Czym dokładnie jest aktualne źródło?

39

Z definicji źródeł prądu zrozumiałem, że jest to źródło, które dostarcza stały prąd przez obciążenie bez względu na to, jak zmieniane są inne parametry (np. Rezystancje) w obwodzie. Czy mam rację?

Jeśli mam rację, jaki jest przykład źródła prądu stosowanego w praktycznym obwodzie?

Wikipedia podała przykład generatora Van de Graaffa jako źródła prądu stałego. (Nie przeczytałem tego artykułu, ponieważ była notatka, że ​​sekcja wydaje się zaprzeczać samej sobie. Nie chciałem się mylić).

Mogę myśleć o źródłach napięcia - na przykład baterii, która ma stałą różnicę potencjałów na swoich końcach, niezależnie od zmian w obwodzie, do którego jest podłączona, ale nie mogę myśleć o źródle prądu. Każdy przykład, jaki mogę wymyślić, obejmuje zmianę prądu, gdy zmieniane są rezystancje.

Green Noob
źródło
Cewka jest przykładem (zmiennego) źródła prądu. Będzie przepychał prąd przez obwód, dopóki nie wyczerpie się jego energia.
avakar
dla wyjaśnienia komentarza @ avakar - w bardzo krótkich odstępach czasu induktory wyglądają jak źródła prądu, ale na dłuższą metę szybko kończą im się pary.
JustJeff

Odpowiedzi:

36

Źródło prądu jest podwójnym źródłem napięcia. Idealne źródło napięcia ma zerową impedancję wyjściową, dzięki czemu napięcie nie spada pod obciążeniem. Nie należy go zwierać, ponieważ teoretycznie płynie nieskończony prąd.
Idealne źródło prądu ma nieskończoną impedancję wyjściową. Oznacza to, że impedancja obciążenia jest znikoma i nie wpłynie na przepływający prąd. Podobnie jak źródła napięcia nie powinny być zwarte, źródła prądu nie powinny być otwarte. Otwarte źródło prądu nadal będzie próbowało źródło ustawionego prądu, a teoretyczne źródło prądu przejdzie do nieskończonego napięcia.

edytuj (zgodnie z komentarzem)
Tutaj możesz odczytać impedancję jako opór. Gdyby źródło prądu miało ograniczoną oporność, zmiany obciążenia spowodowałyby zmianę prądu, ponieważ zmieniłaby się całkowita rezystancja. Nie chcesz tego Jeśli więc rezystancja źródła prądu jest nieskończona, obciążenie można zignorować, a rezystancja zawsze pozostaje taka sama (nieskończona). Dlatego obecny również.

Praktyczne źródło prądu można zbudować w następujący sposób:

wprowadź opis zdjęcia tutaj
Jedna dioda ma taki sam spadek napięcia jak złącze baza-emiter, więc druga dioda ustawia emiter tranzystora na około 0,7 V. Stałe napięcie na stałym rezystorze daje stały prąd emitera, który jest mniej więcej taki sam jak prąd kolektora, jeśli tranzystora jest wystarczająco wysokie. (Ściśle mówiąc, jest to raczej ujście prądu niż źródło prądu, ale zasada pozostaje ta sama.) H.fami

Kolejny odbiornik prądu wykorzystuje opamp jako element kontrolny:
wprowadź opis zdjęcia tutaj
Najważniejszą rzeczą, którą musisz wiedzieć o opampach w tej konfiguracji, jest to, że będą próbować utrzymać napięcie na obu wejściach równe. Załóżmy więc, że ustawiłeś na 1V, wtedy opamp spróbuje sprawić, aby wejście również było 1V. Czyni to, wkładając prąd do podstawy tranzystora. Spowoduje to przepływ prądu przez obciążenie który jest (prawie) równy . I jest stały, aby uzyskać 1 V przez , zgodnie z prawem Ohma: I L O A D I S E T I S E T R S E TV.S.miT.-jaL.OZArejaS.miT.jaS.miT.RS.miT.

jaS.miT.=V.S.miT.RS.miT.

