Καθρέπτες Ρεύματος - Πηγή Ρεύματος Widlar

Καθρέπτες Ρεύματος

Σχεδόν όπου και να ψάξετε στη βιβλιογραφία, θα βρείτε το παρακάτω χαρακτηριστικό κύκλωμα για τον καθρέπτη ρεύματος:

όπου στις επαφές P1 / P2  θα συνδέσετε το φορτίο σας. Το ρεύμα στο φορτίο θα είναι ακριβώς το ίδιο με το ρεύμα που διατρέχει το συλλέκτη του Q1. Γι'αυτό το λόγο άλλωστε το κύκλωμα ονομάζεται καθρέπτης ρεύματος.

Το transistor Q1 είναι συνδεδεμένο ως δίοδος (diode transistor) και έτσι ισχύει:

Υπολογίζοντας το ρεύμα που διέρχεται μέσα από την R1 (και θεωρώντας αμελητέο το ρεύμα βάσης):

Αν τα transistor είναι ακριβώς ίδια, το ρεύμα βάσης που θα κυκλοφορεί και στα δύο θα είναι ακριβώς το ίδιο. Αυτό φυσικά θα έχει  σαν αποτέλεσμα το ρεύμα συλλέκτη στο Q2 να είναι ακριβώς το ίδιο με το ρεύμα Ic του Q1 που υπολογίσαμε πριν.

Η μαγική φράση εδώ είναι "ακριβώς τα ίδια transistor". Όσο και αν ψάξετε δεν θα βρείτε δύο ακριβώς ίδια transistor. Μια μικρή διαφορά στο β και το παραπάνω κύκλωμα θα σας δίνει πολύ διαφορετικό ρεύμα. Ακριβώς ίδια transistor μπορείτε να βρείτε μέσα σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα όπου και το παραπάνω μπορεί πράγματι να έχει πρακτική εφαρμογή. Μια και παίζουμε με διακριτά εξαρτήματα, χρειαζόμαστε κάτι πιο πρακτικό.

Ένας πιο Πρακτικός Καθρέπτης

Μπορούμε φυσικά να χρησιμοποιήσουμε το παλιό καλό κόλπο με την αντίσταση στον εκπομπό: θα δημιουργήσουμε έτσι μια αρνητική ανάδραση που θα σταθεροποιήσει το ρεύμα συλλέκτη, σχεδόν ανεξάρτητα από το β των transistors. Για παράδειγμα, ας δούμε το παρακάτω κύκλωμα:

Οι αντιστάσεις Re είναι ίδιες για τα Q1 και Q2. Όπως και πριν μπορούμε να υπολογίσουμε το ρεύμα συλλέκτη του Q1. Για να έχουμε ένα πιο πρακτικό παράδειγμα, ας θεωρήσουμε ότι έχουμε τάση τροφοδοσίας 9V και θέλουμε να έχουμε ρεύμα στο φορτίο 10 mA. Μπορούμε εύκολα να γράψουμε για το Q1 το παρακάτω (αγνοώντας ξανά επιδεικτικά το ρεύμα βάσης):

Επιλύοντας για Vcc =9V, Ic=10 mA και Vce=0.7V, θα πάρουμε:

Μπορούμε να επιλέξουμε Rc = 680 Ω, Re = 150 Ω. Βολικές τιμές, καθώς ανήκουν και οι δύο στην Ε12. Προσέξτε ότι ενώ υπάρχουν πολλοί πιθανοί συνδυασμοί, δεν θέλουμε να μεγαλώσουμε υπερβολικά την τιμή της Re γιατί μεγαλώνουμε την αντίσταση εξόδου του κυκλώματος. Σκοπός μας είναι απλά να σταθεροποιήσουμε το ρεύμα.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το παραπάνω κύκλωμα ως ένα πολύ ωραίο LED tester: 10 mA είναι συνήθως κατάλληλη τιμή για τα περισσότερα LED. Ότι χρώμα LED και να βάλετε για φορτίο, ο καθρέπτης μας θα του δώσει ακριβώς αυτό το ρεύμα. Για την τροφοδοσία μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια μπαταρία 9V. Μη ξεχνάτε όμως να την αποσυνδέετε όταν τελειώσετε: ακόμα και χωρίς φορτίο, το κύκλωμα μας διαρέεται από 10mA.

