Источники тока на полевых и биполярных транзисторах
Схемы генераторов тока, разновидности токовых зеркал. Онлайн калькулятор расчёта элементов источников тока
На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию "Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования",
поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока.
– Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! - начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию
Семён Самсонович Елдыкин.
– Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных
электрически заряженных частиц – как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков.
"Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как
не вступить с электричеством в интимные отношения?" - станет темой нашего научного коллоквиума.
Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме.
Напустим энциклопедического глубокомыслия:
«Источник тока – элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах).
Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока...» – учит нас Википедия.
Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении
сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась.
Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник
между инвертирующим входом и выходом.
Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока:
Первой и основной из них является величина выходного тока.
Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления
нагрузки.
Третья спецификация – это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом,
т.е. выходной транзистор находится в активном режиме.
В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.
Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.
Рис.1 Схемы простейших источников тока на транзисторах и ОУ
Схема источника тока на биполярном транзисторе – самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков: и температурная
нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения
между коллектором и базой на ток коллектора).
Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным
Iн =
Iк≈β×Iб.
Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток –
практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов
полупроводников.
Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен
падением напряжения на токозадающем резисторе R1.
Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) – вполне себе работоспособные устройства,
которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Единственное, но существенное в отдельных случаях "но" состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой
никаким боком к земле.
Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой
Iн= Uвх/R1.
Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, описанных выше.
Рис.2 Схемы стабилизаторов (источников) тока на полевых и биполярных транзисторах
Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые
чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока.
За примерами далеко ходить не надо – источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д.
Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока.
Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на
токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая
величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего
через нагрузку.
Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений
Rб<(Еп-0,7)×β/Iн.
Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом).
Единственное, за чем надо зорко послеживать - максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора.
Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение
на затворе в допустимые пределы.
Выходной ток рассчитывается по простой формуле
Iн≈0,6/R1.
В приведённых выше схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.
Рис.3
|
Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока.
Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную ОС по току, что с одной стороны, приводит к улучшению
термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2.
Здесь ток
Ik1, задаваемый резистором R1:
Iк1≈(Eп-0,7)/(R1+
Rэ1),
а ток, протекающий в нагрузке:
Iн≈
Rэ1×(Eп-0,7)/(R1×
Rэ2+
Rэ1×
Rэ2).
|
Рис.4
|
Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые
двойным зеркалом тока.
Механизм работает следующим образом:
Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1.
Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится
ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние.
Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+
Rэ1),
Iн≈
Rэ1×(Eп-0,7)/(R1×
Rэ2+
Rэ1×
Rэ2).
|
Рис.5
|
Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства
выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3, потенциал коллектора
токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток.
Все формулы аналогичны предыдущему описанию:
Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+
Rэ1),
Iн≈
Rэ1×(Eп-0,7)/(R1×
Rэ2+
Rэ1×
Rэ2).
|
Рис.6
|
Каскодный генератор тока, изображённый на Рис.6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и
значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в
несколько МОм.
И опять – всё то же самое:
Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+
Rэ1),
Iн≈
Rэ1×(Eп-0,7)/(R1×
Rэ2+
Rэ1×
Rэ2).
Легко заметить, что для всех типов приведённых токовых зеркал формула для расчёта выходного тока – одна и та же.
|
Формула приблизительная, не учитывающая влияние на расчётные показатели незначительных величин базовых токов транзисторов, однако
дающая возможность с погрешностью, не превышающей 5-7%, рассчитать величины токозадающих элементов.
При необходимости сгенерить ток обратного направления, следует перевернуть схему вверх ногами и заменить n-p-n транзисторы на
полупроводники обратной проводимости.
И по традиции приведём онлайн калькулятор, позволяющий не сильно утруждаться при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.
Расчёт элементов источников тока на биполярных транзисторах
Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников,
практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем.
При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается
от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.
Рис.7 Источники тока на полевых транзисторах
Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах – это занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное.
Другое дело – специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе
которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа.
Рис.8 Источник тока на полевом токостабилизирующем CRD диоде
Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик.
При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором,
имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент.
Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются
буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.
А на следующей странице продолжим тему и посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям
напряжение-ток на ОУ и транзисторах.
|