Вопрос 2. Идеальные и реальные источники тока, их особенности.

 

Оченьхороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.1). 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

.

 

 

Рисунок 2.1 - Транзисторный источник тока - основная идея.

 

Так как для больших значений коэффициента   =, то  независимо от напряжения U_к до тех пор, пока тран­зистор не перейдет в режим насыщения (U_к > U_э + 0.2 В).

 

Рисунок 2.2 – Схема транзисторных источников тока

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. Можно воспользоваться также Зенеровским диодом и использовать для смешения источник питания  ,a можно взять несколько диодов, смешенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.2 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.2, в) транзистор р-п-р- типа питает током заземленную нагрузку (он источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы п- 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 около 100 кОм (для = 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.

Основным параметром источника тока является - 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  не должно превышать значение  напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения ).

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

Недостатки источников тока. Как силь­но отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, из­меняется ли ток в нагрузке при измене­нии, скажем напряжения, т е имеет ли источник тока эквивалентное сопротивле­ние конечной величины ( < )? И если да, то почему? Наблюдаются эффекты двух видов:

При заданном токе коллектора и напряжение , и коэффициент  (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмит­тер. Изменение напряжения , 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  приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фик­сированном токе эмиттера, так как ; кроме того, немного изменяет­ся напряжение на базе в связи с возмож­ным изменением сопротивления источни­ка смещения, обусловленного изменения­ми коэффициента (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначитель­ны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис.2.2,а, 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.

Напряжение  и коэффициент  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 (  в зависимости от температуры окружаю­щей среды можно скомпенсировать с по­мощью схемы, показанной на рис. 2.3.

В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т₂ ком­пенсируется падением напряжения на эмитерном переходе Т₁ который имеет такие же температурные характеристики Резистор R₃ играет роль нагрузки для Т₁ необходимой для задания втекающего тока базы транзистора T₂.

Улучшение характеристик источника то­ ка. Вообще говоря, изменение напряже­ния вызванное как влиянием темпе­ратуры (относительное изменение состав­ляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения  (эффект Эрли оценивается величиной 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 = 0,1 В (т. е. к базе приложе­но напряжение 0,7 В), то изменение напря­жения U'_6э на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же U_э = = 1,0 В, то такое же изменение U_6э вызы­вает изменение тока на 1%. Однако, не стоит заходить слишком далеко.

 

Рисунок 2.3 - Изменение напряжения   в зависимости от температуры окружаю­щей среды можно скомпенсировать.

 

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).

  На рис. 2.4 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока. Источник тока T₁, 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 ).

 

Рисунок 2.4 - Улучшенный источник тока

 

В этой схеме напряжение U_кэ (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 «каскад»).

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