Схемотехника транзисторных источников тока



В данной работе рассматривается источник тока транзисторной схемотехники, его виды и модификации, а также использование.

Ключевые слова: источник тока, каскад, транзистор, схема включения, схемотехника.

Рассмотрение видов транзисторных источников тока позволит определиться с дальнейшим усовершенствованием представленных в работе схем с увеличением их коэффициента полезного действия, повышения уровня надёжности эксплуатации и безотказной работы, снижения паразитных факторов, влияющих на транзисторы, а также позволит решить вопросы технических задач их реализации.

1. Источник тока, управляемый током

Источник тока на биполярном транзисторе

Как известно, биполярный транзистор управляется током, соответственно, на его основе можно собрать источник тока, управляемый током.

Источник тока имеет большое внутреннее дифференциальное сопротивление , такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такой источник может быть собран на биполярном транзисторе со стороны коллектора, но он уступает источнику тока на полевом транзисторе вследствие меньшего внутреннего сопротивления по сравнению с ним, рисунок 1

Рис. 1. Источники тока на БТ [1]: а) нелинейный (с параметрическим стабилизатором); б) линейный (генератор стабильного тока); в) со смещением на базу

Источник тока с параметрическим стабилизатором как правило применяется только для питания маломощных радиоэлектронных устройств, параметрические стабилизаторы обеспечивают достаточно стабильное выходное напряжение, но не достаточное для высокочувствительной аппаратуры.

Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. В схеме на рисунке 1(а) линейного параметрического стабилизатора стабилитрон выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах стабилитрону отводится только функция источника опорного напряжения, а регулирующим элементом служит внешний силовой транзистор. [2]

Линейный источник тока представляет собой генератор стабильного тока с делителем напряжения R ₁ и R ₂ в цепи базы

Также генератор стабильного тока имеет сопротивление R _Э в цепи эмиттера для эмиттерной термостабилизации и автосмещения.

На рисунке 1(в) представлен источник тока со смещением напряжения относительно базы. Так как пороговое напряжение для пробоя кремниевого диода U _Si ~ 0,6 В, то в данном случае напряжение смещения составляет 1,2 В.

Схема источника тока на биполярном транзисторе имеет некоторые недостатки:

– температурная нестабильность;

– зависимость тока от колебаний напряжения источника питания;

– наличие эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).

2 Источник тока, управляемый напряжением

Источник тока на полевом транзисторе

Как известно, полевой транзистор управляется напряжением, соответственно, на его основе можно собрать источник тока, управляемый напряжением. [3]

Полевой транзистор имеет значительно большее внутреннее дифференциальное сопротивление в отличие от биполярного транзистора, поэтому источник тока на полевом транзисторе работает несколько лучше, рисунок 2.

Рис. 2. Источник тока на полевом транзисторе

На данном рисунке представлена схема источника тока на полевом транзисторе с управляющим p-n -переходом с каналом n -типа.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток — практически невозможно заранее рассчитать выходной ток генератора вследствие значительного разброса параметров данных типов полупроводников. [2]

Согласно паспортной характеристике, максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R _И = 0 , минимальный ток ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R _И . На резисторе R _И — автосмещение.

Достоинства источников тока на полевом транзисторе:

– низкое падение напряжения;

– слабое тепловыделение (незначительный нагрев даже при мощных нагрузках);

– долговечность;

– бесшумность переключений и регулировок.

Недостатки источников тока на полевом транзисторе:

– способность работы только в цепях постоянного тока;

– чувствительность к статическому электричеству;

– возникновение паразитного транзистора биполярного типа;

– повышенное падение напряжения;

– температурное разрушение прибора;

– потребление большого количества энергии на высоких частотах.

3 Источник тока — токовое зеркало

Отражатель тока

По структуре транзисторной схемотехники, отражатель тока есть не что иное, как генератор тока, управляемый входным током, в котором входной и выходной токи имеют один общий вывод источника питания, причём соотношение токов (коэффициент отражения) сохраняется постоянным в широком диапазоне и незначительно зависит от напряжения и температуры. Классическая схема токового зеркала содержит два транзистора одинаковой проводимости с резисторами в цепях коллектора. [3] Соотношение номиналов резисторов определяет коэффициент отражения, который может быть как меньше, так и больше единицы (но не выше коэффициента передачи тока выходного транзистора), если резисторы отсутствуют — ток передаётся в соотношении 1:1. Также в цепь эмиттера выходного транзистора может включаться сопротивление R _Э , позволяющего масштабировать ток в нагрузке (схема Видлара). На рисунке 3 представлена простейшая схема токового зеркала.

Рис. 3. Токовое зеркало на биполярных транзисторах [4]

Управляющий ток подаётся на базу и коллектор входного транзистора VT1 , включённого по схеме с общим эмиттером. Напряжение на базе увеличивается до определённого уровня и, открывая транзистор, появляется коллекторный ток, который, отбирая на себя большую часть входного тока, начинает препятствовать последующему увеличению напряжения на базе.

