So bauen Sie eine Stromspiegelschaltung

TEILE UND MATERIALIEN

• Zwei NPN-Transistoren – Modelle 2N2222 oder 2N3403 empfohlen (Radio Shack Katalog Nr. 276-1617 ist ein Paket von fünfzehn NPN-Transistoren, ideal für dieses und andere Experimente)
• Zwei 6-Volt-Batterien
• Ein 10 kΩ Potentiometer, Singleturn, Linearkegel (Radio Shack Katalog # 271-1715)
• Zwei 10 kΩ Widerstände
• Vier 1,5-kΩ-Widerstände

Kleinsignaltransistoren werden empfohlen, um im letzten Teil des Experiments ein „thermisches Durchgehen“ erleben zu können. Größere „Leistungs“-Transistoren zeigen bei diesen niedrigen Strompegeln möglicherweise nicht das gleiche Verhalten. Jedoch jeder ein Paar identischer NPN-Transistoren kann verwendet werden, um einen Stromspiegel aufzubauen.

Beachten Sie, dass nicht alle Transistoren die gleichen Anschlussbezeichnungen oder Pinbelegungen haben , auch wenn sie die gleiche physische Erscheinung haben.

Dies bestimmt, wie Sie die Transistoren miteinander und mit anderen Komponenten verbinden. Überprüfen Sie daher unbedingt die Spezifikationen des Herstellers (Komponentendatenblatt), die Sie leicht auf der Website des Herstellers erhalten. Beachten Sie, dass das Gehäuse des Transistors und sogar das Datenblatt des Herstellers möglicherweise falsche Klemmenkennzeichnungsdiagramme anzeigen!

Es wird dringend empfohlen, die Pinidentitäten mit der „Diodenprüfung“-Funktion Ihres Multimeters zu überprüfen. Einzelheiten zum Identifizieren von Bipolartransistoranschlüssen mit einem Multimeter finden Sie in Kapitel 4 des Halbleiterbands (Band III) dieser Buchreihe.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 4:„Bipolar-Junction-Transistoren“

LERNZIELE

• So bauen Sie eine Stromspiegelschaltung auf
• Strombegrenzungen einer Stromspiegelschaltung
• Temperaturabhängigkeit von BJTs
• Erlebe eine kontrollierte „thermische Ausreißer“-Situation

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Einen Stromspiegel kann man sich als einstellbarer Stromregler vorstellen , wobei die Stromgrenze einfach durch einen einzelnen Widerstand eingestellt werden kann. Es ist eine ziemlich grobe Stromreglerschaltung, die jedoch aufgrund ihrer Einfachheit weit verbreitet ist.

In diesem Experiment erhalten Sie die Möglichkeit, einen dieser Schaltkreise zu bauen, seine stromregulierenden Eigenschaften zu erkunden und auch einige seiner praktischen Grenzen aus erster Hand zu erfahren. Bauen Sie die Schaltung wie im Schaltplan und in der Abbildung gezeigt auf.

Sie erhalten einen zusätzlichen 1,5 kΩ Festwertwiderstand aus den in der Stückliste angegebenen Teilen. Sie werden es im letzten Teil dieses Experiments verwenden.

Das Potentiometer stellt die Stromstärke durch den Transistor Q₁ ein . Dieser Transistor ist angeschlossen, um als einfache Diode zu fungieren:nur ein PN-Übergang.

Warum einen Transistor anstelle einer normalen Diode verwenden? Weil es wichtig ist, zu passen die Sperrschichteigenschaften dieser beiden Transistoren, wenn sie in einer Stromspiegelschaltung verwendet werden. Spannungsabfall am Basis-Emitter-Übergang von Q₁ wird über den Basis-Emitter-Übergang des anderen Transistors eingeprägt, Q₂ , wodurch es „eingeschaltet“ wird und ebenfalls Strom leitet.

Da die Spannung an den Basis-Emitter-Übergängen der beiden Transistoren gleich ist – die beiden Übergangspaare sind parallel zueinander geschaltet – sollte auch der Strom durch ihre Basisanschlüsse fließen, unter der Annahme identischer Übergangseigenschaften und identischer Übergangstemperaturen. Angepasste Transistoren sollten auch die gleichen β-Verhältnisse haben, also bedeuten gleiche Basisströme gleiche Kollektorströme.

