Cara Membuat Sirkuit Cermin Arus

BAGIAN DAN BAHAN

• Dua transistor NPN—disarankan model 2N2222 atau 2N3403 (Katalog Radio Shack # 276-1617 adalah paket lima belas transistor NPN yang ideal untuk eksperimen ini dan eksperimen lainnya)
• Dua baterai 6 volt
• Satu potensiometer 10 kΩ, satu putaran, lancip linier (katalog Radio Shack # 271-1715)
• Dua resistor 10 kΩ
• Empat resistor 1,5 kΩ

Transistor sinyal kecil direkomendasikan agar dapat mengalami "pelarian termal" di bagian akhir percobaan. Transistor "daya" yang lebih besar mungkin tidak menunjukkan perilaku yang sama pada level arus rendah ini. Namun, apa saja sepasang transistor NPN yang identik dapat digunakan untuk membuat cermin arus.

Berhati-hatilah karena tidak semua transistor memiliki penunjukan terminal yang sama, atau pinout , bahkan jika mereka memiliki penampilan fisik yang sama.

Ini akan menentukan bagaimana Anda menghubungkan transistor bersama-sama dan ke komponen lain, jadi pastikan untuk memeriksa spesifikasi pabrikan (lembar data komponen), dengan mudah diperoleh dari situs web pabrikan. Berhati-hatilah karena mungkin saja paket transistor dan bahkan lembar data pabrikan menunjukkan diagram identifikasi terminal yang salah!

Sangat disarankan untuk memeriksa ulang identitas pin dengan fungsi "pemeriksaan dioda" multimeter Anda. Untuk detail tentang cara mengidentifikasi terminal transistor bipolar menggunakan multimeter, lihat bab 4 volume Semikonduktor (volume III) dari seri buku ini.

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 4:“Transistor Sambungan Bipolar”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Cara membuat sirkuit cermin arus
• Batasan arus sirkuit cermin saat ini
• Ketergantungan suhu BJT
• Alami situasi "pelarian termal" yang terkendali

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Cermin arus dapat dianggap sebagai pengatur arus yang dapat disesuaikan , batas saat ini mudah diatur oleh satu resistansi. Ini adalah rangkaian pengatur arus yang agak kasar, tetapi salah satu yang banyak digunakan karena kesederhanaannya.

Dalam eksperimen ini, Anda akan mendapatkan kesempatan untuk membangun salah satu sirkuit ini, menjelajahi sifat pengaturan arusnya, dan juga mengalami beberapa keterbatasan praktisnya secara langsung. Bangun sirkuit seperti yang ditunjukkan pada skema dan ilustrasi.

Anda akan memiliki satu tambahan 1,5 kΩ resistor nilai tetap dari bagian-bagian yang ditentukan dalam daftar bagian. Anda akan menggunakannya di bagian terakhir eksperimen ini.

Potensiometer mengatur jumlah arus yang melalui transistor Q₁ . Transistor ini terhubung untuk bertindak sebagai dioda sederhana:hanya sambungan PN.

Mengapa menggunakan transistor daripada dioda biasa? Karena itu penting untuk cocok karakteristik persimpangan kedua transistor ini saat menggunakannya dalam rangkaian cermin arus. Tegangan jatuh di persimpangan basis-emitor Q₁ terkesan melintasi persimpangan basis-emitor dari transistor lain, Q₂ , menyebabkannya "on" dan juga mengalirkan arus.

Karena tegangan pada sambungan basis-emitor kedua transistor adalah sama—kedua pasangan sambungan dihubungkan secara paralel satu sama lain—sehingga arus harus melalui terminal basisnya, dengan asumsi karakteristik sambungan yang identik dan suhu sambungan yang identik. Transistor yang cocok juga harus memiliki rasio yang sama, sehingga arus basis yang sama berarti arus kolektor yang sama.

