Cómo construir un circuito espejo actual

PIEZAS Y MATERIALES

• Dos transistores NPN:se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (el catálogo de Radio Shack n. ° 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, una vuelta, cono lineal (catálogo de Radio Shack # 271-1715)
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Cuatro resistencias de 1,5 kΩ

Se recomiendan pequeños transistores de señal para poder experimentar un "fugitivo térmico" en la última parte del experimento. Los transistores de "potencia" más grandes pueden no exhibir el mismo comportamiento a estos niveles de corriente bajos. Sin embargo, cualquiera Se puede usar un par de transistores NPN idénticos para construir un espejo de corriente.

Tenga en cuenta que no todos los transistores comparten las mismas designaciones de terminal o pinouts , incluso si comparten la misma apariencia física.

Esto determinará cómo conectar los transistores entre sí y a otros componentes, así que asegúrese de consultar las especificaciones del fabricante (hoja de datos del componente), que se pueden obtener fácilmente en el sitio web del fabricante. ¡Tenga en cuenta que es posible que el paquete del transistor e incluso la hoja de datos del fabricante muestren diagramas de identificación de terminales incorrectos!

Es muy recomendable verificar las identidades de los pines con la función de "verificación de diodos" de su multímetro. Para obtener detalles sobre cómo identificar terminales de transistores bipolares con un multímetro, consulte el capítulo 4 del volumen Semiconductor (volumen III) de esta serie de libros.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 4:“Transistores de unión bipolar”

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Cómo construir un circuito espejo actual
• Limitaciones actuales de un circuito espejo actual
• Dependencia de la temperatura de los BJT
• Experimente una situación de "fuga térmica" controlada

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Un espejo de corriente puede considerarse como un regulador de corriente ajustable , el límite de corriente se establece fácilmente mediante una sola resistencia. Es un circuito regulador de corriente bastante tosco, pero que encuentra un amplio uso debido a su simplicidad.

En este experimento, tendrá la oportunidad de construir uno de estos circuitos, explorar sus propiedades reguladoras de corriente y también experimentar algunas de sus limitaciones prácticas de primera mano. Construya el circuito como se muestra en el esquema y la ilustración.

Tendrá una resistencia adicional de valor fijo de 1,5 kΩ de las piezas especificadas en la lista de piezas. Lo usará en la última parte de este experimento.

El potenciómetro establece la cantidad de corriente a través del transistor Q ₁ . Este transistor está conectado para actuar como un diodo simple:solo una unión PN.

¿Por qué usar un transistor en lugar de un diodo regular? Porque es importante hacer coincidir las características de unión de estos dos transistores cuando se utilizan en un circuito de espejo de corriente. El voltaje cayó a través de la unión base-emisor de Q ₁ se imprime a través de la unión base-emisor del otro transistor, Q ₂ , lo que hace que se "encienda" y también conduzca la corriente.

Dado que el voltaje en las uniones base-emisor de los dos transistores es el mismo (los dos pares de uniones están conectados en paralelo entre sí), la corriente debería pasar a través de sus terminales base, asumiendo características de unión idénticas y temperaturas de unión idénticas. Los transistores combinados también deben tener las mismas relaciones β, por lo que corrientes de base iguales significan corrientes de colector iguales.

El resultado práctico de todo esto es Q ₂ La corriente del colector imita cualquier magnitud de corriente que se haya establecido a través del colector de Q ₁ por el potenciómetro. En otras palabras, actual a través de Q ₂ espejos la corriente a través de Q ₁ . Cambios en la resistencia de carga (resistencia que conecta el colector de Q ₂ al lado positivo de la batería) no tienen ningún efecto en Q ₁ La corriente de Q ₂ .

Con una corriente de base constante y una relación β casi constante, Q ₂ caerá tanto o tan poco voltaje colector-emisor como sea necesario para mantener constante la corriente de su colector (carga). Por lo tanto, el circuito espejo actual actúa para regular corriente a un valor establecido por el potenciómetro, sin tener en cuenta la resistencia de carga.

Bueno, así es como se supone que funciona, de todos modos. La realidad no es tan simple, como está a punto de ver.

En el diagrama de circuito que se muestra, el circuito de carga de Q ₂ se completa en el lado positivo de la batería a través de un amperímetro, para una fácil medición de la corriente. En lugar de conectar sólidamente la sonda negra del amperímetro a un punto definido en el circuito, he marcado cinco puntos de prueba , TP1 a TP5, para que toque la sonda de prueba negra mientras mide la corriente.

