Każdy układ elektroniczny ma swoje źródło mocy. Źródła te mogą się różnić od siebie w zależności od konkretnego zastosowania oraz realizacji. Zawsze jednak, źródło będzie należało do jednej z dwóch kategorii: źródło napięciowe lub źródło prądowe.
Źródło prądowe jest powszechnie wykorzystywane w układach elektronicznych - do sterowania źródeł światła, w czujnikach, precyzyjnych pomiarach... W porównaniu do źródeł napięciowych, temat ten wydaje się być dość niezrozumiały dla części osób. Wpis ten ma na celu przedstawienie zasady działania źródeł prądowych.
Książkowa definicja?
Wydawać by się mogło, że pojęcie źródła prądowego jest jasne, niewymagające definiowania, a każda osoba zajmująca się elektroniką wie czym ono jest, jak działa i do czego służy. Czy aby na pewno tak jest? W większości przypadków osoby te, na pytanie "czym jest źródło prądowe?", odpowiadają, że jest to źródło o stałej wartości natężenia prądu na wyjściu układu. I oczywiście mają rację... Ale czy rozumieją zasadę działania takiego źródła i są świadomi ograniczeń?
Postanowiłem zrobić krótki reaserch i sprawdzić jak definiują źródło prądowe inne źródła. Oto dwa przykłady:
Źródło prądowe – element aktywny obwodu, stosowany w elektronice; idealny model źródła prądu elektrycznego, który charakteryzuje wyłącznie natężenie prądu (nie uwzględnia się np. rezystancji wewnętrznej). Takie źródło wymusza w gałęzi obwodu określone natężenie; w stanie jałowym (bez obciążenia) na jego zaciskach występuje maksymalne napięcie.
Żródło: Wikipedia
Idealne źródło prądowe jest dwuzaciskowym czarnym pudełkiem, które wymusza przepływ prądu o stałym natężeniu przez obwód zewnętrzny, niezależnie od wartości rezystancji obciążającej i przyłożonego do jego zacisków napięcia. Aby to było możliwe, nie może istnieć jakiekolwiek ograniczenie wartości napięcia pojawiającego się na zaciskach źródła prądowego. Rzeczywiste źródła prądowe (temat bardzo zaniedbany w większości podręczników) charakteryzują się pewną graniczną wartością napięcia wyjściowego (nazywaną podatnością źródła) i w dodatku ich wydajność prądowa nie jest absolutnie stała.
Źródło: "Sztuka Elektroniki" - Paul Horowitz, Winfield Hill
W większości przypadków, autorzy książek podają definicje idealnych źródeł prądowych, a te są tylko modelem matematycznym i w praktyce nie da się ich zrealizować. Nie definiują wprost rzeczywistego źródła prądowego i uznają to raczej za coś oczywistego - "źródło to źródło" - przechodząc od razu do zastosowań lub przykładów realizacji.
Jak działa źródło prądowe?
Jak więc wyjaśnić zasadę działania źródła prądowego? Postaram się to zrobić w możliwie prostych słowach zaczynając jednak od analogii do czegoś bardziej oczywistego - źródła napięciowego.
Źródło napięciowe
Każdy z pewnością wie jak działa źródło napięciowe. W uproszczeniu, jest to układ, który na wyjściu "utrzymuje" stałą wartość napięcia. W przypadku źródła idealnego, napięcie te pozostaje stałe, niezależnie od podłączonego na wyjściu obciążenia. W praktyce źródło napięciowe ma swoje ograniczenia - rezystancję wewnętrzną oraz wydajność prądową. Zwiększając obciążenie źródła (czyli zmniejszając rezystancję podłączoną do wyjścia układu), zwiększa się prąd płynący nie tylko przez obciążenie, ale również przez rezystancję wewnętrzną - ponieważ jest ona połączona szeregowo ze źródłem. Zwiększająca się wartość prądu, powoduje zwiększanie się spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej, a to z kolei zmniejszenie napięcia na wyjściu układu. Z tego powodu dąży się do tego, aby źródło napięcia posiadało możliwie niską wartość rezystancji wewnętrznej.