На базе и коллекторе входного транзистора всегда устанавливается напряжение, соответствующее порогу открытия при соответствующем токе коллектора, равным управляющему току.

Входным транзистором VT1 задаётся напряжение коллектора, которое подаётся на базу выходного транзистора VT2 , и создающее в цепи коллектора выходной ток, пропорциональный току коллектора входного транзистора.

В эмиттерных цепях транзисторов могут включаться резисторы, создающие отрицательную обратную связь по току, способствующие улучшение термостабилизирующих свойств узлов и позволяющие в широких пределах регулировать соотношение токов транзисторов VT1 и VT2 . [4]

Поскольку напряжение p-n -перехода зависит от температуры, то изменение температуры одного из транзисторов в схеме токового зеркала будет влиять на коэффициент передачи, а также следует учесть, что разная проводимость полупроводников может ухудшить линейность. Для исключения такого рода явлений используется подбор транзисторов с обеспечением между ними теплового контакта. По этой же причине токовое зеркало обеспечивает высокую точность только при малых напряжениях и токах, так как нагрев кристалла выходного транзистора вследствие высокой рассеиваемой мощности трудно скомпенсировать.

Основные характеристики токового зеркала:

– коэффициент передачи (операционный усилитель);

– выходной ток (источник постоянного тока);

– выходное сопротивление переменному току;

– минимальное падение напряжения на выходе зеркала.

Выходное сопротивление переменному току определяет, насколько ток коллектора меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу, а минимальное падение напряжения на выходе зеркала поддерживает выходной транзистор схемы в активном режиме.

Можно выделить свойства токового зеркала:

– выходной ток равен току управления;

– выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки;

– широкое применение в интегральных схемах;

– ток управления может копироваться на несколько нагрузок.

Если требуется «скопировать» управляющий ток на несколько каскадов, в токовом зеркале может быть один входной и несколько выходных транзисторов, генерирующих несколько различных выходных токов.

Токовое зеркало на несколько нагрузок

Как указывалось ранее, схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий — в случае использования транзисторов n‑p‑n ‑типа) будет передаваться в несколько нагрузок. Такое токовое зеркало представлено на рисунке 4.

Рис. 4. Токовое зеркало на несколько нагрузок

В случае, если один из транзисторов — источников тока переходит в режим насыщения, когда отключается его нагрузка, то его база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех транзисторов, и в связи с этим уменьшатся остальные выходные токи. Улучшение можно добиться включением в схему еще одного транзистора.

Зеркало Уилсона

Простое токовое зеркало обладает недостатком (проявление эффекта Эрли): выходной ток может изменяться при изменении выходного напряжения. При заданном токе транзистора напряжение база-эмиттер меняется в зависимости от коллекторного напряжения (эффект Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией, рисунок 5 [5].

Рис. 5. Выходная характеристика токового зеркала

Ток может изменяться в диапазоне устойчивой работы схемы, т. е. характеристики схемы могут быть значительно хуже.

Модификацией токового зеркала (отражателя тока) является зеркало Уилсона, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора). В разрыв цепи коллектора выходного транзистора включается эмиттер-коллектор ещё одного транзистора, рисунок 6.

Рис. 6. Зеркало Уилсона

Влияние изменений напряжения на нагрузке на выходной ток подавлено за счёт каскадного включения транзистора VT2 , которое позволяет уменьшить изменения напряжения транзистора VT1 . [3]

Транзисторы VT1 и VT3 включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору VT2 потенциал коллектора транзистора VT1 фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения, чем напряжение питания EП. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе VT1, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором VT3. Транзистор VT2 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал, он фиксирует потенциал коллектора VT1. Транзистор VT2 можно рассматривать как элемент, который передаёт выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным.

В статье были разобраны основные, часто встречаемые по структуре транзисторной схемотехники виды источников тока на биполярных и полевых транзисторах, способствующие поддержанию и стабилизации тока в цепях различных нагрузок. Как выяснилось, источники тока, собранные как на биполярных, так и на полевых транзисторах имеют свои преимущества и недостатки.

Литература:

1. Теоретическая электротехника, изд. 9-е, исправленное, М. — Л., издательство «Энергия», 1966, 624 с. с черт.
2. Е26 Электротехника: Учеб. Пособие для студентов физ. спец. пед. ин-то. — М.: Просвещение, 1979. — 286 с., ил
3. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи: Учебное пособие. 7-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2009.— 592 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература);
4. Схемотехника аналоговых электронных устройств: лабораторный практикум / А. Н. Флеров, С. Ю. Страхов, А. А. Флерова, Н. В. Сотникова. — СПб.: Изд-во БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 2022. — 74 с. С 92;
5. Электронный ресурс https://elektrolife.ru/teoriya/tokovye-zerkala/?ysclid=lpi019cxu2483151347