Два NPN-транзистора – рекомендуемые модели 2N2222 или 2N3403 (каталог Radio Shack №276-1617 – это набор из пятнадцати NPN-транзисторов, идеально подходящий для этого и других экспериментов)
Две 6-вольтовые батареи
Один потенциометр на 10 кОм, однооборотный, с линейным конусом (каталог Radio Shack №271-1715)
Рекомендуются маломощные транзисторы, чтобы иметь возможность испытать «тепловой разгон» в последней части эксперимента. Более крупные «мощные» транзисторы могут не демонстрировать такого же поведения при таких низких уровнях тока. Однако для создания токового зеркала можно использовать любую пару идентичных NPN-транзисторов.
Имейте в виду, что не все транзисторы имеют одинаковые обозначения выводов, даже если они имеют одинаковый внешний вид. Это будет определять, как вы будете соединять транзисторы вместе и с другими компонентами, поэтому обязательно ознакомьтесь со спецификацией (техническим описанием компонента), которые легко получить на веб-сайте производителя.
Имейте в виду, что на упаковке транзистора и даже в техническом паспорте могут быть указаны неправильные схемы идентификации клемм! Настоятельно рекомендуется дважды проверить идентичность контактов с помощью функции проверки диодов вашего мультиметра.
Для получения подробной информации о том, как идентифицировать выводы полевых транзисторов с помощью мультиметра, обратитесь к главе 4 «Биполярные транзисторы» тома «Полупроводники» (том III) этой серии книг.
Ссылки по теме
«Уроки по электрическим цепям», том 3 «Полупроводники», глава 4: «Биполярные транзисторы»
Цели эксперимента
Построить схему токового зеркала
Определить токовые ограничения схемы токового зеркала
Токовое зеркало можно рассматривать как регулируемый регулятор тока, предел тока которого легко устанавливается одним сопротивлением. Это довольно грубая схема регулятора тока, но она находит широкое применение благодаря своей простоте.
В этом эксперименте у вас будет возможность построить одну из таких схем, изучить её свойства регулирования тока, а также воочию убедиться в некоторых её практических ограничениях. Соберите цепь, как показано на схеме и иллюстрации.
В списке нужного оборудования упоминается один дополнительный постоянный резистор 1,5 кОм. Он используется не сразу, а в последней части этого эксперимента.
Потенциометр устанавливает количество тока через транзистор Q1. Этот транзистор работает как простой диод: просто P-N-переход.
Зачем использовать транзистор вместо обычного диода? Потому что важно, чтобы характеристики перехода этих двух транзисторов совпадали при использовании их в схеме токового зеркала. Напряжение, падающее на переход база/эмиттер Q1, подаётся на переход база/эмиттер другого транзистора Q2, заставляя его «включаться» и аналогичным образом проводить ток.
Поскольку напряжение на переходах база/эмиттер двух транзисторов одинаковое (две пары переходов соединены параллельно друг с другом), то и ток должен проходить через их базовые клеммы, предполагая одинаковые характеристики перехода и одинаковую температуру перехода. Согласованные транзисторы также должны иметь одинаковые коэффициенты β, поэтому равные токи базы означают равные токи коллектора.
Практическим результатом всего этого является то, что ток коллектора Q2 имитирует любую величину тока, установленную через коллектор Q1потенциометром. Другими словами, ток через Q2 отражает ток через Q1. Изменения сопротивления нагрузки (сопротивление, соединяющее коллектор Q2 с положительной стороной батареи) не влияют на ток Q1 и, следовательно, не влияют на напряжение база/эмиттер или ток базы Q2.
При постоянном токе базы и почти постоянном коэффициенте β на транзисторе Q2 будет падать столько или меньше напряжение коллектор/эмиттер, сколько необходимо для поддержания постоянного тока коллектора (нагрузки). Таким образом, схема токового зеркала регулирует ток на уровне, установленном потенциометром, независимо от сопротивления нагрузки.
Ну, во всяком случае, так оно и должно работать. Реальность не так проста, как вы сейчас увидите.
