10.4. Источники стабильного тока

Неизменное значение постоянного тока, независимое от пара­метров цепи (нагрузки), может обеспечить только идеальный гене­ратор тока с бесконечно большим динамическим сопротивлением, ВАХ которого параллельна оси напряжения (рис. 10.14). ВАХ ре­ального генератора тока приближается к ВАХ идеального генера­тора только в некотором интервале значений напряжения. При этом его динамическое сопротивление хотя и очень большое, но не бесконечно большое.

Заметим, что выходная характеристика биполярного транзи­стора в схеме с ОБ близка к ВАХ идеального генератора тока. Сле­довательно, транзистор, включен­ный по схеме с общей базой, прак­тически может выполнять функ­цию генератора тока. Однако на практике используется не один, а два и более транзисторов, кото­рые обеспечивают не только получение большого динамического сопротивления, но и слабую зави­симость самого тока генератора от нестабильности напряжения источников питания и температурной нестабильности элементов схемы.

Расчет динамического сопротивления сводится к расчету выход­ного сопротивления транзисторного каскада по малосигнальным эк­вивалентным схемам, как это делалось при рассмотрении парамет­ров усилительного каскада в § 10.1.2. Расчет же влияния эксплуатационных факторов на нестабильность тока должен проводиться по уравнениям токов биполярного транзистора в статическом режиме (по статической модели Эберса — Молла).

Наиболее существенной причиной нестабильности тока (смеще­ния рабочей точки) источника стабильного тока (ИСТ) является тем­пературная нестабильность параметров элементов цепи. Темпера­турная нестабильность БТ заключается в основном в изменении обратного тока коллекторного перехода

, изменении статического коэффициента передачи тока базыи изменении напряжения на эмиттерном переходе при заданном токе перехода. Для кремниевых транзисторов, используемых в ИС, изменениене имеет сущест­венного значения, поэтому температурная нестабильность каскадов определяется в основном изменениями и. Температурная не­стабильность каскадов на полевых транзисторах обусловлена изме­нением напряжения отсечки (порогового напряжения) и крутизны ха­рактеристики. Температурная нестабильность интегральных рези­сторов зависит от их типа и характеризуется температурным коэф­фициентом сопротивления (ТКС).

В гибридных схемах необходимая стабильность постоянного то­ка достигается методами классической электроники путем выбора цепей подачи напряжения на переходы и применением отрицатель­ной обратной связи. В гибридных ИС имеются значительно большие возможности использования резисторов с большими сопротивлени­ями, чем в полупроводниковых ИС.

На рис. 10.15 приведено несколько простых вариантов схем ис­точников стабильного тока, предназначенных для полупроводнико­вых ИС [30]. На основе этих схем разработаны сложные схемы ИСТ.

Самая простая схема ИСТ показана на рис. 10.15,а. Это схема транзисторного каскада, у которого базовый ток задается с помощью делителя и

, а в эмиттерной цепи имеется резистор , ослабля­ющий влияние температуры на коллекторный ток (см. § 10.1.2). Со­противления и выбираются так, чтобы ток значительно пре­вышал базовый ток. В этом случае изменение режима работы тран­зистора, приводящее к изменению тока , не будет заметно влиять на величину напряженияЕ_о на резисторе , определяющего напряже­ние транзистора, да и сам расчет становится проще. При указан­ном выборе и <<

и

(10.41)

С другой стороны, . Поэтому стабилизируемый ток с учетом (10.41)

(10.42)

Если бы можно было пренебречь величиной , то

(10.43)

При а = 1 , т.е. ток повторяет («отражает») значение , которое называют иногда опорным током. В общем случае. Такая связь токовиобъясняет существующее название схемы «токовое зер­кало» или «отражатель тока».

Из выражения (10.42) следует, что при неизменных сопротивле­ниях ток ИСТ будет зависеть только от и, влияющего на . Ес­ли напряжение источникастабилизировано, то останется только влияние нестабильности

. Температурная чувствительность на­пряжения кремниевого БТ (при изменении на 1°С) составляет

(10.44)

Поэтому при изменении температуры значение тока не будет оста­ваться постоянным. Нестабильность тока, связанная с нестабильно­стью и определяемая вторым слагаемым в (10.42),

(10.45)

Чем больше сопротивление резистора

в эмиттерной цепи, тем меньше абсолютная нестабильность. При= 1 кОм= 2,5 мВ/°С и при = 1°С= 2,5 мкА.

Динамическое сопротивление в простейшей схеме, рассчитанное по малосигнальной эквивалентной схеме при дифференциальных параметрах

= 30 Ом,= 3·10^—4, = –0,99,= 3·10 ^-7 См, сопротивлении = 1 кОм и дополнительном сопротивлении в цепи базы = 1 кОм оказывается близким к 1 МОм.

На рис. 10.15 показаны еще три модифицированные схемы ИСТ, имеющие лучшую температурную стабильность, чем схема на рис. 10.15,а [30]. Эти варианты отличаются тем, что в цепь тока включен компенсационный р-n-переход – интегральный бипо­лярный транзистор в диодном включении, называемый опорным.

В схеме на рис. 10.15,б имеется опорный транзистор , но в от­личие от схемы на рис. 10.15,а отсутствуют резисторы и. Если оба транзистора идентичны по размерам и параметрам, то прибудут равны токии(). Так каки, то

(10.46)

Температурная нестабильность тока по-прежнему будет опре­деляться температурной нестабильностью напряжения(оди­наковой для обоих транзисторов). Однако она зависит и от сопро­тивления. При увеличениипо сравнению св формуле (10.42) нестабильность уменьшится.

