Como construir um circuito de espelho atual

PEÇAS E MATERIAIS

• Dois transistores NPN — modelos 2N2222 ou 2N3403 recomendados (o catálogo Radio Shack # 276-1617 é um pacote de quinze transistores NPN ideais para este e outros experimentos)
• Duas baterias de 6 volts
• Um potenciômetro de 10 kΩ, de volta única, cone linear (catálogo Radio Shack # 271-1715)
• Dois resistores de 10 kΩ
• Quatro resistores de 1,5 kΩ

Transistores de sinal pequenos são recomendados para que possam experimentar "fuga térmica" na última parte do experimento. Transistores de “potência” maiores podem não exibir o mesmo comportamento nesses níveis de baixa corrente. No entanto, qualquer par de transistores NPN idênticos podem ser usados ​​para construir um espelho de corrente.

Esteja ciente de que nem todos os transistores compartilham as mesmas designações de terminal ou pinagem , mesmo que tenham a mesma aparência física.

Isso ditará como você conecta os transistores e a outros componentes, portanto, certifique-se de verificar as especificações do fabricante (ficha técnica do componente), facilmente obtida no site do fabricante. Esteja ciente de que é possível que o pacote do transistor e até mesmo a ficha técnica do fabricante mostre diagramas de identificação de terminal incorretos!

É altamente recomendável verificar duas vezes as identidades dos pinos com a função de "verificação de diodo" do multímetro. Para obter detalhes sobre como identificar terminais de transistor bipolares usando um multímetro, consulte o capítulo 4 do volume Semiconductor (volume III) desta série de livros.

REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 4:"Transistores de junção bipolar"

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Como construir um circuito de espelho de corrente
• Limitações de corrente de um circuito de espelho de corrente
• Dependência dos BJTs com a temperatura
• Experimente uma situação de “fuga térmica” controlada

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

Um espelho de corrente pode ser considerado um regulador de corrente ajustável , o limite de corrente sendo facilmente definido por uma única resistência. É um circuito regulador de corrente bastante rudimentar, mas que encontra ampla utilização devido à sua simplicidade.

Neste experimento, você terá a oportunidade de construir um desses circuitos, explorar suas propriedades de regulação de corrente e também experimentar algumas de suas limitações práticas em primeira mão. Construa o circuito conforme mostrado no esquema e na ilustração.

Você terá um resistor extra de valor fixo de 1,5 kΩ das peças especificadas na lista de peças. Você o usará na última parte deste experimento.

O potenciômetro define a quantidade de corrente através do transistor Q ₁ . Este transistor é conectado para atuar como um diodo simples:apenas uma junção PN.

Por que usar um transistor em vez de um diodo normal? Porque é importante corresponder as características de junção desses dois transistores ao usá-los em um circuito de espelho de corrente. A tensão caiu na junção base-emissor de Q ₁ fica impressionado através da junção base-emissor do outro transistor, Q ₂ , fazendo com que seja “ligado” e da mesma forma conduza a corrente.

Uma vez que a tensão nas junções base-emissor dos dois transistores é a mesma - os dois pares de junção sendo conectados em paralelo um com o outro - então a corrente deve ser através de seus terminais de base, assumindo características de junção idênticas e temperaturas de junção idênticas. Os transistores casados ​​também devem ter as mesmas relações β, de modo que correntes de base iguais significam correntes de coletor iguais.

O resultado prático de tudo isso é Q ₂ A corrente do coletor imita qualquer magnitude de corrente que tenha sido estabelecida através do coletor de Q ₁ pelo potenciômetro. Em outras palavras, atual até Q ₂ espelhos da corrente até Q ₁ . Mudanças na resistência de carga (resistência conectando o coletor de Q ₂ para o lado positivo da bateria) não têm efeito sobre Q ₁ 'S atual, e conseqüentemente, não tem efeito sobre a tensão do emissor de base ou corrente de base de Q ₂ .

Com uma corrente de base constante e uma razão β quase constante, Q ₂ cairá tanto ou tão pouca tensão coletor-emissor quanto necessário para manter sua corrente de coletor (carga) constante. Assim, o circuito do espelho atual atua para regular corrente em um valor definido pelo potenciômetro, sem levar em conta a resistência da carga.

Bem, é assim que deve funcionar, de qualquer maneira. A realidade não é tão simples, como você está prestes a ver.