На показанной принципиальной схеме цепь нагрузки Q2 замыкается на положительную сторону батареи через амперметр для облегчения измерения тока. Вместо того, чтобы жёстко подключать чёрный щуп амперметра к определённой точке цепи, я отметил пять контрольных точек, от КТ1 до КТ5, чтобы вы могли прикасаться к ним чёрным щупом при измерении тока.
Это позволяет быстро и без усилий изменять сопротивление нагрузки: прикосновение щупа к КТ1 приводит к практически полному отсутствию сопротивления нагрузки, а прикосновение к КТ5 даёт примерно 14,5 кОм сопротивления нагрузки. Чтобы начать эксперимент, прикоснитесь испытательным щупом к КТ4 и отрегулируйте потенциометр по его диапазону хода.
Вы должны увидеть небольшой изменяющийся ток, указанный вашим амперметром, когда вы перемещаете механизм потенциометра: не более нескольких миллиампер. Оставьте потенциометр установленным в положение, дающее круглое число миллиампер, и переместите чёрный тестовый щуп измерителя в положение КТ3.
Текущая индикация должна быть почти такой же, как и раньше. Переместите датчик на КТ2, затем на КТ1.
Опять же, вы должны увидеть почти неизменную величину тока. Попробуйте установить потенциометр в другое положение, дающее другую индикацию тока, и коснитесь чёрным щупом мультиметра контрольных точек с КТ1 по КТ4, отмечая стабильность показаний тока при изменении сопротивления нагрузки.
Это демонстрирует токорегулирующее поведение этой схемы. Следует отметить, что действующее регулирование не является совершенным.
Несмотря на регулирование тока почти на уровне сопротивления нагрузки от 0 до 4,5 кОм, в этом диапазоне есть некоторые отклонения. Регулирование может быть намного хуже, если сопротивление нагрузки будет слишком высоким.
Попробуйте отрегулировать потенциометр так, чтобы получить максимальный ток, как показано с помощью щупа амперметра, подключённого к КТ1. Оставив потенциометр в этом положении, переместите измерительный щуп на КТ2, затем КТ3, затем КТ4 и, наконец, КТ5, отмечая показания счётчика в каждой точке подключения.
Ток должен регулироваться почти на постоянном уровне до тех пор, пока измерительный щуп не будет перемещён в последнюю контрольную точку, КТ5. Там текущая индикация будет существенно ниже, чем в других контрольных точках.
Почему так? Потому что в цепь Q2 добавлено слишком большое сопротивление нагрузки. Проще говоря, Q2 не может «включаться» больше, чем он уже есть, чтобы поддерживать такое же количество тока при таком большом сопротивлении нагрузки, как и при меньшем сопротивлении нагрузки.
Это явление характерно для всех схем регуляторов тока: существует ограниченное значение сопротивления, с которым регулятор тока может справиться, прежде чем он насытится. Это само собой разумеющееся, так как любая схема регулятора тока, способная подавать постоянный ток через любое вообразимое сопротивление нагрузки, потребует для этого неограниченный источник напряжения!
Закон Ома (E = IR) диктует величину напряжения, необходимого для проталкивания заданного количества тока через заданное сопротивление, и, имея в нашем распоряжении только 12 вольт напряжения питания, конечный предел тока нагрузки и сопротивления нагрузки определённо существует для этой схемы. По этой причине может быть полезно думать о схемах регулятора тока как о схемах ограничения тока, поскольку всё, что они действительно могут сделать, это ограничить ток до некоторого максимального значения.
Важным предостережением для схем токовых зеркал, как правило, является одинаковая температура между двумя транзисторами. «Отражение» тока, происходящее между коллекторными цепями двух транзисторов, зависит от переходов база/эмиттер этих двух транзисторов, имеющих одинаковые свойства.
Как описывает «уравнение диода», соотношение между напряжением и током для P-N-перехода сильно зависит от температуры перехода. Чем горячее P-N-переход, тем больший ток через него проходит при заданном падении напряжения.
Если один транзистор станет более горячим, чем другой, он будет пропускать бо́льший ток коллектора, чем другой, и схема больше не будет «отражать» ток, как от неё ожидается. При построении схемы реального токового зеркала с использованием дискретных транзисторов два транзистора должны быть склеены эпоксидной смолой (встык), чтобы они оставались примерно при одинаковой температуре.
