電路創意/最簡單的電晶體電流源
電路創意：使用雙極結型電晶體 (BJT) 為電路分支中的電流流動建立一個“瓶頸”。
我們從一般性問題開始： “什麼是恆流源？我們希望它做什麼？電流源如何工作？我們如何判斷某個器件是電流源？我們如何製作電流源？對於這樣一個自稱的術語，我們需要一個“定義”嗎？” 顯然不需要；我們可以認為恆流源的概念是理所當然的。 不過，讓我們提一下，它是一個產生電流的（電子）器件。 對於這樣一個簡單的器件，我們希望它具有簡單的行為。 我們非常希望它產生恆定的電流，無論我們施加什麼負載。
你從基本的電學課程中學到了什麼關於電流源的知識？ 這是我們熟知的電流源符號（圖 1）。 如何猜測它是電流源？ 如果有人給我們一個帶有兩個引線的（黑色）盒子，並說它是一個電流源，我們如何說服自己它確實是一個電流源？ 讓我們進行一些實驗。 例如，如果我們將兩個引線連線起來（短路 - 圖中情況 1），會發生什麼？ 對電流源來說危險嗎（與電壓源相比）？ 事實上，如果我們短路電流源的兩個引線，對它來說沒有危險。 因為電流源是為特定電流而設計的，所以它會保持（限制）電流，從而保護自身。
那麼，也許相反的情況 - 開路（圖中情況 3） - 會很危險，因為電流源將嘗試透過與之前相同的電流。 在這種情況下，電流源被誤導了： 它沒有看到開路； 它“認為”那裡連線著東西。 它只是“看到”沒有電流流過，並提高其內部電壓，以“希望”能夠透過有害的“東西”。 當然，電流源無法透過開路傳遞任何電流，並達到最終（合規）電壓； 發生飽和甚至擊穿。 因此，合規電壓表示電流源在試圖產生所需電流時所能達到的最大電壓。
我們如何製作最簡單的電流源？ 眾所周知，由於一位名叫歐姆的智者，獲得電流的唯一方法是在某個電阻上施加某個電壓。 最簡單的方法是將一個電壓源與一個電阻串聯起來。
例如，取一個標準的 9 V 電池和一個 9 kΩ 電阻，將它們串聯起來 - 就這樣，你得到了一個 1 mA 電流源（你可以用電流表測量它）。
好的，我們都知道歐姆定律是一個數學方程... 但背後的邏輯是什麼？ 我們知道事實是，電壓在電阻上產生電流，但是為什麼？ 電壓實際上是一種真正的力； 另一種可能的解釋是將電壓看作某種勢能 - 就像一個聰明人有學習很多東西的潛能。 為了使這種潛力變成真實的東西，讓這個聰明人沿著個人成長的道路前進（這種運動將是一種電流），它必須在一些障礙物上發揮作用 - 考試、任務等（這將相當於電阻）。 另一個類比是汽車發動機推動汽車前進的潛力 - 一定要有一些東西可以發揮作用 - 例如路面。
透過使用理想電流負載來保持恆定電流
無源電壓到電流轉換器（電壓引起電流）
但哲學到此為止... 現在我們有了電流源，讓我們用它來給一些東西供電 - 讓我們連線一個負載（它可以是燈泡、電阻器，任何消耗電流的東西）。 但是現在出現了一個問題... 電流表顯示的電流比我們預期的少。 我們可以從兩個角度看待這個問題。
...從電阻的角度來看... 為什麼 - 因為負載在電路中引入了一些新的電阻，從而提高了它的等效電阻，降低了電流（注意電壓源保持恆定）。 如果我們施加更高的負載，我們會看到電流會進一步下降： IOUT = VIN/(R + RL)。
