カレントミラー回路を構築する方法
部品と材料
- 2つのNPNトランジスタ-モデル2N2222または2N3403を推奨（Radio Shackカタログ番号276-1617は、この実験や他の実験に最適な15個のNPNトランジスタのパッケージです）
- 2つの6ボルトバッテリー
- 1つの10kΩポテンショメータ、シングルターン、リニアテーパー（Radio Shackカタログ番号271-1715）
- 2つの10kΩ抵抗
- 4つの1.5kΩ抵抗
実験の後半で「熱暴走」を経験できるように、小信号トランジスタをお勧めします。より大きな「パワー」トランジスタは、これらの低電流レベルで同じ動作を示さない場合があります。ただし、任意 同一のNPNトランジスタのペアを使用して、カレントミラーを構築できます。
すべてのトランジスタが同じ端子指定またはピン配置を共有しているわけではないことに注意してください。 、同じ外観を共有している場合でも。
これにより、トランジスタを相互に接続する方法や他のコンポーネントに接続する方法が決まります。そのため、製造元のWebサイトから簡単に入手できる製造元の仕様（コンポーネントデータシート）を確認してください。トランジスタのパッケージやメーカーのデータシートでさえ、誤った端子識別図を示す可能性があることに注意してください！
マルチメータの「ダイオードチェック」機能を使用してピンのIDを再確認することを強くお勧めします。マルチメータを使用してバイポーラトランジスタ端子を識別する方法の詳細については、この本シリーズの半導体ボリューム（ボリュームIII）の第4章を参照してください。
相互参照
電気回路の教訓 、第3巻、第4章：「バイポーラ接合トランジスタ」
学習目標
- カレントミラー回路を構築する方法
- カレントミラー回路の電流制限
- BJTの温度依存性
- 制御された「熱暴走」状況を体験する
回路図
イラスト
手順
カレントミラーは、調整可能な電流レギュレータと考えることができます。 、電流制限は単一の抵抗で簡単に設定できます。これはかなり粗雑な電流レギュレータ回路ですが、その単純さのために広く使用されています。
この実験では、これらの回路の1つを構築し、その電流調整特性を調査し、実際の制限のいくつかを直接体験する機会を得ます。回路図と図に示すように回路を構築します。
部品リストで指定された部品から、1.5kΩの固定値抵抗が1つ追加されます。この実験の最後の部分で使用します。
ポテンショメータは、トランジスタQ 1 を流れる電流の量を設定します 。このトランジスタは、単純なダイオードとして機能するように接続されています。つまり、PN接合だけです。
通常のダイオードの代わりにトランジスタを使用するのはなぜですか？ 一致することが重要だからです カレントミラー回路で使用する場合のこれら2つのトランジスタの接合特性。 Q 1 のベース-エミッタ接合で電圧降下 他のトランジスタQ 2 のベース-エミッタ接合に印加されます。 、それを「オン」にし、同様に電流を流します。
2つのトランジスタのベース-エミッタ接合間の電圧は同じであるため（2つの接合ペアは互いに並列に接続されています）、同じ接合特性と同じ接合温度を想定して、電流はそれらのベース端子を流れる必要があります。一致するトランジスタも同じβ比を持つ必要があるため、ベース電流が等しいということは、コレクタ電流が等しいことを意味します。
これらすべての実際的な結果はQ 2 です。 Q 1 のコレクターを介して確立された電流の大きさを模倣したのコレクター電流 ポテンショメータによる。つまり、Q 2 を流れる電流 ミラー Q 1 を流れる電流 。負荷抵抗の変化（Q 2 のコレクタを接続する抵抗 バッテリーのプラス側に）Q 1 には影響しません の電流、したがって、Q 2 のベース-エミッタ間電圧またはベース電流には影響しません。 。
一定のベース電流とほぼ一定のβ比で、Q 2 コレクタ（負荷）電流を一定に保つために必要なだけコレクタ-エミッタ間電圧を低下させます。したがって、カレントミラー回路は調整するように機能します 負荷抵抗に関係なく、ポテンショメータによって設定された値の電流。
まあ、とにかく、それはそれが機能することになっている方法です。これから見ていくように、現実はそれほど単純ではありません。
