电流源简介
电压与电流
让我们深入地看一下图 1，它对电流与水流进行了比较。
水流类似于电流。
图 1.水流类似于电流。
电压是泵产生的压力，电流是流量。添加电阻（限制）会减少电流（流量）。如果电路坏了（管道被堵塞），仍然会有电压（压力）但没有电流（流量）。
为了测量水流量，在管道中串联添加流量计。同样，为了测量电流，需要串联一个电流表，如图 2 所示。
电流测量要求仪表串联连接，而不是并联连接。
通常必须断开电路（断线或打开连接）才能添加仪表。这与电压不同，电压只需触摸两个测量点之间的仪表探头即可测量。
另外，还有夹式电流表，它们缠绕在电线上，通过测量电线的磁场来间接测量电流。这些不需要断开电路。它们类似于使用超声波束测量水流量的夹式流量计。
电流源与电压源
接下来，看一下图 3，它比较了电压源和电流源。
图 3.电压负载并联 (a)，而电流负载串联 (b)。
添加与电压源并联的负载会增加电流，但不会改变电压，除非总电流大于电源（发电机或电池）可以提供的电流。
在图 3b 所示的电流源示例中，负载是串联添加的。如果添加额外的发光二极管 (LED) ，电阻就会发生变化。如果电机被移除（更换为短路），电压将会改变，但电流不会改变。除非总负载电压超过电流源可以提供的电压，否则电流将保持恒定。
电流源应用
电流源电路广泛应用于工业控制系统中。使用电流而不是电压来长距离传输模拟测量结果。电流传输比电压信号具有优势。电流不受长接线增加的电阻的影响。此外，电流信号不太容易受到电噪声或电磁干扰（EMI）的影响。
工业两线传输
在工业应用中，通常使用电流范围为 4 至 20 mA DC 的升高零信号。升高的零信号意味着 4 mA 代表范围的低端（通常为零）。电流范围的高满量程端为 20 mA。例如，4 到 20 mA 可能代表角度位置传感器的 0 到 250 度。图 4 显示了典型的 4–20 mA 工业电流通信系统。
图 4.用于传输测量信号的典型工业 4-20 mA 电流环路。
电流源的另一个优点是，在某些系统中，可以通过与电流信号相同的两条电线发送电力。工业两线制变送器控制环路中的电流与测量值成正比，并从环路电流中“窃取”其工作功率。
电流源和 LED 驱动器
LED 通常由电流源驱动。如上所述，一个、两个或多个LED可以串联，电流不会改变。电流源通常是专门的 LED 驱动器 IC，而不是您可以自行设计的简单电路。通常，它们使用脉宽调制 (PWM)来在负载和电源电压变化的情况下保持高效运行。许多可用，针对不同的应用程序具有不同的功能。
集成电路中的电流源
电流源也用于IC的内部电路，特别是模拟电路。电流源也称为电流镜。流行的电流镜设计包括 Widlar 电流源，以传奇模拟设计师Bob Widlar 的名字命名。
如何设计电流源？
请看图 5，它展示了一个简单的单晶体管电流源电路。
图 5.单晶体管电流源。
由于NPN晶体管的基极-发射极压降，发射极电压比基极电压(Vb)低约0.7伏。发射极电流 Ie 等于 Ve/R。无论集电极上的电压如何，集电极电流都是恒定的，大约等于 Ie。总体而言，由于通过底座的电流很小，因此大约会降低百分之一。
该电路有时被称为电流吸收器，因为它从电源吸取或吸收电流。要将其更改为源，请将 NPN 晶体管替换为PNP 晶体管，并将电路颠倒过来，将负输出连接到公共端。
如果 Vb 可变，Ie 和 Ic 将按比例变化。图 5 还显示了两种可能的固定电压源。如果电源电压变化，使用两个电阻器的电阻也会变化，从而导致电流变化。尽管电源电压发生变化，齐纳源仍将保持恒定。
用于工业过程测量的精密 4-20 mA 电源
图 6 添加了一个运算放大器以创建精密压控 4–20 mA 电流源。
图 6.精密 4-20 mA 源。
0–1 VDC 输入可能是来自热电偶、应变计或其他传感器的放大测量信号。两个输入电阻将其转换为 0.2-1.0 V，产生 4 mA 输出偏移。运算放大器反馈使发射极输出保持等于 0.2–1.0 V 输入。50 Ω 电阻器将其转换为 4–20 mA 输出电流。
如图所示，由于电阻器的典型 +/-1% 容差、1 V 电源的变化以及发射极和集电极电流之间的细微差异，该电路将不会完全准确。
另一方面，图 7 显示了一个实用版本，增加了增益和偏移微调调整并使用 5 V 基准。
图 7.改进的 4-20 mA 电路，可调整增益和偏移。
运算放大器的工作电压不需要超过 5V。24 V 输出电源支持高达约 1100 Ω 的输出电阻（20 mA 时为 22 V），但在较低电阻下可以使用较低电压。
运算放大器的规格并不重要。晶体管的功率出现在低输出电阻时：如果负载为零欧姆，则为 0.48 W（24 V，20 mA）。其额定功率应至少为 1 W，才能安全处理超过 20 mA 的电流。