...從電壓的角度來看。 實際負載引入了一些電壓降 VL，這會影響激勵電壓 VIN。 現在，並非所有的輸入電壓都施加在電流設定電阻 R 上，而只是 VIN - VL 的電壓差。 換句話說，這裡電壓差 VIN - VL 決定了電流 IOUT，而不是電壓 VIN。 結果，電流減小： IOUT = (VIN - VL)/R。
看來我們簡單的電流源無法應對各種負載，也無法將電流保持在恆定速率。 這就是為什麼這類電路被稱為無源 - 它們不會對變化和干擾做出反應。 所以，我們自己製作的簡單電流源是無源的（它就像一個不願努力的工人，無論有多少工作要做，他都不會改變自己的努力）。 嗯，這個無源電路是不完美的； 它無法抵擋負載的“干預”，特別是當負載變化時。 它是一個靜態的、固定的、不可適應的電路...； 它需要一些改進... 然後我們該怎麼辦？
透過降低負載來保持恆定電流
無源電壓到電流轉換器（電壓控制電流源）
運算放大器電路構建器（轉到此互動式 Flash 動畫的第 2 階段）
很明顯，我們必須自己揭露真相；那麼讓我們開始推理。問題出現在我們連線負載時，更糟糕的是，如果我們開始改變它的電阻。請注意，負載不僅可以是穩定或變化的電阻器；它可能是一個充電電容器，一個二極體（普通二極體，齊納二極體，LED，基極-發射極結等）甚至一個電壓源（例如，可充電電池）... 負載的具體是什麼並不重要；重要的是，在負載上會出現電壓降，而這個電壓降會使事情變得混亂。
如果我們環顧四周，我們會發現這個世界上大多數事物都是可變的，適應性強的，動態的... 根據這個觀察，我們必須使我們的電流源以某種方式對負載的“干預”做出反應，以抵抗其降低電流的企圖。這意味著電流源內部的某些東西必須改變，以補償負載上令人不安的電壓降。在這個簡單的電路中，什麼可以改變呢？
在我們對電流的定義中，有兩個因素 - 電壓和電阻。因此，如果我們想使我們的電流源對負載變化做出反應，我們必須根據負載電阻的變化，動態地改變這兩個因素中的一個。
一個可能的解決方案是改變內部電壓 - 當負載增加時，內部電壓也會升高。我們可以稱之為具有跟隨內部電壓的動態電流源。
這似乎是一個好主意，但不幸的是 - 並非如此。它實際上是一種自舉 - 這個詞來自關於男爵芒豪森的故事，他曾經陷入流沙中，並用自己的靴子把自己拉了起來。
這種解決方案在補償負載變化方面的能力非常有限，因為變化的電源電壓很快就會達到其最大值。
另一個可能的解決方案是改變內部電阻。這次，當負載電阻增加時，內部電阻 R 必須減小，保持 RL+Rint 不變，從而使電流保持恆定。因此，電阻R被稱為電流穩定電阻。
當然，這種方法在補償負載電阻變化方面的能力也有限，因為減小的內部電阻在某個時刻將達到零。但是，它更容易實現（玩弄電阻比玩弄電壓更容易）。
我們將繼續我們的探索之旅，到達最簡單的電晶體電流源，我們將使用第二種方法。我們將使用什麼元件來實現動態內部電阻解決方案？正如這個主題的名稱所暗示的那樣，它將是電晶體。讓我們談談它的行為，以瞭解為什麼...
