Генератор стабильного тока Видлара

Источник тока Видлара является разновидностью основной схемы двухтранзисторного токового зеркала, которая содержит токоограничивающий резистор в цепи эмиттера выходного транзистора, что позволяет использовать эту схему для генерации слабых токов, применяя токоограничивающий резистор только средних номиналов.

В схеме Видлара могут использоваться как биполярные, так и полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП — транзисторы), и даже вакуумные лампы. Примером использования этого источника тока может служить операционный усилитель модели 741, Видлар применял свой источник тока во многих конструкциях.

Эта схема была названа в честь её изобретателя, Боба Видлара, и была запатентована в 1967 году.

Анализ схемы

Рис. 1. Источник тока Видлара

На рисунке 1 изображена схема источника тока Видлара на биполярных транзисторах, здесь резистор R2 установлен в цепи эмиттера выходного транзистора VT2, что позволяет сделать ток, протекающий через транзистор VT2, относительно небольшим по сравнению с током транзистора VT1. Главной особенностью этой схемы является то, что падение напряжения на резисторе R2 вычитается из напряжения база-эмиттер транзистора VT2, что приводит к уменьшению проводимости этого транзистора по сравнению с транзистором VT1. Это наблюдение выражается равенством базовых напряжений с обеих сторон схемы из рисунка 1:

V_B = V_BE1 = V_BE2+(β₂+1) * I_B2 * R2 ,

где β₂ — это β (коэффициент передачи по току) выходного транзистора, этот параметр отличается от β первого транзистора из-за технологического разброса параметров, а так же отчасти из-за того, что силы токов, протекающих через оба транзистора сильно отличаются. I_B2 — это базовый ток выходного транзистора, V_BE — это напряжение база — эмиттер. Из этого уравнения следует (используя формулу Шокли для идеальных диодов):

(β2+1) * I _B2 = (1 + 1 / β2) * I_C2 = (V_BE1 — V_BE2) / R2 = V_T / R2 * ln(I_C1 * I_S2 / (I_C2 * I_S1)) ,

где V_T — тепловое напряжение.

Из этого уравнения примерно следует, что величины обеих токов гораздо больше, чем масштабные токи I_S1, I_S2, это приближение верно для токов любой силы, за исключением тех, значения которых находятся вблизи зоны отсечки. В дальнейшем различие между двумя масштабными токами уменьшается, хотя эта разница может быть важна в случае использования транзисторов с различными рабочими областями.

Рис. 2. Токовое зеркало Видлара
на транзисторах КТ503А.

Рассмотрим практический пример генератора тока Видлара (рис. 2). Здесь опорная цепь питается от источника +Vcc напряжением 10,75 Вольт, что обеспечивает опорный ток, равный 10 мА (при сопротивлении резистора R1 = 1 кОм), а цепь нагрузки — коллектор транзистора VT2 запитан от источника V_A напряжением = 25 В.

При опорном токе, равном 20 мА (R1 = 0,5 кОм) изменим сопротивление эмиттерного резистора R2:

Теперь то же самое проделаем для опорного тока 10 мА (R1 = 1 кОм):

Как видно из результатов, незначительное изменение сопротивления резистора R2 существенно уменьшает ток коллектора токового зеркала. Кроме того, при сопротивлении эмиттерного резистора R2 равном нулю отношение полученных эмиттерных токов будет равно 25,56/12,8 = 1,99 ≈ 2, а в случае когда сопротивление R2 равно 100 Ом отношение полученных эмиттерных токов станет равно 0,95/0,8 = 1,18, то есть чем больше сопротивление эмиттерного резистора, тем меньше зависимость выходного тока от опорного.

BACK MAIN PAGE

Генератор стабильного тока для зарядки аккумуляторов, блок питания

Генераторы стабильного тока

Генераторы стабильного тока (ГСТ) должны обеспечивать неизменный выходной ток при изменении нагрузки Rн.

В простейшем случае эта задача может быть решена с помощью токозадающего резистора R(рис. 2.4). В этой схеме реальная нагрузка условно показана как резистор Rн.

Ток в нагрузке iн:

. (2.1)

Если R >> Rн, то ток Iн слабо зависит от изменений сопротивления нагрузки. Действительно, дифференцируя (2.1) получим

. (2.2)

Следовательно, увеличивая R, можно уменьшить изменения тока нагрузки до требуемой величины. Однако схеме на рис. 2.4 присущ недостаток – большая часть мощности, поступающей от источника питания, выделяется в резисторе R и не поступает в нагрузку Rн.

