Как построить текущую схему зеркала

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Два транзистора NPN - рекомендуются модели 2N2222 или 2N3403 (каталог Radio Shack № 276-1617 представляет собой пакет из пятнадцати транзисторов NPN, идеально подходящих для этого и других экспериментов).
• Две 6-вольтовые батареи.
• Один однооборотный потенциометр 10 кОм с линейным конусом (каталог Radio Shack № 271-1715).
• Два резистора 10 кОм.
• Четыре резистора 1,5 кОм.

Рекомендуется использовать малосигнальные транзисторы, чтобы иметь возможность испытать «тепловой разгон» в последней части эксперимента. Более мощные транзисторы могут не демонстрировать такое поведение при таких низких уровнях тока. Однако любой пара идентичных NPN-транзисторов может быть использована для создания токового зеркала.

Помните, что не все транзисторы имеют одинаковые обозначения клемм или распиновку . , даже если они имеют одинаковый внешний вид.

От этого будет зависеть, как вы будете соединять транзисторы вместе и с другими компонентами, поэтому обязательно проверьте спецификации производителя (техническое описание компонентов), которые легко получить на веб-сайте производителя. Помните, что на корпусе транзистора и даже в таблице данных производителя могут отображаться неправильные схемы идентификации клемм!

Настоятельно рекомендуется дважды проверить идентификацию контактов с помощью функции «проверка диодов» мультиметра. Подробнее о том, как определить выводы биполярных транзисторов с помощью мультиметра, см. В главе 4 тома «Полупроводники» (том III) этой серии книг.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 4:«Биполярные переходные транзисторы»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Как построить схему зеркала тока
• Текущие ограничения схемы токового зеркала
• Температурная зависимость БЮТ
• Испытайте контролируемую ситуацию «теплового разгона».

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Токовое зеркало можно рассматривать как регулируемый регулятор тока . , ограничение тока легко устанавливается одним сопротивлением. Это довольно грубая схема регулятора тока, но она находит широкое применение благодаря своей простоте.

В этом эксперименте вы получите возможность построить одну из этих схем, изучить ее свойства регулирования тока, а также на собственном опыте испытать некоторые из ее практических ограничений. Постройте схему, как показано на схеме и иллюстрации.

У вас будет один дополнительный резистор с фиксированным номиналом 1,5 кОм из деталей, указанных в списке деталей. Вы будете использовать его в последней части этого эксперимента.

Потенциометр устанавливает величину тока через транзистор Q ₁ . Этот транзистор подключен, чтобы действовать как простой диод:просто PN-переход.

Зачем использовать транзистор вместо обычного диода? Поскольку важно соответствовать характеристики перехода этих двух транзисторов при использовании их в схеме токового зеркала. Напряжение упало на переходе база-эмиттер Q ₁ проходит через переход база-эмиттер другого транзистора, Q ₂ , заставляя его «включиться» и аналогичным образом провести ток.

Поскольку напряжение на переходах база-эмиттер двух транзисторов одинаково - две пары переходов соединены параллельно друг другу, - поэтому ток должен проходить через их базовые выводы, предполагая идентичные характеристики перехода и идентичные температуры перехода. Согласованные транзисторы также должны иметь одинаковое соотношение β, поэтому одинаковые базовые токи означают одинаковые токи коллектора.

Практический результат всего этого - Q ₂ Ток коллектора имитирует любую величину тока, установленную через коллектор Q ₁ потенциометром. Другими словами, ток через Q ₂ зеркала ток через Q ₁ . Изменение сопротивления нагрузки (сопротивление подключения коллектора Q ₂ к положительной стороне батареи) не влияют на Q ₁ Ток и, следовательно, не влияют на напряжение база-эмиттер или базовый ток Q ₂ .

При постоянном базовом токе и почти постоянном коэффициенте β Q ₂ будет падать столько или меньше напряжения коллектор-эмиттер, сколько необходимо для поддержания постоянного тока коллектора (нагрузки). Таким образом, схема текущего зеркала действует, чтобы регулировать ток при значении, установленном потенциометром, без учета сопротивления нагрузки.

Во всяком случае, так оно и должно работать. В действительности все не так просто, как вы сейчас увидите.

