P
OLITECHNIKA WI TOKRZYSKA
W
K
IELCACH
W
YDZIAŁ
E
LEKTROTECHNIKI
,
A
UTOMATYKI I
I
NFORMATYKI
K
ATEDRA
E
LEKTRONIKI I
S
YSTEMÓW
I
NTELIGENTNYCH
L
ABORATORIUM
P
ODSTAW
E
LEKTRONIKI
I
NSTRUKCJA
L
ABORATORYJNA
WICZENIE NR
12:
B
ADANIE RÓDEŁ PR DOWYCH
K
IELCE
2006
- 2 -
1. Wst p teoretyczny
ródłem pr dowym nazywa si układ wymuszaj cy w rozwa anej gał zi przepływ pr du o zadanej
warto ci, w okre lonych granicach niezale nej od rezystancji tej gał zi. Jest to w pewnym sensie układ
zbli ony do idealnego ródła pr dowego, znanego z teorii obwodów elektrycznych.
Sterowane ródło pr dowe to takie, które dostarcza pr du wyj ciowego proporcjonalnego do napi cia
lub pr du wyst puj cego na wej ciu tego ródła. Je eli ródło pr dowe ma dostarcza pr d o tej samej
wielko ci, co pr d steruj cy, jest nazywane zwierciadłem pr dowym.
ródła pr dowe s bardzo szeroko stosowane w liniowych układach scalonych, mo na je jednak
wykorzysta i w układach, zbudowanych z elementów dyskretnych. W tym drugim wypadku, jako
najbardziej przydatne mo na uzna nast puj ce zastosowania:
•
ródło pr dowe, zast puj ce rezystancj R
E
wzmacniacza ró nicowego,
•
ródło pr dowe jako obci enie aktywne wzmacniacza tranzystorowego,
•
ródło pr dowe jako układ, poprawiaj cy współczynnik stabilizacji tranzystorowego stabilizatora
napi cia,
•
sterowane ródło pr dowe, wymuszaj ce schodkowy kształt pr du bazy tranzystora (rozwi zanie
stosowane w charakterografach).
Zarówno sterowane jak i niesterowane ródła pr dowe dziel si na dwie grupy:
•
ródła z odbiornikiem uziemionym
•
ródła z odbiornikiem nieuziemionym.
1.1. Koncepcja ródła pr dowego
ródła pr dowe najpro ciej mo na zrealizowa , przył czaj c do ródła napi ciowego du
rezystancj R
g
w sposób przedstawiony na rys.1a).:
Rys. 1. Ilustracja powi zania mi dzy ródłem napi ciowym (a) a pr dowym (b)
Dla układu tego oczywista jest zale no :
g
wy
g
g
wy
g
wy
R
U
I
R
U
E
I
−
=
−
=
gdzie
g
g
g
R
E
I
=
jest pr dem
zwarcia ródła pr dowego. Je eli rezystancja R
g
przybiera bardzo du warto , to
g
wy
R
U
mo na pomin .
Oznacza to, e pr d wyj ciowy jest niezale ny od napi cia wyj ciowego.
Jednocze nie jednak, aby otrzyma pr d o niezbyt małej warto ci, nale y stosowa bardzo du e
napi cie E
g
, co niejednokrotnie jest niemo liwe. Trudno t mo na omin : stosuj c w roli ródła
pr dowego tranzystor. Małe nachylenie jego charakterystyk sprawia, e jego rezystancja wyj ciowa
dynamiczna przybiera du e warto ci (kilkadziesi t k lub wi cej), podczas gdy mała rezystancja
statyczna pozwala stosowa niskie napi cia zasilaj ce. Poniewa wyprowadzenie wzoru na rezystancj
wyj ciow tranzystora pracuj cego w układzie ródła pr dowego jest skomplikowane, poni ej
zostanie
przedstawiona jedynie stałopr dowa analiza ró nych ródeł pr dowych.
R
g
U
wy
E
g
R
0
I
wy
R
g
U
wy
I
g
R
0
I
wy
a)
b)
- 3 -
1.2. ródła pr dowe z tranzystorami bipolarnymi
Podstawowy układ ródła pr dowego z tranzystorem bipolarnym przedstawia rys. 2a.