Esto le permite cambiar la resistencia de carga rápida y sin esfuerzo:tocar la sonda en TP1 da como resultado prácticamente ninguna resistencia de carga, mientras que tocarla en TP5 da como resultado aproximadamente 14.5 kΩ de resistencia de carga. Para comenzar el experimento, toque la sonda de prueba con TP4 y ajuste el potenciómetro a lo largo de su rango de recorrido.

Debería ver una pequeña corriente cambiante indicada por su amperímetro a medida que mueve el mecanismo del potenciómetro:no más de unos pocos miliamperios. Deje el potenciómetro en una posición que dé una cantidad redonda de miliamperios y mueva la sonda de prueba negra del medidor a TP3.

La indicación actual debería ser casi la misma que antes. Mueva la sonda a TP2, luego a TP1.

Nuevamente, debería ver una cantidad de corriente casi sin cambios. Intente ajustar el potenciómetro a otra posición, dando una indicación de corriente diferente, y toque la sonda negra del medidor para probar los puntos TP1 a TP4, observando la estabilidad de las indicaciones de corriente a medida que cambia la resistencia de carga.

Esto demuestra la regulación actual comportamiento de este circuito. Debe tener en cuenta que la regulación actual no es perfecta.

A pesar de regular la corriente en casi el valor para las resistencias de carga entre 0 y 4,5 kΩ, existe alguna variación en este rango. La regulación puede ser mucho peor si se permite que la resistencia de carga aumente demasiado.

Intente ajustar el potenciómetro para que se obtenga la máxima corriente, como se indica con la sonda de prueba del amperímetro conectada a TP1. Dejando el potenciómetro en esa posición, mueva la sonda del medidor a TP2, luego a TP3, luego a TP4 y finalmente a TP5, observando la indicación del medidor en cada punto de conexión.

La corriente debe regularse a un valor casi constante hasta que la sonda del medidor se mueva al último punto de prueba, TP5. Allí, la indicación actual será sustancialmente más baja que en los otros puntos de prueba.

¿Por qué es esto? Porque se ha insertado demasiada resistencia de carga en Q ₂ Circuito. En pocas palabras, Q ₂ no puede "encenderse" más de lo que ya lo ha hecho, para mantener la misma cantidad de corriente con esta gran resistencia de carga que con resistencias de carga menores.

Este fenómeno es común a todos los circuitos reguladores de corriente:existe una cantidad limitada de resistencia que un regulador de corriente puede manejar antes de que se sature . Esto es lógico, ya que cualquier circuito regulador de corriente capaz de suministrar una cantidad constante de corriente a través de cualquier ¡La resistencia de carga imaginable requeriría una fuente ilimitada de voltaje para hacerlo!

La ley de Ohm (E =IR) dicta la cantidad de voltaje necesaria para impulsar una determinada cantidad de corriente a través de una determinada cantidad de resistencia, y con solo 12 voltios de voltaje de suministro de energía a nuestra disposición, un límite finito de corriente de carga y resistencia de carga definitivamente existe para este circuito. Por esta razón, puede ser útil pensar en los circuitos reguladores de corriente como un limitador de corriente. circuitos, porque todo lo que realmente pueden hacer es limitar la corriente a un valor máximo.

Una advertencia importante para los circuitos de espejo de corriente, en general, es la de la misma temperatura entre los dos transistores. El "reflejo" actual que tiene lugar entre los circuitos colectores de los dos transistores depende de que las uniones base-emisor de esos dos transistores tengan exactamente las mismas propiedades.

Como describe la "ecuación del diodo", la relación voltaje / corriente para una unión PN depende en gran medida de la temperatura de la unión. . Cuanto más caliente esté una unión PN, más corriente pasará para una cantidad determinada de caída de voltaje.

Si un transistor se calienta más que el otro, pasará más corriente de colector que el otro, y el circuito ya no “reflejará” la corriente como se esperaba. Al construir un circuito de espejo de corriente real utilizando transistores discretos, los dos transistores deben estar pegados con epoxi (espalda con espalda) para que permanezcan aproximadamente a la misma temperatura.

Para ilustrar esta dependencia de la temperatura igual, intente agarrar un transistor entre sus dedos para calentarlo. ¿Qué le sucede a la corriente a través de las resistencias de carga a medida que aumenta la temperatura del transistor?