No diagrama de circuito mostrado, o circuito de carga de Q ₂ é completado no lado positivo da bateria por meio de um amperímetro, para facilitar a medição da corrente. Em vez de conectar solidamente a sonda preta do amperímetro a um ponto definido no circuito, marquei cinco pontos de teste , TP1 a TP5, para você tocar a ponta de prova preta enquanto mede a corrente.

Isso permite que você altere a resistência de carga de forma rápida e sem esforço:tocar a sonda em TP1 resulta em praticamente nenhuma resistência de carga, enquanto tocá-la em TP5 resulta em aproximadamente 14,5 kΩ de resistência de carga. Para iniciar o experimento, toque a ponta de prova de teste em TP4 e ajuste o potenciômetro em sua faixa de deslocamento.

Você deve ver uma pequena corrente variável indicada pelo amperímetro conforme move o mecanismo do potenciômetro:não mais do que alguns miliamperes. Deixe o potenciômetro definido para uma posição que forneça um número redondo de miliamperes e mova a ponta de prova preta do medidor para TP3.

A indicação atual deve ser quase a mesma de antes. Mova a sonda para TP2 e depois TP1.

Novamente, você deve ver uma quantidade de corrente quase inalterada. Tente ajustar o potenciômetro para outra posição, dando uma indicação de corrente diferente, e toque a ponta de prova preta do medidor para testar os pontos de TP1 a TP4, observando a estabilidade das indicações de corrente conforme você altera a resistência de carga.

Isso demonstra o atual regulamentar comportamento deste circuito. Você deve observar que o regulamento atual não é perfeito.

Apesar de regular a corrente em quase o valor para resistências de carga entre 0 e 4,5 kΩ, há alguma variação nesta faixa. A regulação pode ser muito pior se a resistência da carga aumentar muito.

Tente ajustar o potenciômetro para que a corrente máxima seja obtida, conforme indicado com a ponta de prova do amperímetro conectada ao TP1. Deixando o potenciômetro nessa posição, mova a sonda do medidor para TP2, depois TP3, depois TP4 e finalmente TP5, observando a indicação do medidor em cada ponto de conexão.

A corrente deve ser regulada em um valor quase constante até que a sonda do medidor seja movida para o último ponto de teste, TP5. Lá, a indicação de corrente será substancialmente mais baixa do que nos outros pontos de teste.

Por que é isso? Porque muita resistência de carga foi inserida em Q ₂ Circuito 's. Simplificando, Q ₂ não pode “ligar” mais do que já está, para manter a mesma quantidade de corrente com esta grande resistência de carga como com resistências de carga menores.

Este fenômeno é comum a todos os circuitos reguladores de corrente:há uma quantidade limitada de resistência que um regulador de corrente pode suportar antes de saturar . Isso é lógico, pois qualquer circuito regulador de corrente é capaz de fornecer uma quantidade constante de corrente por meio de qualquer a resistência de carga imaginável exigiria uma fonte ilimitada de tensão para fazê-lo!

A Lei de Ohm (E =IR) dita a quantidade de tensão necessária para empurrar uma determinada quantidade de corrente através de uma determinada quantidade de resistência, e com apenas 12 volts de tensão de alimentação à nossa disposição, um limite finito de corrente de carga e resistência de carga definitivamente existe para este circuito. Por este motivo, pode ser útil pensar nos circuitos reguladores de corrente como sendo limitadores de corrente circuitos, pois tudo o que podem realmente fazer é limitar a corrente a algum valor máximo.

Uma advertência importante para circuitos de espelho de corrente, em geral, é que a temperatura igual entre os dois transistores. O "espelhamento" atual que ocorre entre os circuitos coletores dos dois transistores depende das junções base-emissor desses dois transistores com exatamente as mesmas propriedades.

Como a "equação do diodo" descreve, a relação tensão / corrente para uma junção PN depende fortemente da temperatura da junção . Quanto mais quente estiver uma junção PN, mais corrente ela passará para uma determinada quantidade de queda de tensão.

Se um transistor ficar mais quente do que o outro, ele passará mais corrente do coletor do que o outro, e o circuito não mais “espelhará” a corrente esperada. Ao construir um circuito de espelho de corrente real usando transistores discretos, os dois transistores devem ser colados com epóxi (costas com costas) para que permaneçam aproximadamente à mesma temperatura.

Para ilustrar essa dependência da temperatura igual, tente segurar um transistor entre os dedos para aquecê-lo. O que acontece com a corrente através dos resistores de carga conforme a temperatura do transistor aumenta?

