电流基础知识回顾以及电流源的介绍

与电池和交流墙上电源等电压源相比，电流源不太熟悉。电流源通常埋在电子电路内，看不见。了解它们是什么以及如何设计它们。

我们大多数人都了解电压源。无论您只将一个设备还是多个设备插入墙上插座，电压都保持不变。当您将两三个电池串联时，电压会增加一倍或三倍。

测量电压很容易。如果您有电压表，请将其设置为适当的比例，然后将两个探头放入墙上插座（当然要小心）或穿过电池。

然而，电流不太熟悉。甚至一些技术人员也不真正了解电流或知道如何测量它。了解当前来源甚至知道它们存在的更少。在本文中，让我们快速回顾一下电流的基础知识，然后再进入电流源。

电压与电流

深入研究，让我们看一下图1，它将电流与水流进行了比较。

图1. 水流类似于电流。

电压是泵产生的压力，电流是流量。添加电阻（限制）会降低电流（流量）。如果电路断开（管道堵塞），仍然会有电压（压力）但没有电流（流量）。

为了测量水流量，在管道中串联添加流量计。同样，为了测量电流，需要串联添加电流表，如图2所示。

图2. 电流测量要求仪表串联连接，而不是并联。

电路通常必须断开（断线或连接打开）才能添加仪表。这与电压不同，电压可以通过触摸两个测量点之间的仪表探头来测量。

顺便说一句，有夹式电流计缠绕在电线上，并通过测量电线的磁场间接测量电流。这些不需要断开电路。这些类似于使用超声波束测量水流量的外夹式流量计。

电流源与电压源

接下来，请看图3，其中比较了电压和电流源。

图3. 电压负载并联连接（a），而电流负载串联（b）。

将负载并联到电压源会增加电流，但不会改变电压，除非总电流大于电源（发电机或电池）可以提供的电流。

在图3b所示的电流源示例中，负载串联添加。如果添加额外的发光二极管（LED），电阻会发生变化。如果电机被移除（用短路代替），电压会改变，但电流不会改变。除非总负载电压超过电流源可以提供的电压，否则电流将保持恒定。

电流源应用

电流源电路广泛用于工业控制系统。电流而不是电压用于长距离传输模拟测量值。电流传输具有过电压信号的优点。电流不受长接线增加电阻的影响。此外，电流信号不太容易受到电噪声或电磁干扰（EMI）的影响。

工业两线制传输

在工业应用中，通常使用电流范围为 4 至 20 mA DC 的提升零点信号。提升零点信号意味着4

mA表示范围的低端（通常为零）。电流范围的高满量程端为20 mA。例如，4 到 20 mA 可能表示角度位置传感器的 0 到 250

度。图4显示了一个典型的4–20 mA工业电流通信系统。

图4. 用于传输测量信号的典型工业 4-20 mA 电流环路。

电流源的另一个优点是，在某些系统中，可以通过与电流信号相同的两根线发送功率。工业两线制变送器控制回路中的电流与测量值成正比，并从环路电流中“窃取”其工作功率。

电流源和 LED 驱动器

LED通常由电流源驱动。如上所述，一个、两个或几个LED可以串联，电流不会改变。电流源通常是专用的LED驱动器IC，而不是您可以自己设计的简单电路。通常，它们使用脉宽调制

（PWM） 来在负载和电源电压变化的情况下保持高效运行。许多可用，具有针对不同应用的不同功能。

要了解更多信息，以下是 Diodes Inc. 的简单 IC 的链接。还有一个来自安森美。

集成电路中的电流源

电流源也用于IC的内部电路，特别是模拟电路。电流源也称为电流镜。流行的电流镜设计包括Widlar电流源，以传奇模拟设计师Bob

Widlar的名字命名。

如何设计电流源？

请看一下图5，它显示了一个简单的单晶体管电流源电路。

图5.单晶体管电流源。

由于NPN晶体管的基极-发射极压降，发射极电压比基极电压（Vb）低约0.7伏。发射极电流，即，等于Ve/R。无论集电极上的电压如何，集电极电流都将是恒定的，大约等于Ie。总体而言，由于通过底座的轻微电流，它将降低约百分之一。

该电路有时被称为吸电流，因为它从电源吸收或吸收电流。要将其更改为源，请将NPN晶体管替换为PNP晶体管，然后将电路倒置，将负输出连接到公共输出。

如果Vb是可变的，则Ie和Ic将按比例变化。图5还显示了两个可能的固定电压源。如果电源电压变化，使用两个电阻的电阻器会发生变化，从而导致电流发生变化。无论电源电压发生变化，齐纳电源仍将保持不变。

用于工业过程测量的精密 4-20 mA 电源

图6增加了一个运算放大器，以创建一个精密电压控制的4–20 mA电流源。

图6. 精密 4-20 mA 源。

0–1 VDC 输入可能是来自热电偶、应变片或其他传感器的放大测量信号。两个输入电阻将其转换为0.2-1.0 V，产生4

mA输出失调。运算放大器反馈使发射极输出等于0.2–1.0 V输入。50 Ω电阻将其转换为4–20 mA输出电流。

如图所示，由于电阻的典型容差为+/-1%，1 V电源的变化以及发射极和集电极电流之间的微小差异，电路的精度将低于完全。

另一方面，图7显示了一个实用版本，该版本增加了增益和失调调整，并使用了5 V基准电压源。

图7. 改进的4-20 mA电路，可精确调整增益和失调。

运算放大器工作电压不超过5 V。24 V输出电源支持高达约1100 Ω（20 mA时为22 V）的输出电阻，但在较低电阻下可以使用较低的电压。

运算放大器的规格并不重要。晶体管的最大功率发生在低输出电阻下：如果负载为零欧姆，则为 0.48 W（20 mA 时为 24

V）。它的额定功率应至少为1 W，以安全处理超过20 mA的电流。

其他电流源设计

还有其他几种设计电流源的方法。以下是一些示例，包括以前的“关于电路”文章详细描述的一些示例：

使用MOSFET电流源（FET电流镜）的示例

使用结型晶体管电流镜的示例

使用稳压器IC制作电流源

使用运算放大器电路设计电压控制双向输出电流源的文章

除了这些文章之外，您还可以举例说明电流源 IC，即 LM134/LM234/LM334，该 IC 可从多家制造商处获得。

总结电流源

快速总结一下，与电压源相比，对电流源的理解不如广泛。电流源产生的电流不受负载变化的影响。它们广泛用于长距离发送模拟过程信号、照明 LED 和内部 IC

电路。在本文中，我们回顾了基础知识并分享了几种不同的设计方法。