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 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, обкашлянных нами выше. Рис.2 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. 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 этих 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 обратную связь 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× R э2). 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 приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь. РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ 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.6 Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах — 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.7 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 — посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

Генератор стабильного тока Видлара

Источник тока Видлара является разновидностью основной схемы двухтранзисторного токового зеркала, которая содержит токоограничивающий резистор в цепи эмиттера выходного транзистора, что позволяет использовать эту схему для генерации слабых токов, применяя токоограничивающий резистор только средних номиналов.

В схеме Видлара могут использоваться как биполярные, так и полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП — транзисторы), и даже вакуумные лампы. Примером использования этого источника тока может служить операционный усилитель модели 741, Видлар применял свой источник тока во многих конструкциях.

Эта схема была названа в честь её изобретателя, Боба Видлара, и была запатентована в 1967 году.

Анализ схемы

Рис. 1. Источник тока Видлара

На рисунке 1 изображена схема источника тока Видлара на биполярных транзисторах, здесь резистор R2 установлен в цепи эмиттера выходного транзистора VT2, что позволяет сделать ток, протекающий через транзистор VT2, относительно небольшим по сравнению с током транзистора VT1. Главной особенностью этой схемы является то, что падение напряжения на резисторе R2 вычитается из напряжения база-эмиттер транзистора VT2, что приводит к уменьшению проводимости этого транзистора по сравнению с транзистором VT1. Это наблюдение выражается равенством базовых напряжений с обеих сторон схемы из рисунка 1:

V_B = V_BE1 = V_BE2+(β₂+1) * I_B2 * R2 ,

где β₂ — это β (коэффициент передачи по току) выходного транзистора, этот параметр отличается от β первого транзистора из-за технологического разброса параметров, а так же отчасти из-за того, что силы токов, протекающих через оба транзистора сильно отличаются. I_B2 — это базовый ток выходного транзистора, V_BE — это напряжение база — эмиттер. Из этого уравнения следует (используя формулу Шокли для идеальных диодов):

(β2+1) * I _B2 = (1 + 1 / β2) * I_C2 = (V_BE1 — V_BE2) / R2 = V_T / R2 * ln(I_C1 * I_S2 / (I_C2 * I_S1)) ,

где V_T — тепловое напряжение.

Из этого уравнения примерно следует, что величины обеих токов гораздо больше, чем масштабные токи I_S1, I_S2, это приближение верно для токов любой силы, за исключением тех, значения которых находятся вблизи зоны отсечки. В дальнейшем различие между двумя масштабными токами уменьшается, хотя эта разница может быть важна в случае использования транзисторов с различными рабочими областями.

Рис. 2. Токовое зеркало Видлара
на транзисторах КТ503А.

Рассмотрим практический пример генератора тока Видлара (рис. 2). Здесь опорная цепь питается от источника +Vcc напряжением 10,75 Вольт, что обеспечивает опорный ток, равный 10 мА (при сопротивлении резистора R1 = 1 кОм), а цепь нагрузки — коллектор транзистора VT2 запитан от источника V_A напряжением = 25 В.

При опорном токе, равном 20 мА (R1 = 0,5 кОм) изменим сопротивление эмиттерного резистора R2:

R2, Ом	Ток эмиттера VT2, мА
0	25,56
1	16,07
10	5,06
100	0,95

Теперь то же самое проделаем для опорного тока 10 мА (R1 = 1 кОм):

R2, Ом	Ток эмиттера VT2, мА
0	12,8
1	9,4
10	3,6
100	0,8

Как видно из результатов, незначительное изменение сопротивления резистора R2 существенно уменьшает ток коллектора токового зеркала. Кроме того, при сопротивлении эмиттерного резистора R2 равном нулю отношение полученных эмиттерных токов будет равно 25,56/12,8 = 1,99 ≈ 2, а в случае когда сопротивление R2 равно 100 Ом отношение полученных эмиттерных токов станет равно 0,95/0,8 = 1,18, то есть чем больше сопротивление эмиттерного резистора, тем меньше зависимость выходного тока от опорного.

BACK MAIN PAGE

2.06. Транзисторный источник тока

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

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).

Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем

Регулируемый источник тока схема

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

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 I_н= U_вх/R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.

Рис.2

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 .
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 I_н≈0,6/ R1 .
В этих 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 обратную связь 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 I_k1 , задаваемый резистором R1:
I_к1≈(E_п-0,7)/(R1+ R_э1) ,
а ток, протекающий в нагрузке:
I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2) .

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.

I_к1≈(E_п-1,4)/(R1+ R_э1) ,
I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2) .

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:
I_к1≈(E_п-1,4)/(R1+ R_э1) ,
I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2) .

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.

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 приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.

РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Выбор схемы источника тока&nbsp Сопротивление резистора R1 (кОм) Сопротивление резистора Rэ1 (кОм) Сопротивление резистора Rэ2 (кОм) Напряжение питания (В) Выходной ток I_н Задающий ток I_k1

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.6

Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах – 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.7

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 – посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

Для всех, кто ищет действительно качественную и серьёзную схему лабораторного БП, могу предложить недавно собранную мной схемку на полевых транзисторах и операционнике LM358 из журнала РАДИО №7, 2008г. Выдаёт максимально 30V, 5A – работает нормально. Далее описание от автора конструкции: лабораторный БП имеет интервал регулировки выходного напряжения 2.5-30 В при токе до 5 А. Он снабжен узлом защиты от перегрузки по току, который может работать в двух режимах: ограничителя тока и отключения выходного напряжения. Ток срабатывания можно установить в пределах 0.15. 5 А. В состав БП входят также узлы управления вентилятором и защиты от перегрева.

Схема принципиальная ЛБП

Выпрямитель собран на диодном мосте VDI и сглаживающем конденсаторе С1, на микросхеме DA1 собран вспомогательный стабилизатор напряжения 12 В, от которого питаются некоторые узлы. В качестве регулирующего транзистора VT5 применен мощный полевой переключательный п-канальный транзистор, включенный в минусовую линию выходного напряжения, благодаря чему обеспечивается минимальная разность входного и выходного напряжения. Этот транзистор общий для узлов стабилизации напряжения и тока, его сток через переключатель SA3 может быть подключен к минусовой клемме розетки XS1. которая является выходом стабилизированного напряжения, или через диод VD5 к плюсовой клемме розетки XS2. которая является входом узла стабилизации тока (входом эквивалента нагрузки). Выключателем SA4 можно подключить стабилизатор напряжения (тока) к выходу (входу) ИП, при этом будет светить светодиод HL5.

Узел стабилизации выходного напряжения содержит микросхему параллельного стабилизатора САЗ, согласующий каскад на транзисторе VT3 и управляющий транзистор VT4. Переменный резистор R18 совместно с резистором R19 образует делитель напряжения, поступающего на управляющий вход стабилизатора DA3. В состав этой микросхемы входит источник эталонно! о напряжения 2,5 В, что и определяет минимальное выходное напряжение ИП. После включения питания выключателем SAI «Сеть» выпрямленное напряжение (32. 35 В) с выпрямителя поступает на регулирующий транзистор VT5. Одновременно с выхода стабилизатора DAI напряжение питания поступит на ОУ DA2.2. и на его выходе установится напряжение около 11 В, которое через резистор R8 поступит на затвор транзистора VT5, открывая его, в результате выходное напряжение увеличивается. Станет увеличиваться и напряжение на управляющем входе стабилизатора DA3. и когда оно превысит 2.5 В, ток через стабилизатор DA3 возрастет, транзисторы VT3, VT4 откроются, а транзистор VT5 станет закрываться, уменьшая выходное напряжение. Его установку осуществляют переменным резистором R18, микроамперметр РА1 совместно с резисторами R15 и R16 используется как вольтметр.

Узел защиты от перегрузки по току состоит из резистивного датчика тока R4, ОУ DA2.2 и тиристорной оптопары U1. Переменным резистором R3. входящим в состав делителя R2R3. устанавливают ток срабатывания защиты, а режим ее работы устанавливают выключателем SA2 «Защита по току». В показанном на схеме положении этого выключателя происходит ограничение (стабилизация) выходного тока, при замкнутых контактах выходное напряжение отключается. Выходной ток протекает через резистор R4 и создает на нем падение напряжения; пока оно меньше напряжения на резисторе R3, на выходе ОУ DA2.2 будет напряжение, которое через резистор R8 поступает на коллектор транзистора VT4 и затвор транзистора VT5. поэтому стабилизатор выходною напряжения работает в нормальном режиме.

При увеличении выходного тока увеличится напряжение на резисторе R4, и когда оно превысит напряжение на резисторе R3. на выходе ОУ DA2.2 оно уменьшится, транзистор VT5 закроется и ИП перейдет в режим ограничения выходного тока, при этом выходное напряжение станет меньше установленного и не регулируется. Светодиод HL3 будет включен, сигнализируя, что происходит ограничение тока в нагрузке. При уменьшении выходного тока ИП автоматически перейдет в режим стабилизации напряжения.

При замкнутых контактах выключателя SA2 при превышении выходным током заранее установленного значения начнет протекать ток через излучающий диод оптопары U1 и фототринистор откроется. Напряжение на затворе транзистора VT5 станет меньше напряжения открывания, и выходное напряжение источника питания уменьшится практически до нуля. Светодиод HL4 загорится, сигнализируя о том. что произошло отключение выходного напряжения по причине превышения тока в нагрузке. Вывести устройство из этого состояния можно отключением его от сети и последующим включением, а также разомкнув контакты выключателя SA2.

В положении переключателя SA3 «Экв. нагр.» устройство может работать как эквивалент нагрузки (I). При этом отключается узел стабилизации напряжения и ОУ DA2.2 совместно с транзистором VT5 образуют стабилизатор тока. К гнезду XS2 подключают проверяемый блок питания или аккумулятор, а ток устанавливают резистором R3. Диод VD5 служит для защиты от неправильного подключения внешних источников напряжения.

Поскольку у ИП большой интервал регулирования выходною напряжения при токе до 5 А, при определенных условиях, например, при малом выходном напряжении и большом токе, на регулирующем транзисторе VT5 рассеивается значительная мощность (100 Вт и более). Это требует как его защиты от перeгрева, так и эффективного охлаждения теплоотвода за счет принудительного обдува вентилятором. Узел защиты от nepef рева собран на терморезисторе RK1 и ОУ DA2.1. который работает как компаратор. Датчик температуры на терморезисторе RKI с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления установлен на теплоотводе в непосредственной близости от транзистора VT5.

Когда температура теплоотвода меньше аварийной, напряжение на входе (вывод 3) ОУ DA2.1 больше, чем на инвертирующем (вывод 2). и на ею выходе (вывод1) напряжение — около 11 В. Диод VD4 закрыт, светодиод HL2 не включен, и узел защиты от перегрева не влияет на работу стабилизатора напряжения. По мере разогрева теплоотвода, приблизительно до 80С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается и напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 станет меньше, чем на инвертирующем — на его выходе будет напряжение, близкое к нулю. Транзистор VT5 закроется, а напряжение на выходе источника питания станет также близко к нулю. Светодиод HL2 включится, указывая на перегрев транзистора VT5. Поскольку нагрев (охлаждение) теплоотвода процесс инерционный, включение ИП произойдет через некоторое время после остывания теплоотвода, этим обеспечивается гистерезис в работе узла защиты от nepeгрева.

Для эффективного охлаждения теплоотвода в устройстве применен вентилятор. В узел управления вентилятором входит регулируемый источник напряжения с ограничением его максимального значения (13. 14 В), собранный на составном транзисторе VT1. стабилитроне VD2 и резисторе R5, а также управляющий полевой транзистор VT2. Ограничение напряжения необходимо, поскольку номинальное напряжение питания вентилятора — 12 В. Входное сопротивление транзистора VT2, подключенного к терморезистору RK1 велико и поэтому не влияет на работу узла защиты. Когда теплоотвод холодный, сопротивление терморезистора RK1 велико и напряжения на нем достаточно для открывания транзистора VT2. В результате транзистор V11 закрыт и напряжение питания на вентилятор не поступает. При нагреве теплоотвода до 40С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается, транзистор VT2 закрывается, a VT1 открывается и напряжение поступает на вентилятор — он начинает вращаться. Чем выше температура теплоотвода, тем быстрее вращается вентилятор. При остывании теплоотвода происходит обратный процесс.

Настройка блока питания

Налаживание ИП начинают с калибровки вольтметра подстроечным резистором R16 по образцовому цифровому вольтметру. Если применен терморезистор с другим номиналом (не менее 4,7 кОм). подбором резистора R7 устанавливают температуру включения вентилятора, а подбором резистора R9 — температуру включения защиты от перегрева. В положениях «Ист. пит.» переключателя SA3 и «Ограничение» выключателя SA2 подключают к выходу ИП последовательно соединенные образцовый амперметр и резистор сопротивлением 2 Ом мощностью рассеивания 50 Вт и градуируют шкалу переменного резистора R3.

