Comment construire un circuit miroir de courant

PIÈCES ET MATÉRIAUX

• Deux transistors NPN – modèles 2N2222 ou 2N3403 recommandés (le catalogue Radio Shack n 276-1617 est un ensemble de quinze transistors NPN idéal pour cette expérience et d'autres)
• Deux piles 6 volts
• Un potentiomètre 10 kΩ, monotour, conique linéaire (catalogue Radio Shack n° 271-1715)
• Deux résistances de 10 kΩ
• Quatre résistances de 1,5 kΩ

Les transistors à petit signal sont recommandés afin de pouvoir subir un « emballement thermique » dans la dernière partie de l'expérience. Les transistors de « puissance » plus gros peuvent ne pas présenter le même comportement à ces faibles niveaux de courant. Cependant, tout une paire de transistors NPN identiques peut être utilisée pour construire un miroir de courant.

Attention, tous les transistors ne partagent pas les mêmes désignations de bornes, ou brochages , même s'ils partagent la même apparence physique.

Cela dictera la façon dont vous connecterez les transistors entre eux et à d'autres composants, alors assurez-vous de vérifier les spécifications du fabricant (fiche technique des composants), facilement disponibles sur le site Web du fabricant. Attention, il est possible que le boîtier du transistor et même la fiche technique du fabricant affichent des schémas d'identification des bornes incorrects !

Il est fortement recommandé de vérifier l'identité des broches avec la fonction « contrôle de diode » de votre multimètre. Pour plus de détails sur la façon d'identifier les bornes des transistors bipolaires à l'aide d'un multimètre, consultez le chapitre 4 du volume Semiconductor (volume III) de cette série de livres.

REFERENCES CROISEES

Leçons En Circuits Électriques , Volume 3, chapitre 4 :« Transistors à jonction bipolaire »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Comment construire un circuit miroir de courant
• Limitations actuelles d'un circuit miroir de courant
• Dépendance à la température des BJT
• Vivez une situation de « fugue thermique » contrôlée

SCHÉMA SCHÉMA

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Un miroir de courant peut être considéré comme un régulateur de courant réglable , la limite de courant étant facilement fixée par une seule résistance. C'est un circuit régulateur de courant assez grossier, mais qui trouve une large utilisation en raison de sa simplicité.

Dans cette expérience, vous aurez l'opportunité de construire l'un de ces circuits, d'explorer ses propriétés de régulation du courant et de découvrir par vous-même certaines de ses limites pratiques. Construisez le circuit comme indiqué dans le schéma et l'illustration.

Vous aurez une résistance supplémentaire à valeur fixe de 1,5 kΩ parmi les pièces spécifiées dans la liste des pièces. Vous l'utiliserez dans la dernière partie de cette expérience.

Le potentiomètre règle la quantité de courant à travers le transistor Q₁ . Ce transistor est connecté pour agir comme une simple diode :juste une jonction PN.

Pourquoi utiliser un transistor au lieu d'une diode ordinaire ? Parce qu'il est important de correspondre les caractéristiques de jonction de ces deux transistors lors de leur utilisation dans un circuit miroir de courant. Chute de tension à la jonction base-émetteur de Q₁ est imprimé à travers la jonction base-émetteur de l'autre transistor, Q₂ , l'amenant à s'allumer et à conduire également le courant.

Étant donné que la tension aux bornes des jonctions base-émetteur des deux transistors est la même - les deux paires de jonctions étant connectées en parallèle l'une à l'autre - le courant devrait donc passer par leurs bornes de base, en supposant des caractéristiques de jonction identiques et des températures de jonction identiques. Les transistors appariés doivent également avoir les mêmes rapports β, donc des courants de base égaux signifient des courants de collecteur égaux.

Le résultat pratique de tout cela est Q₂ Le courant de collecteur imitant toute amplitude de courant a été établie à travers le collecteur de Q₁ par le potentiomètre. En d'autres termes, courant à travers Q₂ miroirs le courant passant par Q₁ . Modifications de la résistance de charge (résistance reliant le collecteur de Q₂ vers le côté positif de la batterie) n'ont aucun effet sur Q₁ le courant et, par conséquent, n'ont aucun effet sur la tension base-émetteur ou le courant de base de Q₂ .

Avec un courant de base constant et un rapport β presque constant, Q₂ baissera autant ou aussi peu de tension collecteur-émetteur que nécessaire pour maintenir son courant de collecteur (charge) constant. Ainsi, le circuit miroir de courant agit pour réguler courant à une valeur fixée par le potentiomètre, sans tenir compte de la résistance de charge.

Eh bien, c'est comme ça que ça doit fonctionner, de toute façon. La réalité n'est pas aussi simple que vous allez le voir.