示されている回路図では、Q 2 の負荷回路 電流測定を容易にするために、電流計を介してバッテリーのプラス側に完成します。電流計の黒いプローブを回路内の特定のポイントにしっかりと接続するのではなく、5つのテストポイントをマークしました。 、TP1〜TP5、電流測定中に黒いテストプローブに触れることができます。
これにより、負荷抵抗をすばやく簡単に変更できます。プローブをTP1に接触させると、負荷抵抗は実質的になくなりますが、TP5に接触させると、負荷抵抗は約14.5kΩになります。実験を開始するには、テストプローブをTP4に接触させ、ポテンショメータの可動範囲を調整します。
ポテンショメータのメカニズムを動かすと、電流計によって示される小さな変化する電流が表示されるはずです。数ミリアンペア以下です。ポテンショメータをラウンド数のミリアンペアを与える位置に設定したままにして、メータの黒いテストプローブをTP3に移動します。
現在の表示は以前とほぼ同じである必要があります。プローブをTP2に移動し、次にTP1に移動します。
繰り返しますが、ほとんど変化しない量の電流が表示されるはずです。ポテンショメータを別の位置に調整して、別の電流表示を与え、メーターの黒いプローブをテストポイントTP1からTP4にタッチして、負荷抵抗を変更したときの電流表示の安定性に注意してください。
これは、現在の規制を示しています この回路の動作。現在の規制は完全ではないことに注意してください。
ほぼで電流を調整しているにもかかわらず 負荷抵抗の値が0〜4.5kΩの場合、この範囲で多少の変動があります。負荷抵抗が高くなりすぎると、規制がさらに悪化する可能性があります。
TP1に接続された電流計テストプローブで示されるように、最大電流が得られるようにポテンショメータを調整してみてください。ポテンショメータをその位置に置いたまま、メータープローブをTP2、TP3、TP4、最後にTP5に移動し、各接続ポイントでのメーターの表示に注意します。
メータープローブが最後のテストポイントであるTP5に移動するまで、電流はほぼ一定の値に調整する必要があります。そこでは、現在の指標は他のテストポイントよりも大幅に低くなります。
どうしてこれなの？ Q 2 に挿入された負荷抵抗が多すぎるため の回路。簡単に言えば、Q 2 負荷抵抗が小さい場合と同じように大きな負荷抵抗で同じ量の電流を維持するために、これまで以上に「オン」にすることはできません。
この現象は、すべての電流レギュレータ回路に共通しています。電流レギュレータが飽和する前に処理できる抵抗の量は限られています。 。 任意のを介して一定量の電流を供給できる電流レギュレータ回路は、当然のことです。 想像できる負荷抵抗は、それを行うために無制限の電圧源を必要とします！
オームの法則（E =IR）は、特定の量の電流を特定の量の抵抗に流すために必要な電圧の量を示します。12ボルトの電源電圧を自由に使用できるため、負荷電流と負荷抵抗の制限は確実に制限されます。この回路には存在します。このため、電流レギュレータ回路を電流リミッタと考えると役立つ場合があります 回路は、実際にできることは、電流を最大値に制限することだけです。
一般に、カレントミラー回路の重要な注意点は、2つのトランジスタ間の温度が等しいことです。 2つのトランジスタのコレクタ回路間で発生する電流の「ミラーリング」は、まったく同じ特性を持つ2つのトランジスタのベース-エミッタ接合に依存します。
「ダイオード方程式」で説明されているように、PN接合の電圧/電流の関係は接合温度に強く依存します。 。 PN接合が高温になるほど、一定量の電圧降下に対してより多くの電流が流れます。
一方のトランジスタがもう一方のトランジスタよりも熱くなると、他のトランジスタよりも多くのコレクタ電流が流れ、回路は期待どおりに電流を「ミラーリング」しなくなります。ディスクリートトランジスタを使用して実際のカレントミラー回路を構築する場合、2つのトランジスタをエポキシ接着して（背中合わせに）、ほぼ同じ温度を維持する必要があります。
この等温への依存性を説明するために、指の間で1つのトランジスタをつかんで加熱してみてください。トランジスタの温度が上昇すると、負荷抵抗を流れる電流はどうなりますか？
次に、トランジスタを放し、ブローして周囲温度まで冷却します。 その他をつかむ 指の間のトランジスタで加熱します。
