電流源簡介

與電池和墻上的交流電源等電壓源相比，電流源不太為人所知。電流源通常隱藏在電子電路內部，看不見?，F在讓我們了解它們是什么以及它們是如何設計的。

我們大多數人都了解電壓源。無論您只將一臺設備還是多臺設備插入墻上插座，電壓都保持不變。當您將兩個或三個電池串聯時，電壓會增加一倍或三倍。 

測量電壓很容易。如果您有電壓表，請將其設置為適當的量程，并將兩個探針插入墻上插座或電池兩端即可。

然而，電流不太為人熟悉。甚至一些技術人員并不真正了解電流或不知道如何測量電流。了解當前資源甚至知道它們存在的人就更少了。在這篇文章中，讓我們在進入電流源之前快速回顧一下電流的基礎知識。

電壓與電流

深入研究，讓我們看一下圖 1，它將電流與水流進行了比較。

圖 1. 水流類似于電流。

電壓是泵產生的壓力，電流是流量。添加電阻（管道限制）會降低電流（流量）。如果電路壞了（管道堵塞），仍然會有電壓（壓力）但沒有電流（流量）。

為了測量水流量，在管道中串聯一個流量計。同樣，為了測量電流，需要串聯一個電流表，如圖 2 所示。

圖 2.電流測量要求儀表串聯，而不是并聯。

通常必須斷開電路（斷線或斷開連接）才能添加儀表。這與電壓不同，電壓可以通過觸摸兩個測量點之間的表筆來測量。

另外，有鉗形電流表纏繞在電線上并通過測量電線的磁場間接測量電流。這些不需要斷開電路。這些類似于使用超聲波束測量水流的鉗式流量計。

電流源與電壓源

接下來，看看圖 3，它比較了電壓源和電流源。

圖 3.電壓負載并聯 (a)，而電流負載串聯 (b)。

將負載并聯到電壓源會增加電流但不會改變電壓，除非總電流大于電源（發電機或電池）可以提供的電流。

如圖3b所示，在電流源的示例中，負載是串聯添加的。如果添加額外的發光二極管(LED)，電阻就會發生變化。如果取下電機(換成短路)，電壓會改變，但電流不會改變。除非總負載電壓超過電流源所能提供的電壓，否則電流將保持恒定。

電流源應用

電流源電路廣泛應用于工業控制系統中。電流，而不是電壓，被用來長距離傳輸模擬測量。電流傳輸具有過電壓信號的優點。電流不受長接線增加的電阻的影響。此外，電流信號不太容易受到電噪聲或電磁干擾(EMI)的影響。

工業兩線制傳輸

在工業應用中，通常使用電流范圍為4至20 mA DC的升高電平的零信號。升高的零信號意味著4 mA代表范圍的低端（通常為零）。電流范圍的高、滿量程端是20 mA。例如，4至20 mA可能代表一個角度位置傳感器的0至250度。圖4顯示了一個典型的4-20 mA工業電流通信系統。

圖 4.用于傳輸測量信號的典型工業 4-20 mA 電流環路。

電流源的另一個優點是，在一些系統中，電源可以通過與電流信號相同的兩根電線傳輸。工業雙線變送器控制環路中的電流與測量成正比，并從環路電流中 "竊取 "其工作功率。

電流源和 LED 驅動器

LED通常由電流源驅動。如上所述，一個、兩個或幾個LED可以串聯起來，而電流不會改變。電流源通常是專門的LED驅動IC，而不是你可以自己設計的簡單電路。通常，它們使用脈沖寬度調制（PWM），以保持在不斷變化的負載和電源電壓下的有效運行。有許多產品，針對不同的應用有不同的功能。

集成電路中的電流源

電流源也用在IC的內部電路中，尤其是模擬電路中。電流源也稱為電流鏡。流行的電流鏡設計包括以傳奇模擬設計師Bob Widlar命名的 Widlar 電流源。 

如何設計電流源？

看看圖 5，它展示了一個簡單的單晶體管電流源電路。

圖 5.單晶體管電流源。

由于 NPN 晶體管的基極-發射極的壓降，發射極電壓比基極電壓 (Vb) 低約 0.7伏。發射極電流 Ie 等于 Ve/R。無論集電極上的電壓如何，集電極電流都是恒定的，大約等于 Ie?？偟膩碚f，由于通過底座的電流很小，它大約會降低百分之一。

該電路有時被稱為電流吸收器，因為它從電源汲取或吸收電流。要將其更改為源極，請將 NPN晶體管替換為PNP 晶體管并將電路倒過來，將負輸出連接到公共端。

如果 Vb 可變，則 Ie 和 Ic 將按比例變化。圖 5 還顯示了兩個可能的固定電壓源。如果電源電壓發生變化，則使用兩個電阻器的電阻器會發生變化，從而導致電流發生變化。盡管電源電壓發生變化，齊納源仍將保持恒定。

用于工業過程測量的精密 4-20 mA 電流源

圖 6 添加了一個運算放大器以創建精密電壓控制的 4–20 mA 電流源。

圖 6.精密 4-20 mA 源。

0–1 VDC 輸入可能是來自熱電偶、應變計或其他傳感器的放大測量信號。兩個輸入電阻將其轉換為 0.2-1.0 V，產生 4 mA 輸出偏移。運算放大器反饋使發射極輸出等于 0.2–1.0 V 輸入。50 Ω電阻將其轉換為 4–20 mA 輸出電流。 

如圖所示，由于電阻器的典型 +/-1% 容差、1 V 電源的變化以及發射極和集電極電流之間的微小差異，電路將不完全準確。

另一方面，圖 7 顯示了一個實用版本，它增加了增益和失調微調調整并使用 5 V基準。

圖 7.改進的 4-20 mA 電路，可精確調整增益和偏移。

運算放大器不需要超過 5 V 的電壓即可運行。24 V 輸出電源支持高達約 1100 Ω 的輸出電阻（20 mA 時為 22 V），但可以在較低電阻下使用較低電壓。 

運算放大器規格并不重要。晶體管的最大功率發生在低輸出電阻時：如果負載為零歐姆，則為0.48 W（20 mA 時為 24 V）。它的額定功率至少應為 1 W，才能安全處理超過 20 mA 的電流。

其他電流源設計

還有其他幾種設計電流源的方法。下面是一些示例，包括之前的所有關于電路的文章中詳細描述的一些示例：

• 使用MOSFET電流源（FET 電流鏡）

• 使用結型晶體管電流鏡

• 使用穩壓器 IC制作電流源 等

總結

簡而言之，電流源不如電壓源廣為人知。電流源產生不受負載變化影響的電流。它們廣泛用于遠距離發送模擬過程信號、點亮 LED 以及內部 IC 電路。