Hasil praktis dari semua ini adalah Q₂ kolektor saat ini menirukan besarnya arus apa pun yang telah ditetapkan melalui kolektor Q₁ oleh potensiometer. Dengan kata lain, arus melalui Q₂ cermin arus melalui Q₁ . Perubahan resistansi beban (resistansi yang menghubungkan kolektor Q₂ ke sisi positif baterai) tidak berpengaruh pada Q₁ arus, dan akibatnya, tidak berpengaruh pada tegangan basis-emitor atau arus basis Q₂ .

Dengan arus basis yang konstan dan rasio yang hampir konstan, Q₂ tegangan kolektor-emitor akan turun sebanyak atau sesedikit yang diperlukan untuk menahan arus kolektor (beban) konstan. Dengan demikian, sirkuit cermin saat ini bertindak untuk mengatur arus pada nilai yang ditetapkan oleh potensiometer, tanpa memperhatikan hambatan beban.

Yah, begitulah seharusnya bekerja. Kenyataannya tidak sesederhana itu, seperti yang akan Anda lihat.

Pada diagram rangkaian yang ditunjukkan, rangkaian beban Q₂ diselesaikan ke sisi positif baterai melalui ammeter, untuk pengukuran arus yang mudah. Alih-alih menghubungkan probe hitam ammeter dengan kuat ke titik tertentu di sirkuit, saya telah menandai lima titik uji , TP1 hingga TP5, bagi Anda untuk menyentuh probe uji hitam saat mengukur arus.

Hal ini memungkinkan Anda untuk dengan cepat dan mudah mengubah resistansi beban:menyentuh probe ke TP1 menghasilkan hampir tidak ada resistansi beban, sementara menyentuhnya ke TP5 menghasilkan sekitar 14,5 kΩ resistansi beban. Untuk memulai eksperimen, sentuh probe uji ke TP4 dan sesuaikan potensiometer melalui jangkauan perjalanannya.

Anda akan melihat arus kecil yang berubah yang ditunjukkan oleh ammeter Anda saat Anda menggerakkan mekanisme potensiometer:tidak lebih dari beberapa miliampere. Biarkan potensiometer disetel ke posisi yang memberikan angka bulat miliampere dan pindahkan probe uji hitam meteran ke TP3.

Indikasi saat ini harus sangat hampir sama seperti sebelumnya. Pindahkan probe ke TP2, lalu TP1.

Sekali lagi, Anda akan melihat jumlah arus yang hampir tidak berubah. Coba sesuaikan potensiometer ke posisi lain, berikan indikasi arus yang berbeda, dan sentuh probe hitam meteran untuk menguji titik TP1 hingga TP4, perhatikan stabilitas indikasi arus saat Anda mengubah tahanan beban.

Ini menunjukkan pengaturan . saat ini perilaku sirkuit ini. Anda harus perhatikan bahwa peraturan saat ini tidak sempurna.

Meskipun mengatur arus di hampir nilai resistansi beban antara 0 dan 4,5 kΩ, ada beberapa variasi dalam rentang ini. Regulasinya mungkin jauh lebih buruk jika tahanan beban dibiarkan naik terlalu tinggi.

Coba sesuaikan potensiometer sehingga diperoleh arus maksimum, seperti yang ditunjukkan dengan probe uji ammeter yang terhubung ke TP1. Membiarkan potensiometer pada posisi itu, pindahkan probe meteran ke TP2, lalu TP3, lalu TP4, dan terakhir TP5, perhatikan indikasi meteran di setiap titik sambungan.

Arus harus diatur pada nilai yang hampir konstan sampai probe meter dipindahkan ke titik uji terakhir, TP5. Di sana, indikasi saat ini akan jauh lebih rendah daripada di titik uji lainnya.

