Исследование схем источников тока для работы светодиодов и лазерных диодов в непрерывном режиме
Схема, осуществляющая питание светодиодов и лазерных диодов, должна обеспечивать постоянство заданного тока накачки независимо от колебаний напряжения питания. Эту задачу решает схема источника стабильного тока, приведённая на рис. 1.
Рис. 1
Светодиодный или лазерный диод D включается в коллекторную цепь биполярного транзистора T. В эмиттерную цепь включено сопротивление R, осуществляющее отрицательную обратную связь по току транзистора. Между базой транзистора и общей шиной подаётся опорное напряжение Uоп. Величины Uоп и R определяют значение тока, замыкающегося через светодиод или лазерный диод.
Стабилизация тока в нагрузке обусловлена большим дифференциальным выходным сопротивлением транзистора T и наличием глубокой отрицательной обратной связи по току за счёт включения в цепь эмиттера резистора R.
Для расчёта схемы запишем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для входного контура
Uоп=Uбэ+RIэ=Uбэ+RI |
(1) |
Здесь Iэ — ток эмиттера,
который в активном режиме работы
транзистора практически не отличается
от тока коллектора I, являющегося
током нагрузки. Напряжение Uбэ
связано с током коллектора I
уравнением передаточной характеристики,
график которой показан на рис. 2.
Рис. 2
Как следует из графика, напряжение Uбэ слабо зависит от тока коллектора I и в первом приближении может быть принято постоянным. Величина этого напряжения U0 для кремниевого транзистора составляет 0,6—0,7 В.
Таким образом, с учётом (1) ток коллектора I, равный току нагрузки, может быть представлен в виде
(2)
Согласно (2) ток через диод D определяется величинами Uоп и R и не зависит от напряжения питания Uип . Иногда нагрузкой является последовательное соединение нескольких светодиодов или лазерных диодов. Очевидно, что ток нагрузки не зависит от числа подключенных диодов.
Рассмотренная схема является источником стабильного тока только при условии работы транзистора в активном режиме. В этом режиме напряжение коллектор-эмиттер транзистора должно быть не меньше (Uкэ)min≈1В. Следовательно, напряжение источника питания должно выбираться из условия
Uип≥UD+RI+(Uкэ)min , (3)
где UD – напряжение на одном или нескольких диодах при заданном значении тока I.
Пример.
В схеме на рис.1 нагрузкой являются 3 последовательно включенных светодиода. Величина опорного напряжения Uоп=4В. Определить сопротивление резистора R, обеспечивающего ток нагрузки I=10 мА. Найти минимальное напряжение источника питания, если напряжение на одном светодиоде при токе 10 мА UD=2В.
Из выражения (2) следует
Ом,
Uип=3UD+RI+(Uкэ)min=3∙2+340∙0,01+1=10,4 В.
Напряжение Uоп в схеме на рис.1 может быть получено от регулируемого источника опорного напряжения. При постоянной величине Uоп в качестве источника опорного напряжения может быть использован стабилитрон, напряжение пробоя которого равно заданному значению опорного напряжения Uпроб=Uоп. При этом схема на рис.1 принимает вид
Рис. 3
Сопротивление R1 выбирается таким образом, чтобы замыкающийся через него ток превышал сумму тока базы Iб=I/β, где β — коэффициент усиления по току транзистора и минимального тока через стабилитрон (ID1)min.
Например, если Uип=15В, Uпроб=5В, I=10 мА, β=100 и (ID1)min=2мА, то R1=4,7 кОм.
Для питания светодиодов и лазерных диодов может быть также использована схема стабильного тока на основе полевого транзистора (рис.4).