Дальнейшее повышение стабильности тока достигается в схеме на рис. 10.15,б переходом к транзисторам, отличающимся площа­дью эмиттерных переходов ():

(10.47)

На практике это отношение достигает пяти. Так как по-прежнему , то

(10.48)

Теперь вместо (10.46) получим

(10.49)

что приводит к снижению нестабильности, характеризуемой вто­рым слагаемым, в b раз по сравнению со схемой с идентичными транзисторами. Недостатком схемы является то, что фиксация токов определяется отношением площадей эмиттеров, а его не­возможно сделать более пяти. Когда отношение опорного и ос­новноготоков более пяти, рекомендуется использовать схему, изображенную на рис. 10.15,в. В ней снова используются иденти­чные по размерам транзисторы(b=1), но в отличие от простей­шей схемы (рис. 10.15,а) отсутствует резистор . Уравнение Кирхгофа для нижнего контура схемы

(10.50)

Основной ток , так как. В качестве опорного диода (как и ранее) используется транзистор в диодном включении. Как и прежде, можно считать, т.е. Выражение (10.50) мож­но теперь записать в виде , откуда следует

(10.51)

В отличие от выражения (10.42) температурная нестабильность определяется температурной нестабильностью разности и. Эта разность может стать равной нулю, если через идентич­ные эмиттерные переходы проходят одинаковые токи (), что возможно только при=. Но это означает, что вместо выраже­ния (10.51) можно написать очевидное соотношение

(10.52)

Однако следует заметить, что температурная нестабильность все-таки останется, так как опорный ток зависит от в соот­ветствии с формулой

(10.53)

но эту нестабильность можно ослабить, если . Тогда

В ряде ИС требуются ИСТ с очень малым значением тока при большом значении опорного тока (). В этих случаях используют модифицированную схему, показанную на рис. 10.15,г. Для этой схемы

(10.54)

Используя ВАХ идеализированного перехода (3.40), можно написать

(10.55)

где– тепловой ток идентичных переходов. Из выражений (10.54) и (10.55) получим

(10.56)

По заданному току можно определить из (10.56) необходимое со­противление эмиттерного резистора:

Следует заметить, что при малых токах (десятки микроампер) для одинаковых эмиттеров обоих транзисторов требуемое сопротивление достигает 1 МОм, что трудновыполнимо. Поэтому и в этой схеме ис­пользуются транзисторы с неодинаковыми площадями эмиттеров (= 1 …5), что позволяет понизить сопротивление резистора.

Наконец, отметим, что существуют более сложные схемы, чем приведенные на рис. 10.15, с лучшими характеристиками.

Источники тока на операционных усилителях, схемы и расчёты

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой I_н≈ U_вх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину I_н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×β/[R1(1+β)].
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: I_н≈ (Еп-U_вх)/R1.
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости I_н≈ U_вх/R1, а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

 

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Для всех, кто ищет действительно качественную и серьёзную схему лабораторного БП, могу предложить недавно собранную мной схемку на полевых транзисторах и операционнике LM358 из журнала РАДИО №7, 2008г. Выдаёт максимально 30V, 5A — работает нормально. Далее описание от автора конструкции: лабораторный БП имеет интервал регулировки выходного напряжения 2.5-30 В при токе до 5 А. Он снабжен узлом защиты от перегрузки по току, который может работать в двух режимах: ограничителя тока и отключения выходного напряжения. Ток срабатывания можно установить в пределах 0.15…5 А. В состав БП входят также узлы управления вентилятором и защиты от перегрева.

Схема принципиальная ЛБП

Выпрямитель собран на диодном мосте VDI и сглаживающем конденсаторе С1, на микросхеме DA1 собран вспомогательный стабилизатор напряжения 12 В, от которого питаются некоторые узлы. В качестве регулирующего транзистора VT5 применен мощный полевой переключательный п-канальный транзистор, включенный в минусовую линию выходного напряжения, благодаря чему обеспечивается минимальная разность входного и выходного напряжения. Этот транзистор общий для узлов стабилизации напряжения и тока, его сток через переключатель SA3 может быть подключен к минусовой клемме розетки XS1. которая является выходом стабилизированного напряжения, или через диод VD5 к плюсовой клемме розетки XS2. которая является входом узла стабилизации тока (входом эквивалента нагрузки). Выключателем SA4 можно подключить стабилизатор напряжения (тока) к выходу (входу) ИП, при этом будет светить светодиод HL5.

Узел стабилизации выходного напряжения содержит микросхему параллельного стабилизатора САЗ, согласующий каскад на транзисторе VT3 и управляющий транзистор VT4. Переменный резистор R18 совместно с резистором R19 образует делитель напряжения, поступающего на управляющий вход стабилизатора DA3. В состав этой микросхемы входит источник эталонно! о напряжения 2,5 В, что и определяет минимальное выходное напряжение ИП. После включения питания выключателем SAI «Сеть» выпрямленное напряжение (32…35 В) с выпрямителя поступает на регулирующий транзистор VT5. Одновременно с выхода стабилизатора DAI напряжение питания поступит на ОУ DA2.2. и на его выходе установится напряжение около 11 В, которое через резистор R8 поступит на затвор транзистора VT5, открывая его, в результате выходное напряжение увеличивается. Станет увеличиваться и напряжение на управляющем входе стабилизатора DA3. и когда оно превысит 2.5 В, ток через стабилизатор DA3 возрастет, транзисторы VT3, VT4 откроются, а транзистор VT5 станет закрываться, уменьшая выходное напряжение. Его установку осуществляют переменным резистором R18, микроамперметр РА1 совместно с резисторами R15 и R16 используется как вольтметр.

Узел защиты от перегрузки по току состоит из резистивного датчика тока R4, ОУ DA2.2 и тиристорной оптопары U1. Переменным резистором R3. входящим в состав делителя R2R3. устанавливают ток срабатывания защиты, а режим ее работы устанавливают выключателем SA2 «Защита по току». В показанном на схеме положении этого выключателя происходит ограничение (стабилизация) выходного тока, при замкнутых контактах выходное напряжение отключается. Выходной ток протекает через резистор R4 и создает на нем падение напряжения; пока оно меньше напряжения на резисторе R3, на выходе ОУ DA2.2 будет напряжение, которое через резистор R8 поступает на коллектор транзистора VT4 и затвор транзистора VT5. поэтому стабилизатор выходною напряжения работает в нормальном режиме.

При увеличении выходного тока увеличится напряжение на резисторе R4, и когда оно превысит напряжение на резисторе R3. на выходе ОУ DA2.2 оно уменьшится, транзистор VT5 закроется и ИП перейдет в режим ограничения выходного тока, при этом выходное напряжение станет меньше установленного и не регулируется. Светодиод HL3 будет включен, сигнализируя, что происходит ограничение тока в нагрузке. При уменьшении выходного тока ИП автоматически перейдет в режим стабилизации напряжения.

При замкнутых контактах выключателя SA2 при превышении выходным током заранее установленного значения начнет протекать ток через излучающий диод оптопары U1 и фототринистор откроется. Напряжение на затворе транзистора VT5 станет меньше напряжения открывания, и выходное напряжение источника питания уменьшится практически до нуля. Светодиод HL4 загорится, сигнализируя о том. что произошло отключение выходного напряжения по причине превышения тока в нагрузке. Вывести устройство из этого состояния можно отключением его от сети и последующим включением, а также разомкнув контакты выключателя SA2.

В положении переключателя SA3 «Экв. нагр.» устройство может работать как эквивалент нагрузки (I). При этом отключается узел стабилизации напряжения и ОУ DA2.2 совместно с транзистором VT5 образуют стабилизатор тока. К гнезду XS2 подключают проверяемый блок питания или аккумулятор, а ток устанавливают резистором R3. Диод VD5 служит для защиты от неправильного подключения внешних источников напряжения.

Поскольку у ИП большой интервал регулирования выходною напряжения при токе до 5 А, при определенных условиях, например, при малом выходном напряжении и большом токе, на регулирующем транзисторе VT5 рассеивается значительная мощность (100 Вт и более). Это требует как его защиты от перeгрева, так и эффективного охлаждения теплоотвода за счет принудительного обдува вентилятором. Узел защиты от nepef рева собран на терморезисторе RK1 и ОУ DA2.1. который работает как компаратор. Датчик температуры на терморезисторе RKI с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления установлен на теплоотводе в непосредственной близости от транзистора VT5.

Когда температура теплоотвода меньше аварийной, напряжение на входе (вывод 3) ОУ DA2.1 больше, чем на инвертирующем (вывод 2). и на ею выходе (вывод1) напряжение — около 11 В. Диод VD4 закрыт, светодиод HL2 не включен, и узел защиты от перегрева не влияет на работу стабилизатора напряжения. По мере разогрева теплоотвода, приблизительно до 80С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается и напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 станет меньше, чем на инвертирующем — на его выходе будет напряжение, близкое к нулю. Транзистор VT5 закроется, а напряжение на выходе источника питания станет также близко к нулю. Светодиод HL2 включится, указывая на перегрев транзистора VT5. Поскольку нагрев (охлаждение) теплоотвода процесс инерционный, включение ИП произойдет через некоторое время после остывания теплоотвода, этим обеспечивается гистерезис в работе узла защиты от nepeгрева.

Для эффективного охлаждения теплоотвода в устройстве применен вентилятор. В узел управления вентилятором входит регулируемый источник напряжения с ограничением его максимального значения (13… 14 В), собранный на составном транзисторе VT1. стабилитроне VD2 и резисторе R5, а также управляющий полевой транзистор VT2. Ограничение напряжения необходимо, поскольку номинальное напряжение питания вентилятора — 12 В. Входное сопротивление транзистора VT2, подключенного к терморезистору RK1 велико и поэтому не влияет на работу узла защиты. Когда теплоотвод холодный, сопротивление терморезистора RK1 велико и напряжения на нем достаточно для открывания транзистора VT2. В результате транзистор V11 закрыт и напряжение питания на вентилятор не поступает. При нагреве теплоотвода до 40С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается, транзистор VT2 закрывается, a VT1 открывается и напряжение поступает на вентилятор — он начинает вращаться. Чем выше температура теплоотвода, тем быстрее вращается вентилятор. При остывании теплоотвода происходит обратный процесс.

Настройка блока питания

Налаживание ИП начинают с калибровки вольтметра подстроечным резистором R16 по образцовому цифровому вольтметру. Если применен терморезистор с другим номиналом (не менее 4,7 кОм). подбором резистора R7 устанавливают температуру включения вентилятора, а подбором резистора R9 — температуру включения защиты от перегрева. В положениях «Ист. пит.» переключателя SA3 и «Ограничение» выключателя SA2 подключают к выходу ИП последовательно соединенные образцовый амперметр и резистор сопротивлением 2 Ом мощностью рассеивания 50 Вт и градуируют шкалу переменного резистора R3.

С помощью ИП можно заряжать различные типы аккумуляторных батарей. Для этого батарею с соблюдением полярности подключают к выходу ИП, переключатель SA2 при этом должен быть в положении «Ограничение», a SA4 — в положении «Выкл». Устанавливают выходное напряжение блока питания соответствующее напряжению полностью заряженной батареи, а резистором R3 устанавливают ток зарядки. Выключателем SA4 включают процесс зарядки, при этом включится индикатор «Ограничение», а напряжение на выходе, то есть на батарее, уменьшится в зависимости от ее состояния. В процессе зарядки напряжение на ней возрастает, что контролируют вольтметром ИП, и когда оно достигнет заранее установленного значения, индикатор «Ограничение» выключится и ИП перейдет в режим стабилизации напряжения. В таком состоянии ток зарядки плавно уменьшается и перезарядка батареи исключена.

Для проверки блоков питания и разрядки аккумуляторных батарей их подключают к гнезду XS2 в положении переключателя SA3 «Экв. нагр.». резистором R3 устанавливают ток разрядки, а напряжение контролируют внешним вольтметром. Не следует допускать глубокой разрядки батареи. Возможно, что при зарядке или разрядке батареи станет срабатывать защита от перегрева, тогда эти процессы будут временно прерываться, но после охлаждения теплоотвода возобновятся.

Выше смотрите фото готового устройства и если есть желание посмотреть более подробно — скачайте этот архив. Автор схемы А. КУЗНЕЦОВ, г. Кадников Вологодской обл., сборка — sterc.

   Форум по БП

   Обсудить статью РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

10.4. Источники стабильного тока

Неизменное значение постоянного тока, независимое от пара­метров цепи (нагрузки), может обеспечить только идеальный гене­ратор тока с бесконечно большим динамическим сопротивлением, ВАХ которого параллельна оси напряжения (рис. 10.14). ВАХ ре­ального генератора тока приближается к ВАХ идеального генера­тора только в некотором интервале значений напряжения. При этом его динамическое сопротивление хотя и очень большое, но не бесконечно большое.

Заметим, что выходная характеристика биполярного транзи­стора в схеме с ОБ близка к ВАХ идеального генератора тока. Сле­довательно, транзистор, включен­ный по схеме с общей базой, прак­тически может выполнять функ­цию генератора тока. Однако на практике используется не один, а два и более транзисторов, кото­рые обеспечивают не только получение большого динамического сопротивления, но и слабую зави­симость самого тока генератора от нестабильности напряжения источников питания и температурной нестабильности элементов схемы.

Расчет динамического сопротивления сводится к расчету выход­ного сопротивления транзисторного каскада по малосигнальным эк­вивалентным схемам, как это делалось при рассмотрении парамет­ров усилительного каскада в § 10.1.2. Расчет же влияния эксплуатационных факторов на нестабильность тока должен проводиться по уравнениям токов биполярного транзистора в статическом режиме (по статической модели Эберса — Молла).

Наиболее существенной причиной нестабильности тока (смеще­ния рабочей точки) источника стабильного тока (ИСТ) является тем­пературная нестабильность параметров элементов цепи. Темпера­турная нестабильность БТ заключается в основном в изменении обратного тока коллекторного перехода , изменении статического коэффициента передачи тока базыи изменении напряжения на эмиттерном переходе при заданном токе перехода. Для кремниевых транзисторов, используемых в ИС, изменениене имеет сущест­венного значения, поэтому температурная нестабильность каскадов определяется в основном изменениямии. Температурная не­стабильность каскадов на полевых транзисторах обусловлена изме­нением напряжения отсечки (порогового напряжения) и крутизны ха­рактеристики. Температурная нестабильность интегральных рези­сторов зависит от их типа и характеризуется температурным коэф­фициентом сопротивления (ТКС).

В гибридных схемах необходимая стабильность постоянного то­ка достигается методами классической электроники путем выбора цепей подачи напряжения на переходы и применением отрицатель­ной обратной связи. В гибридных ИС имеются значительно большие возможности использования резисторов с большими сопротивлени­ями, чем в полупроводниковых ИС.

На рис. 10.15 приведено несколько простых вариантов схем ис­точников стабильного тока, предназначенных для полупроводнико­вых ИС [30]. На основе этих схем разработаны сложные схемы ИСТ.

Самая простая схема ИСТ показана на рис. 10.15,а. Это схема транзисторного каскада, у которого базовый ток задается с помощью делителя и , а в эмиттерной цепи имеется резистор , ослабля­ющий влияние температуры на коллекторный ток (см. § 10.1.2). Со­противления и выбираются так, чтобы ток значительно пре­вышал базовый ток. В этом случае изменение режима работы тран­зистора, приводящее к изменению тока, не будет заметно влиять на величину напряженияЕ_о на резисторе , определяющего напряже­ние транзистора, да и сам расчет становится проще. При указан­ном выборе и <<и

(10.41)

С другой стороны, . Поэтому стабилизируемый ток с учетом (10.41)

(10.42)

Если бы можно было пренебречь величиной , то

(10.43)

При а = 1 , т.е. ток повторяет («отражает») значение , которое называют иногда опорным током. В общем случае. Такая связь токовиобъясняет существующее название схемы «токовое зер­кало» или «отражатель тока».

Из выражения (10.42) следует, что при неизменных сопротивле­ниях ток ИСТ будет зависеть только от и, влияющего на . Ес­ли напряжение источникастабилизировано, то останется только влияние нестабильности. Температурная чувствительность на­пряжения кремниевого БТ (при изменении на 1°С) составляет

(10.44)

Поэтому при изменении температуры значение тока не будет оста­ваться постоянным. Нестабильность тока, связанная с нестабильно­стью и определяемая вторым слагаемым в (10.42),

(10.45)

Чем больше сопротивление резистора в эмиттерной цепи, тем меньше абсолютная нестабильность. При= 1 кОм= 2,5 мВ/°С и при = 1°С= 2,5 мкА.

Динамическое сопротивление в простейшей схеме, рассчитанное по малосигнальной эквивалентной схеме при дифференциальных параметрах = 30 Ом,= 3·10^—4, = –0,99,= 3·10 ^-7 См, сопротивлении = 1 кОм и дополнительном сопротивлении в цепи базы = 1 кОм оказывается близким к 1 МОм.

На рис. 10.15 показаны еще три модифицированные схемы ИСТ, имеющие лучшую температурную стабильность, чем схема на рис. 10.15,а [30]. Эти варианты отличаются тем, что в цепь тока включен компенсационный р-n-переход – интегральный бипо­лярный транзистор в диодном включении, называемый опорным.

В схеме на рис. 10.15,б имеется опорный транзистор , но в от­личие от схемы на рис. 10.15,а отсутствуют резисторы и. Если оба транзистора идентичны по размерам и параметрам, то прибудут равны токии(). Так каки, то

(10.46)

Температурная нестабильность тока по-прежнему будет опре­деляться температурной нестабильностью напряжения(оди­наковой для обоих транзисторов). Однако она зависит и от сопро­тивления. При увеличениипо сравнению св формуле (10.42) нестабильность уменьшится.

Дальнейшее повышение стабильности тока достигается в схеме на рис. 10.15,б переходом к транзисторам, отличающимся площа­дью эмиттерных переходов ():

(10.47)

На практике это отношение достигает пяти. Так как по-прежнему , то

(10.48)

Теперь вместо (10.46) получим

(10.49)

что приводит к снижению нестабильности, характеризуемой вто­рым слагаемым, в b раз по сравнению со схемой с идентичными транзисторами. Недостатком схемы является то, что фиксация токов определяется отношением площадей эмиттеров, а его не­возможно сделать более пяти. Когда отношение опорного и ос­новноготоков более пяти, рекомендуется использовать схему, изображенную на рис. 10.15,в. В ней снова используются иденти­чные по размерам транзисторы(b=1), но в отличие от простей­шей схемы (рис. 10.15,а) отсутствует резистор . Уравнение Кирхгофа для нижнего контура схемы

(10.50)

Основной ток , так как. В качестве опорного диода (как и ранее) используется транзистор в диодном включении. Как и прежде, можно считать, т.е. Выражение (10.50) мож­но теперь записать в виде , откуда следует

(10.51)

В отличие от выражения (10.42) температурная нестабильность определяется температурной нестабильностью разности и. Эта разность может стать равной нулю, если через идентич­ные эмиттерные переходы проходят одинаковые токи (), что возможно только при=. Но это означает, что вместо выраже­ния (10.51) можно написать очевидное соотношение

(10.52)

Однако следует заметить, что температурная нестабильность все-таки останется, так как опорный ток зависит от в соот­ветствии с формулой

(10.53)

но эту нестабильность можно ослабить, если . Тогда

В ряде ИС требуются ИСТ с очень малым значением тока при большом значении опорного тока (). В этих случаях используют модифицированную схему, показанную на рис. 10.15,г. Для этой схемы

(10.54)

Используя ВАХ идеализированного перехода (3.40), можно написать

(10.55)

где – тепловой ток идентичных переходов. Из выражений (10.54) и (10.55) получим

(10.56)

По заданному току можно определить из (10.56) необходимое со­противление эмиттерного резистора:

Следует заметить, что при малых токах (десятки микроампер) для одинаковых эмиттеров обоих транзисторов требуемое сопротивление достигает 1 МОм, что трудновыполнимо. Поэтому и в этой схеме ис­пользуются транзисторы с неодинаковыми площадями эмиттеров (= 1 …5), что позволяет понизить сопротивление резистора.

Наконец, отметим, что существуют более сложные схемы, чем приведенные на рис. 10.15, с лучшими характеристиками.

Полевой транзистор — источник постоянного тока

Полевой транзистор по существу является источником постоянного тока и его вольт-амперная характеристика аналогична характеристике электронной лампы – пентоду. В простейшем случае, изображенном на рис. 14.2, пользователю доступны только два вывода и устройство обыч­но представляется как диод. Из характеристики такого диода, также по­казанной на рисунке, видно, что в большей части рабочей области ток имеет почти постоянную величину. Если последовательно с этим прибо­ром включить прецизионный резистор, как показано на рис. 14.3А, то на нем появится постоянное напряжение, которое можно использовать как опорное при условии, что нагрузка имеет входное сопротивление значи­тельно превышающее сопротивление включенного резистора. В стабили­зированных источниках питания, это требование легко выполняется, если нагрузкой является компаратор или буферный каскад.

Рис. 14.2. Диод постоянного тока. Фактически это полевой транзис­тор, у которого соединенные вместе затвор и исток образуют катод «диода». Большинство диодов постоянного тока сделаны из полевых транзисторов с каналом л-типа. Специально разработанные устройства этого типа называются токостабилизирующими диодами (CRD).

Лучших результатов можно достичь, если вместо обычных полевых транзисторов использовать специально разработанные полевые диоды, которые оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. Эти устройства имеют только два вывода потому, что затвор и исток со­единены у них внутри. В настоящее время имеется более 30 типов дио­дов, рассчитанных на токи от 200 мкА до 5 мА. Минимальное рабочее напряжение очень низкое – порядка 1 – 3 В, а прямое напряжение про­боя часто выше 100 В. Таким образом, эти устройства хорошо подходят для широкого класса различных схем. Большое достоинство этих специ­ально созданных токостабилизирующих диодов (CRD) состоит в том, что

при их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффи­циента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но про­тивоположного знака температурный коэффициент. Обычно такой ре­зультат достигается при расчетных токах около 0,5 мА.

Рис. 14.3. Два варианта применения токостабилизирующего диода (CRD). (А) Регулировать опорное напряжение в этой схеме, можно выбирая соответствующий прецизионный резистор. (В) Эта схема дает прецизионное опорное напряжение, обеспечивая оптимальный уро­вень тока опорного диода для получения низкого температурного коэффициента.

Прекрасные результаты дает объединение CRD со стабилитроном, ZF^-диодом или прецизионным стабилитроном, как показано на рис. 14.3В. В этом случае можно получить температурный коэффициент 0,001 процента в интервале температур от О до 100’С. Для достижения опти­мальных результатов и CRD-диод, и прецизионный стабилитрон должны иметь нулевой температурный коэффициент при токе около 0,5 мА.

Чаще всего встречается комбинация С/?/)-диода и обычного стаби­литрона. CRD-диод в качестве источника постоянного тока имеет чрез­вычайно высокое сопротивление по переменному току. Стабилитрон или другой источник опорного напряжения наоборот, имеет очень низ­кое сопротивление переменному току. Когда объединяются два этих прибора так, как показано на рис. 14.3В, образуется уникальный фильтр нижних частот с частотой среза около нуля. Такая конфигура­ция теоретически предполагает существенное ослабление всех частот переменного тока. Из-за паразитных параметров практически схема дает ослабление до 100 дБ для частот достигающих нескольких сот ки­логерц. Таким образом, эффективно удаляются большинство пульсаций и шумовых компонент, обусловленных нестабилизированным источни­ком питания. В простой схеме на рис. 14.2 выходное сопротивление равно l/g^^, где g обычно точно заданный параметр. В этой схеме ве­личина постоянного тока 1^^^ также обычно точно заданная величина. Модифицированная схема на рис. 14.4А позволяет получить любую ве­личину постоянного тока 1^^^. Кроме того, увеличение в этой схеме со­противления резистора /?, с целью уменьшения тока, приводит, из-за действия обратной связи, к увеличению выходного сопротивления. Каскадное включение транзисторов (рис. 14.4В) позволяет получить на­много более стабильный ток и существенно повысить выходное сопро­тивление по сравнению с однотранзисторной схемой. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы ток стока транзистора Q2 был, по крайней мере, в 10 раз больше, чем ток стока транзистора Q\. И важ­но, чтобы напряжение питания стоков обоих полевых транзисторов не меньше, чем вдвое превышало их напряжение смыкания (насыще­ния) Fp, величину обычно точно известную для полевых транзисторов. Этот критерий фактически применяется и в схемах с одним транзис­тором.

Рис. 14.4. Источники стабильного тока с регулируемой величиной тока.

(A) Схема с одним полевым транзистором. Максимальный ток полу­чается при Л = 0.

(B) Каскадное включение двух полевых транзисторов. Эта схема дает лучшую стабилизацию и более высокое динамическое сопротивление, чем схема с одним полевым транзистором. В обеих схемах произво­дитель имеет возможность в процессе изготовления получить нулевой температурный коэффициент для Л = О или для другого значения сопротивления.

CRD-mojx удобно использовать как элемент делителя выходного на­пряжения в импульсном стабилизаторе (рис. 14.5). При таком построе­нии делителя сигнал рассогласования не уменьшается, как это имеет место при обычном резисторном делителе (пример такого применения можно найти в усовершенствованной схеме импульсного стабилизатора на рис. 17.15).

Рис. 14.5. Использование С/?/)-диода для получения требуемой обратной связи в ИИП. Эта схема имеет преимущество по сравнению с обычно используемым резисторным делителем: напряжение обрат­ной связи изменяется точно также, как выходное напряжение источ­ника, а не пропорционально ему. Таким образом, изменение выход­ного напряжения на 2 В приводит к изменению напряжения на С/?/)-диоде также на 2 В.

Источник тока управляемый напряжением

Управляемый источник постоянного стабилизированного тока с хорошими динамическими характеристиками, позволяет изменять величину и полярность выходного тока под действием входного управляющего напряжения. Источник может входить в состав различных приборов и систем. Точность соответствия выходного тока входному управляющему напряжению позволяет использовать источник для ответственных применений. Работу источника тока можно пояснить на примере управления светодиодным индикатором.

Применение источника тока для управления светодиодами

Яркость свечения светодиодов удобнее изменять, регулируя ток, протекающий через светодиод, а не напряжение, приложенное к светодиоду. С помощью управляемого источника стабилизированного тока можно осуществить изменение и регулировку яркости свечения обычных или лазерных светодиодов. Сменой полярности можно выбирать группу работающих светодиодов. При одной полярности тока будут светиться светодиоды Н1-Н6, при противоположной полярности светодиоды Н7-Н12. Если светодиоды имеют различный цвет, например Н1-Н6 красные, а Н7-Н12 зеленые, можно осуществить индикацию нормального и критического значения контролируемой величины.

Источник постоянного стабилизированного тока необходим для регулирования величины постоянного магнитного поля. Управляющее напряжение может поступать от цифроаналогового преобразователя специализированного контроллера или другого прибора.

Применение источника тока для управления электродвигателями

С помощью источника постоянного тока, обладающего возможностью менять направление тока, достаточно просто осуществить регулирование скорости вращения и смену направления вращения ротора электродвигателя. Для передачи команды, устанавливающей параметры вращения достаточно одной двухпроводной линии. Вращение в прямом направлении происходит при положительной полярности тока на контакте 1 и отрицательной полярности на контакте 2 выходного разъема источника тока U1.

Реверс двигателя происходит при смене полярности управляющего напряжения и вызванного этим изменением полярности выходного тока. С помощью одного источника меняющего направление тока можно управлять двумя электродвигателями. При положительной полярности выходного тока на контакте 1 протекает ток через диод VD2 и работает электродвигатель М2, при отрицательной полярности тока на контакте 1 протекает ток через диод VD1 и работает электродвигатель М1. Реверс двигателей при такой схеме подключения отсутствует.

Источник тока управляемый напряжением находит применение при передаче аналоговых сигналов. При таком способе организации связи величина тока пропорциональна аналоговой величине. Искажение электромагнитными помехами сигнала, передаваемого током значительно меньше по сравнению с обычным способом передачи сигнала напряжением.

Использование токового сигнала требует установки в передающей и приемной аппаратуре специальных модулей передачи и приема тока. При этом можно исключить цифровое кодирование передаваемых данных. Источник тока управляемый напряжением применяется для плавного управления электромагнитными регуляторами на основе соленоидов в гидравлических системах. На базе управляемого источника тока легко построить универсальный прибор зарядки аккумуляторов разных типов.

Работа источника тока

Ток, генерируемый идеальным источником, стабилен при изменении сопротивления подключенной нагрузки. Для поддержания величины тока постоянной изменяется значение ЭДС источника. Изменение сопротивления нагрузки вызывает изменение ЭДС источника тока таким образом, что значение тока остается неизменным.

Реальные источники тока поддерживают ток на требуемом уровне в ограниченном диапазоне напряжения, создаваемого на изменяющемся сопротивлении нагрузки. Этот диапазон ограничен мощностью электропитания источника тока. Если необходимо поддерживать ток величиной 1 ампер на нагрузке 20 ом, это означает, что на нагрузке будет напряжение 20 вольт. При снижении сопротивления нагрузки или коротком замыкании выходное напряжение будет снижаться, а при увеличении сопротивления нагрузки электропитание должно обеспечить возможность работы при напряжениях выше 20 вольт.

Работа источника тока требует источника электропитания. Последовательно с источником электропитания включается стабилизатор тока. Выход такого прибора рассматривается как источник тока. Параметры электропитания источника тока конечны, это ограничивает максимальное сопротивление нагрузки, которую можно подключить к источнику тока. Для обеспечения надежной работы электропитание должно иметь запас по перегрузке. Ограниченная мощность электропитания ограничивает максимальный ток, который может отдать в нагрузку источник тока.

Источник тока может работать при сопротивлении нагрузки близком к нулю. Замыкание выхода источника тока не приводит к аварии устройства или срабатывании защиты. Если произошло замыкание выхода источника тока вызванное повышенной влажностью, неаккуратным обращением с оборудованием обслуживающего персонала после ликвидации причин замыкания прибор мгновенно возвращается к нормальному режиму работы.

Схема управляемого источника тока

• Напряжение питания………….100…260 В, 47…440 Гц
• Входное напряжение………….±10 В
• Выходной ток………………….± 100 мА
• Сопротивление нагрузки……..0,1…120 Ом
• Температурный диапазон……-50…+75 ±С
• Точность преобразования……0,5 %

Упрощенная схема источника тока

В основе работы схемы находится свойство операционного усилителя изменять выходное напряжение операционного усилителя так чтобы сравнять напряжение на входах благодаря цепям обратной связи. Управляющее напряжение через резистор R1 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя и вызывает изменение напряжение на его выходе.

Изменение напряжения на выходе усилителя вызывает протекание тока через резистор R5 и нагрузку. Выходное напряжение через цепи обратной связи поступает на входы операционного усилителя. Сопротивления резисторов имеют величины, обеспечивающие нужную пропорциональность между влиянием на управляющее напряжение и током через нагрузку.

При положительном управляющем напряжении, поступающем на инвертирующий вход операционного усилителя, на его выходе формируется отрицательное напряжение. Через резистор и нагрузку течет ток создающий напряжение на резисторе R5. Потенциал в точке соединения резисторов R3 и R5 ниже, чем в точке соединения резисторов R4, R5 и нагрузки.

Благодаря тому, что суммарное сопротивление резисторов R4 и R5 равняется сопротивлению R3, на выходе усилителя присутствует потенциал, компенсирующий управляющее напряжение на входах операционного усилителя через резисторы обратной связи. Потенциал на выходе усилителя снизится настолько, насколько это необходимо для компенсации действия положительного управляющего напряжения на инвертирующий вход операционного усилителя.

Компенсация действия управляющего напряжения на входы операционного усилителя происходит в зависимости от напряжения на резисторе R5, вызванного протекающим током. Если управляющее напряжение фиксировано, то влияние обратной связи на входы операционного усилителя происходит в зависимости от напряжения на резисторе R5.

Изменение сопротивления нагрузки приводит к изменению потенциала на неинвертирующем входе операционного усилителя через резистор R4. При снижении сопротивления нагрузки снижается потенциал на неинвертирующем входе операционного усилителя и увеличивается напряжение между входами операционного усилителя, что вызывает снижение потенциала на выходе усилителя. При этом на уменьшившемся сопротивлении нагрузки уменьшается приложенное напряжение, не позволяя возрасти току.

Пропорциональность между управляющим напряжением и выходным током устанавливается сопротивлениями резисторов. Сопротивление резистора R5 должно быть малым, через него течет выходной ток, вызывающий нагрев. Уменьшение сопротивления R5, расширяет диапазон сопротивления подключаемых нагрузок. Сопротивления резисторов R1 и R2 равны, значения их выбраны таковыми, что исключают перегрузку источника управляющего напряжения. Сопротивления резисторов вычисляются по следующим формулам:

R1 = R2

R3 = R4 + R5

I = (U*R3)/(R1*R5)

Где:

• U — управляющее напряжение
• I — выходной ток

Одним из важных параметров любого источника тока, а в нашем случае преобразователя напряжение-ток, является диапазон сопротивления подключаемых нагрузок. Идеализированная модель устройства обеспечивает требуемый ток в диапазоне изменения сопротивления нагрузки от 0 до бесконечности.

В реальных устройствах это невозможно и ненужно, так как к сопротивлению нагрузки прибавляется сопротивление проводов, контактов разъемов, и элементов других цепей. Свойство источника тока обеспечить работу системы независимо от сопротивления нагрузки является очень полезным. Благодаря этому свойству повышает надежность системы, в которой участвует источник тока.

Недостатком источника тока является мощность, выделяемая на выходном усилителе. В каждом случае потребуется выбрать компромисс между запасом по сопротивлению нагрузки и выделяемым теплом на выходном усилителе. Для обеспечения широкого диапазона сопротивлений нагрузки приходится использовать электропитание устройства с достаточным запасом по величине напряжения.

Электрическая принципиальная схема источника тока управляемого напряжением
с изменением направления тока

Практическая реализация источника изображена на электрической принципиальной схеме. Для точного соответствия схемы расчетам сопротивления собраны из резисторов, включенных последовательно или параллельно. Выходной усилитель состоит из транзисторов VT1 и VT2. При выходном токе сто миллиампер на нагрузке двадцать ом напряжение составит два вольта, на регулирующем транзисторе падение напряжение примерно 0,6 вольт, на резисторе R5 падение напряжения 0,1 вольт. При питании 15 вольт напряжение на одном из двух транзисторов усилителя составит 15В-2,7В=12,3В, а мощность около 12,3В*100мА=1,23 Вт выделится в виде тепла.

Конденсатор С4 необходим для подавления наводок наведенных на линию, подключенную к управляющему входу устройства, конденсатор С5 предотвращает возбуждение схемы. Конденсатор С1 уменьшает помехи устройства в сеть питания. Питание осуществляется от сети 220 вольт, 50 гц.

Благодаря импульсному преобразователю напряжения DA1 к питанию не предъявляется требований по стабильности напряжения. Автоматический выключатель Q1 выполняет функции тумблера питания и защищает от перегрузки сеть 220 вольт при аварии устройства. Н1 – индикатор наличия питания. Трансил-диод VD1 защищает источник питания от превышения сетевого напряжения выше критического значения. Преобразователь напряжения обеспечивает схему устройства двухполярным питанием, необходимым для работы операционного усилителя и формирования выходного тока двух полярностей.

Позиционное обозначение	Наименование
	Конденсаторы
C1	K73-16 0,01 мкФ ± 20%, 630 В
C2, C3	0,47 мкФ-К-1Н-Н5 50 Вольт, ф. Hitano
C4	100 пФ-J-1H-H5 50 Вольт, ф. Hitano
C5	0,47 мкФ-К-1Н-Н5 50 Вольт, ф. Hitano
	Резисторы
R1, R2	C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R3	C2-23-0,25-33 Ом ± 5 %
R4	C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R5	1 Ом ± 0.01 % Astro 2000 axial ф. Megatron Electronic
R6, R7	C2-29B-0,125-200 Ом ± 0.05 %
R8, R9	C2-29B-0,125-10 кОм ± 0.05 %
	Транзисторы и диоды
VT1	TIP3055 ф. Motorola
VT2	TIP2955 ф. Motorola
VD1	Трансил-диод двунаправленный 1.5KE350CA ф. STMicroelectronics
	Схемы и модули
h2	Светодиодная коммутаторная лампа СКЛ-14БЛ-220П “Протон”
DA1	Преобразователь напряжения TML40215 ф. TRACO POWER
DA2	Микросхема операционного усилителя OP2177AR
Q1	Автоматический выключатель УкрЕМ ВА-2010-S 2p 4А “Аско”

Конденсатор C1 может быть любого типа. Важное требование, предъявляемое к этому компоненту это уровень рабочего напряжения не ниже 630 вольт. Конденсаторы С2…С5 можно использовать керамические или многослойные. Все резисторы кроме R3 должны иметь максимально возможную точность. Резистор R5 лучше сделать составным из четырех резисторов сопротивлением 1 ом.