進入電晶體 - 被認為是 20 世紀最偉大的發明之一。一種微小的器件，它徹底改變了世界，現在主導著生活的各個領域 - 它可以在我們周圍的每個電子裝置中找到，因為它現代電子電路的基本組成部分。
好的，電晶體很酷... 但它究竟是什麼？它的名字來自傳輸電阻 - 電晶體... 這既不能說明它的結構，也不能說明它的目的。為了簡短起見，電晶體是一種包含兩個 PN 結的半導體器件，具有三個端子。讓我們更多地談談它的行為，因為它更有趣 ;)
它可以完成一個迷人的技巧 -放大訊號。至少他們是這樣稱呼的，儘管它根本不是放大。實際上，電晶體允許我們用較小的電流流（輸入）控制更大的電流流（輸出）。它更像是利用額外的功率建立輸入訊號的縮放副本，而不是放大它。把它想象成一個電流閥 - 閥門是用來控制流體流動的裝置，在我們的例子中，電流相當於流體。
電晶體也用於電子控制開關 - 就像 ON/OFF 按鈕一樣，透過電子方式操作。這個強大的理念是當今數位電路的核心。
對於使用液壓類比對這種電晶體行為的精彩且詳細的解釋，請檢視參考資料/另請參見部分。
電晶體有很多型別，其中最流行的是MOSFET和BJT，但列表中還包括很多其他型別（基本上是這兩種最流行型別的衍生品）。我們將使用BJT，它代表雙極結型電晶體。“雙極”表示電子和空穴都參與了電晶體的操作。
關於這個奇妙的發明，還有很多可以說的，但這篇幅過長，超出了本文的範圍。
正如我們在電路理念的其他一些文章中所看到的，液壓類比是一個強大且直觀的概念，用於解釋電路。
電流流（因此得名“流”）可以用流體的流動來表示。通常，當我們想要一些流體以恆定速率流動時（例如，用軟管澆灌花園時），我們會對流體路徑施加一個約束，建立一個瓶頸。
一個瓶頸（考慮一下這個名字）是吞吐量最低的點，因此決定了最大流量容量。瓶頸不僅存在於液壓系統中，而且存在於任何可以想象的系統中。在液壓方面，用於建立瓶頸的最簡單的可變元件是閥門。
在電氣世界中，與閥門最接近的類比是可變電阻器 - 也稱為電位器。
好吧，電晶體也可以表現為可變電阻器，但與機械控制的電位器不同，它是電子控制的 - 輸出集電極-發射極 (C-E) 電流可以透過輸入基極電流或基極電壓來控制，具體取決於我們更喜歡哪種方式。所以這裡就有了簡單的主意 - 如果我們施加一個恆定的基極電壓，我們將設定一個恆定的 C-E 電流。當 C-E 電壓升高時（例如，由於負載電阻 Rl 上的電壓降低），C-E 電阻也會升高（記住我們使用恆定的基極電壓將 C-E 電流設定為恆定）。所以我們得到了什麼 - 一個動態變化的電阻，它保持恆定的電流流。簡而言之 - 電流穩定電阻。這正是我們為了製作恆流源所需要的。
一個漂亮而清晰的方案，待新增
這種行為在 IV 圖上顯示。他們稱之為輸出特性，因為它表示電晶體輸出部分發生的程序，這些程序取決於電流或電壓的變化。我們可以用厚厚的半導體教科書中找到的一些難看的複雜公式來解釋它，但我們更願意用一種更友好的方式來思考它。
想象一下，它是一個機制，I 線充當“固定導軌”（代表電流，它似乎是一個常數），在“導軌”上，兩個“樞軸” - Rl 和 Rt 線 - 的交點A滑動。當我們降低負載電阻（即Rl）時，點 A 沿Rl 線向下滑動，沿Rt 線向上滑動，並在I 線上向右滑動。這意味著電晶體電阻Rt增加，因此電路的總電阻保持不變，因此電流流保持不變。當我們做相反的事情時 - 你猜怎麼著 - 正好發生相反的事情 ;)
一個漂亮而清晰的方案，待新增
正如俗話所說，三個臭皮匠頂個諸葛亮。三個以上就更厲害了 ;)。重點是，生活中偉大的事物，無論多麼簡單，往往是由團隊合作而不是個人努力產生的。
我們的解決方案也是如此。讓我們介紹一下我們的團隊...
