Источник тока на биполярном транзисторе. Транзисторные источники тока: принцип работы, схемы, характеристики

Как работают транзисторные источники тока. Какие существуют схемы источников тока на биполярных транзисторах. Каковы преимущества и недостатки разных схем источников тока. Как улучшить характеристики транзисторных источников тока.

Принцип работы транзисторного источника тока

Транзисторный источник тока — это схема на основе биполярного транзистора, обеспечивающая постоянный ток в нагрузке независимо от напряжения на ней. Основная идея работы такого источника заключается в следующем:

1. На базу транзистора подается постоянное опорное напряжение Uоп > 0.6 В.
2. Это поддерживает эмиттерный переход транзистора открытым: Uэ = Uоп — 0.6 В.
3. Ток эмиттера определяется как: Iэ = Uэ / Rэ = (Uоп — 0.6 В) / Rэ.
4. При большом коэффициенте усиления h21э ток коллектора Iк ≈ Iэ.
5. Таким образом, Iк ≈ (Uоп — 0.6 В) / Rэ независимо от напряжения на коллекторе.

Это обеспечивает постоянство тока в нагрузке, подключенной к коллектору транзистора.

Основные схемы транзисторных источников тока

Существует несколько базовых схем источников тока на биполярных транзисторах:

1. Схема с делителем напряжения

В этой схеме опорное напряжение на базу транзистора подается с делителя напряжения:

• Простая схема
• Недостаточно стабильна при изменении напряжения питания
• Требует подбора резисторов делителя

2. Схема со стабилитроном

Здесь в качестве источника опорного напряжения используется стабилитрон:

• Более стабильна, чем схема с делителем
• Требует напряжения питания выше напряжения стабилизации
• Повышенное энергопотребление

3. Схема с диодами

Опорное напряжение формируется падением на последовательно включенных диодах:

• Простая схема
• Хорошая температурная стабильность
• Фиксированное опорное напряжение

Недостатки простых схем источников тока

Простые схемы транзисторных источников тока имеют ряд недостатков:

1. Зависимость тока от напряжения коллектор-эмиттер (эффект Эрли).
2. Температурная зависимость напряжения база-эмиттер.
3. Изменение коэффициента усиления транзистора при изменении тока.
4. Ограниченный рабочий диапазон по напряжению на нагрузке.

Эти факторы приводят к отклонению реальных характеристик от идеального источника тока.

Методы улучшения характеристик источников тока

Для улучшения характеристик транзисторных источников тока применяются следующие методы:

1. Каскодная схема

Каскодная схема существенно улучшает характеристики источника тока:

• Уменьшает влияние эффекта Эрли
• Повышает выходное сопротивление
• Расширяет рабочий диапазон напряжений

2. Температурная компенсация

Для уменьшения температурной зависимости применяют:

• Схемы с компенсирующим транзистором
• Диоды для температурной компенсации
• Термисторы в цепи базы

3. Увеличение напряжения на эмиттере

Повышение напряжения на эмиттерном резисторе позволяет:

• Уменьшить влияние изменений напряжения база-эмиттер
• Снизить температурную зависимость

Программируемые источники тока

Для создания программируемых источников тока применяются следующие методы:

• Использование операционных усилителей для формирования опорного напряжения
• Применение цифро-аналоговых преобразователей
• Схемы с управляемым делителем напряжения

Это позволяет управлять током с помощью внешнего сигнала или микроконтроллера.

Области применения транзисторных источников тока

Транзисторные источники тока находят широкое применение в различных областях электроники:

• Схемы смещения транзисторов в усилителях
• Активные нагрузки в усилительных каскадах
• Источники питания для дифференциальных усилителей
• Интеграторы и генераторы пилообразного напряжения
• Стабилизаторы тока для светодиодов
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Электрохимические и электрофоретические установки

Сравнение транзисторных и интегральных источников тока

По сравнению с интегральными источниками тока, транзисторные схемы имеют следующие особенности:

Параметр	Транзисторные	Интегральные
Точность	Ниже	Выше
Температурная стабильность	Хуже	Лучше
Гибкость схемы	Выше	Ниже
Стоимость	Ниже	Выше

Выбор между ними зависит от конкретных требований к схеме.

