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两端恒流源仿真

时间:2015-03-18   作者:2015-13-09  【原创】       阅读

两端恒流源仿真

张道用

恒流的起始电压很低,用小功率管,10mA时可低于0.85V。恒流特性特别平坦,在一定范围内可以做到水平,也可以向下倾斜。温度系数很低,可正可负,在一定范围内可以为零。

真是这样的吗?上述3个特点做到一个,对于两端分立件恒流源来讲,都是不容易的,3点都做到,惊喜!同时又不敢相信。哪里出了问题?请各位指点。

电子报201444期,朱少华老师编译的《覆盖宽范围的三晶体管的电流源》,向笔者们介绍一款恒流源电路,因为没有见过,一看到就极感兴趣,产生很多猜想:多个节点可以施加控制,有正反馈,增益特别高......,兴奋抑制不住,便做了一些试验。

笔者用的是TINA,非常好用的东东!汉化的,像游戏一样一用就会。虽然只是入门级,但受益真是不浅。平常就用它帮助理解电路,或设计一个新东西。上瘾,有时就当游戏——你游戏毫无收获,笔者游戏半小时验证一个想法。现在不用仿真软件就像以前不会用万用表电烙铁一样,一点儿不假。以本题为例,笔者那些乱七八糟的想法,如果用实物去做,几个月也难——其实根本不可能去做,早已知难而退了。用TINA也就几天,大部分时间还是用来分析结果和整理思路的。可以想象对于水平高的人,有题目的人,它会多么得心应手、多么重要。所以笔者特别希望有一定电路基础的人,拿起这个武器,肯定如虎添翼!为此不避水平低下,借这个有趣的电路,介绍实验过程。还没有使用电路仿真的朋友,请借帮助笔者的机会即刻入门!更重要的,您一定会驾TINA远走高飞!

1、先给出实验的结果

电路图1ABCDEF、画在一起,AB是常用电路;CD是对AB的改进;E是朱少华老师电路;FE的改进。图2标出上述电路的输出电流随电源电压变化的恒流特性曲线。可见AB最差,CD好一些,E很好但仍欠平坦,F最好,接近水平。温度特性图3G最好,接近于零。为省脑,后面叙述中那个电路就用哪个字母代替。

TINA画图方便又美观。初次使用,有个大体了解即可动手,不必仔细看书。有实验欲望,就像儿童打电脑用手机,靠直觉前进!因为界面特别友好,而且已经汉化,按照常规思路,左右鼠标在各处点几下,就知道元件怎样选取、转动、删除、改参数、连接线了。这样不费脑子,用起来不假思索。之后再根据仿真任务看书,各种方法就容易掌握了。再说书上的也不全或不适用。画面的第一行常用的有“文件、编辑、视图、分析”。除“分析”外,其他与常规无异。第二行常用的有“打开、保存、退出、复制、粘贴”都与常规一样,只有第17框“交互式”,是与“分析”各选其一的仿真方式。再下面是分有类标的元器件了。

先按笔者的理解分析一下E电路原理:上电后大电阻R1T3的基射极提供微小电流,T3微导通,集电极下拉——T1T2微导通——T1导通向T3提供更大的电流,这是一个正反馈过程,T3基极电位很快达到基准二极管Z1的稳压值,进入恒流状态。按照通常的理解,恒流是负反馈;稳压管Z1的稳压值即基准电压、取样电阻R3、三极管T3的基射极压降,决定了恒流值。由于T3不是主回路,基射压降很小 ,因而基准电压也可以小,这是它起始电压低的原因。当电源电压升高,恒流值增大,电阻R3压降增大——T3电流减小——主回路T2电流减小,这个负反馈完成了恒流。与众不同的是,T3电流减小时,T1电流也同时减小,反过来又进一步造成T3电流减小,T1T3之间正反馈。在一个大的负反馈的环路中,包含一个正反馈,可能是这个正反馈的高增益,造就了电路优秀特性?......谁知对不对呢?仿真吧!

  2、与常规电路作比较

    1,三极管选用熟悉的2N55512N5401,作小电流试验。因原文推荐的2N3904MJK210元件库里没有,也不知道替换型号。基准二极管原文选用红外二极管,阀值电压1.2V。可选光耦MOC223,里面的红外二极管正向压降略低一些;也可选红色LED,压降略高一些。调整取样电阻R3,使恒流值略小于10mA。方法是:点“交互式”选“DC”,点击,电流表会有指示;双击R3出参数改写框,先估计一个值写上,使电流接近10mA。再细调。点改写框的上下箭头细调,电流随之变动,达到预期,点“确定”或回车即完成。都调到略小于10mA后,点灭“DC”框,“分析(A)”框会亮起。点开分析,选DC分析——DC传输特性——点击——下拉元件——选V1——范围改写成最小0最大5V,点确定。即可出现特性图2。调整中可以看到,R1范围很宽,可从1M100MR2敏感,可用它调整起始电压和恒流电流,但为了减少变量便于比较,本文选取600欧姆后固定。电路A无论怎样调整曲线都难改善。

3、寻找最低起始电压

独特的原理引起幻想:可以低于1V吗?