在中間，被藍線包圍的是電路的“老闆” - 可變負載電阻 Rl。正是他領導著這場音樂會，整個電路都是為了他而建造的 - 為了滿足他對恆定電流的需求和願望。老闆下面那個沒有名字的電阻器是他的“保鏢” - 以防某個好奇的人將“老闆電阻器”的滑塊移動到最末端，並試圖透過電晶體短路電源。
藍色線外的所有部分都是 BJT 電流源本身 - 一整個團隊的元件在為“老闆”工作。電路中有一個“英雄” - 工作主力 - 強大的雙極結型電晶體 (BJT)，它承擔了所有髒活累活（苦力：），以保持恆定電流。這是我們的*瓶頸*點，它決定了可以透過多少電流。與它的基極相連的是它的“經理”（現代英雄需要有經理），可變電阻（電位器）P，它本質上是一個可變電壓分配器，透過基極電壓 Vb，它告訴電晶體該怎麼做。在這種情況下 - 使用恆定的基極電壓，經理告訴它以恆定的速率保持電流流動。這個“經理”還有一個“保鏢” - Rb，它保護電源免受因有人玩弄電位器 P 而導致的短路。
然後是我們的眼睛 - 伏特計 V2，用於觀察負載電阻（老闆）上的電壓降，另一個伏特計 V1，觀察電晶體集電極-發射極結上的電壓降，以及電流表，它讓我們偷偷地觀察電流流動。
最後，但並非最不重要的是 - 電源 VCC，它使整個電路活起來：)
電路能透過考試嗎？
[edit | edit source]現在，讓我們將我們的解決方案放在考場上，並進行一些觀察。
當我們改變負載時會發生什麼？
[edit | edit source].. 我們觀察到 V1 和 V2 的變化，但電流表沒有變化。我們很高興：電流流動是恆定的：) 這是怎麼發生的？
當我們增加負載電阻 Rl 時，它的電壓降也會增加，這可以在伏特計 V2 上看到（邏輯上很簡單 - 更多的電阻產生更大的壓力）。由於 V2 顯示增加，V1 相應地顯示減少（它們的總和代表電源 Vcc 的電壓）。由於我們使電晶體充當電流穩定的電阻，它“感覺到”C-E 電壓降的減少，並服從地降低其電阻，因此電路支路中的電阻總和保持不變。因此電流流動也保持不變。
當我們降低負載電阻時，正好相反（V2 顯示減少，V1 顯示增加，電晶體升高其電阻，電阻總和保持不變，電流流動也保持不變）。
當我們改變電源電壓時會發生什麼？
[edit | edit source]好吧，這很簡單，所以讓我們嘗試一個更難的測試 - 我們將改變電源電壓。我們期望電流保持恆定，因為我們的“經理”（電位器）透過施加恆定電壓將電路的*瓶頸*保持在相同的吞吐量水平。不幸的是，當我們進行實驗時，我們注意到電流發生了變化......在下一節考試中見你，恆定電流源，你失敗了。
但問題出在哪裡？因此，電位器的電源 - 是為了便於檢查而改變的那個，因此我們也改變了瓶頸吞吐量。我們的*最簡單的電流源*沒有透過這個測試，因為我們使用同一個電源來驅動電晶體以及為整個電路供電。
下一步：新增一個二極體
[edit | edit source]我們的解決方案沒有透過上一個測試，但失敗是一件壞事嗎？它可以被認為是好的，因為它給了我們改進想法和向上爬梯的機會和動力。
顯然，我們需要用一個獨立的電源來驅動我們的電晶體。一種方法是使用另一個電壓電源，專門用於此目的。這是一種成本較高的解決方案，因為它使用的資源是原來的兩倍（兩個電源而不是一個）。
更聰明的方法是用*電壓穩定電路*代替*電壓分配電路*。這可以透過用二極體（眾所周知，它是一種電壓穩定元件）替換電位器來實現 - 這個想法比你最初想的更有潛力，因為如果你想構建著名的*電流映象電路*，這是可行的途徑......這本身就是一個龐大的主題，將在另一篇電路理念文章中進行討論。