Agora, solte o transistor e sopre nele para resfriá-lo até a temperatura ambiente. Segure o outro transistor entre os dedos para aquecê-lo.

O que a corrente de carga faz agora? Nesta próxima fase do experimento, iremos intencionalmente permitir que um dos transistores superaqueça e notaremos os efeitos.

Para evitar danos a um transistor, este procedimento deve ser conduzido não mais do que o necessário para observar a corrente de carga começar a "fugir". Para começar, ajuste o potenciômetro para corrente mínima.

Em seguida, substitua o _limite de 10 kΩ R resistor com um resistor de 1,5 kΩ. Isso permitirá que uma corrente mais alta passe através de Q ₁ , e conseqüentemente através de Q ₂ também.

Coloque a ponta de prova preta do amperímetro no TP1 e observe a indicação de corrente. Mova o potenciômetro na direção do aumento da corrente até ler cerca de 10 mA no amperímetro.

Nesse ponto, pare de mover o potenciômetro e apenas observe a corrente. Você notará que a corrente começa a aumentar por si só, sem mais movimento do potenciômetro!

Interrompa o circuito removendo a sonda do medidor de TP1 quando a corrente exceder 30 mA, para evitar danos ao transistor Q ₂ . Se você tocar cuidadosamente em ambos os transistores com um dedo, deverá notar Q ₂ está quente, enquanto Q ₁ é legal.

Aviso: se Q ₂ Foi permitido que a corrente “fugisse” muito ou por muito tempo, pode se tornar muito quente ! Você pode receber uma queimadura grave na ponta do dedo ao tocar em um componente semicondutor superaquecido, então tome cuidado aqui!

O que aconteceu para fazer Q ₂ superaquecer e perder o controle atual? Ao conectar o amperímetro ao TP1, toda a resistência de carga foi removida, então Q ₂ teve que diminuir a tensão total da bateria entre o coletor e o emissor enquanto regulava a corrente.

Transistor Q ₁ pelo menos tinha a resistência de 1,5 kΩ de R _limite no lugar para diminuir a maior parte da voltagem da bateria, então sua dissipação de energia foi muito menor do que a de Q ₂ . Este grande desequilíbrio de dissipação de energia causou Q ₂ para aquecer mais do que Q ₁ .

Conforme a temperatura aumentou, Q ₂ começou a passar mais corrente para a mesma quantidade de queda de tensão do emissor de base. Isso fez com que ele esquentasse ainda mais rápido, pois passava mais corrente do coletor e ainda perdia os 12 volts completos entre o coletor e o emissor.

O efeito é conhecido como fuga térmica , e é possível em muitos circuitos de transistores de junção bipolar, não apenas em espelhos de corrente.

SIMULAÇÃO DE COMPUTADOR

Esquema com números de nó SPICE:

Netlist (faça um arquivo de texto contendo o seguinte texto, literalmente):

 Espelho atual 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 ) .end 

V _amperímetro nada mais é do que uma bateria CC de zero volts estrategicamente posicionada para interceptar a corrente de carga. Isso nada mais é do que um truque para medir a corrente em uma simulação SPICE, já que não existe nenhum componente “amperímetro” dedicado na linguagem SPICE.

É importante lembrar que SPICE reconhece apenas os primeiros oito caracteres do nome de um componente. O nome "vammeter" está certo, mas se incorporássemos mais de uma fonte de tensão de medição de corrente no circuito e os nomeasse "vammeter1" e "vammeter2", respectivamente, SPICE os veria como duas instâncias do mesmo componente “Vammeter” (vendo apenas os primeiros oito caracteres) e parou com um erro.

Algo a ter em conta quando alterar a netlist ou programar a sua própria simulação SPICE! Você terá que experimentar diferentes valores de resistência de R _load nesta simulação para apreciar a natureza reguladora de corrente do circuito.

Com R _limite definido para 10 kΩ e uma tensão de alimentação de 12 volts, a corrente regulada por meio de R _carga será 1,1 mA. SPICE mostra que o regulamento é perfeito (não é o mundo virtual da simulação de computador tão bom?), A corrente de carga permanecendo em 1,1 mA para uma largura gama de resistências de carga. Porém, se a resistência da carga for aumentada além de 10 kΩ, mesmo esta simulação mostra a corrente da carga sofrendo uma diminuição como na vida real.



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