С помощью ИП можно заряжать различные типы аккумуляторных батарей. Для этого батарею с соблюдением полярности подключают к выходу ИП, переключатель SA2 при этом должен быть в положении «Ограничение», a SA4 — в положении «Выкл». Устанавливают выходное напряжение блока питания соответствующее напряжению полностью заряженной батареи, а резистором R3 устанавливают ток зарядки. Выключателем SA4 включают процесс зарядки, при этом включится индикатор «Ограничение», а напряжение на выходе, то есть на батарее, уменьшится в зависимости от ее состояния. В процессе зарядки напряжение на ней возрастает, что контролируют вольтметром ИП, и когда оно достигнет заранее установленного значения, индикатор «Ограничение» выключится и ИП перейдет в режим стабилизации напряжения. В таком состоянии ток зарядки плавно уменьшается и перезарядка батареи исключена.

Для проверки блоков питания и разрядки аккумуляторных батарей их подключают к гнезду XS2 в положении переключателя SA3 «Экв. нагр.». резистором R3 устанавливают ток разрядки, а напряжение контролируют внешним вольтметром. Не следует допускать глубокой разрядки батареи. Возможно, что при зарядке или разрядке батареи станет срабатывать защита от перегрева, тогда эти процессы будут временно прерываться, но после охлаждения теплоотвода возобновятся.

Выше смотрите фото готового устройства и если есть желание посмотреть более подробно – скачайте этот архив. Автор схемы А. КУЗНЕЦОВ, г. Кадников Вологодской обл., сборка – sterc.

Обсудить статью РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Жучки GSM из мобильников – модернизация и несколько советов о переделках.

УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ FM МОДУЛЯТОРА

Принципиальная схема усилителя мощности ВЧ сигнала для ФМ модуляторов.

СВЕТОДИОД 5 ВТ

Эксперименты с мощным светодиодом на 5 ватт, заказанным в одной китайской фирме.

КАК СДЕЛАТЬ СВЕТОДИОДНУЮ ЛАМПУ

Три примера изготовления самодельных ламп с применением светодиодов, на различную мощность. Для ночника, настольного светильника и в прихожую.

Предлагаю схему регулируемого источника тока и напряжения на базе ИМС LM317.

Особенность данного варианта схемы заключается в повышенной точности регулировки стабилизации по току (практически от 1mA до 1А).

При необходимости пределы регулировок можно изменить.

Дальше будет приведена электрическая принципиальная схема устройства, рекомендации по настройке и пояснения. В качестве первоисточников использовались данные на радиоэлементы согласно спецификации производителей и базовые схемотехнические решения.
Существует и ряд решений получения аналогичных параметров от других авторов, но их схемы не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым мной к данному устройству:

• Малый коэффициент пульсаций
• Широкий диапазон регулировки напряжения и тока с малой (задаваемой) дискретностью
• Использование легкодоступных и недорогих компонентов, имеющих много аналогов
• Работа на импульсную нагрузку
• Возможность работы как с цифровыми так и стрелочными (электромеханическими) приборами измерения напряжения и тока
• Минимализация количества радиоэлементов электронной схемы
• Автоматический переход в режим стабилизации тока при аварийном снижении сопротивления нагрузки и обратно в режим стабилизации напряжения при нормализации
• Возможность использования только одной обмотки понижающего трансформатора для одного источника
• Гальваническая развязка между несколькими источниками (в случае применения нескольких стабилизаторов в одном устройстве без необходимости объединения питания отдельных модулей) .
• Высокий коэффициент стабилизации как напряжения так и тока
• Легкая повторяемость
• Недопустимость импульсов напряжения на нагрузке выше установленных, при регулировке и коммутации напряжения и тока из-за переходных процессов в радиоэлементах регулировки и коммутации
• Исключение сбоев стабилизации тока и напряжения из-за импульсного характера нагрузки
• Снижение тепловых потерь в регулирующем элементе свойственных схемам с непрерывной стабилизацией (коммутированием диапазона регулировки по напряжению с целью снижения падения напряжения на регулирующем элементе)
• Зависимость линейности регулировок напряжения и тока только от характеристики регулирующего элемента (переменных резисторов регулировки (группы А или Б))

С целью заполнения этого пробела, мной было разработано и изготовлено данное устройство.

Сокращения:
БП – блок питания
ОУ – операционный усилитель
ИМС – интегральная микросхема

Т1 – трансформатор
S1 – переключатель диапазона регулировки напряжения (0. .7V и 6. 12V граничные значения подстраиваются R4, R14. R15)»
S2 – кнопка с самовозвратом* (контроль ограничения по току)
D1-D4 – диодный мост (тип диодов или сборки определяется желаемым выходным током устройства)**
С6-С7 – 0.1 мкф на напряжение выше чем между выводами 1 и 3 трансформатора T1 без нагрузки
DA1 – LM317 или аналогичная ИМС регулируемого стабилизатора напряжения
С1 – 4700 . 10000мкф на 35V (возможно использование нескольких конденсаторов в параллельном включении 🙂
С2, С4, С11, С12, С14, С16, С17 – 0,1мкф
D5-D7 – любые выпрямительные диоды средней мощности (например 1N4007)
С5 -1,0 мкф (на любое напряжение)
СЗ, С9 – 100мкф на 16V и 35V соответственно
R1 – 0.05. 0.08R (медная проволока в эмалевой иззоляции 0.6mm длинной около 60 сантиметров, сопротивление подбирается исходя из падения напряжения выше напряжения смещения DA3 при токе 1-2 mА (для DA3- К140УД17 это около 80. 100 микровольт)
R2 – 470R, R3 – 10кОм (переменное)
С8 – 1000 мкф на 35V, С10 – 10мкф на 10V
R5 – 1кОм (нагрузочный, необходим для получения тока нагрузки стабилизатора в 6mA. согласно спецификации DA2)
R6 -100R. R7- 26kOm». R8 – 68kOm*. R9-51kOm, R10-2kOm. R11 – 1МОм. R12 – 12кОм». R13 – 10кОм (переменное)
С12, С15 – 68. 100 пикофарад. С13 – 1мкф на 50 и более вольт
R16 – 1 . 5R 5W (используется для удобства выбора установки граничного значения тока при нажатии на кнопку S2)
D8 – АЛ107 (или любой другой светодиод но желательно с малым падением напряжения в открытом состоянии
(около 1.6V при токе 2mA))
DA2 – LM7906 (или аналогичная ИМС стабилизатора напряжения на минус 6 вольт)
DA3 – К140УД17 (любой маломощный прецезионный усилитель с напряжением смещения меньше милливольта и питанием 30 и более вольт)
DA4 – К140УД7 (любой усилитель средней мощности (с током нагрузки до 2mA при выбранном диапазоне напряжений)
Цифровые вольтметры использованы для получения большей точности установки напряжения и тока.
но их применение необязательно, и могут быть заменены стрелочными индикаторами с ухудшением
точности измерения в последнем случае.
*должны быть рассчитаны на коммутацию максимального тока
**желательно использовать диоды или диодный мост с 50. 100% запасом по граничному значению тока

Типичные осциллограммы пульсаций на нагрузке при максимальном токе:
Нагрузка резистивная 10 mV / 5mS на деление:

Нагрузка импульсная (электродвигатель) 20mV / 5mS на деление:

Для удобства восприятия схема разделена на функциональные блоки.
Краткое описание назначения блоков:

• Выпрямитель – преобразование переменного напряжения снимаемого с двухсекционной обмотки трансформатора Т1 в постоянное не стабилизированное напряжение
• Стабилизатор, регулятор напряжения – стабилизация и регулировка выходного напряжения со встроенным датчиком тока на сопротивлении R1
• Источник -6V – стабилизированный источник отрицательного напряжения 6 вольт для питания ОУ DA3 , DA4 и обеспечения необходимого смещения для регулировки выходного напряжения от 0 V
• Усилитель напряжения – инвертирующий усилитель напряжения выделяемого на измерительном сопротивлении R1 при наличии тока нагрузки, которое пропорционально значению этого тока, для измерения электронным вольтметром и для работы регулятора тока
• Регулятор тока – сравнение напряжений снимаемых с усилителя напряжения и резистора R13 – регулятора ограничения выходного тока устройства для управления ОУ DA1 в режиме стабилизации тока
• Цифровые вольтметры – отдельные устройства и их параметры на работу схемы влияния не оказывают, предъявляемые к ним требования зависят от желаемой точности контроля выходного тока и напряжения

Описание работы устройства и назначения элементов:

С вторичной обмотки понижающего трансформатора Т1 через первую группу контактов переключателя S1 переменное напряжение выбранной величины (9 и 16 вольт соответственно без нагрузки) подается на диодный мост D1 – D4 где преобразуется в не стабилизированное постоянное напряжение. Конденсаторы С6 и С7 снижают уровень импульсных помех проникающих из электросети.
Далее это напряжение сглаживается конденсатором С1 и фильтруется С2 после чего подается на вход основного регулирующего элемента – DA1 .
Для управления выходным напряжением DA1 используется источник отрицательного напряжения -6 V а так-же сопротивления R2 – R4 , R14 , R15 и вторая группа контактов переключателя S1 для коммутации выбранного диапазона напряжений.
Назначение этих сопротивлений такое:
R2 – обратная связь по напряжению ОУ DA1 , его значение выбирается из отношения к сумме сопротивлений R3,R4,R14,R5 и определяет значение выходного напряжения.
Его значение выбрано вдвое больше обычного (240 Ом) с целью снижения выходного тока ОУ DA4 (в режиме стабилизации тока через светодиод индикации включения режима ограничения тока D8 ток составляет около 2 mA при минимальном выходном токе источника питания).
R15 – отвечает за нулевое значение выходного напряжения БП при выбранном диапазоне регулировки выходного напряжения от 0 до 6 . 7 вольт и выкрученном в минимум (в 0 Ом) сопротивлении R3 регулировки выходного напряжения.
R4 – определяет максимальное выходное напряжение обоих диапазонов.
R14 – устанавливает минимальное напряжение для диапазона 6 . 12 V.
Изменение этих сопротивление вызывает некоторое взаимное влияние на выходные значения напряжений и для полной калибровки процедуру подбора этих сопротивлений следует повторить несколько раз, используя подстроечные резисторы на момент калибровки.
Накопительный конденсатор С3 и фильтрующий С4 используются для снижения уровня выходных пульсаций БП.
Если заменить R1 и С5 перемычкой и исключить блоки усилителя напряжения и регулятора тока получится обычный стабилизатор напряжения без регулировки и контроля выходного тока, для его регулировки и ограничения и введены данные элементы. *
Сопротивление R1 является токоизмерительным, выделяемое на нем напряжение пропорционально выходному току устройства. Конденсатор С5 служит для шунтирования переменной составляющей выделяемой на сопротивлении R1 в процессе регулирования напряжения при большом токе нагрузки и ее импульсном характере, поскольку источник опорного напряжения привязан к входу этого резистора а не выходу, как предлагается делать в ряде решений других авторов. Такое включение выбрано из соображений получения минимума пульсаций выделяемых на R1 при работе стабилизатора DA1 .
В противном случае напряжения пульсаций на входе ОУ DA3 составит около 10 милливольт, что после усиления с выбранным коэффициентом усиления около 200 – 250 раз (подбирается R7 в зависимости от реального значения сопротивления R1 с целью получить 10 вольт напряжения на выходе DA3 при выходном токе БП в 1 A с последующим выводом на цифровой вольтметр) на выходе DA3 мы получим 2 . 2,5 вольта пульсаций, что сказывается на точности измерений и позволяет осуществлять только грубую регулировку стабилизации тока. Даже шунтирование обратной связи через R7 конденсатором C13 и тем самым снижение коэффициента усиления DA3 по переменной составляющей до 1 раза оставляет эти пульсации на выходе DA3 и делает невозможным поддерживать точность измерения и регулировки выходного тока лучше чем с точностью определяемой уровнем этих пульсаций. **
Итак соотношение сопротивлений R6 и R7 определяет коэффициент усиления инвертирующего ОУ DA2 по постоянному напряжению. Поскольку неизбежен разброс параметров сопротивления R1 , то следует подобрать значение R7 согласно вышеуказанным соображениям. При этом чем ниже будет сопротивление R1 , тем меньшее влияние оно будет оказывать на стабильность выходного напряжения, на стабильность выходного напряжения в режиме стабилизации тока оно влияет еще в меньшей степени. Минимальное значение этого сопротивления определяется исходя из того, с какой точностью необходимо поддерживать и измерять минимальный выходной ток и в этом плане зависит от возможностей применяемого ОУ DA3 , а именно параметром минимального напряжения смещения нуля . Для выбранной ИМС оно составляет 75 микровольт.
Далее усиленное напряжение подается на цифровой вольтметр и на делитель R8 , R9 опорой которого служит источник – 6 V. Сопротивление R8 подбирается из цели получить нулевое напряжение на фильтрующем конденсаторе C16 при необходимом ограничении максимального тока (в данном схеме это +10 вольт на выходе DA3).***
На DA4 собран регулятор тока, напряжение снимаемое с делителя R8 , R9 сравнивается с опорным регулируемым посредством R13 напряжением и усиленная разность этих напряжений через светодиод D8 прикладывается к входу управления ОУ DA1 таким образом, что при увеличении выходного тока БП выше выбранного значения, напряжение на управляющем входе DA1 начинает снижаться, при этом начинает светиться светодиод D8 , сигнализируя о переходе БП в режим стабилизации тока. Яркость его свечения обратнопропорциональна выходному току БП.
R10 и R11 определяют коэффициент усиления ОУ DA4 , при этом R11 подключен не к выходу DA4 а к управляющему входу DA1 что бы уменьшить влияние падения напряжения на D8 на работу устройства, коэффициент усиления по переменной составляющей близок к единице благодаря наличию конденсатора C14 . Светодиод D8 целесообразно подобрать с минимальным падением напряжения в открытом состоянии, в противном случае может потребоваться изменение напряжения источника – 6V до – 7 и более вольт или заменить его обычным выпрямительным диодом отказавшись от индикации режима стабилизации тока.
R12 служит для установки минимального тока нагрузки.
С12 и С15 устраняют самовозбуждение ОУ.
Источник – 6V работает следующим образом.
Переменное напряжение с контакта 3 (противоположного от не коммутируемого 1 ) выпрямляется цепочкой С8 , D6 , D7 включенной по схеме умножителя напряжения и заряжает конденсатор C9 , на котором образуется около -32 вольт не стабилизированного напряжения.
Далее это не стабилизированное напряжение подается на вход ИМС стабилизатора отрицательного фиксированного напряжения -6V DA2 LM7906 , на выходе которого формируется стабилизированное напряжение – 6V . Для правильной работы DA2 требуется наличие нагрузки с током не менее 5mA согласно спецификации производителя, для этой цели установлен R5 , кроме того необходимо наличие конденсаторов C11 , C12 согласно все тех же рекомендаций производителя во избежание входа ИМС в режим самовозбуждения. Важно разместить эти конденсаторы как можно ближе к выводам DA2 , иначе их применение окажется неэффективным.

