Zoals de naam al aangeeft, is een stroombron een schakelelement dat een constante stroomsterkte handhaaft, ongeacht de spanning die over zijn aansluitklemmen wordt ontwikkeld, aangezien deze spanning door andere schakelelementen wordt bepaald. Dat wil zeggen, een ideale constante stroombron levert voortdurend een gespecificeerde hoeveelheid stroom, ongeacht de impedantie die hij aandrijft en als zodanig kan een ideale stroombron, in theorie, een oneindige hoeveelheid energie leveren. Dus net zoals een spanningsbron kan worden gewaardeerd, bijvoorbeeld als 5 volt of 10 volt, enz., zal een stroombron ook een stroomsterkte hebben, bijvoorbeeld 3 ampère of 15 ampère, enz.
Ideale constante stroombronnen worden voorgesteld op een soortgelijke manier als spanningsbronnen, maar deze keer is het symbool van de stroombron dat van een cirkel met een pijl erin om de richting van de stroom aan te geven. De richting van de stroom zal overeenkomen met de polariteit van de overeenkomstige spanning, die uit de positieve pool vloeit. De letter “i” wordt gebruikt om aan te geven dat het om een stroombron gaat, zoals afgebeeld.
Ideale stroombron
Een ideale stroombron wordt een “constante stroombron” genoemd, omdat hij een constante constante constante stroom levert, onafhankelijk van de belasting die erop is aangesloten, en een I-V-karakteristiek oplevert die wordt weergegeven door een rechte lijn. Net als bij spanningsbronnen kan de stroombron onafhankelijk (ideaal) of afhankelijk (geregeld) zijn van een spanning of stroom elders in de stroomkring, die zelf constant of tijdvariërend kan zijn.
Ideaal onafhankelijke stroombronnen worden gewoonlijk gebruikt voor het oplossen van stroomkringtheorema’s en voor technieken voor stroomkringanalyse voor stroomkringen die echte actieve elementen bevatten. De eenvoudigste vorm van een stroombron is een weerstand in serie met een spanningsbron die stromen van enkele milliampères tot vele honderden ampères opwekt. Bedenk dat een stroombron met nulwaarde een open circuit is, want R = 0.
Het concept van een stroombron is dat van een element met twee aansluitingen dat de stroom laat lopen die wordt aangegeven door de richting van de pijl. Een stroombron heeft dan een waarde, i, in eenheden van ampère, (A) die gewoonlijk worden afgekort tot ampère. De fysische relatie tussen een stroombron en spanningsvariabelen in een netwerk wordt gegeven door de wet van Ohm, aangezien deze spannings- en stroomvariabelen gespecificeerde waarden zullen hebben.
Het kan moeilijk zijn om de grootte en de polariteit van de spanning van een ideale stroombron als functie van de stroom te specificeren, vooral als er andere spannings- of stroombronnen in de aangesloten stroomkring aanwezig zijn. Dan weten we misschien wel de stroom die door de stroombron wordt geleverd, maar niet de spanning erover, tenzij het vermogen dat door de stroombron wordt geleverd gegeven is, als P = V*I.
Als de stroombron echter de enige bron in de stroomkring is, dan zal de polariteit van de spanning over de bron gemakkelijker vast te stellen zijn. Is er echter meer dan één bron, dan zal de eindspanning afhangen van het netwerk waarin de bron is aangesloten.
Samenschakelen van stroombronnen
Net als spanningsbronnen kunnen ideale stroombronnen ook met elkaar worden verbonden om de beschikbare stroom te vergroten (of te verkleinen). Maar er zijn regels voor hoe twee of meer onafhankelijke stroombronnen met verschillende waarden kunnen worden aangesloten, in serie of parallel.
Stroombron in parallel
Het parallel schakelen van twee of meer stroombronnen is gelijk aan één stroombron waarvan de totale stroomopbrengst wordt gegeven als de algebraïsche optelling van de afzonderlijke bronstromen. In dit voorbeeld worden twee stroombronnen van 5 ampère gecombineerd om 10 ampère te produceren als IT = I1 + I2.
Stroombronnen van verschillende waarden kunnen parallel worden aangesloten. Bijvoorbeeld, één van 5 ampère en één van 3 ampère zouden worden gecombineerd tot één stroombron van 8 ampère, aangezien de pijlen die de stroombronnen voorstellen beide in dezelfde richting wijzen. Aangezien de twee stromen dan bij elkaar worden opgeteld, wordt van hun verbinding gezegd: parallel-ondersteunend.