Kenapa ini? Karena terlalu banyak hambatan beban yang dimasukkan ke Q₂ sirkuit. Sederhananya, Q₂ tidak dapat "menghidupkan" lebih dari yang sudah dimilikinya, untuk mempertahankan jumlah arus yang sama dengan resistansi beban yang besar ini seperti halnya dengan resistansi beban yang lebih rendah.

Fenomena ini umum terjadi pada semua rangkaian pengatur arus:ada hambatan dalam jumlah terbatas yang dapat ditangani oleh pengatur arus sebelum jenuh . Ini masuk akal, karena sirkuit pengatur arus apa pun yang mampu memasok arus dalam jumlah konstan melalui mana saja resistensi beban yang dapat dibayangkan akan membutuhkan sumber tegangan yang tidak terbatas untuk melakukannya!

Hukum Ohm (E=IR) menentukan jumlah tegangan yang dibutuhkan untuk mendorong sejumlah arus tertentu melalui sejumlah resistansi tertentu, dan dengan hanya 12 volt tegangan catu daya yang kita miliki, batas arus beban dan hambatan beban yang terbatas pasti ada untuk sirkuit ini. Untuk alasan ini, mungkin berguna untuk menganggap rangkaian pengatur arus sebagai pembatas current saat ini sirkuit, karena yang dapat mereka lakukan hanyalah membatasi arus hingga beberapa nilai maksimum.

Peringatan penting untuk sirkuit cermin saat ini, secara umum, adalah suhu yang sama antara dua transistor. “Pencerminan” saat ini yang terjadi antara sirkuit kolektor dua transistor bergantung pada sambungan basis-emitor dari kedua transistor yang memiliki sifat yang sama persis.

Seperti yang dijelaskan oleh “persamaan dioda”, hubungan tegangan/arus untuk sambungan PN sangat bergantung pada suhu sambungan. . Semakin panas sambungan PN, semakin banyak arus yang akan mengalir untuk sejumlah penurunan tegangan tertentu.

Jika satu transistor menjadi lebih panas dari yang lain, itu akan melewatkan lebih banyak arus kolektor daripada yang lain, dan rangkaian tidak akan lagi "mencerminkan" arus seperti yang diharapkan. Saat membangun sirkuit cermin arus nyata menggunakan transistor diskrit, kedua transistor harus direkatkan bersama (saling membelakangi) sehingga suhunya kira-kira sama.

Untuk mengilustrasikan ketergantungan ini pada suhu yang sama, coba pegang satu transistor di antara jari-jari Anda untuk memanaskannya. Apa yang terjadi pada arus yang melalui resistor beban saat suhu transistor meningkat?

Sekarang, lepaskan transistor dan tiup untuk mendinginkannya ke suhu sekitar. Pegang lainnya transistor di antara jari-jari Anda untuk memanaskannya.

Apa yang dilakukan arus beban sekarang? Pada fase percobaan berikutnya, kami akan dengan sengaja membiarkan salah satu transistor menjadi terlalu panas dan mencatat efeknya.

Untuk menghindari kerusakan transistor, prosedur ini harus dilakukan tidak lebih lama dari yang diperlukan untuk mengamati arus beban mulai "melarikan diri". Untuk memulai, sesuaikan potensiometer untuk arus minimum.

Selanjutnya, ganti 10 kΩ R_limit resistor dengan resistor 1,5 kΩ. Ini akan memungkinkan arus yang lebih tinggi melewati Q₁ , dan akibatnya melalui Q₂ juga.

Tempatkan probe hitam ammeter pada TP1 dan amati indikasi saat ini. Pindahkan potensiometer ke arah kenaikan arus hingga Anda membaca sekitar 10 mA melalui ammeter.

Pada saat itu, berhenti menggerakkan potensiometer dan amati saja arusnya. Anda akan melihat arus mulai meningkat dengan sendirinya, tanpa gerakan potensiometer lebih lanjut!