Разумеется необходимо установить DA1 и диодный мост на теплоотвод, выделяемая на них тепловая мощность зависит от выбранного напряжения нагрузке и в худшем случае составляет около 8. 10 ватт для данной схемы.
Как лучше всего соединять блоки и отдельные элементы показано на схеме, при несоблюдении этих рекомендаций возможно повышение уровня пульсаций.
Усилитель напряжения целесообразно экранировать в случае применения пластикового корпуса устройства, корпуса переменных резисторов нужно заземлить на вход R1 (общую точку всех токов устройства).

Примечания:
* Ток в этом случае будет определяться значением сопротивления нагрузки и максимально возможным значением тока для ОУ DA1 , что составляет около 2 ампер при падении напряжения на DA1 не более 15 вольт согласно рекомендациям производителя.
Таким образом данная схема потенциально способна выдерживать и регулировать токи до 2 ампер, но значение в 1 ампер выбрано мной их соображений тепловыделения на регулирующем элементе, точностью поддержания выходного тока с разницей в 1 – 2 mA и отсутствия необходимости в токах более 1 А.
По моему убеждению на бОльшие токи целесообразней применять импульсные стабилизаторы напряжения, а данное устройство призвано заменить гальванические элементы питания переносимых устройств на время их наладки.
** В случае применения цифрового вольтметра о наличии значительного уровня этих пульсаций будет говорить хаотичное ‘скакание’ цифр в последних разрядах. Поэтому применение цифровых вольтметров целесообразно и для контроля за уровнем пульсаций как самого БП так вызванных работой питаемых устройств.
*** Применение этого делителя вызвано целью упростить схему, но имеет побочный эффект в виде снижения выходного напряжения при выкрученном регуляторе тока на минимальное его значение даже в отсутствие нагрузки. Но это не влияет на возможность регулировки тока начиная с единиц миллиампер и на точность поддержания этих значений. В противном случае необходимо заменить этот делитель еще одним инвертирующим усилителем, что представляется нецелесообразным. А для тех, кому не требуется повышенная точность поддержания выходного тока на нагрузке БП, вообще можно исключить блок усилителя напряжения оставив только регулятор тока на DA4 подключив его вход к R1 и увеличив сопротивление последнего, но данная статья направлена на противоположные цели.

Генератор тока на полевом транзисторе.

Генератор тока на полевом транзисторе.

     Простой генератор тока на полевом транзисторе. Применение генератора тока на полевом транзисторе на практике. Дополнительный материал к статье «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения»

     ***

     Часто на мою предыдущую статью о генераторах тока посетители приходят по запросу «генератор тока на полевом транзисторе». Так как там ничего об этом не говорится я решил восполнить этот пробел данной статьёй.

     Здесь расскажу об одной, но очень привлекательной схеме генератора тока на полевом транзисторе КП303. Но сначала рассмотрим, что из себя представляет этот транзистор.

     Полевые транзисторы серии КП303(А-И) это кремниевые эпитаксиально-планарные полевые транзисторы с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа. Или их ещё называют полевыми транзисторами со встроенным n-каналом.

     Буква n означает что управление током через канал, то есть током протекающем от стока к истоку, осуществляется подачей отрицательного напряжения на затвор относительно истока, Рис. 1(а).

Рис. 1

     В этом смысле принцип работы эпитаксиально-планарных полевых транзисторов, т.е. полевых транзисторов со встроенным каналом аналогично работе электронной (радио) лампе, Рис. 1(б)

     Приблизительная зависимость тока стока (Iс) от Uзи для транзистора КП303И показана на графике, Рис. 2.

Рис. 2

     Для простоты ток Iси буду обозначать как ток стока Iс, так как это одно и тоже.

     Из графика видно, что при Uзи = 0, Iс = max.

     Минимума ток стока достигает при Uзи равном приблизительно минус 1,4В. На самом деле из-за большого разброса характеристик график лишь приблизительно отображает зависимость Ic от Uзи.

     Подавать положительный потенциал на затвор бессмысленно так как при Uзи = 0 транзистор, итак, открыт полностью.

     Вообще эквивалентную схему транзистора КП303 можно представить так как это показано на Рис. 3. Сопротивление переменного резистора R1 — десятки МОм, резистора R2 около 1кОм,.

Рис. 3

     Тогда, когда напряжение Uзи = 0 ползунок резистора R1 находится в нижнем положении, ток Iс будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / R2.

     То есть ток будет максимальным, но не бесконечным.

     Тогда, когда отрицательное напряжение на затворе достигнет некоторого максимума, ползунок резистора R1 окажется в верхнем положении и ток стока будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / (R1 + R2).

     То есть ток будет минимальным, но не нулевым.

     Такая зависимость тока стока от напряжения на затворе позволяет сделать очень простой генератор тока на полевом транзисторе КП303. Соберём такую схему, Рис. 4.

Рис. 4

     Подключим к клеммам 1-2 регулируемый источник напряжения. Начнём увеличивать напряжение от нуля. Изначально ток стока и ток через резистор равны нулю. Падение напряжения на резисторе также равно нулю, Uзи = 0. Транзистор полностью открыт.

     Повышение напряжения на клеммах приведёт к протеканию тока через транзистор и резистор. Появится некоторое падение напряжения на резисторе, при этом минус этого напряжения приложен к затвору, а плюс к истоку. Чем больше ток будет протекать через резистор, тем больший запирающий потенциал будет на затворе.

     В конце концов схема войдёт в режим стабилизации тока так как попытка увеличения тока приводит к увеличению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к уменьшению тока. А попытка уменьшения тока к уменьшению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к увеличению тока. Изменяя величину резистора, можно изменять величину стабилизируемого тока.

     Схема собранная на транзисторе КП303И имеет максимальное рабочее напряжение 30В. Ток стабилизации единицы миллиампер. Недостаток схемы в том, что из-за большого разброса характеристик транзисторов невозможен какой-либо осмысленный расчёт.

     Но в этом нет большой беды. Зачастую расчёт и не нужен. Там, где нужен просто простой и стабильный источник тока, генератор тока. К тому же такой генератор тока не требует дополнительного источника питания. Такая схема очень хороша в генераторах пилообразного напряжения для получения высокой линейности пилы.

     Дело в том, что в обычных, не лабораторных генераторах пилообразного или треугольного напряжения используется принцип заряда-разряда конденсатора. Если этот самый заряд-разряд производить через резистор, то напряжение на конденсаторе будет изменяться по экспоненте. Если вместо резистора включить источник (генератор) тока, то напряжение будет изменяться строго по прямой линии.

     Есть у этой схемы ещё одно достоинство. Её можно использовать для стабилизации тока в цепи переменного напряжения, для этого схему изображённую на Рис. 4 нужно включить в диагональ диодного моста, Рис 5.

Рис. 5

     В этой схеме полярность приложенного напряжения не важна. Именно такую схему генератора тока я применил в двухканальном прецизионном генераторе треугольного напряжения ШИМ-модулятора электронной нагрузки, описанной в статье «Импульсная электронная нагрузка».

Генератор стабильного тока для зарядки аккумуляторов, блок питания

Рассматриваемый генератор стабильного тока (ГСТ) хорошо подходит для зарядки аккумуляторов (до 12 В). Величину зарядного тока можно устанавливать в пределах 0…10 А.

Однако изготавливался данный ГСТ не столько для зарядки аккумуляторов, сколько для иных целей. Мощный ГСТ позволяет быстро оценить практически любые контактные соединения по величине переходного сопротивления (контакты реле, выключателей и пр.).

Вступление

Используя милливольтметр постоянного тока, например мультиметр серии 830 или 890, можно легко измерить сопротивление вплоть до 0,001 Ом. Имея мощный ГСТ и милливольтметр, мы фактически приобрели миллиомметр, а это раскрывает широкие возможности в деятельности радиолюбителя.

Занимаясь ремонтом радиоэлектронных средств (РЭС), мы вынуждены проверять исправность многих комплектующих. Конструирование РЭС требует проверки уже всех радиокомпонентов без исключения (как б/у, так и новых).

В радиолюбительских условиях процесс проверки комплектующих носит, как правило, весьма поверхностный характер. Да и многое ли можно узнать о параметрах мощного диода или транзистора при использовании цифрового мультиметра? «Прозванивая» током в несколько миллиампер мощный диод на 10…30 А, можно лишь выявить его негодность.

Получше будут результаты в случае применения стрелочного измерителя, например, М41070/1. Последний обеспечивает величину тока в измеряемой цепи более 50 мА (поддиапазон 300 Ом). А на пределе 300 кОм легко обнаруживаются дефекты диодов и транзисторов (утечки токов).

Но не все дефекты можно выявить при проверке полупроводниковых приборов низковольтными измерителями сопротивлений. Поэтому и были изготовлены измерители [1, 2].

Измеритель [1] позволяет оперативно оценить величину Uкэ.макс транзисторов, а портативный вариант такого измерителя [2] предназначен для работы от аккумулятора (не привязан к сети 220 В, что ценно в условиях радиорынка).

Этими же измерителями оценивались и величины обратных напряжений проверяемых диодов. Удобно и быстро проходил поиск дефектных конденсаторов. Кроме того, измеритель [2] имеет диапазон напряжения от 0 до 3000 В. Последнее обстоятельство позволяет испытывать изоляцию, например, между обмотками сетевого трансформатора.

В моей практике были случаи, когда удавалось найти даже место дефекта изоляции между I и II обмотками сетевого трансформатора блока питания. Никакие омметры, имевшиеся под рукой (0…200 МОм), не фиксировали нарушения изоляции, а трансформатор уже начал «биться током».

В темноте (при напряжении более 2,5 кВ) очень хорошо было видно место дефекта, так как искра проскакивала в конкретном месте и создавала характерное потрескивание. Таким образом, удалось избежать перемотки обмоток, устранив пробой изоляции и залив его клеем. Самое важное, что радиолюбители, повторившие измерители [1, 2], остались довольны возможностями этих приборов.

Когда требуется выбрать из числа имеющихся мощных диодов наилучшие, пригодится этот ГСТ. Диоды с наименьшим прямым напряжением (Uпр) нагреваются меньше и дольше служат. Очень важно такие экземпляры использовать в низковольтных выпрямителях, где величина Uпр определяет КПД схемы.

Приходилось наблюдать, как интенсивно начинают нагреваться диоды, когда величина тока через них превышает 7…10 А, маленькими полосками-радиаторами уже не обойтись, ибо диоды типов Д242-Д247, КД203, Д214 и пр. нагреваются настолько сильно, что могут выйти из строя. Величина тока через эти диоды не должна превышать 7 А (коэффициент нагрузки по току равен 0,7).

