Джерело струму: ідеальний і реальний

Джерело струму (ІТ) можна розглядати як електронний пристрій, який подає до зовнішньої схеми електричний струм, що не залежить від напруги на елементах схеми і на ньому самому.

Відмінною властивістю ІТ є його великий (нескінченно великий в ідеалі) внутрішній опір R_вн. Чому так?

Уявімо собі, що ми хочемо передати 100% потужності від джерела живлення до навантаження. Це є передача енергії.

Щоб доставити 100% потужності від джерела до навантаження, необхідно розподілити опір у ланцюги таким чином, щоб навантаження отримало цю потужність. Цей процес називається розщепленням струмів.

Струм завжди йде по найкоротшому шляху, вибираючи собі маршрут з найменшим опором. Тому в нашому випадку ми повинні організувати джерело і навантаження таким чином, щоб перший мав набагато більш високий опором, ніж друга.

Це є гарантією того, що струм надійде від джерела до навантаження. Ось чому ми використовуємо в цьому прикладі ідеальне джерело струму, що має нескінченний внутрішній опір. Це забезпечує протікання струму від ІТ по найкоротшому шляху, тобто через навантаження.

Оскільки R_вн джерела нескінченно великий, вихідний струм від нього не зміниться (незважаючи на зміну значення опору навантаження). Струм буде завжди прагнути протікати через нескінченний опір ІТ у бік навантаження, що має відносно низький опір. Це демонструє графік вихідного струму ідеального джерела.

При нескінченно великому внутрішньому опорі ІТ будь-які зміни значення опору навантаження не роблять ніякого впливу на величину струму, що протікає в зовнішньому ланцюгу ідеального джерела.

Нескінченний опір є домінуючим в ланцюгу і не дозволяє змінюватися струму (незважаючи на коливання опору навантаження).

Давайте розглянемо схему з ідеальним джерелом струму, показану нижче.

Оскільки ІТ має нескінченний опір, витікаючий від джерела струм прагне знайти собі шлях найменшого опору, яким є 8-е навантаження. Весь струм від джерела струму (100 мА) протікає через навантажувальний резистор 8Ω. Цей ідеальний випадок є прикладом 100% енергетичної ефективності.

Тепер розгляньмо схему з реальним ІТ (як показано нижче).

Це джерело має опір 10 МОм, який є досить високим, щоб забезпечити струм, дуже близький до повного значення джерела 100 мА, проте в даному випадку ІТ не віддасть 100% своєї потужності.

Це відбувається тому, що внутрішній опір джерела буде відбирати деяку частину струму, внаслідок чого з’являється певний його витік.

Вона може бути розрахована з використанням конкретного розщеплення.

Джерело видає 100 мА. Цей струм потім поділяється між опорами 10 МОм джерела і 8Ω навантаження.

Нескладним розрахунком можна визначити, яка частина струму протікає через навантажувальний опір 8Ω

I = 100 мА -100 мА (8х10^-6 M^/ 10MΩ) = 99.99mA.

Хоча фізично ідеальних джерел струму не існує, вони служать як модель для побудови реальних ІТ, близьких до них за своїми характеристиками.

На практиці використовуються різні види джерел струму, що відрізняються схемотехнічними рішеннями. Найпростішим ІТ може служити схема джерела напруги з підключеним до нього резистором. Такий варіант називається резистивним.

Джерело струму дуже хорошої якості можна побудувати на транзисторі. Існує також дешеве серійне джерело струму на польовому транзисторі, що являє собою всього лише ПТ з p-n переходом і затвором, поєднаним з витоком.