Две цепи, состоящие из двух последовательно включенных резисторов по 1 ом, соединяются параллельно. В результате общее сопротивление составляет 1 ом, а рассеиваемая мощность увеличивается в четыре раза. Резистор R5 проволочного типа применять нельзя. Импульсный преобразователь напряжения DA1 можно заменить двухполярным блоком питания, обеспечивающим выходной ток в каждом плече 500 миллиампер и уровень пульсаций не более 50 милливольт.

Для достижения высокой точности преобразования управляющего напряжения в выходной ток операционный усилитель, должен иметь малое напряжение смещение нуля. Особенно это важно для снижения выходного тока до нуля под действием управляющего напряжения. При некотором снижении точности в качестве замены DA1 подойдут микросхемы OP213 или OP177. Применение на выходе схемы мощных транзисторов увеличивает надежность устройства. Транзисторы обязательно устанавливаются на радиаторы.

Схему можно использовать для других выходных токов и управляющих напряжений. Для этого потребуется произвести расчеты по приведенным формулам ранее в статье. При выполнении расчетов следует учитывать возможность применения резисторов из стандартного ряда сопротивлений.

При проверке работы схемы необходимо во всем диапазоне напряжений, токов и сопротивления нагрузки проверить осциллографом отсутствие колебаний на выходе схемы. В случае наличия колебаний увеличить емкость C4 или С5.

Справочные данные:
Преобразователь напряжения TML40215
Операционный усилитель OP2177AR

Платон Константинович Денисов, г. Симферополь
[email protected]

3.3. Увеличение выходного тока оу

В случаях когда требуется больший выходной ток, чем может отдать ОУ, используются выходные буферные усилители мощности. Если буферный усилитель включается в общую обратную связь, то характеристики усилителя существенно не меняются.

Простейший способ увеличения выходного тока ОУ, когда требуется ток одной полярности, состоит в использовании эмиттерного повторителя. Схема такого усилителя показана на рис.3.5. Так как эмиттерный повторитель охвачен обратной связью, то ошибка на его выходе за счет падения напряженияU_бэснижается в А_драз, т.е. до величиныU_бэ /A_д. Если выходной ток ОУ недостаточный для управления транзисторомVT, то можно применить схему составного транзистора вместо транзистора VT. Недостаток схемы заключается в том, что требуется повышенный начальный ток эмиттерного повторителя при обеспечении двухполярного выходного сигнала. В этом случае для передачи двухполярного выходного сигнала начальный ток эмиттерного повторителя должен быть больше тока нагрузки, что значительно снижает КПД эмиттерного повторителя и увеличивает мощность рассеиваемую на коллекторе треанзистора. Поэтому такая схема используется в основном для передачи однополярных сигналов, т.к. отпадает необходимость большого начального тока, протекающего через транзистор. Для изменения полярности выходного тока используют транзисторp–n–p- типа.

Для передачи двухполярных сигналов используется двухтактный усилитель мощности. Один из возможных вариантом такой схемы приведен на рис.3.6. Усилитель мощности в этой схеме работает в режиме АВ с начальным токомI₀. Начальный ток задается при помощи цепочкиR2,D1,D2,R3, определяющей смещение на базах транзисторовVT1 иVT2. РезисторыR4 иR5 обеспечивают температурную стабильность токов транзисторов за счет обратной связи по току. Величины резисторовR4 иR5 должны быть небольшими: единицы – десятки Ом. Обратная связь с выхода усилителя охватывает оба каскада. Наличие усилителя мощности в цепи ОС увеличивает скорость нарастания выходного напряжения усилителя, т. к. ток отрицательной обратной связи формируется не собственно выходным каскадом ОУ, а усилителем мощности.

3.4. Источники тока на оу

Источники тока, построенные на транзисторах имеют тот недостаток, что выходной ток зависит от напряжения U_бэилиU_зидля полевого транзистора. Для исключения этого недостатка достаточно токозадающие транзисторы включить в обратную связь операционного усилителя. На рис.3.7 показаны схемы источников тока с биполярным и полевым транзисторами. Выходное напряжение ОУ устанавливается таким, что напряжение на резистореR1 равноU1. Это выполняется при положительном напряженииU1. При этом ток через резисторR1 будет равенU1/R1. Пренебрегая током ОУ, выходной ток для схемы с биполярным транзистором будет равен

I_н=I_к =I_э[В/(В+1)] =U₁/R₁[В/(В+1)]U₁/R₁[1 – (1/В)],

где В – коэффициент усиления транзистора по току. Коэффициент усиления по току транзистора В зависит от напряженияU_кэи, следовательно токI_низменяется в зависимости от напряжения на нагрузке. Из-за этого эффекта выходное сопротивление источника тока ограничено величинойr_кэ, если даже ОУ считать идеальным.

Влияние конечного усиления по току транзистора можно уменьшить, если биполярный транзистор включить по схеме составного транзистора. Практически же это влияние полностью можно устранить, применяя полевой транзистор, поскольку ток затвора в нем очень мал рис.3.7, б. Выходное сопротивление схемы с полевым транзистором ограничивается только конечным усилением операционного усилителя.

Особенность схем источников тока, показанных на рис.3.7, состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. она не заземлена. В схеме на рис.3.8, а показан источник с заземленной нагрузкой. Выходной ток управляется разностью напряжения источника питания и входного напряжения.

I_н= (U_п–U_вх)/R₁.

Если требуется, чтобы нагрузка и источник имели общие земли, то можно дополнить стабилизатор вторым ОУ, как показано на рис.3.8, б. Первый источник с транзистором n-p-n– типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительноU_пдля источника тока с заземленной нагрузкой. Операционный усилитель в рассмотренном источнике тока должен работать при напряжениях на его входах близких к положительному питающему напряжению. Этот факт надо учитывать при выборе типа операционного усилителя. Можно использовать для питания ОУ отдельный источник, превышающий по величинеU_п.

Для повышения выходного сопротивления источника тока вместо биполярного выходного транзистора можно включить полевой транзистор.