یک منبع جریان، یک عنصر فعال مدار است که میتواند بدون در نظر گرفتن ولتاژ ایجادشده در پایانه‌های آن، جریان ثابتی را در مدار جاری کند.
همانطور که از نامش نیز مشخص است؛ منبع جریان، عنصری از مدار است؛ که بدون در نظر گرفتن ولتاژ ایجاد شده در پایانه‌های خود، جریان جاری ثابتی را در مدار، حفظ می‌کند. زیرا این ولتاژ، توسط سایر عناصر مدار، تعیین میشود. به این معنا که یک منبع ایده آل جریان ثابت، به طور مداوم مقدار مشخصی از جریان را، بدون در نظر گرفتن امپدانسی که از آن می‌گذرد، تامین می‌کند و به این ترتیب، یک منبع جریان ایده آل میتواند از لحاظ تئوری، مقدار بی‌نهایت انرژی را تامین کند. همانطور که یک منبع ولتاژ میتواند نرخ داشته‌باشد، به‌عنوان مثال، ۵ ولت یا ۱۰ ولت و … یک منبع جریان دارای نرخ، برای مثال، ۳ آمپر یا ۱۵ آمپر و .. است.
منابع جریان ایده آل ثابت، به‌شیوه‌ای مشابه منابع ولتاژ نمایش داده می‌شوند؛ اما اینبار نماد منبع جریان، یک دایره با یک فلش داخل آن است که جهت جریان را نشان میدهد. جهت جریان مطابق پلاریته‌ی ولتاژ مربوطه است که از پایانه‌ی مثبت خارج میشود. از حرف “i” برای نشان‌دادن منبع جریان، همانطور که در زیر نشان داده شده‌است استفاده میشود.
منبع جریان ایده آل
نمودار i-v و نماد منبع جریان مستقل
یک منبع جریان ایده آل، “منبع جریان ثابت” نامیده میشود؛ زیرا یک جریان حالت مانای ثابت و مستقل از بار متصل، به آن ایجاد می‌کند و یک مشخصه‌ی I-V را توسط یک خط مستقیم، به صورت زیر نشان میدهد. همانند منابع ولتاژ، منابع جریان میتواند مستقل (ایده آل) یا وابسته (کنترل شده) با ولتاژ یا جریانی از جای دیگری از مدار باشد که خود میتواند ثابت یا متغیر با زمان باشد.
منابع جریان مستقل ایده آل، معمولا برای حل قضایای مدار و روش‌های آنالیز مدارهایی که حاوی عناصر فعال و واقعی هستند، استفاده میشود. ساده‌ترین شکل منبع جریان، یک مقاومت سری با منبع ولتاژ است که جریان‌هایی از چند میلی‌آمپر تا صدها آمپر را ایجاد می‌کند. به یاد داشته‌باشید که یک منبع جریان مقدار صفر، یک مدارباز با R=0 است.
مفهوم منبع جریان، یک عنصر دو پایانه است که اجازه میدهد، شارش جریان، توسط جهت پیکان جریان نشان داده‌شود. پس یک منبع جریان، دارای مقدار i و واحد آمپر (A) است که به اختصار amp نامیده میشود. رابطه‌ی فیزیکی بین منبع جریان و ولتاژ متغیر در شبکه، برحسب قانون اهم ارائه میشود؛ زیرا این متغیرهای ولتاژ و جریان دارای مقادیر مشخصی خواهندبود.
ممکن است که تعیین مقدار و پلاریته‌ی ولتاژ منبع جریان ایده آل، دشوار باشد؛ به‌ویژه اگر ولتاژ و جریان‌های دیگری به مدار متصل شده‌باشند. پس ممکن است جریان تامین‌شده توسط منبع جریان را بدانیم؛ اما از ولتاژ دو سر آن اطلاع نداشته‌باشیم، مگر اینکه توان تامین‌شده توسط منبع جریان، به‌صورت P=V*I داده شده‌باشد.
با این‌حال اگر منبع جریان تنها منبع درون مدار باشد، تعیین پلاریته‌ی ولتاژ در منبع، آسان‌تر است. اگر بیش از یک منبع وجود داشته‌باشد ولتاژ پایانه، به شبکه‌ای که منبع به آن متصل است بستگی دارد.