Weliswaar niet de beste praktijk voor circuitanalyse, maar bij parallel-ondersteunende verbindingen worden stroombronnen gebruikt die in tegengestelde richtingen zijn aangesloten om één enkele stroombron te vormen waarvan de waarde de algebraïsche aftrekking van de afzonderlijke bronnen is.
Parallelle tegengestelde stroombronnen
Hier, Aangezien de twee stroombronnen in tegengestelde richtingen zijn aangesloten (aangegeven door de pijlen), trekken de twee stromen zich van elkaar af, aangezien de twee een gesloten-luspad vormen voor een circulerende stroom die voldoet aan de stroomwet van Kirchoff, KCL. Dus bijvoorbeeld, twee stroombronnen van elk 5 ampère zouden resulteren in een nuloutput, aangezien 5A -5A = 0A. Evenzo, als de twee stromen verschillende waarden hebben, 5A en 3A, dan zal de output de afgetrokken waarde zijn met de kleinere stroom afgetrokken van de grotere stroom. Het resultaat is een IT van 5 – 3 = 2A.
We hebben gezien dat ideale stroombronnen parallel kunnen worden geschakeld om parallel-ondersteunende of parallel-tegengestelde stroombronnen te vormen. Wat niet is toegestaan of niet de beste praktijk is voor circuitanalyse, is het samenvoegen van ideale stroombronnen in seriecombinaties.
Stroombronnen in serie
Stroombronnen mogen niet in serie met elkaar worden verbonden, noch met dezelfde waarde, noch met verschillende waarden. Hier in dit voorbeeld worden twee stroombronnen van elk 5 ampère in serie geschakeld, maar wat is de resulterende stroomwaarde. Is die gelijk aan één bron van 5 ampère, of is die gelijk aan de optelling van de twee bronnen, dus 10 ampère. In serie geschakelde stroombronnen voegen dan een onbekende factor toe aan de circuitanalyse, en dat is niet goed.
Een andere reden waarom in serie geschakelde bronnen niet zijn toegestaan voor circuitanalysetechnieken is dat zij mogelijk niet dezelfde stroom in dezelfde richting leveren. Serie-ondersteunende of serie-tegenwerkende stromen bestaan niet voor ideale stroombronnen.
Stroombron Voorbeeld No1
Twee stroombronnen van respectievelijk 250 milliampère en 150 milliampère zijn in een parallel-ondersteunende configuratie met elkaar verbonden om een aangesloten belasting van 20 ohm te voeden. Bereken de spanningsval over de belasting en het gedissipeerde vermogen. Teken de schakeling.
Dan is IT = 0,4A of 400mA, VR = 8V, en PR = 3.2W
Praktische stroombron
We hebben gezien dat een ideale constante stroombron onbeperkt dezelfde hoeveelheid stroom kan leveren, ongeacht de spanning over zijn aansluitpunten, en dus een onafhankelijke bron is. Dit impliceert dus dat de stroombron een oneindige inwendige weerstand heeft, (R = ∞). Dit idee werkt goed voor circuit-analysetechnieken, maar in de echte wereld gedragen stroombronnen zich iets anders, omdat praktische stroombronnen altijd een inwendige weerstand hebben, hoe groot die ook is (meestal in het mega-ohm bereik), waardoor de opgewekte bron enigszins varieert met de belasting.
Een praktische of niet-ideale stroombron kan worden voorgesteld als een ideale bron met een inwendige weerstand er overheen geschakeld. De inwendige weerstand (RP) heeft hetzelfde effect als een parallel (shunt) geschakelde weerstand met de stroombron (zie afbeelding). Bedenk dat parallel geschakelde elementen precies dezelfde spanningsval over zich hebben.
Ideale en praktische stroombron
Het is je misschien opgevallen dat een praktische stroombron sterk lijkt op een equivalent circuit van Norton, aangezien de stelling van Norton stelt dat “elk lineair gelijkstroomnetwerk kan worden vervangen door een equivalent circuit bestaande uit een constantestroombron, IS parallel met een weerstand, RP”. Merk op dat wanneer deze parallelweerstand zeer laag is, RP = 0, de stroombron kortgesloten is. Wanneer de parallelweerstand zeer hoog of oneindig is, RP ≈ ∞, kan de stroombron als ideaal worden gemodelleerd.
