотел бы видеть (есть следы колебаний на некоторых уровнях выходного сигнала), но общая стабильность кажется приемлемой.Я ожидаю, что широкая полоса пропускания выходных устройств MOSFET может сделать эту схему немного более управляемой, чем в случае с биполярными транзисторами. Я не счел это необходимым, и усилитель P101 MOSFET не использует эту комбинацию входных / управляющих каскадов.


Заключение

На данном этапе я подозреваю, что я либо прояснил некоторую путаницу, либо создал еще больше. Есть так много вариантов и так много причин использовать (или не использовать) любой из них.Эта статья предназначена только для описания и объяснения - вы можете увидеть мои собственные предпочтения по схемам, опубликованным на страницах проектов. Я являюсь решительным сторонником принципа KIS (сохраняйте его простым), и в моих собственных разработках я не счел необходимым делать схему более сложной, чем это необходимо, чтобы заставить ее работать и обеспечивать хорошую производительность, оправданную сроком. Hi-Fi. Тесты на прослушивание подтверждают это, и, по моему мнению, я не верю, что разница между очень сложным усилителем и простым (при условии, что оба хорошо спроектированы) слышна в любых условиях прослушивания.

В таком случае я не могу придумать какой-либо веской причины для использования комплексного решения, тем более, что его почти наверняка будет намного сложнее стабилизировать (я думаю, что это чрезвычайно важно) и будет использовать больше деталей. Допустим, что дополнительные затраты минимальны по большому счету, но звук для звука, простой и надежный, должен победить.

Наконец, с конфигурацией LTP и токовыми зеркалами часто бывает полезно согласовать транзисторы, чтобы они имели примерно равные коэффициенты усиления и максимально согласованные напряжения эмиттер-база.Также полезно с обеими этими конфигурациями и двумя транзисторными источниками тока термически связать два транзистора, чтобы предотвратить рассогласование из-за тепловых эффектов.

Помните, что напряжение эмиттер-база транзистора падает со скоростью 2 мВ / ° C, поэтому даже небольшая разница температур довольно сильно изменит характеристики смещения постоянного тока пары с длинным хвостом или токового зеркала. Тепловое соединение транзисторов минимизирует смещение, но не влияет на изменение тока, вызванное изменением температуры.Сила тока обычно не критична, поэтому небольшие отклонения обычно не имеют большого значения для аудиоприложений. Системы тестирования и измерения обычно требуют гораздо большей производительности, в противном случае они могут давать бесполезные результаты.

Для получения дополнительной информации о конструкции каскадов усилителя, пожалуйста, обратитесь к странице конструкции усилителя.


Список литературы

Большинство показанных схем являются достаточно универсальными, и хотя я, очевидно, где-то их нашел, это было очень давно.В результате, большая часть материалов не содержит ссылок ни на что конкретное, поскольку их можно найти во многих книгах, на веб-сайтах, существующих схемах и т. Д.

  1. Разработка аналоговых микросхем


Основной индекс
Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторскими правами (c) 1999-2006. Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещено международными законами об авторском праве.Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Журнал изменений: страница создана - 15 августа 1999 г. / январь 2000 - исправлены некоторые ошибки и опечатки. / Октябрь 2016 - добавлены детали для расчета текущего импеданса источника. / Декабрь 2018 - добавлен рисунок 6.3 и текст. / Июль 2020 - нумерация изменена На рисунке 5 добавлена ​​схема полевого МОП-транзистора.1. / октябрь 2020 - добавлен раздел LM334


Источник напряжения и источник тока - Идеально по сравнению с практичным

Источник - это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую или другую форму энергии в электрическую. Типы источников, доступных в электрической сети, - это источник напряжения и источник тока . Источник напряжения используется для подачи напряжения на нагрузку, а источник тока используется для подачи тока.