اتصال منابع جریان به یکدیگر
درست همانند منابع ولتاژ، منابع جریان ایده آل نیز می‌توانند برای افزایش (یا کاهش) جریان موجود به یکدیگر متصل‌شوند. اما قوانینی برای چگونگی اتصال دو یا چند منبع جریان مستقل با مقادیر مختلف به‌صورت سری یا موازی وجود دارد.
منابع جریان با اتصال موازی
اتصال موازی منابع جریان هم جهت
اتصال دو یا چند جریان به‌صورت موازی، معادل یک منبع جریان است که خروجی کل آن، جمع جبری منابع جریان مستقل ارائه شده‌است. در این مثال دو منبع جریان 5 امپر ترکیب شده‌اند تا 10 آمپر را به‌صورت IT=I۱+I۲ تولید‌کنند.
منابع جریان با مقادیر مختلف، ممکن است به‌طور موازی به‌هم متصل شوند. به‌عنوان مثال، یک منبع ۵ آمپر و یک منبع ۳ آمپر باهم ترکیب می‌شوند تا یک منبع جریان تنهای ۸ آمپر را نتیجه شوند، از آنجایی که فلش‌های منابع جریان، هر دو هم‌جهت باهم می‌باشند. پس زمانی که دو جریان باهم جمع می‌شوند به اتصال آن‌ها، موازی موافق گفته میشود.
با آن که بهترین روش آنالیز مدار نیست؛ اما اتصالات موازی مخالف، برای منابع جریانی که با جهت جریان مخالف به یکدیگر متصل شده‌اند استفاده میشود تا یک منبع جریان تنها که مقدار آن، تفریق جبری منابع منحصربفرد است، را شکل‌دهد.
منابع جریان با اتصال موازی مخالف
اتصال موازی منابع جریان با جهت مخالف
در اینجا، از آنجایی‌که دو منبع جریان در جهت مخالف یکدیگر متصل شده‌اند (با فلش‌های آن‌ها، نشان داده شده‌است)، دو جریان از یکدیگر کم می‌شوند تا یک مسیر حلقه بسته برای جاری‌شدن جریان را طبق قانون جریان کیرشهف یا KCL ارائه کنند. به عنوان مثال، دو منبع جریان 5 آمپر، هر کدام خروجی صفر را می‌توانند به صورت 5A-5A=0A ایجادکنند. به‌همین ترتیب، دو جریان با مقادیر مختلف 5 آمپر و 3 آمپر، خروجی را با تفریق جریان کوچکتر از بزرگتر به‌صورت IT = 5-3=2A ارائه می‌دهند.
دیدیم که منبع جریان ایده آل را می‌توان به صورت موازی به یکدیگر متصل کرد تا شکل موازی موافق یا موازی مخالف را ایجاد کنند. آنچه برای آنالیز مدار مجاز نیست یا بهترین روش نیست، اتصال منابع ایده آل جریان در ترکیبات سری است.
منابع جریان با اتصال سری
اتصال سری منابع جریان
منابع جریان مجاز نیستند که به صورت سری به‌هم متصل شوند؛ چه دارای مقدار برابر و چه دارای مقادیر مختلف باشند. در این مثال دو جریان ۵ آمپر، به صورت سری به هم متصل شده‌اند؛ اما مقدار حاصل جریان چقدر است؟ آیا این مقدار برابر با ۵ آمپر است یا برابر با جمع دو منبع، یعنی ۱۰ آمپر است؟ پس منبع جریان اتصال سری، یک ضریب ناشناخته را به آنالیز مدار اضافه می‌کنند، که خوب نیست.
همچنین یکی دیگر از دلایلی که منابع اتصال سری، برای روش‌های آنالیز مدار مجاز نیستند؛ این است که ممکن است، نتوانند جریان یکسانی را در یک جهت، تامین کنند. جریانات اتصال سری موافق یا مخالف، برای منابع جریان وجود ندارند.
مثال ۱
دو منبع جریان ۲۵۰ میلی‌آمپر و ۱۵۰ میلی‌آمپر، به ترتیب در پیکربندی موازی موافق، به یکدیگر متصل شده‌اند؛ تا بار ۲۰ اهم را تامین کنند. افت ولتاژ دو سر بار و توان تلف‌شده را محاسبه کنید.
مدار را بکشید.
