Однополярные источники тока

Достоинства	Недостатки
Могут отдавать большие токи при больших выходных напряжениях	Однополярные выходные токи. Нагрузка, как правило, должна быть изолированной.

Схему, приведенную на рис. 4.12, можно использовать только при положительных входных сигналах.

Благодаря действию обратной связи падение напряжения на резисторе R1равно U_ВХ. Ток, протекающий через резистор R1, равен току нагрузки с точностью до тока базы транзистора VT1.Резистор R2 ограничивает ток базы транзистора, а диод VD1защищает переход база-эмиттер от обратных напряжений.

Коэффициент преобразования:

где α - коэффициент передачи тока коллектора транзистора.

Выходной импеданс равен импедансу коллектор-база транзистора:

где r_К - выходное сопротивление транзистора,

С_КБ - емкость коллектор-база.

Напряжение смещения, приведенное к входу:

где U_СМ.ВХ - входное напряжение смещения ОУ,

I_СМ.ВХ - входной ток смещения ОУ.

Коэффициент преобразования ПНТ определяется резистором R1и в соответствии с этим выбирается его сопротивление. Транзистор должен выдерживать максимальный ток, максимальное напряжение и максимальную мощность, которые должна обеспечить схема. Отметим, что для биполярных транзисторов паспортные значения мощности рассеяния для больших напряжений коллектор-база использовать нельзя из-за возникающих локальных перегревов кристалла. При высоких напряжениях коллектор-база максимальная рассеиваемая мощность некоторых транзисторов снижается до 10% от паспортной. Чтобы исключить перегрузку ОУ, уменьшить нелинейность и погрешности коэффициента передачи, транзистор должен иметь большой коэффициент передачи тока базы h_21E.

Максимальный выходной ток зависит от нагрузки и напряжения питания. Обычно при больших сопротивлениях нагрузки или больших токах ее можно питать от отдельного источника U_ПИТ2 (рис. 4.12), и напряжение U_ПИТ2 следует выбирать так, чтобы можно было получить максимальный ток нагрузки I ≈ U_ПИТ2/(R1 + Z_Н).

При использовании биполярных транзисторов возникает погрешность преобразования, связанная с отличием α транзистора от 1. Эту погрешность можно скорректировать подбором резистора R1. Появляется также нелинейность, но ее можно значительно уменьшить, применяя транзистор с большим значением h_21E или схему Дарлингтона. МОП-транзисторы оказываются идеальной заменой биполярного транзистора, так как они обладают достаточной мощностью, вносят незначительную нелинейность (поскольку их ток затвора очень невелик), для них исключен вторичный пробой, свойственный биполярным транзисторам, т.е. пробой из-за локальных перегревов кристалла при больших токах. Материал канала МОП-транзистора имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, поэтому ток равномерно распределяется по сечению канала. Мощность рассеяния биполярных транзисторов резко снижается при высоких напряжениях питания, а в МОП-транзисторах такого явления нет. На рис. 4.13 показана схема с МОП-транзистором. Отметим, что для защиты окисного слоя затвора предусмотрен стабилитрон.

При включении транзистора по схеме рис. 4.12 (коллектор соединен с нагрузкой) быстродействие схемы при изменениях входного напряжения относительно невысокое, но реакция на изменения нагрузки оказывается лучше, поскольку она определяется только частотными свойствами транзистора. Реакция же на изменения входного сигнала ограничена ско­ростью нарастания выходного напряжения ОУ. Подключение к нагрузке эмиттерного повторителя, показанное на рис. 4.14, обеспечивает более высокое быстродействие схемы при изменениях входного сигнала благодаря увеличению коэффициента передачи цепи обратной связи (в цепи обратной связи транзистор включен с коэффициентом усиления, большим 1.

При этом размах выходного напряжения ОУ уменьшается. С такой схемой нужно соблюдать осторожность, так как дополнительное усиление транзистора может привести к потере устойчивости. Наилучшие результаты получаются при использовании ОУс внешней коррекцией, так как его высокочастотные параметры можно подстраивать. В схеме на рис. 4.14 скорость реакции на изменения нагрузку теперь ограничивается скоростью нарастания выходного напряжения ОУ. Диод VD₂необходим для предотвращения запирания схемы при прямом смещении перехода коллектор-база. Обратная связь переключается на неинвертирующий вход ОУ, поэтому общая обратная связь оказывается отрицательной.

Одна из возможностей построения выходного каскада показана на рис. 4.15. Схема представляет собой ПНТ с большим выходным током (0 - 12 А).

Здесь необходимо отметить несколько моментов.

· Питание нагрузки осуществляется от отдельного изолированного источника (+U_ПИТ2 и -U_ПИТ2). Он подключается к общему проводу ОУ только в одной точке - около нижнего по схеме вывода токозадающего резистора R1. Это предотвращает протекание тока нагрузки через другие цепи системы и позволяет устранить помехи, появляющиеся при протекании тока нагрузки по земляным шинам.

· В качестве токозадающего используется четырехвыводный резистор R1, что позволяет исключить влияние сопротивлений контактов и кабеля (см. пояснение к рис. 4.2).

· Для уменьшения протекающего тока и рассеиваемой мощности на каждом из них, несколько мощных транзисторов включены параллельно. Биполярные транзисторы в линейном режиме допускают па­раллельное соединение при включении выравнивающих резисторов (R2 - R5).

Если нужно питать несколько нагрузок одинаковым током, можно использовать согласованные транзисторы (рис. 4.16).

В этой схеме

и

| в том случае, если

Последнее замечание: не забывайте, что при индуктивной нагрузке необходимо защищать транзисторы от обратной ЭДС с помощью фиксирующего диода (диод VD₂ на рис. 4.15).