Як реально працює ця постійна мийка?

Я реалізував постійне джерело струму, і воно чудово працює, але я просто сподівався спробувати його зрозуміти трохи більше! Ось схема, про яку йдеться:

Я спробував здійснити пошук в Інтернеті, і мені було досить важко знайти якісь теоретичні речі в цій схемі, які пояснюють, що насправді відбувається з усім. Я дізнався, що струм через транзистор можна знайти просто за допомогою

Якщо хтось міг би пролити трохи світла на це, я б дуже вдячний.

Схема використовує негативний зворотний зв'язок і використовує дуже високий коефіцієнт посилення змінного струму. Операційний підсилювач намагатиметься підтримувати свої неінвертуючі та інвертуючі входи на однаковій напрузі через дуже високе посилення. Тоді за законом Ома$V_{\text{set}}$

Негативний зворотний зв'язок змушує підсилювач напруги регулювати базову напругу транзистора, щоб $I_{\text{set}}$ постійну навіть при різному навантаженні. Якщо змінне навантаження спричиняє тимчасове збільшення то напруга на інвертувальному вході підсилювача напруги тимчасово підніметься над неінвертуючим входом. Це призводить до того виходу операційного підсилювача зменшуватися, що призводить до зниження транзистора V B E і , отже , його я З ≈ я безліч .$I_{\text{set}}$$V_{BE}$$I_{C} \approx I_{\text{set}}$

Аналогічно, якщо змінне навантаження спричиняє тимчасове зменшення встановленого напруги, то напруга на інвертувальному вході змінного струму тимчасово впаде нижче неінвертуючого входу. Це призводить до того , оп виходу підсилювача до збільшення, що збільшує транзистор V B E і I C .$I_{\text{set}}$$V_{BE}$$I_{C}$

Операційний підсилювач діє як буфер посилення єдності, хоча це може бути не очевидно:

Правило для opamps полягає в тому, що вихід робить все, що потрібно, щоб два входи були рівними, за умови, що він не чіпляє звичайно (наткнутися на власну подачу і зупинитися на цьому).

Транзистор використовується як емітерний послідовник, у якому напруга випромінювача слід за базовою напругою за вирахуванням падіння діода від його PN-переходу.

Складіть ці два разом, і ви побачите, що напруга у верхній частині Rset така ж, як і Vset. Відома напруга через відомий опір дорівнює відомому струму через цей опір. У більшості транзисторів внесок бази в струм випромінювача незначний, тому ви отримуєте практично той самий струм через навантаження, незалежно від його напруги живлення чи опору. Але якщо ви використовуєте його для серйозного дизайну, не завадить перевірити цю мізерність за допомогою ваших конкретних деталей.

Те, як мені подобається його візуалізувати, - це розглянути транзистор як змінний резистор, який підсилювач opamp автоматично налаштовується, щоб утримати напругу на вході оператора, рівне напрузі на його + вході.

Таким чином, оскільки струм в ланцюзі послідовності скрізь однаковий, струм у навантаженні, транзисторний перехід СЕ і Rset повинні бути однаковими, і якщо напруга у верхній частині Rset ніколи не змінюється, тому що сила підсилювача його дорівнює до Vset, то його струм ніколи не змінюється, а струм через навантаження також не може.

Інший підхід полягає в моделюванні підсилювача як великого кінцевого посилення та обмеження прийому.

Це дає вихідний підсилювач у вигляді з якого у нас K ( V set - I load R set ) = I load R set + 0.7 . Розділення на K і відпущення K → ∞ дає бажаний результат, я навантажую = V $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$ .$I_\text{load} = { V_\text{set} \over R_\text{set} }$

Інший, простий, але точний спосіб це зрозуміти, використовуючи теорію зворотного зв'язку:

Вихід Op Amp - це просто коефіцієнт підсилення Op Amp (A) в рази більше різниці між напругою на входах. Якщо ми називаємо напругу на резисторі (оскільки ми ще не знаємо, що це таке), то вихід Op Amp просто:$V_x$

