Akım Kaynağı

Bir akım kaynağı ne olursa olsun, bir gerilim devresine sabit bir akım akışı temin edebilen terminallerinde karşıya geliştirilen bir aktif devre elemanıdır

Adından da anlaşılacağı gibi, bir akım kaynağı , bu voltajın diğer devre elemanları tarafından belirlendiği için, terminalleri boyunca gelişen voltajdan bağımsız olarak sabit bir akım akışını koruyan bir devre elemanıdır. Yani ideal bir sabit akım kaynağı, sürdüğü empedansa bakılmaksızın sürekli olarak belirli bir miktarda akım sağlar ve bu nedenle ideal bir akım kaynağı teorik olarak sonsuz miktarda enerji sağlayabilir. Bu nedenle, bir voltaj kaynağı örneğin 5 volt veya 10 volt vb. olarak derecelendirilebileceği gibi, bir akım kaynağı da örneğin 3 amper veya 15 amper vb. bir akım derecesine sahip olacaktır.

İdeal sabit akım kaynakları, voltaj kaynaklarına benzer bir şekilde temsil edilir, ancak bu sefer akım kaynağı sembolü, akımın akış yönünü göstermek için içinde bir ok bulunan bir dairedir. Akımın yönü, pozitif terminalden akan ilgili voltajın polaritesine karşılık gelecektir. “i” harfi gösterildiği gibi akım kaynağı olduğunu belirtmek için kullanılır.

İdeal Akım Kaynağı

Daha sonra ideal bir akım kaynağına “sabit akım kaynağı” denir, çünkü kendisine bağlı yükten bağımsız olarak düz bir çizgi ile temsil edilen bir IV karakteristiği üreten sabit bir kararlı durum akımı sağlar. Gerilim kaynaklarında olduğu gibi, akım kaynağı ya bağımsız (ideal) ya da devrenin başka bir yerinde sabit ya da zamanla değişen bir gerilim ya da akım tarafından bağımlı (kontrollü) olabilir.

İdeal bağımsız akım kaynakları tipik olarak devre teoremlerini çözmek ve gerçek aktif elemanlar içeren devreler için devre analiz teknikleri için kullanılır. Bir akım kaynağının en basit biçimi, birkaç mili amperden yüzlerce amper’e kadar değişen akımlar yaratan bir gerilim kaynağına sahip seri halinde bir dirençtir. Sıfır değerli bir akım kaynağının R = 0 olarak açık devre olduğunu unutmayın.

Akım kaynağı kavramı, ok yönü ile gösterilen akımın akışına izin veren iki uçlu bir eleman kavramıdır. Daha sonra bir akım kaynağı, amper biriminde (A) bir değere sahiptir ve tipik olarak amper olarak kısaltılır. Bir ağ etrafındaki akım kaynağı ve voltaj değişkenleri arasındaki fiziksel ilişki, bu voltaj ve akım değişkenlerinin belirli değerlere sahip olacağı için Ohm kanunu ile verilir.

İdeal bir akım kaynağının voltajının büyüklüğünü ve polaritesini, özellikle bağlı devrede başka voltaj veya akım kaynakları varsa, akımın bir fonksiyonu olarak belirtmek zor olabilir. O zaman, akım kaynağı tarafından sağlanan güç P = V*I olarak verilmedikçe, akım kaynağı tarafından sağlanan akımı bilebiliriz, ancak bunun üzerindeki voltajı bilemeyiz.

Bununla birlikte, akım kaynağı devre içindeki tek kaynaksa, kaynak boyunca voltajın polaritesini kurmak daha kolay olacaktır. Ancak birden fazla kaynak varsa, terminal voltajı kaynağın bağlı olduğu ağa bağlı olacaktır.

Akım Kaynaklarını Birbirine Bağlama

Gerilim kaynakları gibi ideal akım kaynakları da mevcut akımı artırmak (veya azaltmak) için birbirine bağlanabilir. Ancak, farklı değerlere sahip iki veya daha fazla bağımsız akım kaynağının seri veya paralel olarak nasıl bağlanabileceğine dair kurallar vardır.

Paralel Akım Kaynağı

İki veya daha fazla akım kaynağını paralel olarak bağlamak, toplam akım çıkışı ayrı kaynak akımlarının cebirsel toplamı olarak verilen bir akım kaynağına eşdeğerdir. Bu örnekte, iki 5 amperlik akım kaynağı, I _T  = I ₁  + I ₂ olarak 10 amper üretmek için birleştirilmiştir .