Заключение

Транзисторные источники тока являются важным элементом многих электронных устройств. Несмотря на кажущуюся простоту, они имеют ряд особенностей и недостатков, которые необходимо учитывать при разработке. Применение современных методов позволяет значительно улучшить их характеристики и расширить области применения.

2.06. Транзисторный источник тока

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

Подразделы: 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Рис. 2.20.

Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20. При условии что R_н » R (иными словами, U_н » U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U/R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что U_конд » U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RC-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока который бы обеспечивал точность 1% в диапазоне изменения напряжения на нагрузке от 0 до +10 В. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?

Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?

Рис. 2.21. Транзисторный источник тока: основная идея.

Какая мощность передается нагрузке? Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21). Работает он следующим образом: напряжение на базе U_б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U_э = U_б — 0,6 В. В связи с этим I_э = U_э/R_э = (U_э — 0,6/R_э. Так как для больших значений коэффициента h_21эI_э ≈ I_к, то I_к ≅ (U_б — 0,6 В)/R_э независимо от напряжения U_к до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (U_к > U_э + 0.2 В).

Смешение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h_21эR_э. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания U_кк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22,6) транзистор p-n-p — типа питает током заземленную нагрузку (он — источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n-р-n — типа.) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую-либо точку схемы, то это источник, и наоборот]. В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ≅100кОм (для h_21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, — этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно + 5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем. чтобы не возник пробой транзистора (напряжение U_кэ не должно превышать значение U_кэпроб — напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения I_кU_кэ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n-р-n — типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения U_б, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала u_вх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения, т.е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (R_экв

1. При заданном токе коллектора и напряжение U_бэ, и коэффициент h_21э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмиттер. Изменение напряжения U_бэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента h_21э приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как I_к = I_э — I_б; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смешения, обусловленного изменениями коэффициента h_21э (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.22, a, составляет приблизительно 0,5% для транзистора типа 2N3565. В частности, при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В эффект Эрли обусловливает изменение тока на 0,5%, а нагрев транзистора — на 0,2%. Изменение коэффициента вносит дополнительный вклад в изменение выходного тока — 0,05% (для жесткого делителя напряжения). Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.

2. Напряжение U_бэ и коэффициент h_21э зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения и U_бэ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.23. В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т₂ компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т₁ который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R₃ играет роль нагрузки для Т₁, необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т₂.

Рис. 2.23. Один из методов температурной компенсации источника тока.

Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения U_бэ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения U_бэ (эффект Эрли оценивается величиной ΔU_бэ ≈ -0,001 ΔU_кэ), можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения U_бэ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если U_э = 0,1В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения U_бэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же U_э = 1,0 В, то такое же изменение U_бэ вызывает изменение тока на 1%. Однако, не стоит заходить слишком далеко. Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от U_э + 0,2 В до U_кк, т. е. от 5,2 до 10 В).

Рис. 2.24. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

На рис. 2.24 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока. Источник тока Т₁ работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т₂. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т₂) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения h_21э). В этой схеме напряжение U_кэ (дая Т₁) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения U_бэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. (Кстати, эту схему используют в высокочастотных усилителях, где она известна под названием «каскод»). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь, и в которых также решена задача устранения влияния изменений U_бэ на выходной ток.

Влияние коэффициента h_21э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h_21э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

Рис. 2.25. Транзисторный источник тока с использованием напряжения U_бэ в качестве опорного.

На рис 2.25 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение U_бэ транзистора Т₁, падая на резисторе R₁, определяет выходной ток независимо от напряжения U_кк

U_вых = U_бэ/R2U₂.

С помощью резистора R₁ устанавливается смещение транзистора Т₂ и потенциал коллектора Т₁, причем этот потенциал меньше, чем напряжение U_кк, на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на R₂ уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока 0,3%/°С).