Een ideale stroombron tekent een horizontale lijn op de I-V-karakteristiek, zoals hierboven is weergegeven. Omdat praktische stroombronnen echter een interne bronweerstand hebben, neemt deze een deel van de stroom op, zodat de karakteristiek van deze praktische bron niet vlak en horizontaal is, maar zal afnemen omdat de stroom nu in twee delen wordt gesplitst, waarbij een deel van de stroom in de parallelle weerstand, RP, vloeit en het andere deel van de stroom rechtstreeks naar de uitgangsklemmen vloeit.
De wet van Ohms vertelt ons dat wanneer een stroom, (i) door een weerstand, (R) vloeit, er een spanningsval over dezelfde weerstand wordt geproduceerd. De waarde van dit spanningsverlies wordt gegeven als i*RP. Dan zal VOUT gelijk zijn aan het spanningsverlies over de weerstand zonder belasting. We herinneren ons dat voor een ideale bronstroom, RP oneindig is omdat er geen inwendige weerstand is, daarom zal de klemspanning nul zijn omdat er geen spanningsval is.
De som van de stroom rond de lus gegeven door de stroomwet van Kirchoff, KCL is: IOUT = IS – VS/RP. Deze vergelijking kan worden uitgezet om de I-V karakteristiek van de uitgangsstroom te verkrijgen. Zij wordt gegeven als een rechte lijn met een helling -RP die de verticale spanningsas snijdt op hetzelfde punt als IS wanneer de bron ideaal is zoals getoond.
Praktische stroombronkenmerken
Daarom, zullen alle ideale stroombronnen een rechte I-V-karakteristiek hebben, maar niet-ideale of echte praktische stroombronnen zullen een I-V-karakteristiek hebben die enigszins schuin naar beneden loopt met een hoeveelheid gelijk aan VOUT/RP, waarbij RP de interne bronweerstand is.
Stroombronvoorbeeld nr. 2
Een praktische stroombron bestaat uit een ideale stroombron van 3 A met een inwendige weerstand van 500 Ohm. Bereken de nullastspanning van de stroombron en het nullastvermogen dat door de inwendige weerstand wordt opgenomen.
1. Waarden zonder belasting:
Dan wordt de nullastspanning over de interne bronweerstand en de aansluitklemmen A en B (VAB) berekend op 1500 volt.
Deel 2: Als een belastingsweerstand van 250 Ohm wordt aangesloten op de aansluitklemmen van dezelfde praktische stroombron, bereken dan de stroom door elke weerstand, het vermogen dat door elke weerstand wordt opgenomen en de spanningsval over de belastingsweerstand. Teken de schakeling.
2. Gegeven met aangesloten belasting: IS = 3A, RP = 500Ω en RL = 250Ω
2a. Om de stromen in elke weerstandstak te vinden, kunnen we de stroomverdelingsregel gebruiken.
2b. Het door elke weerstand geabsorbeerde vermogen wordt gegeven als:
2c. De spanningsval over de belastingsweerstand, RL, is dan gegeven als:
We kunnen zien dat de klemspanning van een opengecirculeerde praktische stroombron zeer hoog kan zijn het zal de spanning produceren die nodig is, 1500 volt in dit voorbeeld, om de gespecificeerde stroom te leveren. In theorie kan deze klemspanning oneindig zijn omdat de bron probeert de nominale stroom te leveren.
Als u een belasting over de klemmen aansluit, zal de spanning afnemen, 500 volt in dit voorbeeld, omdat de stroom nu ergens naar toe moet en voor een constante stroombron is de klemspanning recht evenredig met de belastingsweerstand.
In het geval van niet-ideale stroombronnen die elk een inwendige weerstand hebben, zal de totale inwendige weerstand (of impedantie) het resultaat zijn van het parallel combineren van deze bronnen, precies hetzelfde als voor weerstanden in parallel.
Afhankelijke stroombron
We weten nu dat een ideale stroombron een gespecificeerde hoeveelheid stroom levert, volledig onafhankelijk van de spanning die er overheen staat en als zodanig de spanning zal produceren die nodig is om de vereiste stroom te handhaven. Dit maakt hem volledig onafhankelijk van de stroomkring waarop hij is aangesloten, zodat hij een ideale onafhankelijke stroombron wordt genoemd.
