Fuente de corriente constante

Una fuente de corriente constante realiza la fuente de corriente ideal con desviaciones muy pequeñas, que alimenta una corriente eléctrica constante a un circuito , independientemente de la tensión eléctrica en sus puntos de conexión y del diseño del circuito adicional. La corriente de salida también se conoce como corriente aplicada . La limitación en comparación con el modelo de la fuente de corriente ideal es el voltaje que solo se puede emitir de manera limitada.

Principios

Diagrama de circuito equivalente de una fuente de energía real (con consumidor)

En el caso de la fuente de corriente constante, falta la resistencia interna que se muestra en la imagen adyacente de una fuente de corriente real; , D. En otras palabras, la fuente tiene la resistencia diferencial más alta posible, idealmente infinita . El flujo de consumidores; es idealmente independiente de . Para que esto realmente fluya, la fuente genera un voltaje eléctrico adecuadamente alto entre los terminales ayb, en otras palabras , con un consumidor óhmico ${\ Displaystyle R_ {i} = \ infty}$ ${\ Displaystyle I _ {\ mathrm {K}} = I}$ ${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {V}}}$ ${\ Displaystyle U _ {\ mathrm {kl}}}$ ${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {V}}}$

{\ Displaystyle U _ {\ mathrm {kl}} = I \ cdot R _ {\ mathrm {V}} \.}

También hay fuentes de corriente constante para corriente alterna , por ejemplo, los transformadores de corriente del transformador deben tratarse de esta manera. La resistencia de hierro-hidrógeno es un ejemplo histórico de una fuente de corriente constante adecuada para todo tipo de corriente, y los transformadores de corriente de compensación también son capaces de hacerlo. Las fuentes de alimentación de laboratorio en modo de limitación de corriente o los transductores de medida con una señal de corriente ( interfaz de corriente , p. Ej., Bucle de 4-20 mA) son ejemplos de fuentes de corriente continua.

Las fuentes de corriente continua son circuitos electrónicos que solo pueden suministrar corriente continua ; sin embargo, la tensión de salida puede tener una tensión alterna superpuesta relacionada con la carga. Las implementaciones típicas se presentan a continuación. El voltaje que se puede acumular en el consumidor se limita a uno en estos circuitos , un valor que permanece más bajo que el voltaje de suministro del circuito. Además del valor máximo de la corriente que puede entregar el circuito, se debe observar un valor máximo de hasta el cual puede operar según lo previsto: ${\ Displaystyle U _ {\ mathrm {kl, max}}}$ ${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {V}}}$

{\ Displaystyle 0 \ leq R _ {\ mathrm {V}} \ leq U _ {\ mathrm {kl, max}} / I \.}

Ejemplo: si el circuito puede acumular un voltaje = 12 V en los terminales con una corriente = 20 mA, la carga puede ser ${\ Displaystyle U _ {\ mathrm {kl, max}}}$ ${\ Displaystyle I}$

{\ Displaystyle 0 \ leq R _ {\ mathrm {V}} \ leq 600 \ \ Omega \.}

Circuitos de fuentes de corriente continua

Con transistor bipolar

Fuente de corriente constante con transistor

En el caso más simple, se puede implementar una fuente de corriente constante por medio de un transistor bipolar de retroalimentación negativa . La base se mantiene a un voltaje constante mediante un divisor de voltaje que consta de las resistencias y . Como resultado, el transistor se vuelve conductor y transporta una cierta corriente , que fluye a través de la resistencia del emisor y crea un voltaje a través de ella de acuerdo con la ley de Ohm . Al aumentar, aumentaría al mismo tiempo . Sin embargo, esto aumenta el voltaje del emisor en comparación con la base, como resultado de lo cual cae el voltaje del emisor de la base . Esto controla el transistor y permite que la corriente caiga de nuevo inmediatamente. Si, por el contrario, disminuyera, el voltaje en la resistencia del emisor sería menor y, por lo tanto, el voltaje base-emisor sería mayor, como resultado de lo cual la corriente del colector volvería a aumentar. Este proceso de estabilización también se llama retroalimentación negativa , que aumenta aún más la resistencia de salida ya relativamente alta del transistor (ver campos característicos del transistor bipolar ). ${\ Displaystyle R_ {1}}$ ${\ Displaystyle R_ {2}}$ ${\ Displaystyle I}$ ${\ Displaystyle R_ {e}}$ ${\ Displaystyle U = R_ {e} \ cdot I}$ ${\ Displaystyle I}$ ${\ Displaystyle U}$ ${\ Displaystyle I}$ ${\ Displaystyle U}$

Dado que un voltaje de aproximadamente 0,7 V siempre cae a través de la ruta base-emisor con transistores de silicio, la corriente siempre se establece de tal manera que sea 0,7 V menor que el voltaje aplicado. La corriente deseada se puede configurar seleccionando o mediante el voltaje encendido . ${\ Displaystyle U = R_ {e} \ cdot I}$ ${\ Displaystyle R_ {2}}$ ${\ Displaystyle R_ {e}}$ ${\ Displaystyle R_ {2}}$

La desventaja es la fuerte dependencia de la temperatura y las variaciones de la muestra relacionadas con la producción . Los circuitos que se describen a continuación están destinados precisamente a evitar estos puntos débiles, lo que se logra mediante una cierta simetría de la estructura del circuito (fuente de corriente constante con compensación de temperatura).