Dans le schéma de circuit illustré, le circuit de charge de Q₂ est complété du côté positif de la batterie par un ampèremètre, pour une mesure de courant facile. Plutôt que de connecter solidement la sonde noire de l'ampèremètre à un point précis du circuit, j'ai marqué cinq points de test , TP1 à TP5, pour que vous touchiez la sonde de test noire tout en mesurant le courant.

Cela vous permet de modifier rapidement et sans effort la résistance de charge :toucher la sonde à TP1 entraîne pratiquement aucune résistance de charge, tandis que le toucher à TP5 entraîne environ 14,5 kΩ de résistance de charge. Pour commencer l'expérience, touchez la sonde de test sur TP4 et réglez le potentiomètre sur sa plage de déplacement.

Vous devriez voir un petit courant changeant indiqué par votre ampèremètre lorsque vous déplacez le mécanisme du potentiomètre :pas plus de quelques milliampères. Laissez le potentiomètre réglé sur une position donnant un nombre rond de milliampères et déplacez la sonde de test noire du compteur sur TP3.

L'indication actuelle devrait être à peu près la même qu'avant. Déplacez la sonde sur TP2, puis sur TP1.

Encore une fois, vous devriez voir une quantité de courant presque inchangée. Essayez de régler le potentiomètre sur une autre position, en donnant une indication de courant différente, et touchez la sonde noire du compteur pour tester les points TP1 à TP4, en notant la stabilité des indications de courant lorsque vous modifiez la résistance de charge.

Cela démontre la régulation actuelle comportement de ce circuit. Notez que la réglementation actuelle n'est pas parfaite.

Malgré la régulation du courant à presque la valeur pour les résistances de charge entre 0 et 4,5 kΩ, il existe une certaine variation sur cette plage. La régulation peut être bien pire si la résistance de charge est trop élevée.

Essayez de régler le potentiomètre de manière à obtenir un courant maximum, comme indiqué avec la sonde de test de l'ampèremètre connectée à TP1. En laissant le potentiomètre à cette position, déplacer la sonde du compteur sur TP2, puis TP3, puis TP4 et enfin TP5, en notant l'indication du compteur à chaque point de connexion.

Le courant doit être régulé à une valeur presque constante jusqu'à ce que la sonde du compteur soit déplacée vers le dernier point de test, TP5. Là, l'indication actuelle sera nettement inférieure à celle des autres points de test.

Pourquoi est-ce? Parce que trop de résistance de charge a été insérée dans Q₂ le circuit. En termes simples, Q₂ ne peut pas "s'allumer" plus qu'il ne l'a déjà fait, pour maintenir la même quantité de courant avec cette grande résistance de charge qu'avec des résistances de charge moindres.

Ce phénomène est commun à tous les circuits de régulateur de courant :il y a une quantité limitée de résistance qu'un régulateur de courant peut gérer avant qu'il ne sature . Cela va de soi, comme tout circuit régulateur de courant capable de fournir une quantité constante de courant à travers n'importe quel une résistance de charge imaginable nécessiterait une source de tension illimitée pour le faire !

La loi d'Ohm (E =IR) dicte la quantité de tension nécessaire pour pousser une quantité donnée de courant à travers une quantité donnée de résistance, et avec seulement 12 volts de tension d'alimentation à notre disposition, une limite finie de courant de charge et de résistance de charge définitivement existe pour ce circuit. Pour cette raison, il peut être utile de considérer les circuits régulateurs de courant comme des limiteurs de courant. circuits, car tout ce qu'ils peuvent vraiment faire est de limiter le courant à une valeur maximale.

Une mise en garde importante pour les circuits miroirs de courant, en général, est celle d'une température égale entre les deux transistors. Le courant « miroir » qui a lieu entre les circuits collecteurs des deux transistors dépend des jonctions base-émetteur de ces deux transistors ayant exactement les mêmes propriétés.

Comme le décrit « l'équation de la diode », la relation tension/courant pour une jonction PN dépend fortement de la température de la jonction . Plus une jonction PN est chaude, plus elle passera de courant pour une quantité donnée de chute de tension.

Si un transistor devient plus chaud que l'autre, il laissera passer plus de courant de collecteur que l'autre et le circuit ne « reflétera » plus le courant comme prévu. Lors de la construction d'un véritable circuit miroir de courant à l'aide de transistors discrets, les deux transistors doivent être collés à l'époxy (dos à dos) afin qu'ils restent approximativement à la même température.

Pour illustrer cette dépendance à une température égale, essayez de saisir un transistor entre vos doigts pour le chauffer. Qu'arrive-t-il au courant traversant les résistances de charge lorsque la température du transistor augmente ?

