作者：allaboutcircuits

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(nèi)部，看不見?，F(xiàn)在讓我們了解它們是什么以及它們是如何設(shè)計(jì)的。

我們大多數(shù)人都了解電壓源。無論您只將一臺(tái)設(shè)備還是多臺(tái)設(shè)備插入墻上插座，電壓都保持不變。當(dāng)您將兩個(gè)或三個(gè)電池串聯(lián)時(shí)，電壓會(huì)增加一倍或三倍。

測(cè)量電壓很容易。如果您有電壓表，請(qǐng)將其設(shè)置為適當(dāng)?shù)牧砍?，并將兩個(gè)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(shù)人員并不真正了解電流或不知道如何測(cè)量電流。了解當(dāng)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?cè)谶M(jìn)入電流源之前快速回顧一下電流的基礎(chǔ)知識(shí)。

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(jìn)行了比較。

圖 1. 水流類似于電流。

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

為了測(cè)量水流量，在管道中串聯(lián)一個(gè)流量計(jì)。同樣，為了測(cè)量電流，需要串聯(lián)一個(gè)電流表，如圖 2 所示。

圖 2.電流測(cè)量要求儀表串聯(lián)，而不是并聯(lián)。

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(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的表筆來測(cè)量。

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

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(fù)載并聯(lián) (a)，而電流負(fù)載串聯(lián) (b)。

將負(fù)載并聯(lián)到電壓源會(huì)增加電流但不會(huì)改變電壓，除非總電流大于電源（發(fā)電機(jī)或電池）可以提供的電流。

如圖3b所示，在電流源的示例中，負(fù)載是串聯(lián)添加的。如果添加額外的發(fā)光二極管(LED)，電阻就會(huì)發(fā)生變化。如果取下電機(jī)(換成短路)，電壓會(huì)改變，但電流不會(huì)改變。除非總負(fù)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(yīng)用

電流源電路廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。電流，而不是電壓，被用來長(zhǎng)距離傳輸模擬測(cè)量。電流傳輸具有過電壓信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。電流不受長(zhǎng)接線增加的電阻的影響。此外，電流信號(hào)不太容易受到電噪聲或電磁干擾(EMI)的影響。

工業(yè)兩線制傳輸

在工業(yè)應(yīng)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(hào)。升高的零信號(hào)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(gè)角度位置傳感器的0至250度。圖4顯示了一個(gè)典型的4-20 mA工業(yè)電流通信系統(tǒng)。

圖 4.用于傳輸測(cè)量信號(hào)的典型工業(yè) 4-20 mA 電流環(huán)路。

電流源的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在一些系統(tǒng)中，電源可以通過與電流信號(hào)相同的兩根電線傳輸。工業(yè)雙線變送器控制環(huán)路中的電流與測(cè)量成正比，并從環(huán)路電流中 "竊取 "其工作功率。

電流源和 LED 驅(qū)動(dòng)器

LED通常由電流源驅(qū)動(dòng)。如上所述，一個(gè)、兩個(gè)或幾個(gè)LED可以串聯(lián)起來，而電流不會(huì)改變。電流源通常是專門的LED驅(qū)動(dòng)IC，而不是你可以自己設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單電路。通常，它們使用脈沖寬度調(diào)制（PWM），以保持在不斷變化的負(fù)載和電源電壓下的有效運(yùn)行。有許多產(chǎn)品，針對(duì)不同的應(yīng)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(nèi)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(shè)計(jì)包括以傳奇模擬設(shè)計(jì)師Bob Widlar命名的 Widlar 電流源。

如何設(shè)計(jì)電流源？

看看圖 5，它展示了一個(gè)簡(jiǎn)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(fā)射極的壓降，發(fā)射極電壓比基極電壓 (Vb) 低約 0.7伏。發(fā)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。總的來說，由于通過底座的電流很小，它大約會(huì)降低百分之一。

該電路有時(shí)被稱為電流吸收器，因?yàn)樗鼜碾娫醇橙』蛭针娏?。要將其更改為源極，請(qǐng)將 NPN晶體管替換為PNP 晶體管并將電路倒過來，將負(fù)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(gè)可能的固定電壓源。如果電源電壓發(fā)生變化，則使用兩個(gè)電阻器的電阻器會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電流發(fā)生變化。盡管電源電壓發(fā)生變化，齊納源仍將保持恒定。

用于工業(yè)過程測(cè)量的精密 4-20 mA 電流源

圖 6 添加了一個(gè)運(yùn)算放大器以創(chuàng)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(yīng)變計(jì)或其他傳感器的放大測(cè)量信號(hào)。兩個(gè)輸入電阻將其轉(zhuǎn)換為 0.2-1.0 V，產(chǎn)生 4 mA 輸出偏移。運(yùn)算放大器反饋使發(fā)射極輸出等于 0.2–1.0 V 輸入。50 Ω電阻將其轉(zhuǎn)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(fā)射極和集電極電流之間的微小差異，電路將不完全準(zhǔn)確。

另一方面，圖 7 顯示了一個(gè)實(shí)用版本，它增加了增益和失調(diào)微調(diào)調(diào)整并使用 5 V基準(zhǔn)。

圖 7.改進(jìn)的 4-20 mA 電路，可精確調(diào)整增益和偏移。

運(yùn)算放大器不需要超過 5 V 的電壓即可運(yùn)行。24 V 輸出電源支持高達(dá)約 1100 Ω 的輸出電阻（20mA 時(shí)為 22 V），但可以在較低電阻下使用較低電壓。

運(yùn)算放大器規(guī)格并不重要。晶體管的最大功率發(fā)生在低輸出電阻時(shí)：如果負(fù)載為零歐姆，則為0.48 W（20 mA 時(shí)為 24 V）。它的額定功率至少應(yīng)為 1 W，才能安全處理超過 20 mA 的電流。

其他電流源設(shè)計(jì)

還有其他幾種設(shè)計(jì)電流源的方法。下面是一些示例，包括之前的所有關(guān)于電路的文章中詳細(xì)描述的一些示例：

使用MOSFET電流源（FET 電流鏡）

使用結(jié)型晶體管電流鏡

使用穩(wěn)壓器 IC制作電流源等

總結(jié)

簡(jiǎn)而言之，電流源不如電壓源廣為人知。電流源產(chǎn)生不受負(fù)載變化影響的電流。它們廣泛用于遠(yuǎn)距離發(fā)送模擬過程信號(hào)、點(diǎn)亮 LED 以及內(nèi)部 IC 電路。

審核編輯：湯梓紅