Putuskan sirkuit dengan melepas probe meteran dari TP1 saat arus melebihi 30 mA, untuk menghindari kerusakan transistor Q₂ . Jika Anda menyentuh kedua transistor dengan hati-hati dengan jari, Anda akan melihat Q₂ hangat, sedangkan Q₁ keren.

Peringatan: jika Q₂ Arus telah dibiarkan "melarikan diri" terlalu jauh atau terlalu lama, mungkin menjadi sangat panas ! Anda dapat mengalami luka bakar parah di ujung jari Anda dengan menyentuh komponen semikonduktor yang terlalu panas, jadi berhati-hatilah di sini!

Apa yang baru saja terjadi hingga membuat Q₂ terlalu panas dan kehilangan kontrol saat ini? Dengan menghubungkan ammeter ke TP1, semua hambatan beban dihilangkan, jadi Q₂ harus menjatuhkan tegangan baterai penuh antara kolektor dan emitor karena ini mengatur arus.

Transistor Q₁ setidaknya memiliki resistensi 1,5 kΩ R_batas di tempat untuk menjatuhkan sebagian besar tegangan baterai, sehingga disipasi dayanya jauh lebih kecil daripada Q₂ . Ketidakseimbangan besar dari disipasi daya ini menyebabkan Q₂ untuk memanaskan lebih dari Q₁ .

Saat suhu meningkat, Q₂ mulai melewatkan lebih banyak arus untuk jumlah penurunan tegangan basis-emitor yang sama. Hal ini menyebabkannya memanas lebih cepat, karena mengalirkan lebih banyak arus kolektor sambil tetap menjatuhkan 12 volt penuh antara kolektor dan emitor.

Efeknya dikenal sebagai pelarian termal , dan ini mungkin terjadi di banyak sirkuit transistor sambungan bipolar, bukan hanya cermin arus.

SIMULASI KOMPUTER

Skematis dengan nomor node SPICE:

Netlist (buat file teks yang berisi teks berikut, kata demi kata):

Cermin saat ini v1 1 0 vammeter 1 3 dc 0 rlimit 1 2 10k rload 3 4 3k q1 2 2 0 mod1 q2 4 2 0 mod1 .model mod1 npn bf=100 .dc v1 12 12 1 .print dc i(vammeter ) .end 

V_amperemeter tidak lebih dari baterai DC nol volt yang ditempatkan secara strategis untuk mencegat arus beban. Ini tidak lebih dari sebuah trik untuk mengukur arus dalam simulasi SPICE, karena tidak ada komponen “amperemeter” khusus dalam bahasa SPICE.

Penting untuk diingat bahwa SPICE hanya mengenali delapan karakter pertama dari nama komponen. Nama "vammeter" tidak apa-apa, tetapi jika kita menggabungkan lebih dari satu sumber tegangan pengukur arus di sirkuit dan menamakannya "vammeter1" dan "vammeter2", masing-masing, SPICE akan melihatnya sebagai dua contoh dari komponen yang sama. “vammeter” (hanya melihat delapan karakter pertama) dan berhenti dengan kesalahan.

Sesuatu yang perlu diingat ketika mengubah netlist atau memprogram simulasi SPICE Anda sendiri! Anda harus bereksperimen dengan nilai resistansi yang berbeda dari R_beban dalam simulasi ini untuk menghargai sifat rangkaian yang mengatur arus.

Dengan R_batas diatur ke 10 kΩ dan tegangan catu daya 12 volt, arus yang diatur melalui R_beban akan menjadi 1,1 mA. SPICE menunjukkan regulasi yang sempurna (bukankah dunia virtual simulasi komputer sangat bagus?), arus beban tersisa pada 1,1 mA untuk lebar rentang hambatan beban. Namun, jika tahanan beban dinaikkan melebihi 10 kΩ, bahkan simulasi ini menunjukkan arus beban mengalami penurunan seperti dalam kehidupan nyata.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sumber Daya yang Diatur

• Lembar Kerja Penguat Transistor Diferensial