مدار مثال ۱
پس: IT = 0.4A ، VR = 8V و PR = 3.2W
منبع جریان کاربردی
دیدیم که یک منبع جریان ثابت ایده آل، میتواند مقدار نامحدودی از جریان را، بدون توجه به ولتاژ دو سر پایانه‌های خود تامین کند و از اینرو، منبع جریان مستقل است. این امر، همچنین بیان می‌کند که منبع جریان، دارای رزیستانس داخلی بی‌نهایت (R=∞) است و این ایده ممکن است برای روش‌های آنالیز مدار خوب عمل‌کند. اما در دنیای واقعی، منابع جریان کمی متفاوت می‌باشند؛ از آنجایی که منابع جریان کاربردی، همیشه دارای مقداری رزیستانس داخلی می‌باشند و مهم نیست که چقدر بزرگ باشند (معمولا در محدوده‌ی مگا اهم) باعث میشود منبع تولید‌شده با بار تاحدودی متفاوت باشد.
یک منبع جریان کاربردی یا غیرایده آل، میتواند با یک منبع ایده آل، که یک رزیستانس داخلی دوسر آن متصل شده‌است؛ نشان داده‌شود. یک رزیستانس داخلی (RP) همان اثری را دارد؛ که یک رزیستانس اتصال موازی (شانت) با یک منبع جریان دارد و در زیر نشان داده شده‌است. به یاد داشته‌باشید؛ که عناصر مدار وقتی به‌صورت موازی هستند؛ دارای یک افت ولتاژ دوسر خود می‌باشند.
منبع جریان ایده آل و کاربردی
مدار منبع جریان کاربردی
شاید تا به حال متوجه شده باشید که یک منبع جریان کاربردی، بسیار شبیه به مدار معادل نورتن عمل نموده و بیان می‌کند که “هر شبکه خطی dc، میتواند با معادل مدار، حاوی یک منبع جریان ثابت IS و موازی مقاومت RP جایگزین شود.” باید توجه‌داشت که اگر رزیستانس موازی بسیارکم باشد (RP=0)، منبع جریان، اتصال کوتاه خواهدبود. زمانی که رزیستانس موازی بسیار زیاد یا بی‌نهایت است (RP=∞)، منبع جریان میتواند به صورت ایده آل مدل شود.
یک منبع جریان ایده آل، همانطور که پیش از این در بالا نشان داده‌شد، یک خط افقی برروی مشخصه‌ی I-V ترسیم می‌کند. در هر حال، از آنجایی که منابع جریان کاربردی، دارای رزیستانس منبع داخلی می‌باشند، مقداری از جریان را می‌کشد. پس مشخصه‌ی منبع کاربردی صاف و افقی نیست و کاهش می‌یابد. زیرا جریان به دو قسمت تقسیم میشود: یک بخش جریان در رزیستانس موازی RP جاری شده و بخش دیگر آن، مستقیما به پایانه‌های خروجی می‌رود.
قانون اهم به ما می‌گوید زمانی که جریان (i) در یک رزیستانس جریان می‌یابد، سبب افت ولتاژ دو سر آن رزیستانس، میشود. مقدار افت ولتاژ با i* RP بدست می‌آید و سپس VOUT ، برابر با افت ولتاژ دو سر مقاومت بدون بار خواهدبود. به یاد می‌آوریم که برای منبع جریان ایده آل ،RP بی‌نهایت بوده؛ زیرا هیچ رزیستانس داخلی وجود ندارد و بنابراین ولتاژ پایانه برابر با صفر خواهدبود؛ زیرا افت ولتاژی نداریم.
پس جمع ولتاژ درون حلقه، که توسط قانون جریان کیرشهف KCL تعیین میشود: IOUT = IS – VS/RP خواهدبود. این معادله را می‌توان برای ارائه‌ی مشخصه‌های I-V جریان خروجی ترسیم کرد و به ما یک خط مستقیم با شیب -RP میدهد؛ که محور عمودی ولتاژ را در نقطه‌ی IS، زمانی‌که منبع ایده‌آل است، همانند تصویر زیر نشان میدهد.
مشخصه های منبع ولتاژ کاربردی
مشخصه I-V منبع ولتاژ کاربردی
بنابراین همه‌ی منابع جریان ایده آل، دارای مشخصه‌ی خط راست I-V بوده؛ اما برای منابع جریان غیر ایده آل یا واقعی، مشخصه‌ی I-V کمی زاویه‌دار، با مقداری برابر با VOUT/RP، درجایی‌که RP رزیستانس داخلی منبع است.
