Приветствую всех!
К сожалению пока очень много времени забирает основная работа, но я наконец то нашел время для серии статей об основных простых устройствах в электронике!
Сегодня хочу рассказать об источниках стабильного тока, их применение очень широкое, источник тока есть в любом устройстве, начиная с самого простого источника тока это обычный резистор для подтягивания одного из выводов транзистора или микросхемы, да чего угодно.
Сейчас приведу первую попавшуюся схему компаратора:
В данной схеме целых 4 источника тока обозначенных стрелочкой в виде треугольника показывающего направление тока обведённого в круг и рядом указан номинал источника тока, например 100uA.
Для чего же применяется источник тока в схемах кроме банальной подтяжки выводов например микроконтроллера?
Если говорить об линейных схемах то тут куча вариантов применения, но давайте остановимся на том что все схемы состоят из транзисторов (сегодня речь именно об них), если открыть любой нормальный даташит (документацию на транзистор) то мы найдём там график усиления транзистора по напряжению или току и этот график будет нелинейный! Особенно в начале и конце диапазона! Вот мы и подошли к тому что нас интересует максимально линейный участок диапазона усиления транзистора! Верхний участок мы рассчитываем нагрузкой на транзистор чтобы не выйти за диапазон линейной работы, а нижний участок как-раз поднимается подтяжкой за счёт источника тока до линейного диапазона!
Давайте рассмотрим наконец-то схему малошумящего источника стабильного тока на 2х транзисторах!
На схеме включённый источник стабильного тока на биполярных транзисторах прямой проводимости (PNP) с нагрузкой в виде резистора R3.
Данный источник работает от + источника питания нагружая нагрузку сверху вниз, обозначается как на схеме компаратора в начале статьи. Почему нет номиналов на схеме? Потому что сначала разберёмся об принципах работы данной схемы.
Напряжение подаётся на эмитер транзистора Q1 через резистор R1 на нагрузку R3 через колектор Q1.
Резистор R2 служит подтяжкой для базы транзистора Q1 (источник тока базы чтобы открыть транзистор). Как видите даже источник стабильного тока не обходиться без источника тока.
Транзистор Q2 служит для управления транзистором Q1. Транзистор Q2 управляется от падения напряжения на R1, когда падение напряжения на R1 достигает примерно 0.6-0.7 вольта то транзистора Q2 открывается и ток начинает течь через него, этим самым он ограничивает ток базы транзистора Q1 и вводит данную схему с режим стабилизации тока, ток задаётся сопротивлением R1 из расчёта падения на нём напряжения 0.6-0.7 вольта.
Сейчас в симуляторе реализуем источник тока примерно 1ма и проверим его с разной нагрузкой чтобы подтвердить то что он действительно источник стабильного тока.
Проверка источника стабильного тока на 1 кОм. как видим ток около 1 ма.
Давай те приведу еще пример:
Нагрузили на 5 кОм, те в 5 раз уменьшили нагрузку, ток остался стабилен.
Сейчас приведу еще 1 пример:
Тут я оставил нагрузку из первого примера в 1 кОм, но источник питания измени в 2 раза с 15 Вольт до 30 Вольт! Как видим ток остался в пределах около 1 мА.
Как видим, источник тока работает стабильно независимо от нагрузки и напряжения источника питания.
Многие скажут но там же отличаются микроамперы! Да у любого устройства есть погрешность, в данной схеме мы получили погрешность не более 5% изменяя номинал нагрузки в 500%, а также изменяя источник питания в 200%, для схемы из 4х деталей (не считая нагрузку) это отличнейший результат!
Сейчас рассмотрим еще иные варианты источника стабильного тока!
Вот еще одна схема источника стабильного тока на одном транзисторе.
В данной схеме транзистором Q1 управляет сам транзистор Q1.
Транзистор Q1 включен по схеме общая база на источник стабильного напряжения сделанный на диодах (можно использовать стабилитрон).
Ток задаётся аналогично пред идущей схеме рассмотренной в первой части статьи резистором R1, источник тока для для стабилитрона или диодов R2.
