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Una fuente de corriente es un circuito electrónico que suministra o absorbe una corriente eléctrica que es independiente del voltaje que lo atraviesa.
Una fuente de corriente es el dual de una fuente de voltaje . El término sumidero de corriente se utiliza a veces para fuentes alimentadas desde un suministro de voltaje negativo. La Figura 1 muestra el símbolo esquemático de una fuente de corriente ideal que impulsa una carga resistiva . Hay dos tipos. Una fuente de corriente independiente (o sumidero) entrega una corriente constante. Una fuente de corriente dependiente entrega una corriente que es proporcional a algún otro voltaje o corriente en el circuito.
Una fuente de corriente ideal genera una corriente que es independiente de los cambios de voltaje a través de ella. Una fuente de corriente ideal es un modelo matemático, al que los dispositivos reales pueden aproximarse muy de cerca. Si la corriente que pasa por una fuente de corriente ideal se puede especificar independientemente de cualquier otra variable en un circuito, se llama fuente de corriente independiente . Por el contrario, si la corriente que pasa por una fuente de corriente ideal está determinada por algún otro voltaje o corriente en un circuito, se llama fuente de corriente dependiente o controlada . Los símbolos de estas fuentes se muestran en la Figura 2.
La resistencia interna de una fuente de corriente ideal es infinita. Una fuente de corriente independiente con corriente cero es idéntica a un circuito abierto ideal . El voltaje a través de una fuente de corriente ideal está completamente determinado por el circuito al que está conectada. Cuando se conecta a un cortocircuito , no hay voltaje y, por lo tanto, se entrega energía cero . Cuando se conecta a una resistencia de carga , la fuente de corriente gestiona el voltaje de tal manera que mantiene la corriente constante; entonces, en una fuente de corriente ideal, el voltaje a través de la fuente se acerca al infinito a medida que la resistencia de la carga se acerca al infinito (un circuito abierto).
Ninguna fuente de corriente física es ideal. Por ejemplo, ninguna fuente de corriente física puede funcionar cuando se aplica a un circuito abierto. Hay dos características que definen una fuente de corriente en la vida real. Uno es su resistencia interna y el otro es su voltaje de cumplimiento . El voltaje de cumplimiento es el voltaje máximo que la fuente de corriente puede suministrar a una carga. En un rango de carga determinado, es posible que algunos tipos de fuentes de corriente reales presenten una resistencia interna casi infinita. Sin embargo, cuando la fuente de corriente alcanza su voltaje de cumplimiento, abruptamente deja de ser una fuente de corriente.
En el análisis de circuitos, una fuente de corriente que tiene una resistencia interna finita se modela colocando el valor de esa resistencia a través de una fuente de corriente ideal (el circuito equivalente de Norton). Sin embargo, este modelo sólo es útil cuando una fuente de corriente funciona dentro de su voltaje de cumplimiento.
La fuente de corriente no ideal más simple consiste en una fuente de voltaje en serie con una resistencia. La cantidad de corriente disponible de dicha fuente está dada por la relación entre el voltaje a través de la fuente de voltaje y la resistencia de la resistencia ( ley de Ohm ; I = V / R ). Este valor de corriente solo se entregará a una carga con caída de voltaje cero en sus terminales (un cortocircuito, un capacitor descargado, un inductor cargado, un circuito de tierra virtual, etc.). La corriente entregada a una carga con voltaje distinto de cero (caída ) a través de sus terminales (una resistencia lineal o no lineal con una resistencia finita, un condensador cargado, un inductor descargado, una fuente de voltaje, etc.) siempre será diferente. Está dada por la relación entre la caída de voltaje a través de la resistencia (la diferencia entre el voltaje de excitación y el voltaje a través de la carga) y su resistencia.
