Konstantstromschaltung verstehen

Zach, diese Schaltung ist ziemlich einfach zu verstehen, wenn Sie zuerst den BJT verstehen. (Sie werden Dioden verstehen, wenn Sie den BJT verstehen, also ist das eine Selbstverständlichkeit.) Jeder kämpft irgendwann mit diesen Dingen, also ist es in Ordnung, dass Sie das jetzt nicht gut verstehen. Machen Sie einen Schritt nach dem anderen.

Hier (und anderswo) gibt es viele Informationen über Dioden. Sie sind überschwemmt von Informationen über sie. Ich werde nicht versuchen, irgendetwas davon zu replizieren. Für diese Schaltung reicht es aus, dass Sie zwei Dinge über Dioden akzeptieren:

1. An einer in Durchlassrichtung vorgespannten Diode liegt eine feste Spannung an. Für normale Siliziumdioden ist dieser Wert$700\:\text{mV}$. (Bei LEDs, die auch Dioden sind, variiert es je nach Farbe und Typ und dazu muss man sich das Datenblatt ansehen.)
2. Alles, was ich gerade in Punkt 1 gesagt habe, ist eigentlich falsch. Aber für diese Zwecke brauchen Sie sich darüber keine Gedanken zu machen.

Nun zum BJT. Es hat auch eine Diode von der Basis zum Emitter. Es gelten also die oben genannten Regeln. Aber wir fügen folgendes über den BJT hinzu:

3. Wenn die Basis-Emitter-Diode des BJT in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, ist der Kollektorstrom derselbe wie der Emitterstrom.
4. Was ich gerade in Punkt #3 gesagt habe, ist auch falsch. Aber Nr. 3 ist nahe genug, um für diese Zwecke keine Rolle zu spielen.

So. Jetzt können wir die Schaltung beschreiben.

• Der$20\:\text{k}$Der Widerstand spannt die beiden Dioden in Vorwärtsrichtung vor, indem er einen Weg für den Strom bereitstellt, um auf Masse zu gehen.
• Die Gesamtspannung über den beiden Dioden ist daher$1.4\:\text{V}$, wobei der Rest für den Widerstand übrig bleibt. Daher ist die Basisspannung für den BJT$10\:\text{V}-1.4\:\text{V}=8.6\:\text{V}$.
• Daher auch der Widerstandsstrom$\frac{10\:\text{V}-1.4\:\text{V}}{20\:\text{k}\Omega}\approx 430\:\mu\text{A}$.
• Der Emitter des BJT ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt und daher wird der Emitter sein$700\:\text{mV}$über der Basis bzw$8.6\:\text{V}+700\:\text{mV}\approx 9.3\:\text{V}$.
• Also die Spannung über der$500\:\Omega$Widerstand ist$10\:\text{V}-9.3\:\text{V}=700\:\text{mV}$(Ein Diodenabfall - was bei genauem Hinsehen erkennen sollte, warum dies in dieser Schaltung der Fall sein wird.) Daraus können wir berechnen, dass der Strom in diesem Widerstand ist$\frac{700\:\text{mV}}{500\:\Omega}\approx 1.4\:\text{mA}$.
• Da nach der obigen Regel Nr. 3 der Emitterstrom und der Kollektorstrom gleich sind, folgt daraus, dass der Kollektorstrom ebenfalls gleich ist$1.4\:\text{mA}$.

Der Kollektorstrom ist immer gleich dem Emitterstrom (innerhalb einer vernünftigen Annäherung). Es spielt also keine Rolle, welchen Widerstand Sie zwischen Kollektor und Masse platzieren.

Außer,

• Die obige Schlussfolgerung ist nicht richtig, wenn der soeben berechnete Kollektorstrom einen Spannungsabfall am Kollektorwiderstand verursacht, der die Basisspannung übersteigt. Das bedeutet also, dass der Widerstand nicht größer sein kann als$R=\frac{8.6\:\text{V}}{1.4\:\text{mA}}\approx 6100 \:\Omega$. Es hat also Grenzen.

Die Spannung über Vbe steuert den Emitterstrom. Da eine der Basisdioden dem Abfall von Vbe entspricht, bleibt der anderen Diode die Steuerung des Spannungsabfalls des Emitterwiderstands überlassen.

Dann wird für große Schwankungen der 10-V-Versorgung oder des Kollektorlastwiderstands der Emitterstrom jetzt durch Ie = Vf/Re für Vf = 0,7 V geregelt. Er ist nicht perfekt konstant, da Vf/If zwischen der Diode und dem Transistor Vbe nicht perfekt angepasst ist

Es gibt ein paar Möglichkeiten, wie Sie sich diese Schaltung ansehen können, aber versuchen Sie Folgendes:

Angenommen, Dioden haben einen konstanten Abfall von 0,6 V, solange sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Die beiden Dioden in Reihe haben also insgesamt einen Abfall von 1,2 V.

Da der Basis-Emitter-Übergang und der 500-Ω-Widerstand parallel zu diesen beiden Dioden liegen, muss die Spannung an ihnen gleich sein. Und da der Basis-Emitter-Übergang eines Transistors auch eine Diode ist, muss die Spannung darüber ebenfalls 0,6 V betragen, solange er in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, was hier der Fall ist. Die Spannung am 500-Ω-Widerstand muss also 0,6 V betragen.

Nach dem Ohmschen Gesetz muss der Strom durch den 500-Ω-Widerstand also 0,6 V / 500 Ω = 1,2 mA betragen.

Der gesamte Strom durch diesen Widerstand muss in den Emitter des Transistors fließen. Und irgendwo muss ein gleicher Strom ausgehen, und es gibt zwei Möglichkeiten:

1. aus der Basis
2. den Kollektor raus

Da ein Transistor Verstärkung hat, idealerweise viel Verstärkung, ist der Kollektorstrom immer viel höher als der Basisstrom, solange der Transistor entsprechend vorgespannt ist. Nehmen wir einfach an, dass es vorerst angemessen voreingenommen ist, und betrachten wir später die Bedingungen, unter denen das nicht zutrifft.

Wenn wir davon ausgehen, dass der Transistor eine unendliche Verstärkung hat, muss der gesamte Strom, der in den Emitter des Transistors eintritt, den Kollektor verlassen, da der Basisstrom Null ist. Da der Strom aus dem Kollektor nur durch die gelbe Last fließt, muss die Spannung an diesem Widerstand den Wert haben, der erforderlich ist, um den Strom in der Last gleich dem Strom durch den 500-Ω-Widerstand zu machen.

Nachdem Sie die grundlegende Funktionsweise der Schaltung verstanden haben, betrachten Sie Folgendes:

Die Simulation zeigt 1,33 mA durch den 500-Ω-Widerstand, was geringfügig von den oben berechneten 1,2 mA abweicht. Warum ist das anders? Wie hoch ist die Spannung an den Dioden in der Simulation?

Was passiert, wenn der Lastwiderstand extrem groß ist, sagen wir 100 MΩ? Wie viel Spannung müsste anliegen, um den gewünschten Strom zu erhalten, und kann die Schaltung unter diesen Bedingungen noch funktionieren?

Echte Transistoren haben keine unendliche Verstärkung. Wie wirkt sich das auf die Schaltung aus?

Was kann die Genauigkeit dieser Schaltung beeinflussen? Temperatur? Gerätevariante? Wie und warum?