Источник напряжения

Источник напряжения - это устройство, которое обеспечивает постоянное напряжение для нагрузки в любой момент времени и не зависит от тока, потребляемого от него.Этот тип источника известен как идеальный источник напряжения. Практически невозможно сделать идеальный источник напряжения. У него нулевое внутреннее сопротивление. Обозначается этим символом.

Обозначение источника напряжения

Идеальный источник напряжения

График представляет изменение напряжения источника напряжения во времени. Он постоянен в любой момент времени.

Источники напряжения с некоторым внутренним сопротивлением известны как практические источники напряжения.Из-за этого внутреннего сопротивления происходит падение напряжения. Если внутреннее сопротивление высокое, на нагрузку будет подаваться меньшее напряжение, а если внутреннее сопротивление меньше, источник напряжения будет ближе к идеальному источнику напряжения. Таким образом, практический источник напряжения обозначается последовательным сопротивлением, которое представляет внутреннее сопротивление источника.

Практический источник напряжения

График представляет напряжение источника напряжения в зависимости от времени. Это непостоянно, но с течением времени продолжает уменьшаться.

Источник тока

Источник тока - это устройство, которое обеспечивает постоянный ток для нагрузки в любое время и не зависит от напряжения, подаваемого в цепь. Этот тип тока известен как идеальный источник тока; практически идеального источника тока также нет. У него бесконечное сопротивление. Обозначается этим символом.

Символ источника тока

Идеальный источник тока

График представляет изменение тока источника тока во времени.Он постоянен в любой момент времени.

Почему идеальный источник тока имеет бесконечное сопротивление?

Источник тока используется для питания нагрузки, так что нагрузка включается. Мы стараемся подавать на нагрузку 100% мощности. Для этого мы подключаем некоторое сопротивление для передачи 100% мощности на нагрузку, потому что ток всегда идет по пути наименьшего сопротивления. Итак, чтобы ток пошел по пути наименьшего сопротивления, мы должны подключить сопротивление выше нагрузки. Вот почему у нас есть идеальный источник тока с бесконечным внутренним сопротивлением.Это бесконечное сопротивление не повлияет на источники напряжения в цепи.

Практический источник тока

На практике источники тока не имеют бесконечного сопротивления, но имеют конечное внутреннее сопротивление. Таким образом, ток, подаваемый практическим источником тока, непостоянен и также в некоторой степени зависит от напряжения на нем.

Практический источник тока представляет собой идеальный источник тока, подключенный параллельно с сопротивлением.

Практический источник тока

График представляет ток источника тока в зависимости от времени.Это непостоянно, но со временем продолжает уменьшаться.

Примеры источников тока и напряжения

Примерами источников тока являются солнечные элементы, транзисторы, а примерами некоторых источников напряжения являются батареи и генераторы переменного тока.

Речь шла об идеальных и практичных источниках энергии. Идеальные источники очень полезны для теоретических расчетов, но поскольку идеальные источники практически невозможны, в практических схемах используются только практические источники.Батареи, которые мы используем, являются практическим источником энергии, а напряжение и ток уменьшаются по мере их использования. Таким образом, оба они полезны для нас по-своему.

Источники постоянного тока SpikeSafe - Vektrex

Источники постоянного тока

Vektrex SpikeSafe ™ обеспечивают надежный и точный привод постоянного тока. Доступные в приборах с одним и несколькими каналами источника, эти инструменты используются во всем мире для проверки надежности светодиодов / лазерных диодов, приработки, тестирования IESNA LM-80 и других приложений, управляемых током. Для приложений, требующих измерения, обратитесь к модулю измерения источника SpikeSafe.

Модели источников постоянного тока

SpikeSafe обеспечивают постоянный ток до 60 А и максимальное допустимое напряжение до 400 В. Возможность высокого напряжения и защита от нагрузки SpikeSafe позволяют тестировать множество устройств в одной последовательной цепи. Эта конфигурация намного более эффективна, чем традиционные схемы с одним устройством. Чистый результат - более низкие годовые эксплуатационные расходы и более низкая совокупная стоимость владения.