Однако практика использования таких диодов показала, что они могут долго и безотказно работать и при токах 10 А и более. Если ток превышает 7 А, то особенно актуален отбор экземпляров с наименьшим значением Uпр. Стоит заменить обычные кремниевые диоды Д242 диодами с барьером Шотки, например, КД2998В, как осознаешь преимущество последних (малое значение Uпр позволяет использовать малогабаритные радиаторы и при токе 10 А).

К сожалению, на диоды цены высокие, а на диодные мосты — чрезмерно высокие (в ремонте может и окупятся, а конструирование по ценам перекупщиков разоряет радиолюбителя). Составить мост из нескольких диодов дешевле, хотя и вызывает неудобства с несколькими теплоотводами. Параметры зарубежных диодов и мостов явно завышены, о чем свидетельствуют замены их в схемах.

Для отбора диодов с минимальным значением Uпр, испытуемый диод подключают к выходу ГСТ (как показано пунктиром на рис.1). Так выбирались диоды типов КД202, КД203, Д242-Д246, Д214, Д215, Д231, КД2997, КД2998, КД2999 и др. Кстати, Uпр диодов часто отличается от справочных данных (как типовое значение, так и регламентируемое для температуры Т>25°С и конкретной величины прямого тока.

Среди большого числа (или упаковки) однотипных диодов почти всегда встречались экземпляры, у которых Uпр было в 1,5-2 раза больше, чем у остальных. Вот такие экземпляры и перегреваются, например, в мостовом выпрямителе (их нагрев значительно превышает нагрев остальных диодов). Uпр измеряли при токе не меньшем, чем рабочий ток данного диода в конкретной конструкции.

Об измерении малых величин сопротивлений (режим миллиомметра)

Потребуется милливольтметр с пределом 200 или 2000 мВ. Резистором R9 (рис.1) устанавливают ток через измеряемое сопротивление (Rн) 1 А. Теперь на каждый милливольт падения напряжения на сопротивлении Rн соответствует миллиому этого сопротивления. Когда требуется более высокая точность измерения Rн, переходят на поддиапазон 10 А (нажат переключатель SA2) и устанавливают ток через Rн 10 А. Теперь каждому миллиому сопротивления соответствует уже 10 мВ.

При такой величине тока (10 А) прекрасно «звонятся» практически любые разъемные соединения. На них «оседает», в зависимости от переходного сопротивления, от единиц милливольт (отличного качества контакт) до десятков и сотен милливольт (это уже дефектные контакты).

Измерение малых сопротивлений при токе >10 А позволяет быстро выявить многие дефекты, которые скрыты для прозвонки мультиметрами. Предоставляется эксклюзивная проверка (в цифрах!) практически любых монтажных проводов. Берут отрезок монтажного провода длиной несколько десятков сантиметров и подключают к ГСТ.

По падению напряжения на нем определяют его пригодность для тех или иных целей. Пока человек имеет дело с конструкциями, где величина тока не превышает 1…3 А, то измерение миллиом ему не нужно. Но в конструкциях с токами больше 10 А многое меняется. На рынках стали появляться «китайские» провода (толстый слой изоляции с малым сечением медных жил).

Отечественные провода такого же диаметра (по изоляции) имеют погонное сопротивление в два и более раз меньше, чем «китайские». Чтобы милливольтметр не вывести из строя при отключении Rн, на время измерения выводы прибора шунтируют диодом КД2998 (подойдет и любой другой с током >10 А), как это показано на рис.1.

Особую ценность ГСТ представляет при проверке разъемных соединений б/у и контактов реле. Сразу же обнаруживаются те контакты, которые требуют очистки или замены. Вот лишь несколько примеров. Широко распространенные тумблеры типов ТВ, ТП, МТ, ПТ и пр. Со временем у них переходное сопротивление увеличивается от 3…5 мОм до 0,1 …0,5 Ом и даже более!

Есть смысл нанести на корпус выключателя соответствующие надписи, которые и должны определять назначение (применение) выключателя. Часто очистка контактов реле давала хороший результат: обычно переходное сопротивление уменьшается в 2-10 раз (в зависимости от износа контактов). Уменьшение переходного сопротивления добивались и оптимальным прижимом контактов. Помните, что плохой контакт вызывает ускоренное разрушение контактирующих поверхностей.

О наболевшем. Люди приобретают обычные сетевые (220 В) вилки, розетки и выключатели, которые перегреваются при нагрузке более 1 кВт. Хотя на корпусах этих изделий и написаны обнадеживающие 6 А, но надписи не гарантируют надлежащего качества соединений.

Можно, конечно, проверять такие изделия, подключая их на 30…60 мин с нагрузкой 1 кВт (ожидая вероятного нагрева в дефектном соединении). А можно использовать ГСТ для измерения переходного сопротивления. Вопрос весьма актуален, ведь плохие контакты в нагрузке электросети 220 В нередко приводят к пожару.

А качество современных бытовых сетевых вилок, розеток и выключателей лишь снижается (экономия материалов, плохая сборка, отсутствие надежных пружинящих контактов).

О схемотехнике ГСТ

ГСТ выполнен на ОУ DA1 и мощном полевом транзисторе VT7, который обеспечивает требуемый ток в нагрузке. Поскольку на постоянном токе (наш случай) полевой транзистор по цепи затвора ток не потребляет, то ОУ работает фактически без нагрузки, что повышает надежность работы всего ГСТ.

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора тока для зарядки аккумуляторов и питания устройств.

R1 — 100 Ом	С1 — 0,47 мкФ х 630 В
R2 — 300 Ом	С2 — 0,47 мкФ х 160 В
R3, R4 — 120 Ом	С3 — 100 мкФ х 25 В
R5 — 13 Ом	С4 — 0,1 мкФ
R6 — 1,5 кОм	С5 — 4700 пФ
R7 — 39 кОм*	С6 — 100 мкФ х 25 В
R8 — 8 кОм*	С7 — 0,1 мкФ
R9 — 1 кОм	С8, С9, С10 — 4000 мкФ х 25 В
R10 — 100 кОм	С11, С12 — 200 мкФ х 50 В
R11 — 1 кОм	С13 — 4700 пФ
R12 — 13 Ом
R13 — 1 кОм	VD1…VD4 — КД2998Г
R14, R15 — 1 кОм	VD5 — КЦ405В
R16 — 0,1 Ом	VD6 — АЛ307
R17 — 9,2 кОм*	VD7, VD8 — Д814Д
R18 — 800 Ом*	VD9 — Д818Е
R19 — 330 Ом	VD10 — КД2998Г
R20 — 3,3 кОм
R21, R22 — 30 Ом	VT1, VT2 — КТ502Д VT3, VT4 — КТ503Д
DA1 — КР140УД708	VT5 — КТ815Д VT6 — КТ814Г
PA1 — М4204-100 мкА PV1 — М903/4-15 В T1 — ТС-180-2	VT7 — IRFZ48N SA1, SA2 — ТП1-2

ОУ управляет проводимостью полевого транзистора, что и определяет ток в нагрузке Rh.

ГСТ имеет два поддиапазона регулирования тока. В показанном на схеме положении переключателя SA2 имеем 0…2 А. Второй поддиапазон — до 10 А.

Датчик тока (резистор R16) используется как для схемы ГСТ, так и в качестве шунта амперметра. Источник опорного напряжения собран на прецизионном стабилитроне VD9 типа Д818Е и генераторе тока, который, в свою очередь, собран на транзисторах VT1-VT4 (заимствован из [3]).

Эта схема незаслуженно забыта радиолюбителями. Она обладает большей стабильностью параметров, чем однотранзисторные схемы ГСТ. Стабильность выходного тока ГСТ в цепи Rh практически полностью определяется стабильностью напряжения на неинвертирующем входе ОУ, т.е. стабильностью ИОН.

Стабильность показаний амперметра РА1 зависит от стабильности элементов R16-R18.

Детали

Вместо ОУ КР140УД708 устанавливали также К140УД7. Полевой транзистор IRFZ46 (КП741А, Б), IRFZ44(КП723А), IRFZ45 (КП723Б), IRFZ40 (КП723В), IRF540 (КП746А), IRF541 (КП746Б), IRF542 (КП746В), IRFP150 (КП747А) и т.д.

Полевой транзистор выбран из соображений максимальной надежности и простоты конструкции. При отсутствии полевого транзистора его вполне можно заменить двумя транзисторами, как показано на рис.2. Однако транзистор КТ827А здесь работает в режимах, близких к предельным (когда ток в нагрузке равен 10 А).

Выгодно заменить КТ827А двумя транзисторами. Так и поступали радиолюбители, повторявшие схему ГСТ (рис.1) и не имевшие полевых транзисторов (рис.3).

Транзистор VT7 должен быть снабжен хорошим теплоотводом с поверхностью не менее 2000 см2. Транзисторы VT1, VT2 типов КТ3107, КТ361 с любыми буквенными индексами. Транзисторы VT3, VT4 типов КТ3102, КТ315 с любыми буквенными индексами. Сюда хорошо подходят и КТ502, КТ503. Транзистор VT5 типа КТ815, КТ817; транзистор VT6 типа КТ814, КТ816.

Рис. 2. Схема для замены мощного полевого транзистора двумя кремниевыми.

Рис. 3. Мощная замена полевого транзистора тремя кремниевыми.

О диодах выпрямителя. Подойдут любые мощные диоды с током более 10 А. Если мощные диоды все-таки не удалось приобрести (на периферии их купить просто нереально), то используют старую и проверенную временем схему (рис.4) работы двух диодных мостов на одну общую нагрузку (параллельный режим).

Схема рис.5 преследует ту же цель, что и схема рис.4, но резисторы включены таким образом, чтобы все 8 диодов были размещены на трех радиаторах, как и диоды обычного моста. Однако здесь число резисторов уже 8 (вместо 4 на рис.4).

Для схемы рис.1 сопротивления резисторов R1-R4 (рис.4) и R1-R8 (рис.5) не должны превышать 0,1 Ом (их диапазон 0,03…0,1 Ом, но они должны быть одинаковыми).

В схеме рис.4 эксплуатируются также и мосты КЦ402, КЦ405 (R1-R4 равны 0,5… 1 Ом) и другие диоды (для КЦ402, 405 сумма токов не превышает 2 А).

Рис. 4. Выпрямитель на диодных мостах.

Рис. 5. Выпрямитель на диодах.

Проволочные резисторы изготавливались из недефицитного нихромового провода диаметром более 1,5 мм. Претензий к стабильности резистора R16 не будет, если выполнить его надлежащим образом (при токе 10 А на нем рассеивается мощность 10 Вт). Нихром по ТКС в 30 раз хуже константана, в 3 раза хуже манганина, но в 26 раз стабильнее меди.

Чтобы догнать по стабильности манганин, нужно уменьшить температуру (мощность на резисторе).н) станут проникать пульсации и появятся погрешности в работе ГСТ (при величине тока, близкой к 10 А). Кроме того, недостаточная емкость выпрямителя не позволит получить и выходной ток 10 А (при указанной величине переменного напряжения II обмотки сетевого трансформатора).

Если ГСТ не будет эксплуатироваться в качестве зарядного устройства 12-вольтовых аккумуляторов, то напряжение обмотки II следует уменьшить.

Рис. 6. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Проверять диоды, различные контактные соединения можно и при напряжении обмотки II в несколько вольт. На практике снижали это напряжение до 6 В (при нагрузке 10 А).

Базовый вариант данного ГСТ содержал трансформатор, обмотка II которого при токе 10 А должна давать не менее 10,25 В. Обмотку II выполняли с отводом, когда нужно было получить ток более 10 А в режиме миллиомметра, сохранив ГСТ и как зарядное устройство для 12-вольтовых аккумуляторов.

Небольшое «ноу-хау» заключается в том, что проверять мощные контактные (разъемные) соединения лучше при токе, значительно превышающем паспортное значение. Например, на вилке указано 6 А, значит, надежность соединения нужно проверять при токе 10…20 А.

В этом случае некондиционное разъемное соединение сразу себя выдает. А таких новых некондиционных вилок, розеток и выключателей на рынке появилось множество!

О трансформаторе Т1. Первый (базовый) вариант ГСТ был собран на довольно малогабаритном трансформаторе мощностью всего 160 ВА. Надпись на нем: «ТБС3-0,16У3 Р160 VA 50-60 Hz. ГОСТ.5.1360-72». В нем использовано ШЛ-железо.

По объему он меньше, чем ТС-180, и работает бесшумно, чего не скажешь о ТС-180. Вторичные обмотки намотаны заново. Обмотка II содержит 45 витков ПЭВ-1,4 мм в два провода.