負荷電流は今何をしていますか？実験のこの次のフェーズでは、トランジスタの1つを意図的に過熱させ、その影響を記録します。
トランジスタの損傷を防ぐために、この手順は、負荷電流が「暴走」し始めるのを観察するために必要な時間より長く実行する必要があります。まず、ポテンショメータを最小電流に調整します。
次に、10kΩのR 制限を交換します 1.5kΩの抵抗器を備えた抵抗器。これにより、より高い電流がQ 1 を通過できるようになります。 、したがってQ 2 を介して 同様に。
電流計の黒いプローブをTP1に置き、現在の表示を観察します。電流計から約10mAを読み取るまで、ポテンショメータを電流が増加する方向に動かします。
その時点で、ポテンショメータの移動を停止し、電流を観察します。ポテンショメータをさらに動かすことなく、電流が自然に増加し始めることに気付くでしょう！
トランジスタQ 2 の損傷を防ぐために、電流が30 mAを超えたら、TP1からメータープローブを取り外して回路を切断します。 。両方のトランジスタに指で注意深く触れると、Q 2 に気付くはずです。 暖かいですが、Q 1 かっこいいです。
警告： Q 2 の場合 の電流が「逃げる」ことが許されているのが長すぎるか、長すぎると、非常に熱くなる可能性があります。 ！過熱した半導体部品に触れると、指先でやけどをする可能性がありますので、ご注意ください！
Q 2 を作成するために何が起こったのか 過熱して電流制御を失いますか？電流計をTP1に接続することにより、すべての負荷抵抗が除去されたため、Q 2 電流を調整するため、コレクターとエミッターの間のバッテリー電圧を完全に下げる必要がありました。
トランジスタQ 1 少なくともR limit の1.5kΩの抵抗がありました バッテリー電圧の大部分を低下させるために配置されているため、その消費電力はQ 2 の消費電力よりもはるかに小さくなりました。 。この電力損失の全体的な不均衡により、Q 2 Q 1 以上に加熱する 。
温度が上がると、Q 2 同じ量のベース-エミッタ間電圧降下に対して、より多くの電流を流し始めました。これにより、コレクターとエミッターの間で12ボルトを完全に降下させながら、より多くのコレクター電流を流していたため、さらに速く加熱されました。
この効果は、熱暴走として知られています。 、そしてそれは、カレントミラーだけでなく、多くのバイポーラ接合トランジスタ回路で可能です。
コンピューターシミュレーション
ネットリスト（次のテキストを逐語的に含むテキストファイルを作成します）：
カレントミラーv110 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 電流計 負荷電流を遮断するために戦略的に配置されたゼロボルトDCバッテリーにすぎません。 SPICE言語には専用の「電流計」コンポーネントが存在しないため、これはSPICEシミュレーションで電流を測定するためのトリックにすぎません。
SPICEは、コンポーネントの名前の最初の8文字しか認識しないことを覚えておくことが重要です。 「vammeter」という名前は問題ありませんが、回路に複数の電流測定電圧源を組み込み、それぞれ「vammeter1」と「vammeter2」という名前を付けると、SPICEはそれらを同じコンポーネントの2つのインスタンスと見なします。 「vammeter」（最初の8文字のみが表示されます）、エラーで停止します。
ネットリストを変更したり、独自のSPICEシミュレーションをプログラミングしたりする場合は、注意が必要です。 R load のさまざまな抵抗値を試す必要があります このシミュレーションでは、回路の電流調整の性質を理解します。
R limit を使用 10kΩおよび12ボルトの電源電圧に設定され、R 負荷を流れる安定化された電流 1.1mAになります。 SPICEは、レギュレーションが完璧であることを示しており（コンピューターシミュレーションの仮想世界はそれほど素晴らしいものではありませんか？）、負荷電流はワイドで1.1mAのままです。 負荷抵抗の範囲。ただし、負荷抵抗が10kΩを超えて増加すると、このシミュレーションでも、実際の生活と同様に負荷電流が減少することが示されます。
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