На показанной принципиальной схеме цепь нагрузки Q ₂ подключается к положительной стороне батареи через амперметр для облегчения измерения тока. Вместо того, чтобы надежно подключить черный щуп амперметра к определенной точке цепи, я отметил пять контрольных точек , TP1 - TP5, чтобы вы могли прикоснуться к черному щупу при измерении тока.

Это позволяет быстро и без усилий изменять сопротивление нагрузки:прикосновение щупа к TP1 практически не приводит к сопротивлению нагрузки, а прикосновение к TP5 дает сопротивление нагрузки примерно 14,5 кОм. Чтобы начать эксперимент, прикоснитесь щупом к TP4 и отрегулируйте потенциометр по диапазону его хода.

Вы должны увидеть небольшой изменяющийся ток, показываемый вашим амперметром при перемещении механизма потенциометра:не более нескольких миллиампер. Оставьте потенциометр в положении, обеспечивающем круглое число миллиампер, и переместите черный измерительный щуп измерителя в TP3.

Текущая индикация должна быть почти такой же, как и раньше. Переместите датчик к TP2, затем к TP1.

Опять же, вы должны увидеть почти неизменное количество тока. Попробуйте установить потенциометр в другое положение, чтобы получить другую индикацию тока, и прикоснитесь черным щупом измерителя к контрольным точкам с TP1 по TP4, отмечая стабильность показаний тока при изменении сопротивления нагрузки.

Это демонстрирует текущее регулирование поведение этой схемы. Обратите внимание, что действующие правила несовершенны.

Несмотря на регулирование тока на почти значение сопротивления нагрузки от 0 до 4,5 кОм, в этом диапазоне есть некоторые отклонения. Регулировка может быть намного хуже, если сопротивление нагрузки будет повышаться слишком высоко.

Попробуйте отрегулировать потенциометр так, чтобы получить максимальный ток, как показано на щупе амперметра, подключенном к TP1. Оставив потенциометр в этом положении, переместите датчик измерителя в TP2, затем TP3, затем TP4 и, наконец, TP5, отмечая показания измерителя в каждой точке подключения.

Ток следует регулировать почти на постоянном уровне до тех пор, пока измерительный щуп не переместится в последнюю контрольную точку TP5. Здесь текущее показание будет существенно ниже, чем в других контрольных точках.

Почему это? Поскольку в Q ₂ вставлено слишком большое сопротивление нагрузки Схема. Проще говоря, Q ₂ не может «включиться» больше, чем уже есть, для поддержания того же количества тока при таком большом сопротивлении нагрузки, как и при меньшем сопротивлении нагрузки.

Это явление характерно для всех схем регулятора тока:существует ограниченное количество сопротивления, с которым регулятор тока может справиться, прежде чем он насыщается . . Это понятно, поскольку любая схема регулятора тока, способная подавать постоянный ток через любой Вообразимое сопротивление нагрузки потребует для этого неограниченного источника напряжения!

Закон Ома (E =IR) диктует количество напряжения, необходимое для проталкивания заданного количества тока через заданное сопротивление, и имея в нашем распоряжении только 12 вольт напряжения источника питания, конечный предел тока нагрузки и сопротивления нагрузки определенно существует для этой схемы. По этой причине может быть полезно думать о схемах регулятора тока как о ограничителе . цепей, поскольку все, что они действительно могут сделать, это ограничить ток до некоторого максимального значения.

Важное предостережение для цепей токового зеркала, как правило, - это одинаковая температура между двумя транзисторами. «Зеркальное отражение» тока между коллекторными цепями двух транзисторов зависит от переходов база-эмиттер этих двух транзисторов, имеющих абсолютно одинаковые свойства.

Как описывает «уравнение диода», соотношение напряжение / ток для PN-перехода сильно зависит от температуры перехода. . Чем горячее PN-переход, тем больше тока он будет пропускать при заданном падении напряжения.

Если один транзистор станет более горячим, чем другой, он будет пропускать больший ток коллектора, чем другой, и схема больше не будет «отражать» ток, как ожидалось. При создании схемы зеркала реального тока с использованием дискретных транзисторов, два транзистора должны быть склеены эпоксидной смолой (встык) так, чтобы они оставались примерно при одинаковой температуре.

Чтобы проиллюстрировать эту зависимость от одинаковой температуры, попробуйте зажать один транзистор между пальцами, чтобы нагреть его. Что происходит с током через нагрузочные резисторы при повышении температуры транзистора?