Para una fuente de corriente casi ideal, el valor de la resistencia debe ser muy grande, pero esto implica que, para una corriente específica, la fuente de voltaje debe ser muy grande (en el límite cuando la resistencia y el voltaje llegan al infinito, la fuente de corriente será ideal y la corriente no dependerá en absoluto del voltaje a través de la carga). Por lo tanto, la eficiencia es baja (debido a la pérdida de potencia en la resistencia) y normalmente no resulta práctico construir una "buena" fuente de corriente de esta manera. No obstante, suele ocurrir que un circuito de este tipo proporcione un rendimiento adecuado cuando la corriente y la resistencia de carga especificadas son pequeñas. Por ejemplo, una fuente de voltaje de 5 V en serie con una resistencia de 4,7 kΩ proporcionará una corriente aproximadamente constante de 1 mA ± 5% a una resistencia de carga en el rango de 50 a 450 Ω.
Un generador de Van de Graaff es un ejemplo de una fuente de corriente de alto voltaje. Se comporta como una fuente de corriente casi constante debido a su voltaje de salida muy alto junto con su resistencia de salida muy alta, por lo que suministra los mismos pocos microamperios a cualquier voltaje de salida de hasta cientos de miles de voltios (o incluso decenas de megavoltios ) para grandes Versiones de laboratorio.
En estos circuitos la corriente de salida no se monitorea ni controla mediante retroalimentación negativa .
Se implementan mediante componentes electrónicos activos (transistores) que tienen una característica de salida no lineal de corriente estable cuando son impulsados por una cantidad de entrada constante (corriente o voltaje). Estos circuitos se comportan como resistencias dinámicas cambiando su resistencia actual para compensar las variaciones de corriente. Por ejemplo, si la carga aumenta su resistencia, el transistor disminuye su resistencia de salida actual (y viceversa ) para mantener una resistencia total constante en el circuito.
Las fuentes de corriente activa tienen muchas aplicaciones importantes en circuitos electrónicos . A menudo se utilizan en lugar de resistencias óhmicas en circuitos integrados analógicos (por ejemplo, un amplificador diferencial ) para generar una corriente que depende ligeramente del voltaje en la carga.
La configuración del emisor común impulsado por una corriente o voltaje de entrada constante y la fuente común ( cátodo común ) impulsada por un voltaje constante se comportan naturalmente como fuentes (o sumideros) de corriente porque la impedancia de salida de estos dispositivos es naturalmente alta. La parte de salida del espejo de corriente simple es un ejemplo de fuente de corriente ampliamente utilizada en circuitos integrados . Las configuraciones de base común , puerta común y red común también pueden servir como fuentes de corriente constante.
Se puede hacer que un JFET actúe como una fuente de corriente vinculando su puerta a su fuente. La corriente que fluye entonces es el I DSS del FET. Estos se pueden adquirir con esta conexión ya realizada y en este caso los dispositivos se denominan diodos reguladores de corriente o diodos de corriente constante o diodos limitadores de corriente (CLD). Alternativamente, se podría usar un MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) de canal N en modo mejorado en lugar de un JFET en los circuitos que se enumeran a continuación para lograr una funcionalidad similar.
Un ejemplo: fuente actual arrancada . [1]
La fuente de corriente pasiva de resistencia simple es ideal sólo cuando el voltaje a través de ella es cero; por lo que se podría considerar la compensación de voltaje mediante la aplicación de retroalimentación negativa paralela para mejorar la fuente. Los amplificadores operacionales con retroalimentación funcionan eficazmente para minimizar el voltaje en sus entradas. Esto da como resultado que la entrada inversora sea una tierra virtual , con la corriente pasando a través de la retroalimentación o carga y la fuente de corriente pasiva. La fuente de voltaje de entrada, la resistencia y el amplificador operacional constituyen una fuente de corriente "ideal" con valor I OUT = V IN / R. El amplificador de transimpedancia y un amplificador inversor de amplificador operacional son implementaciones típicas de esta idea.
La carga flotante es una seria desventaja de esta solución de circuito.