Ponieważ i są stałe, to będzie. CO BYŁO DO OKAZANIA. R S E T I S E TV.S.miT.RS.miT.jaS.miT.

stevenvh
źródło
2
Naprawdę przepraszam, ale nie zrozumiałem nic, co powiedziałeś. Nie wiem, jaka jest impedancja. Czy możesz to stłumić? Jak wytłumaczysz to uczniowi liceum, który właśnie zapoznał się z prawem Ohma?
Green Noob
@GreenNoob - zmienię swoją odpowiedź.
stevenvh
2
@GreenNoob, impedancja elektryczna (Z) = rezystancja x reaktancja. Impedancja to stopień, w jakim obwód „utrudni” przeciwdziałanie zmianom przepływu prądu. W obwodzie prądu stałego reaktancja może nie występować i można założyć, że impedancja oznacza oporność. Mój komentarz jest krótki, nie krępuj się go zbadać lub przejrzyj powiązane pytania tutaj :)
Przejściowy
2
@ Przejściowy Aby uniknąć nieporozumień, , gdzie oznacza oporność, a reaktancję. R XZ=R+jotXRX
sblair
19

Po przeczytaniu twoich komentarzy przedstawię nieco inną odpowiedź na to pytanie.

Czym dokładnie jest aktualne źródło? To nic, a mówiąc nieco lepiej, to tylko model matematyczny. Ten, który opisujesz, nie istnieje, tak jak nie istnieje źródło napięcia.

Myślę, że głównym problemem tutaj jest to stwierdzenie: for example a battery which has a constant potential difference across its ends irrespective of the changes in the circuit it is connected toktóre jest niepoprawne. Że jest to zachowanie idealnej baterii, która jest prawdziwa jako idealne źródło prądu i tak jak idealne źródło prądu nie istnieje. Na moc wyjściową (i stan wewnętrzny) każdej prawdziwej baterii ma wpływ obwód, do którego jest podłączona.

Dlaczego więc mamy źródła napięcia i prądu? Chodzi o to, że zadaniem inżyniera jest skonstruowanie urządzenia, które robi coś całkiem nieźle i jak się okazuje, dla pełnego zrozumienia, w jaki sposób każdy komponent używany w urządzeniu nie jest potrzebny. Właśnie dlatego mamy takie rzeczy, jak idealne źródła prądu i napięcia.

Wróćmy jeszcze raz do przykładu baterii. Oto prosty eksperyment, który przeprowadziłem z akumulatorem litowo-polimerowym: Najpierw całkowicie naładowałem akumulator. Ponieważ jest to akumulator dwukomorowy, jego pełne napięcie wynosiło 8,4 V, mimo że jego napięcie nominalne wynosi 7,4 V. Następnie podłączyłem100 kΩrezystor do akumulatora. Jego napięcie pozostało 8,4 V i na tej podstawie mógłbym dojść do wniosku, że akumulator jest rzeczywiście idealnym źródłem napięcia, ponieważ podłączyłem do niego obciążenie, ale jego napięcie się nie zmieniło. Potem wziąłem silnik elektryczny, który mam i podłączyłem go do akumulatora i ponownie zmierzyłem napięcie akumulatora. Tym razem było to 8,2 V. Najwyraźniej silnik wpłynął na akumulator i nie jest już idealnym źródłem napięcia, mimo że jest to ten sam akumulator, co wcześniej. Odłączyłem więc silnik i ponownie podłączałem rezystor. Napięcie na akumulatorze wynosiło 8,4 V.

Co się tu dzieje? Czy akumulator jest idealnym źródłem napięcia, czy nie? Cóż, wiemy, że to nie dlatego, że powiedziałem to na początku odpowiedzi, ale tutaj wyjaśnię, dlaczego czasami wydaje się, że tak jest, a czasami wydaje się, że tak nie jest. Jak powiedziałem, źródło napięcia jest modelem matematycznym. Kiedy obwód zewnętrzny nie ma dużego wpływu na działanie akumulatora, mogę go użyć, a gdy obwód zewnętrzny ma duży wpływ na akumulator, nie mogę go użyć. Tak więc używamy prostego modelu do przedstawienia zachowania rzeczywistego obwodu. Innym modelem byłoby zastosowanie idealnego źródła napięcia z rezystorem szeregowym na wyjściu. Kiedy podłączę i zewnętrzne obciążenie do tego obwodu, część napięcia spadnie na wewnętrzny rezystor, a zewnętrzny rezystor zobaczy niższe napięcie na wyjściu. To pozwala mi ponownie użyć idealnego źródła napięcia do przedstawienia baterii, a ponieważ używam wewnętrznego rezystora wraz z idealnym źródłem napięcia, moc wyjściowa będzie bardziej odzwierciedlać zachowanie prawdziwej baterii. Gdybym chciał większej precyzji, mogłem zdecydować się na bardziej złożony model i uzyskać dokładniejsze wyniki.