Теперь отпустите транзистор и дуйте на него, чтобы охладить его до температуры окружающей среды. Возьмитесь за другое транзистор между пальцами, чтобы нагреть его.

Что теперь делает ток нагрузки? На следующем этапе эксперимента мы намеренно позволим одному из транзисторов перегреться и заметим последствия.

Чтобы избежать повреждения транзистора, эту процедуру не следует проводить дольше, чем необходимо, чтобы ток нагрузки начал «убегать». Для начала настройте потенциометр на минимальный ток.

Затем замените 10 кОм R _limit резистор с резистором 1,5 кОм. Это позволит более сильному току проходить через Q ₁ , и, следовательно, через Q ₂ тоже.

Поместите черный щуп амперметра на TP1 и наблюдайте за показаниями тока. Перемещайте потенциометр в направлении увеличения тока, пока на амперметре не будет показывать около 10 мА.

В этот момент прекратите перемещать потенциометр и просто наблюдайте за током. Вы заметите, что ток начинает расти сам по себе, без дальнейшего движения потенциометра!

Разорвите цепь, отсоединив измерительный щуп от TP1, когда ток превышает 30 мА, чтобы не повредить транзистор Q ₂ . Если осторожно прикоснуться к обоим транзисторам пальцем, вы должны заметить Q ₂ теплый, а Q ₁ это круто.

Предупреждение: если Q ₂ Току позволили «уйти» слишком далеко или слишком долго, он может стать очень горячим ! Вы можете получить сильный ожог на кончике пальца, прикоснувшись к перегретому полупроводниковому компоненту, так что будьте здесь осторожны!

Что только что привело к появлению Q ₂ перегреться и потерять контроль над током? При подключении амперметра к TP1 все сопротивление нагрузки было снято, поэтому Q ₂ должен был полностью упасть напряжение батареи между коллектором и эмиттером, поскольку он регулировал ток.

Транзистор Q ₁ по крайней мере, имел сопротивление 1,5 кОм R _limit на месте, чтобы снизить большую часть напряжения батареи, поэтому его рассеиваемая мощность была намного меньше, чем у Q ₂ . Этот грубый дисбаланс рассеиваемой мощности вызвал Q ₂ нагреть более Q ₁ .

При повышении температуры Q ₂ стал пропускать больше тока при таком же падении напряжения база-эмиттер. Это привело к тому, что он нагрелся еще быстрее, так как он пропускал больший ток коллектора, при этом понижая полные 12 вольт между коллектором и эмиттером.

Эффект известен как тепловой разгон . , и это возможно во многих схемах с биполярным переходом транзисторов, а не только в токовых зеркалах.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

 Текущее зеркало v1 1 0 вамметр 1 3 dc 0 rlimit 1 2 10k rload 3 4 3k q1 2 2 0 mod1 q2 4 2 0 mod1 .model mod1 npn bf =100 .dc v1 12 12 1 .print dc i (vammeter ) .end 

V _{амперметр} представляет собой не что иное, как нулевую батарею постоянного тока, стратегически размещенную для перехвата тока нагрузки. Это не более чем уловка для измерения тока в моделировании SPICE, поскольку в языке SPICE не существует специального компонента «амперметр».

Важно помнить, что SPICE распознает только первые восемь символов имени компонента. Название «вамметр» - это нормально, но если бы мы включили в схему более одного источника напряжения для измерения тока и назовем их «вамметр1» и «вамметр2» соответственно, SPICE увидела бы их как два экземпляра одного и того же компонента. «Вамметр» (видны только первые восемь символов) и остановится с ошибкой.

Что нужно иметь в виду при изменении списка соединений или программировании собственной симуляции SPICE! Вам придется поэкспериментировать с разными значениями сопротивления R _load в этом моделировании, чтобы понять, как схема регулирует ток.

С R _limit устанавливаем на 10 кОм и напряжение блока питания 12 вольт, регулируемый ток через R _load будет 1,1 мА. SPICE показывает, что регулирование является идеальным (разве виртуальный мир компьютерного моделирования не так хорош?), Ток нагрузки остается на уровне 1,1 мА для широкого диапазон нагрузочных сопротивлений. Однако, если сопротивление нагрузки превышает 10 кОм, даже это моделирование показывает, что ток нагрузки уменьшается, как в реальной жизни.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица регулируемых источников энергии

• Таблица дифференциальных транзисторных усилителей