Rys. 2. ródła pr dowe z odbiornikiem nieuziemionym.
Łatwo zauwa y , e jest to ródło z odbiornikiem nieuziemionym, gdy rezystor R
0
, pełni cy rol
odbiornika pr du, jest doł czony mi dzy kolektor tranzystora a napi cie zasilaj ce E
C
. Gdy zastosowany
tranzystor
ma
du
warto
β
0
,
wtedy
E
C
I
I
≅
,
a
poniewa
E
E
E
R
I
U
⋅
=
,
to:
E
BE
B
E
E
C
wy
R
U
U
R
U
I
I
−
=
=
=
gdzie: U
BE
jest wielko ci stał , równ dla tranzystora krzemowego
około 0,7V, a germanowego około 0,3V. Mo emy wi c zapisa , e:
E
BE
wy
R
U
R
R
R
E
I
−
+
⋅
=
2
1
2
je eli
napi cie zasilaj ce E nie jest dokładnie stabilizowane, jego zmiany powoduj zmiany pr du I
wy
.
Unikni cie tej niedogodno ci jest proste i wymaga zastosowania diody Zenera (rys. 2b.), a wi c mamy:
E
BE
Z
wy
R
U
U
I
−
=
gdzie: U
Z
jest napi ciem stabilizacji u ytej diody Zenera.
W obu układach z rys. 2. istnieje maksymalna warto rezystancji odbiornika R
0
, powy ej której oba
ródła pr dowe zachowuj si nieprawidłowo. Problem ten zostanie teraz krótko omówiony.
Oba układy ródeł pr dowych spełniaj równanie
CE
E
wy
wy
CE
E
E
U
R
R
I
R
I
U
R
I
E
+
+
⋅
≅
⋅
+
+
⋅
=
)
(
0
0
Przy danych warto ciach E
C
, I
wy
oraz R
E
, maksymalna warto rezystora R
0
jest okre lona zale no ci
E
wy
CESAT
R
I
U
E
R
−
−
=
max
0
gdzie: U
CESAT
jest napi ciem nasycenia tranzystora ródła pr dowego .
Dla napi zasilaj cych E wi kszych od 10V mo na posłu y si przybli on zale no ci
E
wy
R
I
E
R
−
≅
max
0
Wykorzystanie tranzystorów
p-n-p umo liwia zbudowanie ródeł pr dowych z odbiornikami
uziemionymi. Przykłady realizacji tych ródeł pokazano na rys. 3.
T
R
0
R
E
R
1
R
2
+E
C
I
wy
U
wy
a)
T
R
0
R
E
R
1
+E
C
I
wy
U
wy
b)
D
Z
- 4 -
Rys. 3. ródła pr dowe z odbiornikiem uziemionym.
Wzory projektowe tych układów s dokładnie takie same, jak dla ródeł pr dowych z odbiornikami
nieuziemionymi. W przypadku stosowania ujemnego napi cia zasilaj cego role przedstawionych
układów odwróc si , tzn. tranzystory
p-n-p b d realizowały ródła z odbiornikami nieuziemionymi, a
tranzystory
n-p-n z odbiornikami uziemionymi.
1.3. ródła pr dowe z tranzystorami polowymi.
Najprostsze ródło pr dowe zbudowane w oparciu o tranzystor polowy pokazane jest na rys. 4a.
Rys.4. ródła pr dowe z tranzystorami polowymi.
Podstawow niedogodno ci tego układu jest to, e nie mo na regulowa warto ci pr du
wyj ciowego ródła. Niedogodno t mo na łatwo wyeliminowa , dodaj c rezystor R
S
w gał zi ródła
(rys.4b.). Pr d wyj ciowy powstałego w ten sposób ródła pr dowego okre la nast puj ca
zale no :
S
GS
wy
R
U
I
−
=
(U
GS
< 0 ), przy czym U
GS
i R
S
s wielko ciami wzajemnie zale nymi. Mo liwe
jest tak e posłu enie si równaniem charakterystyki tranzystora i wyznaczenie I
wy
jako funkcji I
DSS
, U
P
oraz R
S
, ale jest to metoda zbyt pracochłonna. Pozostaje wi c wykorzystanie powy szego równania w ten
sposób, e z charakterystyki tranzystora odczytuje si warto U
GS
, gwarantuj c wła ciwy pr d
wyj ciowy ródła pr dowego a nast pnie wylicza si warto R
S
.