Das praktische Ergebnis von all dem ist Q₂ Der Kollektorstrom imitiert die Stromstärke, die durch den Kollektor von Q₁ ermittelt wurde durch das Potentiometer. Mit anderen Worten, Strom durch Q₂ Spiegel der Strom durch Q₁ . Änderungen des Lastwiderstands (Widerstand, der den Kollektor von Q₂ . verbindet zur positiven Seite der Batterie) haben keinen Einfluss auf Q₁ s Strom und haben folglich keinen Einfluss auf die Basis-Emitter-Spannung oder den Basisstrom von Q₂ .

Bei einem konstanten Basisstrom und einem nahezu konstanten β-Verhältnis ist Q₂ wird so viel oder so wenig Kollektor-Emitter-Spannung wie nötig abfallen, um seinen Kollektor-(Last-)Strom konstant zu halten. Somit wirkt die Stromspiegelschaltung zum regeln Strom bei einem vom Potentiometer eingestellten Wert, unabhängig vom Lastwiderstand.

So soll es jedenfalls funktionieren. Die Realität ist nicht ganz so einfach, wie Sie gleich sehen werden.

Im gezeigten Schaltplan ist der Lastkreis von Q₂ wird über ein Amperemeter zur positiven Seite der Batterie abgeschlossen, um eine einfache Strommessung zu ermöglichen. Anstatt die schwarze Sonde des Amperemeters fest mit einem bestimmten Punkt im Stromkreis zu verbinden, habe ich fünf Testpunkte markiert , TP1 bis TP5, damit Sie die schwarze Prüfspitze während der Strommessung berühren können.

Dadurch können Sie den Lastwiderstand schnell und mühelos ändern:Berühren der Sonde an TP1 bewirkt praktisch keinen Lastwiderstand, während Berühren an TP5 einen Lastwiderstand von ca. 14,5 kΩ ergibt. Um das Experiment zu beginnen, berühren Sie TP4 mit der Prüfsonde und stellen Sie das Potentiometer über seinen Hubbereich ein.

Sie sollten einen kleinen, sich ändernden Strom sehen, der von Ihrem Amperemeter angezeigt wird, während Sie den Potentiometermechanismus bewegen:nicht mehr als ein paar Milliampere. Lassen Sie das Potentiometer auf eine runde Zahl von Milliampere eingestellt und bewegen Sie die schwarze Prüfspitze des Messgeräts auf TP3.

Die Stromanzeige sollte fast die gleiche sein wie zuvor. Bewegen Sie die Sonde zu TP2, dann zu TP1.

Auch hier sollten Sie eine nahezu unveränderte Strommenge sehen. Versuchen Sie, das Potentiometer auf eine andere Position einzustellen, geben Sie eine andere Stromanzeige ein und berühren Sie die schwarze Sonde des Messgeräts, um die Punkte TP1 bis TP4 zu testen, und achten Sie dabei auf die Stabilität der Stromanzeigen, wenn Sie den Lastwiderstand ändern.

Dies demonstriert die aktuelle Regulierung Verhalten dieser Schaltung. Sie sollten beachten, dass die aktuelle Regelung nicht perfekt ist.

Trotz Regulierung des Stroms bei fast der Wert für Lastwiderstände zwischen 0 und 4,5 kΩ, in diesem Bereich gibt es einige Abweichungen. Die Regelung kann viel schlechter sein, wenn der Lastwiderstand zu hoch ansteigt.

Versuchen Sie, das Potentiometer so einzustellen, dass der maximale Strom erreicht wird, wie bei der an TP1 angeschlossenen Amperemeter-Prüfspitze angezeigt. Lassen Sie das Potentiometer an dieser Position, bewegen Sie die Messsonde auf TP2, dann auf TP3, dann auf TP4 und schließlich auf TP5 und beachten Sie die Anzeige des Messgeräts an jedem Anschlusspunkt.

