Как собрать схему токового зеркала

Компоненты и материалы

• два NPN-транзистора – рекомендуются модели 2N2222 или 2N3403;
• источник питания 12 В постоянного напряжения (на схемах вместо него используется два аккумулятора по 6 вольт);
• один потенциометр 10 кОм, однооборотный;
• два резистора 10 кОм;
• четыре резистора 1,5 кОм.

Рекомендуется использовать маломощные транзисторы, чтобы иметь возможность увидеть «тепловой разгон» во второй части эксперимента. Более «мощные» транзисторы могут не проявлять такого же поведения при таких низких уровнях тока. Однако для создания токового зеркала может быть использована любая пара одинаковых NPN-транзисторов. Помните, что распиновка одинакова не всех транзисторов, даже если они выглядят одинаково. От этого будет зависеть, как вы будете соединять транзисторы вместе и с другими компонентами, поэтому обязательно ознакомьтесь с техническим описанием на выбранные вами транзисторы. Для особой надежности настоятельно рекомендуется дважды проверить правильность выводов с помощью функции «проверки диодов» вашего мультиметра. Подробнее о том, как идентифицировать выводы биполярного транзистора с помощью мультиметра, смотрите статью «Проверка биполярного транзистора мультиметром» в главе 4 тома «Полупроводниковые приборы» (том III) из этой серии.

Вспомогательная информация

• Введение в биполярные транзисторы (BJT)
• Токовые зеркала (биполярные транзисторы)

Темы обучения

• Как построить схему токового зеркала
• Ограничения схемы токового зеркала по току
• Температурная зависимость биполярных транзисторов
• Наблюдение ситуации контролируемого «теплового разгона»

Схема

Макет

Инструкции

Токовое зеркало можно рассматривать как регулируемый стабилизатор тока, предельное значение тока легко устанавливается одним сопротивлением. Это довольно грубая схема стабилизатора тока, но она находит широкое применение благодаря своей простоте. В данном эксперименте вы получите возможность построить такую схему, изучить ее стабилизирующие ток свойства, а также испытать на практике некоторые из ее практических ограничений.

Соберите схему, как показано на схеме и макете. У вас будет один лишний постоянный резистор с номиналом 1,5 кОм из компонентов, указанных в списке. Мы будем использовать его в последней части эксперимента.

Потенциометр устанавливает величину тока через транзистор Q₁. Этот транзистор подключен так, чтобы действовать как простой диод: просто PN-переход. Зачем использовать транзистор вместо обычного диода? Потому что важно, чтобы при использовании этих двух транзисторов в схеме токового зеркала совпадали характеристики их переходов.

Напряжение, падающее на переходе база-эмиттер Q₁, подается на переход база-эмиттер транзистора Q₂, заставляя его открыться и пропускать аналогичный ток. Поскольку напряжение на переходах база-эмиттер двух транзисторов одинаково (два перехода соединены параллельно друг с другом), то через их базы протекают равный токи (предполагаются одинаковые характеристики переходов и одинаковые температуры переходов). Совпадающие по параметрам транзисторы также должны иметь одинаковые коэффициенты β, в итоге равные токи базы означают равные токи коллектора.

Практическим результатом всего этого является ток коллектора Q₂, повторяющий любую величину тока коллектора Q₁, установленную с помощью потенциометра. Другими словами, ток через Q₂ является зеркальным отражением тока через Q₁. Изменения сопротивления нагрузки (сопротивления, соединяющего коллектор Q₂ с положительным выводом батареи) не влияют на ток Q₁ и, следовательно, не влияют на напряжение база-эмиттер или ток базы Q₂.

При неизменном токе базы и почти постоянном коэффициенте β падение напряжения коллектор-эмиттер Q₂ будет настолько большим или настолько маленьким, насколько необходимо, чтобы поддерживать ток коллектора (нагрузки) постоянным. Таким образом, схема токового зеркала работает на стабилизацию тока на значении, установленном потенциометром, независимо сопротивления нагрузки. Ну, так она должна работать. Реальность не так проста, как вы скоро увидите.

На показанной принципиальной схеме для простоты измерения тока цепь нагрузки Q₂ соединяется с положительной клеммой батареи через амперметр. Вместо того чтобы надежно подключить черный щуп амперметра к определенной точке в схеме, я выделил пять контрольных точек, от TP1 до TP5, чтобы вы могли к ним подключаться черным щупом для измерения тока. Это позволит вам быстро и без особых усилий изменить сопротивление нагрузки: прикосновение щупа к TP1 приводит практически к отсутствию сопротивления нагрузки, а прикосновение щупа к TP5 приводит к сопротивлению нагрузки приблизительно 14,5 кОм.

Чтобы начать эксперимент, прикоснитесь щупом к контрольной точке TP4 и покрутите потенциометр по всему его диапазону регулировки. При перемещении механизма потенциометра вы должны увидеть на амперметре небольшой изменяющийся ток: не более нескольких миллиампер. Оставьте потенциометр в положении, дающем круглое число миллиампер, и переместите черный измерительный щуп мультиметра в контрольную точку TP3. Показание тока должно быть почти таким же, как и раньше. Переместите щуп в контрольную точку TP2, затем в TP1. Опять же, вы должны увидеть почти неизменное значение тока.

Попробуйте перевести потенциометр в другое положение, чтобы получить другое значение показаний тока, и пройдитесь черным щупом мультиметра по точкам TP1 – TP4, отмечая стабильность показаний тока при изменении сопротивления нагрузки. Это демонстрирует, что данная схема ведет себя как стабилизатор тока.

Вы должны отметить, что стабилизация тока не идеальна. Несмотря на то, что ток стабилизируется почти на установленном уровне при сопротивлениях нагрузки от 0 до 4,5 кОм, в этом диапазоне есть некоторые отклонения. Стабилизация может быть намного хуже, если используется слишком высокое сопротивление нагрузки.

Попробуйте подстроить потенциометр таким образом, чтобы получить максимальный ток при установке измерительного щупа в точку TP1. Оставьте потенциометр в этом положении и переместите измерительный щуп в TP2, затем в TP3, в TP4 и, наконец, в TP5, записывая показания мультиметра в каждой точке подключения. Ток должен стабилизироваться практически на постоянном уровне до тех пор, пока измерительный щуп не будет перемещен в последнюю контрольную точку, TP5. Там показания тока будут существенно ниже, чем в других контрольных точках. Почему так? Потому что в цепь Q₂ добавлено слишком большое сопротивление нагрузки. Проще говоря, Q₂ не может «открыться» еще больше, чтобы поддержать то же значение тока при таком большом сопротивлении нагрузки, что и при меньших сопротивлениях нагрузки.

Это явление является общим для всех схем стабилизаторов тока: существует ограничение по сопротивлению, с которым стабилизатор тока может справиться, прежде чем он уйдет в насыщение. Это вполне логично, поскольку любая схема стабилизатора тока, способная подавать постоянную величину тока через любое возможное сопротивление нагрузки, потребует для этого источник неограниченного напряжения! Закон Ома (E = IR) определяет величину напряжения, необходимую для пропускания определенной величины тока через заданное значение сопротивления. И при наличии в нашем распоряжении напряжения питания только 12 вольт, для этой схемы определенно существует конечный предел величины тока нагрузки и сопротивления нагрузки. По этой причине может быть полезно думать о схемах стабилизаторов тока как о схемах ограничителей тока, поскольку всё, что они действительно могут сделать, это ограничить ток некоторым максимальным значением.

Как правило, важным условием для схем токовых зеркал является одинаковая температура двух транзисторов. «Зеркальное отражение» тока, происходящее между коллекторными цепями двух транзисторов, зависит от переходов база-эмиттер этих двух транзисторов, имеющих одинаковые свойства. Как описывает «диодное уравнение» (уравнение Шокли для диода, подробнее смотрите здесь), связь между напряжением и током PN перехода сильно зависит от температуры перехода. Чем горячее PN переход, тем больший ток он будет пропускать при заданном значении падения напряжения. Если один транзистор станет горячее другого, он будет пропускать больший ток коллектора, чем другой, и схема больше не будет «создавать зеркальное отражение» тока, как ожидалось.

При построении реальной схемы токового зеркала с использованием дискретных транзисторов эти два транзистора, чтобы оставаться примерно при одинаковой температуре, должны быть склеены эпоксидным клеем (спина к спине). Чтобы проиллюстрировать эту зависимость от одинаковой температуры, попробуйте зажать один транзистор между пальцами, чтобы нагреть его. Что происходит с током через резисторы нагрузки при повышении температуры транзистора? Теперь отпустите транзистор и подуйте на него, чтобы охладить его до температуры окружающей среды. Зажмите другой транзистор между пальцами, чтобы нагреть его. Что сейчас происходит с током нагрузки?

На следующем этапе эксперимента мы намеренно позволим одному из транзисторов перегреться и отметим, на что это повлияет. Чтобы избежать повреждения транзистора, эту процедуру следует проводить не дольше, чем необходимо, чтобы заметить, как ток нагрузки начинает «убегать». Для начала настройте потенциометр на минимальный ток. Затем замените резистор R_огр 10 кОм на резистор 1,5 кОм. Это позволит более высокому току проходить через Q₁ и, следовательно, через Q2. Поместите черный щуп амперметра на контрольную точку TP1 и следите за показаниями тока. Перемещайте потенциометр в направлении увеличения тока до тех пор, пока на амперметре не будет около 10 мА. В этот момент прекратите перемещение потенциометра и просто наблюдайте за током. Вы заметите, что ток начинает увеличиваться сам по себе, без дальнейшей регулировки потенциометра! Когда ток превысит 30 мА, разомкните цепь, отсоединив измерительный щуп от контрольной точки TP1, чтобы избежать повреждения транзистора Q₂. Если вы аккуратно дотронетесь до обоих транзисторов пальцем, вы должны заметить, что Q₂ теплый, а Q₁ холодный. Предупреждение: если току Q₂ позволили «убежать» слишком далеко или слишком долго, то транзистор может стать очень горячим! Вы можете получить ожог пальца, прикоснувшись к перегретому полупроводниковому компоненту, поэтому будьте осторожны!

Почему произошли перегрев Q₂ и потеря управления током? При подключении амперметра к TP1 всё сопротивление нагрузки было удалено, поэтому между коллектором и эмиттером Q₂ (поскольку он стабилизировал ток) падало всё напряжение аккумулятора. Транзистор Q₁, по крайней мере, имел сопротивление R_огр 1,5 кОм для падения большей части напряжения батареи, поэтому рассеиваемая на нем мощность была намного меньше, чем у Q₂. Этот грубый дисбаланс рассеивания мощности вызвал больший нагрев Q₂, чем Q₁. Когда температура увеличилась, Q₂ начал пропускать больший ток при той же величине падения напряжения база-эмиттер. Это заставило его нагреваться еще быстрее, так как он пропускал больший ток коллектора всё еще при падении всех 12 вольт между коллектором и эмиттером. Этот эффект известен как тепловой разгон, и он возможен во многих схемах на биполярных транзисторах, а не только в токовых зеркалах.

Компьютерное моделирование

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

Current mirror v1 1 0 vammeter 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_ammeter (V_{амперметр}) – это не что иное, как батарея постоянного тока с нулевым напряжением, стратегически размещенная для перехвата тока нагрузки. Это не более чем уловка для измерения тока в моделировании SPICE, поскольку в языке SPICE нет отдельного компонента «амперметр». Важно помнить, что SPICE распознает только первые восемь символов имени компонента. С именем «vammeter» всё в порядке, но если бы мы включили в схему более одного источника напряжения для измерения тока и назвали их «vammeter1» и «vammeter2» соответственно, SPICE увидел бы их как два экземпляра одного и того же компонента «vammeter» (видя только первые восемь символов) и остановился бы с ошибкой. Об этом следует помнить, изменяя список соединений или программируя собственную SPICE симуляцию!

Чтобы оценить стабилизирующее ток поведение данной схемы, вам нужно будет в этом моделировании поэкспериментировать с различными значениями сопротивления R_нагр. При R_огр, установленном на 10 кОм, и напряжении источника питания 12 Вольт, стабилизированный ток через R_нагр будет составлять 1,1 мА. SPICE демонстрирует идеальную стабилизацию, ток нагрузки остается на уровне 1,1 мА для широкого диапазона сопротивлений нагрузки. Однако, если сопротивление нагрузки превышает 10 кОм, даже это моделирование показывает уменьшение тока нагрузки, как в реальной жизни.

Теги