Рис. 2.4

Значительно удобнее вместо резистора R использовать нелинейные элементы, обладающие малым сопротивлением по постоянному току R0 = U / i и большим дифференциальным Ri = DU / DI, например, транзисторы.

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 DRн, рабочая точка переместится в точку В, что приведет к увеличению тока нагрузки на (рис. 2.6). Чем больше выходное дифференциальное сопротивление транзистора Ri =

Du / Di(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

DIн / Iн = DRн/ Ri. (2.4)

Таким образом, в транзисторном стабилизаторе стабилизация тока определяется величиной Ri(эквивалент Rна 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.

На рис. 2.7 приведена распространенная схема ГСТ на полевом транзисторе с управляющим переходом. Она удобна тем, что является двухполюсником и напряжение Uзиформируется за счет автоматического смещения Uзи = iс Rи. В частном случае при Rи = 0 и uзи= 0, Iн = ICмакс.

Рис. 2.7

Широкое распространение в аналоговых ИС получили стабилизаторы тока, называемые токовыми зеркалами или отражате­лями тока. Схема рис. 2.8 отличается от схемы рис. 2.5 способом задания режима транзистора VТ2. Вместо делителя напряжения Rб1 – Rб2 в ней используется нелинейный делитель, составленный из резистора R0 и транзистора VT1, включенного в диодном режиме (в прямом направлении).

Рис. 2.8

Ток Iо в левой части схемы равен

. (2.5)

где U* – прямое напряжение, устанавливающееся на эмиттерном переходе транзистора VT1 под действием тока I0 (напомним, что для кремниевых транзисторов U* = 0,6…0,8 В).

Ток базы второго транзистора значительно (в b раз) меньше тока I0 и может не учитываться.

Одновременно напряжение U* поступает на базу транзистора VТ2. Оба транзистора работают в активном режиме и, если они одинаковы, то Iн = I0 (то, что для VТ1 Uкб = 0, а для VТ2 Uкб > 0 в активном режиме влияет слабо), причем это равенство не нарушается при различных дестабилизирующих воздействиях. О особенно эффективны именно в микроэлектронном исполнении, обеспечивающем идентичность параметров транзисторов, одинаковые температурные зависимости, одинаковое «старение» и т. д. Существуют также схемы, в которых «отражение тока» происходит с изменением масштаба. С этой целью в цепи эмиттеров включают резисторыRЭ1≠RЭ1.

Источник тока на биполярном транзисторе

Схемы генераторов тока, разновидности токовых зеркал, Онлайн калькулятор расчёта элементов источников тока.

На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию «Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования», поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока. — Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! — начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин. — Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц — как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков. «Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?» — станет темой нашего научного коллоквиума.

Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:

«Источник тока — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока. » — учит нас Википедия.

Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.

Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока. Первой и основной из них является величина выходного тока. Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки. Третья спецификация — это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме. В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.

Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.

Рис.1

Схема источника тока на биполярном транзисторе — самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков — и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора). Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк≈β×Iб.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток — практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников. Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.

Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам. Единственное, но существенное в отдельных случаях «но» состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой никаким боком к земле. Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой Iн= Uвх/R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.

Рис.2

Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока. За примерами далеко ходить не надо — источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока. Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку. Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб . Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать — максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы. Выходной ток рассчитывается по простой формуле Iн≈0,6/ R1 . В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.

Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока. Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2.

Здесь ток Ik1 , задаваемый резистором R1: Iк1≈(Eп-0,7)/(R1+ Rэ1) , а ток, протекающий в нагрузке: Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2) .

Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис. 4), называемые двойным зеркалом тока. Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние.

способов создания и использования цепей постоянного тока

Мы часто сталкивались с источником напряжения и источником тока в схемотехнике, когда работали с аналоговыми цепями. Источники напряжения — это все, что обеспечивает постоянное напряжение, например, стандартный выход USB 5 В или адаптер 12 В; однако текущие источники немного более загадочны. Некоторые схемы, особенно с операционными усилителями и коммутационными схемами, потребуют от вас использования источника постоянного тока. Что такое цепь постоянного тока? Что он делает и зачем он нам нужен?

