電壓源與電流源

作者:Patrick Zhang
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我們來看圖1:

圖1的左圖中,我們看到電源部分由電源電動勢E和電源內阻r0構成。

當電源向負載電阻輸出電流時,按串聯電路的原則—電流處處相等,我們很容易知道,一定有 E=IR+Ir_0 成立。我們把U=IR叫做路端電壓。

圖1的右圖叫做電源的伏安特性曲線。我們看到,這條曲線其實是一條斜線。左邊的A點對應於電流爲零的狀態,此時路端電壓U=E;右邊的B點對應於某電流I下的路端電壓Ux,我們看到它與E相比,下降了一定的高度,這個下降值其實就是電源內阻上的壓降。

這就是電壓源。

如果電壓源的內阻等於零,那麼它就叫做理想電壓源。理想電壓源輸出的路端電壓值恆等於電源電動勢,且與輸出電流的大小無關。

我們看圖2:

圖2的左圖是電流源電路,右圖是電流源的伏安特性曲線。注意到電流源的內阻很大,並且與電流源電流並聯。

如果電流源的內阻爲無窮大,則此電流源被稱爲理想電流源。

明白了電壓源與電流源後,我們來看看實際電源是怎麼回事。

我們來看圖3:

圖3中,如果我們能把電阻Rk變成自動可調,並且把調節量與路端電壓U的改變量關聯起來,我們就能設計出真正的電壓源。

我們來看圖4,看一款最簡單的穩壓電源是如何工作的:

我們先看圖4的電源部分:變壓器的次級交流電壓是U2,經過整流濾波後,電容C1兩端以及晶體管集電極電壓Uc爲1.2U2。

我們知道,整流後得到的電壓不是很穩定,它既會受到交流電源電壓的影響,也會受到輸出負載變化的影響。

圖4中我們看到了穩壓二極管Dw,它產生的電壓Ub是穩定電壓。

現在,我們把着眼點放在晶體管T上。

我們知道,晶體管發射極到基極之間是正向二極管,二極管正向導通時的電壓爲0.6V,因此晶體管發射極電壓 U_e=U_b-0.6。由於Ub是穩定的,因此Ue當然也是穩定的。Ue其實就是輸出電壓,可見負載電阻Rfz兩端的電壓當然也是穩定的。

現在我們來看電源電壓Uc、晶體管集射電壓Uce和負載電壓Ufz之間的關係: U_c=1.2U_2=U_{ce}+U_{fz}

我們發現,這裏的Uce就相當於電阻Rk上的電壓:當輸出電流Ie加大時,負載電阻Rfz上的電壓有上升的趨勢,則Uce也呈現上升趨勢,於是把Rfz上的電壓給降下來;反過來,如果輸出電流Ie減小時,Uce也呈現減小的趨勢,繼而把Rfz上的電壓給升起來。見圖5:

圖5的左側是晶體管的特性曲線。注意到每一條曲線分支,集電極電流Ic與集射電壓Uce的關係是單調遞增的。又因爲發射極電流Ie近似等於集電極電流Ic,由此我們就可以得到上述的判斷。

其實,從原理就能看出,只要穩壓二極管的電壓是穩定的,則晶體管基極電壓Ub也是穩定的,晶體管的發射極電壓Ue當然也是穩定的。

熟悉模電的人肯定一眼就能看出,這個電路就是晶體管共集電極電路,也叫做射極跟隨器。它的輸入端在基極與集電極之間,輸出在發射極與集電極之間。它不具有電壓放大功能,但具有電流放大功能。在實用中,一般用作阻抗變換,以及穩壓電源的調整管。

舉例:

設變壓器的次級交流電壓是12V,於是整流濾波後電容C1兩端的電壓是 1.2\times 12=14.4V 。此電壓就是晶體管的集電極電壓Uc。

如果穩壓二極管的穩定電壓是9.6V,則晶體管的基極電壓亦爲9.6V。

由於基射之間的壓降是0.6V,所以晶體管的發射極電壓Ue爲: U_e=9.6-0.6=9V。事實上,此電壓就是穩壓電路的輸出電壓。

於是,晶體管集電極與發射極之間的電壓爲: U_{ce}=U_c-U_e=14.4-9=5.4V

這5.4V的壓降就相當於電阻Rk的壓降。當輸出電流變大Uce就升高,反之則降低,由此實現輸出電壓的穩定。

題主關於電壓源與普通電源有何區別的疑問,回答是:沒有任何區別。

現在,我們來看看電流源與普通電源有何區別。

我們已經知道,電流源輸出的是電流,而普通電源是電壓源,顯見兩者不是一回事。因此,我們可以先下結論:電流源與普通電源毫無關係。

電流源的電路結構是利用晶體管共基極電路來實現的。

圖7中,右側我們看到了晶體管電路。注意到晶體管的基極電壓是恆定的。

例如圖中穩壓二極管的穩定電壓是6V,於是晶體管基極電壓爲:

U_b=\frac{U_{DW}R_1}{R_1+R_2},可見基極電壓是常數。

我們知道晶體管基極到發射極的電壓爲0.6V,於是晶體管發射極的電壓爲:

U_e=U_b-0.6=\frac{U_{DW}R_1}{R_1+R_2}-0.6,也是常數。

我們知道晶體管的集電極電流約等於發射極電流,因此此恆流源的電流Is爲:

I_s=I_c=I_e=\frac{\frac{U_{DW}R_1}{R_1+R_2}-0.6}{R_e},看得出來,此電流是恆定的。

那麼恆流源會存在什麼問題?很簡單,如果負載電阻Rc加大,則 U_{R_C}=I_CR_C當然也加大。一旦此電壓接近電源電壓,則恆流源將失效。

可見,恆流源從本質上來講是由電壓源轉換來的。這一點,我們可以通過電路分析中的電源轉換計算看得很清楚。

我們看圖8:

恆流源中的晶體管是按共基極電路接線的,它的特點是曲線非常平坦,正好滿足恆流源的特性。

此帖的論述到這裏全部結束。

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