Чтобы проиллюстрировать эту зависимость от одинаковой температуры, попробуйте подержать один транзистор между пальцами, чтобы нагреть его. Что происходит с током через нагрузочные резисторы при повышении температуры транзистора?
Теперь отпустите транзистор и подуйте на него, чтобы он остыл до температуры окружающей среды. Возьмите другой транзистор между пальцами, чтобы нагреть его.
Что сейчас делает ток нагрузки? На следующем этапе эксперимента мы намеренно позволим одному из транзисторов перегреться и отметим последствия.
Чтобы избежать повреждения транзистора, эту процедуру следует проводить не дольше, чем это необходимо для наблюдения за тем, как ток нагрузки начинает «убегать». Для начала отрегулируйте потенциометр на минимальный ток.
Затем замените ограничительный резистор RОгр. 10 кОм на резистор 1,5 кОм. Это позволит более высокому току проходить через Q1, а следовательно, и через Q2.
Поместите чёрный щуп амперметра на КТ1 и наблюдайте за показаниями тока. Перемещайте потенциометр в направлении увеличения тока, пока на амперметре не будет считано около 10 мА.
В этот момент прекратите двигать потенциометр и просто наблюдайте за током. Вы заметите, что ток начнёт увеличиваться сам по себе, без дальнейшего движения потенциометра!
Разомкните цепь, удалив измерительный щуп из КТ1, когда ток превысит 30 мА, чтобы не повредить транзистор Q2. Если осторожно прикоснуться пальцем к обоим транзисторам, то можно заметить, что Q2 тёплый, а Q1 холодный.
Предупреждение
Если ток Q2 «убегал» слишком далеко или в течение слишком долгого времени, он может сильно нагреться! Вы можете получить сильный ожог кончика пальца, прикоснувшись к перегретому полупроводниковому компоненту, поэтому будьте осторожны!
Что только что произошло, что заставило Q2 перегреться и потерять контроль над током? Подключив амперметр к КТ1, все сопротивления нагрузки были удалены, поэтому Q2 должен был сбрасывать полное напряжение батареи между коллектором и эмиттером, поскольку он регулировал ток.
По мере повышения температуры транзистор Q2 пропускает бо́льший ток при той же величине падения напряжения база/эмиттер. Это заставляет его нагреваться ещё быстрее, так как он пропускает бо́льший ток коллектора, но при этом падает полные 12 вольт между коллектором и эмиттером.
Этот эффект известен как тепловой разгон, и он возможен во многих схемах биполярных транзисторов, а не только в токовых зеркалах.
Амперметр – это не что иное, как батарея постоянного тока с нулевым напряжением, расположенная именно для перехвата тока нагрузки. Это не более чем трюк для измерения тока в моделировании SPICE, поскольку в языке SPICE не существует специального компонента «амперметр».
Важно помнить, что SPICE распознаёт только первые восемь символов имени компонента. Имя «vammeter» подходит, но если бы мы включили в схему более одного источника напряжения для измерения тока и назвали бы их «vammeter1» и «vammeter2» соответственно, SPICE счёл бы, что это два экземпляра одного и того же компонента «vammeter» (т.к. видит только первые восемь символов) и остановился бы с ошибкой.
Что следует иметь в виду при изменении списка соединений или программировании собственной симуляции SPICE! Вам придётся поэкспериментировать с различными значениями сопротивления нагрузки R в этом моделировании, чтобы оценить токорегулирующий характер схемы.
При значении RОгр., установленном на 10 кОм, и напряжении питания 12 В регулируемый ток через RНагрузка составит 1,1 мА. SPICE показывает, что стабилизация идеальна (разве виртуальный мир компьютерного моделирования не так прекрасен?), ток нагрузки остаётся на уровне 1,1 мА для широкого диапазона сопротивлений нагрузки. Однако, если сопротивление нагрузки превышает 10 кОм, даже это моделирование показывает, что ток нагрузки уменьшается, как и в реальной жизни.