Der Strom sollte auf einen nahezu konstanten Wert geregelt werden, bis die Messsonde zum letzten Messpunkt TP5 bewegt wird. Dort wird die Stromanzeige wesentlich geringer sein als an den anderen Testpunkten.

Warum ist das? Weil zu viel Lastwiderstand in Q₂ . eingefügt wurde 's Schaltung. Einfach ausgedrückt:Q₂ kann sich nicht mehr „einschalten“, als er bereits hat, um bei diesem großen Lastwiderstand die gleiche Strommenge aufrechtzuerhalten wie bei geringeren Lastwiderständen.

Dieses Phänomen ist allen Stromreglerschaltungen gemein:Es gibt einen begrenzten Widerstand, den ein Stromregler verarbeiten kann, bevor er sättigt . Dies liegt nahe, da jede Stromreglerschaltung in der Lage ist, eine konstante Strommenge durch beliebige Vorstellbarer Lastwiderstand würde dafür eine unbegrenzte Spannungsquelle benötigen!

Das Ohmsche Gesetz (E=IR) bestimmt die Spannungsmenge, die benötigt wird, um eine bestimmte Strommenge durch einen bestimmten Widerstand zu drücken, und mit nur 12 Volt Versorgungsspannung zur Verfügung steht definitiv eine endliche Grenze für Laststrom und Lastwiderstand gibt es für diese Schaltung. Aus diesem Grund kann es hilfreich sein, sich Stromreglerschaltungen als Strom Begrenzer vorzustellen Stromkreisen, denn alles, was sie wirklich tun können, ist, den Strom auf einen bestimmten Maximalwert zu begrenzen.

Eine wichtige Einschränkung für Stromspiegelschaltungen im Allgemeinen ist die gleiche Temperatur zwischen den beiden Transistoren. Die Stromspiegelung, die zwischen den Kollektorkreisen der beiden Transistoren stattfindet, hängt von den Basis-Emitter-Übergängen dieser beiden Transistoren ab, die genau die gleichen Eigenschaften haben.

Wie die „Diodengleichung“ beschreibt, hängt die Spannungs-Strom-Beziehung für einen PN-Übergang stark von der Temperatur des Übergangs ab . Je heißer ein PN-Übergang ist, desto mehr Strom wird bei einem bestimmten Spannungsabfall durchgelassen.

Wenn ein Transistor heißer wird als der andere, wird mehr Kollektorstrom durchgelassen als der andere, und die Schaltung "spiegelt" den Strom nicht mehr wie erwartet. Beim Aufbau einer echten Stromspiegelschaltung mit diskreten Transistoren sollten die beiden Transistoren mit Epoxidharz (Rücken-an-Rücken) zusammengeklebt werden, damit sie ungefähr die gleiche Temperatur haben.

Um diese Abhängigkeit von gleicher Temperatur zu veranschaulichen, versuchen Sie, einen Transistor zwischen den Fingern zu fassen, um ihn aufzuheizen. Was passiert mit dem Strom durch die Lastwiderstände, wenn die Temperatur des Transistors ansteigt?

Lassen Sie nun den Transistor los und blasen Sie darauf, um ihn auf Umgebungstemperatur abzukühlen. Greife den anderen Transistor zwischen den Fingern, um ihn aufzuheizen.

Was macht nun der Laststrom? In dieser nächsten Phase des Experiments werden wir absichtlich einen der Transistoren überhitzen lassen und die Auswirkungen beobachten.

Um eine Beschädigung eines Transistors zu vermeiden, sollte dieser Vorgang nicht länger durchgeführt werden, als erforderlich ist, um zu beobachten, wie der Laststrom „wegläuft“. Stellen Sie zunächst das Potentiometer auf den minimalen Strom ein.

Als nächstes ersetzen Sie die 10 kΩ R_Grenze Widerstand mit einem 1,5 kΩ Widerstand. Dadurch kann ein höherer Strom durch Q₁ . fließen , und folglich durch Q₂ auch.

