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電流源簡介

2026年08月11日 10:57:28人氣：563來源：廣州頂源電子科技股份有限公司

　　電壓與電流

　　讓我們深入地看一下圖 1，它對電流與水流進行了比較。

　　水流類似于電流。

　　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(限制)會減少電流(流量)。如果電路壞了(管道被堵塞)，仍然會有電壓(壓力)但沒有電流(流量)。

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

　　電流測量要求儀表串聯連接，而不是并聯連接。

　　通常必須斷開電路(斷線或打開連接)才能添加儀表。這與電壓不同，電壓只需觸摸兩個測量點之間的儀表探頭即可測量。

　　另外，還有夾式電流表，它們纏繞在電線上，通過測量電線的磁場來間接測量電流。這些不需要斷開電路。它們類似于使用超聲波束測量水流量的夾式流量計。

　　電流源與電壓源

　　接下來，看一下圖 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)。

　　添加與電壓源并聯的負載會增加電流，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。

　　在圖 3b 所示的電流源示例中，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。如果電機被移除(更換為短路)，電壓將會改變，但電流不會改變。除非總負載電壓超過電流源可以提供的電壓，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。使用電流而不是電壓來長距離傳輸模擬測量結果。電流傳輸比電壓信號具有優勢。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為 20 mA。例如，4 到 20 mA 可能代表角度位置傳感器的 0 到 250 度。圖 4 顯示了典型的 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，在某些系統中，可以通過與電流信號相同的兩條電線發送電力。工業兩線制變送器控制環路中的電流與測量值成正比，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、兩個或多個LED可以串聯，電流不會改變。電流源通常是專門的 LED 驅動器 IC，而不是您可以自行設計的簡單電路。通常，它們使用脈寬調制 (PWM)來在負載和電源電壓變化的情況下保持高效運行。許多可用，針對不同的應用程序具有不同的功能。

　　集成電路中的電流源

　　電流源也用于IC的內部電路，特別是模擬電路。電流源也稱為電流鏡。流行的電流鏡設計包括 Widlar 電流源，以傳奇模擬設計師Bob Widlar 的名字命名。

　　如何設計電流源？

　　請看圖 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。總體而言，由于通過底座的電流很小，因此大約會降低百分之一。

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

　　如果 Vb 可變，Ie 和 Ic 將按比例變化。圖 5 還顯示了兩種可能的固定電壓源。如果電源電壓變化，使用兩個電阻器的電阻也會變化，從而導致電流變化。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 電源

　　圖 6 添加了一個運算放大器以創建精密壓控 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保持等于 0.2–1.0 V 輸入。50 Ω 電阻器將其轉換為 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細微差異，該電路將不會準確。

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

　　圖 7.改進的 4-20 mA 電路，可調整增益和偏移。

　　運算放大器的工作電壓不需要超過 5V。24 V 輸出電源支持高達約 1100 Ω 的輸出電阻(20 mA 時為 22 V)，但在較低電阻下可以使用較低電壓。

　　運算放大器的規格并不重要。晶體管的功率出現在低輸出電阻時：如果負載為零歐姆，則為 0.48 W(24 V，20 mA)。其額定功率應至少為 1 W，才能安全處理超過 20 mA 的電流。

關鍵詞：電流表流量計工業控制系統

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