Un ejemplo típico es la fuente de corriente Howland [2] y su integrador derivado Deboo. [3] En el último ejemplo (Fig. 1), la fuente de corriente de Howland consta de una fuente de voltaje de entrada, V IN , una resistencia positiva, R, una carga (el capacitor, C, que actúa como impedancia Z ) y una impedancia negativa. convertidor INIC ( R 1 = R 2 = R 3 = R y el amplificador operacional). La fuente de voltaje de entrada y la resistencia R constituyen una fuente de corriente imperfecta que pasa corriente, I R, a través de la carga (Fig. 3 en la fuente). El INIC actúa como una segunda fuente de corriente que pasa la corriente de "ayuda", I −R , a través de la carga. Como resultado, la corriente total que fluye a través de la carga es constante y la impedancia del circuito vista por la fuente de entrada aumenta. Sin embargo, la fuente de corriente Howland no se usa mucho porque requiere que las cuatro resistencias coincidan perfectamente y su impedancia cae a altas frecuencias. [4]
La carga conectada a tierra es una ventaja de esta solución de circuito.
Se implementan como un seguidor de voltaje con retroalimentación negativa en serie impulsada por una fuente de voltaje de entrada constante (es decir, un estabilizador de voltaje de retroalimentación negativa ). El seguidor de voltaje se carga mediante una resistencia constante (detección de corriente) que actúa como un simple convertidor de corriente a voltaje conectado en el circuito de retroalimentación. La carga externa de esta fuente de corriente está conectada en algún lugar del camino de la corriente que suministra la resistencia de detección de corriente, pero fuera del circuito de retroalimentación.
El seguidor de voltaje ajusta su corriente de salida I OUT que fluye a través de la carga para que la caída de voltaje V R = I OUT R a través de la resistencia de detección de corriente R sea igual al voltaje de entrada constante V IN . Así, el estabilizador de voltaje mantiene una caída de voltaje constante a través de una resistencia constante; entonces, una corriente constante I OUT = V R / R = V IN / R fluye a través de la resistencia y respectivamente a través de la carga.
Si el voltaje de entrada varía, esta disposición actuará como un convertidor de voltaje a corriente (fuente de corriente controlada por voltaje, VCCS); se puede pensar como un convertidor de corriente a voltaje invertido (mediante retroalimentación negativa). La resistencia R determina la relación de transferencia ( transconductancia ).
Las fuentes de corriente implementadas como circuitos con retroalimentación negativa en serie tienen la desventaja de que la caída de voltaje a través de la resistencia de detección de corriente disminuye el voltaje máximo a través de la carga (el voltaje de cumplimiento ).
La fuente o sumidero de corriente constante más simple está formada por un componente: un JFET con su puerta unida a su fuente. Una vez que el voltaje de la fuente de drenaje alcanza un cierto valor mínimo, el JFET entra en saturación donde la corriente es aproximadamente constante. Esta configuración se conoce como diodo de corriente constante , ya que se comporta de manera muy similar a un diodo dual al de voltaje constante ( diodo Zener ) utilizado en fuentes de voltaje simples.
Debido a la gran variabilidad en la corriente de saturación de los JFET, es común incluir también una resistencia de fuente (que se muestra en la imagen adyacente) que permite ajustar la corriente a un valor deseado.
En esta implementación de transistor de unión bipolar (BJT) (Figura 4) de la idea general anterior, un estabilizador de voltaje Zener (R1 y DZ1) impulsa un seguidor de emisor (Q1) cargado por una resistencia de emisor constante (R2) que detecta la corriente de carga. La carga externa (flotante) de esta fuente de corriente está conectada al colector de modo que casi la misma corriente fluye a través de él y de la resistencia del emisor (se pueden considerar conectados en serie). El transistor, Q1, ajusta la corriente de salida (colector) para mantener la caída de voltaje a través de la resistencia del emisor constante, R2, casi igual a la caída de voltaje relativamente constante a través del diodo Zener, DZ1. Como resultado, la corriente de salida es casi constante incluso si la resistencia de carga y/o el voltaje varían. El funcionamiento del circuito se considera en detalle a continuación.
Un diodo Zener , cuando tiene polarización inversa (como se muestra en el circuito), tiene una caída de voltaje constante independientemente de la corriente que fluye a través de él. Por lo tanto, mientras la corriente Zener ( I Z ) esté por encima de cierto nivel (llamada corriente de mantenimiento), el voltaje a través del diodo Zener ( V Z ) será constante. La resistencia R1 suministra la corriente Zener y la corriente base ( I B ) del transistor NPN (Q1). El voltaje Zener constante se aplica a través de la base de Q1 y la resistencia del emisor, R2.