Напряжение холостого хода 11,5 В. Под нагрузкой 10 А выходное напряжение не менее 10,25 В, но в случае если в диодном мосте установлены диоды Шот-ки (КД2998, 2991).

Для кремниевых Д242, 243 напряжение в обмотке II увеличивали на 2,5 В. Если диоды в схемах рис.4 и рис.5 подобраны в пары, то резисторы R1-R4 (рис.4) и R1-R8 (рис.5) можно удалить (закоротить). На практике это делали лишь с параллельными диодами, имеющими разброс Uпр не более чем на 5%. Обмотка III Т1 содержит 78 витков двойным проводом ПЭЛШО-0,41. Отвод от обмотки II для тока 20 А (на схеме не показан) делали от 28 витка.

Можно использовать и трансформатор ТС-180-2. Обмотки 9-10 и 9′-10′ соединяли последовательно. По ТУ у них 6,4 В и ток нагрузки 4,7 А. Они содержат по 23 витка провода 01,55 мм. При токе 10 А их эксплуатировать нельзя, но на короткое время можно.

В качестве обмотки III использовали обмотки 5-6, 5′-6′ и 11-12, 11′-12′, соединив их последовательно (5-6 с обмоткой 11-12 и 5′-6′ с обмоткой 11′-12′). Обмотки 11-12 дают по 6,4 В каждая, только 11′-12′ рассчитана на ток 0,3 А, а 11-12 — на 1,5 А. При токе 10 А самые «горячие» обмотки 9-10 (уже через несколько минут), но поскольку они расположены в самом верхнем слое, то их охлаждение наилучшее. Для дополнительного отвода тепла наружный слой бумаги (вместе с этикеткой) удаляли на каждой катушке ТС-180.

Когда ГСТ изготовляли только для прозвонки низкоомных соединений, то мостовой выпрямитель заменяли двухполупери-одной схемой со средней точкой (рис.6). Здесь так же, как и в схемах рис.4 и рис.5, устанавливали по 2 шт. Д242А в параллель. Для всех диодов здесь нужен один радиатор.

Главное в данной ситуации (применительно к ТС-180) заключается в том, что теперь номинальный ток с обмоток уже не 4,7 А, а более 7 А. Согласно [4], имеем выигрыш по току в 1,4 раза относительно одной обмотки 9-10.

Небольшое отступление

Эмальпровод нынче воистину позолоченный: за 1 кг нужно выложить до 5 у.е. За эти деньги реально приобрести 2-4 шт. трансформаторов ТС-180, в которых провода не меньше.

Все иные варианты ГСТ выполнялись в основном на более мощной основе (перемотанный Т С-270-1 или тороидальные трансформаторы), т.е. вторичные обмотки были намотаны заново. Если нет в наличии эмальпровода, то можно использовать практически любой одно-, многожильный медный или алюминиевый провод. Главное, чтобы было набрано требуемое сечение.

Ориентир простой — медная жила диаметром 2 мм для тока не более 10 А. Очень полезна информация по сетевым трансформаторам [5].

О проволочных резисторах (кроме R16). Все они могут быть и медными, т.е. на практике использовали отрезки медного провода 00,4…0,6 мм. Последний при длине 1 м дает сопротивление 0,058 Ом, при длине 120 см — 0,07 Ом. Пропускание тока (из-за ТКС меди) вызывает увеличение сопротивления до 0,092 Ом.

Таким образом, отрезка эмальпровода 00,6 мм и длиной 50.100 см более чем достаточно для данных схем выпрямителей. Длина отрезка не должна смущать, так как провод легко размещается на каркасе диаметром более 1 см.

В схеме рис.6 выгодно использовать «таблетки» — КД213, КД2997, 2999. Две «таблетки» на одном радиаторе удобно располагать именно для таких корпусов, как КД213. Везде, где только можно (по напряжению), есть смысл применять диоды с барьером Шотки.

При покупке КД2998 обязательно проверяют его на величину Rобр.

Помните, что перегрев — смерть всех радиокомпонентов. С ростом температуры деградируют p-n-переходы, увеличивается число отказов. Не нужно ориентироваться на завод-изготовитель, у которого основная задача — минимизация расхода материалов и комплектующих, а нужно самим создавать запас надежности и прочности, где это возможно.

Печатная плата

Расположение элементов и рисунок печатной платы показаны на рис.7, 8.

Рис. 7. Расположение деталей на печатной плате устройства.

Рис. 7. Печатная плата устройства.

А.Г. Зызюк. г. Луцк, Украина. Электрик-2004-09,10.

Литература:

1. Зызюк А. Подбор транзисторов для мощных УМЗЧ//Радіоаматор. — 2001. -№6. — С.7.
2. Зызюк А.Г. Переносной вариант измерителя икэ.макс//Электрик. — 2002. -№8. — С.8.
3. Двухполюсный генератор стабильного тока//Радио. — 1981. — №4. — С.61.
4. Шейкина Т.С. Эксплуатация электропитающих установок систем передачи. — М.: Радио и связь, 1982.
5. Силовые трансформаторы типа ТС//Электрик. — 2003. — №11. — С.20.
6. Зызюк А.Г. О трансформаторах//Радіоаматор. — 1998. — №2. — С.37.

Источник стабильного тока от 5 мкА до 20 мА / Хабр

Источник стабильного тока понадобился автору для отладки схем на биполярных транзисторах, которые, как известно, управляются током. Важное требование к нему — изоляция общего провода прибора от общего провода отлаживаемого устройства, поэтому источник питания пришлось взять автономный. Встроенный четырёхразрядный микроамперметр с автоматическим переключением пределов позволяет немного уменьшить количество аппаратуры, одновременно размещаемой на столе экспериментатора.

Идея схемы взята отсюда. Собственно источник стабильного тока устроен так:

Сопротивление резистора R1 некритично, нужно только, чтобы ток базы транзистора Т1 полностью открывал его. Коэффициент передачи тока транзистора BC559C — около 500, верхний предел регулировки тока у источника — 20 мА, значит, 200 мкА через базу — более чем достаточно. Резистор в 10 кОм обеспечит около 1 мА при 10 В, в принципе, можно увеличить его даже до 50 кОм.

Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одинаковыми, но при больших токах параметры Т1 всё равно будут немного «уплывать» из-за небольшого нагрева.

Ток, подаваемый устройством во внешнюю цепь, определяется суммарным сопротивлением резисторов R3 — R5. Их функции: R3 — ограничение тока в случае, если оба переменных резистора вывернуты «в нуль», R4 — точная регулировка тока, R5 — грубая. Ток рассчитывается по формуле I=0.7/(R3+R4+R5), поэтому, например, если резистор R3 взять сопротивлением в 27 Ом, верхний предел регулировки тока составит 0.7/27=25,9мА. На практике получилось 21,6 мА, поскольку падение напряжения на транзисторе Т2 оказалось меньше — около 0,6 В.

Полная схема устройства:

«Крона» питает источник стабильного тока, два элемента ААА — четырёхразрядный микроамперметр. Поэтому выключатель питания взят с двумя нормально разомкнутыми группами контактов. Переключатель S1 позволяет отключить верхнюю клемму и замкнуть источник тока накоротко, чтобы настроить его заранее, до подключения к отлаживаемой схеме.

Параметры на практике получились следующими: максимальный ток — 21,6 мА, максимальный ток при «грубом» регуляторе, вывернутом «в нуль» — 0,3 мА, минимальный — 4,7 мкА. Правда, встроенный микроамперметр меньше 10 мкА не показывает, поэтому внешний иногда может и потребоваться. Выставленный ток остаётся практически неизменным при изменении напряжения на внешней цепи от 0 до 8 В.

Микроамперметр сделан из мультиметра с автоматическим переключением пределов JT-033A фирмы SHENZHEN JINGTENGWEI INDUSTRY CO.,LTD: переключатель режимов удалён, вместо него впаяны перемычки, заставляющие его всегда работать в режиме измерения тока.

Расположение компонентов в корпусе следующее:

Jim сделал симуляцию схемы в Falstad, автор её немного переработал для отображения большего количества параметров, получилось:

$ 1 0.000005 7.619785657297057 65 5 50
t 224 240 176 240 0 -1 0.6771607865907852 -0.5873050244463638 500
t 256 272 304 272 0 -1 1.8738439949380101 -0.6771607865907852 500
r 176 304 176 400 0 10000
v 80 288 80 192 0 0 40 9 0 0 0.5
w 176 304 176 272 3
w 176 272 176 256 0
w 176 224 176 32 1
w 176 32 80 32 0
w 80 32 80 192 0
w 80 288 80 400 0
w 80 400 176 400 3
w 176 400 304 400 0
w 304 336 304 288 3
w 304 240 224 240 1
174 304 128 352 48 0 5000 0.9950000000000001 Resistance
w 176 32 304 32 2
w 304 256 304 240 0
w 304 240 304 208 2
w 304 128 336 128 0
w 352 80 352 128 0
w 352 128 336 128 0
w 256 272 176 272 1
w 304 128 304 208 1
r 304 336 304 400 0 250

Результат симуляции:

А вот результат симуляции при сопротивлении резистора R1 в 100 кОм:

LM334 Цепи постоянного тока Учебное пособие

Рис. 1

Льюис Лофлин

Видео на YouTube для этого проекта:

Источник постоянного тока (CCS) в электронике — это устройство / цепь, которая производит постоянное значение тока независимо от напряжения источника или сопротивления нагрузки. На рис. 1 показана общая схема CCS с использованием биполярного транзистора PNP. Значения Ic = Ib * hfe (бета) транзистора. Цепь постоянного тока также может использоваться в качестве ограничителя тока.

Maxim Semiconductor отмечает следующее, почему нам нужно использовать источник постоянного тока. «При использовании белых светодиодов для подсветки дисплеев или других приложений освещения есть две причины использовать их с постоянным током:»

Во избежание нарушения абсолютного максимального номинального тока и снижения надежности.

Для получения предсказуемой и согласованной силы света и цветности каждого светодиода.

Они отмечают: «Прямой ток vs.прямое напряжение шести случайных белых светодиодов (по три от каждого из двух производителей) … питание этих шести светодиодов, например, напряжением 3,4 В приведет к изменению их прямого тока от 10 мА до 44 мА, в зависимости от светодиода ».

Помимо светодиодов, источники постоянного тока используются с резистивными датчиками, такими как фотоэлементы и термисторы, для большей стабильности и для источников питания с ограничением тока.

См. Источник постоянного тока LM317 для освещения светодиодов

См. Источник постоянного тока LM334 с резистивными датчиками.

На рис. 1 Ib управляется резистором 1 кОм и потенциометром 5 кОм. При Vcc, равном 12 вольт, мы падаем 0,6 вольт на переход база-эмиттер Q1. Мы настраиваем потенциометр на базовый ток 3 мА (0,003 А). Если Q1 имеет hfe 50: Ic = 0,003 * 50 = 150 мА или 0,15 А.

Эти схемы необходимы для работы с матрицами мощных светодиодов. Схема выше проста, может быть немного нестабильной из-за дрейфа температуры с Q1, вызывающего дрейф тока.Эта проблема незначительна по сравнению с дрейфом источника питания, который может вызвать гораздо большую нестабильность.

Рис. 2

На рис. 2 показан более стабильный источник постоянного тока, использующий LM741 OP-AMP. Ток коллектора Ic = (Vcc — Vref) / RE. В приведенном выше примере с Vref = 1,5 В и RE = 10 Ом; (12 В — 10,5 В) / 10 = 150 мА. Эта конструкция более стабильна из-за обратной связи с контактом 2 на LM741, когда изменения температуры вызывают изменения тока с Q1. Потенциал 20 кОм может быть заменен постоянными резисторами.

Большой плюс — Ic не зависит от Q2 hfe — hfe — это усиление постоянного тока.

Это было протестировано и хорошо работало даже при напряжении до 5 В при питании белого светодиода мощностью 150 мА при 3,2 В. Единственная слабость — это колебания тока из-за смены блока питания.

Рис. 3

Рис. 3 использует LM334, трехконтактный источник тока, предназначенный для работы при уровнях тока от 1 мкА до 10 мА, которые устанавливаются внешним резистором Rset. Устройство работает как «настоящий двухконтактный источник тока», не требующий дополнительных подключений питания.«Он также может работать как датчик температуры.

В этом примере я использую LM334 для управления Ib в Q3. Rset — это комбинация R1 и R2, настроенная на 100 Ом. Iset = Ib = 67,7 мВ / Rset = 677 мкА. Ic = Ib * hfe; Ic = 677 мкА * 180 = 120 мА. Q3 был 2N2907. См. Лист технических характеристик LM334.

Это намного превосходит две более ранние схемы, потому что колебания напряжения питания вызывают небольшое измеримое изменение Ic. Но LM334 страдает от максимального тока привода всего 10 мА, и есть много приложений, где требуются гораздо более высокие токи.

В следующем разделе мы рассмотрим использование регулятора переменного напряжения LM317 в режиме источника постоянного тока.

См. Цепи постоянного тока LM317

Выше мы увеличиваем ток из LM317. См. Источник питания

с регулируемым напряжением и током LM317.

Новый апрель 2018 г .:

Домашняя страница Hobby Electronics и домашняя страница для веб-мастеров (Off site.)

Основной источник постоянного тока на полевых МОП-транзисторах

Узнайте о простой версии схемы, которая необходима при разработке аналоговых интегральных схем.

Вспомогательная информация

Что такое неуловимый источник тока?

Источники постоянного тока занимают видное место в упражнениях по анализу цепей и сетевых теоремах, затем они, кажется, более или менее исчезают. . . если вы не дизайнер интегральных схем. Хотя они редко встречаются в типовой конструкции печатных плат, источники тока повсеместны в мире аналоговых ИС. Это потому, что они используются 1) для смещения и 2) в качестве активных нагрузок.

1. Смещение: Транзисторы, работающие как линейные усилители, должны быть смещены таким образом, чтобы они работали в желаемой части своей передаточной характеристики.Наилучший способ сделать это в контексте конструкции ИС — заставить заданный ток течь через сток транзистора (для полевых МОП-транзисторов) или коллектор (для биполярных транзисторов). Этот заданный ток должен быть стабильным и независимым от напряжения на компоненте источника тока. Конечно, ни одна реальная схема никогда не будет идеально стабильной или совершенно невосприимчивой к изменениям напряжения, но, как это обычно бывает в инженерии, совершенство не совсем необходимо.
2. Активные нагрузки: В схемах усилителя можно использовать источники тока вместо резисторов коллектор / сток.Эти «активные нагрузки» обеспечивают более высокий коэффициент усиления по напряжению и позволяют схеме правильно работать при более низком напряжении питания. Кроме того, технология производства ИС отдает предпочтение транзисторам, а не резисторам.

В этой статье я буду называть выходной сигнал источника тока «током смещения» или I _BIAS , потому что я думаю, что приложение смещения является более простым средством для размышлений об основных функциях этой схемы.

Схема источника постоянного тока на полевом МОП-транзисторе

Вот основной источник постоянного тока MOSFET:

На мой взгляд, он на удивление прост — два NMOS-транзистора и резистор.Давайте посмотрим, как работает эта схема.

Как видите, сток Q ₁ замкнут на его затвор. Это означает, что V _G = V _D , и, следовательно, V _GD = 0 В. Итак, Q ₁ находится в отсечке, в области триода или в области насыщения? Он не может быть отключен, потому что, если бы через канал не протекал ток, напряжение затвора было бы на уровне V _DD , и, таким образом, V _GS было бы больше, чем пороговое напряжение V _TH (мы можем безопасно предположим, что V _DD выше, чем V _TH ).Это означает, что Q ₁ всегда будет в режиме насыщения (также называемом «активным» режимом), потому что V _GD = 0 В, и один из способов выразить условие насыщения MOSFET — это то, что V _GD должно быть меньше чем V _TH .

Если мы вспомним, что в затвор полевого МОП-транзистора не течет установившийся ток, мы увидим, что опорный ток I _REF будет таким же, как ток стока Q ₁ . Мы можем настроить этот эталонный ток, выбрав соответствующее значение для R _SET .2 \]

На этом этапе мы игнорируем модуляцию длины канала; следовательно, как указано в уравнении, на ток стока не влияет напряжение сток-исток. Теперь обратите внимание, что оба полевых транзистора имеют свои источники, связанные с землей, а их затворы закорочены вместе — другими словами, оба имеют одинаковое напряжение затвор-исток. Таким образом, если предположить, что оба устройства имеют одинаковые размеры каналов, их токи стока будут одинаковыми, независимо от напряжения на стоке Q ₂ .Это напряжение обозначено как V _CS , что означает напряжение на компоненте c urrent- s wece; это помогает напомнить нам, что Q ₂ , как и любой другой источник тока с хорошим поведением, генерирует ток смещения, на который не влияет напряжение на его выводах. Другими словами, Q ₂ имеет бесконечное выходное сопротивление:

.

В этих условиях ток никогда не протекает через выходное сопротивление R _O , даже если V _CS очень высокое.Это означает, что ток смещения всегда точно равен опорному току.

Распространенное название этой схемы — «текущее зеркало». Вы, вероятно, можете понять, почему — ток, генерируемый зеркалами правого транзистора (то есть аналогичен) опорному току, протекающему через левый транзистор. И это название особенно уместно, если учесть визуальную симметрию, демонстрируемую типичным схематическим изображением.

Кстати, старые ИС часто требовали внешнего резистора для R _SET .Однако в настоящее время производители используют резисторы на кристалле, которые были подрезаны для достижения необходимой точности.

Важность насыщения транзистора

Первым серьезным вызовом идеализированному анализу этой схемы является тот факт, что все разваливается, когда транзистор не находится в состоянии насыщения. Если Q ₂ находится в области триода (AKA linear), ток стока будет сильно зависеть от V _DS . Другими словами, у нас больше нет источника тока, потому что на ток смещения влияет V _CS .Мы знаем, что напряжение затвор-сток Q ₂ должно быть меньше порогового напряжения для поддержания насыщения.

Другими словами, Q ₂ выйдет из области насыщения, когда напряжение стока станет ниже V _TH вольт, чем напряжение затвора. Мы не можем указать это точное число, потому что и напряжение затвора, и пороговое напряжение будут варьироваться от одной реализации к другой.

Разумным примером является следующий: напряжение затвора, необходимое для создания желаемого тока смещения, составляет около 0.9 В, а пороговое напряжение — 0,6 В; это означает, что мы можем поддерживать насыщение, пока V _CS остается выше ~ 0,3 В.

Длина канала модуляции

К сожалению, даже когда наша общая схема гарантирует, что Q ₂ всегда будет в состоянии насыщения, наш источник тока на полевом МОП-транзисторе не совсем идеален. Виной всему является модуляция длины канала.

Суть области насыщения — это «отсеченный» канал, который существует, когда напряжение затвор-сток не превышает пороговое напряжение.

Идея состоит в том, что ток стока становится независимым от V _DS после перекрытия канала, поскольку дальнейшее увеличение напряжения стока не влияет на форму канала. В действительности, однако, увеличение V _DS заставляет «точку отсечки» перемещаться к истоку, и это позволяет напряжению стока оказывать небольшое влияние на ток стока, даже когда полевой транзистор находится в состоянии насыщения. Результат можно представить следующим образом:

I _BIAS теперь является суммой I _REF (определяется R _SET ) и I _ERROR (ток, протекающий через выходное сопротивление).I _ERROR подчиняется простой зависимости закона Ома: более высокое значение V _CS означает большее значение I _ERROR и, следовательно, большее значение I _BIAS , и, таким образом, источник тока больше не зависит от напряжения на его выводах.

Регулировка и рулевое управление

Эта удобная схема источника тока становится еще лучше, если вы понимаете, насколько она гибкая. Сначала давайте посмотрим на регулировку тока, генерируемого Q ₂ . До сих пор мы предполагали, что генерируемый ток такой же, как эталонный, но это верно только тогда, когда транзисторы имеют одинаковое отношение ширины канала к длине канала.2 \]

Ток стока прямо пропорционален отношению ширины к длине, и поэтому мы можем увеличить или уменьшить I _BIAS , просто сделав отношение W / L Q ₂ выше или ниже, чем у Q ₁ . Например, если мы хотим, чтобы ток смещения был в два раза больше, чем эталонный ток, все, что нам нужно сделать, это сохранить длину канала одинаковой и увеличить ширину канала Q ₂ в два раза. (Это может показаться не таким простым, если вы привыкли работать с дискретными полевыми транзисторами, но указание размеров канала является стандартной практикой при проектировании ИС.)

Также довольно просто использовать эту схему для «текущего рулевого управления». Следующая диаграмма иллюстрирует концепцию управления током:

Эта продуманная конструкция позволяет нам генерировать несколько токов смещения из одного эталонного тока. Более того, каждый из этих токов может быть различным — их можно индивидуально изменять, просто регулируя отношение ширины к длине.

Заключение

Мы рассмотрели работу и возможности основного источника постоянного тока MOSFET, а также обсудили ограничения.Как следует из прилагательного «базовый», существуют схемы получше. Но базовая схема — хорошее место для начала, потому что двухтранзисторное токовое зеркало остается концептуальным ядром топологий с более высокими характеристиками.

Активный источник транзистора

»Примечания по электронике

Простейшей формой источника тока является резистор, но активные источники тока, использующие транзисторы, могут обеспечивать гораздо более постоянный ток или управляемый ток.

---

Типы транзисторных цепей включают:
Типы транзисторных цепей Общий эмиттер Эмиттерный повторитель Общая база Пара Дарлингтона Пара Шиклай Текущее зеркало Длиннохвостая пара Источник постоянного тока Множитель емкости Двухтранзисторный усилитель Фильтр высоких частот

См. Также: Конструкция транзисторной схемы

---

Активные источники постоянного тока часто используются в проектировании электронных схем.Некоторые цепи постоянного тока могут быть изготовлены с использованием очень небольшого количества электронных компонентов, но другие, обеспечивающие лучшую производительность, могут использовать несколько больше.

В простейшем источнике постоянного тока используется один электронный компонент: резистор, но часто в источниках постоянного тока используются транзисторы, хотя можно также использовать полевые транзисторы и, где это применимо, вакуумные настройки термоэмиссионных клапанов.

Можно сделать активный источник постоянного тока, используя один транзистор и пару резисторов, хотя также доступны более полные конструкции с использованием нескольких дополнительных электронных компонентов.

Обозначения цепи источника тока

Что такое источник постоянного тока

Базовым элементом является источник тока, а это элемент или блок в цепи, функция которого заключается в обеспечении тока, при этом основное внимание уделяется обеспечению тока, а не напряжения.

Более полезный элемент с точки зрения подачи тока — это то, что называется источником постоянного тока. Этот объект обеспечивает заданный уровень тока независимо от импеданса нагрузки, на которую он пропускает ток.

Теоретический источник постоянного тока сможет обеспечить постоянный ток полностью независимо от импеданса. Проблемы могут возникнуть, когда встречаются очень высокие уровни импеданса или даже разомкнутые цепи, потому что для достижения требуемых уровней тока могут потребоваться очень высокие напряжения.

В связи с этим у реальных источников постоянного тока есть ограничения на диапазон уровней импеданса, при которых они могут обеспечивать постоянный ток.

На графике ВАХ выхода источника постоянного тока характеристика представлена ​​прямой линией.

Есть два типа источников постоянного тока:

• Независимый источник тока: Для этой формы источника тока ток не зависит от какой-либо переменной в цепи. Другими словами, он производит фиксированный ток.

• Управляемый источник тока: Этот вид устройства постоянного тока вырабатывает уровень тока, которым можно управлять с помощью внешнего фактора, такого как управляющее напряжение, но оно сможет обеспечить требуемый уровень тока независимо от Загрузка.

Применения активного источника тока

Источники тока необходимы в различных областях проектирования электронных схем.

Источники тока могут использоваться для смещения транзисторов, а также могут использоваться в качестве активной нагрузки для каскадов усилителей с высоким коэффициентом усиления. Их также можно использовать в качестве источников эмиттера для дифференциальных усилителей — например, они могут использоваться в паре транзисторов с длинными хвостами.

Их также можно использовать в качестве повышающих звеньев с широким диапазоном напряжений в источниках питания и других цепях с широким диапазоном напряжений.Если бы использовались обычные резисторы, то ток значительно варьировался бы в диапазоне напряжений.

Одним из распространенных примеров использования источников тока является управление стабилитроном в цепи регулятора. Поддержание постоянного тока независимо от тока, потребляемого последовательным транзистором в цепи, помогает поддерживать гораздо лучший уровень регулирования.

Отдельные источники тока также необходимы в различных процессах, включая электрохимию и электрофорез.

Таким образом, можно увидеть, что источник постоянного тока является важным схемным блоком, используемым в самых разных областях проектирования электронных схем.

Схема источника тока простого резистора

В простейшей форме цепи постоянного тока используется единственный электронный компонент: резистор. Если напряжение источника намного выше, чем напряжение, при котором требуется ток, то выходной ток будет почти независимым от нагрузки.

Для идеального источника постоянного тока источник напряжения должен иметь бесконечное напряжение, а резистор — бесконечное сопротивление.

Для практических применений напряжение и сопротивление должны позволять току быть достаточно постоянным во всем диапазоне требуемых нагрузок.

Простой источник постоянного тока, состоящий из источника высокого напряжения и резистора высокого номинала

Для схемы выше, ток можно очень легко рассчитать, так как он приблизительно равен I = V / R, потому что Vload (напряжение на нагрузке) намного меньше, чем V (напряжение источника).