Все модели имеют индивидуальное управление каналами, точный ток и высокую плотность мощности - обычно 6.4кВт-8кВт. Использование длинных кабелей до 12 м применимо для всех источников SpikeSafe.

Какой ток вам нужен?

Модульный, масштабируемый

Источники тока

SpikeSafe легко объединяются в системы, содержащие до 1024 каналов источника тока в шкафу электроники. Масштабируемая модульная конструкция позволяет легко расширять систему для увеличения емкости. Благодаря полному спектру вариантов источников тока SpikeSafe ™, системных компонентов, камер, креплений, конструкций загрузочных плат, кабелей и программного обеспечения Vektrex может предоставить идеальное решение для тестирования для лаборатории любого размера - большой или маленькой.

Параметры конфигурации системы источников постоянного и постоянного тока Vektrex

Программное обеспечение

Простое в использовании программное обеспечение SpikeSafe ™ для тестирования и надежности (STARS)

Vektrex контролирует и контролирует источники, нагрузки и устройства терморегулирования во время тестирования. С помощью STARS можно автоматизировать долговременные испытания на надежность и приработку без участия оператора. STARS поддерживает запуск и отключение независимого канала источника, что позволяет запускать несколько пакетов светодиодов в одной системе для оптимизации пропускной способности. Автономное программное обеспечение для построения графиков STARPLOT обеспечивает графическое представление данных о напряжении, токе и температуре для быстрого определения и иллюстрации тенденций.

Защищает устройства

Запатентованная

Vektrex защита нагрузки SpikeSafe ™ непрерывно отслеживает характеристики напряжения и тока и мгновенно отключается при обнаружении аномалий. Быстрое отключение сохраняет неисправное устройство для анализа и защищает другие устройства в цепи. В результате снижается количество отказов и улучшается статистика надежности.

Энергоэффективность

Источники тока

SpikeSafe работают с эффективностью преобразования 98%. Такой высокий КПД снижает потребление электроэнергии и сводит к минимуму тепловыделение лаборатории.Кроме того, высокое допустимое напряжение источников тока и защита нагрузки SpikeSafe позволяют тестировать множество устройств в одной последовательной цепи. Эта конфигурация намного более эффективна, чем традиционные схемы с одним устройством. Чистый результат - более низкие годовые эксплуатационные расходы и более низкая совокупная стоимость владения.

База установки по всему миру

4 из 5 основных производителей светодиодов стандартизируют источники тока SpikeSafe.

Более 40% лабораторий LM-80 по всему миру используют источники тока SpikeSafe для управления своими светодиодами, в том числе лаборатории в Германии, Китае, США, Корее, Тайване, Гонконге и Малайзии.

Галерея продуктов

Источник постоянного тока и программное обеспечение SpikeSafe

Источник тока CS580

Источник тока CS580

Источник тока с регулируемым напряжением модели CS580 открывает новые возможности для исследователей, которым необходим источник тока со сверхмалым шумом в гибком и простом в использовании приборе. CS580 - естественный компаньон с чувствительными приборами переменного тока, такими как синхронизированные усилители, обеспечивая простой способ генерации точного тока непосредственно из управляющего напряжения переменного или постоянного тока.Прибор является источником и потребителем тока и имеет регулируемое напряжение согласования до ± 50 В, обеспечивая полную четырехквадрантную производительность. CS580 - долгожданное дополнение к любой исследовательской лаборатории, изучающей полупроводники и явления переноса, сверхпроводимость и нанотехнологии, и это лишь некоторые из них.

Конструкция со сверхнизким уровнем шума

Благодаря допустимому напряжению до ± 50 В CS580 может подавать и принимать точные переменные и постоянные токи от 100 фА до 100 мА. В конструкции CS580 со сверхнизким уровнем шума используются лучшие из доступных транзисторов, операционных усилителей и дискретных компонентов в сочетании с тщательной компоновкой платы с высоким импедансом для достижения максимально возможной производительности.В конструкции даже используются линейные источники питания, а не импульсные источники питания, поэтому помехи от частоты переключения никогда не могут быть проблемой.