Тепер ми знаємо , що , коли транзистор включений, є напруга постійного через база-емітер, , так що ми можемо написати:$V_{\text{be}}$

Підставляючи це до рівняння отримуємо:$V_o$

або:

Отже, переставляючи ми отримуємо:

Тепер ми знаємо, що з підсилювачем A дуже великий, тому, як A росте до нескінченності, ми можемо бачити, що йде до єдності:$\frac{A}{A+1}$

Таким чином:

Однак ми писали вище, що:

Підставляючи цей вираз на вище, отримуємо:$V_o$

І очевидно, , який ви вже знали.$I_{\text{set}}=\frac{V_{\text{set}}}{R_{\text{set}}}$

Моя відповідь, ймовірно, більше, ніж ви торгувались, але якщо вам цікаво, ви оціните зусилля, які я доклав до цього.

Типовий OP AMP має коефіцієнт підсилення з відкритим контуром принаймні 100 000 (дуже високий). Його вихід приймає різницю своїх входів ( ) і помножує їх на його посилення A v . V o = A v ∗ ( V + - V - ) . Тут V + = неінвертуючий вхід і V - = інвертуючий вхід. Якщо припустити, що вихідний підсилювач складає лише кілька вольт, то різниця напруги на вході становить 1/100 000 виходу. Ця різниця може бути декількома мікровольтами, які порівняно з V $V_{+} - V_{-}$$A_{v}$$V_{o} = A_{v} * ( V_{+} - V_{-} )$$V_{+}$$V_{-}$$V_{o}$є набагато, значно меншим (ця різниця напруги для всіх намірів і цілей приблизно нульових вольт).

$V_{+}$$V_{-}$$V_{+} = V_{set}$$V_{-} = V_{set}$$V_{-}$$R_{set}$$V_{set}$$R_{set}$$V_{set}$$R_{set}$$V_{set}$

${ I_{collector} \over I_{base} } > 40$$I_{emitter} \sim I_{collector}$

$V_{set}$$Z_{in}$$V_{set}$$V_{+}$$V_{supply}$$I_{load}$$V_{supply}$$R_{collector}$

$V_{supply}$$V_{CE}$$R_{collector}$$I_{load}$$V_{CE(on)} ~ 0.3V$$V_{supply}$$I_{load}$$V_{supply}$$I_{load}$$V_{supply}$$V_{CE}$, щоб підтримувати однаковий перепад напруги впоперек $R_{collector}$ to keep $I_{load}$ constant. A point will be reached that exceeds the transistor’s $V_{CE}$ rating or its power rating ($I_{load}$ may be constant but $V_{CE}$ x $I_{load}$ is increasing) and it will fail. What happens if $R_{collector}$ varies when $V_{supply}$ is within limits? If $R_{collector}$ resistance increases, the op amp will make the transistor conduct more, decreasing its $V_{CE}$, to increase the voltage drop across $R_{collector}$ to keep $I_{load}$ constant. Eventually the transistor is fully on (saturated) and as $R_{collector}$ resistance rises further, $I_{load}$ begins to decrease because the circuit cannot continue to increase the voltage drop across $R_{collector}$ ($V_{supply}$ voltage is not high enough to achieve this).

If $R_{collector}$ resistance decreases toward zero, the op amp will lower base current and the transistor will conduct less to reduce the voltage drop across $R_{collector}$ to maintain $I_{load}$ constant and its $V_{CE}$ will increase. The transistor will dissipate more power because it will have a greater voltage drop across it ($V_{supply} - V_{set}$ if $R_{collector} = 0 ohm$). If it cannot handle the higher power, it will fail. It may seem odd that a transistor conducting less dissipates more power but this is so because it’s operating within its active region where both Ic (normally constant) and $V_{CE}$ are significant and their product (power dissipated by the transistor in the form of heat) is well above zero. A fully on (saturated) transistor operates with lower power dissipation because its $V_{CE(on)}$ is very low for the same, constant current.

In conclusion, this circuit operates as a constant current sink but only within certain $V_{supply}$, $R_{collector}$ and transistor power limits. These operating limits must also be considered during design.