Ważnym punktem inżynierii elektrycznej jest nauczenie się, kiedy używać właściwego modelu do reprezentowania niezwykle złożonego elementu obwodu rzeczywistego (a nawet skromny rezystor, przy szczegółowej analizie, jest arcydziełem współczesnej nauki). Aby jednak to zrobić, zaczynamy od prostych obwodów, abyśmy mogli dowiedzieć się, jak działają najprostsze modele matematyczne.

Kiedy rozpoczynamy analizy bardziej skomplikowanych elementów obwodu, takich jak na przykład tranzystor lub dioda, podzielimy je na prosty obwód składający się z takich elementów, jak rezystory oraz idealne źródła prądu i napięcia. Pozwoli nam to uprościć zachowanie bardziej złożonego komponentu i uniknąć szczegółowej analizy jego działania, jeśli prosty model jest wystarczający dla naszych potrzeb.

Zupełnie ta sama historia działa z obecnymi źródłami, ale postanowiłem jej tutaj nie opowiadać, ponieważ, jak widać z innych odpowiedzi, obwody, które można modelować jako idealne źródła prądu, są zbyt skomplikowane, aby je zrozumieć.

Podsumowując: nie ma rzeczywistych obiektów, których można by użyć do reprezentowania idealnych źródeł napięcia i prądu, ale istnieją obiekty, które można (w niektórych przypadkach dość ściśle) przedstawić za pomocą idealnych źródeł napięcia i prądu. Najlepsze, co możesz teraz zrobić, to poprawnie zapamiętać definicje idealnych źródeł napięcia i prądu i nie mylić ich z prawdziwymi obiektami. W ten sposób nie zdziwisz się, jeśli bateria nie zapewni napięcia znamionowego lub jeśli obwód oznaczony jako idealne źródło prądu zacznie palić w pewnym momencie, chociaż powinien być całkowicie odporny na zewnętrzne zmiany w obwodzie.

Na marginesie zastanów się, co dzieje się z idealnym źródłem napięcia, gdy jego wyjścia są zwarte, i co dzieje się z idealnym źródłem prądu, gdy jego wyjścia są otwarte? A co się stanie, gdy zwrzesz akumulator i dlaczego wszystkie akumulatory mają ostrzeżenie, aby nie zwierać styków wyjściowych?

AndrejaKo
źródło
4
+1 Bardzo dziękuję za odpowiedź. Naprawdę lubię twoje odpowiedzi. Sprawiają, że wiele rzeczy jest dużo bardziej zrozumiałych dla początkujących takich jak ja :)
Green Noob
4

Być może ta odpowiedź pomoże. Mówię prawie tak samo jak AndrejaKo, ale mój post będzie krótszy.

Podobnie jak źródła napięcia, źródła prądu są jedynie teoretyczną konstrukcją. Bateria może być rezonansowo zbliżona do źródła napięcia, ale nie jest dokładna.

Jednak w przeciwieństwie do źródeł napięcia, które są aproksymowane przez akumulatory, nie ma prostego elementu, który dobrze przybliżałby ogólne źródło prądu. Nie oznacza to jednak, że koncepcja nie jest przydatna, ponieważ wiele obwodów świata rzeczywistego można modelować za pomocą tej koncepcji.

Widziałem zasilacze laboratoryjne, które mają dwa pokrętła, jeden dostosowuje napięcie, drugi reguluje prąd. Aby użyć tych źródeł zasilania jako źródła napięcia, wystarczy ustawić prąd na maksimum i wybrać żądane napięcie. Dopóki obwód nie wymaga więcej niż maksymalny prąd, zasilacz będzie dostarczał wybrane napięcie. Aby użyć go jako źródła prądu, ustaw napięcie na maksimum i ustaw żądany prąd. Zasilanie zapewni ten prąd, dopóki tak długo nie wymaga napięcia większego niż maksymalne.

Kevin Cathcart
źródło
Istnieją również jednoskładnikowe źródła prądu!
Federico Russo
O ile mi wiadomo, nie ma takich, które nie wymagają zewnętrznych komponentów takich jak źródło napięcia i które nie są logicznie kompatybilnymi komponentami (jak kombinacja baterii + jfet).
Kevin Cathcart
@FedericoRusso Czy możesz wymienić kilka znanych obecnie źródeł prądu jednoskładnikowego?
Green Noob
μ
1
Moc alternatora zależy w dużej mierze od tego, co go napędza. Jeśli źródłem napędzającym jest stały moment obrotowy, wówczas alternator rzeczywiście przybliżałby źródło prądu. Gdyby była stała prędkość obrotowa, wówczas przypominałaby źródło napięcia. Jak rozumiem, w praktyce źródła większości alternatorów nie są, zapewniając stałą moc, przy czym moment obrotowy i prędkość obrotowa zmieniają się w zależności od obciążenia.
Kevin Cathcart
4

Jeśli to pomoże Ci zrozumieć:

Źródło prądu jest trochę jak bateria, która regulowałaby własne napięcie, aby zapewnić przepływ prądu przez niego o wybranej wartości.