El voltaje a través de R 2 ( V R2 ) está dado por V Z − V BE , donde V BE es la caída base-emisor de Q1. La corriente del emisor de Q1, que también es la corriente a través de R2, viene dada por
Dado que V Z es constante y V BE también es (aproximadamente) constante para una temperatura dada, se deduce que V R2 es constante y, por tanto, I E también es constante. Debido a la acción del transistor , la corriente del emisor, I E , es casi igual a la corriente del colector, I C , del transistor (que a su vez, es la corriente a través de la carga). Por lo tanto, la corriente de carga es constante (despreciando la resistencia de salida del transistor debido al efecto Temprano ) y el circuito opera como una fuente de corriente constante. Mientras la temperatura permanezca constante (o no varíe mucho), la corriente de carga será independiente de la tensión de alimentación, R1 y la ganancia del transistor. R2 permite que la corriente de carga se establezca en cualquier valor deseable y se calcula mediante
donde V BE suele ser 0,65 V para un dispositivo de silicio. [5]
( I R2 también es la corriente del emisor y se supone que es la misma que la corriente del colector o de carga requerida, siempre que h FE sea suficientemente grande). La resistencia R 1 se calcula como
donde K = 1,2 a 2 (para que R R1 sea lo suficientemente bajo como para garantizar un I B adecuado ),
y h FE,min es la ganancia de corriente más baja aceptable para el tipo particular de transistor que se utiliza.
El diodo Zener puede ser sustituido por cualquier otro diodo; por ejemplo, un diodo emisor de luz LED1 como se muestra en la Figura 5. La caída de voltaje del LED ( V D ) ahora se usa para derivar el voltaje constante y también tiene la ventaja adicional de rastrear (compensar) los cambios de V BE debidos a la temperatura. R 2 se calcula como
y R 1 como
Los cambios de temperatura cambiarán la corriente de salida entregada por el circuito de la Figura 4 porque V BE es sensible a la temperatura. La dependencia de la temperatura se puede compensar utilizando el circuito de la Figura 6 que incluye un diodo estándar, D, (del mismo material semiconductor que el transistor) en serie con el diodo Zener como se muestra en la imagen de la izquierda. La caída del diodo ( V D ) sigue los cambios de V BE debidos a la temperatura y, por lo tanto, contrarresta significativamente la dependencia de la temperatura del CCS.
La resistencia R 2 ahora se calcula como
Dado que VD = VBE = 0,65 V , [ 6 ]
(En la práctica, V D nunca es exactamente igual a V BE y, por lo tanto, sólo suprime el cambio en V BE en lugar de anularlo).
R 1 se calcula como
(La caída de tensión directa del diodo de compensación, VD , aparece en la ecuación y suele ser de 0,65 V para dispositivos de silicio. [6] )
Tenga en cuenta que esto sólo funciona bien si DZ1 es un diodo de referencia u otra fuente de voltaje estable. Junto con los diodos Zener "normales", especialmente con voltajes Zener más bajos (<5 V), el diodo podría incluso empeorar la dependencia general de la temperatura.
La retroalimentación negativa en serie también se utiliza en el espejo de corriente de dos transistores con degeneración del emisor . La retroalimentación negativa es una característica básica en algunos espejos de corriente que utilizan múltiples transistores, como la fuente de corriente Widlar y la fuente de corriente Wilson .
Una limitación de los circuitos de las Figuras 5 y 6 es que la compensación térmica es imperfecta. En los transistores bipolares, a medida que aumenta la temperatura de la unión, la caída de V (caída de voltaje desde la base al emisor) disminuye. En los dos circuitos anteriores, una disminución en V be causará un aumento en el voltaje a través de la resistencia del emisor, lo que a su vez causará un aumento en la corriente del colector consumida a través de la carga. El resultado final es que la cantidad de corriente "constante" suministrada depende al menos en cierta medida de la temperatura. Este efecto se mitiga en gran medida, pero no completamente, por las correspondientes caídas de voltaje para el diodo, D1, en la Figura 6, y el LED, LED1, en la Figura 5. Si la disipación de potencia en el dispositivo activo del CCS no es Si se utiliza una degeneración del emisor pequeña y/o insuficiente, esto puede convertirse en un problema no trivial.