Активно управляемая защита обеспечивает максимальную полосу пропускания (до 200 кГц) и минимально возможный ток утечки. Также имеется буферный выход монитора для измерения напряжения с высоким импедансом. Щелкните здесь, чтобы просмотреть примеры конфигурации загрузки.

Архитектура остановки тактовой частоты ЦП

Конфигурация прибора

на передней панели управляется микроконтроллером, системные часы которого колеблются только в короткие моменты времени, необходимые для изменения настроек прибора.Электроника привода полностью статична, без «сканирования» или обновления для создания малейших помех.

Каждый раз, когда микроконтроллер становится активным, загорается индикатор «CPU Activity», четко показывая, когда работают цифровые часы. Это происходит в ответ на нажатие кнопок на передней панели или команды удаленного компьютера. Но когда микроконтроллер не активен, цифровых помех нет вообще.

Интерфейсы RS-232 и оптоволокно

На задней панели CS580 находится компьютерный интерфейс RS-232.Все функции прибора можно установить или прочитать через интерфейс. При отправке команд на инструмент микроконтроллер CS580 будет активирован, и может присутствовать цифровой шум.

Для удаленного взаимодействия с полной гальванической развязкой CS580 также имеет волоконно-оптический интерфейс на задней панели. При подключении к модулю удаленного компьютерного интерфейса SX199 предоставляется возможность управления CS580 через GPIB, Ethernet и RS-232.

4QD-TEC: Источники тока и зеркала

Есть много полезных элементов схемы: источники тока и токовые зеркала - два из них.Источники и зеркала настолько тесно связаны, что иногда бывает трудно различить их. Ну и что? - маркировка вещей - это функция языка, а не электроники!

Контур 1


Это самый простой возможный источник тока. По сути, это эмиттерный повторитель, в котором транзисторный Vbe используется для определения тока через R2. Если R2 выбран так, что ток через него намного больше, чем ток базы транзистора, то i b можно игнорировать и ток через R3 (нагрузку) равен V b / R2.

Эта же схема также используется в качестве умножителя V на - когда R3 подключен к B-C транзистора. Поскольку i R2 = i R3 , напряжение между c-e и транзистором равно V , должно быть x (R2 + R3) / R2

Контур 2


Это очень стандартный источник тока. V в заставляет ток течь через R1 в диод. Таким образом, на диоде возникает напряжение. Это напряжение также присутствует на переходе база-эмиттер транзистора, поэтому в транзисторе должен протекать ток.Величина тока транзистора зависит от напряжения, возникающего на диоде, и это функция его геометрии. Поэтому соотношение входного и выходного тока вычислить непросто. Однако он будет вполне совместим с идентичными диодами и транзисторами, потому что современное производство приводит к очень небольшому разбросу параметров устройств. Переход база-эмиттер транзистора ведет себя как диод.

Контур 3


Вместо диода можно использовать светодиод. Светодиод (в зависимости от цвета, интенсивности и т. Д.) Падает примерно на 2 В, поэтому вы можете рассчитать выходной ток, как показано.

Контур 4


Это обычно используемый источник: V в пропускает ток через R1 в базу второго транзистора, поэтому ток течет в коллектор транзистора, через него и из его эмиттера. Этот ток должен протекать через R2. Если ток становится слишком высоким, первый транзистор включается и лишает второй транзистор тока базы, поэтому ток его коллектора никогда не может превышать указанное значение. Это отличный способ создания источника тока или ограничения доступного тока до определенного максимального значения.