Καθρέπτης για Μικρά Ρεύματα

Από την άλλη, ίσως δεν θέλετε να φτιάξετε ένα LED tester αλλά ένα transistor tester. Ξέρετε, σαν εκείνα τα άχρηστα που έχουν τα πολύμετρα πάνω και μετράνε το β (hfe). Ξέρετε φυσικά ότι το β δεν είναι σταθερό: μεταβάλλεται π.χ. με την τάση συλλέκτη εκπομπού, το ρεύμα, τη θερμοκρασία κλπ. Άρα η μέτρηση του με ένα απλό κύκλωμα, σε ένα μοναδικό σημείο λειτουργίας έχει μόνο ακαδημαικό θα λέγαμε ενδιαφέρον. Ωστόσο μπορεί να αποτελέσει ένα ευχάριστο απόγευμα αν έχετε πολλά transistors στα συρταράκια σας :)

Για ένα τέτοιο κύκλωμα θα θέλετε να φτιάξετε το παραπάνω ώστε να παρέχει ρεύμα περίπου 10 μΑ. Αν κάνετε τους υπολογισμούς όπως προηγουμένως, θα καταλήξετε σε κάπως... μεγάλες αντιστάσεις:

Όπως είπαμε πριν, οι πηγές ρεύματος βρίσκουν αρκετές εφαρμογές στα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Όμως μεγάλες τιμές αντιστάσεων δεν είναι δυνατόν να κατασκευαστούν (είναι είτε ασύμφορες ή απλά πολύ μεγάλες σε μέγεθος για να χωρέσουν) στα σύγχρονα ολοκληρωμένα. Αν πρόκειται λοιπόν για μικρά ρεύματα, μπορούμε να πάμε στην πηγή ρεύματος Widlar.

Πηγή Ρεύματος Widlar

Η πηγή ρεύματος Widlar μας επιτρέπει να παρέχουμε μικρό ρεύμα εξόδου με λογικές τιμές αντιστάσεων. Δεν πρόκειται ακριβώς για "καθρέπτη" αλλά μάλλον για φακό: το ρεύμα στο transistor Q1 είναι μεγαλύτερο από το Q2, ή αν προτιμάτε, το ρεύμα του Q2 είναι ένα μέρος (κλάσμα) του Q1. Το κύκλωμα είναι το παρακάτω:

Μοιάζει με το προηγούμενο μας κύκλωμα, μόνο που η Re υπάρχει μόνο στο κύκλωμα εξόδου. Αυτό προκαλεί και την ασυμμετρία του κυκλώματος και την διαφορά των ρευμάτων Q1 και Q2.

Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε ρεύμα εξόδου 10 μΑ. Για ρεύμα εισόδου θα επιλέξουμε ένα αρκετά μεγαλύτερο, π.χ. 3 mA.  Για το Q1 μπορούμε και πάλι να γράψουμε:

Ίσως σας παραξενέψει λίγο ο τύπος για την Re:

Προφανώς Iq1 και Iq2 είναι τα ρεύματα συλλέκτη για τα transistors Q1 και Q2 αντίστοιχα. Αν αναρρωτιέστε πως προκύπτει ο τύπος, θα σας παραπέμψω στο ισοδύναμο Ebers-Moll που απαιτείται για τη συγκεκριμένη ανάλυση.

Κάνοντας ένα γρήγορο υπολογισμό:

Vt είναι η θερμική τάση (thermal voltage) και μπορείτε να θεωρήσετε ότι για τα περισσότερα transistors μικρού σήματος είναι 26mV σε συνήθη θερμοκρασία δωματίου. Μπορούμε να επιλέξουμε αντιστάσεις R1=2.7kΩ και Re=15kΩ. Στην Re καλό είναι να προσθέσουμε ένα trimmer για να ρυθμίσουμε το ρεύμα Iq2 ακριβώς στα 10 μΑ. Για να μετράμε NPN transistors, μπορούμε να φτιάξουμε το παρακάτω κύκλωμα:

(Για μέτρηση PNP transistors φτιάξτε το αντίστοιχο κύκλωμα με Q1, Q2 να είναι NPN) Στη θέση των Q1, Q2 μπορείτε να βάλετε όποιο γενικής χρήσης PNP θέλετε (π.χ. BC560C). Q3 είναι το NPN transistor που θα μετρήσετε. "Α" είναι το πολύμετρο σας ως μιλι-αμπερόμετρο στη κλίμακα των mA. Η τιμή που θα μετρήσετε, χωρίς την υποδιαστολή, είναι το β του transistor. (π.χ. αν μετρήσετε ρεύμα 2.35 mA, το transistor έχει β 235).

Για σωστή μέτρηση, βαθμονομήστε το κύκλωμα ως εξής: αφαιρέστε το Q3 και βάλτε το μικρο-αμπερόμετρο απευθείας στο συλλέκτη του Q2 προς γη. Χρησιμοποιήστε το trimmer ώστε το ρεύμα που μετράτε να είναι ακριβώς 10μA. 

Η αντίσταση 1 kΩ στο συλλέκτη του Q3 μπαίνει για προστασία από τυχόν βραχυκύκλωμα.  Καθώς το transistor λειτουργεί στην ενεργή περιοχή το ρεύμα συλλέκτη θα είναι πάντα β φορές το ρεύμα βάσης. Η αντίσταση φυσικά επηρεάζει τη μέτρηση καθώς κρατά κάποια τάση στα άκρα της και ξέρουμε ότι το β μεταβάλλεται με την τάση Vce.

Αλλάζοντας τιμές στην αντίσταση αυτή θα διαπιστώσετε και γιατί η μέτρηση β δεν έχει και τόσο νόημα.

Εξακολουθεί πάντως να επαρκεί για ένα ευχάριστο απόγευμα :)