Een gecontroleerde of afhankelijke stroombron daarentegen verandert zijn beschikbare stroom afhankelijk van de spanning over, of de stroom door, een ander element dat op de stroomkring is aangesloten. Met andere woorden, de uitgang van een afhankelijke stroombron wordt geregeld door een andere spanning of stroom.
Afhankelijke stroombronnen gedragen zich ongeveer hetzelfde als de stroombronnen die we tot nu toe hebben bekeken, zowel ideale (onafhankelijke) als praktische. Het verschil dit keer is dat een afhankelijke stroombron kan worden geregeld door een ingangsspanning of -stroom. Een stroombron die afhankelijk is van een spanningsingang wordt in het algemeen een Voltage Controlled Current Source of VCCS genoemd. Een stroombron die afhankelijk is van een stroomingang wordt over het algemeen een Current Controlled Current Source of CCCS genoemd.
In het algemeen wordt een ideale stroomafhankelijke bron, spannings- of stroomgestuurd, aangeduid door een ruitvormig symbool waarbij een pijl de richting van de stroom aangeeft, i zoals afgebeeld.
Symbolen voor afhankelijke stroombronnen
Een ideale afhankelijke spanningsgestuurde stroombron, VCCS, handhaaft een uitgangsstroom, IOUT, die evenredig is met de stuuringangsspanning, VIN. Met andere woorden, de uitgangsstroom “hangt” af van de waarde van de ingangsspanning, waardoor het een afhankelijke stroombron is.
Dan wordt de VCCS uitgangsstroom gedefinieerd door de volgende vergelijking: IOUT = αVIN. Deze vermenigvuldigingsconstante α (alpha) heeft de SI-eenheden mhos, ℧ (een omgekeerd Ohms teken) omdat α = IOUT/VIN, en de eenheden zullen dus ampère/volt zijn.
Een ideale afhankelijke stroomgestuurde stroombron, CCCS, handhaaft een uitgangsstroom die evenredig is met een regelende ingangsstroom. De uitgangsstroom “hangt” dan af van de waarde van de ingangsstroom, waardoor het opnieuw een afhankelijke stroombron is.
Als een stuurstroom, IIN de grootte van de uitgangsstroom bepaalt, IOUT maal de vergrotingsconstante β (beta), wordt de uitgangsstroom voor een CCCS-element bepaald door de volgende vergelijking: IOUT = βIIN. Merk op dat de vermenigvuldigingsconstante β een dimensieloze schaalfactor is als β = IOUT/IIN, zodat de eenheden ampère/ampère zijn.
Samenvatting stroombron
We hebben in deze tutorial over stroombronnen gezien dat een ideale stroombron, (R = ∞) een actief element is dat een constante stroom levert die volledig onafhankelijk is van de spanning erover als gevolg van de belasting die erop is aangesloten en die een I-V-karakteristiek oplevert die wordt weergegeven door een rechte lijn.
Ideaal onafhankelijke stroombronnen kunnen voor circuitanalysetechnieken parallel worden geschakeld als parallel-ondersteunende of parallel-tegenovergestelde configuraties, maar zij kunnen niet parallel in serie worden geschakeld. Ook voor het oplossen van stroomkringanalyses en stellingen worden stroombronnen opengekoppelde bronnen om hun stroom gelijk aan nul te maken. Merk ook op dat stroombronnen zowel vermogen kunnen leveren als absorberen.
In het geval van niet-ideale of praktische stroombronnen kunnen zij worden gemodelleerd als een equivalente ideale stroombron en een interne parallel (shunt) geschakelde weerstand die niet oneindig is, maar van een waarde die zeer hoog is als R ≈ ∞ waardoor een I-V-karakteristiek ontstaat die niet recht is, maar afloopt naarmate de belasting afneemt.
We hebben hier ook gezien dat stroombronnen afhankelijk of onafhankelijk kunnen zijn. Een afhankelijke bron is een bron waarvan de waarde afhangt van een andere variabele in het circuit. Spanningsgecontroleerde stroombronnen, VCCS, en stroomgecontroleerde stroombronnen, CCCS, zijn types van afhankelijke stroombronnen.