Maintenant, lâchez le transistor et soufflez dessus pour le refroidir à température ambiante. Saisissez l'autre transistor entre vos doigts pour le chauffer.

A quoi sert le courant de charge maintenant ? Dans cette prochaine phase de l'expérience, nous laisserons intentionnellement l'un des transistors surchauffer et noter les effets.

Pour éviter d'endommager un transistor, cette procédure ne doit pas être menée plus longtemps qu'il n'est nécessaire pour observer que le courant de charge commence à « s'enfuir ». Pour commencer, réglez le potentiomètre pour le courant minimum.

Ensuite, remplacez la R_limite de 10 kΩ résistance avec une résistance de 1,5 kΩ. Cela permettra à un courant plus élevé de traverser Q₁ , et par conséquent par Q₂ aussi.

Placer la sonde noire de l'ampèremètre sur TP1 et observer l'indication de courant. Déplacez le potentiomètre dans le sens du courant croissant jusqu'à ce que vous lisiez environ 10 mA dans l'ampèremètre.

À ce stade, arrêtez de déplacer le potentiomètre et observez simplement le courant. Vous remarquerez que le courant commence à augmenter tout seul, sans autre mouvement du potentiomètre !

Coupez le circuit en retirant la sonde du compteur de TP1 lorsque le courant dépasse 30 mA, pour éviter d'endommager le transistor Q₂ . Si vous touchez soigneusement les deux transistors avec un doigt, vous devriez remarquer Q₂ est chaud, tandis que Q₁ c'est cool.

Avertissement : si Q₂ le courant a été autorisé à "s'enfuir" trop loin ou pendant trop longtemps, il peut devenir très chaud ! Vous pouvez vous brûler gravement au bout du doigt en touchant un composant semi-conducteur surchauffé, alors soyez prudent ici !

Qu'est-ce qui vient de se passer pour faire Q₂ surchauffer et perdre le contrôle du courant ? En connectant l'ampèremètre à TP1, toute résistance de charge a été supprimée, donc Q₂ a dû laisser tomber la pleine tension de la batterie entre le collecteur et l'émetteur car elle régulait le courant.

Transistor Q₁ avait au moins la résistance de 1,5 kΩ de R_limit en place pour faire chuter la majeure partie de la tension de la batterie, de sorte que sa dissipation de puissance était bien inférieure à celle de Q₂ . Ce déséquilibre grossier de dissipation de puissance a causé Q₂ chauffer plus de Q₁ .

Au fur et à mesure que la température augmentait, Q₂ a commencé à passer plus de courant pour la même quantité de chute de tension base-émetteur. Cela l'a fait chauffer encore plus rapidement, car il passait plus de courant de collecteur tout en laissant tomber les 12 volts complets entre le collecteur et l'émetteur.

L'effet est connu sous le nom d'emballement thermique , et c'est possible dans de nombreux circuits de transistors à jonction bipolaire, pas seulement dans les miroirs de courant.

SIMULATION INFORMATIQUE

Schéma avec les numéros de nœud SPICE :

Netlist (créer un fichier texte contenant le texte suivant, textuellement) :

Miroir actuel 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_{ampèremètre} n'est rien de plus qu'une batterie CC de zéro volt stratégiquement placée pour intercepter le courant de charge. Ce n'est rien de plus qu'une astuce pour mesurer le courant dans une simulation SPICE, car aucun composant "ampèremètre" dédié n'existe dans le langage SPICE.

Il est important de se rappeler que SPICE ne reconnaît que les huit premiers caractères du nom d'un composant. Le nom "vammeter" est correct, mais si nous devions incorporer plus d'une source de tension de mesure de courant dans le circuit et les nommer respectivement "vammeter1" et "vammeter2", SPICE les considérerait comme deux instances du même composant "vammeter" (ne voyant que les huit premiers caractères) et s'arrête avec une erreur.

Quelque chose à garder à l'esprit lors de la modification de la netlist ou de la programmation de votre propre simulation SPICE ! Vous devrez expérimenter avec différentes valeurs de résistance de R_load dans cette simulation pour apprécier la nature de régulation de courant du circuit.

Avec R_limite réglé sur 10 kΩ et une tension d'alimentation de 12 volts, le courant régulé à travers R_load sera de 1,1 mA. SPICE montre que la régulation est parfaite (le monde virtuel de la simulation informatique n'est-il pas si beau ?), le courant de charge restant à 1,1 mA pour un large gamme de résistances de charge. Cependant, si la résistance de charge est augmentée au-delà de 10 kΩ, même cette simulation montre que le courant de charge subit une diminution comme dans la vraie vie.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail sur les sources d'alimentation réglementées

• Fiche de travail sur les amplificateurs à transistors différentiels