Подразделы: 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09

Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем

Транзисторный источник тока. Недостатки. Улучшения.- Elektrolife

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источник тока представляет собой прекрасное средство для обеспечения смещения

транзистора, и кроме того, незаменим в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей.

 Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Схема

простейшего источника тока показана на рисунке ниже

При условии, что

R _н >> R  (иными словами, U _н >> U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U /R . Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что U_конд >> U , он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RС‑цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки.

Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где‑либо в другом узле схемы.

Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора

Транзисторный источник тока: основная идея.

Работает он следующим образом: напряжение на базе

U_Б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U _Э  = U _Б  – 0,6 В. В связи с этим I_Э  = U_Э /R_Э  = (U_Б  – 0,6 В)/R_Э . Так как для больших значений коэффициента h_21эI_Э  ~= I_К , то I_К  ~= (U_Б  – 0,6 B)/R_Э  независимо от напряжения U_K  до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (U_K  > U_Э  + 0,2 В).

Смещение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h_21эR_э.

 Можно воспользоваться также

стабилитроном и использовать для смещения источник питания U_кк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рисунке показаны примеры схем смещения. В последнем примере транзистор р‑n‑р ‑типа питает током заземленную нагрузку (он – источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n‑р‑n ‑типа) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую‑либо точку схемы, то это источник, и наоборот].

Схемы транзисторных источников тока с тремя способами подачи смещения на базу; в транзисторы n p n типа ток втекает, а из транзисторов р n р типа вытекает. На схеме (в ) показан источник с заземленной нагрузкой.

В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ~= 100 кОм (для

h_21э  = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, – этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон.  Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В.

Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно +5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В.

Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания.

При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем, чтобы не возник пробой транзистора (напряжение U_КЭ не должно превышать значение U_КЭпроб‑ напряжение пробоя перехода коллектор‑эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения I_KU_КЭ).

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения

U_Б, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала  должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. 

Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения?

Наблюдаются эффекты двух видов:

1. При заданном токе коллектора напряжение U_БЭ и коэффициент h_21Э несколько изменяются при изменении напряжения коллектор‑эмиттер. Изменение напряжения U_БЭ , связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента h_21э  приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как I_к  = I_Э  – I_Б ; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смещения, обусловленного изменениями коэффициента h_21Э  (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны, но источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно.

2. Напряжение U_БЭ и коэффициент h_21Э  зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения U_БЭ  в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рисунке

Один из методов температурной компенсации источника тока.

В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора

Т₂ компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т₁, который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R₃ играет роль нагрузки для Т₁, необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т₂.

Улучшение характеристик источника тока.  Вообще говоря, изменение напряжения U_БЭ, вызванное как влиянием температуры, так и зависимостью от напряжения U_БЭ, можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере, 1 В), тогда изменение напряжения U_БЭ  на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе.

Например, если 

U_Э = 0,1 В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения U_бэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10 %, если же U_э = 1,0 В, то такое же изменение U_бэ вызывает изменение тока на 1 %. Однако, не стоит заходить слишком далеко.

Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от 

U_э  + 0,2 В до U_KK , т. е. от 5,2 до 10 В).

Ниже показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока.

Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

Источник тока 

Т₁  работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т₂ . Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т₂) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из‑за большого значения h_21Э). В этой схеме напряжение U_КЭ (для Т₁) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения U_БЭ.

 Для транзисторов типа 2Ν3565 эта схема дает изменение тока на 0,1 % при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1 %. Влияние коэффициента

h_21Э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h_21Э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

На рисунке ниже показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение 

U_БЭ транзистора Т₁, падая на резисторе R₂, определяет выходной ток независимо от напряжения U_KK

U_вых = U_БЭ /R₂.

С помощью резистора

R₁ устанавливается смещение транзистора Т₂ и потенциал коллектора Т₁, причем этот потенциал меньше, чем напряжение U_KK, на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние изменения напряжения питания. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на R₂  уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока (0,3 %/°С).

