Стабилизатор тока представляет собой активный двухполюсник, ток через который поддерживается неизменным Iст при изменении напряжения в широких пределах.
а)
б)
в)
Рис 14.3. Стабилизаторы тока
Это широко используемый элемент в современной электронике и существует большое количество схемных решений на биполярных и полевых транзисторах, ОУ. Интегральных стабилизаторов тока, как отдельных функциональных элементов не выпускается, но его можно реализовать на основе интегрального стабилизатора напряжения.
Некоторые простейшие схемы стабилизаторов тока приведены на рис 14.3. Схема рис 14.3а представляет собой классическую схему с общей базой (ОБ) с двумя источниками питания. Из вольтамперных характеристик биполярного транзистора ОБ можно определить выходное динамическое сопротивление схемы Rвых ОБ = DUст/DIст. Отсюда DIст=DUст/ Rвых ОБ.
Ток эмиттера обусловлен током, задаваемым источником Ео,
,
где Uбэ »0.7 В падение напряжения на прямосмещенном p-n переходе база-эмиттер транзистора.
При использовании подобного стабилизатора тока в схемах ГЛИН можно обеспечить коэффициент нелинейности
.
Качество пилообразного напряжения тем выше, чем больше коэффициент передачи по току транзистора b.
Без дополнительного источника смещения стабилизатор втекающего и вытекающего тока можно реализовать на полевом транзисторе с p-n переходом соответственно с каналами n- и p- типа (на рис 14.3б с каналом n-типа). Резистор в цепи истока Rи является сопротивлением обратной связи и задает ток стока Iс в рабочей точке и соответственно ток стабилизатора
, где
Iс_max – максимальный ток стока при Uз=0;
UЗ0 – напряжение отсечки;
Uз – напряжение между затвором и истоком в рабочей точке Uз =Ic×Rи. Зная требования к току стабилизатора из последнего выражения можно найти Rи. Дифференциальное сопротивление стока rс и, что то же самое, выходное сопротивление стабилизатора тока Ri практически не зависит от тока стока и составляет около 105 Ом, что несколько меньше, чем у биполярных транзисторов.
Стабилизатор тока с током Iст достаточно просто реализовать на основе интегрального стабилизатора напряжения (рис 14.3в) с напряжением стабилизации Uст, нагрузив его на резистор R=Uст/Iст. Для получения максимального выходного сопротивления важно выбирать маломощные ИС стабилизатора напряжения, у которого максимальный ток стабилизации Iст max не сильно отличался от тока стабилизации в рабочей точке Iст.
В схеме ГЛИН, показанной на рис 14.4а на транзисторе p-n-p VT2 выполнен стабилизатор тока Iст. Вместо источника напряжения Ео используется параметрический стабилизатор на стабилитроне VD1 и резисторе R1. Напряжение стабилизации стабилитрона Uстаб. Резистор R1задает начальный ток стабилитрона Iст min. Величину R1 находят из условия R1=(Еп-Uст)/Iст min.
Рис 14.4. ГЛИН со стабилизацией тока заряда конденсатора – транзисторная схема (а) и схема на ИС (б).
В паузе между импульсами ключ VT1 открыт и насыщен (на входе схемы ГЛИН логическая единица. Напряжение на конденсаторе Uc равно напряжению насыщенного ключа Uкэ_нас»(0.1¸0.2) В. С приходом запирающего импульса, длительность которого равна длительности рабочего хода Тр, ключ VT1 запирается, конденсатор С заряжается током Iст=(Uст1-Uбэ)/R2,
где Uст – напряжение стабилизации стабилитрона VD1,
Uбэ – напряжение на прямосмещенном p-n переходе база-эмиттер транзистора VT2 Uбэ»0.7 В.
Так как . На основании этих выражений можно определить записать выражение для амплитуды пилообразного напряжения Um=Iст×Тр/С. Обычно амплитуду выбирают приблизительно равной Um»Еп. Из этого условия определяют, какой требуется ток стабилизатора Iст и рассчитывают параметры стабилизатора.
Длительность обратного хода Тобр=СUm/ic разр. Но ток разряда емкости через транзистор VT1 это ток Iк=b×Iб=b×Uвх/Rб. Таким образом
.
Такой ГЛИН обеспечивает коэффициент нелинейности k»(1-2)%. Амплитуда пилообразного напряжения практически равна Eп. Однако эти параметры справедливы для большого сопротивления нагрузки Rн=¥. То есть ток должен быть Iн = Um/Rн<<Iст, иначе коэффициент нелинейности k растет, качество пилы ухудшаются.
Аналогичная схема ГЛИН на базе ЛЭ с открытым коллектором показана на рис 14.4б, где;
¾ DD1 – схема с открытым коллектором (К555ЛА8) выполняет функцию ключа,
¾ VT1 – стабилизатор тока на основе n-канального полевого транзистора.
Резистор Rи задает стабилизированный ток заряда конденсатора.
Рис 14.5. ГЛИН со стабилизацией тока разряда конденсатора – транзисторная схема (а) и схема на ИС (б).
ГЛИН со стабилизацией тока разряда емкости приведен на рис 15.5;
(а) -транзисторная схема, (б) - реализация на интегральных компонентах.
Ключ на транзисторе VT1 (рис 14.5а) при отсутствии входного импульса открыт (R1 задает базовый ток), ток эмиттера заряжает конденсатор С до напряжения практически +Еп. С приходом запирающего входного импульса конденсатор С разряжается через стабилизатор тока на транзисторе VT2, включенного по схеме с ОБ. Ток Iст=-Есм/Rэ. Для защиты p-n перехода база-эмиттер от перенапряжения при запирании переход зашунтирован защитным диодом VD1.
Интегральная реализация ГЛИН со стабилизацией тока разряда емкости (рис 14.5б) содержит верхний ключ, реализованный на ЛЭ с открытым коллектором DD1 и транзисторе VT1. При лог. 1 на входе ключ открыт и насыщен, конденсатор С заряжен практически до напряжения +Еп. С приходом входного запирающего импульса конденсатор разряжается стабильным током через маломощный стабилизатор напряжения DA1(КР1157ЕНХХ с напряжением стабилизации Uст и током стабилизации Iст), нагруженный на резистор R3. Напряжение смещения Есм выбирается равным напряжению стабилизации Uст. При этом Iст=Uст/R3.
Достоинством подобной схемы, как и предыдущих схем, является хорошая линейность пилы k=(1-2)%, амплитуда пилообразного напряжения практически равна Еп. Но эти параметры реализуются только при высокоомной нагрузке Rн=¥. При заметном токе, ответвляемом в нагрузку, растет коэффициент нелинейности k, а качество пилы ухудшается.
а)
б)
в)
,
.
, где
. На основании этих выражений можно определить записать выражение для амплитуды пилообразного напряжения Um=Iст×Тр/С. Обычно амплитуду выбирают приблизительно равной Um»Еп. Из этого условия определяют, какой требуется ток стабилизатора Iст и рассчитывают параметры стабилизатора.
.