Strombeschaffung, Stromsenke

Kurzversion: Stromquellen verbinden Dinge mit Vcc, Stromsenken verbinden sie mit Masse.

längere Version: Das Folgende ist eine praktische Erklärung von Stromquellen/-senken, wie sie in Mikrocontrollern und TTL-Logik verwendet werden. Eine theoretischere Beschreibung finden Sie auf der Wikipedia-Seite zur aktuellen Quelle .

Einige Geräte sind sehr gut darin, eine Verbindung zur Erde herzustellen. (oder was auch immer die niedrigste Spannung im System ist, zB 0V) Andere Geräte sind sehr gut darin, eine Verbindung zu Vcc herzustellen. (oder was auch immer die höchste Spannung im System ist, zB +5V)

Diese Geräte, die eine gute Verbindung zur Erde haben, werden als Stromsenken bezeichnet. diejenigen, die sich gut mit Vcc verbinden können, werden als Stromquellen bezeichnet. Bis vor kurzem (im letzten Jahrzehnt oder so) war es für integrierte Schaltkreise ungewöhnlich, beides gut zu können. Die meisten waren gut darin, Stromsenken zu sein, aber schlecht darin, Stromquellen zu sein. Viele Schaltungen wurden so entworfen, dass der Chip nur mit Masse verbunden werden musste, damit die Schaltung ihre Aufgabe erfüllt. Viele Chips haben immer noch eine asymmetrische Stromtreiberfähigkeit und funktionieren beim Schalten auf Masse besser als beim Schalten auf Vcc.

Für mich ist ein gutes Beispiel für Stromquelle und Strom da die Standardkonfiguration "Schalter" eines PNP- und NPN-Transistors. Ein PNP ist eine gute Stromquelle: Sie verbinden seinen Emitter fast immer mit Vcc und schalten ihn ein / aus. Ein NPN ist eine gute Stromsenke: Sein Emitter ist fast immer mit Masse verbunden und schaltet die Masseverbindung ein/aus.

Warum Sie sich für eines entscheiden, hängt oft von den Fähigkeiten der Ihnen zur Verfügung stehenden Teile ab. Beispielsweise ist eine RGB-LED oft ein Typ mit "gemeinsamer Anode", bei dem die Anode (positive Leitung) mit allen drei LED-Elementen verbunden ist. Um ein Element einzuschalten, müssen Sie also seine Leitung mit Masse verbinden. Sie können dazu drei Pins auf einem Mikrocontroller (oder drei NPN-Transistoren) verwenden, die als Stromsenken fungieren würden.

Transistoren sind wie Wasserventile. Sie können entweder einen Wasserfluss blockieren oder einen Wasserfluss durch sie hindurch lassen.

Sowohl Stromquellen als auch Stromsenken haben diese Ventile am Ausgang, um entweder Strom zu blockieren oder Strom von externen Geräten zuzulassen. Der Unterschied ist einfach:

• Eine Stromsenke hat ein Ventil, das intern mit einem niedrigen Druck verbunden ist
• Eine Stromquelle hat ein Ventil, das intern mit einem hohen Druck verbunden ist

Wenn Sie eine Stromsenke an eine Komponente anschließen, die an einen Niederdruck angeschlossen ist, passiert nichts. Beide Seiten haben den gleichen Druck, es spielt also keine Rolle, ob das Ventil offen oder geschlossen ist, es fließt kein Strom.

Zunächst der schwebende Eingang . In TTL sind schwebende Eingänge gleich hoch und sie sind nicht schlecht, da sie in CMOS sind. Wenn Sie den Eingang schwebend lassen oder ihn hoch machen, erhält der zweite Transistor Strom durch den Basis-Kollektor-Übergang des Eingangstransistors, sodass der zweite Transistor leitet und einen Spannungsabfall über 1k erzeugt$\Omega$Widerstand, der wiederum dazu führt, dass der untere Ausgangstransistor den Ausgang auf Low zieht. Es funktioniert also tatsächlich als Wechselrichter.

Die Ausgangskonfiguration ist als Totempfahl bekannt . Es ist eine Art Gegentakt , aber mit einem Unterschied: Anstelle eines komplementären NPN-PNP-Paares verwendet es zwei NPN-Transistoren und die Diode eine 130$\Omega$Widerstand machen es noch asymmetrischer.
Infolgedessen kann ein TTL-Totempfahl viel mehr Strom aufnehmen als er liefern kann , typischerweise 16 mA gegenüber 0,4 mA. Wenn Sie also TTL zur Steuerung von LEDs verwenden möchten, müssen Sie die Anode der LED über einen Widerstand anschließen$V_{CC}$und den Strom versenken.