Транзисторный источник тока с использованием напряжения Uбэ в качестве опорного.

Источники постоянного тока с BJT

Далее я рассмотрю преимущества и недостатки нескольких типов источников постоянного тока, все они построены на биполярных транзисторах.

Почему, спросите вы, уже существует множество книг и веб-сайтов, посвященных этой теме. Что ж, мне понадобился один для специального проекта, и я сделал несколько симуляций, уделяя особое внимание зависимости от температуры, моменту, который большинство сайтов, которые я нашел, молчаливо избегают или освещают лишь поверхностно.

В следующих схемах Q1 всегда является регулирующим транзистором, а V _S

является напряжением питания, которое во многих случаях будет регулируемым источником постоянного тока, но также может быть нестабилизированным напряжением непосредственно от конденсатора большой емкости.

Я не отличаю стоки тока от источников тока. Считайте раковину просто источником отрицательного тока, и вы знаете почему. Они являются взаимодополняющими частями. Вы будете использовать транзистор NPN для приемника с нагрузкой на положительную шину и PNP для источника с нагрузкой на более отрицательную (обычно GND).

Некоторые ребята (телекоммуникации) заземляют плюсовую шину и, таким образом, имеют минусовую подачу. Термины приемник и источник нужно было просто поменять местами тогда…

Вы можете найти мои симуляции на странице загрузок.

Общая схема

Большинство источников постоянного тока следуют очень простому принципу: поддерживайте постоянное напряжение (V _ref ) на базе биполярного транзистора, и вы получите постоянное напряжение на эмиттере.

Подключить постоянный резистор (R _{шунтируйте} ) от эмиттера к GND (или к V _S для PNP), и вы получите постоянный ток эмиттера. Это также почти ток коллектора, поэтому независимо от того, что вы подключаете к коллектору, он будет нести один и тот же ток.

Опорное напряжение, очевидно, должно быть больше, чем напряжение база-эмиттер транзистора плюс некоторое падение на шунтирующем резисторе.

Теоретически это работает, но на практике эта схема, хотя и использует идеальное опорное напряжение, имеет относительно большой температурный коэффициент из-за TC напряжения база-эмиттер около -2 мВ/°C. Чем выше V _ref , тем меньше его влияние, но тем больше падение напряжения в цепи.

Даже при идеально стабильном опорном напряжении ток через R _{Нагрузка} не был бы постоянным если температура Q1 меняется!

Поскольку напряжение между базой и эмиттером снижается с повышением температуры транзистора Q1, соответственно возрастает напряжение на резисторе R _{, шунтирующем} , что увеличивает протекающий ток.

A Примечание о температурной компенсации

Я нашел в Интернете несколько схем, которые указывают на какую-то часть и говорят, что это компенсация температуры. Будьте осторожны, следуя таким обещаниям. Температурная компенсация всегда требует жесткой тепловой связи между компенсируемой и компенсирующей частями. Без этого схема компенсирует только изменения температуры окружающей среды. Самонагрев транзистора должен как можно быстрее и полнее передаваться на компенсирующее устройство. Как мы увидим, это не всегда простая задача.

1) Простой подход

Самым простым (и самым дешевым) способом изготовления V _ref является делитель напряжения. Очевидно, это работает, только если V _S является постоянным. Кроме того, ток через делитель напряжения должен быть намного выше, чем базовый ток, чтобы уменьшить влияние температуры на коэффициент усиления по току и из-за разброса производства.

Этот контур вообще не имеет температурной компенсации. Вы получите -2 мВ/°C от V _BE , что приведет к положительной TC тока, в зависимости от напряжения на R2.

2) Два транзистора

В следующей схеме транзистор Q2 ограничивает ток базы Q1, как только напряжение шунта достигает своего порога. Это приводит к очень высокому значению TC, -2 мВ/°C добавляется непосредственно к напряжению шунта, которое здесь составляет всего ~600 мВ, что составляет около 0,3%/°C. Преимущество заключается в низком падении напряжения во всей цепи, которое лишь немного компенсируется следующей цепью.

