4.5. Транзистор как источник стабильного тока

Идеальный источник тока обеспечивает в нагрузке R_v ток, который не зависит от падения напряжения на R_v. Вследствие эквивалентности источника тока и источника напряжения, которую иллюстрируют рис 1.2 и 1.3, схему идеального источника тока можно построить на базе источника напряжения U₀ с последовательно включенным высоким омическим сопротивлением R_i.

Если необходим значительный ток короткого замыкания I₀, то нужно выбрать напряжение U₀ большой величины. Для того чтобы обеспечить I₀ = 1 мА и R_i =10 МОм, необходимо приложить напряжение U₀ = 10 кВ. Это условие можно обойти, если потребовать большого внутреннего сопротивления только для определенного интервала выходных напряжений. В этом случае большим может быть лишь дифференциальное внутреннее сопротивление r_i = - (dU_a / dI_a), тогда как статическое внутреннее сопротивление может быть малым. Этой особенностью обладает выходная характеристика транзистора. С помощью отрицательной обратной связи значение дифференциального внутреннего сопротивления можно увеличить на несколько порядков. Ниже будет рассмотрено несколько простых схем на транзисторах; прецизионные источники тока на операционных усилителях описаны в гл. 12.

4.5.1. Основная схема

Схема источника тока, изображенного на рис. 4.25, построена на основе схемы с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току. Существенное отличие состоит в том, что нагрузка в этом случае включена последовательно с транзистором. Выходной ток остается неизменным, пока транзистор насыщен, т.е. пока Uсе > U_Ceнас. Для расчета внутреннего сопротивления запишем следующие соотношения :

Рис 4.25 Источник стабильного тока с делителем напряжения

Рис 4.26 Источник стабильного тока со стабилитроном

С учетом основных уравнений (4.6) и (4.7) получим

Для определения параметров источника при выходном токе, равном 1 мА, можно выбрать, например, R_E = 5 кОм и U_e = 5 В. Общее сопротивление делителя напряжения, соединенного с базой, составляет R₁ R₂ = 10 кОм. С учетом параметров транзистора r_CE = 100 кОм,  = 300 и r_BE = 30026 мВ/1 мА = 7,8 кОм получим

Эта величина представляе гся исключительно большой, если учесть, что питающее напряжение составляет всего несколько вольт. Достичь такого значения необходимо при использовании одного транзистора.

Из формулы (4.29) видно, что общее сопротивление делителя напряжения неблагоприятно влияет на внутреннее сопротивление источника тока. Поэтому сопротивление R₂ целесообразно заменить стабилитроном, как показано на рис. 4.26; при этом потенциал базы становится в значительной мере независимым от колебаний питающего напряжения.

4.5.2. Биполярный источник питания

Иногда бывает необходим источник тока, обеспечивающий как положительный, так и отрицательный выходной ток I_a, который пропорционален приложенному входному напряжению U_e. Для этой цели можно соединить друг с другом два комплементарных источника, как показано на рис. 4.27 Если U_e = 0, то протекают равные токи I₁ и I₂, выходной ток I_a равен нулю. Если приложить положительное напряжение, то I₂ увеличивается, a I₁ уменьшается. Благодаря этому протекает отрицательный выходной ток. При отрицательном входном напряжении имеет место обратная картина.

Рис 4.27 Биполярный источник стабильного тока

Для определения выходного тока прежде всего найдем токи I₁ и I₂. Согласно рис. 4.27, получаем

откуда

Схема работоспособна только при отсутствии перегрузки источника тока. Приэтом, с одной стороны, модуль входного напряжения должен быть меньше чем U_b — 3 В, так как в противном случае оба транзистора будут закрыты. С другой стороны, сопротивление нагрузки должно быть малым, с тем чтобы модуль выходного напряжения не превышал значения ¹/₂U_b ибо иначе транзистор попадет в режим насыщения.