Hinzufügen zu Todbots Antwort. Der Grund, warum Sie beim Stromsenken besser denken, war nicht willkürlich, der Transistor ist mit älteren Prozessen physikalisch einen Schritt schneller zu machen. Ich glaube auch, dass die Mobilität der Elektronen höher ist, aber das ist wahrscheinlich ein bisschen zu viel Gerätephysik. -Max

Wenn Ihr Ausgang entweder Strom liefert oder senkt, bedeutet dies, dass das Gerät aktiv versucht, die Spannung an diesem Ausgang auf eine der Versorgungsschienen zu treiben; die positive Versorgung beim Sourcing, die Masse/Rückkehr beim Sinken. Das heißt, dass der Ausgang gegenüber einer der Versorgungsleitungen niederohmig ist.

Eine erdfreie Leitung hat eine hohe Impedanz zum Versorgungs-/Erdungssystem. Floating-Eingänge können sich ein bisschen wie kleine Antennen verhalten und zufälliges Rauschen von Ihrer Schaltung aufnehmen. Aus diesem Grund sollten unbenutzte Eingänge entweder auf +V oder Masse gezogen werden. Die meisten Eingänge sind sowieso hochohmig.

Wenn Sie Standard-CMOS-Ausgänge mit den Eingängen des nächsten Geräts verbinden, müssen Sie sich keine Sorgen machen, da die CMOS-Ausgangsstufe den Eingang des nächsten Geräts hart auf den einen oder anderen Logikpegel treiben wird. Die Ausgangsstufe hat zwei Transistoren, einen, der den Ausgang auf die +V-Schiene treiben kann, einen anderen, der ihn auf Masse ziehen kann.

Ein Problem, auf das Sie stoßen könnten, ist jedoch, wenn Sie eine Ausgangsstufe mit offenem Kollektor (OC) oder offenem Abfluss (OD) haben. Diese Geräte haben im Grunde nur die Fähigkeit, den Ausgang auf Masse zu ziehen. Wenn der Ausgang logisch niedrig ist, null Volt, wird der Eingang des nächsten Geräts auf Masse gehalten, während der Ausgang Strom senkt. Aber wenn der Ausgang eine logische „1“ sein muss, schaltet der Ausgangstransistor ab und hinterlässt einen schwebenden Eingang. Bei dieser Art von Verbindung sehen Sie also normalerweise einen Pull-up-Widerstand, um sicherzustellen, dass die Spannung am Eingang nicht als Reaktion auf vorhandene EMI herumschwankt. Der Widerstandswert liegt normalerweise am kleineren Ende dessen, womit Sie davonkommen können, um die Stromsenkenfähigkeit des OC/OD-Ausgangs nicht zu überwältigen.

Die andere übliche Situation sind „Tri-State“-Ausgänge. Dies sind Geräte mit zwei Transistor-Ausgangsstufen, sodass sie ohne Hilfe eines Pull-up-Widerstands Logikpegel „0“ oder „1“ treiben können, aber intern im Gerät gibt es Steuerungen, die BEIDE Ausgangstransistoren ausschalten können, was dazu führt die 'Hi-Z' Ausgangsbedingung. Wenn Sie einen einzelnen Tri-State-Ausgang mit einem einzelnen Eingang verbinden und die Bedingungen es dem Ausgang ermöglichen, in den Tri-State-Modus zu wechseln, erhalten Sie einen weiteren Fall von schwebendem Eingang. Unter diesen Umständen würden Sie wahrscheinlich auch einen Pull-up-Widerstand sehen, aus den gleichen Gründen wie beim OC-Gerät. Ausgänge mit drei Zuständen werden jedoch am häufigsten in „Bus“-Situationen gesehen, in denen eines von mehreren Geräten den Logikpegel bestätigt und alle anderen in ihrem Hi-Z-Zustand sitzen. Untersuchen Sie den Schaltplan und dort'

Hier sind zwei Bilder von Stromsenke und Stromquelle (z. B. in einem SPS-Gerät):

Beachten Sie, dass Stromsenken häufig mit Mikrocontrollern verwendet werden, die möglicherweise Probleme mit der Strombeschaffung haben.

Abbildung 1 zeigt einen stromziehenden Digitalausgang, der mit einem stromliefernden Digitaleingang verbunden ist.

In dieser Schaltung wird die Last aufgrund des bereitgestellten sinkenden Digitaleingangs auf Masse gezogen.

_{Bildquelle: Prozessdaten - Stromquelle und Stromsenke}

Abbildung 2 zeigt einen stromliefernden Digitalausgang, der mit einem stromziehenden Digitaleingang verbunden ist.

In dieser Schaltung wird die Last hochgezogen, um Spannung zu empfangen, da der quellende digitale Eingang bereitgestellt wurde.

_{Bildquelle: Prozessdaten - Stromquelle und Stromsenke}