Контур 5


Это настоящее зеркало тока: подайте ток (i 1 ) в первый транзистор (обычно через резистор с подходящим напряжением), а «зеркальный» ток (i 2 ) течет во втором. транзистор. При условии, что два транзистора согласованы и имеют высокое усиление, входной ток и ток зеркала будут совпадать достаточно близко. Фактически, с современными транзисторами, если вы используете коэффициент усиления -C (450-900), согласование любых двух транзисторов, вероятно, будет адекватным для всех обычных потребностей.

Посмотрите на эквивалентную схему практически любой аналоговой ИС, и вы заметите этот тип источника / зеркала тока (его можно использовать для любого), но он также хорошо работает с дискретными транзисторами.

Одним из источников ошибок является то, что напряжение на выходном транзисторе достаточно высокое, чтобы вызвать нагрев транзистора: зеркало не работает, потому что два транзистора больше не соответствуют друг другу!

Эта схема также может использоваться с резисторами в обоих эмиттерах - в этом случае зеркальное отношение будет зависеть от соотношения этих резисторов.Пример тому.

Контур 6


Это для пуристов: цепь 4 выдает ошибку из-за тока смещения базы. Вот самый распространенный способ уменьшить эту ошибку. Это дает значительно улучшенную производительность.

Контур 7


Это еще один способ уменьшить ошибку, но эта схема не так широко известна. Если вы рассчитываете формулы с использованием практических транзисторов (бета = 500 или около того), и 5, и 6 дают очень близкое соответствие, но 6 немного лучше. Пример тому.

Однако существует проблема, которая иногда возникает на токовых зеркалах: если выходной ток течет из значительно высокого напряжения (Vc), тогда на выходном транзисторе на рисунке 5 может быть достаточно мощности (Vc x i²), чтобы вызвать транзистор. согреться: нагрев нарушает баланс между двумя транзисторами и тем самым снижает точность зеркала. В схеме 6 любой нагрев происходит в третьем транзисторе (вверху), и он не является частью зеркала, поэтому на коэффициент зеркальности не влияет нагрев в этом транзисторе.См. «Полезные факты» ниже.

Контур 8


Просто чтобы доказать, что я могу использовать ИС, вот источник тока (или преобразователь напряжения в ток), использующий ИС. Вы можете использовать один транзистор (PNP), но базовый ток транзистора немного изменяет соотношение. Вы, конечно, можете использовать полевой транзистор (нулевой ток затвора), но они относительно дороги. Вот дополнительная пара с длинным хвостом, смещенная, чтобы нейтрализовать базовые текущие ошибки. Очень хорошо - при условии, что у вас есть подходящая точка смещения для Vb!

Контур 9


Одной из проблем цепей 2, 3, 4, 5 и 6 является нагрев выходного транзистора - проблема, которая была решена в цепи 7.Вот еще один способ избежать нагрева, вызывающего ошибку - в этой схеме используется каскодная схема, так что ток определяется в нижнем транзисторе, который имеет очень небольшое напряжение на нем. На верхнем транзисторе есть высокое напряжение, но нагрев в верхнем транзисторе не влияет на ток, поскольку его определяет нижний транзистор.

Полезные факты

Есть две очень полезных цифры, которые я помню о кремниевых диодах, которые связаны с изменением напряжения / тока.Если вы увеличите напряжение на диоде на 60 милливольт, то ток через диод увеличится в 10 раз - или наоборот. Попробуйте измерить падение напряжения на диоде, когда на нем 100 мкА и ток 1 мА: вы найдете значение 60 мВ довольно точным.

Вторая цифра связана с изменением падения диода в зависимости от температуры: увеличьте температуру на 1 градус К, и напряжение диода упадет на 2 милливольта.

Эти цифры верны для диодов и переходов база-эмиттер транзистора.

Информация о странице

© 1997-2012 4QD-TEC
Автор Пейджа: Ричард Торренс

Анализ сетки с помощью Supermesh

Найдите значение i в схеме ниже, используя анализ сетки.