Wpływ napi cia wyj ciowego oraz napi cia wej ciowego (zasilaj cego) na pr d wyj ciowy
przedstawia rys. 5.:
T
R
0
R
E
R
1
R
2
+E
I
wy
U
wy
a)
T
R
0
R
E
R
1
+E
I
wy
U
wy
b)
D
Z
T
R
0
+E
D
I
wy
U
wy
a)
b)
T
R
0
+E
D
I
w
y
U
wy
R
S
- 5 -
Rys. 5. Charakterystyki pr dowo-napi ciowe ródeł pr dowych
1.4. Sterowane ródła pr dowe
Przedstawione powy ej proste ródła pr dowe maj t cech , e pr d wyj ciowy zale y od napi cia
U
BE
(w ródłach pr dowych z tranzystorami bipolarnymi) lub napi cia U
GS
(w ródłach pr dowych z
tranzystorami polowymi). Utrudnia to projektowanie tych ródeł, gdy zmusza do korzystania z
charakterystyk tranzystorów lub czynienia pewnych przybli e . Wpływ U
BE
lub U
GS
na pr d wyj ciowy
ródła pr dowego mo na wyeliminowa przez zastosowanie wzmacniacza operacyjnego. Podobnie jak w
przypadku prostych ródeł pr dowych, mo liwe jest tu zastosowanie tranzystorów bipolarnych lub
polowych oraz uzyskanie ródeł pr dowych z odbiornikiem uziemionym lub nieuziemionym. Na rys. 6a.
przedstawiono rozwi zanie ródła pr dowego z odbiornikiem nieuziemionym a na rys. 6b. rozwi zanie
ródła pr dowego z odbiornikiem uziemionym, wykorzystuj ce dodatnie napi cie zasilaj ce.
Rys 6. Sterowane ródło pr dowe; a) z odbiornikiem nieuziemionym, b) z odbiornikiem
uziemionym.
Wzmacniacz operacyjny w układzie z rys. 6a. pracuje z ujemnym sprz eniem zwrotnym, wi c
napi cie ró nicowe jest prawie równe zeru, co oznacza, e na rezystorze R istnieje spadek napi cia równy
napi ciu wej ciowemu U
we
. Pomijaj c pr d pobierany przez odwracaj ce wej cie wzmacniacza mo na
stwierdzi , e dla układu z rys. 6a. słuszna jest zale no
R
I
R
I
U
C
E
we
⋅
β
+
⋅
=
⋅
=
0
1
1
a poniewa
C
wy
I
I
=
to otrzymujemy
β
+
⋅
=
0
1
1
R
U
I
we
wy
Dla układu z rys. 6b. obowi zuje zale no
R
U
I
we
wy
=
Maksymalna warto rezystancji odbiornika jest dla tego układu okre lona przybli onym wzorem
wy
we
I
U
E
R
−
=
max
0
I
wy
a)
b)
U
wy
I
wy
E
T
R
0
R
+E
I
wy
U
wy
a)
U
we
-E
T
R
0
R
+E
I
wy
U
wy
a)
U
we
-E
- 6 -
2. Przebieg wiczenia
2.1. Wyznaczenie charakterystyk ródła pr dowego z tranzystorem bipolarnym
Schemat pomiarowy
Rys.7. Układ do badania ródła pr dowego na tranzystorze bipolarnym.
Sposób przeprowadzenia pomiarów
•
Poł czy układ pomiarowy z rys. 7. : R
1
=100
Ω, R
E
=1k
Ω, D
Z
=7V5 E=15V
•
Wykona pomiary charakterystyk I
wy
=f(U
wy
) i U
CE
=f(U
wy
). Pomiar polega odczycie napi cia
wyj ciowego U
wy
(woltomierz
V
1
), napi cia U
CE
(woltomierz
V
2
) i pr du wyj ciowego I
wy
(miliamperomierz
mA) przy okre lonej rezystancji R
0
Rezystancj R
0
nale y zmienia w zakresie
od 0 do 100k
Ω. Wyniki zanotowa w tabeli 1
•
Wykona pomiary charakterystyk I
wy
=f(E) dla R
0
=100
Ω i R
0
=680
Ω. Pomiar polega na ustawieniu
na regulowanym zasilaczu E. napi cia (woltomierz na zasilaczu) i odczycie pr du wyj ciowego
I
wy
(miliamperomierz
mA). Napi cie zasilaj ce E nale y zmienia w zakresie od 0 do 15V.
