3.3. Краткие теоретические сведения о генераторах стабильного тока

Маломощные стабилизаторы тока (генераторы стабильного тока) необходимы в измерительных устройствах, использующих мост Уитстона и резистивные датчики физических величин. Стабилизация тока высокой интенсивности требуется в электромагнитных и нагревательных устройствах, а также для обеспечения неизменного лучистого потока источников света в светотехнике.

Маломощные стабилизаторы тока питаются от стабилизированных источников напряжения и используют свойство статической характеристики биполярного транзистора иметь практически неизменное значение тока коллектора при неизменном токе базы, рис. 3.5.

Принцип работы схем а) и б) на рис. 3.5 совершенно одинаков. Схема со стабилитроном VD дополнительно защищает стабилизатор тока от нестабильностей напряжения питания U_п. Потенциал эмиттера U_э относительно общей точки схемы равен:

U_э = U_б – U_бэ = U_б – 0,65В,

где U_б = U_VD для схемы со стабилитроном или для схемы с делителем напряжения.

Рис. 3.5. Маломощные стабилизаторы тока:

а) с резистивным делителем напряжения в цепи базы;

б) со стабилизацией потенциала базы с помощью стабилитрона

Ток эмиттера обеих схем при неизменном R_э является величиной постоянной и практически равной коллекторному току I_к:

. (3.11)

Падение напряжения на транзисторе VT (рис. 3.5) определяется выражением:

.

Очевидно, что стабилизация тока возможна лишь в таких пределах изменения R_н, при которых падение напряжения на VT не достигнет напряжения насыщения (U_кэ менее 1В для кремниевого транзистора).

В рассмотренных схемах стабилизаторов тока наблюдается небольшой дрейф тока при изменении температуры транзистора. Для уменьшения данной зависимости необходимо создать потенциал U_б, компенсирующий влияние температурного дрейфа напряжения U_бэ транзистора. Это обеспечивается в схеме, называемой «токовое зеркало», рис. 3.6.

Транзисторы VT1 и VT2 в данной схеме должны быть однотипными. Поскольку коллектор и база транзистора VT1 закорочены, то R_к1 обеспечивает подачу одного и того же напряжения U_б на базы VT1 и VT2. В силу идентичности транзисторов, падения напряжения на эмиттерных резисторах R_э1 и R_э2 равны: R_э1·I₁ = R_э2·I₂ , откуда . Если включить в схему равные резисторы R_э1 и R_э2, то и токи коллекторов будут равны: I₁ = I₂. Отсюда название схемы: «токовое зеркало».

Рассуждения, относительно пределов сопротивления резистора R_н в схеме рис. 3.5 справедливы также и для данной схемы.

Мощные стабилизаторы тока используют сходные принципы стабилизации, однако требуют применения дополнительного усилителя мощности, рис. 3.7. В приведенной схеме операционный усилитель DA совместно с транзистором VT образуют повторитель напряжения, снимаемого со стабил итрона VD. Нагрузкой повторителя является резистор R_и, включенный между общей точкой схемы и истоком полевого транзистора VT. Если резистор R_и имеет хорошую температурную стабильность, то через него и, соответственно, через сопротивление нагрузки R_н, всегда будет протекать неизменный ток . Стабилизированный ток будет поддерживаться в цепи нагрузки при изменении сопротивления R_н от нуля до значения, при котором общее сопротивление цепи R_н + R_и становится настолько высоким, что уже не позволяет иметь необходимый ток при заданном U_п.

В рассмотренной схеме энергетически не выгодно иметь большое сопротивление истокового резистора R_и. В зависимости от значения стабилизируемого тока, сопротивление R_и берут от долей Ома до десятков Ом, а напряжение стабилизации стабилитрона VD – в единицы вольт. Качество стабилизации тока определяется температурной стабильностью резистора R_и. Наилучшие результаты дает использование прецизионных проволочных резисторов мощностью 1 … 5 Вт с допустимым отклонением номинального сопротивления 0,1 … 1%.