В отличие от других схем, Q2 здесь должен быть установлен термически изолированным от Q1, насколько это возможно, поскольку ток в основном определяется Q2. Тогда играет роль практически только температура окружающей среды, отклонение которой обычно намного меньше, чем самонагрев Q1. Тем не менее, Q2, конечно, должен находиться рядом с Q1 по схемотехническим причинам и, таким образом, всегда будет подвергаться генерируемому Q1 теплу до определенной степени.

Примечание: речь идет не о температурной компенсации, а о минимизации влияния самонагрева! Изменения температуры окружающей среды по-прежнему действуют в полной мере.

3) Эталон диода

Поскольку прямое напряжение обычного диода довольно постоянно, вы также можете использовать его в качестве эталона. Как мы видели, ссылка должна быть больше, чем V _BE , поэтому нам нужны две из них. Преимуществом этой схемы является низкое падение напряжения, поскольку напряжение на шунте составляет всего ~600 мВ. (D1 примерно компенсирует TC Q1, но TC D2 оказывает полное влияние). За это приходится расплачиваться высоким коэффициентом теплопередачи, составляющим около 0,3%/°C, и худшим регулированием линии в этом сравнении.

Таким образом, наилучшая температурная компенсация может быть достигнута, если D1 термически соединен с Q1, а D2 поддерживается при температуре окружающей среды, как можно более близкой, которая обычно изменяется незначительно. Мое моделирование не отражает этого, поскольку степень связи или изоляции в значительной степени зависит от вашей компоновки и возможного корпуса. Это должно быть проверено для любого частного случая.

4) Светодиод № по каталогу

Это первая схема, заявленная как термокомпенсированная. Идея состоит в том, что прямое напряжение красного светодиода составляет около 1,8 В и, следовательно, может использоваться в качестве единственного опорного элемента. Кроме того, TC светодиода компенсирует TC транзистора, вуаля: идеальная схема! Но будьте осторожны: температура светодиода должна быть такой же, как у транзистора, чтобы это работало! Хорошая тепловая связь между светодиодом и транзистором непроста, особенно для деталей THT.

Если у вас есть только малый ток, когда можно пренебречь самонагревом транзистора, эта схема может работать достаточно хорошо.

Ну не сторонник я таких фокусов. Прямое напряжение не является гарантированным параметром светодиода. Он может варьироваться от детали к детали, для разных производителей или при изменении химического состава (например, с GaAsP на InGaAlP). Даже если вы получите низкую ТС, абсолютная точность может быть плохой. Если ваша схема находится в долгосрочной перспективе, ваш светодиод когда-нибудь устареет, и у вас могут возникнуть проблемы…

5) Стабилитрон № по каталогу

Следующим часто встречающимся подходом является использование стабилитрона. Здесь у вас есть два температурных коэффициента, транзистор и диод. Из-за особенностей стабилитрона его ТС зависит от напряжения Зенера. Ниже определенного напряжения преобладает эффект стабилитрона с его отрицательной TC, в то время как при более высоких напряжениях в основном влияет лавинный эффект с положительной TC. Для диодов <5В ТС отрицательный, для диодов >5В положительный. При напряжении около 5 В он близок к 0. Играя с напряжением Зенера, вы можете получить довольно низкую TC для всей схемы.

Поскольку TC V _BE является отрицательным и составляет около -2 мВ/°C, TC стабилитрона также должен быть отрицательным, чтобы поддерживать падение напряжения на Rshunt как можно более постоянным. Следовательно, напряжение Зенера должно быть несколько меньше 5 В. Стабилитрон на 4,7 В оказался почти идеальным при моделировании.

Недостатком этой схемы является значительно более высокое падение напряжения, почти 4 В.

