96789

Источник тока на транзисторах

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Назначение источника тока – поддерживать неизменный ток при изменении сопротивления нагрузки. Как известно, внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно велико. В реальной цепи этого достичь невозможно: такой источник должен иметь бесконечную мощность.

Русский

2015-10-09

1014.5 KB

21 чел.

Источник тока на транзисторах 


Оглавление

Введение…………………………………………………………………….3

Теоретическая часть

Источник тока………………………………………………………………4

Транзисторный ИТ………………………………………………………....5

Рабочий диапазон…………………………………………………………..6

Недостатки ИТ……………………………………………………………...7

Улучшение характеристик ИТ……………………………………...…......8

Практическая часть

Источник тока на биполярных транзисторах (расчет)…………..…....….11

Элементы схемы…………………………………………………..…….…..13

Литература……………………………………………………………..……16

Введение

Источник тока (стабилизатор тока) – этоустройство,автоматическиобеспечивающееподдержание тока нагрузочногоустройства с заданной степенью точности.

Ток нагрузочного устройства может сильно изменятьсяпривоздействиивнешнихдестабилизирующихфакторов,каковымиявляются: изменение напряжения в сети, изменение температуры, колебаниечастотытокаит.д. Чтобыэтифакторынеоказываливлияниянаработуэлектрических устройств, применяют стабилизаторы или по другому источники тока.

Источник тока

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. Источники тока используются в интегральных схемах для смещения рабочих точек транзисторов.И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Назначение источника тока – поддерживать неизменный ток при изменении сопротивления нагрузки. Как известно, внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно велико. В реальной  цепи этого достичь невозможно: такой источник должен иметь бесконечную мощность. Кроме того, реальные схемы способны поддерживать неизменный ток только в определенном диапазоне изменения сопротивления нагрузки. Качество реального источника тока тем выше, чем больше его внутреннее сопротивление.

Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20. При условии что  (иными словами, ), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно . Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что , он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RС-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Транзисторный источник тока

Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21). Работает он следующим образом: напряжение на базе   поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: .

В связи с этим 

. Так как для больших значений коэффициента , то

 независимо от напряжения  до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения .

Смещение 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 смещения источник питания , а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22,б) транзистор р-п-р-типа питает током заземленную нагрузку (он-источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы п-р-п-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  кОм (для ). 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.

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 +12В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно +5,2В.

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 +8,6В. 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 разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально. В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения , то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала  (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.

Наблюдаются эффекты двух видов:

1. 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. 2.22, 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  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. 2.23. В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора  компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе  который имеет такие же температурные характеристики. Резистор  играет роль нагрузки для , необходимой для задания втекающего тока базы транзистора .

Улучшение характеристик источника тока.

Вообще говоря, изменение напряжения , вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно – ), 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  на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если  (т.е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения  на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же , то такое же изменение  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 +10В, напряжение на эмиттере сделать равным +5В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от  до , т. е. от 5,2 до 10 В).

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

Источник тока  работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера . Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для ) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения ). В этой схеме напряжение (для) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения , 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 «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  на выходной ток.

Влияние коэффициента  можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением  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   транзистора  падая на резисторе , определяет выходной ток независимо от напряжения 

.

С помощью резистора  устанавливается смещение транзистора  и потенциал коллектора , причем этот потенциал меньше, чем напряжение , на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на  уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/ и вызывает соответствующее изменение выходного тока (0,3%/).

На рис. 2.5, а приведена схема простейшего ГСТ на биполярном транзисторе и его эквивалентная схема (рис. 2.5, б). В качестве стабилизирующего элемента используется выходная цепь транзистора (промежуток эмиттер-коллектор), имеющая вольтамперную характеристику требуемого вида (рис. 2.6).

 

Рис. 2.5                                                                    Рис. 2.6

 

Рабочая точка (ток Iн) определяется пересечением характеристики и нагрузочной линии (точка А). При изменении Rн рабочая точка перемещается по характеристике. Например, при уменьшении сопротивления нагрузки на величину ΔRн, рабочая точка переместится в точку В, что приведет к увеличению тока нагрузки на  (рис. 2.6). Чем больше выходное дифференциальное сопротивление транзистора Ri = Δ/ Δi (чем более горизонтально идет характеристика), тем меньше изменение тока нагрузки Iн.

Так как на участке стабилизации (пологая область) характеристика транзистора аппроксимируется выражением

 

iк = I0 + uкэ / Ri ,                                                                                                 (2.3)

легко получить

ΔIн / Iн = ΔRн / Ri.                                                                                                (2.4)

 

Таким образом, в транзисторном стабилизаторе стабилизация тока определяется величиной Ri (эквивалент R на рис. 2.4), которая может достигать десятков и сотен килоом.

Величину тока нагрузки Iн можно задавать, изменяя режим работы транзистора по постоянному току с помощью резисторов Rб1 иRб2. Часто в цепь эмиттера транзистора включают резистор Rэ, улучшающий стабильность и увеличивающий сопротивление Ri.

Источник тока на биполярных транзисторах (на основе схемы с общим эмиттером)

Т. к. в цепи не будут протекать большие токи я выбрал источник тока на биполярном транзисторах из-за его простоты, в схеме всего лишь один транзистор и три резистора .

В роли генератора тока здесь выступает транзистор VT. Его рабочий режим задаётся источником опорного напряжения на R1 и подстроечным резистором R2. С помощью этого резистора можно установить необходимый ток Iк. 
Диапазон сопротивлений нагрузки и генерируемого тока определяется напряжением источника питания транзистора.
R3 режимное сопротивление.