Farklı değerlerdeki akım kaynakları paralel olarak birbirine bağlanabilir. Örneğin, 5 amperden biri ve 3 amperden biri, akım kaynağını temsil eden okların her ikisi de aynı yönü gösterdiğinden, 8 amperlik tek bir akım kaynağı verecek şekilde birleştirilir. Sonra iki akım birbirine eklendiğinde, bağlantılarının şu şekilde olduğu söylenir: paralel yardım.

Devre analizi için en iyi uygulama olmasa da, paralel karşıt bağlantılar, değeri tek tek kaynakların cebirsel olarak çıkarılması olan tek bir akım kaynağı oluşturmak için zıt yönlerde bağlanan akım kaynaklarını kullanır.

Paralel Karşıt Akım Kaynakları

Burada, iki akım kaynağı zıt yönlerde bağlandığından (oklarıyla gösterilir), ikisi Kirchoff’un Akım Yasası, KCL’ye uygun bir dolaşım akımı için kapalı döngü bir yol sağladığından iki akım birbirinden çıkar. Örneğin, her biri 5 amperlik iki akım kaynağı 5A -5A = 0A olarak sıfır çıkışla sonuçlanacaktır. Benzer şekilde, iki akım farklı değerlerde ise, 5A ve 3A, o zaman çıkış, daha küçük akım daha büyük akımdan çıkarılarak çıkarılan değer olacaktır. 5 – 3 = 2A I _T ile sonuçlanır.

İdeal akım kaynaklarının paralel olarak birbirine bağlanarak paralel yardımcı veya paralel zıt akım kaynakları oluşturduğunu gördük. Devre analizi için izin verilmeyen veya en iyi uygulama olmayan şey, ideal akım kaynaklarını seri kombinasyonlarda birbirine bağlamaktır.

Serilerdeki Akım Kaynakları

Akım kaynakları, aynı değerde veya farklı değerlerde seri olarak birbirine bağlanamaz. Burada bu örnekte, her biri 5 amperlik iki akım kaynağı seri olarak birbirine bağlanmıştır, ancak elde edilen akım değeri 5 amperlik bir kaynağa mı, yoksa iki kaynağın eklenmesine mi, yani 10 amperlik bir kaynağa mı eşit olur? Seri bağlı akım kaynakları, devre analizine bilinmeyen bir faktör ekler, bu istenilen bir durum değildir.

Ayrıca, devre analiz teknikleri için seri bağlı kaynaklara izin verilmemesinin bir başka nedeni de, aynı akımı aynı yönde sağlayamamalarıdır. İdeal akım kaynakları için seri yardımcı veya seri karşıt akımlar mevcut değildir.

Akım Kaynağı Soru Örneği 1

Sırasıyla 250 mili-amper ve 150 mili-amperlik iki akım kaynağı, 20 ohm’luk bağlı bir yüke akım sağlamak için paralel bir yardım konfigürasyonunda birbirine bağlanır. Yükteki voltaj düşüşünü ve harcanan gücü hesaplayın. Devreyi çizin.

Ardından, I _T  = 0.4A veya 400mA, V _R  = 8V ve P _R  = 3.2W

Pratik Akım Kaynağı

İdeal bir sabit akım kaynağının, terminallerindeki voltajdan bağımsız olarak aynı miktarda akımı süresiz olarak sağlayabildiğini ve böylece onu bağımsız bir kaynak haline getirdiğini gördük. Bu nedenle bu, akım kaynağının sonsuz bir iç dirence sahip olduğu anlamına gelir, (R = ∞). Bu fikir devre analizi teknikleri için iyi çalışır, ancak gerçek dünyada akım kaynakları biraz farklı davranır, çünkü pratik akım kaynakları ne kadar büyük olursa olsun (genellikle mega-ohm aralığında) her zaman bir iç dirence sahiptir, bu da üretilen kaynağın yük esnasında değişmesine neden olur.

Pratik veya ideal olmayan bir akım kaynağı, kendisine bağlı bir iç direnç ile ideal bir kaynak olarak temsil edilebilir. Dahili direnç ( _RP ), gösterildiği gibi akım kaynağına paralel (şönt) bağlanan bir dirençle aynı etkiyi üretir. Paralel bağlı devre elemanlarının, aralarında tam olarak aynı voltaj düşüşüne sahip olduğunu unutmayın.

