Транзисторний джерело струму 1
2.06. Транзисторний джерело струму
Хоча джерела струму не настільки відомі, вони не менш корисні і важливі, ніж джерела напруги. Джерела струму представляють собою прекрасний засіб для забезпечення зміщення транзисторів, і крім того, незамінні в якості активного навантаження для каскадів з великим коефіцієнтом посилення і в якості джерел живлення емітерів для диференціальних підсилювачів. Джерела струму необхідні для роботи таких пристроїв, як інтегратори, генератори пилкоподібної напруги. У схемах підсилювачів і стабілізаторів вони забезпечують широкий діапазон напруг. І нарешті, джерела постійного струму потрібні в деяких областях, які не мають прямого відношення до електроніки, наприклад в електрохімії, електрофорезі.
Підключення резистора до джерела напруги.
Схема найпростішого джерела струму показана на рис. 2.20. За умови що (іншими словами,), струм зберігає майже постійне значення і дорівнює приблизно. Якщо навантаженням є конденсатор, то, за умови що, він заряджається з майже постійною швидкістю, яка визначається початковою ділянкою експоненти, характерною для даної RС-ланцюга.
Найпростішого резистивного джерела струму притаманні суттєві недоліки. Для того щоб отримати хороше наближення до джерела струму, слід використовувати великі напруги, а при цьому на резисторі розсіюється велика потужність. Крім того, струмом цього джерела важко управляти в широкому діапазоні за допомогою напруги, формованого де-небудь в іншому вузлі схеми.
Вправа 2.6. Припустимо, нам потрібен джерело струму, який би забезпечував точність 1% в діапазоні зміни напруги на навантаженні від 0 до. Яке джерело напруги потрібно підключити послідовно до резистору?
Мал. 2.21. Транзисторний джерело струму: основна ідея.
Вправа 2.7. Припустимо, що в попередній вправі потрібно отримати від джерела струм. Яка потужність буде розсіюватися на резистори? Яка потужність передається навантаженні?
Транзисторний джерело струму.
Дуже хороший джерело струму можна побудувати на основі транзистора (рис. 2.21). Працює він у такий спосіб: напруга на базі В підтримує емітерний перехід у відкритому стані: В. В зв'язку з цим. Так як для великих значень коефіцієнта, то незалежно від напруги до тих пір, поки транзистор не перейде в режим насичення.
Зсув в джерелі струму.
Напруга на базі можна сформувати декількома способами. Хороший результат дає використання дільника напруги, якщо він забезпечує досить стабільну напругу. Як і в попередніх випадках, опір подільника має бути значно менше опору схеми з боку бази по постійному струму Можна скористатися також зенеровскім діодом і використовувати для зсуву джерело живлення, а можна взяти кілька діодів, зміщених в прямому напрямку і з'єднаних послідовно, і підключити їх між базою і відповідним джерелом живлення емітера. На рис. 2.22 показані приклади схем зміщення. В останньому прикладі (рис.) Транзистор р-п-р-типу живить струмом заземлену навантаження (он-джерело струму). Інші приклади (в яких використовуються транзистори п-р-п-типу) правильніше було б називати «поглиначами» струму, але прийнято називати всі схеми такого типу джерелами струму. [Назва «поготітель» і «джерело» пов'язано з напрямком струму; якщо струм надходить в будь-яку точку схеми, то це джерело, і навпаки]. У першій схемі опір подільника напруги становить приблизно 1,3 кОм і дуже мало в порівнянні з опором з боку бази, що становить кОм (для. Будь-яка зміна коефіцієнта, пов'язане зі зміною напруги на колекторі, не вплине істотно на вихідний струм, так як відповідне зміна напруги на базі зовсім мало.
Мал. 2.22. Схеми транзисторних джерел струму з трьома способами подачі зміщення на базу; в транзистори п-р-п-тип ток втікає, а з транзисторів випливає. На схемі (в) показано джерело з заземленою навантаженням.
