Skip to content

Come si creano le sorgenti di corrente?

Non cercare più altre pagine perché sei nel posto giusto, abbiamo la soluzione di cui hai bisogno senza farti coinvolgere.

Soluzione:

Sorgenti di corrente costanti.non esistono dispositivi di questo tipo in natura.e; quasi tutte le sorgenti sono sorgenti di tensione (costante). Quindi dobbiamo crearle.

Penso che tu abbia ragione. A causa della fisica, le batterie chimiche (DC) e gli elettromagneti (AC) creano quasi sempre delle sorgenti di tensione. Si noti, tuttavia, che se la resistenza del carico è molto bassa rispetto alla sorgente, $ R_L < R_S $ la sorgente diventa una sorgente di corrente costante.

schema

simulare questo circuito - Schema creato con CircuitLab

Figura 1. Una sorgente di tensione con resistenza interna si comporta come una sorgente di corrente quando $ R_L < R_S $.

Quali sono le idee di base delle sorgenti di corrente? Come vengono implementate in pratica? Perché sono implementate proprio in questo modo? Cosa fanno gli elementi attivi in questi circuiti? Quali funzioni svolgono?

Una sorgente di tensione ideale ha un'impedenza di uscita pari a zero. Una sorgente di corrente ideale ha un'impedenza di uscita infinita. La tensione attraverso la sorgente di corrente o il carico è determinata esclusivamente dal carico.

Non vorrei solo conoscere le soluzioni circuitali specifiche.Voglio capirle.vedere l'idea che c'è dietro."la foresta per gli alberi".

Immettere la descrizione dell'immagine qui

Figura 2. Questo driver a corrente costante commutata fornisce una corrente costante al LED in una gamma di tensioni di alimentazione e indipendentemente dalla tensione di alimentazione del LED. Se non è richiesta la commutazione, collegare In a Vbb. Fonte: Semplice driver a corrente costante.

La teoria del funzionamento è spiegata nel mio articolo collegato. L'idea di base è che Q1 viene acceso da R1, ma quando la corrente attraverso R2 supera 0,6 V o giù di lì, Q2 si accende e ruba il bias a Q1 e il circuito si stabilizza quando la corrente = 0,6 / R2. Ci saranno alcuni piccoli errori dovuti alla corrente attraverso R1 e Q2.

Sono disponibili regolatori di corrente integrati a due terminali, come questi della Diodes Incorporated.

Immettere la descrizione dell'immagine qui

Figura 2. Il contenitore SMD dell'AL5809.

Immettere la descrizione dell'immagine qui

Figura 3. L'AL5809 contiene un regolatore di corrente costante impostato in fabbrica con il relativo circuito di controllo. Fonte dell'immagine: LEDnique.com.

Un regolatore di tensione a bassa caduta (LDO) fornisce l'alimentazione alla circuiteria interna. Questo determinerà la tensione minima di funzionamento del dispositivo, che è di 2,5 V. Ciò significa che la tensione di alimentazione minima richiesta è la V F dei diodi + 2,5 V. ( V IN(min) = V CARICO + 2.5 V.) Una resistenza di impostazione della corrente LED fissa e preimpostata imposta la corrente di riferimento del blocco di regolazione della corrente. La resistenza di impostazione della corrente del LED varia con ogni variante dell'AL5809. Uno specchio di corrente preciso all'interno del blocco di regolazione della corrente aumenta la corrente di riferimento alla corrente LED preimpostata dell'AL5809. Per ulteriori informazioni, consultare l'articolo collegato.

Esporrò la mia filosofia in pochi passi consecutivi, ognuno dei quali illustrato da un'immagine colorata. La parte sinistra a è un circuito elettrico concettuale che illustra l'idea; la parte destra b è un esempio di circuito elettronico basato su questa idea. Le grandezze non hanno valori esatti. La rappresentazione con barre di tensione è approssimativa, ma le polarità di tensione e le direzioni di corrente sono reali, non arbitrarie.

Nella maggior parte dei casi che seguono, suppongo che le sorgenti di corrente producano una corrente costante e che il carico (di solito di tipo resistivo) vari la sua resistenza come disturbo. Questa disposizione rivela meglio il comportamento della sorgente di corrente quando è disturbata.

Ai fini della comprensione a questo livello intuitivo, nell'introdurre i concetti ho utilizzato un linguaggio non convenzionale in cui, per suscitare associazioni con fenomeni noti, i termini sono descrittivi e figurativi. Si tratta di tecniche ben note per il pensiero creativo. Tuttavia, le applicazioni sono spiegate in termini convenzionali.

