電壓與電流

讓我們深入地看一下圖 1，它對(duì)電流與水流進(jìn)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(chǎn)生的壓力，電流是流量。添加電阻（限制）會(huì)減少電流（流量）。如果電路壞了（管道被堵塞），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)添加流量計(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。

電流測(cè)量要求儀表串聯(lián)連接，而不是并聯(lián)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(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的儀表探頭即可測(cè)量。

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

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

添加與電壓源并聯(lián)的負(fù)載會(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。

在圖 3b 所示的電流源示例中，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。如果電機(jī)被移除（更換為短路），電壓將會(huì)改變，但電流不會(huì)改變。除非總負(fù)載電壓超過電流源可以提供的電壓，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。使用電流而不是電壓來長(zhǎng)距離傳輸模擬測(cè)量結(jié)果。電流傳輸比電壓信號(hào)具有優(yōu)勢(shì)。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(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，在某些系統(tǒng)中，可以通過與電流信號(hào)相同的兩條電線發(fā)送電力。工業(yè)兩線制變送器控制環(huán)路中的電流與測(cè)量值成正比，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)或多個(gè)LED可以串聯(lián)，電流不會(huì)改變。電流源通常是專門的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，而不是您可以自行設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單電路。通常，它們使用脈寬調(diào)制 (PWM)來在負(fù)載和電源電壓變化的情況下保持高效運(yùn)行。許多可用，針對(duì)不同的應(yīng)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(nèi)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(shè)計(jì)包括 Widlar 電流源，以傳奇模擬設(shè)計(jì)師Bob Widlar 的名字命名。

如何設(shè)計(jì)電流源？

請(qǐng)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?？傮w而言，由于通過底座的電流很小，因此大約會(huì)降低百分之一。

該電路有時(shí)被稱為電流吸收器，因?yàn)樗鼜碾娫次』蛭针娏鳌Ｒ獙⑵涓臑樵?，?qǐng)將 NPN 晶體管替換為PNP 晶體管，并將電路顛倒過來，將負(fù)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(gè)電阻器的電阻也會(huì)變化，從而導(dǎo)致電流變化。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 電源

圖 6 添加了一個(gè)運(yùn)算放大器以創(chuàng)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(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)射極輸出保持等于 0.2–1.0 V 輸入。50 Ω 電阻器將其轉(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細(xì)微差異，該電路將不會(huì)完全準(zhǔn)確。

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

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

運(yùn)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(dá)約 1100 Ω 的輸出電阻（20 mA 時(shí)為 22 V），但在較低電阻下可以使用較低電壓。

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