Синтез и расчет генератора стабильного тока на транзисторах, страница 2

При нагреве транзистора VT1 (транзистор включен диодом) падение напряжения база – эмиттер меняется слабо в сторону уменьшения, ток базы практически не меняется, поскольку напряжение питания относительно напряжения U_БЭ велико, и наклон нагрузочной прямой к оси абсцисс невелик.

Поэтому ток I₁ определяется в основном пассивными элементами схемы и практически не зависит от температуры:

.

При нагреве транзистора VT1 напряжение U_БЭ1 слабо уменьшается, поэтому напряжение U_БЭ2 также падает, что несколько уменьшает ток I₀.

При нагреве транзистора VT2 его входная характеристика также смещается влево, а коэффициент передачи увеличивается (наклон проходной характеристики увеличивается). Поскольку его напряжение база – эмиттер  U_БЭ1 постоянно и равно напряжению U_БЭ2, то его ток базы I_Б2 должен увеличиться, а, значит, увеличится и коллекторный ток I₀ (схематически процесс показан на рис. 4 (масштабы не соблюдены).

3. Влияние замены одного из транзисторов на выходной ток I₀

Дискретные транзисторы могут различаться, иметь существенно разные коэффициенты передачи тока базы, например, для транзисторов КТ315Б h_21э=50..350. Формальная зависимость отношения токов от h-параметров приведена выше.

Однако, задающий ток I₁ практически не зависит от параметров самого транзистора, включенного диодом, а зависит от сопротивления R₁ и величины стабильного напряжения

.

Поэтому и выходной ток I₀ при замене транзистора VT1  и изменении его параметров сам меняться не должен. 

Зато выходной ток I₀ имеет прямую зависимость от коэффициента передачи транзистора VT2 h_21э2, так как при неизменном напряжении U_БЭ2=U_БЭ1, а значит неизменном токе базы I_Б2=f(U_БЭ2) (если входные характеристики не изменяются), зависимость выходного тока следующая

.

При замене одного транзистора VT2 на другой с большим значением параметра h_21э выходной ток увеличится, и наоборот. Из-за разброса параметров h точность установки I₀ может оказаться недостаточной.

4. Влияние сопротивления нагрузки на выходной ток I₀

Ток I₀ по II закону Кирхгофа равен

.

Все возможные значения тока I₀ фиксирует нагрузочная прямая, проведенная на выходной характеристике транзистора. При неизменном напряжении база – эмиттер U_БЭ2 ток базы I_Б2, ток коллектора I₀=I_К2=h_21э2∙I_Б2 постоянны.

При изменении сопротивления нагрузки R_н (до определенных пределов: максимальный ток определяется сопротивлением R_к при R_н=0; максимальное значение сопротивления R_н ограничивается требованием I₀=1 мА, т. е.

 Ом) нагрузочная прямая либо опускается, либо поднимается. Ток I₀ при этом остается постоянным, зато меняется напряжение U_КЭ2 (следует следить, чтобы транзистор работал в активном режиме, а не в режиме насыщения, что возможно при значении максимально возможного тока в цепи, близком к значению I₀).

5. Влияние величин напряжений питания на величины задающего и выходного токов

Зависимости задающего тока от величины напряжения питания определяется выражением

,   , т. е. ток I₁ линейно зависит от напряжения U_ст (U_БЭ1 почти постоянно) и не зависит от напряжения E_п.

При изменении напряжения Е_п выходной ток I₀ менять не должен, так как при этом напряжение U_БЭ1 постоянно, следовательно, постоянно и напряжение U_БЭ2, и ток I_К2=I₀ (при изменении Е_п меняется напряжение U_КЭ2 (рис. 5), а сам ток остается неизменным).

При изменении U_ст изменяется ток I₁, а поэтому незначительно меняется напряжение U_БЭ1 до такого значения, при котором между U_БЭ1, I_Б1 и I_К1 установится равновесие. При этом меняется U_БЭ2 и может значительно поменяться ток I_К2=I₀.

При этом напряжения U_ст или Е_п должны быть заключены в определенных пределах:

не превышать значения U_{КЭ max}=20 В;

напряжение U_ст должно быть много больше напряжения U_БЭ1≈0,6 В;

напряжение Е_п должно обеспечивать заданный режим работы (больше U_БЭ2≈0,6 В) возможность протекания тока I₀=1 мА при данном сопротивлении нагрузки.

Анализ полученных зависимостей

Даннаясхема генератора стабильного тока обеспечивает «отражение» заданного тока, проста в исполнении. Недостатками схемы являются:

1) зависимость выходного тока от параметров транзистора VT2, которая в интегральном исполнении практически не выявляется, но в дискретном может привести к существенному различию между токами I₁ и I₀;

2) зависимость выходного тока от стабильности напряжения U_ст, что приводит к необходимости проектирования источников стабильного (опорного) напряжения, а значит увеличению схемы, ее стоимости;

3) недостаточная температурная стабильность выходного тока (около 5%);

4) небольшое по сравнению с другими схемами ГСТ динамическое выходное сопротивление;

5) необходимость большого значения сопротивления R₁ для получения малого выходного тока, что неприемлемо в интегральном исполнении;

6) невозможность получения другого отношения токов при одинаковых транзисторах (площадях их эмиттеров);

7) снижение точности установки выходных токов при подключении к транзистору VT1 нескольких транзисторов.

Стабильность схемы можно повысить, введя цепь отрицательной обратной связи.

Схема ГСТ с резисторами в цепях эмиттеров транзисторов обеспечивает высокое выходное сопротивление, возможность установки отношения токов I₁ и I₀ в пределах от 0,1 до 0,9, зависящей не от параметров транзисторов, а от пассивных элементов схемы, при колебаниях напряжения U_ст за счет ООС.

Схема ГСТ на трех транзисторах за счет обратной связи обеспечивает значительно более высокую стабильность выходного тока от параметров транзисторов, температуры и напряжения питания. Она также обеспечивает возможность подключения к транзистору VT1 нескольких транзисторов. К тому же значительно увеличивается выходное сопротивление.