4. Oglindă de curent (stabilizator de curent ajustabil)

Acasă » Aplicaţii practice » 05 - Circuite cu dispozitive semiconductoare discrete (2)

Scopul experimentului

Modul de realizare a unui circuit „oglindă de curent”; limita curentului într-un circuit oglindă de curent; dependenţa tranzistorilor bipolari cu joncţiune de temperatură; realizarea unui experiment controlat ce implică „deriva termică”.

Materiale necesare

Doi tranzistori NPN, model 2N2222 sau 2N3403; două baterii de 6 V sau surse de tensiune de curent continuu echivalente; un potenţiometru liniar de 10 kΩ, cu o singură înfăşurare; trei rezistori de 10 kΩ; patru rezistori de 1,5 kΩ.

Este recomandat să folosiţi tranzistori mici de semnal, pentru a putea observa mai bine deriva termică în ultima parte a experimentului. S-ar putea ca tranzistorii de putere să nu aibă un comportament similar la astfel de curenţi mici. Indiferent de situaţie, puteţi folosi orice pereche de tranzistori identici, de tip NPN, pentru realizarea circuitului oglindă de curent.

Circuitul final arată astfel:

Oglinda de curent ca şi stabilizator de curent

Ne putem gândi la oglinda de curent ca la un stabilizator de curent ajustabil. Limita curentului poate fi uşor reglată printr-o singură rezistenţă. Deşi este un stabilizator de curent destul de primitiv, acesta este folosit destul de des datorită simplităţii sale.

Realizaţi circuitul prezentat în figura de mai sus. Rezistorul de 1,5 kΩ îl veţi folosi în ultima parte a acestui experiment. Potenţiometrul controlează valoarea curentului prin tranzistorul Q₁. Rolul acestui tranzistor este cel al unei simple diode: o simplă joncţiune PN. De ce folosim un tranzistor în loc de o diodă? Deoarece este important să egalăm caracteristicile joncţiunilor celor doi tranzistori, atunci când îi utilizăm într-un circuit oglindă de curent (pereche de tranzistori identici). Tensiunea pe joncţiunea bază-emitor a tranzistorului Q₁ se regăseşte pe joncţiunea bază-emitor a celuilalt tranzistor, Q₂, determinând intrarea acestuia în conducţie.

Din moment ce tensiunile pe joncţiunile bază-emitor ale celor doi tranzistori sunt egale - cele două perechi de joncţiuni fiind conectate în paralel una cu cealaltă - şi curentul prin baza celor doi tranzistori trebuie să fie egal. Desigur, acest lucru este valabil doar dacă presupunem caracteristicile şi temperaturile celor două joncţiuni ca fiind identice. O pereche de tranzistori identici vor avea acelaşi factor β, prin urmare, curenţi de bază egali înseamnă curenţi de colector egali.

Practic, curentul de colector al tranzistorului Q₂ va „imita” valoarea curentului stabilită prin colectorul tranzistorului Q₁ prin intermediul potenţiometrului. Cu alte cuvinte, curentul prin Q₁ se oglindeşte prin tranzistorul Q₂.

Variaţia rezistenţei de sarcină (rezistenţa conectată între colectorul tranzistorului Q₂ la borna pozitivă a bateriei) nu are niciun efect asupra curentului prin Q₁. Ca urmare, această variaţie nu va avea niciun efect asupra tensiunii bază-emitor sau asupra curentului de bază al tranzistorului Q₂. Cu un curent de bază constant şi un raport β aproape constant, tranzistorul Q₂ va menţine un curent de colector (sarcină) constant, generând o cădere de tensiune colector-emitor mai mare sau mai mică, în funcţie de acest curent.

Prin urmare, oglinda de curent stabilizează curentul la o valoare setată prin intermediul potenţiometrului, indiferent de valoarea rezistenţei de sarcină.

Experimentarea circuitului oglindă de curent

Teoretic, oglinda de curent ar trebui să funcţioneze conform celor spuse mai sus. În realitate, lucrurile nu stau chiar aşa. Circuitul de sarcină al tranzistorului Q₂ este închis spre borna pozitivă a bateriei prin intermediul unui ampermetru, pentru măsurarea curenţilor. Sonda neagră a ampermetrului nu este conectată într-un anumit punct din circuit, ci există cinci puncte de test TP₁ - TP₅. Acest lucru permite modificarea rapidă şi uşoară a sarcinii circuitului: atingerea punctului TP₁ cu sonda de test reprezintă o sarcină aproape inexistentă (spre 0 Ω); atingerea punctului TP₅ reprezintă însă o sarcină de aproximativ 14,5 kΩ.