改写稳压管Z1的稳压值试试!仍用图1AE的基准电压用1N4148反向代替。双击1N4148,出对话框,点“...”处,出参数表,将反向击穿电压75V改为需要值,点确定或回车。然后分析。E电路基准电压可以降到0.55V,因为T3工作电流小,基射极压低。这时恒流的起始电压低于0.85VA电路的基准电压到0.7V不能再降低了,已经特别接近三极管的基射极压降。图4是它们的曲线(可另画只含AE的电路、或将图1中不用的仪表撤后点“分析”。

4A电路的特性曲线也不错啊,挺平坦,奇怪,与图2中的A曲线不同,还出现了明显的拐点,这是怎么回事?原来这样改写成的二极管没有内阻,与实际不符。试着串接上一个200欧姆的电阻,果然曲线变差了。

但与之相比,E电路的4148也串个电阻,曲线依旧平坦。很有趣。

改写1N4148的反向击穿电压时,低于0.7V就不太准确了,到0.5V,就不能写了。本文这样做任意值稳压管是为了方便,更好的方法不会,请指教。

能不能在保证开启电压0.85V的前提下获得水平的曲线?能不能把电路AB简单改进一下,提高水平?

4、小改电路求理解

对电路不理解,就局部改一下,看看发生了什么。

4中 A曲线提示,若设法降低稳压二极管的内阻,A电路就可以获得相当好的特性;提高三极管的放大倍数也应该等效。试将T1倍数改写为原来的100倍,偏置电阻也加大到原来的100倍,特性果然随之改善(图略)。于是:

把电路A中的三极管改成达林顿结构,调整电阻,变成电路C。仿真结果参看图2曲线。CA有所改善。但远比不上二极管零内阻时的图曲线即图4中的A曲线平坦。另外,调整中偏置电阻无法取到原来的100倍,达林顿没那么大的倍数,但新增三极管电流放大倍数是158啊。可能工作于临界饱和。

如果把电路ET1去掉,恰好就变成了电路C。电路C与电路E相比,就差在T1上,而C特性远不如E,说明T3T1正反馈环节的重要。

把电路 B改为电路D,上下管都用达林顿结构,特性同样改善,见图2。但同样也没有得到理想的结果,尽管它与E(及F)用了同样多的元件。

对于E电路,二极管内阻没有什么影响,在4148上串联电阻,特性依旧平坦,只不过起始电压升高了;同样,零内阻也没有让拐点更好。为什么?可能是因为,二极管内阻越大,T1T3环节的正反馈越强烈,弥补了内阻大的影响?难道不依赖基准电压的恒定?逆天了。再述。

还是改动基准二极管试试吧。找压降在0.71.0之间的PN结很难。再说如果舍弃基准二极管,可以连续调整电路参数,那多好!

5、把基准二极管换成三极管

    电路如图5F与在图1中结构的区别是没有R5R6。调整R1R4、改变T4的导通程度,相当于获得任意压降的二极管。没想到,很顺利,成了,曲线优秀!调整时注意,R4过小会导致T4提早导通,电路不启动或启动过晚。曲线起始处的垂直部分即因此。

6、获得水平甚至下斜的曲线

在图5中加电阻R5。使电源电压越高T4导通越甚,作为基准电压的集电极压降越低。补偿得正好,获得水平曲线;过补偿,曲线下斜。图6中给出了一个水平和一个下斜曲线。问:向下倾斜,叫内阻“超无限大”?

7、获得接近零的温度系数

比较FE温度特性,发现它们的方向相反!这给笔者们希望:两种因素有可能中和。再加一个电阻R6R6越小,G的温度曲线越向下倾斜。调整R1456,可达到起始电压最低、电流预期、温度系数为零的目标。图7给出一组这样的曲线和元件参数。图中,从0100度范围内,电流都是11.53mA,即变化低于0.1%,低于每度10ppm,已经是高档基准电压器件的水平了。图7是用TINA-TI-V9仿真的,它的优点是,电路中只存在一个仪表,且电阻参数带小数时,可获得高分辨率的刻度显示。

 

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