Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/JFET – регулятор тока

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

JFET – регулятор тока

Оборудование и материалы

• Один полевой транзистор с N-канальным переходом, рекомендуется модель 2N3819 или J309 (в каталоге Radio Shack для №276-2035 указана модель 2N3819)
• Две 6-вольтовые батареи
• Один потенциометр на 10 кОм, однооборотный, с линейным конусом (каталог Radio Shack №271-1715)
• Один резистор 1 кОм
• Один резистор 10 кОм
• Три резистора 1,5 кОм

Для этого эксперимента вам понадобится N-канальный JFET, а не P-канальный!

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.

И помните, 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 5 «Полевые транзисторы» тома «Полупроводники» (том III) этой серии книг.

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том 3 «Полупроводники», глава 5: «Полевые транзисторы»
• «Уроки по электрическим цепям», том 3 «Полупроводники», глава 3: «Диоды и выпрямители»

Цели эксперимента

• Научиться использовать JFET в качестве регулятора тока
• Увидеть, как JFET относительно невосприимчив к изменениям температуры

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: JFET-транзистор в качестве регулятора тока.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: JFET-транзистор в качестве регулятора тока.

Ход эксперимента

Ранее в этой главе вы видели, как пара биполярных переходных транзисторов (BJT) может быть использована для формирования токового зеркала, при этом один транзистор будет пытаться поддерживать проходящий через него такой же ток, как если бы уровень тока другого устанавливается за счёт переменного сопротивления. Эта схема выполняет ту же задачу регулирования тока, но использует полевой транзистор с одним переходом (JFET) вместо двух биполярных транзисторов.

Два последовательных резистора R_{Установл.} и R_Огр. устанавливают точку регулирования тока, в то время как нагрузочные резисторы и контрольные точки между ними служат только для демонстрации постоянного тока, несмотря на изменения сопротивления нагрузки. Чтобы начать эксперимент, прикоснитесь испытательным щупом к контрольной точке 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 щуп 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.

КТ₅ на конце резистора 10 кОм предназначен для внесения большого изменения сопротивления нагрузки. Подключение чёрного щупа вашего амперметра к этой контрольной точке даёт комбинированное сопротивление нагрузки 14,5 кОм, что будет слишком большим сопротивлением для транзистора, чтобы поддерживать максимальный регулируемый ток.

Чтобы убедиться в том, что я здесь описываю, прикоснитесь чёрным щупом к КТ₁ и отрегулируйте потенциометр на максимальный ток. Теперь переместите чёрный тестовый щуп на КТ₂, затем на КТ₃, затем на КТ₄.

Для всех этих положений контрольной точки ток будет оставаться приблизительно постоянным. Однако, когда вы прикасаетесь чёрным щупом к КТ₅, ток резко падает. Почему? Потому что при таком уровне сопротивления нагрузки падение напряжения на транзисторе недостаточно для поддержания регулирования.

Другими словами, транзистор будет насыщаться, поскольку он пытается обеспечить больший ток, чем позволяет сопротивление цепи. Переместите чёрный тестовый щуп обратно к КТ₁ и отрегулируйте потенциометр на минимальный ток.

Теперь коснитесь чёрным тестовым щупом КТ₂, затем КТ₃, затем КТ₄ и, наконец, КТ₅. Что вы заметили в текущей индикации во всех этих точках? Когда точка регулирования тока настроена на меньшее значение, транзистор способен поддерживать регулирование в гораздо большем диапазоне сопротивления нагрузки.

Важное предостережение относительно схемы токового зеркала BJT заключается в том, что оба транзистора должны иметь одинаковую температуру, чтобы два тока были равными. Однако в этой схеме температура транзистора практически не имеет значения.

Попробуйте зажать транзистор между пальцами, чтобы нагреть его, отметив ток нагрузки амперметром. Попробуйте потом охладить его, подув на него.

Не только устраняется требование согласования транзисторов (из-за использования всего одного транзистора), но и тепловые эффекты практически исключаются благодаря относительной термостойкости полевого транзистора. Такое поведение также делает полевые транзисторы невосприимчивыми к тепловому разгону; и это решающее преимущество перед биполярными транзисторами.

Интересным применением этой схемы регулятора тока является так называемый диод постоянного тока. Описанный в главе «Диоды и выпрямители» тома III «Полупроводники», этот диод на самом деле вовсе не является устройством с P-N-переходом. Вместо этого это JFET с фиксированным сопротивлением, подключённым между клеммами затвора и истока:

Рис. 3. JFET с фиксированным сопротивлением.

Обычный диод с P-N-переходом включён последовательно с JFET для защиты транзистора от повреждения от напряжения обратного смещения, но в остальном функция регулирования тока этого устройства полностью обеспечивается полевым транзистором.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 4. Схематическая диаграмма для SPICE: JFET-транзистор в качестве регулятора тока.

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

JFET current regulator * JFET регулятор тока
vsource 1 0
rload 1 2 4.5k
j1 2 0 3 mod1
rlimit 3 0 1k
.model mod1 njf
.dc vsource 6 12 0.1
.plot dc i(vsource)
.end

SPICE не позволяет изменять значения сопротивления, поэтому, чтобы продемонстрировать регулировку тока этой схемы в широком диапазоне условий, я решил изменять напряжение источника от 6 до 12 вольт с шагом 0,1 вольт. При желании вы можете установить для R_{Нагрузка} (rload) разные значения сопротивления и убедиться, что ток в цепи остаётся постоянным.

При значении R_Огр. (rlimit) 1 кОм регулируемый ток составит 291,8 мкА. Это значение тока, скорее всего, не будет таким же, как ваш фактический ток цепи, из-за различий в параметрах JFET. Многие производители указывают параметры модели SPICE для своих транзисторов, которые можно ввести в строке .model списка связей для более точного моделирования схемы.