Con transistor de efecto de campo

Fuente de energía con JFET

Se puede configurar una fuente de corriente constante por medio de un transistor de efecto de campo con (o sin) una resistencia de fuente como se muestra en la imagen adyacente. Surge una caída de voltaje que depende del voltaje , que ocurre como una fuente de resistencia . La resistencia diferencial es del orden de 1 MΩ. ${\ Displaystyle I _ {\ mathrm {D}}}$ ${\ Displaystyle U _ {\ mathrm {i}} = U _ {\ mathrm {DS}} + I _ {\ mathrm {D}} \ cdot R _ {\ mathrm {S}}}$ ${\ Displaystyle r_ {i} = {\ tfrac {\ Delta U _ {\ text {i}}} {\ Delta I _ {\ text {D}}}}}$

Dichos circuitos se conocen como diodos reguladores de corriente y están disponibles como componentes terminados.

Con amplificador operacional

Fuente de corriente constante con amplificador operacional (ejemplos)

Los ejemplos que se muestran son convertidores de tensión-corriente. Un voltaje de entrada crea una corriente que es independiente del consumidor. Para su comprensión, se mencionan las dos reglas generales que se aplican con una muy buena aproximación para el amplificador operacional que no están saturados :

Sin voltaje entre las entradas,
No hay energía en las entradas.

- Circuito izquierdo: La corriente es independiente de la resistencia de carga siempre que la tensión en sea menor que la tensión máxima que puede suministrar el amplificador operacional en su salida. El voltaje está en el potencial de referencia (tierra); el consumidor debe estar libre de potencial . Estas son las mismas condiciones de contorno que las anteriores para el transistor bipolar. ${\ Displaystyle I = U_ {e} / R_ {M} \}$
${\ Displaystyle R_ {M} + R_ {V}}$ ${\ Displaystyle U_ {e}}$

- Circuito medio: Al igual que con el circuito izquierdo, hay un apagado. Sin embargo, aquí debe estar libre de potencial; el consumidor está interesado en la masa. ${\ Displaystyle I = U_ {e} / R_ {M} \}$
${\ Displaystyle U_ {e}}$ ${\ Displaystyle R_ {M}}$ ${\ Displaystyle U_ {e}}$

- Circuito derecho: si . Acuéstese aquí , y a granel. ${\ Displaystyle I = (U_ {3} -U_ {1}) / R_ {3} \}$
${\ Displaystyle R_ {2}: R_ {1} = R_ {4}: R_ {3}}$ ${\ Displaystyle U_ {1}}$ ${\ Displaystyle U_ {3}}$ ${\ Displaystyle R_ {V}}$

Con circuitos integrados

Fuente de corriente constante de 0 a aprox. 1,8 V / 1 A con LM317

Hay fuentes de corriente constante de dos polos como un circuito integrado (IC) para varias corrientes en el rango de miliamperios. También hay circuitos integrados de controladores LED que tienen una o más fuentes de corriente constante, a menudo controlables. Dichos circuitos funcionan de forma análoga o como reguladores de conmutación . En el último caso, necesita un estrangulador de almacenamiento externo .

Las fuentes de corriente constante también se pueden implementar con circuitos reguladores en serie integrados utilizando su voltaje de referencia interno para la medición de corriente en una derivación (resistencia de medición de corriente). El circuito es similar al de un transistor de efecto de campo . El voltaje de referencia del LM317 es z. B. 1,25 voltios: el circuito ajusta la corriente para que precisamente este voltaje caiga a través de la derivación. La ventaja en comparación con los transistores bipolares es la baja corriente de control y la alta capacidad de carga, por lo que estas soluciones también son adecuadas para corrientes más altas en el rango de amperios. Las desventajas son la caída de tensión total bastante alta, que resulta de la suma de la tensión en la derivación (1,25 V) y la tensión en el circuito ( caída , con el LM317 a 1 A aprox. 2 V), así como la pequeña , sin embargo, es una corriente cruzada casi constante del regulador en serie (hasta 0,1 mA), que se suma a la corriente de salida calculada.