Pentru a începe experimentul, aduceţi sonda de test în contact cu punctul TP₄ şi „jucaţi-vă” cu potenţiometrul. Ar trebui să observaţi un curent variabil, mic, indicat de ampermetru pe măsură ce deplasaţi peria potenţiometrului, nu mai mare de câţiva miliamperi. Setaţi potenţiometrul pe o poziţie fixă, astfel încât ampermetrul să indice o valoare întreagă în mA. Mutaţi sonda neagră pe punctul de test TP₃. Valoarea curentului indicată de ampermetru ar trebui să fie aproape identică cu valoarea de dinainte.

Mutaţi sonda neagră pe punctele de test TP₂, respectiv TP₁. Din nou, curentul indicat de ampermetru ar trebui să fie aproape neschimbat faţă de prima măsurătoare. Ajustaţi potenţiometrul pe o poziţie nouă, astfel încât să obţineţi o indicaţie diferită a curentului. Aduceţi sonda neagră din nou în contact cu punctele de test TP₁ - TP₄. Observaţi stabilitatea curentului pe măsură ce modificaţi rezistenţa de sarcină. Acest lucru demonstrează abilitatea de stabilizare a curentului pe care acest circuit o posedă.

Veţi observa totuşi că stabilizarea curentului nu este perfectă. Deşi curentul este stabil pentru valori ale rezistenţei de sarcină cuprinse între 0 şi 4,5 Ω, peste această valoare, există o anumită variaţie. Dacă permitem o creştere mult mai mare a rezistenţei de sarcină, stabilizarea curentului se va înrăutăţi şi mai mult.

Setaţi potenţiometrul astfel încât să obţineţi un curent maxim, indicat de ampermetru cu sonda de test conectată la punctul TP₁. Lăsaţi potenţiometrul în această poziţie şi mutaţi sonda de test în punctele TP₂, TP₃, TP₄ respectiv TP₅. Observaţi indicaţia aparatului de măsură în fiecare punct. Curentul ar trebui să fie stabil, la o valoare aproape constantă, până în momentul în care sonda de test este conectată la punctul TP₅. În acest punct, curentul indicat de ampermetru va fi mult mai mic decât în celelalte puncte. De ce se întâmplă acest lucru? Deoarece rezistenţa de sarcină introdusă în circuitul tranzistorului Q₂ este prea mare. Cu alte cuvinte, tranzistorul Q₂ nu poate genera o cădere de tensiune mai mare decât o face în prezent pentru a menţine aceiaşi valoare a curentului, atunci când sarcina conectată la ieşire creşte peste această valoare.

Acest fenomen este comun tuturor circuitelor stabilizatoare de curent: există o limită a rezistenţei de sarcină peste care circuitul intră în saturaţie şi nu mai poate asigura stabilitatea curentului. Acest lucru este evident până la urmă, întrucât orice circuit capabil să genereze un curent constant indiferent de valoarea sarcinii, ar necesita o tensiune nelimitată ! Legea lui Ohm stabileşte valoarea necesară a tensiunii pentru o anumită valoare a curentului şi a rezistenţei. Cu doar 12 V la dispoziţie, nu e de mirare că există o limită a curentului şi a sarcinii în acest circuit. Din acest motiv, ne putem gândi la circuitele stabilizatoare de tensiune ca şi limitatoare de curent: limitarea curentului la o valoare maximă.

Deriva termică şi utilizarea tranzistorilor identici

Pentru ca circuitele oglindă de curent să funcţioneze conform aşteptărilor, temperaturile celor doi tranzistori trebuie să fie aproximativ identice. Efectul de oglindă al curentului ce are loc între circuitele de colector ale celor doi tranzistori nu poate avea loc decât dacă joncţiunile bază-emitor ale acestora au exact aceleaşi proprietăţi.

