Источник тока: идеальный и реальный

Источник тока (ИТ) можно рассматривать как электронное устройство, которое подает во внешнюю схему электрический ток, не зависящий от напряжения на элементах схемы и на нем самом.

Отличительным свойством ИТ является его большое (бесконечно большое в идеале) внутреннее сопротивление R_вн . Почему так?

Представим себе, что мы хотим передать 100% мощности от источника питания к нагрузке. Это есть передача энергии.

Чтобы доставить 100% мощности от источника к нагрузке, необходимо распределить сопротивление в цепи таким образом, чтобы нагрузка получила эту мощность. Этот процесс называется расщеплением токов.

Ток всегда идет по кратчайшему пути, выбирая себе маршрут с наименьшим сопротивлением. Поэтому в нашем случае мы должны организовать источник и нагрузку таким образом, чтобы первый имел гораздо более высокое сопротивлением, чем вторая.

Это является гарантией того, что ток поступит от источника к нагрузке. Вот почему мы используем в этом примере идеальный источник тока, имеющий бесконечное внутреннее сопротивление. Это обеспечивает протекание тока от ИТ по кратчайшему пути, то есть через нагрузку.

Поскольку R_вн источника бесконечно велико, выходной ток от него не изменится (несмотря на изменение значения сопротивления нагрузки). Ток будет всегда стремиться протекать через бесконечное сопротивление ИТ в сторону нагрузки, имеющей относительно низкое сопротивление. Это демонстрирует график выходного тока идеального источника.

При бесконечно большом внутреннем сопротивлении ИТ любые изменения значения сопротивления нагрузки не оказывают никакого влияния на величину тока, протекающего во внешней цепи идеального источника.

Бесконечное сопротивление является доминирующим в цепи и не позволяет изменяться току (несмотря на колебания сопротивления нагрузки).

Давайте рассмотрим схему с идеальным источником тока, показанную ниже.

Поскольку ИТ обладает бесконечным сопротивлением, вытекающий от источника ток стремится найти себе путь наименьшего сопротивления, которым является 8Ω-ная нагрузка. Весь ток от источника тока (100 мА) протекает через нагрузочный резистор 8Ω . Этот идеальный случай является примером 100% энергетической эффективности.

Теперь давайте рассмотрим схему с реальным ИТ (как показано ниже).

Этот источник имеет сопротивление 10 МОм, которое является достаточно высоким, чтобы обеспечить ток, очень близкий к полному значению источника 100 мА, однако в данном случае ИТ не отдаст 100% своей мощности.

Это происходит потому, что внутреннее сопротивление источника будет отбирать некоторую часть тока, вследствие чего появляется определенная его утечка.

Она может быть рассчитана с использованием конкретного расщепления.

Источник выдает 100 мА. Этот ток затем разделяется между сопротивлениями 10 МОм источника и 8Ω нагрузки.

Несложным расчетом можно определить, какая часть тока протекает через нагрузочное сопротивление 8Ω

I = 100 мА -100 мА (8х10^-6 MΩ /10MΩ) = 99.99mA.

Хотя физически идеальных источников тока не существует, они служат в качестве модели для построения реальных ИТ, близких к ним по своим характеристикам.

На практике используются различные виды источников тока, отличающиеся схемотехническими решениями. Простейшим ИТ может служить схема источника напряжения с подключенным к нему резистором. Такой вариант называется резистивным.

Источник тока очень хорошего качества можно построить на транзисторе. Существует также дешевый серийный источник тока на полевом транзисторе, представляющий собой всего лишь ПТ с p-n переходом и затвором, соединенным с истоком.