Fuente de poder PTAT

Fuente de alimentación PTAT simplificada sin desacoplamiento

Características de transferencia de las dos partes del circuito para
I _S2 = 1 · 10 ⁻¹⁵ A
n = 10
R ₃ = 100 Ω
U _T = 25,9 mV

La fuente de corriente PTAT suministra una corriente que cambia proporcionalmente a la temperatura absoluta (PTAT = proporcional a la temperatura absoluta ). En el circuito adyacente, T3 y T4 forman un espejo de corriente ideal y T1 y T2 forman un espejo de corriente imperfecto. Con el mismo voltaje base-emisor, deje que la corriente del emisor de T1 sea mayor que la de T2, lo que se puede lograr, por ejemplo, conectando varios transistores en paralelo. La característica corriente-tensión de la figura siguiente muestra el comportamiento de las corrientes de colector de T1 y T2 en función de la tensión base-emisor U _BE2 . Debido a la retroalimentación lineal negativa de la curva característica exponencial con la resistencia R1, la corriente del emisor del transistor T2 excede la de T1 a un voltaje base-emisor más alto U _BE2 . El reflejo exacto de la corriente se produce en la intersección de las características. La conexión con el espejo de corriente T3 + T4 conduce a un punto de funcionamiento estable con una corriente constante.

Si la corriente de colector I _C2 y la tensión base-emisor U _BE2 caen por debajo del _{corte del} punto de funcionamiento U _, entonces la corriente de colector I _{C1 es} mayor que I _C2 . El espejo de corriente de T3 y T4 copia el aumento de corriente de I _C1 a I _C2, por lo que U _{BE2 se} eleva hasta que se alcanza el punto de funcionamiento. Por encima del punto de intersección, I _C2 ahora aumenta más rápido que I _C1 y el voltaje base está regulado hacia abajo. El circuito regula las dos corrientes por igual, es decir, I _C1 = I _C2 .

La corriente en el punto de funcionamiento se puede calcular de la siguiente manera:

{\ Displaystyle \ Delta U _ {\ mathrm {BE}} + U _ {\ mathrm {BE1}} = U _ {\ mathrm {BE2}} \ \ Leftrightarrow \ \ Delta U _ {\ mathrm {BE}} = U _ {\ mathrm {BE2}} -U _ {\ mathrm {BE1}}}

De la ecuación de señal grande del transistor bipolar

{\ Displaystyle I _ {\ mathrm {C}} = I _ {\ mathrm {S}} \ cdot e ^ {\ frac {U _ {\ mathrm {BE}}} {U _ {\ mathrm {T}} }}}

resulta de la resolución según la tensión base-emisor

{\ Displaystyle U _ {\ mathrm {BE}} = U _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ ln {\ frac {I _ {\ mathrm {C}}} {I _ {\ mathrm {S}} }}}

Las diferentes propiedades de los transistores T1 y T2 se caracterizan por la relación de las corrientes inversas ${\ Displaystyle n}$

{\ Displaystyle I_ {S1} = n \ cdot I_ {S2}}

El voltaje a través de la resistencia del emisor es por lo tanto

{\ Displaystyle \ Delta U _ {\ mathrm {BE}} = U _ {\ mathrm {BE2}} -U _ {\ mathrm {BE1}} = U _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ ln {\ frac {I_ {\ mathrm {C2}}} {I _ {\ mathrm {S2}}}} - U _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ ln {\ frac {I _ {\ mathrm {C1}} } {n \ cdot I_ {\ mathrm {S2}}}}}

el fin

{\ Displaystyle \ ln a- \ ln b = \ ln {\ frac {a} {b}}}

y por la igualdad de las corrientes colectoras

{\ Displaystyle I _ {\ mathrm {C1}} = I _ {\ mathrm {C2}}}

la fórmula está resumida y abreviada:

{\ Displaystyle \ Delta U _ {\ mathrm {BE}} = U _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ ln {n} \; \ U _ {\ mathrm {T}} = {\ frac {k _ {\ mathrm {B}} \ cdot T} {e_ {0}}}}

${\ Displaystyle U_ {T}}$ ... estrés por temperatura
${\ Displaystyle k _ {\ mathrm {B}}}$ … Constante de Boltzmann
${\ Displaystyle e_ {0}}$ ... carga elemental

Insertado en la ecuación de la corriente , esto da: ${\ Displaystyle I _ {\ mathrm {C1}}}$

{\ Displaystyle I _ {\ mathrm {C1}} = I _ {\ mathrm {C2}} = {\ frac {\ Delta U _ {\ mathrm {BE}}} {R1}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ ln {n}} {R1}} = T \ cdot {\ frac {k _ {\ mathrm {B}}} {e_ {0}}} \ cdot {\ frac { \ ln {n}} {R1}}}

La corriente tiene una dependencia directa de la temperatura absoluta. La corriente de referencia se puede obtener de la corriente I _C1 mediante múltiples tomas en el espejo de corriente superior .