İdeal ve Pratik Akım Kaynağı

Pratik bir akım kaynağı yakından da herhangi bir doğrusal akım ağı sabit akım kaynağı oluşan bir eşdeğer devre ile değiştirilebilir”diye Norton teoremi kuralları gibi bir Norton eşdeğer devreye benzerliğini fark etmiş olabilirsiniz I_S , bir direnç ile paralel olarak R, _P “. Bu paralel direnç çok düşükse, R _P  = 0 ise, akım kaynağında kısa devre olduğuna dikkat edin. Paralel direnç çok yüksek veya sonsuz olduğunda, R _P  ≈ ∞, akım kaynağı ideal olarak modellenebilir.

İdeal bir akım kaynağı, daha önce yukarıda gösterildiği gibi IV karakteristiği üzerinde yatay bir çizgi çizer. Bununla birlikte, pratik akım kaynakları bir dahili kaynak direncine sahip olduğundan, bu, akımın bir kısmını alır, bu nedenle bu pratik kaynağın karakteristiği düz ve yatay değildir, ancak akım şimdi iki parçaya bölündüğünden, akımın bir parçası içeri akarken azalır.

Ohm yasası bize, bir akım (i) bir dirençten geçtiğinde, (R) aynı direnç boyunca bir voltaj düşüşü oluştuğunu söyler. Bu voltaj düşüşünün değeri i*R _P olarak verilecektir. Daha sonra V _OUT , yük bağlı değilken direnç üzerindeki voltaj düşüşüne eşit olacaktır.

Kirchoff’un akım yasası KCL tarafından verilen döngü etrafındaki akımın toplamı: I _OUT  = I _S  – V _S /R _P . Bu denklem, çıkış akımının IV özelliklerini vermek için çizilebilir. Kaynak gösterildiği gibi ideal olduğunda I S ile aynı noktada dikey gerilim eksenini kesen –R _P eğimli düz bir çizgi olarak verilir .

Pratik Akım Kaynağı Özellikleri

Bu nedenle, tüm ideal olmayan akım kaynakları hafifçe V e eşit bir miktar ile açılanarak IV karakteristliği sergiler.

Akım Kaynağı Soru Örneği 2

Pratik bir akım kaynağı, 500 Ohm’luk bir iç dirence sahip 3A ideal bir akım kaynağından oluşur. Yük takılı değilken mevcut kaynakların açık devre terminal voltajını ve dahili direnç tarafından emilen yüksüz gücü hesaplayın.

1. Yüksüz değerler:

Daha sonra dahili kaynak direnci ve A ve B (V _AB ) terminallerindeki açık devre voltajı 1500 voltta hesaplanır.

Bölüm 2: Aynı pratik akım kaynağının terminallerine 250 Ohm’luk bir yük direnci bağlanırsa, her dirençten geçen akımı, her direnç tarafından emilen gücü ve yük direnci boyunca voltaj düşüşünü hesaplayın. Devreyi çizin.

2. Yük bağlıyken verilen veriler: I _S  = 3A, R _P  = 500Ω ve R _L  = 250Ω

2a. Her dirençli daldaki akımları bulmak için akım-bölme kuralını kullanabiliriz.

2b. Her direnç tarafından emilen güç şu şekilde verilir:

2c. Daha sonra yük direnci boyunca voltaj düşüşü, R _L şu şekilde verilir:

Açık devre pratik bir akım kaynağının terminal voltajının çok yüksek olabileceğini, bu örnekte belirtilen akımı sağlamak için gereken voltajı 1500 volt üreteceğini görebiliriz. Teoride, kaynak nominal akımı iletmeye çalıştığı için bu terminal voltajı sonsuz olabilir.

Terminallerine bir yük bağlamak, akımın gidecek bir yeri olduğundan ve sabit bir akım kaynağı için terminal voltajı yük direnciyle doğru orantılı olduğundan, bu örnekte 500 volt olan voltajı azaltacaktır.

Her biri bir iç dirence sahip ideal olmayan akım kaynakları durumunda, toplam iç direnç (veya empedans), paralel olarak dirençlerle tam olarak aynı şekilde, bunların paralel olarak birleştirilmesinin sonucu olacaktır.

Bağımlı Akım Kaynağı

Artık ideal bir akım kaynağının, üzerindeki voltajdan tamamen bağımsız olarak belirli bir miktarda akım sağladığını ve bu nedenle gerekli akımı korumak için gerekli olan voltajı üreteceğini biliyoruz. Bu daha sonra onu bağlı olduğu devreden tamamen bağımsız hale getirir ve ideal bağımsız akım kaynağı olarak adlandırılmasına neden olur.