У двох інших схемах резистори в ланцюзі зміщення обрані так, щоб протікає струм становив кілька-цього досить, щоб діоди були відкриті.
Робочий діапазон.
Джерело струму передає в навантаження постійний струм тільки до певного кінцевого напруги на навантаженні. В іншому випадку джерело струму був би здатний генерувати нескінченну потужність. Діапазон вихідної напруги, в якому джерело струму поводиться як слід, називається робочим діапазоном. Для розглянутих щойно транзисторних джерел струму робочий діапазон визначається з того, що транзистор повинен знаходитися в активному режимі роботи. Так, в першій схемі напруга на колекторі можна знижувати до тих пір, поки не буде досягнуто режим насичення, т. Е. До. Друга схема, з більш високою напругою на емітер, зберігає властивості джерела лише до значення напруги на колекторі, рівного приблизно.
У всіх випадках напруга на колекторі може змінюватися від значення напруги насичення до значення напруги харчування. Наприклад, остання схема працює як джерело струму в діапазоні напруги на навантаженні, обмеженому значеннями 0 і. Якщо в навантаженні використовуються батареї або власні джерела живлення, то напруга на колекторі може бути більше, ніж напруга джерела живлення. При використанні такої схеми рекомендується стежити за тим, щоб не виникло пробою транзистора (напруга не повинна перевищувати значення напруга пробою переходу колектор-емітер) і не розсіювалися зайва потужність (яка визначається величиною твори). У розд. 6.07 ви побачите, що для потужних транзисторів область безпечної роботи визначається спеціально.
Вправа 2.8. У схемі є два стабілізованих джерела напруги: і 15 В. Розробіть схему джерела струму на основі транзистора п-р-п-типу, яка б забезпечувала ток. Як джерело напруги для бази використовуйте джерело. Чому дорівнює робочий діапазон в такій схемі?
У джерелі струму напруга на базі не обов'язково має бути фіксованим. Якщо передбачити можливість зміни напруги, то отримаємо програмований джерело струму. Якщо вихідний струм повинен плавно відслідковувати зміни вхідного напруги, то розмах вхідного сигналу (нагадуємо, що малими літерами ми домовилися позначати зміни) повинен бути невеликим, таким, щоб напруга на емітер ніколи не зменшувалася до нуля. В такому джерелі струму зміна вихідного струму буде пропорційно змінам вхідної напруги.
Недоліки джерел струму.
Як сильно відрізняється транзисторний джерело струму від ідеального? Іншими словами, чи змінюється струм в навантаженні при зміні, скажімо напруги, тобто чи має джерело струму еквівалентний опір кінцевої величини (Яекв)? І якщо так, то чому? Спостерігаються ефекти двох видів:
1. При заданому струмі колектора і напруга, і коефіцієнт (ефект Ерлі) дещо змінюються при зміні напруги колектор-емітер. Зміна напруги, пов'язане зі зміною напруги на навантаженні, викликає зміна вихідного струму, так як напруга на емітер (а отже, і емітерний струм) змінюється, навіть якщо напруга на базі фіксоване. Зміна значення коефіцієнта призводить до невеликих змін вихідного (колекторного) струму при фіксованому струмі емітера, так як крім того, трохи змінюється напруга на базі в зв'язку з можливою зміною опору джерела зсуву, обумовленого змінами коефіцієнта (а отже, і струму бази). Ці зміни незначні. Наприклад, зміна вихідного струму для схеми, представленої на рис. 2.22, а, становить приблизно 0,5% для транзистора типу.
Мал. 2.23. Один з методів температурної компенсації джерела струму.
Зокрема, при зміні напруги на навантаженні від 0 до 8 У ефект Ерлі зумовлює зміну струму на 0,5%, а нагрів транзистора на 0,2%. Зміна коефіцієнта вносить додатковий внесок у зміну вихідного (для жорсткого подільника напруги). Всі ці зміни призводять до того, що джерело струму працює гірше, ніж ідеальний: вихідний струм трохи залежить від напруги і, отже, його опір не безкінечне. Надалі ви дізнаєтеся, що є методи, які дозволяють подолати цей недолік.
