Comment fonctionne ce puits de courant constant?

J'ai implémenté une source de courant constant et cela fonctionne à merveille, mais j'espérais juste essayer de la comprendre un peu plus! Voici le circuit en question:

j'ai essayé de faire des recherches sur le Web et j'ai trouvé assez difficile de trouver des choses théoriques sur ce circuit qui expliquent ce qui se passe réellement avec tout. J'ai découvert que le courant à travers le transistor peut être trouvé simplement en utilisant qui était beaucoup plus que moi savait avant de commencer à chercher. Mais maintenant, je veux savoir ce qui se passe réellement et comment cela reste une sortie de courant constant même avec une charge / tension variable à la charge.

Si quelqu'un pouvait faire la lumière sur ce point, je serais très reconnaissant.

Le circuit utilise une rétroaction négative et utilise le gain très élevé de l'ampli op. L'ampli op va essayer de garder ses entrées non inverseuses et inverseuses à la même tension raison de son gain très élevé. Puis par la loi d'Ohm$V_{\text{set}}$

Une rétroaction négative amène l'ampli op à ajuster la tension de base du transistor de sorte que soit constant même avec une charge variable. Si la charge variable provoque une augmentation temporaire de la tension à l'entrée inverseuse de l'ampli op augmentera temporairement au-dessus des entrées non inverseuses. Cela provoque une diminution de la sortie de l'ampli op, ce qui abaisse le du transistor et donc son . I mis V B E I C ≈ I $I_{\text{set}}$$I_{\text{set}}$$V_{BE}$$I_{C} \approx I_{\text{set}}$

De même, si la charge variable provoque une diminution temporaire de la tension à l'entrée inverseuse de l'ampli op tombera temporairement en dessous des entrées non inverseuses. Cela fait augmenter la sortie de l'ampli op, ce qui augmente les et du transistor . V B E I $I_{\text{set}}$$V_{BE}$$I_{C}$

L'opamp agit comme un tampon de gain d'unité, bien que cela ne soit pas évident:

La règle pour les amplificateurs opérationnels est que la sortie fait tout ce qu'elle doit pour garder les deux entrées égales, à condition qu'elle ne se coupe pas bien sûr (fonctionne dans sa propre alimentation et s'arrête là).

Le transistor est utilisé comme un émetteur-suiveur, dans lequel la tension de l'émetteur suit la tension de base moins une chute de diode de sa jonction PN.

Mettez ces deux ensemble, et vous verrez que la tension au sommet de Rset est la même que Vset. La tension connue aux bornes d'une résistance connue est égale au courant connu à travers cette résistance. Dans la plupart des transistors, la contribution de la base au courant de l'émetteur est négligeable, vous obtenez donc pratiquement le même courant à travers la charge, indépendamment de sa tension d'alimentation ou de sa résistance. Mais si vous l'utilisez pour une conception sérieuse, cela ne ferait pas de mal de vérifier cette négligence avec vos pièces spécifiques.

La façon dont j'aime le visualiser est de considérer le transistor comme une résistance variable que l'opamp ajuste automatiquement afin de maintenir la tension à l'entrée de l'opamp - égale à la tension sur son entrée +.

De cette façon, étant donné que le courant dans un circuit série est partout le même, le courant dans la charge, la jonction CE du transistor et Rset doivent être les mêmes et, si la tension au sommet de Rset ne change jamais parce que l'ampli op le force à être égal à Vset, alors son courant ne change jamais et le courant à travers la charge ne peut pas non plus.

Une autre approche consiste à modéliser l'ampli op comme un grand gain fini et les limites de prise.

Cela donne la sortie de l'ampli op comme partir de laquelle nous avons . La division par et le fait de laisser donne le résultat souhaité, .$K(v_\text{set}-I_\text{load} R_\text{set})$$K(V_\text{set}-I_\text{load} R_\text{set}) = I_\text{load} R_\text{set} + 0.7$$K$$K \to \infty$$I_\text{load} = { V_\text{set} \over R_\text{set} }$

Une autre façon simple mais précise de voir cela est d'utiliser la théorie du feedback:

La sortie de l'ampli opérationnel est simplement le gain de l'ampli opérationnel (A) multiplié par la différence entre la tension aux entrées. Si nous appelons la tension à la résistance (puisque nous ne savons pas encore ce que c'est), alors la sortie de l'ampli op est simplement:$V_x$

Maintenant, nous savons que lorsque le transistor est passant, il y a une tension constante aux bornes de la jonction base-émetteur, , nous pouvons donc écrire:$V_{\text{be}}$

En substituant cela dans l' équation , nous obtenons:$V_o$

ou:

Ainsi, en réorganisant, nous obtenons:

Maintenant, nous savons qu'avec un ampli op, A est très grand, donc, comme A grandit vers l'infini, nous pouvons voir que va vers l'unité:$\frac{A}{A+1}$

Donc:

Cependant, nous avons écrit ci-dessus que:

En substituant cette expression à ci-dessus, nous obtenons:$V_o$

Et évidemment, , que vous connaissiez déjà.$I_{\text{set}}=\frac{V_{\text{set}}}{R_{\text{set}}}$

Ma réponse est probablement plus que ce que vous aviez négocié, mais si vous êtes curieux, vous apprécierez l'effort que j'y ai investi.