Wyniki zanotowa w tabeli 2.
Tabele pomiarowe
Tabela. 1. Dla charakterystyki I
wy
=f(U
wy
) i U
CE
=f(U
wy
). Tabela. 2. Dla charakterystyki I
wy
=f(E)
E=15V
R
0
=100
Ω
R
0
=680
Ω
Lp
U
wy
[V]
I
wy
[mA]
U
CE
[V]
Lp
E[V]
I
wy
[mA]
E[V]
I
wy
[mA]
1.
1.
2.
2.
3.
3.
4.
4.
5.
5.
6.
6.
7.
7.
8.
8.
9.
9.
10.
10.
11.
11.
12.
12.
13.
13.
14.
14.
15.
15.
T
R
0
R
E
R
1
D
Z
mA
E
V
1
V
2
I
wy
U
wy
U
CE
- 7 -
2.2. Wyznaczenie charakterystyk ródła pr dowego z tranzystorem polowym
zł czowym
Schemat pomiarowy
Rys. 8. Układ do badania ródła pr dowego z tranzystorem polowym zł czowym.
Sposób przeprowadzenia pomiarów
•
Poł czy układ pomiarowy z rys.8.: R
S
=270
Ω, E
D
=15V
•
Wykona pomiary charakterystyk I
wy
=f(U
wy
) i U
DS
=f(U
wy
) (dla R
S
=270
Ω.i R
S
=0). Pomiar polega
odczycie napi cia wyj ciowego U
wy
(woltomierz
V
1
), napi cia U
CE
(woltomierz
V
2
) i pr du
wyj ciowego I
wy
(miliamperomierz
mA) przy okre lonej rezystancji R
0
Rezystancj R
0
nale y
zmienia w zakresie od 0 do 100k
Ω. Wyniki zanotowa w tabeli 3.
•
Wykona pomiary charakterystyk I
wy
=f(E) dla R
0
=100
Ω i R
0
=680
Ω. (R
S
=0
Ω). Pomiar polega na
ustawieniu na regulowanym zasilaczu E. napi cia (woltomierz na zasilaczu) i odczycie pr du
wyj ciowego I
wy
(miliamperomierz
mA). Napi cie zasilaj ce E nale y zmienia w zakresie od 0
do 15V. Wyniki zanotowa w tabeli 4.
Tabele pomiarowe
Tabela. 3. Dla charakterystyki I
wy
=f(U
wy
) i U
DS
=f(U
wy
) Tabela. 4. Dla charakterystyki I
wy
=f(E)
E=15V R
S
=270
Ω
E=15V R
S
=0
Ω
R
0
=100
Ω R
S
=0
Ω
R
0
=680
Ω R
S
=0
Ω
Lp.
U
wy
[V] I
wy
[mA] U
DS
[V] U
wy
[V] I
wy
[mA] U
DS
[V]
Lp.
E[V]
I
wy
[mA]
E[V]
I
wy
[mA]
1.
1.
2.
2.
3.
3.
4.
4.
5.
5.
6.
6.
7.
7.
8.
8.
9.
9.
10.
10.
11.
11.
12.
12.
13.
13.
14.
14.
15.
15.
T
R
0
R
S
mA
E
V
1
V
2
I
wy
U
wy
U
DS
- 8 -
3. Opracowanie wyników pomiaru
W sprawozdaniu nale y zamie ci :
1.
Schematy pomiarowe realizowane na wiczeniu.
2.
Tabele pomiarowe z wynikami.
3.
Dla ródła pr dowego z tranzystorem bipolarnym charakterystyki: I
wy
=f(U
wy
) U
CE
=f(I
wy
) oraz
I
wy
=f(E).
4.
Dla ródła pr dowego z tranzystorem polowym zł czowym charakterystyki: I
wy
=f(U
wy
) U
DS
=f(I
wy
)
oraz I
wy
=f(E).
5.
Wnioski.