6) Два транзистора + ссылка

Эта схема мне больше всего нравится, и я решил построить ее в реальном мире, чтобы посмотреть, как она работает. Q2 компенсирует TC Q1, а TLV431 дает точное опорное напряжение 1,24 В, которое в основном также является падением напряжения на шунте. Качество температурной компенсации зависит от тока смещения и должно быть проверено в реальной схеме, если вы хотите свести его к минимуму. В некоторых схемах, которые я нашел в Интернете, Q2 представляет собой простой диод, но ничто не может отразить характеристики диода BE лучше, чем другой транзистор того же типа. Особенно, если вы используете SMD, вы можете получить два транзистора в одном корпусе. Дальнейшее улучшение теплового сцепления невозможно.

Эта схема немного дороже предыдущих (в основном стоимость TLV431, 29 центов у моего местного дилера, около 10 центов в объемах производства), но я был ошеломлен ТС схемы. От комнатной температуры до -50°C (распыление охлаждающей жидкости) он оставался значительно ниже 1%, то есть намного ниже 200 частей на миллион/°C!

Если вам нужно более одного, вы можете разделить стоимость одного TLV431, подключенного ко всем Q2, возможно, с небольшим развязывающим конденсатором. Но дайте каждому Q2

x собственный резистор смещения, иначе производительность может упасть в унитаз. Прочтите спецификацию TLV относительно стабильности при емкостной нагрузке.

На фото видно, что я собрал его из компонентов THT. Только TLV431 представляет собой SMD-компонент, монтируемый на стороне пайки, поскольку он недоступен в виде компонента со сквозным отверстием.

Он также построен на транзисторах PNP, так как мне нужна была заземленная нагрузка. Я установил два транзистора лицом к лицу, чтобы получить лучшую тепловую связь. Вы также можете нанести термопасту между ними и связать их пружиной.
Это может значительно сократить время отклика в зависимости от быстро меняющихся нагрузок.

Сторона проводки. Быстро и грязно, что я могу сказать… TLV431 — это маленькая черная точка сверху, справа от центра.

Поскольку у меня нет климатической камеры, я не могу предложить вам графики зависимости тока от температуры, но здесь вы видите зависимость тока от напряжения питания, возрастающую от 0 В до 32 В. Ток остается в пределах ±10% примерно от 5 В до 32 В. V. Ток измеряется по падению напряжения на нагрузочном резисторе 100 Ом.

Здесь диапазон 0..6 В. Резкий изгиб на линии курсора — это место, где TLV431 входит в режим регулирования. Это около 2,9V, что близко к результатам моделирования. Обратите внимание, что это не падение напряжения, поскольку у нас уже есть падение на 1 В на нагрузке.

Итак, линейное регулирование этой цепи относительно плохое. Это можно улучшить, заменив резистор смещения другим источником постоянного тока. Если у вас есть резерв в несколько вольт, вы можете использовать светодиод или стабилитрон, которые имеют более низкие значения TC. Поскольку ему нужно будет подавать всего несколько сотен мкА, самонагревом можно пренебречь.

7) Транзистор + ссылка

Используя шунтирующий регулятор, вы также можете построить источник постоянного тока только с одним транзистором, как показано на схеме. Вы можете рассматривать это как модификацию схемы № 2 с использованием (почти) идеального транзистора Q2, хотя и с V _BE 1,24 В. TLV крадет базовый ток Q1, как только достигается его пороговое напряжение. . Это очень точно и практически не зависит от температуры. Таким образом, эта схема имеет самую высокую точность и самую низкую TC. Падение напряжения также находится в этой области, так как ниже регулирование TLV не будет работать, поэтому эта схема находится только в среднем диапазоне в отношении падения напряжения. Самым большим недостатком этой схемы является то, что ее можно использовать только вместе с NPN-транзистором, и поэтому она не подходит для нагрузок с заземлением. Кроме того, TLV431, в отличие от схемы 6, не может быть частью более чем одного источника тока.