Sono riuscito a estrarre sei tecniche fondamentali dalla varietà di implementazioni specifiche delle fonti attuali. Sarò felice se riuscirete ad arricchirle con altre.

Le sorgenti di corrente sono davvero sorgenti?

La "vera" sorgente di corrente. Il circuito elettrico più semplice possibile è costituito da due elementi: la sorgente e il carico (Fig. 1a). In questo caso la sorgente è una vera sorgente di corrente (nel senso che può "produrre" energia). Il carico più semplice è un resistore con resistenza RL.

Vera sorgente corrente

Figura 1. Interfaccia del loop di corrente analogico

Sia la corrente che la resistenza possono variare a seconda dell'applicazione specifica. Ad esempio, un interfaccia analogica ad anello di corrente è illustrata nella Fig. 1b. All'ingresso della linea lunga, la tensione d'ingresso VIN viene convertita in corrente I da un sorgente di corrente controllata dalla tensione. Quindi, all'uscita della linea, la corrente viene riconvertita in una caduta di tensione attraverso la resistenza RL. In questo modo, una corrente variabile scorre attraverso una resistenza costante e crea una caduta di tensione variabile attraverso di essa. Questa tensione è definita dalla legge di Ohm e può essere significativa. Negli altri esempi che seguono, la corrente sarà costante e la resistenza varierà.

Il punto di forza dell'utilizzo di un'interfaccia di corrente è che la sorgente di corrente supera le resistenze e le cadute di tensione indesiderate lungo la linea aumentando la sua tensione interna o riducendo la sua resistenza interna (vedere la Fig. 4-7 qui sotto).

Sorgente di corrente "non vera". I circuiti elettronici sono alimentati da un alimentatore il cui terminale negativo (di solito) funge da massa (Fig. 2a). La coppia di sorgente e carico di cui sopra è solitamente "tesa" tra le rotaie di alimentazione. Più frequentemente, la sorgente è collegata alla barra di alimentazione negativa (massa) e funge da lavello; il carico è collegato al binario positivo e agisce come un sink . elemento pull-up. La sorgente di corrente non è vera nel senso che non può "produrre" energia.

Fonte di corrente falsa

Fig. 2. Soluzione circuitale a spostamento di tensione (nell'amplificatore operazionale 702 di Widlar)

Ciascuno dei tre attributi - corrente, resistenza e tensione - può variare a seconda dell'applicazione specifica. Consideriamo ad esempio la situazione più interessante in cui la tensione varia mentre corrente e resistenza rimangono costanti: il cosiddetto "voltage shifting". Questa tecnica è stata applicata da Bob Widlar nella struttura interna del suo primo amplificatore operazionale 702 (Fig. 2b). Consideriamo questa ingegnosa soluzione circuitale.

L'inseguitore di emettitore Q5 agisce come la sorgente di tensione V della Fig. 2a concettuale e imposta la tensione dell'estremità superiore di R5. La "sorgente" di corrente Q9 imposta una corrente costante attraverso R5 e, di conseguenza, una tensione costante su di esso. La resistenza R5 agisce quindi come una sorta di "diodo Zener" che "sposta" verso il basso le variazioni di tensione dell'emettitore di Q5 verso la base di Q6.

Come si creano le sorgenti di corrente?

1. Resistenza statica. Anche se nei circuiti elettronici l'elemento che "produce" la corrente I è rappresentato dal simbolo di una sorgente di corrente, non è una sorgente nel senso letterale del termine perché non "produce" energia, ma al contrario la consuma. Per convincersene basta vedere che, nella Fig. 2a, la polarità della tensione della sorgente di corrente non corrisponde alla direzione della corrente. Se fosse una sorgente con un'ampiezza di corrente sufficientemente grande, potrebbe cambiare la polarità.ma non può.e l'ampiezza della tensione è limitata alla tensione di alimentazione.

Quindi, questo misterioso elemento è qualcosa di simile a un resistore. Nel caso più semplice, è proprio un resistore (RI nella Fig. 3a). A cosa serve questo resistore?