Kontrollü veya bağımlı bir akım kaynağı ise, devreye bağlı başka bir elemanın karşısındaki gerilime veya geçen akıma bağlı olarak mevcut akımını değiştirir. Başka bir deyişle, bağımlı bir akım kaynağının çıkışı başka bir voltaj veya akım tarafından kontrol edilir.

Bağımlı akım kaynakları, hem ideal (bağımsız) hem de pratik olarak şimdiye kadar incelediğimiz akım kaynaklarına benzer şekilde davranır. Bu seferki fark, bağımlı bir akım kaynağının bir giriş voltajı veya akımı ile kontrol edilebilmesidir. Bir voltaj girişine bağlı olan bir akım kaynağına genellikle Voltaj Kontrollü Akım Kaynağı veya VCCS denir . Bir akım girişine bağlı olan bir akım kaynağına genellikle Akım Kontrollü Akım Kaynağı veya CCCS denir.

Genel olarak, voltaj veya akım kontrollü ideal bir akıma bağlı kaynak, gösterildiği gibi bir okun akımın yönünü gösterdiği, elmas şeklindeki bir sembolle gösterilir.

Bağımlı Akım Kaynak Sembolleri

İdeal bir bağımlı voltaj kontrollü akım kaynağı, VCCS, kontrol giriş voltajıyla orantılı bir çıkış akımı, I _OUT , V _IN sağlar. Başka bir deyişle, çıkış akımı, onu bağımlı bir akım kaynağı yapan giriş voltajının değerine “bağlıdır”.

Daha sonra VCCS çıkış akımı aşağıdaki denklemle tanımlanır: I _OUT  = αV _IN . Bu çarpma sabiti α (alfa), mho, ℧ (ters bir Ohm işareti) SI birimlerine sahiptir, çünkü α = I _OUT /V _IN , ve bu nedenle birimleri amper/volt olacaktır.

İdeal bir bağımlı akım kontrollü akım kaynağı olan CCCS, kontrol eden bir giriş akımıyla orantılı olan bir çıkış akımını korur. Daha sonra çıkış akımı, giriş akımının değerine “bağlıdır”, bu da onu yine bağımlı bir akım kaynağı yapar.

Bir kontrol akımı olarak, I _IN , çıkış akımının büyüklüğünü belirler, I _OUT çarpı büyütme sabiti β (beta), bir CCCS elemanı için çıkış akımı aşağıdaki denklemle belirlenir: I _OUT  = βI _IN . Çarpma sabiti β’nın β = I _OUT /I _IN olarak boyutsuz bir ölçekleme faktörü olduğuna dikkat edin , bu nedenle birimleri amper/amper olacaktır.

Akım Kaynağı Özeti

Akım Kaynakları ile ilgili bu öğreticide, ideal bir akım kaynağının (R = ∞), kendisine bağlı yükün bir akım üretmesi sonucunda üzerindeki voltajdan tamamen bağımsız olan sabit bir akım sağlayan aktif bir element olduğunu gördük. Düz bir çizgi ile temsil edilen IV karakteristiği.

İdeal bağımsız akım kaynakları, devre analiz teknikleri için paralel yardımcı veya paralel karşıt konfigürasyonlar olarak paralel olarak birbirine bağlanabilir, ancak seri olarak birbirine bağlanamazlar. Ayrıca devre analizi ve teoremlerini çözmek için akım kaynakları, akımlarını sıfıra eşitlemek için açık devre kaynaklar haline gelir. Akım kaynaklarının güç verme veya emme yeteneğine sahip olduğuna da dikkat edin.

İdeal olmayan veya pratik akım kaynakları durumunda, eşdeğer bir ideal akım kaynağı ve sonsuz olmayan ancak R ≈ ∞ IV üreten bir iç paralel (şönt) bağlı direnç olarak modellenebilirler. Düz olmayan ancak yük azaldıkça aşağı eğimli olan karakteristiktir.

Burada ayrıca mevcut kaynakların bağımlı veya bağımsız olabileceğini gördük. Bağımlı kaynak, değeri başka bir devre değişkenine bağlı olan kaynaktır. Gerilim kontrollü akım kaynağı, VCCS ve akım kontrollü akım kaynağı CCCS, bağımlı akım kaynaklarının türleridir.

Çok yüksek iç dirençli sabit akım kaynakları, elektronik devrelerde ve analizde çok sayıda uygulama bulur ve bipolar transistörler, diyotlar, zenerler ve FET‘lerin yanı sıra bu katı hal cihazlarının bir kombinasyonu kullanılarak oluşturulabilir.