8) Другие ссылки

Во многих схемах у вас будут другие легкодоступные ссылки, о которых вы могли и не подумать, как в следующем примере:

Представьте, что у вас есть какой-то микроконтроллер с питанием 3,3 В. Все это получает питание от трансформатор, который дает нам нерегулируемое напряжение около 12В после мостового выпрямителя. Вы хотите управлять несколькими светодиодами с помощью вывода ввода-вывода. Посмотрите на схему справа: это приемник постоянного тока!

Обычно в базовом резисторе нет необходимости (кроме V _CC может присутствовать без V _S или коллектор может быть «открыт»). По крайней мере, его можно оставить относительно небольшим, чтобы ограничить ток максимальным током порта или базы, около 220 Ом в нашем случае. Это также минимизирует время переключения.

Здесь контроллер устанавливает опорное напряжение (его V _CC ), а ток будет примерно (3,3–0,6 В)/130 Ом. Просто и часто полезно. Недостатком является его высокое падение напряжения (V _CC минус около 100 мВ), но это чертовски дешево и чертовски просто!

9) Транзистор PNP+Referenz (!Обновление!)

Только недавно я случайно узнал о схеме LM4041, которая является эквивалентом PNP TLV431. Здесь опорное напряжение измеряется не относительно GND, а относительно V _S .

Это позволяет использовать очень точные источники тока для нагрузок по отношению к GND и делает мой любимый (#6) в некоторой степени устаревшим.

Тем не менее, он по-прежнему дает преимущества, если ваша схема очень чувствительна к стоимости (LM4041 намного дороже) или вы можете разделить TLV на несколько источников тока, что также невозможно в этой схеме.

Это всегда зависит от конкретного случая.

Эта схема пока не участвует в симуляции, но я предполагаю, что в реальности она вполне может конкурировать.

Значения основаны на моих симуляциях. Если у вас есть существенно отличающиеся требования, вы должны сделать свои собственные симуляции и прототипы, чтобы проверить результаты. Используйте его на свой страх и риск.

¹ В зависимости от значений детали делителя напряжения.
² id=»fn2″> Использование регулируемого источника питания для смещения.
³ id=»fn3″> Изменение V _S с 8 до 32 В, 3,3 В остается постоянным.
⁴ id=»fn4″> Цена (в евро) за одну штуку THT у моего местного дилера.

Заключение

Даже простых схем, подобных этим, несут в себе большой потенциал оптимизации. В зависимости от ваших требований вы можете получить низкое регулирование линии, низкий температурный коэффициент или низкую цену, к сожалению, не все в то же время. Падение напряжения может быть причиной для исключения идеальных цепей.

Иногда один или два мА не имеют значения, иногда V _S постоянна с точностью до нескольких процентов, но иногда вам может понадобиться немного более точная….

Однако всегда помните, что все компоненты должны иметь одинаковую температуру, даже если Q1 нагревается из-за рассеиваемой мощности!

Герметичная тепловая муфта во многих случаях является сложной задачей. Особенно в сочетании с быстро меняющейся нагрузкой это может привести к недопустимым помехам.

Важно использовать в симуляции именно те компоненты, которые вы хотите использовать в реальной жизни! Недостаточно взять стандартную модель стабилитрона. Особенно в экспериментах со схемой 5 я увидел, что BZX6V2 от Rohm дает худшую TC, чем 1N750 (4,7 В), но гораздо лучшую стабилизацию линии.

Следует также отметить, что все эти источники тока фактически регулируют ток через R _Шунт ! Это выше на базовый ток Q1, чем ток через R _Load , которым мы собственно и хотим управлять. Это может стать актуальным для более высоких токов и мощных транзисторов с относительно небольшим коэффициентом усиления по току. Вы можете рассмотреть конфигурацию Дарлингтона как Q1 для этого случая, хотя и увеличивает падение напряжения.

Здесь я исследовал относительно широкий диапазон питающих напряжений. Любую из этих схем можно настроить, изменив значения резисторов, чтобы они оптимально соответствовали вашей среде. Моделирование должно дать хорошую отправную точку. Приспособьте их к своим требованиям и, наконец, проверьте реальную схему, чтобы избежать неожиданностей.