Resistenza statica

Fig. 3. Specchio di corrente BJT

In pratica, per produrre corrente, secondo la legge di Ohm I = V/RL, abbiamo bisogno solo della tensione V e della resistenza di carico RL. Il problema di questa "sorgente di corrente" estremamente semplice è che la corrente sarà totalmente determinata dal carico.e quando il carico varia, varia anche la corrente. Per questo motivo, per sopprimere la resistenza di carico RL, colleghiamo una resistenza aggiuntiva RI.

Un esempio di sorgente di corrente "a resistenza" è la parte di ingresso dello specchio di corrente BJT (Fig. 3b). La resistenza RI imposta la corrente attraverso la parte di uscita T1 che agisce come un "diodo attivo". La corrente è relativamente costante poiché il carico non varia in modo significativo.

In caso di variazione della resistenza del carico, è possibile aumentare RI. Più RI è alta, più la corrente dipenderà da essa.e non dipenderà dalle variazioni del carico - I = V/(RI + RL); solo la corrente sarà piccola poiché la tensione è costante e limitata. Ma se aumentiamo enormemente sia la tensione V che la resistenza RI, RL diventerà trascurabile rispetto a RI.e arriveremo alla ben nota definizione di sorgente di corrente ideale dei manuali di elettrotecnica: una sorgente con tensione e resistenza elevate e infinite. Sono elevate ma costanti (statiche).e questo è il problema che causa grandi perdite di potenza in RI. Un esempio di sorgente di corrente "perfetta" realizzata in questo modo sciocco è un LED alimentato dalla rete elettrica attraverso una (grande) resistenza.

2. Resistenza dinamica. Nei circuiti elettronici, lo facciamo in modo più intelligente, variando RI in modo opposto alle variazioni di RL. Di conseguenza, la resistenza totale è costante.e anche la corrente è costante (Fig. 4a). La RI è dinamica ma bassa.quindi le perdite di potenza sono ridotte. Abbiamo l'illusione di una resistenza estremamente elevata (differenziale), ma la resistenza reale (statica) è bassa.

Resistenza dinamica

Fig. 4. Sorgente (sink) di corrente BJT

In pratica, le resistenze dinamiche sono implementate da transistor (BJT, MOSFET) che hanno questo comportamento. Ad esempio, una semplice sorgente di corrente BJT è costruita in questo modo nella Fig. 4b.

3. Sorgente di tensione dinamica. Nella configurazione precedente, per mantenere la corrente costante, abbiamo variato la resistenza RI mantenendo la tensione V costante. Con lo stesso successo, possiamo variare la tensione V mantenendo costante la resistenza RI.cioè alimentare la rete RI-RL con una "sorgente di tensione dinamica" (Fig. 5a). Ad esempio, se RL aumenta la sua resistenza, la caduta di tensione VL = I.RL attraverso di essa aumenterà.ma la sorgente di tensione aumenterà la sua tensione V con lo stesso valore.e la corrente I = V/(RI + RL) non cambierà. In senso figurato (per i più fantasiosi), l'aumento della tensione elimina l'aumento della resistenza del carico.come se agisse in modo equivalente resistenza negativa che elimina l'aumento della resistenza positiva.

Sorgente di tensione dinamica

Figura 5. Pompa a corrente di Howland migliorata

Un'eccellente implementazione di questa tecnica è l'ingegnosa soluzione circuitale della cosiddetta "pompa di corrente di Howland migliorata" (Fig. 5b). In questo caso l'amplificatore operazionale funge da sorgente di tensione dinamica V, la cui tensione di uscita viene "sollevata" (dall'ingresso invertente) con la tensione costante VRI al di sopra della tensione di carico VL. La tensione di uscita segue le variazioni della tensione di carico VL grazie al meccanismo di retroazione positiva. La combinazione dell'amplificatore operazionale e delle quattro resistenze R può essere considerata come due circuiti in cascata: il divisore di tensione a destra con un rapporto R/(R + R) = 1/2 e l'amplificatore non invertente a sinistra con un guadagno di (R + R)/R = 2. Pertanto, il rapporto di trasferimento totale dell'intero circuito è pari a 1 e le variazioni di tensione del carico (all'estremità inferiore di RI) appaiono all'uscita dell'amplificatore operazionale (all'estremità superiore di RI). Di conseguenza, c'è una caduta di tensione costante attraverso la resistenza costante RI; quindi la corrente attraverso RI e RL è costante (non dipende dal carico). Il circuito può essere pensato come un "inseguitore di tensione spostato" che si comporta come una sorgente di corrente con una resistenza interna differenziale estremamente elevata.