U _BE fuente de corriente constante

U _BE fuente de corriente de referencia

La fuente de corriente constante U _BE proporciona la contraparte de la fuente de corriente constante PTAT, ya que su coeficiente de temperatura tiene un valor negativo y debe considerarse constante en un amplio rango de temperatura.

En el circuito adyacente T1, T2 y R forman un espejo de corriente "imperfecto" de I _C1 a I _C2 y T3 y T4 forman un espejo de corriente ideal de I _C2 a I _C1 .

Ahora se considera el espejo de corriente inferior. Si _fluye una corriente I _C1 , T2 se regula hasta que se establece un voltaje en R y por lo tanto U _BE1 con el que toda la corriente fluye desde I _{C1 a} través de T1. La corriente de base de los transistores es insignificante y, por lo tanto, no se tiene en cuenta. Además, la corriente I _C2 resulta directamente de la caída de voltaje a través de la resistencia .

{\ Displaystyle U _ {\ mathrm {BE1}} = U_ {T} \ cdot \ ln {\ frac {I _ {\ mathrm {C1}}} {I _ {\ mathrm {S1}}}} \ Flecha izquierda I _ {\ mathrm {C1}} = I _ {\ mathrm {S1}} \ cdot e ^ {\ frac {U _ {\ mathrm {BE1}}} {U _ {\ mathrm {T}}}}}

{\ Displaystyle U _ {\ mathrm {R}} = U _ {\ mathrm {BE1}}}

{\ Displaystyle I _ {\ mathrm {C2}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {BE1}}} {R}}}

{\ Displaystyle I _ {\ mathrm {C2}} = {\ frac {U_ {T}} {R}} \ cdot \ ln {\ frac {I_ {C1}} {I_ {S1}}}}

Característica de transferencia para el espejo de corriente inferior

Junto con el espejo de corriente superior, se crea un bucle de control con un punto de funcionamiento estable en I _C1 = I _C2 . Si la corriente I _{C1 está} por debajo del punto de funcionamiento, el espejo de corriente inferior suministra una corriente I _C2 más alta en relación con I _C1 . Este aumento conduce a un aumento de I _{C1 a} través del espejo de corriente superior hasta que se alcanza el punto de funcionamiento. Si la corriente I _{C1 está por} encima del punto de funcionamiento, el espejo de corriente inferior suministra una corriente inferior I _C2 en relación con I _C1 . Esta reducción conduce a una reducción de I _{C1 a} través del espejo de corriente superior hasta que se alcanza el punto de funcionamiento.

Con un parámetro de transistor dado I _S1 y la especificación de una corriente deseada I _ref , la resistencia se calcula de la siguiente manera:

{\ Displaystyle R = {\ frac {U_ {T}} {I _ {\ mathrm {ref}}}} \ cdot \ ln {\ frac {I _ {\ mathrm {ref}}} {I_ {S1}} }}

La dependencia de la temperatura es proporcional al coeficiente de temperatura de U _BE1 , asumiendo que el cambio en I _C1 es insignificante (I _C1 = constante), entonces:

{\ Displaystyle I _ {\ mathrm {C2}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {BE1}}} {R}} \ Flecha derecha {\ frac {\ mathrm {d} I _ {\ mathrm {C2} }} {\ mathrm {d} T}} = {\ frac {1} {R}} \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} U _ {\ mathrm {BE1}}} {\ mathrm {d} T }}}

{\ Displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} U _ {\ mathrm {BE1}}} {\ mathrm {d} T}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {BE1}} - (4 + M ) \ cdot U _ {\ mathrm {T}} -U _ {\ mathrm {G}}} {T}}}

M… parámetros de fabricación, rango de valores −1,0 a −1,5
U _G ... voltaje de banda prohibida del silicio (U _G (300 K) = 1.12 V)

La corriente de referencia se puede obtener de la corriente I _C1 mediante múltiples tomas en el espejo de corriente superior .

Fuente de corriente constante compensada por temperatura

Una combinación adecuada de fuentes de corriente PTAT y U _BE crea una fuente de corriente constante con compensación de temperatura. La referencia de la banda prohibida se basa en un concepto comparable .

Dado que la fuente de alimentación PTAT y U _BE constan principalmente de transistores y solo unas pocas resistencias, ambos circuitos son muy adecuados para circuitos integrados . Una matriz de transistores es necesaria para una estructura de circuito discreto porque debe haber un buen acoplamiento térmico entre los transistores T1 y T2, así como T3 y T4.