Ahora, suelte el transistor y sople para enfriarlo a temperatura ambiente. Agarre el otro transistor entre los dedos para calentarlo.

¿Qué hace ahora la corriente de carga? En la siguiente fase del experimento, permitiremos intencionalmente que uno de los transistores se sobrecaliente y observe los efectos.

Para evitar dañar un transistor, este procedimiento no debe realizarse más tiempo del necesario para observar que la corriente de carga comienza a "escaparse". Para comenzar, ajuste el potenciómetro para la corriente mínima.

A continuación, reemplace el _límite de 10 kΩ R resistencia con una resistencia de 1,5 kΩ. Esto permitirá que una corriente más alta pase a través de Q ₁ y, en consecuencia, a través de Q ₂ también.

Coloque la sonda negra del amperímetro en TP1 y observe la indicación de corriente. Mueva el potenciómetro en la dirección de aumento de corriente hasta que lea aproximadamente 10 mA a través del amperímetro.

En ese punto, deje de mover el potenciómetro y observe la corriente. ¡Notará que la corriente comienza a aumentar por sí sola, sin más movimiento del potenciómetro!

Interrumpa el circuito retirando la sonda del medidor de TP1 cuando la corriente exceda los 30 mA, para evitar dañar el transistor Q ₂ . Si toca con cuidado ambos transistores con un dedo, debería notar Q ₂ es cálido, mientras que Q ₁ es genial.

Advertencia: si Q ₂ Se ha permitido que la corriente "se escape" demasiado o durante demasiado tiempo, puede hacer mucho calor ! Puede sufrir quemaduras graves en la yema del dedo al tocar un componente semiconductor sobrecalentado, ¡así que tenga cuidado aquí!

¿Qué pasó para hacer Q ₂ se sobrecalienta y pierde el control de la corriente? Al conectar el amperímetro a TP1, se eliminó toda la resistencia de carga, por lo que Q ₂ tuvo que bajar el voltaje total de la batería entre el colector y el emisor mientras regulaba la corriente.

Transistor Q ₁ al menos tenía la resistencia de 1,5 kΩ de R _límite en su lugar para reducir la mayor parte del voltaje de la batería, por lo que su disipación de energía fue mucho menor que la de Q ₂ . Este gran desequilibrio de disipación de energía causó Q ₂ calentar más de Q ₁ .

A medida que aumentaba la temperatura, Q ₂ comenzó a pasar más corriente por la misma cantidad de caída de voltaje base-emisor. Esto hizo que se calentara aún más rápido, ya que pasaba más corriente de colector mientras seguía cayendo los 12 voltios completos entre el colector y el emisor.

El efecto se conoce como fuga térmica , y es posible en muchos circuitos de transistores de unión bipolar, no solo en espejos de corriente.

SIMULACIÓN DE COMPUTADORA

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (haga un archivo de texto que contenga el siguiente texto, literalmente):

 Espejo de corriente 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 no es más que una batería de CC de cero voltios colocada estratégicamente para interceptar la corriente de carga. Esto no es más que un truco para medir la corriente en una simulación SPICE, ya que no existe un componente de "amperímetro" dedicado en el lenguaje SPICE.

Es importante recordar que SPICE solo reconoce los primeros ocho caracteres del nombre de un componente. El nombre "vammeter" está bien, pero si tuviéramos que incorporar más de una fuente de voltaje de medición de corriente en el circuito y llamarlos "vammeter1" y "vammeter2", respectivamente, SPICE los vería como dos instancias del mismo componente. "Vammeter" (viendo solo los primeros ocho caracteres) y se detiene con un error.

¡Algo a tener en cuenta al modificar la lista de conexiones o programar su propia simulación SPICE! Tendrá que experimentar con diferentes valores de resistencia de R _carga en esta simulación para apreciar la naturaleza reguladora de corriente del circuito.

Con R _límite configurado en 10 kΩ y una tensión de alimentación de 12 voltios, la corriente regulada a través de R _carga será 1,1 mA. SPICE muestra que la regulación es perfecta (¿no es tan agradable el mundo virtual de la simulación por computadora?), La corriente de carga permanece en 1.1 mA para un ancho rango de resistencias de carga. Sin embargo, si la resistencia de carga aumenta más allá de 10 kΩ, incluso esta simulación muestra que la corriente de carga sufre una disminución como en la vida real.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de fuentes de energía reguladas

• Hoja de trabajo de amplificadores de transistores diferenciales