Nagyon sok helyen találkozni feleslegesen precíziós áramgenerátorokkal. Legfőképpen olyan helyeken teljesen feleslegesek, ahol valójában minden kompromisszum nélkül megengedhető lenne akár 10-20% pontosságú áram is. Áramhurkok rövidzárvédelme, egyvezetékes buszrendszerek felhúzó ellenállásai, előfeszítők, LED / optó bemenetek áramgenerátorai. 

A felesleges IC és feszültség referencia használat miatt készült ez a rövidke cikk, mert ma ismét találkoztam egy ilyen felesleges pazarlással.

Általánosságban

Ahogy a neve mutatja, az áramgenerátorok olyan áramköri részegységek, melyek ideálisan folyamatosan biztosítják a hozzákapcsolt fogyasztón az átfolyó áramot, bemenő tápfeszültség értékétől teljesen függetlenül. Ez azt jelenti, hogy egy ideális áramgenerátor meghatározott árammennyiséget folyat át a rákapcsolt áramköri elemen, függetlenül annak ellenállásától/impedanciájától, és mivel ez egy ideális áramgenerátor a 0 Ohm-on és a ∞ Ohm-on is ugyan azt az áramot képes szolgáltatni.

Ahogy egy tápfeszültség forrás (feszültség generátor) lehet 3.3V, vagy 5V kimeneti feszültségű, úgy egy áramgenerátor is lehet 3.3A vagy 5A kimenetű. Példánkban az amperek tartományát messze elhagyjuk, mert pár milliamperes (mA) áramgenerátorokról lesz szó.

Jelölése, ideális áramgenerátor

Az áramgenerátorok egy kétpólusú áramköri elemként modellezhetőek, ennek megfelelően egyszerűsített rajzjelük is ehhez igazodik.

A rajzjelben található nyíl az áram irányával azonos irányba mutat, és egyben az áramgenerátor polaritását is jelöli, a nyíl irányában van a (+) pólus. Betűjele I_S (I = Az áram jelölése, mert franciául intensité de courant) és az alsóindexben "S" pedig jelen esetben forrás az "Source" jelölése.

Az ideális áramgenerátor végtelen kapocsfeszültséggel is rendelkezhet annak érdekében, hogy a számára meghatározott áramot fenntartsa.

Az ellenállás is áramgenerátor lenne?

A válasz egyértelmű NEM. Maximum áramforrásnak lehetne nevezni, de mivel a tápfeszültségtől függ a rajta áthaladó áram mértéke, így semmiképpen sem generátor. Maradjunk az áramkorlátozó ellenállás kifejezésnél.

Van persze némi hasonlóság az ellenállás és az áramgenerátor között, így leegyszerűsítve annyi kijelenthető a kezdő elektronikázó megnyugtatása érdekében, hogy az áramgenerátor egy olyan változó értékű ellenállás, mely mindig úgy változtatja az ellenállásértékét, hogy az például a fogyasztón 20mA áramot engedjen át.

Egy piros LED-es példát alapul véve látható, hogy:

Vf = 1.8V (Normál piros LED tipikus nyitófeszültsége)

I_LED = 20mA

esetén, ha 5V-ról akarjuk üzemeltetni, akkor:

R = U/I = (5V-1.8V)/0.02A = 160 Ohm előtét ellenállásra van szükség, 

míg, ha 12V-ról akarjuk üzemeltetni, akkor:

R = U/I = (12V-1.8V)/0.02A = 510 Ohm előtét ellenállásra van szükség.

Ha áramgenerátorral szeretnénk ezt elérni, akkor egy olyam áramköri blokk megépítésére lesz szükségünk, mely akár 5V, akár 12V tápfeszültséggel rendelkezik, mindig 20mA áramot enged át a LED-en (vagy húzza a buszvezetéket), így a fiktív áramgenerátor ellenállással való helyettesítéses példánál az áramgenerátor egyszer 160 Ohm-os ellenállásnak felel meg, egyszer pedig 510 Ohm-os ellenállással helyettesíthető. Idealizált példa lévén tehát, ha 1.8V a tápfeszültség, akkor 0 Ohm ellenállás értéket képvisel, ha meg 100V a tápfeszültség, akkor például ~5 KOhm. A kettő érték között pedig a feszültségnek megfelelően az Ohm törvényének megfelelően az ideális áramgenerátorunk teljesen lineáris.

Valóságos áramgenerátor

A valóságos áramgenerátor teljesen eltér az ideális áramgenerátortól. Nem tud 0 Ohm ellenállásértéket képviselni, nem tud végtelen kapocsfeszültséget sem előállítani (még szerencse...).

A valóságos áramgenerátor mindig rendelkezik egy párhuzamos belsőellenállással.

A valóságos áramgenerátor az általa szabályozott áram egy bizonyos részét "saját magán" folyatja át, ezáltal ugyan majdnem 0 Ohm tudna lenni (rövidzár), de ∞ Ohm-ot nem tud képviselni. Van természetesen soros ellenállása is, de mivel áramgenerátorról beszélünk, ha van - ha nincs, nem rövidzárlati állapotban nem vesszük észre, mert áramgenerátor jellegénél fogva a soros ellenállása kiesik a számolásból.

A valóságos áramgenerátor saját belső párhuzamos ellenállása miatt eltér az ideálistól, jelleggörbéje is ennek megfelelően módosul.

A kapocsfeszültség függvényében az áram egy része az áramgenerátoron belül "visszafordul", így egy adott meredekségnek (Slope) megfelelően, a kapocsfeszültség növekedésével fokozatosan térünk el az ideális áramgenerátortól.

Disszipáció

Már a legelső oldalon érdemes megjegyezni, az áramgenerátorok nagymértékű disszipációval rendelkezhetnek. Ahogy egy ellenállás is, ha nagymennyiségű áram folyik át rajta, úgy az áramgenerátor is, a felesleges energiát elfűti ha nem kapcsolóüzemű.

Áramgenerátor disszipációját rövidzárlati állapotban vizsgáljuk, azaz abban az esetben, amikor a valóságos áramgenerátor teljes tápfeszültségéig növeli a kapocsfeszültségét annak érdekében, hogy amennyire csak tudja, fenntartsa a megkövetelt árammennyiséget. Későbbi példákban jelölöm melyik alkatrész fog számottevő disszipációval rendelkezni.

Felhasználása

A bemutatásra kerülő apró kis áramkörök elsősorban kismértékű fogyasztók áramgenerátoros meghajtására valók. Például tápfeszültség független LED meghajtáshoz (pl. optocsatolókhoz), vagy 4-20mA-es ipari áramhurok vevő maximális rövidzárási (szenzorhiba, kábelhiba) áramkorlátozására, vagy egyvezetékes buszrendszerek nagyjából végpont szám független felhúzó ellenállásaként használhatók.