Si noti che esistono due tipi di retroazione: negativa e positiva, questa sorgente di corrente non utilizza alcuna retroazione per mantenere costante la corrente. .è una sorgente di corrente senza retroazione negativa. Il circuito corregge ciecamente la tensione di ingresso senza monitorare il risultato finale: la corrente di carico. Per questo motivo, le resistenze devono essere precise.

4. Sorgente di tensione aggiuntiva.

L'"idea Howland migliorata" è geniale, ma in molti casi non è possibile modificare la tensione di alimentazione in base alla tensione del carico (ad esempio, quando si trova a grande distanza dal carico). Allora ci viene in aiuto un'altra grande idea: invece di aumentare la tensione di alimentazione con l'incremento necessario, la aggiungiamo collegando un'altra sorgente di tensione VH in serie (e nella stessa direzione) alla sorgente di tensione principale V (Fig. 6a). Il risultato è lo stesso, ma c'è un vantaggio fondamentale: possiamo posizionare questa sorgente di tensione "di aiuto" vicino al carico.

Possiamo vedere questa idea nell'onnipresente circuito del amplificatore invertente op-amp se lo disegniamo in modo più insolito (Fig. 6b). Gli elementi con tensioni positive sono disegnati sopra la linea di tensione zero (massa); gli elementi con tensioni negative sono disegnati sotto la linea di tensione zero. Come se la parte inferiore del circuito fosse una copia speculare di quella superiore.

Sorgente di tensione aggiuntiva

Figura 6. Amplificatore operazionale invertente

Per sommare la tensione di uscita VOA alla tensione di ingresso VIN, l'amplificatore operazionale è costretto a scendere sotto lo zero; da qui la necessità di un'alimentazione negativa aggiuntiva V-. Come si può vedere dallo schema del circuito, la "sorgente" di tensione di uscita dell'amplificatore operazionale VOA (VH nella figura concettuale a) è collegata in serie alla sorgente di tensione di ingresso VIN (V); quindi le loro tensioni sono sommate. Il circuito può essere pensato come un circuito a ponte in cui le tensioni a sinistra sono uguali alle corrispondenti cadute di tensione sulle resistenze a destra.

Ancora una volta (per i più fantasiosi), la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale VOA compensa la caduta di tensione VL attraverso il carico.come se agisse in modo equivalente (controllato dalla corrente, alias VNIC). resistenza negativa che elimina la resistenza positiva del carico. Di conseguenza, la combinazione di amplificatore operazionale, V- e RL agisce come un "pezzo di filo".il cosiddetto terra virtuale. .e la corrente dipende solo dalla resistenza RI e dalla tensione di ingresso VIN (non dipende da RL).

Un fatto interessante è che, come sopra, sebbene vi sia una retroazione negativa in questo circuito invertente, in realtà questa sorgente di corrente non utilizza una retroazione negativa per mantenere la corrente costante.è una sorgente di corrente senza retroazione negativa. Utilizza il meccanismo della retroazione negativa solo per copiare la tensione attraverso il carico all'uscita dell'amplificatore operazionale con lo scopo di distruggerla poi con la sottrazione.

5. Feedback negativo. Naturalmente, la tecnica perfetta è quella di monitorare il risultato finale - la produzione correnteced; In questo modo, tutti i tipi di disturbi saranno compensati. A questo scopo, per prima cosa convertiamo la corrente in una caduta di tensione facendola passare attraverso una resistenza di rilevamento della corrente RI (Fig. 7a). Quindi si confronta questa caduta di tensione con la tensione di riferimento VREF mediante un dispositivo di confronto (indicatore di tensione zero in questa immagine concettuale).e si modifica la corrente mediante la resistenza variabile R (o la tensione V). Vediamo come questa idea viene implementata nel classico stadio a emettitore comune con degenerazione dell'emettitore che agisce come sorgente di corrente (Fig. 7b)

Feedback negativo

Fig. 7. Sorgente di corrente a transistor con degenerazione dell'emettitore

La tensione di riferimento VREF è "prodotta" dal partitore di tensione R1-R2. La corrente di carico passa attraverso la resistenza di emettitore RE (RI nella Fig. 7a) e "crea" una tensione proporzionale VE = IL.RE attraverso di essa. Il transistor T confronta queste tensioni attraverso la sua giunzione base-emettitore e modifica la sua "resistenza" dinamica RT (R nella Fig. 7a) fino a quando VE diventa (quasi) uguale a VREF (sarebbe esattamente uguale includendo l'inseguitore di emettitore T nella retroazione negativa di un amplificatore operazionale). Quindi, se RL varia, RT varierà in direzione opposta in modo che la resistenza totale della rete RL + RT + RE rimanga costante.e, poiché la tensione di alimentazione VCC è costante, la corrente IL = VCC/(RL + RT + RE) che attraversa la rete è costante.