مثال ۲
یک منبع جریان کاربردی، شامل یک منبع جریان ایده آل ۳ آمپر و دارای رزیستانس داخلی ۵۰۰ اهم است. بدون اینکه بار متصل شده‌باشد، ولتاژ پایانه منابع جریان مدار باز و توان جذب‌شده بدون بار توسط مقاومت داخلی را محاسبه‌کنید.
۱. مقادیر بدون بار
مدار مثال ۲ قسمت ۱
پس ولتاژ مدارباز دوسر رزیستانس منبع داخلی و پایانه‌های A و B (VAB)، برابر با ۱۵۰۰ ولت محاسبه میشود.
قسمت دوم: اگر یک مقاومت بار ۲۵۰ اهم، به پایانه‌های همان منبع جریان کاربردی متصل باشد؛ جریان جاری در هر رزیستانس، توان جذب‌شده توسط هر رزیستانس و افت ولتاژ دوسر مقاومت بار را محاسبه کنید.
مدار را بکشید.
داده‌های داده‌شده با اتصال بار: IS = 3A, RP = 500Ω و RL = ۲۵۰Ω
مدار مثال ۲ قسمت ۲
2a. برای یافتن جریان‌های هر شاخه‌ی مقاومتی، می‌توانیم از قانون تقسیم جریانی استفاده کنیم.
2b. توان جذب‌شده برای هر مقاومت به‌صورت زیر خواهدبود:
2c. پس افت ولتاژ دوسر مقاومت بار RL خواهدبود:
می‌توانیم مشاهده کنیم که ولتاژ پایانه یک منبع جریان کاربردی مدار باز، میتواند بسیار زیاد باشد و هر مقداری از ولتاژ مورد نیاز را، برای مثال ۱۵۰۰ ولت، که در این مثال بود؛ برای تامین جریان مشخصی، داشته‌باشد. در تئوری، این ولتاژ پایانه میتواند بی‌نهایت باشد؛ زیرا منبع سعی دارد تا جریان نامی را ارائه دهد.
اتصال بار دو سر پایانه‌های آن، سبب کاهش ولتاژ میشود؛ که در مثال بالا برابر با ۵۰۰ ولت بود، زیرا جریان باید جریان داشته باشد و برای یک منبع جریان ثابت، ولتاژ پایانه، مستقیما متناسب با رزیستانس بار است.
در مورد منابع جریان غیر ایده آل، که هر یک دارای رزیستانس داخلی هستند؛ کل رزیستانس داخلی (یا امپدانس) حاصل ترکیب موازی آن‌ها خواهد بود، همان‌گونه که برای مقاومت‌های موازی بود.
منبع جریان وابسته
اکنون می‌دانیم که منبع جریان ایده‌آل، مقدار مشخصی از جریان را، کاملا مستقل از ولتاژ دوسر خود، تامین می‌کند و به این ترتیب، هر ولتاژی را که برای حفط جریان موردنیاز لازم است؛ تولید می‌کند. این امر باعث میشود؛ که این مدار، کاملا مستقل از مداری که به آن متصل میشود؛ باشد و درنتیجه، آن را یک منبع جریان مستقل ایده‌آل می‌نامند.
از طرف دیگر، یک منبع جریان کنترل‌شده یا وابسته، جریان خود را، بسته به ولتاژ دوسر یا جریان جاری در یک عنصر دیگر متصل‌شده به مدار، تغییر میدهد. به عبارت دیگر، خروجی یک منبع جریان وابسته، توسط ولتاژ یا جریان دیگری، کنترل میشود.
منابع جریان وابسته، رفتار مشابهی با منابع جریانی که تاکنون بررسی کردیم؛ چه ایده‌آل (مستقل) و چه کاربردی دارند. تفاوت اینبار در این است؛ که یک منبع جریان وابسته را، می‌توان با جریان یا ولتاژ ورودی کنترل کرد. منبع جریان وابسته به ورودی ولتاژ را، معمولا منبع جریان کنترل‌شده با ولتاژ یا VCCS نامیده و منبع جریانی که به ورودی جریان بستگی دارد؛ درحالت کلی، منبع جریان کنترل‌شده با جریان یا CCCS خوانده میشود.