Эта простая форма источника тока имеет множество ограничений:

• Высокие значения сопротивления, необходимые для рассеивания мощности, делают цепи неэффективными.
• Необходимы источники высокого напряжения, которые не всегда легко доступны.
• Изменения нагрузки могут вызвать некоторые колебания тока, если недоступны достаточно высокие значения напряжения источника.

Ввиду этих ограничений этот простой источник постоянного тока не широко используется там, где требуется истинный постоянный ток.

Для достижения лучшей производительности при использовании источника более низкого напряжения и меньшей рассеиваемой мощности, хотя и с несколькими дополнительными электронными компонентами, более широко используется активная схема постоянного тока, которая обеспечивает лучшую общую производительность для большинства практических требований.

Основы транзисторного активного источника постоянного тока

Простое использование транзистора позволяет создать гораздо более эффективный источник тока, используя всего несколько дополнительных электронных компонентов, включая транзистор, несколько резисторов и несколько простых уравнений для конструкции электронной схемы.

Источник тока работает из-за того, что ток коллектора в схеме транзистора в раз больше тока базы. Это не зависит от напряжения коллектора при условии, что имеется достаточное напряжение для пропускания тока через нагрузочное устройство в коллекторе.

Однотранзисторный активный источник тока

В этой схеме ток коллектора в β раз больше тока базы. Обычно β велико, и поэтому можно предположить, что ток эмиттера, который в (β + 1) раз больше тока базы, и ток коллектора, который в β раз больше тока базы, одинаковы.

Ввиду этого спроектировать схему для заданного тока несложно.

Ie = (β + 1) Ib

Iload = Ic = βIb

Iload = β Ve (β + 1) Re

Iload = Vb — 0.6Re

NB: это предполагает использование кремниевого транзистора, поскольку падение базового эмиттера составляет 0,6 В

Установкой резисторов R1 и R2 можно установить базовое напряжение. Напряжение эмиттера будет на 0,6 вольт меньше, если предположить, что это кремниевый транзистор. Зная напряжение эмиттера, можно рассчитать ток эмиттера, просто зная закон Ома.

Схема простого стабилизированного активного источника тока

Чтобы устранить любые колебания тока, возникающие из-за изменений напряжения питания, достаточно просто добавить некоторую регулировку в основную схему, заменив несколько электронных компонентов.Это достигается заменой R2 на стабилитрон или опорный диод напряжения.

Транзисторный источник активного тока, использующий стабилитрон для повышения стабильности

Применяются те же уравнения, что и раньше, но с той лишь разницей, что базовое напряжение поддерживается на более постоянном уровне в результате наличия стабилитрона, опорного диода напряжения.

Температурная зависимость активного источника тока

Одним из основных недостатков основного активного источника тока является то, что он в определенной степени зависит от температуры.Для многих приложений это может быть не важно, но там, где требуются очень жестко контролируемые условия, температурные характеристики могут быть очень важны.

Есть два основных варианта:

• Изменения Vbe в зависимости от температуры Эффект изменения Vbe, вызванного температурой, составляет приблизительно -2 мВ / ° C. Это приводит к изменению Vce. Можно рассчитать приблизительное соотношение: ΔVbe примерно равно -0.0001ΔVce.

  Это можно минимизировать, выбрав сопротивление эмиттера достаточно большим, чтобы гарантировать, что изменения напряжения эмиттера в десятки милливольт будут составлять лишь небольшую часть от общего напряжения эмиттера. Однако необходимо следить за тем, чтобы между коллектором и шиной оставалось достаточное напряжение, чтобы пропускать ток через нагрузку и компенсировать любые изменения напряжения питания.

• Изменения β в зависимости от температуры Это может не быть серьезной проблемой, и любые отклонения можно минимизировать, выбрав транзистор с высоким значением H / Hfe.Таким образом, вклад базового тока в ток эмиттера сводится к минимуму, а отклонения уменьшаются, насколько это возможно.

Цепи активного источника тока с хорошей температурной стабильностью

Можно разработать схемы транзисторных активных источников тока, у которых внутренняя температурная стабильность лучше, чем у простых схем, приведенных выше.

Одна из простейших схем — использовать схему, в которой используются транзисторы NPN и PNP. В показанной схеме изменения падения напряжения Vbe в TR1 компенсируются соответствующими изменениями в TR2.В этой схеме следует отметить, что R3 является подтягивающим резистором для коллектора TR1, потому что база TR2 может принимать ток, но не является его источником.

Активный источник тока на транзисторах с температурной компенсацией

Схемы, прежде всего, включают транзисторы, но также могут использоваться другие активные электронные компоненты, включая полевые транзисторы и даже вакуумные лампы / термоэлектронные клапаны. При использовании других электронных компонентов в качестве активного устройства в источнике тока, устройства и схема смещения должны учитывать тот факт, что и полевые транзисторы, и клапаны / лампы управляются напряжением, а не током.Тем не менее их можно использовать так же эффективно.

Транзисторные активные источники тока используются во многих областях, особенно в интегральных схемах и некоторых зарядных устройствах. Они позволяют подавать фиксированный или контролируемый ток независимо от напряжения (в определенных пределах) и поэтому очень полезны.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Как сделать источник постоянного тока

Понимание конкретных схемных решений основано на раскрытии лежащих в их основе основных идей. Итак, давайте посмотрим, что это за идеи в случае …

Для выработки тока по закону Ома I = V / R нам нужны только напряжение и сопротивление. Итак, если бы нагрузка была чисто резистивной, нам понадобился бы только источник напряжения для выработки тока. Изменяя напряжение, мы можем установить желаемую величину тока.

Но если нагрузка ведет себя как источник напряжения (например, аккумуляторная батарея, конденсатор, стабилитрон, короткое замыкание, отрицательный резистор и т. Д.), Нам необходимо дополнительное сопротивление последовательно для установки (ограничения) тока. Таким образом, в общем случае источник тока состоит из двух последовательно соединенных элементов — источника напряжения с напряжением V и резистора с сопротивлением Ri … и он подключен к нагрузке с напряжением VL и сопротивлением RL. Эти четыре элемента соединены по кругу, и каждый из них влияет на величину тока, определяемую соотношением полного напряжения Vt и сопротивления Rt; I = Vt / Rt = (V ± VL) / (Ri ± RL).В этой схеме источник входного напряжения пытается установить ток своим напряжением V и сопротивлением Ri, в то время как нагрузка мешает ему своим напряжением VL и сопротивлением RL. И источник, и нагрузка влияют на общий ток, и проблема состоит в том, чтобы исключить влияние нагрузки на ток.

Самый простой способ (типичный для электрических цепей) — значительно увеличить как напряжение, так и сопротивление входного источника (это хорошо известное определение идеального источника тока из учебников по электротехнике).Они высокие, но постоянные (статические) … и в этом беда. Таким образом, напряжение и сопротивление нагрузки становятся незначительными по сравнению с входным источником. Понятно, что создание хорошего источника тока таким образом связано с большими потерями мощности в сопротивлении.

Более умный способ (типичный для электронных схем) — это изменять напряжение или сопротивление источника. Они динамичные, но низкие … поэтому потери мощности низкие … и это прибыль. У нас есть иллюзия чрезвычайно высокого (дифференциального) сопротивления, но фактическое (статическое) сопротивление низкое.Посмотрим, как эта идея реализуется на практике …

Хитрость в том, что , когда нагрузка увеличивает / уменьшает свое напряжение или сопротивление, источник уменьшает / увеличивает свое напряжение или сопротивление с тем же значением ; так что ток не меняется.

Эту компенсацию можно выполнить без какой-либо отрицательной обратной связи с помощью следующего источника напряжения (так называемая «самозагрузка») или резистора для стабилизации тока (реализуемого BJT или полевым транзистором с постоянным входным напряжением).

Один из вариантов этого метода состоит в том, чтобы вместо изменения самого напряжения источника добавить дополнительное напряжение последовательно к постоянному напряжению источника , таким образом компенсируя влияние нагрузки. Эта идея реализована, например, в инвертирующем источнике тока операционного усилителя.

Еще одна более экстравагантная идея — это для подачи дополнительного тока в нагрузку путем подключения дополнительного источника тока параллельно основному входному источнику . Это реализовано в текущем источнике Howland.

Вы можете больше узнать об этих методах в моих рассказах о схемах об источниках постоянного тока.

В заключение, сила этого подхода заключается в том, что, зная основные идеи, мы можем объяснить и реализовать конкретные конфигурации схем из прошлого, настоящего и будущего (реализованные лампами, BJT, полевыми транзисторами, операционными усилителями и т. Д.).

Что такое текущий источник?

Прочитав ваши комментарии, я дам несколько иной ответ на этот вопрос.

Что такое текущий источник? Ничего особенного, или, проще говоря, это просто математическая модель.Тот, который вы описываете, не существует, как не существует источника напряжения.

Я думаю, что основная проблема здесь связана с этим утверждением: , например, батарея, которая имеет постоянную разность потенциалов на концах, независимо от изменений в цепи, к которой она подключена, , что неверно. Это поведение идеальной батареи, которая реальна как идеальный источник тока и как идеальный источник тока не существует. На выход (и внутреннее состояние) каждой реальной батареи влияет схема, к которой она подключена.

Так зачем нам источники напряжения и тока? Идея состоит в том, что работа инженера состоит в том, чтобы сконструировать устройство, которое делает что-то довольно хорошо и, как выясняется, для полного понимания того, как каждый компонент, используемый в устройстве, не нужен. Вот почему у нас есть такие вещи, как идеальные источники тока и напряжения.

Вернемся еще раз к примеру с батареей. Вот простой эксперимент, который я проделал с литий-полимерным аккумулятором, который у меня есть: сначала я полностью зарядил аккумулятор.Поскольку это двухэлементный аккумулятор, его напряжение при полной зарядке составляло 8,4 В, хотя его номинальное напряжение составляет 7,4 В. Затем я подключил к аккумулятору резистор \ $ 100 \ mbox {} k \ Omega \ $. Его напряжение осталось 8,4 В, и из этого я мог бы сделать вывод, что батарея действительно является идеальным источником напряжения, так как я подключил к ней нагрузку, но ее напряжение не изменилось. Затем я взял электродвигатель, который у меня есть, подключил его к батарее и снова измерил напряжение батареи. На этот раз оно составило 8,2 В.Очевидно, что двигатель повлиял на батарею, и она больше не является идеальным источником напряжения, хотя это та же батарея, что и раньше. Итак, я отключил двигатель и снова подключил резистор, и снова напряжение на батарее было 8,4 В.

Так что здесь происходит? Аккумулятор — идеальный источник напряжения или нет? Мы знаем, что это не потому, что я сказал об этом в начале ответа, но здесь я объясню, почему иногда кажется, что это так, а иногда кажется, что это не так. Как я уже сказал, источник напряжения — это математическая модель.Когда внешняя цепь не оказывает большого влияния на работу батареи, я могу ее использовать, а когда внешняя цепь действительно оказывает большое влияние на батарею, я не могу ее использовать. Итак, мы используем простую модель для представления поведения реальной схемы. Другая модель — использовать идеальный источник напряжения с последовательно включенным резистором на выходе. Когда я подключаю внешнюю нагрузку к этой цепи, некоторое напряжение на внутреннем резисторе будет падать, и внешний резистор будет видеть более низкое напряжение на выходе.Это позволяет мне снова использовать идеальный источник напряжения для представления батареи, и, поскольку я использую внутренний резистор вместе с идеальным источником напряжения, выход будет более точно отражать поведение реальной батареи. Если мне нужна более высокая точность, я могу решить использовать более сложную модель и получить более точные результаты.

Важным моментом в электротехнике является изучение того, когда использовать правильную модель для представления чрезвычайно сложного компонента реальной схемы (и даже скромный резистор при детальном анализе является шедевром современной науки).Но чтобы сделать это, мы начнем с простых схем, чтобы узнать, как на самом деле работают простейшие математические модели.

Когда мы начинаем анализ более сложных компонентов схемы, таких как, например, транзистор или диод, мы разбиваем их на простую схему, состоящую из таких элементов, как резисторы и идеальные источники тока и напряжения. Это позволит нам упростить поведение более сложного компонента и избежать подробного анализа того, как он работает, если для наших нужд достаточно простой модели.

Полностью такая же история работает с источниками тока, но я решил не рассказывать ее здесь, поскольку, как вы можете видеть из других ответов, схемы, которые можно смоделировать как идеальные источники тока, слишком сложны для понимания на данном этапе.

Итак, подведем итог: не существует реальных объектов, которые можно было бы использовать для представления идеальных источников напряжения и тока, но есть некоторые объекты, которые могут быть (в некоторых случаях довольно близко) представлены идеальными источниками напряжения и тока.Лучшее, что вы можете сделать сейчас, — это правильно запомнить определения идеальных источников напряжения и тока и не путать их с реальными объектами. Таким образом, вы не удивитесь, если батарея не обеспечивает свое номинальное напряжение или если цепь, обозначенная как идеальный источник тока, в какой-то момент начнет дымиться, хотя она должна быть полностью невосприимчивой к внешним изменениям в цепи.