Первое, что вы должны заметить в этой схеме, это то, что существует два разных типа источников: зависимый источник (стрелка в ромбе) и независимый источник (стрелка в круге). Независимые источники не зависят от схемы, поэтому источник всегда будет давать ток 15 А в схему, независимо от элементов схемы.Зависимый источник состоит из коэффициента усиления, в данном случае 2, и значения некоторого тока или напряжения в цепи, в данном случае тока (i_a). Какой ток он пропускает через цепь, изменяется в зависимости от (i_a). Поскольку это источник тока, зависящий от другого тока, это источник тока, управляемый током. Вы также можете иметь источники тока, управляемые напряжением, источники напряжения, управляемые током, и источники напряжения, управляемые напряжением.

Второе, на что нужно обратить внимание, это то, как на самом деле работает анализ сетки.Анализ сетки - это приложение закона Кирхгофа о напряжении (KVL), который гласит, что сумма напряжений в любом контуре в цепи должна равняться 0.

Анализ сетки в основном просто решение уравнений KVL с использованием произвольно определенных токов (в основном вы указываете кем я должен быть).

ПРИМЕЧАНИЕ: При применении KVL обычно напряжение должно быть положительным, когда ток проходит от отрицательного к положительному концу элемента (например, источник напряжения), и отрицательным, когда он проходит от положительного к отрицательному концу элемента ( вроде резисторы).

Теперь к актуальной проблеме. Первое, что вы хотите сделать при применении анализа сетки, - это нарисовать токи сетки (сетка - это просто причудливое слово для обозначения цикла).

Я только что назвал их i1, i2, i3. Было бы неплохо, если бы все они двигались в одном направлении. Это упростит расчеты. Я решил, что все они идут вправо, поскольку i1) будет соответствовать направлению двух источников тока.

Затем запишите то, что мы знаем на основе схемы, и пометьте положительный и отрицательный концы резисторов (чтобы мы знали, что положительно, а что отрицательно в наших уравнениях).Всякий раз, когда у вас есть два тока сетки, протекающие параллельно друг другу через провод или элемент, фактический общий ток, протекающий через этот провод или элемент, представляет собой сумму или разность токов сетки в зависимости от того, идут ли они в одном (сумме) или противоположные (разностные) направления, вот пример использования закона Ома (V = IR)

Направление, которое вы выбираете для плюса и минуса, не имеет значения, просто оставайтесь последовательными при решении задачи. Поскольку это резисторы, я просто решил, что токи сетки идут от положительного к отрицательному концам, это упростит дальнейшие шаги, но в любом случае это сработает.

На этом этапе вы обычно записываете уравнения сетки (поскольку есть три сетки, у вас будет три уравнения), но в этом случае вы быстро столкнетесь с проблемой. Анализ сетки - это приложение KVL, поэтому нам нужно знать все напряжения, но на самом деле у нас нет простого способа вычислить напряжения на источниках тока, как в случае с резисторами, поскольку они устанавливают ток только через себя. Не волнуйтесь, мы можем обойти эту проблему, используя супермеш.Суперсетка - это просто цикл, который включает в себя меньшие петли, избегая при этом текущих источников. Здесь помогает то, что все токи нашей меньшей сетки идут в одном направлении, поскольку мы будем «связывать» их все вместе в супермешке.

Пунктирная линия - наша супермеш.

Помните, KVL заявляет, что суммирование напряжений в любой петле внутри схемы будет в сумме 0. Супер-сетка - это просто большая петля, поэтому теперь мы можем применить KVL к этой суперсети / петле.Итак, набор уравнений, которые мы будем решать, выглядит следующим образом:

Обратите внимание, что все три части / напряжения в уравнении KVL отрицательны, поскольку ток сетки проходит от положительного к отрицательному концам резисторов.

Проблема решена, остальное математика.

Мы хотим найти i1, поскольку оно равно -i. Итак, мы решаем первое уравнение для i2 и второе уравнение для i3.

Мы можем подставить их в третье уравнение и просто решить относительно i1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *