Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

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 UКЭ не должно превышать значение UКЭ проб - напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения IKUКЭ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n-р-n-типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения UБ, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала uвх  (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) 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 (Rэкв < )? И если да, то почему? Наблюдаются эффекты двух видов:

1. При заданном токе коллектора и напряжение UБЭ, и коэффициент h21Э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмиттер. Изменение напряжения UБЭ, 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 h21э приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как Iк = IЭ — IБ; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смещения, обусловленного изменениями коэффициента h21Э (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.22, 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. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.

2. Напряжение UБЭ и коэффициент h21Э 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 UБЭ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Один из методов температурной компенсации источника тока.

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

Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения UБЭ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно — 2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения UБЭ (эффект Эрли оценивается величиной ΔUБЭ ~= —0,001ΔUкэ, можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения UБЭ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе).

Например, если UЭ = 0,1 В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения Uбэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10 %, если же Uэ = 1,0 В, то такое же изменение Uбэ вызывает изменение тока на 1 %. Однако, не стоит заходить слишком далеко.

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 Uэ + 0,2 В до UKK, т. е. от 5,2 до 10 В).

На рис. 2.24 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока.

Рис. 2.24. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

Источник тока Т1 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 h21Э). В этой схеме напряжение UКЭ (для Т1) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения UБЭ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2Ν3565 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 «каскод»). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь, и в которых также решена задача устранения влияния изменений Uбэ на выходной ток.

Влияние коэффициента h21Э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h21Э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

На рис. 2.25 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение UБЭ транзистора Т1, падая на резисторе R2, определяет выходной ток независимо от напряжения UKK