Allora, visto che i circuiti con retroazione negativa sono così buoni, perché i circuiti senza retroazione negativa sono ancora ampiamente utilizzati? Confrontate la Fig. 7a concettuale con tutte le altre figure e troverete la risposta: contiene un resistore in più che è necessario per rilevare la corrente. Il problema non è il resistore, ma la caduta di tensione che lo attraversa. Per questo motivo, la parte di ingresso del semplice specchio di corrente BJT (Fig. 3b) è costruita senza retroazione negativa.

6. Sorgente di corrente aggiuntiva. Nella precedente Fig. 6, abbiamo compensato la caduta di tensione "indesiderata" sul carico aggiungendo una tensione supplementare VH alla tensione di alimentazione principale V. A questo scopo, abbiamo collegato una sorgente di tensione aggiuntiva "di aiuto" in serie al carico. Con lo stesso successo possiamo compensare direttamente la diminuzione della corrente di carico (dovuta a RL) aggiungendo una corrente supplementare alla corrente di carico iniziale. Vediamo qual è la sua entità.

La corrente prodotta dalla sorgente di corrente più semplice della Fig. 3a è IL = (VIN - VL)/RI = VIN/RI - VL/RI. Si discosta dalla corrente desiderata IL =VIN/RL per il termine (errore) VL/RI.e questa è l'entità della corrente aggiuntiva che dobbiamo aggiungere per eliminare l'errore. Possiamo quindi collegare in parallelo al carico una sorgente di corrente "d'aiuto" che produce la corrente IH = VL/RI (Fig. 8a) e la sua corrente completerà la corrente di carico diminuita fino alla grandezza costante desiderata. Più precisamente, si tratta di una sorgente di corrente controllata dalla tensione (VCCS) pilotata dalla tensione di carico VL.

Fonte corrente aggiuntiva

Figura 8. Pompa di corrente Howland classica

Questa idea è stata implementata in modo ingegnoso nell'originale pompa a corrente di Howland(Fig. 8b). La spiegherò in due modi: convenzionale e fantasioso.

In base all'idea generale di cui sopra, possiamo vedere tre dispositivi in parallelo: un sorgente di corrente d'ingresso imperfetta , una sorgente di corrente "utile" e un carico RL. La sorgente di corrente imperfetta è implementata dalla sorgente di tensione di ingresso VIN con una resistenza R in serie. La sorgente di corrente "di aiuto" è costituita dall'amplificatore operazionale e dalle altre tre resistenze R. Questa combinazione può essere considerata come un amplificatore non invertente (costituito dall'amplificatore operazionale e dal partitore di tensione di due R) con un guadagno di 2. La sua tensione di uscita (due volte la tensione di carico VL) viene convertita nella corrente IH = VL/R che viene iniettata nuovamente nel carico. Di conseguenza, la corrente di carico aumenta - IL = IIN + IH = (VIN - VL)/R + VL/R = VIN/R. Quindi non dipende dalla tensione di carico.

Con maggiore immaginazione, possiamo vedere in questo VCCS un altro tipo di resistenza negativa - a controllo di tensione detta anche INIC. Ora neutralizza la resistenza interna positiva R della sorgente di tensione di ingresso imperfetta, rendendola infinitamente alta.

Come nel caso del pompa di corrente Howland migliorata ci sono due tipi di retroazione: negativa e positiva.ma la retroazione negativa non viene utilizzata per mantenere costante la corrente. Il circuito "calcola" alla cieca la corrente di correzione IH senza monitorare il risultato finale: la corrente di carico. Per questo motivo, le resistenze R devono essere precise.


Questa è la mia storia sulla filosofia delle sorgenti di corrente. Spero che vi aiuti non solo a conoscerle, ma anche a capirle.

valutazioni e recensioni

Apprezziamo che tu voglia stabilire la nostra funzione scrivendo un commento o valutandolo, ti diamo il benvenuto.



Utilizzate il nostro motore di ricerca

Ricerca
Generic filters

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.