Hoe bouw je een huidig ​​spiegelcircuit

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Twee NPN-transistoren - modellen 2N2222 of 2N3403 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-1617 is een pakket van vijftien NPN-transistoren, ideaal voor deze en andere experimenten)
• Twee 6-volt batterijen
• Eén 10 kΩ potentiometer, single-turn, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)
• Twee weerstanden van 10 kΩ
• Vier weerstanden van 1,5 kΩ

Kleine signaaltransistoren worden aanbevolen om in het laatste deel van het experiment "thermische runaway" te kunnen ervaren. Grotere "vermogens" -transistoren vertonen mogelijk niet hetzelfde gedrag bij deze lage stroomniveaus. Echter, elke een paar identieke NPN-transistors kunnen worden gebruikt om een ​​stroomspiegel te bouwen.

Pas op dat niet alle transistors dezelfde terminalaanduidingen hebben, of pinouts , zelfs als ze hetzelfde uiterlijk hebben.

Dit bepaalt hoe u de transistors met elkaar en met andere componenten verbindt, dus controleer de specificaties van de fabrikant (componentgegevensblad), die u gemakkelijk kunt verkrijgen op de website van de fabrikant. Pas op dat het mogelijk is dat het pakket van de transistor en zelfs het gegevensblad van de fabrikant onjuiste diagrammen voor de identificatie van de klemmen tonen!

Het dubbel controleren van pin-identiteiten met de "diode check" -functie van uw multimeter wordt ten zeerste aanbevolen. Raadpleeg hoofdstuk 4 van het Semiconductor-volume (deel III) van deze boekenreeks voor meer informatie over het identificeren van bipolaire transistoraansluitingen met behulp van een multimeter.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 4:"Bipolaire junctietransistoren"

LEERDOELSTELLINGEN

• Hoe een huidig ​​spiegelcircuit te bouwen
• Stroombeperkingen van een stroomspiegelcircuit
• Temperatuurafhankelijkheid van BJT's
• Ervaar een gecontroleerde "thermische weggelopen" situatie

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Een stroomspiegel kan worden gezien als een instelbare stroomregelaar , waarbij de stroomlimiet eenvoudig kan worden ingesteld door een enkele weerstand. Het is een nogal grof stroomregelcircuit, maar door zijn eenvoud wordt het veel gebruikt.

In dit experiment krijg je de kans om een ​​van deze circuits te bouwen, de stroomregulerende eigenschappen ervan te verkennen en ook enkele van de praktische beperkingen ervan uit de eerste hand te ervaren. Bouw het circuit zoals getoond in het schema en de illustratie.

U krijgt één extra weerstand met een vaste waarde van 1,5 kΩ van de onderdelen die in de onderdelenlijst zijn gespecificeerd. Je gaat het gebruiken in het laatste deel van dit experiment.

De potentiometer stelt de hoeveelheid stroom in door transistor Q₁ . Deze transistor is aangesloten om als een eenvoudige diode te werken:gewoon een PN-overgang.

Waarom een ​​transistor gebruiken in plaats van een gewone diode? Omdat het belangrijk is om overeen te komen de junctiekarakteristieken van deze twee transistoren bij gebruik in een stroomspiegelcircuit. Spanning gedaald over de basis-emitterovergang van Q₁ wordt gedrukt over de basis-emitterovergang van de andere transistor, Q₂ , waardoor het "aan" gaat en eveneens stroom geleidt.

Aangezien de spanning over de basis-emitterovergangen van de twee transistoren hetzelfde is - de twee junctieparen zijn parallel aan elkaar geschakeld - zou de stroom ook door hun basisterminals moeten gaan, uitgaande van identieke junctie-eigenschappen en identieke junctietemperaturen. Overeenkomende transistors moeten ook dezelfde β-verhoudingen hebben, dus gelijke basisstromen betekenen gelijke collectorstromen.

Het praktische resultaat van dit alles is Q₂ 's collectorstroom die de stroomsterkte nabootst die is vastgesteld via de collector van Q₁ door de potmeter. Met andere woorden, stroom tot en met Q₂ spiegels de stroom door Q₁ . Veranderingen in belastingsweerstand (weerstand die de collector van Q₂ . verbindt naar de positieve kant van de batterij) hebben geen effect op Q₁ 's stroom, en hebben bijgevolg geen effect op de basis-emitter-spanning of basisstroom van Q₂ .

Met een constante basisstroom en een bijna constante β-verhouding, Q₂ zal zo veel of zo weinig collector-emitterspanning laten dalen als nodig is om de collectorstroom (belasting) constant te houden. Het huidige spiegelcircuit werkt dus om te reguleren stroom op een waarde ingesteld door de potentiometer, ongeacht de belastingsweerstand.

Nou, zo zou het in ieder geval moeten werken. De realiteit is niet zo eenvoudig, zoals je zult zien.

In het getoonde schakelschema is het belastingscircuit van Q₂ wordt aangevuld met de positieve kant van de batterij via een ampèremeter, voor eenvoudige stroommeting. In plaats van de zwarte sonde van de ampèremeter stevig aan te sluiten op een bepaald punt in het circuit, heb ik vijf testpunten gemarkeerd , TP1 tot en met TP5, zodat u de zwarte testsonde kunt aanraken tijdens het meten van de stroom.

Hierdoor kunt u snel en moeiteloos de belastingsweerstand wijzigen:het aanraken van de sonde tegen TP1 resulteert in praktisch geen belastingsweerstand, terwijl het aanraken van TP5 resulteert in ongeveer 14,5 kΩ belastingsweerstand. Om het experiment te beginnen, raakt u met de testsonde TP4 aan en stelt u de potentiometer in via zijn bewegingsbereik.

U zou een kleine, veranderende stroom moeten zien die wordt aangegeven door uw ampèremeter terwijl u het potentiometermechanisme beweegt:niet meer dan een paar milliampère. Laat de potentiometer in een positie staan ​​die een rond aantal milliampère geeft en verplaats de zwarte testsonde van de meter naar TP3.

De huidige indicatie zou bijna hetzelfde moeten zijn als voorheen. Verplaats de sonde naar TP2 en vervolgens naar TP1.

Nogmaals, u zou een bijna onveranderde hoeveelheid stroom moeten zien. Probeer de potentiometer in een andere positie te zetten, met een andere stroomindicatie, en raak de zwarte sonde van de meter aan om de punten TP1 tot en met TP4 te testen, waarbij u let op de stabiliteit van de stroomindicaties als u de belastingsweerstand wijzigt.

Dit demonstreert de huidige regelgeving gedrag van deze schakeling. Houd er rekening mee dat de huidige regelgeving niet perfect is.

Ondanks het regelen van de stroom bij bijna de waarde voor belastingsweerstanden tussen 0 en 4,5 kΩ, is er enige variatie over dit bereik. De regeling kan veel slechter zijn als de belastingsweerstand te hoog mag oplopen.

Probeer de potentiometer zo af te stellen dat de maximale stroom wordt verkregen, zoals aangegeven met de ampèremeter-testsonde aangesloten op TP1. Laat de potentiometer op die positie staan, verplaats de metersonde naar TP2, dan TP3, dan TP4 en tenslotte TP5, waarbij u de meteraanduiding op elk aansluitpunt noteert.

De stroom moet op een bijna constante waarde worden geregeld totdat de metersonde naar het laatste testpunt, TP5, wordt verplaatst. Daar zal de stroomindicatie beduidend lager zijn dan op de andere testpunten.

Waarom is dit? Omdat er te veel belastingsweerstand is ingevoegd in Q₂ ’s circuit. Simpel gezegd, Q₂ kan niet meer "aanzetten" dan het al heeft, om dezelfde hoeveelheid stroom te behouden met deze grote belastingsweerstand als met kleinere belastingsweerstanden.

Dit fenomeen is gebruikelijk voor alle stroomregelaarcircuits:er is een beperkte hoeveelheid weerstand die een stroomregelaar aankan voordat deze verzadigt . Dit is logisch, aangezien elk stroomregelcircuit in staat is om een ​​constante hoeveelheid stroom te leveren via elke denkbare belastingsweerstand zou een onbeperkte spanningsbron vereisen om dit te doen!

De wet van Ohm (E =IR) dicteert de hoeveelheid spanning die nodig is om een ​​bepaalde hoeveelheid stroom door een bepaalde hoeveelheid weerstand te duwen, en met slechts 12 volt voedingsspanning tot onze beschikking, een eindige limiet van belastingsstroom en belastingsweerstand zeker bestaat voor deze schakeling. Om deze reden kan het nuttig zijn om stroomregelaarcircuits te beschouwen als stroom begrenzer circuits, want het enige wat ze echt kunnen doen, is de stroom beperken tot een bepaalde maximale waarde.

Een belangrijk voorbehoud voor stroomspiegelcircuits in het algemeen is dat van gelijke temperatuur tussen de twee transistors. De huidige "spiegeling" die plaatsvindt tussen de collectorcircuits van de twee transistors hangt af van de basis-emitterovergangen van die twee transistors met exact dezelfde eigenschappen.

Zoals de "diodevergelijking" beschrijft, hangt de spanning/stroomrelatie voor een PN-junctie sterk af van de temperatuur van de junctie . Hoe heter een PN-overgang is, hoe meer stroom deze zal doorgeven voor een bepaalde hoeveelheid spanningsval.

Als de ene transistor heter zou worden dan de andere, zal deze meer collectorstroom doorlaten dan de andere, en zal het circuit niet langer de stroom "spiegelen" zoals verwacht. Bij het bouwen van een echt stroomspiegelcircuit met discrete transistors, moeten de twee transistors met epoxy aan elkaar worden gelijmd (rug aan rug) zodat ze op ongeveer dezelfde temperatuur blijven.

Om deze afhankelijkheid van gelijke temperatuur te illustreren, probeert u een transistor tussen uw vingers vast te pakken om deze op te warmen. Wat gebeurt er met de stroom door de belastingsweerstanden als de temperatuur van de transistor stijgt?

Laat nu de transistor los en blaas erop om hem af te koelen tot omgevingstemperatuur. Pak de andere transistor tussen je vingers om hem op te warmen.

Wat doet de laadstroom nu? In deze volgende fase van het experiment zullen we opzettelijk een van de transistoren laten oververhitten en de effecten opmerken.

Om beschadiging van een transistor te voorkomen, mag deze procedure niet langer worden uitgevoerd dan nodig is om te zien dat de belastingsstroom begint te "weglopen". Stel om te beginnen de potentiometer in op minimale stroom.

Vervang vervolgens de 10 kΩ R_limiet weerstand met een weerstand van 1,5 kΩ. Hierdoor kan een hogere stroom door Q₁ . gaan , en dus via Q₂ ook.

Plaats de zwarte sonde van de ampèremeter op TP1 en observeer de huidige indicatie. Verplaats de potentiometer in de richting van toenemende stroom totdat u ongeveer 10 mA door de ampèremeter leest.

Stop op dat moment met het verplaatsen van de potentiometer en observeer gewoon de stroom. U zult merken dat de stroom vanzelf begint toe te nemen, zonder verdere beweging van de potentiometer!

Verbreek het circuit door de metersonde van TP1 te verwijderen wanneer de stroom hoger is dan 30 mA, om beschadiging van de transistor Q₂ te voorkomen . Als je beide transistors voorzichtig met een vinger aanraakt, zou je Q₂ . moeten opmerken is warm, terwijl Q₁ is cool.

Waarschuwing: als Q₂ Als de stroom te ver of te lang "wegloopt", kan het erg heet worden ! U kunt een ernstige brandwond op uw vingertop krijgen door een oververhit halfgeleideronderdeel aan te raken, dus wees hier voorzichtig!

Wat er zojuist is gebeurd om Q₂ . te maken oververhit raken en de stroomcontrole verliezen? Door de ampèremeter op TP1 aan te sluiten, werd alle belastingsweerstand verwijderd, dus Q₂ moest de volledige batterijspanning tussen collector en emitter laten vallen omdat het de stroom regelde.

Transistor Q₁ had ten minste de weerstand van 1,5 kΩ van R_limiet op zijn plaats om het grootste deel van de batterijspanning te laten vallen, dus de vermogensdissipatie was veel minder dan die van Q₂ . Deze grove onbalans van vermogensdissipatie veroorzaakte Q₂ om meer dan Q₁ . te verwarmen .

Naarmate de temperatuur toenam, Q₂ begon meer stroom door te geven voor dezelfde hoeveelheid basis-emitter-spanningsval. Dit zorgde ervoor dat het nog sneller opwarmde, omdat het meer collectorstroom doorliet terwijl de volledige 12 volt tussen collector en emitter nog steeds daalde.

Het effect staat bekend als thermische runaway , en het is mogelijk in veel bipolaire junctietransistorcircuits, niet alleen in stroomspiegels.

COMPUTERSIMULATIE

Schema met SPICE-knooppuntnummers:

Netlijst (maak een tekstbestand met de volgende tekst, letterlijk):

Huidige spiegel v1 1 0 vammeter 1 3 dc 0 rlimit 1 2 10k rload 3 4 3k q1 2 2 0 mod1 q2 4 2 0 mod1 .model mod1 npn bf=100 .dc v1 12 12 1 .print dc i(vammeter ) .eind 

V_ampèremeter is niets meer dan een nulvolt gelijkstroombatterij die strategisch is geplaatst om de belastingsstroom te onderscheppen. Dit is niets meer dan een truc om stroom te meten in een SPICE-simulatie, aangezien er geen speciale "ampèremeter" -component bestaat in de SPICE-taal.

Het is belangrijk om te onthouden dat SPICE alleen de eerste acht tekens van de naam van een component herkent. De naam "vammeter" is oké, maar als we meer dan één stroommeetspanningsbron in het circuit zouden opnemen en ze respectievelijk "vammeter1" en "vammeter2" zouden noemen, zou SPICE ze zien als twee instanties van dezelfde component "vammeter" (ziet alleen de eerste acht tekens) en stop met een fout.

Iets om in gedachten te houden bij het wijzigen van de netlijst of het programmeren van uw eigen SPICE-simulatie! Je zult moeten experimenteren met verschillende weerstandswaarden van R_belasting in deze simulatie om de stroomregulerende aard van het circuit te waarderen.

Met R_limiet ingesteld op 10 kΩ en een voedingsspanning van 12 volt, de gereguleerde stroom door R_belasting zal 1,1 mA zijn. SPICE laat zien dat de regeling perfect is (is de virtuele wereld van computersimulatie niet zo mooi?), de belastingsstroom blijft op 1,1 mA voor een brede bereik van belastingsweerstanden. Als de belastingsweerstand echter wordt verhoogd tot meer dan 10 kΩ, laat zelfs deze simulatie zien dat de belastingsstroom afneemt zoals in het echte leven.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad gereguleerde stroombronnen

• Differentiële transistorversterkers werkblad