Imagine en la Figura 5, en el momento del encendido, que el LED tiene 1 V a través de él impulsando la base del transistor. A temperatura ambiente hay una caída de aproximadamente 0,6 V a través de la unión V be y, por lo tanto, 0,4 V a través de la resistencia del emisor, lo que da una corriente de colector (carga) aproximada de 0,4/R e amperios. Ahora imagine que la disipación de potencia en el transistor hace que se caliente. Esto hace que la caída de V (que era de 0,6 V a temperatura ambiente) baje a, digamos, 0,2 V. Ahora el voltaje a través de la resistencia del emisor es 0,8 V, el doble de lo que era antes del calentamiento. ¡Esto significa que la corriente del colector (carga) es ahora el doble del valor de diseño! Éste es, por supuesto, un ejemplo extremo, pero sirve para ilustrar la cuestión.
El circuito de la izquierda supera el problema térmico (ver también limitación de corriente ). Para ver cómo funciona el circuito, suponga que se acaba de aplicar el voltaje en V+. La corriente pasa a través de R1 hasta la base de Q1, encendiéndola y haciendo que la corriente comience a fluir a través de la carga hacia el colector de Q1. Esta misma corriente de carga luego fluye fuera del emisor de Q1 y, en consecuencia, a través del sentido R a tierra. Cuando esta corriente a través del sentido R a tierra es suficiente para provocar una caída de voltaje igual a la caída de V de Q2, Q2 comienza a activarse. A medida que Q2 se enciende, extrae más corriente a través de su resistencia del colector, R1, que desvía parte de la corriente inyectada en la base de Q1, lo que hace que Q1 conduzca menos corriente a través de la carga. Esto crea un bucle de retroalimentación negativa dentro del circuito, que mantiene el voltaje en el emisor de Q1 casi exactamente igual a la caída de V de Q2. Dado que Q2 disipa muy poca energía en comparación con Q1 (dado que toda la corriente de carga pasa por Q1, no por Q2), Q2 no calentará una cantidad significativa y el voltaje de referencia (configuración de corriente) en el sentido R permanecerá estable en ≈0,6 V. , o una caída de diodo sobre el suelo, independientemente de los cambios térmicos en la caída de V de Q1. El circuito sigue siendo sensible a los cambios en la temperatura ambiente en la que funciona el dispositivo, ya que la caída de tensión BE en Q2 varía ligeramente con la temperatura.
La fuente de corriente del transistor simple de la Figura 4 se puede mejorar insertando la unión base-emisor del transistor en el circuito de retroalimentación de un amplificador operacional (Figura 7). Ahora el amplificador operacional aumenta su voltaje de salida para compensar la caída de V BE . El circuito es en realidad un amplificador no inversor con buffer impulsado por un voltaje de entrada constante. Mantiene este voltaje constante a través de la resistencia de detección constante. Como resultado, la corriente que fluye a través de la carga también es constante; es exactamente el voltaje Zener dividido por la resistencia de detección. La carga se puede conectar ya sea en el emisor (Figura 7) o en el colector (Figura 4) pero en ambos casos es flotante como en todos los circuitos anteriores. El transistor no es necesario si la corriente requerida no excede la capacidad de suministro del amplificador operacional. El artículo sobre espejos de corriente analiza otro ejemplo de los llamados espejos de corriente con ganancia aumentada .
La disposición general de retroalimentación negativa se puede implementar mediante un regulador de voltaje IC ( regulador de voltaje LM317 en la Figura 8). Al igual que con el seguidor de emisor desnudo y el seguidor de amplificador operacional preciso anterior, mantiene una caída de voltaje constante (1,25 V) a través de una resistencia constante (1,25 Ω); entonces, una corriente constante (1 A) fluye a través de la resistencia y la carga. El LED se enciende cuando el voltaje en la carga excede los 1,8 V (el circuito indicador introduce algún error). La carga puesta a tierra es una ventaja importante de esta solución.