Данная схема работает чуть иначе, тут стабилизация зависит тоже от падения напряжения на резисторе, но при этом напряжения управления транзистором работает между его базой и эмитером! Те рабочая точка зависит от напряжения падения на резисторе и опорной точкой стабилизированного напряжения на базе транзистора. Данная схема имеет большее падение напряжения на резисторе R1, поэтому она применима в меньшем количестве устройств и с меньшей нагрузкой (меньшим током стабилизации), но для кого то может показаться проще.
Но у данной схемы есть и плюсы, при постройке нескольких источников тока на разные токи будет добавляться только 1 транзистор и резистор!
В данной схеме мы добавили Q2 и R4 и всё, унас получился источник стабильного тока всего из 2х деталей работающий на нагрузку в виде R5. также можно добавлять сколь угодно источников тока, главное чтобы источник опорного напряжения оставался стабилен и мог выдержать нагрузку по току.
Далее рассмотрим перевёрнутую схему источника тока, те стабилизировать будем от минуса источника напряжения с использованием полевого транзистора:
Схема работает аналогично первой из первой части статьи. Можно также поменять местами полевой и биполярный транзистор, работать будет, но напряжение падения на резисторе будет уже в несколько вольт! что для практических применений не имеет смысла из-за больших потерь.
Есть также очень важное замечание, в схеме с полевым транзистором мы недолжны превысить напряжение на затворе выше 20ти вольт, чтобы обойти это ограничение при напряжение источника питания выше 20ти вольт необходимо между минусом источника питания и затвором установить стабилитрон номиналом 10-15 вольт.
Источник тока с применением компаратора.
Теперь схему усложним, добавим сюда компаратор который работает от однополярного источника, а также может работать максимально от минуса источника питания.
В данной схеме источник V2 выполняет роль источника опорного напряжения. от точности данного источника будет зависеть точность установленного тока в нагрузке. Данный источник является обычно отдельной микросхемой источника опорного напряжения. далее идёт регулятор тока, ток в данной схеме можно регулировать. схема упрощена для понимания, как в обычном источнике тока роль транзистора Q2 тут выполняет компаратор сравнивая на входах напряжение опорного источника сигнала через регулятор, с напряжением падения на резисторе R4, резистор R4 имеет малое сопротивление (при больших токах может быть несколько тысячных Ома).
Минимальный ток тут будет зависеть от минимального входного напряжения на диф каскад компаратора. максимальный же напряжению падения на резисторе равной источнику опорного напряжения.
Данный источник тока является высокоточным, может отдавать ток широком диапазоне регулировки, имеет низкое падение на токозадающем резисторе, все потери только на транзисторе из-за линейного режима. Данная схема может применяться в схемах питания светодиодов, в зарядных устройствах и многих других устройствах.
Токовое зеркало.
Мы рассмотрели источники стабильного тока. Они работают с одной или 2х сторон, но бывает что нужно перенаправить ток не сверху вниз, а снизу вверх, например в усилителях мощности звуковой частоты токовое зеркало очень распространено, так как диф каскад даёт 2 сигнала вниз или вверх, а нам нужно управлять выходным каскадом с 2х сторон, вот тут нам поможет токовое зеркало.
Рассмотрим схему источника стабильного тока работающего сверху вниз, и токовое зеркало перенаправляющее ток снизу вверх (от минуса к плюсу источника питания).
На схеме я построил источник тока и токовое зеркало, резистор R4 служит нагрузкой, а резисторы R2, R3 служат для распределения и выравнивания тока, эти 2 резистора можно опустить и исключить из схемы, всё будет работать только с чуть большей неравномерностью.
В данном случае мы рассмотрели пример разворота тока от источника к приёмнику через токовое зеркало, также этот ток можно развернуть сколь угодно раз получив конечно большую погрешность и задержку сигнала, а также увеличенное потребление кратное количеству тока умноженное на количество зеркал.
Если например рассмотреть усилитель мощности звуковой частоты где источник стабильного тока давит на диф каскад, нижняя часть усилителя напряжения управляется от одного токового зеркала, но чтобы управлять верхней частью нужно ток развернуть еще раз и того будет 2 токовых зеркала для управления сверху.
В сл. статье мы рассмотрим пример при обсуждении дифф каскада.