Na przykład, jeśli masz źródło prądu 1A i podłączasz do niego rezystor 10 omów, źródło dostosuje napięcie wyjściowe do 10 woltów, co zapewnia, że ​​1 amper przepływa przez rezystor.

To tak, jakby powiedzieć, że źródło napięcia dostarczy prąd niezbędny do utrzymania stałego napięcia.

Tak więc źródło prądu dostarczy napięcie niezbędne do zapewnienia stałego prądu.

To uproszczone wytłumaczenie, ale wydaje mi się, że ma to sens.

peufeu
źródło
3

Źródło prądu to obwód, który ma idealnie nieskończony opór wyjściowy; jak powiedziałeś, daje (jeśli to możliwe) ten sam prąd, bez względu na to, z czym jest podłączony.

Pomysł jest naprawdę prosty: jeśli umieścisz go w gałęzi obwodu, będziesz wiedział, że będzie tam prąd; ale nie można poznać napięcia na tym źródle, chyba że wyliczy się je na podstawie obliczenia spadku na innych elementach.

Spójrz na tę symulację, aby lepiej zrozumieć koncepcję. Włącz i wyłącz przełączniki i zobacz prąd płynący ze źródła.

Źródło prądu może być wykonane za pomocą lustra prądu , w którym dwa tranzystory BJT są obciążone tym samym napięciem emiter-baza, aby dać ten sam (no prawie różnica, dwa prądy bazowe) prąd kolektora. Następnie jedna noga lustra jest obciążona stałym obciążeniem (często rezystorem) w celu ustawienia prądu, a następnie druga go replikuje.

Ten schemat można ulepszyć za pomocą połączenia cascode (za pomocą wspólnych tranzystorów podstawowych w celu zwiększenia rezystancji wyjściowej) lub innych sztuczek, często wykorzystujących sprzężenie zwrotne.

Źródła prądu są szeroko stosowane w wzmacniaczach operacyjnych, w których stopnie wzmocnienia muszą być stronnicze za pomocą dokładnych prądów, aby zapewnić zbalansowane i wyższe wzmocnienie.

clabacchio
źródło
1
Czy jest to obecne źródło, które mają na myśli podręczniki, gdy mówią: „Rozważ aktualne źródło w szeregu z etc itp.”? Wprowadzają aktualne źródła bardzo wcześnie w tekście, nie wyjaśniając wyraźnie, jak zbudowane jest źródło praktyczne. Początkujący nie będzie miał pojęcia, jak działa tranzystor lub wzmacniacz operacyjny. Możesz wyjaśnić?
Green Noob
3
Bieżące lustro samo w sobie nie jest bieżącym źródłem; prąd w jednej nodze zależy od prądu w drugiej nodze. Jeśli to nie jest stałe, nie masz stałego źródła prądu.
stevenvh
@stevenvh Właśnie miałem pisać o
promowaniu
3

Panele słoneczne działają jako źródło prądu w części swojego regionu operacyjnego. Spójrz na te cechy:

krzywa iv panelu PV, źródło: www.itacanet.org

Jeśli podłączysz rezystor 36 mΩ do panelu, 2.75A przepłynie przez rezystor, powodując spadek napięcia o 0,1 V. Jeśli teraz zwiększysz rezystor do 150 mΩ, prąd pozostanie stały na poziomie 2,75 A, a spadek napięcia na rezystorze wzrośnie do ~ 0,4 V.

Jeśli nadal będziesz zwiększać opór, prąd ostatecznie spadnie. Wynika to z faktu, że nie jest to idealne źródło prądu. Działa jako jeden tylko w zakresie 0–0,4 V.

Szymon Bęczkowski
źródło
2

Istnieją liniowe i przełączane źródła zasilania, które mogą działać jako źródła prądu. Jedną z metod będzie wykorzystanie źródła napięcia i regulacja jego napięcia w celu „kompensacji” nadprądów za pomocą sprzężenia zwrotnego. nazywa się to trybem bieżącym.

Istnieją jednak pewne konwertery, które naturalnie działają jako źródła prądu, o teoretycznej nazwie Gyrators . są to źródła prądu zależne od napięcia.

Powiązany artykuł z takimi źródłami (Mój artykuł): http://www.ee.bgu.ac.il/~cervera/publications/pdf/conf4.pdf

Alon Cervera
źródło