Мои требования были не менее 10 мА при нагрузке R = 800 Ом и V _S = 12 В. Я бы выбрал цепь № 6, и мне пришлось бы в конечном итоге настроить ее на 10,5 мА, чтобы быть в безопасности при перегреве. диапазон, если бы неплатежеспособность моей компании не опередила меня… Это ограничило бы ток потребления модуля (которых в одном устройстве было бессчетное количество) до <12 мА и, таким образом, соответственно снизило требования к блоку питания .

Это порадовало бы проектировщика блока питания (ну и меня тоже). Только 1,5А вместо 2,5А, трансформатор поменьше, вентилятор можно убрать и так далее…

В вашем проекте другие параметры могут быть определяющими…

транзисторы — Источник тока — МОП-транзистор или биполярный NPN/PNP для стабильности

спросил 4 года, 6 месяцев назад

Изменено 4 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 817 раз

\$\начало группы\$

Рассмотрим схему ниже.

У каждого есть несколько плюсов и минусов, здесь я хотел бы остановиться исключительно на стабильности регулирования. (Не падение напряжения или ток операционного усилителя, поскольку на это уже дан ответ).

В настоящее время я использую версию MOSFET в проекте, и она работает довольно хорошо, после настройки нескольких фильтров для повышения стабильности она может достигать стабильности около 0,1%.

Тем не менее, мне было интересно, учитывая, что биполярный сигнал имеет «более плоский» отклик, если использование биполярного будет иметь более стабильный выходной сигнал, поскольку он будет меньше колебаться, поскольку он не имеет емкости затвора и имеет более широкую область управления.

• транзисторы
• MOSFET
• источник тока

\$\конечная группа\$

9

\$\начало группы\$

Вот еще одна топология для рассмотрения (найденная во многих старых примечаниях по применению ):

^{смоделируйте эту схему – схема, созданная с помощью CircuitLab}

Вы сказали, что не хотите обсуждать связанное с этим падение напряжения. Поэтому, хотя это определенно придет мне на ум в этом дизайне, я решил последовать вашему примеру и больше не думать об этом вопросе.

Помимо очень небольшого тока утечки JFET, весь ток нагрузки протекает через \$R_\text{SET}\$, и это очень легко увидеть на приведенной выше схеме. Вы также получаете большую часть преимуществ экспоненциальной зависимости в биполярном транзисторе между током коллектора и изменениями напряжения база-эмиттер, а выходной сигнал должен быть достаточно линейным по отношению к управляющему напряжению.

(Однако я не думаю, что вам нужно вышеописанное. Следующая схема модифицирует вашу схему с учетом Боде. Если вы сохраните свой подход, вам следует его рассмотреть.)

---

Вернемся к вашей схеме. Если вы имеете дело с графиком Боде, я думаю, вам будет лучше:

^{симулировать эту схему}

Я скопировал выбор Генри для \$V_\text{SET}=1\:\text{V}\ $, чтобы установить максимальный ток \$1\:\text{A}\$. На это повлиял выбор \$R_\text{SET}\$. Но вы, очевидно, можете изменить это по своему усмотрению.

Я думаю, вам также следует ознакомиться с мыслями, найденными в сборнике Current Sense Circuit от Linear. Там есть несколько идей, которые вы также можете рассмотреть. На самом деле приведенную выше схему можно найти как рисунок 79., там.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Вы можете сделать так, чтобы биполярный транзистор имел лучшую характеристику высокочастотного шума, чем полевой транзистор, так как вы можете обойти / LPF базу и полагаться на лучшее пассивное напряжение после производительности эмиттерного повторителя BJT на частотах выше, чем может управлять операционный усилитель .

^{Смоделируйте эту схему – схема создана с помощью CircuitLab}

Биполярный усилитель также потребует меньшей скорости нарастания от операционного усилителя, так как для регулирования тока требуется изменение Vbase всего на несколько сотен мВ.