Platzieren Sie die schwarze Sonde des Amperemeters auf TP1 und beobachten Sie die Stromanzeige. Bewegen Sie das Potentiometer in Richtung steigender Stromstärke, bis Sie etwa 10 mA am Amperemeter ablesen.

Hören Sie an diesem Punkt auf, das Potentiometer zu bewegen und beobachten Sie einfach den Strom. Sie werden feststellen, dass der Strom von selbst ansteigt, ohne weitere Potentiometerbewegungen!

Unterbrechen Sie den Stromkreis, indem Sie die Messsonde von TP1 entfernen, wenn der Strom 30 mA überschreitet, um eine Beschädigung des Transistors Q₂ . zu vermeiden . Wenn Sie beide Transistoren vorsichtig mit einem Finger berühren, sollten Sie Q₂ . bemerken warm ist, während Q₁ ist cool.

Warnung: wenn Q₂ die Strömung wurde zu weit oder zu lange „weglaufen“ gelassen, sie kann sehr heiß werden ! Sie können sich durch das Berühren eines überhitzten Halbleiterbauteils schwere Verbrennungen an der Fingerspitze zuziehen, also seien Sie hier vorsichtig!

Was ist gerade passiert, um Q₂ . zu machen überhitzen und die Stromkontrolle verlieren? Durch das Anschließen des Amperemeters an TP1 wurde der gesamte Lastwiderstand entfernt, also Q₂ musste die volle Batteriespannung zwischen Kollektor und Emitter abfallen, da es den Strom regulierte.

Transistor Q₁ hatte zumindest den 1,5 kΩ Widerstand von R_limit an Ort und Stelle, um den größten Teil der Batteriespannung zu senken, sodass seine Verlustleistung weitaus geringer war als die von Q₂ . Dieses grobe Ungleichgewicht der Verlustleistung verursachte Q₂ mehr als Q₁ . erhitzen .

Als die Temperatur stieg, Q₂ begann mehr Strom für den gleichen Betrag des Basis-Emitter-Spannungsabfalls zu leiten. Dadurch erwärmte er sich noch schneller, da er mehr Kollektorstrom durchließ, während immer noch die vollen 12 Volt zwischen Kollektor und Emitter abfielen.

Der Effekt ist als thermisches Durchgehen bekannt , und es ist in vielen Bipolartransistorschaltungen möglich, nicht nur in Stromspiegeln.

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Stromspiegel 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 ) .ende 

V_Amperemeter ist nichts anderes als eine Null-Volt-Gleichstrombatterie, die strategisch platziert ist, um den Laststrom abzufangen. Dies ist nichts weiter als ein Trick, um den Strom in einer SPICE-Simulation zu messen, da in der SPICE-Sprache keine dedizierte "Amperemeter"-Komponente existiert.

Beachten Sie, dass SPICE nur die ersten acht Zeichen des Namens einer Komponente erkennt. Der Name „vammeter“ ist in Ordnung, aber wenn wir mehr als eine Strommessspannungsquelle in die Schaltung integrieren und sie „vammeter1“ bzw. „vammeter2“ nennen, würde SPICE sie als zwei Instanzen derselben Komponente ansehen „vammeter“ (sieht nur die ersten acht Zeichen) und stoppt mit einem Fehler.

Was Sie beim Ändern der Netzliste oder beim Programmieren einer eigenen SPICE-Simulation beachten sollten! Sie müssen mit verschiedenen Widerstandswerten von R_load . experimentieren in dieser Simulation, um die stromregulierende Natur der Schaltung zu erkennen.

Mit R_Limit auf 10 kΩ und einer Versorgungsspannung von 12 Volt eingestellt, der geregelte Strom durch R_load wird 1,1 mA betragen. SPICE zeigt, dass die Regelung perfekt ist (ist die virtuelle Welt der Computersimulation nicht so schön?), der Laststrom bleibt bei 1,1 mA für einen weiten Bereich der Lastwiderstände. Wenn der Lastwiderstand jedoch über 10 kΩ erhöht wird, zeigt auch diese Simulation, dass der Laststrom wie in der Realität abnimmt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für geregelte Stromquellen

• Arbeitsblatt für Differenztransistorverstärker