究竟什么是电流源?

电器工程 电流源
2022-01-11 03:13:54

我从电流源的定义中了解到,无论电路中的其他参数(例如电阻)如何变化,它都是在负载上提供恒定电流的源。我对吗?

如果我是对的,实际电路中使用的电流源的示例是什么?

维基百科给出了范德格拉夫发电机作为恒流源的例子。(我没有阅读这篇文章,因为有一个注释表明该部分似乎自相矛盾。我不想混淆。)

我可以想到电压源——例如一个电池,它的两端都有恒定的电位差,而不管它所连接的电路的变化如何,但我想不出电流源。我能想到的任何例子都涉及当电阻变化时电流的变化。

4个回答

电流源是电压源的对偶。理想电压源的输出阻抗为零,因此电压在负载下不会下降。它不应该被短路,因为理论上会有无限电流流动。
理想的电流源具有无限的输出阻抗。这意味着负载的阻抗可以忽略不计,不会影响电流。就像电压源不应该短路一样,电流源也不应该开路。开路电流源仍会尝试提供设定电流,理论电流源将达到无限电压。

编辑(根据您的评论)
在这里您可以将阻抗读作电阻。如果电流源会有一个有限的电阻变化,负载会改变电流,因为总电阻会改变。你不想要那个。因此,如果电流源的电阻是无限的,则可以忽略负载,并且电阻始终保持不变(无限大)。因此,电流也将如此。

一个实用的电流源可以如下构造:

在此处输入图像描述
一个二极管具有与基极-发射极结相同的电压降,因此另一个二极管将晶体管的发射极设置为约 0.7V。固定电阻上的固定电压提供固定的发射极电流,如果晶体管的足够高,则该电流与集电极电流大致相同。(严格来说这是一个电流吸收器而不是电流源,但原理保持不变。) HFE

另一个电流吸收器使用运算放大器作为控制元件:
在此处输入图像描述
关于此配置中的运算放大器,您需要了解的主要内容是它们将尝试保持两个输入上的电压相等。因此,假设您将为 1V,那么运算放大器将尝试使输入也为 1V。它通过将电流插入晶体管的基极来实现。这将导致电流通过负载(几乎)等于根据欧姆定律, I_上获得 1V :VSET-ILOADISETISETRSET

ISET=VSETRSET

由于是常数,所以也是。QED。VSETRSETISET

在阅读了您的评论后,我将对这个问题做出一些不同的回答。

究竟什么是电流源?这没什么,或者说得更好一点,它只是一个数学模型。您所描述的那个不存在,就像电压源不存在一样。

我认为这里的主要问题是这种说法:for example a battery which has a constant potential difference across its ends irrespective of the changes in the circuit it is connected to这是不正确的。它是理想电池的行为,它作为理想电流源是真实的,就像理想电流源一样,它不存在。每个真正的电池的输出(和内部状态)都受到它所连接的电路的影响。

那么为什么我们有电压和电流源呢?这个想法是,工程师的工作基本上是构建一个做得很好的设备,结果证明完全了解设备中使用的每个组件是如何不需要的。这就是为什么我们有诸如理想电流和电压源之类的东西。

让我们再次回到电池示例。这是我用锂聚合物电池做的一个简单实验:首先,我将电池完全充电。由于它是两节电池,即使其标称电压为 7.4 V,其充满电时的电压为 8.4 V。然后我连接了一个100 kΩ电阻到电池。它的电压保持在 8.4 V,由此我或许可以得出结论,电池确实是理想的电压源,因为我将负载连接到它,但它的电压没有改变。然后我拿了一个电动机并将其连接到电池并再次测量电池的电压。这次是 8.2 V。很明显,电机影响了电池,它不再是理想的电压源,即使它与以前的电池相同。所以我断开电机并一次又一次地连接电阻,电池电压为 8.4 V。

那么这里发生了什么?电池是否是理想的电压源?好吧,我们知道这不是因为我在答案开头就这么说了,但是在这里我将解释为什么有时似乎是,有时似乎不是。正如我所说,电压源是一个数学模型。当外部电路对电池的运行没有大的影响时,我可以使用它,当外部电路对电池的影响很大时,我不能使用它。所以我们使用一个简单的模型来表示真实电路的行为。另一种模型是使用理想电压源,在其输出端串联一个电阻器。当我将外部负载连接到该电路时,内部电阻会下降一些电压,而外部电阻会在输出端看到较低的电压。这使我可以再次使用理想电压源来表示电池,并且由于我将内部电阻器与理想电压源一起使用,因此输出将更接近地代表真实电池的行为。如果我想要更高的精度,我可以决定使用更复杂的模型并获得更准确的结果。

电气工程的一个重点是学习何时使用正确的模型来表示极其复杂的现实电路元件(即使是不起眼的电阻,在详细分析时也是现代科学的杰作)。但是为了做到这一点,我们从简单的电路开始,这样我们就可以了解最简单的数学模型是如何实际工作的。

当我们开始分析更复杂的电路元件时,例如晶体管或二极管,我们会将它们分解成一个简单的电路,其中包括电阻器和理想电流和电压源等东西。如果简单模型足以满足我们的需求,这将使我们能够简化更复杂组件的行为并避免详细分析它的工作原理。

完全相同的故事适用于电流源,但我决定不在这里讲述,因为正如您从其他答案中看到的那样,可以建模为理想电流源的电路太复杂,您现在无法理解。

所以总结一下:没有现实生活中的物体可以用来表示理想的电压和电流源,但是有些物体可以(在某些情况下非常接近)用理想的电压和电流源来表示。你现在能做的最好的事情就是正确记住理想电压和电流源的定义,而不是将它们与真实物体混淆。这样,如果电池不提供其标称电压,或者标有理想电流源的电路在某一时刻开始冒烟,您就不会感到惊讶,尽管它应该完全不受电路中外部变化的影响。

作为旁注,考虑一下理想电压源在其输出短路时会发生什么以及理想电流源在其输出开路时会发生什么?当您将电池短路时会发生什么以及为什么所有电池都有警告不要短路输出引脚?

也许这个答案会有所帮助。我说的和 AndrejaKo 差不多,但我的帖子会更短。

与电压源非常相似,电流源只是一种理论结构。电池可以非常接近电压源,但并不精确。

然而,与由电池近似的电压源不同,没有一个简单的组件可以特别好地近似一般的电流源。但这并不意味着该概念没有用,因为可以使用该概念对许多现实世界的电路进行建模。

我见过有两个旋钮的实验室电源,一个调节电压,另一个调节电流。要将这些电源用作电压源,只需将电流设置为最大值,然后拨入所需的电压即可。只要电路不需要超过最大电流,电源就会提供您选择的电压。要将其用作电流源,请将电压调至最大值,然后设置所需的电流。只要这样做不需要大于最大值的电压,电源就会提供该电流。

太阳能电池板在其部分工作区域充当电流源。看看这个特点:

光伏面板的 iv 曲线,来源:www.itacanet.org

如果将 36mΩ 电阻器连接到面板,2.75A 将流过电阻器,在其上产生 0.1V 电压降。如果现在将电阻增加到 150mΩ,电流将保持恒定在 2.75A,电阻两端的电压降将增加到 ~0.4V。

如果你继续增加电阻,电流最终会下降。这是因为它不是理想的电流源。它仅在 0–0.4V 范围内充当一个。