Расчет.

Простейшим источником тока является схема с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току (рис. 2.3.1). Нагрузка в цепи коллектора.

Рис. 2.3.1

Ток коллектора

.

Здесь

,   .


Рассчитать источник тока (рис. 2.3.1), обеспечивающий ток коллектора . Напряжение источника питания , коэффициент усиления тока базы 


Расчет:

Выберем напряжения коллектора и эмиттера равными приблизительно одной третьей напряжения источника (правило одной трети). Напряжение базы . Напряжение эмиттера .
Полагая,  находим сопротивление эмиттерного резистора

.

Ток делителя напряжения  . Входное сопротивление делителя

.

Поскольку напряжение базы

,

сопротивления резисторов должны быть равны:  . Максимальное значение сопротивления резистора , при котором транзистор остается в активном режиме.

Напряжение на сопротивлении нагрузки .

Элементы схемы

Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: кремний (Si)
Структура полупроводникового перехода: npn

Pc max

Ucb max

Uce max

Ueb max

Ic max

Tj max, °C

Ft max

Cc tip

Hfe

400W

55V

55V

4V

14A

150°C

1.8GHz

-

30/120

Производитель: ERICSSON

Схемы транзистора PTB20081

Общий вид транзистора PTB20081.

Цоколевка транзистора PTB20081.

Обозначение контактов:
Международное: C - коллектор, B - база, E - эмиттер.
Российское: К - коллектор, Б - база, Э - эмиттер. 

СП5-3ВА резисторы переменные проволочные

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Номинальная мощность рассеяния при повышенной рабочей температуре +70°С, Вт 0,5

Номинальное сопротивление, 6.8 кОм

Допустимое отклонение от номинальных сопротивлений, % ± 5; ± 10

Интервал рабочих температур, °С -60…+125

Минимальная наработка, час 20000

Минимальный срок сохраняемости, лет 20

Число циклов перемещения подвижной системы, цикл 200

Масса, г  1,8

Предельное рабочее напряжение, В 50

резистор С2-23 0.25 вт, 1%, 10 кОм

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Материал резистивного элемента

металлопленочные

Серия

С2-23

Номинальное сопротивление, кОм

10

Точность,%

1

Номинальная мощность, Вт

0.25

Макс.рабочее напряжение, В

250

Рабочая температура,С

-55...155

Длина корпуса L,мм

6.3

Диаметр корпуса D,мм

2.3

CF-50 0.5 Вт, 430 Ом, 5%, Резистор углеродистый

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Номин.сопротивление430

Единица измеренияом

Точность,%5

Номин.мощность,Вт0.5

Макс.рабочеенапряжение,В350

Рабочая температура,С-55…155

Монтажв отв.

Длина корпуса L,мм9

Ширина (диаметр) корпуса W(D),мм3.2

Литература

  1.  Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
  2.  Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
  3.  Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер. с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
  4.  Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84832. Некоторые методы возведения зданий 114.6 KB
  Место сопряжения оползневого тела с надоползневым коренным уступом называется тыловым швом оползня а место выхода поверхности скольжения в низовой части склона подошвой оползня. Схема оползневого склона: 1 первоначальное положение склона 2 ненарушенный склон 3 оползневое тело 4 поверхность скольжения...
84833. Соціологія особистості. Структурні елементи особистості 27.88 KB
  Особистість — це цілісна сукупність соціальних властивостей людини, що формуються та видозмінюються протягом усього життя людини у результаті складної взаємодії внутрішніх та зовнішніх чинників її розвитку та активної взаємодії з соціальним середовищем.
84834. Философия как разновидность мировоззрения 135.48 KB
  Крупнейшие и наиболее распространенные в мире национальные религии: синтоизм; индуизм; иудаизм. Часто эклектика применялась для обоснования каких-либо взглядов идей привлекательных для массового сознания но не имеющих реальной ни онтологической ни гносеологической ценности и достоверности...
84835. Міжнародні відносини у структурі суспільних відносин 220.5 KB
  Місце міжнародної проблематики в історії суспільно-політичної думки вирішальною мірою пов’язане з тенденціями та закономірностями розвитку міжнародних відносин, відбиваючи та суттєво впливаючи на них.
84836. Спрос, предложение и рыночное равновесие. Эластичность спроса и предложения 372.96 KB
  В рассматриваемой теме рассматриваются понятия, которые описывают механизм функционирования рынков экономических благ: спрос, предложение, рыночное равновесие, равновесная цена, равновесный объем производства, эластичность спроса, эластичность предложения.
84837. Теория поведения потребителя 61.25 KB
  Рынок – это экономическая система, ориентированная на потребителя. Этим обстоятельством объясняется интерес экономической науки к тому, как ведет себя потребитель, какими мотивами он руководствуется, делая выбор благ, каковы закономерности, управляющие его поведением на рынке.
84838. Исследование функций. Возрастание и убывание функций 65.09 KB
  Такие функции называют монотонными в интервале а b. Точка называется точкой максимума функции у = f x если cуществует такая окрестность точки что для всех из этой окрестности выполняется неравенство fx f. Точка называется точкой минимума функции у = f x если cуществует такая окрестность...
84839. СИСТЕМИ ОБЛІКУ ВИТРАТ І КАЛЬКУЛЯЦІЇ СОБІВАРТОСТІ 235 KB
  Калькуляцію використовують для досягнення наступних цілей: встановлення рівня беззбитковості ціни, тобто яку ціну на продукцію або послуги слід встановити, щоб підприємство могло відшкодувати понесені витрати; контролю витрат у виробництві, тобто який підрозділ використовує ресурси найефективніше...