2. Напруга і коефіцієнт залежать від температури. У зв'язку з цим при зміні температури навколишнього середовища виникає дрейф вихідного струму. Крім того, температура переходу змінюється при зміні напруги на навантаженні (у зв'язку зі зміною потужності, що розсіюється транзистором) і призводить до того, що джерело працює не як ідеальний. Зміна напруги в залежності від температури навколишнього середовища можна компенсувати за допомогою схеми, показаної на рис. 2.23. У цій схемі падіння напруги між базою і емітером транзистора компенсується падінням напруги на емітерний перехід який має такі ж температурні характеристики. Резистор грає роль навантаження для необхідної для завдання впадає струму бази транзистора.
Поліпшення характеристик джерела струму.
Взагалі кажучи, зміна напруги, викликане як впливом температури (відносна зміна становить приблизно, так і залежністю від напруги (ефект Ерлі оцінюється величиною), можна звести до мінімуму, якщо встановити напругу на емітер досить великим (по крайней мере 1 В), тоді зміна напруги на десяті частки милливольта не приведе до значної зміни напруги на емітерний резисторі (нагадаємо, що схема підтримує постійну напругу на базі). Наприклад, якщо (тобто до бази докладено напруга 0,7 В), то зміна напруги на викликає зміна вихідного струму на 10%, якщо ж У, то така ж зміна викликає зміна струму на 1%. Однак, не варто заходити надто далеко. Нагадаємо, що нижня межа робочого діапазону визначається напругою на емітер. Якщо в джерелі струму, що працює від джерела живлення, напруга на емітер зробити рівним, то діапазон виходу дорівнюватиме трохи менше 5 в (напруга на колекторі може змінюватися від до, т. е. від 5,2 до 10 в).
На рис. 2.24 показана схема, яка істотно покращує характеристики джерела струму.
Мал. 2.24. Каскодний джерело струму, що володіє підвищеною стійкістю до змін напруги на навантаженні.
Джерело струму працює, як і раніше, але напруга на колекторі фіксується за допомогою емітера. Струм, поточний в навантаження, такий же, як і раніше, так як колекторний (для) і емітерний струми приблизно рівні між собою (через великого значення). У цій схемі напруга не залежить від напруги на навантаженні, а це значить, що усунені зміни напруги, обумовлені ефектом Ерлі і температурою. Для транзисторів типу ця схема дає зміна струму на 0,1% при зміні напруги на навантаженні від 0 до 8 В; для того щоб схема забезпечувала зазначену точність, слід використовувати стабільні резистори з допуском 1%. (До речі, цю схему використовують у високочастотних підсилювачах, де вона відома під назвою «Каскод»). Надалі ви познайомитеся зі схемами джерел струму, в яких використовуються операційні підсилювачі і зворотний зв'язок, і в яких також вирішена задача усунення впливу змін на вихідний струм.
Вплив коефіцієнта можна послабити, якщо вибрати транзистор з великим значенням тоді струм бази буде вносити незначний вклад в струм емітера.
На рис. 2.25 показаний ще одне джерело струму, в якому вихідний струм не залежить від напруги живлення. У цій схемі напруга транзистора падаючи на резисторі, визначає вихідний струм незалежно від напруги
За допомогою резистора встановлюється зміщення транзистора і потенціал колектора причому цей потенціал менше, ніж напруга, на подвоєну величину падіння напруги на переході; тим самим зменшується вплив ефекту Ерлі. У цій схемі немає температурної компенсації; напруга на зменшується приблизно на і викликає відповідну зміну вихідного струму.
Мал. 2.25. Транзисторний джерело струму з використанням напруги в якості опорного.