В качестве примечания рассмотрим, что происходит с идеальным источником напряжения, когда его выходы закорочены, и что происходит с идеальным источником тока, когда его выходы разомкнуты? И что происходит, когда вы закорачиваете батарею, и почему на всех батареях есть предупреждение, чтобы не закорачивали выходные контакты?

Методы контуров токового выхода добавляют универсальности вашему аналоговому набору инструментов

Хотя токовые зеркала и схемы, такие как источник тока Хауленда, изучаются на курсах аналоговых схем, удивительное количество инженеров склонны думать исключительно с точки зрения напряжения при определении выхода прецизионная аналоговая схемотехника.К сожалению, токовые выходы имеют преимущества в ряде ситуаций, включая аналоговую сигнализацию токовой петли (от 0 мА до 20 мА и от 4 мА до 20 мА) в средах с высоким уровнем шума и смещение уровня аналогового сигнала на большой разность потенциалов без использования методов оптической или магнитной изоляции. В этой статье кратко излагаются некоторые из доступных методов и предлагается ряд полезных схем.

Очень легко получить стабильный выходной ток. В простейшем методе используется токовое зеркало: два идентичных транзистора, изготовленные на одной микросхеме, так что их процесс, геометрия и температура идентичны, подключаются, как показано на рисунке 1.Напряжение база-эмиттер одинаково для обоих устройств, поэтому выходной ток, протекающий в коллекторе T2, такой же, как входной ток, протекающий в коллекторе T1.

Рисунок 1. Базовое токовое зеркало.

Этот анализ предполагает, что T1 и T2 идентичны и изотермичны, и что их коэффициент усиления по току настолько велик, что базовые токи можно не учитывать. Он также игнорирует раннее напряжение, которое заставляет ток коллектора изменяться с изменением напряжения коллектора.

Эти токовые зеркала могут быть изготовлены на транзисторах NPN или PNP.При формировании T2 с n транзисторами, соединенными параллельно, выходной ток будет в n раз больше входного тока, как показано на рисунке 2a. Если T1 состоит из m транзисторов и T2 n транзисторов, то выходной ток будет в n / m в раз больше входного тока, как показано на рисунке 2b.

Рис. 2. (а) многоступенчатое токовое зеркало и (б) токовое зеркало с нецелым отношением.
Три коллектора T2 можно соединить, чтобы получить 3I _IN .

Если влияние раннего напряжения важно, его можно минимизировать, используя немного более сложное токовое зеркало Вильсона. Варианты с тремя и четырьмя транзисторами показаны на рисунке 3. Версия с четырьмя транзисторами более точна и имеет более широкий динамический диапазон.

Рисунок 3. Токовое зеркало Вильсона. T4 не является обязательным, но улучшает точность и динамический диапазон.

Когда требуется усилитель крутизны (напряжение_вход / ток_выход), его можно сделать с операционным усилителем с однополярным питанием, БЮТ или полевым транзистором (МОП-транзистор обычно является лучшим выбором, поскольку нет ошибки базового тока) и прецизионным резистором. который определяет крутизну, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Усилитель крутизны. V _IN — I _OUT .

Схема простая и недорогая. Напряжение на затворе MOSFET устанавливает ток в MOSFET и R1 таким образом, что V1, напряжение на R1, равно входному напряжению V _IN .

Если внутри монолитной ИС требуется токовое зеркало, идеально подходят простые транзисторные токовые зеркала. Однако при использовании дискретной схемы высокая цена согласованных транзисторов (из-за их ограниченного спроса, а не из-за каких-либо производственных трудностей) делает токовое зеркало операционного усилителя, показанное на рисунке 5, наименее дорогостоящим методом.В этом токовом зеркале используется усилитель крутизны и один дополнительный резистор.

Рисунок 5. Токовое зеркало операционного усилителя.

Токовые зеркала имеют относительно высокий, иногда нелинейный входной импеданс, поэтому они должны питаться током от источника тока с высоким импедансом (иногда известного как жесткий источник тока ). Операционный усилитель необходим, если входной ток должен иметь приемник с низким сопротивлением. На рисунке 6 показаны два зеркала с малым током Z _IN .

Рис. 6. (a) Инвертирующее зеркало с малым током Z _IN и (b) неинвертирующее зеркало с малым током Z _IN .

У базовых токовых зеркал и источников полярности входного и выходного тока одинаковы. Обычно эмиттеры / истоки выходных транзисторов заземляются напрямую или через чувствительный резистор, и выходной ток течет от коллектора / стока к нагрузке, другой вывод которой подключен к источнику постоянного тока. Это не всегда удобно, особенно когда необходимо заземлить одну клемму нагрузки. Это не проблема, если в схеме может быть эмиттер / источник на источнике постоянного тока, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Токовое зеркало для заземленной нагрузки.

Если вход тока или напряжения относится к земле, необходимо использовать сдвиг уровня. Возможны различные схемы, но система, показанная на рисунке 8, подходит для многих ситуаций. Эта простая схема использует источник тока на земле для возбуждения токового зеркала на источнике постоянного тока, которое управляет нагрузкой. Обратите внимание, что текущее зеркало может иметь усиление, поэтому ток сигнала не обязательно должен быть таким большим, как ток нагрузки.

Рисунок 8. Уровневые зеркала тока.

Цепи, которые мы обсуждали до сих пор, являются униполярными (ток течет в одном направлении), но также возможно создание биполярных цепей. Самым простым и наиболее известным является токовый насос Хауленда, показанный на рисунке 9. Эта простая схема имеет ряд проблем: она требует очень точного согласования резисторов для получения высокого выходного сопротивления; импеданс источника входного сигнала добавляется к сопротивлению R1, поэтому он должен быть очень низким, чтобы минимизировать ошибку согласования; напряжение питания должно быть существенно выше максимального выходного напряжения; и CMRR операционного усилителя должен быть достаточно хорошим.

Рисунок 9. Токовый насос Howland. Биполярный токовый выход.

Современные высокопроизводительные инструментальные усилители (входные усилители) недороги, поэтому довольно просто сделать биполярный источник тока, используя операционный усилитель, входной усилитель и резистор для измерения тока, как показано на рисунке 10. Такие схемы проще, чем насос Howland, не зависят от сети резисторов (кроме той, которая интегрирована с входным усилителем), и могут иметь колебания напряжения с точностью до 500 мВ от каждого источника питания.

Рисунок 10.Биполярный операционный усилитель.

Схемы, которые мы рассматривали до этого момента, представляют собой усилители с прецизионными токовыми выходами. Конечно, их можно использовать с фиксированным входом в качестве точных источников тока, но можно построить более простые двухконтактные источники тока. Слаботочный источник опорного напряжения ADR291 имеет ток в режиме ожидания около 10 мкА с типичным температурным коэффициентом 20 нА / ° C. Добавив сопротивление нагрузки, как показано на рисунке 11, эталонный ток в диапазоне питания от 3 до 15 В составит (2,5 / R + 0.01) мА, где R — сопротивление нагрузки в кОм.

Рисунок 11. 2-контактный источник тока.

Если точность не является проблемой и все, что требуется, — это жесткий униполярный источник тока, источник тока может быть построен с полевым транзистором, работающим в режиме обеднения, и резистором. Эта схема, показанная на рисунке 12, не отличается особой температурной стабильностью, и для данного значения R ток может значительно варьироваться от устройства к устройству, но это просто и недорого.

Рисунок 12. Источник тока на полевом транзисторе.

Недавно мне потребовалось питание для некоторых светодиодов.Несколько друзей-инженеров подумали, что у меня возникнут проблемы с изготовлением источника переменного тока, необходимого для их регулировки яркости. Фактически, я быстро модифицировал некоторые блоки питания для ноутбуков из «черного кирпича» (купленные за гроши на распродаже автомобильных багажников), чтобы выполнять эту работу. На рисунке 13 показана простая модификация, которая подает на светодиоды постоянный ток. При малых выходных токах он нормально работает с фиксированным выходным напряжением.

Рис. 13. Импульсный блок питания «черный кирпич», модифицированный для выхода с ограничением тока.

Для создания переменного тока опорное напряжение — из черного кирпича или локальное — подается на потенциометр, обозначенный P1 и P2.OPA2 и MOSFET посылают небольшой ток через R1, вызывая падение напряжения на нем. Ток нагрузки протекает через резистор считывания. Если падение напряжения на измерительном резисторе из-за тока нагрузки превышает падение на R1, выход OPA1 будет повышаться, игнорируя управление напряжением в модуле и ограничивая его выходное напряжение, чтобы предотвратить превышение выходного тока предела.

Это обсуждение основных идей об источниках тока не является подробным указанием по применению. Некоторые схемы требуют дополнительных проектных работ для ограничения (или рассеивания) тепла, обеспечения стабильности усилителя и недопущения превышения абсолютных максимальных номинальных значений, а также для расчета практических пределов производительности.Для более подробного анализа этих схем обратитесь к хорошему учебнику по электронике, на веб-сайте Analog Devices или даже в Википедии.

Рекомендации

AN-1208 Примечание по применению. Программируемый двунаправленный источник тока с использованием цифрового потенциометра AD5292 и операционного усилителя ADA4091-4. Analog Devices, Inc., 2013.

.

Ан-1530. Высокоточные и недорогие источники тока с использованием дифференциального усилителя AD8276 и операционного усилителя AD8603.

Цепная записка

CN-0151. Универсальные высокоточные программируемые источники тока с использованием ЦАП, операционных усилителей и полевых МОП-транзисторов.

Murnane, Мартин. Замечания по применению AN-968. Текущие источники: варианты и схемы. Analog Devices, Inc., 2008.

Контролируемый источник тока

— обзор

Источник тока, управляемый напряжением в усилителе

На Рисунке 2-30 показан прецизионный источник тока, управляемый напряжением, использующий импульсный ток. Входное напряжение V _IN создает выходное напряжение V _OUT , равное GV _IN между выходным контактом AD620 и контактом REF.При показанных подключениях напряжение V _OUT также подается на измерительный резистор R _SENSE , создавая ток нагрузки V _OUT / R _SENSE . OP97 действует как буфер единичного усиления для изоляции нагрузки от импеданса 20 кОм на выводе REF AD620. В этой схеме входное напряжение может быть плавающим по отношению к заземлению нагрузки (до тех пор, пока существует путь для токов смещения в усилителе). Высокий CMR входного усилителя позволяет достичь высокой точности тока нагрузки, несмотря на напряжения CM.

Рисунок 2-30. Прецизионный источник тока, управляемый напряжением, с использованием входного усилителя

Схема будет работать как для больших, так и для малых значений G в AD620. Самая простая форма — позволить G = 1 с открытым R _G . В этом случае V _OUT = V _IN , а I _LOAD пропорционален V _IN . Но коэффициент усиления входного усилителя можно легко использовать для масштабирования практически любого входного напряжения до желаемого уровня тока.

Соответствие выходному напряжению нагрузки обычно составляет ± 10 В при работе с источниками питания ± 15 В, а допустимые токи нагрузки до ± 15 мА ограничиваются приводом AD620.Типичным рабочим условием может быть полный ток нагрузки 10 мА, полный диапазон V _OUT = 0,5 В и R _SENSE = 50 Ом.

Для малых значений R _SENSE буфер OP97 может быть устранен при условии, что результирующая ошибка, вызванная эффектом нагрузки вывода AD620 REF, является приемлемой. В этом случае нагрузка и нижний узел R _SENSE будут подключены непосредственно к выводу REF в усилителе.

Существует множество других полезных вариаций базовой схемы, которые можно легко добавить.Для токов до 50 мА между выходом AD620 и верхней частью R _SENSE можно добавить единичный буфер с малым смещением. Это снимет весь ток нагрузки с AD620, что позволит ему работать с максимальной линейностью.

Схема также очень полезна при очень малых токах. Он будет хорошо работать с OP97 до 1 мкА, прежде чем ток смещения операционного усилителя станет ограничением производительности. Для еще более низких токов можно легко заменить прецизионный операционный усилитель с полевым транзистором на полевых транзисторах, такой как AD8610.Этот шаг позволит получить точные значения токов низкого уровня до менее 1 нА. Обратите внимание, что AD8610 должен работать при напряжении питания ± 13 В или меньше, но это не обязательно проблема (AD620 по-прежнему будет хорошо работать при напряжении питания до ± 2,5 В).

Фактор, который может быть неочевидным, заключается в том, что способность выходного тока этого источника тока является двусторонней, как показано. Это делает эту форму источника тока большим преимуществом по сравнению с источниками тока типа Howland, которые всегда проблематичны из-за большого количества требуемых резисторов, которые должны быть хорошо согласованы и стабильны для хорошей производительности.