Ниже мы ответим на эти и некоторые другие вопросы, которые могут у вас возникнуть, такие как изменение температуры, схемы с транзистором и приложения для этого конкретного тока.

(схема приводит в действие резистор и создает напряжение)

Источник: https://en.wikipedia.org/wiki/Current_source#/media/File:Ohms_law_current_source.svg

003

Это источник питания, который поддерживает постоянный ток нагрузки, несмотря на изменения и колебания сопротивления нагрузки. Другими словами, источник постоянного тока обеспечивает постоянный выходной ток независимо от сопротивления нагрузки.

Таким образом, источник постоянного тока ценен для подачи постоянного тока независимо от любых изменений сопротивления, даже при значительных отклонениях сопротивления. В цепях с постоянными требованиями к току это полезно.

(светодиодный источник света)

https://en.wikipedia.org/wiki/Current_source#/media/File:Const_cur_src_113.svg по сравнению с их нагрузками с высоким сопротивлением. Он может поддерживать непрерывный ток даже при нагрузке, сопротивление которой колеблется в широких пределах, так как его внутреннее сопротивление велико.

Соответственно, источник постоянного тока работает в соответствии с делением тока. Из-за высокого внутреннего сопротивления и низкого сопротивления нагрузки ток проходит по кратчайшему пути с наименьшим сопротивлением. Ток течет от источника тока (с высоким внутренним сопротивлением) к нагрузке с меньшим сопротивлением.

(Уравнение для приведенного ниже примера решения схемы с напряжением батареи 5)

В приведенном выше уравнении мы используем значение мА, равное 100. Схема обеспечивает постоянный ток 100 мА с использованием источника питания 5 В. Кроме того, он будет иметь потенциометр для управления последним выходным сигналом от одного до ста мА. Несмотря на изменения сопротивления нагрузки, он будет поддерживать постоянный ток. Это можно использовать в цепях, которым требуется постоянная подача тока без колебаний.

(Это схема активного источника тока на транзисторе.) напряжения путем изменения нескольких электронных компонентов в первичной цепи активного устройства. В качестве альтернативы вы можете использовать диод опорного напряжения или стабилитрон вместо R1.

(Это схема источника постоянного тока, в которой используется регулятор напряжения LM317)

Одним из наиболее стабильных источников постоянного тока является LM344. Этот источник тока имеет три клеммы и может работать при уровне тока от 1 мкА до 10 мА, что определяется сбросом внешнего резистора. Как надежный двухконтактный источник тока, он не требует подключения дополнительных компонентов питания. Кроме того, он может работать как датчик температуры. К сожалению, LM334 может выдавать только 10 мА.

Помимо того, что LM317 является регулятором напряжения, он также является стабильным источником постоянного тока. Можно создать максимальный ток 1 ампер, используя только три контакта.

Небольшие упаковки TO-92 обычно содержат часть TL431. TL431A можно рассматривать как переменную с температурной компенсацией, и это устройство также может функционировать как источник постоянного тока и опорное/источник напряжения.

Не забывайте всегда измерять входное напряжение, переключающие узлы, а также выходное напряжение перед использованием.

SEMICONDUCLORS 5969

9

SEMICONDUCLORS

Затем посмотрите на электрическую схему ниже. Даже, меньше единиц оборудования. Но это может показаться запутанным для начинающих.

Соберите эту схему на макетной плате и сравните результаты при изменении входного напряжения от 5 до 12 В. Обратите внимание на светодиод, он постоянно горит. Большой!

Если вам все еще непонятно, попробуйте прочитать это: Электроника для начинающих

Измерьте ток светодиода. Он постоянен на уровне 2 мА во всех диапазонах напряжения. Измерение напряжения светодиода также составляет 1,9 В. См. иллюстрацию ниже.

Примечание: Измеритель немного менее точен, чем расчетная формула.

Почему ток постоянный?

Переходя к сложному, у меня возник большой вопрос: как простым языком объяснить работу схемы? пока дочь не поймет. Этот контент может не подойти людям, которым нравятся сложные принципы.

Вот несколько фактов, которые вы должны уяснить для себя.

Когда напряжение и сопротивление постоянны, ток обязательно постоянен. Это может сбивать с толку. Посмотрите еще раз на схему.