Conform ecuaţiei diodei, relaţia tensiune/curent a unei joncţiuni PN depinde puternic de temperatură. Cu cât temperatura joncţiunii PN este mai mare, cu atât curentul ce trece prin ea este mai mare, cădere de tensiune fiind aceiaşi. Dacă unul din tranzistori se va încălzi mai puternic/repede decât celălalt, curentul prin colectorul acestuia va fi mai mare decât al celuilalt. Circuitul nu va mai funcţiona în acest caz ca şi oglindă de curent. Pentru realizarea unui astfel de circuit folosind tranzistori discreţi, cele două componente vor trebui lipite împreună (spate-în-spate) pentru a rămâne la aproximativ aceiaşi temperatură.

Experimentarea derivei termice

Pentru ilustrarea dependenţei circuitului de temperatura egală dintre tranzistori, luaţi unul din tranzistori între degete pentru a-l încălzi. Ce se întâmplă cu valoarea curentului prin rezistenţa de sarcină pe măsură ce temperatura tranzistorului creşte? Lăsaţi tranzistorul din mână şi aşteptaţi (sau răciţi-l) până ajunge la temperatura camerei. Luaţi celălalt tranzistor între degete pentru a-l încălzi. Ce se întâmplă în acest caz cu valoarea curentului de sarcină?

În următoarea fază a experimentului, vom permite unuia dintre tranzistori să se supra-încălzească şi vom observa efectele. Pentru evitarea distrugerii tranzistorului, nu este recomandat să derulăm acest experiment mai mult decât este necesar, şi anume, până la observarea variaţie semnificative a curentului.

Pentru început, ajustaţi potenţiometrul pentru un curent minim la ieşire. Înlocuiţi apoi rezistorul R_limitare de 10 kΩ cu un rezistor de 1,5 kΩ. Această modificare va permite trecerea unui curent mai mare prin Q₁, şi prin urmare, şi prin Q₂.

Conectaţi sonda neagră a ampermetrului în punctul TP₁ şi observaţi valoarea curentului. Deplasaţi peria potenţiometrului astfel încât să creşteţi curentul până la o valoare de aproximativ 10 mA prin ampermetru. Opriţi potenţiometrul în această poziţie şi observaţi valoare curentului. Veţi observa cum curentul va începe să crească de unul singur, fără să umblaţi la potenţiometru. Întrerupeţi circuitul prin îndepărtarea sondei de test din punctul TP₁ în momentul în care valoarea curentului depăşeşte 30 mA, pentru a evita distrugerea tranzistorului Q₂.

Dacă atingeţi cu grijă ambii tranzistorii cu degetul, veţi observa că tranzistorul Q₂ este cald iar Q₁ este rece. Atenţie, dacă aţi permis curentului prin Q₂ să crească foarte mult, sau pentru o perioadă mai lungă de timp, s-ar putea ca acest tranzistor să fie foarte fierbinte. Aveţi grijă la arsurile ce pot fi cauzate de astfel de componente semiconductoare încinse !

De ce s-a încălzit tranzistorul Q₂ şi a pierdut controlul curentului? Prin conectarea ampermetrului la punctul TP₁, toată rezistenţa de sarcină a fost practic îndepărtată. Prin urmare, Q₂ a fost nevoit să suporte întreaga cădere de tensiune generată de baterie între colector şi emitor pe măsură ce stabiliza curentul. Tranzistorul Q₁, pe de altă parte, a dispus de o rezistenţa de 1,5 kΩ (R_limitare) şi nu a trebuit să suporte întreaga cădere de tensiune a bateriei. Puterea disipată de Q₁ a fost aşadar mult mai mică decât cea disipată de Q₂. Dezechilibrul mare de puteri dintre cele două componente a dus la o încălzire mai puternică a tranzistorului Q₂ faţă de Q₁.

Odată cu creşterea temperaturii, curentul prin Q₂ creşte tot mai mult pentru aceiaşi valoare a tensiunii bază-emitor. Acest lucru determină o creştere şi mai mare a temperaturii dispozitivului, pe măsură ce curentul prin colector este mai mare, iar căderea de tensiune colector-emitor este tot de 12 V. Această creştere a temperaturii duce la rândul ei la o creştere a curentului, iar acest ciclu se repetă la nesfârşit (practic, până la întreruperea circuitului sau la distrugerea tranzistorului). Acest efect este cunoscut sub numele de derivă termică şi el apare în multe circuite cu tranzistori bipolari cu joncţiune, nu doar în circuitele oglindă de curent.