Następnym spostrzeżeniem może być to, że zwierając źródło napięcia (rezystancja bliska zeru), nie będzie ono mogło "utrzymać" oczekiwanej wartości napięcia na wyjściu. Aby tak się stało prąd płynący przez obciążenie (czyli przez zwarty układ) musiałby być nieskończenie duży - i mówi nam o tym prawo Ohma. Przeanalizuj poniższe wzory (dotyczą źródła idealnego - bez rezystancji wewnętrznej).
W rzeczywistych układach elektronicznych stosuje się regulatory napięć, które są w stanie zminimalizować wpływ rezystancji wewnętrznej praktycznie do zera. Nie możliwe jest jednak uzyskanie nieograniczonej wydajności prądowej. Zazwyczaj, w układach takich, napięcie utrzymywane jest na stałym poziomie do pewnej granicznej wartości prądu płynącego przez obciążenie - po tym, wartość napięcia wyjściowego gwałtownie spada. Kluczowa w doborze odpowiedniego źródła napięcia jest znajomość zasilanych elementów. Przy odpowiednio dobranych komponentach, zarówno rezystancja wewnętrzna i wydajność prądowa nie stanowią większego problemu.
Źródło prądowe
W przypadku źródła prądowego sytuacja jest odwrotna.
W uproszczeniu, źródło prądowe jest to układ, który na wyjściu układu "utrzymuje" stałą wartość prądu. W przypadku źródła idealnego, prąd ten pozostaje stały, niezależnie od podłączonego obciążenia. W tym przypadku łatwo zauważyć, że zgodnie z prawem Ohma, zwiększając rezystancję na wyjściu układu, zwiększa się na niej spadek napięcia (czyli napięcie na wyjściu układu). Co zatem stanie się jeśli wyjście źródła zostanie rozwarte? Rezystancja obciążenia jest w tym przypadku (teoretycznie) nieskończona, a w związku z tym napięcie na tym obciążeniu (rozwarciu) dąży do nieskończoności. Można więc powiedzieć, że idealne źródło prądowe zmienia napięcie na obciążeniu w taki sposób, aby umożliwić przepływ wymaganego prądu w obwodzie.
Sytuacja taka nie ma miejsca w rzeczywistym źródle prądowym. Dlaczego? Ponieważ źródło takie ma swoją wydajność napięciową (tak samo jak źródło napięciowe na swoją wydajność prądową). W przypadku jego rozwarcia, napięcie na wyjściu układu nie wzrośnie powyżej pewnej, ustalonej wartości. Wartość ta zależy zazwyczaj od napięcia zasilania oraz od konstrukcji samego źródła prądowego. Napięcie na wyjściu układu nie bierze się znikąd i jest ograniczone.
Jak wygląda sytuacja, gdy źródło prądowe zostanie zwarte? W takim przypadku nie dzieje się nic nadzwyczajnego - dalej działa prawo Ohma :-) W stanie zwarcia rezystancja jest bliska zeru, a w związku z tym spadek napięcia na obciążeniu (zwarciu) również jest bliski zeru. Dla źródła prądu nie jest to więc sytuacja "trudna".
W rzeczywistych układach elektronicznych źródła prądowe konstruuje się z tranzystorów i wzmacniaczy operacyjnych lub gotowych układów scalonych. Tak jak w przypadku źródła napięciowego, znając parametry zasilanego obiektu, można zaprojektować źródło prądowe w taki sposób, żeby związane z nim ograniczenia były pomijalne.
Podsumowanie
Źródła prądowe występują zdecydowanie rzadziej niż źródła napięciowe, lecz nie oznacza to, że są mało istotnymi elementami w elektronice. Jest wręcz przeciwnie. Źródło prądowe jest obecne w większości układów scalonych - w szczególności analogowych. Warto poświęcić czas na zrozumienie ich działania.