Генератор тока на транзисторах описание

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.

Устройство и принцип действия источника стабильного тока. (10+)

Источник тока. Принцип действия. Расчет

Источники стабильного тока применяются, когда нужно обеспечить заданный ток вне зависимости от напряжения и сопротивления нагрузки. Источник (генератор) тока обладает большим дифференциальным сопротивлением. Это означает, что сила тока через генератор тока в рабочем режиме мало зависит от напряжения на нем. В идеале дифференциальное сопротивление источника тока должно быть равно бесконечности, то есть ток не должен зависеть от напряжения. Реальные источники тока обладают дифференциальным сопротивлением от 1 МОм.

Обозначение источника (стабилизатора, генератора) тока на схемах

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Типичные реализации источника, генератора тока

Приведенные схемы обладают рядом серьезных недостатков. Схема A1 на полевом транзисторе — одна из худших реализаций. Рассчитать ее параметры невозможно, так как они зависят от индивидуальных особенностей экземпляра полевого транзистора. Нужный ток устанавливается подбором резистора. Схема может функционировать, когда сопротивление резистора равно 0. Дифференциальное сопротивление (а значит стабильность тока) схемы невысоко, нередко оно бывает меньше 200 кОм. На работу этого варианта сильно влияет температура полевого транзистора. Преимущество одно — это действительно двухполюсник. Он не требует подвода дополнительного питания. Это бывает очень важно в некоторых схемах.

Схема A2 обладает гораздо лучшими характеристиками. В случае применения транзисторов с большим коэффициентом передачи тока, схема может иметь дифференциальное сопротивление выше 1 МОм (10 МОм, или даже больше). Но вывода у схемы не два, а три. Так что она может быть включена только в некоторые электронные схемы, в которых один вывод источника тока подключен к шине питания или общему проводу, и есть возможность подвести к одному из выводов общий провод или питание соответственно. На рисунке приведена схема с подключением к шине питания. Схема с подключением к общему проводу выглядит совершенно аналогично с той разницей, что ее надо перевернуть и поменять проводимость транзистора и полярность стабилитрона.

Обратите внимание, что в схеме в качестве источника опорного напряжения используется стабилитрон. Для стабилитронов характерна зависимость напряжения стабилизации от температуры. Помните об этом при проектировании источников тока. Стабилитрон может быть источником шумов. Чтобы уменьшить их влияние на работу устройства параллельно стабилитрону можно подключить керамический конденсатор емкость 0.1 мкФ.

Расчет транзисторного источника тока

Принцип действия приведенной схемы основан на том, что напряжение на резисторе R1 поддерживается равным напряжению на стабилитроне минус напряжение насыщения эмиттерного перехода транзистора. Напряжение на резисторе пропорционально току нагрузки. Так что этот ток также поддерживается на заданном уровне. Если ток нагрузки падает, то напряжение на резисторе также падает. Ток базы транзистора растет, что приводит к открытию транзистора и росту тока. Если ток нагрузки растет, то транзистор наоборот закрывается.

Ориентировочный расчет транзисторного источника тока можно выполнить так. Выбираем стабилитрон. Вычисляем напряжение на резисторе R1.

[Напряжение на резисторе R1, В] = [Напряжение стабилизации стабилитрона, В] — [Напряжение насыщения эмиттерного перехода транзистора, В]

Исходя из необходимой силы тока, определяем сопротивление резистора R1.

[Сопротивление резистора R1, Ом] = [Напряжение на резисторе R1, В] / [Необходимая сила тока источника, А]

[Сопротивление резистора R2, Ом] = 0.8 * ([Напряжение питания, В] — [Напряжение стабилизации стабилитрона, В]) * [Коэффициент передачи тока транзистора] / [Необходимая сила тока источника, А]

[Максимально возможное напряжение на нагрузке, В] = [Напряжение питания, В] — [Напряжение на резисторе R1, В] — [Напряжение насыщения коллектор — эмиттер транзистора, В]

[Мощность транзистора, Вт] = ([Напряжение питания, В] — [Напряжение на резисторе R1, В]) * [Необходимая сила тока источника, А]

[Мощность стабилитрона, Вт] = 0.25 * [Необходимая сила тока источника, А] * [Напряжение стабилизации стабилитрона, В] / [Коэффициент передачи тока транзистора]

[Мощность резистора R1, Вт] = [Напряжение на резисторе R1, В] * [Необходимая сила тока источника, А]

[Мощность резистора R2, Вт] = ([Напряжение питания, В] — [Напряжение стабилизации стабилитрона, В]) ^ 2 / [Сопротивление резистора R2, Ом]

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Составной транзистор. Схемы Дарлингтона, Шиклаи. Расчет, применение.
Составной транзистор — схемы, применение, расчет параметров. Схемы Дарлингтона, .

Токовое управление. Транзисторная схемотехника, схема. Ток. Электроник.
Усилитель ВЧ. Пример схемы специально для биполярного транзистора. Схемотехничес.

Простой импульсный прямоходовый преобразователь напряжения. 5 — 12 вол.
Схема простого преобразователя напряжения для питания операционного усилителя.

Транзисторы КТ502, 2Т502. Справочник, справочные данные, параметры, цо.
Характеристики и применение биполярных транзисторов КТ502 (КТ502А, КТ502Б, КТ502.

Здесь много схем на недорогой элементной базе. Блоки питания, преобразователи и т.п.

1. Схема зарядного устройства от аккумуляторного фонаря (опасно для аккумуляторов)