Un OP AMP typique a un gain en boucle ouverte d'au moins 100 000 (très élevé). Sa sortie prend la différence de ses entrées ( ) et les multiplie par son gain . . Ici, = entrée non inverseuse et = entrée inverseuse. En supposant que la sortie de l'ampli op n'est que de quelques volts, la différence de tension à l'entrée est de 1/100 000 la sortie. Cette différence peut être de quelques microvolts qui, par rapport à est beaucoup, beaucoup plus petite (cette différence de tension est à toutes fins utiles approximativement zéro volt).$V_{+} - V_{-}$$A_{v}$$V_{o} = A_{v} * ( V_{+} - V_{-} )$$V_{+}$$V_{-}$$V_{o}$

Dans une configuration en boucle fermée, comme celle-ci, est censé être pratiquement le même que . Depuis, et parce que la différence de tension d'entrée est "zéro", . est connecté au sommet de et l'émetteur du transistor bipolaire, donc apparaît également à travers . Ainsi, contrôle l'amplitude d'Iset à travers et, avec l'agencement de rétroaction négative du circuit, l'ampli op fournit le courant de base requis par le transistor pour maintenir$V_{+}$$V_{-}$$V_{+} = V_{set}$$V_{-} = V_{set}$$V_{-}$$R_{set}$$V_{set}$$R_{set}$$V_{set}$$R_{set}$$V_{set}$ à son émetteur.

Le transistor lui-même a un gain (gain typique = pour un transistor de puissance). Supposons que .${ I_{collector} \over I_{base} } > 40$$I_{emitter} \sim I_{collector}$

Notez que le courant de base délivré par l'ampli op provient de l'alimentation + V de l'ampli op (non représentée sur le schéma) et non de qui "voit" la très haute impédance de l'entrée non inverseuse ( aux entrées (+) ou (-) de l'ampli op est très élevé, généralement mégohms ou plus). n'a pas besoin d'avoir beaucoup de capacités d'entraînement car sa charge, l' entrée , ne demande essentiellement aucun courant significatif. Si (au-dessus de la résistance du collecteur) varie ou que la valeur de la résistance du collecteur varie, reste inchangé à condition que et ne sortent pas des limites de fonctionnement du circuit.$V_{set}$$Z_{in}$$V_{set}$$V_{+}$$V_{supply}$$I_{load}$$V_{supply}$$R_{collector}$

Considérez ce qui se passe lorsque diminue. La rétroaction entraînera la sortie de l'ampli op pour augmenter le courant de base du transistor, il conduit donc plus et abaisse son pour maintenir la même chute de tension aux bornes de pour maintenir constante. À un moment donné, le transistor sera entièrement (la saturation est la meilleure qu'il puisse faire avec ). Une nouvelle baisse de entraînera une diminution de malgré les commentaires négatifs. Il n'y a plus assez de tension pour maintenir constante et le circuit ne fonctionne plus comme prévu. Si$V_{supply}$$V_{CE}$$R_{collector}$$I_{load}$$V_{CE(on)} ~ 0.3V$$V_{supply}$$I_{load}$$V_{supply}$$I_{load}$$V_{supply}$ augmente, l'ampli op conduit moins de courant de base dans le transistor, qui conduit moins, augmentant son , pour maintenir la même chute de tension aux bornes de pour maintenir constante. Un point sera atteint qui dépasse la valeur nominale du transistor ou sa puissance nominale ( peut être constant mais x augmente) et il échouera. Que se passe-t-il si varie lorsque est dans les limites? Si la résistance augmente, l'ampli op rendra le transistor plus conducteur, diminuant sa$V_{CE}$$R_{collector}$$I_{load}$$V_{CE}$$I_{load}$$V_{CE}$$I_{load}$$R_{collector}$$V_{supply}$$R_{collector}$$V_{CE}$ , pour augmenter la chute de tension aux bornes de pour maintenir constante. Finalement, le transistor est complètement passant (saturé) et à mesure que la résistance augmente encore, commence à diminuer car le circuit ne peut pas continuer à augmenter la chute de tension aux bornes de (la tension n'est pas élevée pour y parvenir).$R_{collector}$$I_{load}$$R_{collector}$$I_{load}$$R_{collector}$$V_{supply}$

Si la résistance diminue vers zéro, l'ampli op réduira le courant de base et le transistor conduira moins pour réduire la chute de tension aux bornes de pour maintenir la constante et sa augmentera. Le transistor dissipera plus de puissance car il aura une plus grande chute de tension à travers lui ( si ). S'il ne peut pas gérer la puissance supérieure, il échouera. Il peut sembler étrange qu'un transistor conduisant moins dissipe plus de puissance, mais il en est ainsi parce qu'il fonctionne dans sa région active où Ic (normalement constant) et$R_{collector}$$R_{collector}$$I_{load}$$V_{CE}$$V_{supply} - V_{set}$$R_{collector} = 0 ohm$$V_{CE}$sont importants et leur produit (puissance dissipée par le transistor sous forme de chaleur) est bien supérieur à zéro. Un transistor entièrement passant (saturé) fonctionne avec une dissipation de puissance plus faible car son est très faible pour le même courant constant.$V_{CE(on)}$

En conclusion, ce circuit fonctionne comme un puits de courant constant mais uniquement dans certaines limites de puissance , et transistor. Ces limites de fonctionnement doivent également être prises en compte lors de la conception. R c o l l e c t o $V_{supply}$$R_{collector}$