به‌طورکلی، یک منبع ایده‌آل وابسته جریان، چه کنترل‌شده با ولتاژ باشد، چه جریان، با نماد الماس، با پیکانی درون خود، که نشان‌دهنده‌ی جهت جریان i است؛ مطابق شکل زیر مشخص میشود.
نمادهای منبع جریان وابسته
نماد های منابع جریان وابسته
یک منبع جریان ایده‌آل وابسته‌ی کنترل‌شده با ولتاژ یا VCCS ، یک جریان خروجی IOUT را، متناسب با جریان ورودی کنترل‌کننده‌ی VIN حفظ می‌کند. به عبارت دیگر، جریان خروجی، به مقدار ورودی “بستگی” دارد و آن را به یک منبع جریان وابسته تبدیل می‌کند.
پس ولتاژ خروجی VCCS، با معادله‌ی IOUT = αVIN تعیین میشود. ثابت ضرب α (الفا) دارای یکای SI موهو Ʊ (عکس نماد اهم) بوده؛ زیرا α = IOUT/VIN است. بنابراین واحد آن ولت/آمپر خواهدبود.
یک منبع جریان ایده‌آل وابسته‌ی کنترل‌شده با جریان یا CCCS ، جریان خروجی را متناسب با جریان کنترل ورودی، حفظ می‌کند. پس جریان خروجی به مقدار جریان ورودی “بستگی” دارد؛ که دوباره، آن را به یک منبع جریان وابسته تبدیل می‌کند.
یک جریان کنترل‌کننده‌ی IIN ،میزان جریان خروجی IOUT را با ضرب در بزرگنمایی β (بتا) به ما میدهد. جریان خروجی برای عنصر CCCS توسط معادله‌ی IOUT = βIIN تعیین میشود. توجه داشته باشید که ثابت ضرب β بدون بعد بوده و برابربا β = IOUT/IIN است؛ بنابراین، واحد آن آمپر/آمپر خواهدبود.
خلاصه‌ی منابع جریان
در این آموزش در مورد منابع جریان دیدیم که یک منبع جریان ایده آل (R=∞)، یک عنصر اکتیو است که جریان ثابتی را، کاملا مستقل از منبع ولتاژ دو سر آن، ارائه میدهد؛ که درنتیجه، اتصال بار به آن است و مشخصه‌ی I-V آن با یک خط راست، نشان داده میشود.
منابع جریان مستقل ایده آل می‌توانند به صورت موازی یا پیکربندی موازی موافق یا موازی مخالف برای روش‌های آنالیز مدار متصل شوند؛ اما نمی‌توان آن‌ها را به‌صورت سری به‌هم متصل کرد. همچنین برای حل و آنالیزهای مدار و تئوری‌ها، منابع جریان به منابع مدار باز تبدیل می‌شوند تا جریان در آن‌ها برابر با صفر شود. توجه داشته‌باشید که منابع جریان، قادر به انتقال یا جذب توان، می‌باشند.
در مورد منابع جریان غیر ایده آل یا کاربردی، می‌توان آن‌ها را با یک منبع جریان ایده آل و یک رزیستانس اتصال موازی (شانت) معادل کرد. این رزیستانس بی‌نهایت کامل نیست، اما مقدار بسیاربالا داشته (یعنی نزدیک R=∞ است) و سبب تولید مشخصه‌ی I-V میشود. مشخصه I-V آن مستقیم نیست اما شیب آن کاهشی، با کاهش بار است.
دیدیم که منابع جریان، می‌توانند مستقل یا وابسته باشند. یک منبع وابسته، دارای بزرگی وابسته به یک متغیر دیگر در مدار دارد. منابع جریان کنترل‌شده با ولتاژ VCCS و منابع جریان کنترل‌شده با جریان CCCS ، انواع منابع جریان وابسته می‌باشند.
منابع جریان ثابت با رزیستانس‌های داخلی بسیار بالا، کاربردهای بی‌شماری در مدارهای و آنالیزهای الکترونیکی دارند و می‌توانند با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی، دیودها، زنرها و FET ها و همچنین ترکیبی از دستگاه‌های حالت جامد ساخته شوند.
دیدگاه خود را بنویسید