Los tubos de vidrio llenos de nitrógeno con dos electrodos y una cantidad calibrada de Becquerel (desintegraciones por segundo) de 226 Ra ofrecen un número constante de portadores de carga por segundo para la conducción, lo que determina la corriente máxima que el tubo puede pasar en un rango de voltaje de 25 a 500. V. [7]
La mayoría de las fuentes de energía eléctrica ( red eléctrica , batería , etc.) se modelan mejor como fuentes de voltaje . Estas fuentes proporcionan un voltaje constante, lo que significa que mientras la corriente extraída de la fuente esté dentro de sus capacidades, su voltaje de salida permanece constante. Una fuente de voltaje ideal no proporciona energía cuando está cargada por un circuito abierto (es decir, una impedancia infinita ), pero se acerca a una potencia y corriente infinitas cuando la resistencia de la carga se acerca a cero (un cortocircuito ). Un dispositivo teórico de este tipo tendría una impedancia de salida de cero ohmios en serie con la fuente. Una fuente de voltaje del mundo real tiene una impedancia de salida muy baja, pero distinta de cero : a menudo mucho menos de 1 ohmio.
Por el contrario, una fuente de corriente proporciona una corriente constante, siempre que la carga conectada a los terminales de la fuente tenga una impedancia suficientemente baja. Una fuente de corriente ideal no proporcionaría energía a un cortocircuito y se acercaría a energía y voltaje infinitos a medida que la resistencia de carga se acerca al infinito (un circuito abierto). Una fuente de corriente ideal tiene una impedancia de salida infinita en paralelo con la fuente. Una fuente de corriente del mundo real tiene una impedancia de salida muy alta, pero finita . En el caso de fuentes de corriente de transistores, son típicas impedancias de unos pocos megaohmios (a bajas frecuencias).
Una fuente de corriente ideal no se puede conectar a un circuito abierto ideal porque esto crearía la paradoja de hacer pasar una corriente constante distinta de cero (de la fuente de corriente) a través de un elemento con una corriente cero definida (el circuito abierto). Además, una fuente de corriente no debe conectarse a otra fuente de corriente si sus corrientes difieren pero esta disposición se usa con frecuencia (por ejemplo, en etapas de amplificación con carga dinámica, circuitos CMOS , etc.)
De manera similar, una fuente de voltaje ideal no se puede conectar a un cortocircuito ideal (R = 0), ya que esto resultaría en una paradoja similar de voltaje finito distinto de cero a través de un elemento con voltaje cero definido (el cortocircuito). Además, una fuente de voltaje no debe conectarse a otra fuente de voltaje si sus voltajes difieren, pero nuevamente esta disposición se usa con frecuencia (por ejemplo, en etapas de amplificación diferencial y de base común ).
Por el contrario, las fuentes de corriente y voltaje se pueden conectar entre sí sin ningún problema, y esta técnica se usa ampliamente en circuitos (por ejemplo, en circuitos en cascodo , etapas de amplificador diferencial con fuente de corriente de emisor común, etc.)
Debido a que no existen fuentes ideales de ninguna de las variedades (todos los ejemplos del mundo real tienen impedancia de fuente finita y distinta de cero), cualquier fuente de corriente puede considerarse como una fuente de voltaje con la misma impedancia de fuente y viceversa. Estos conceptos son tratados por los teoremas de Norton y Thévenin .
La carga del condensador mediante una fuente de corriente constante y mediante una fuente de voltaje es diferente. La linealidad se mantiene para la carga del capacitor con una fuente de corriente constante con el tiempo, mientras que la carga del capacitor con una fuente de voltaje es exponencial con el tiempo. Esta propiedad particular de la fuente de corriente constante ayuda a un acondicionamiento adecuado de la señal con una reflexión casi nula de la carga.
