A valóságos áramgenerátorokat bipoláris tranzisztorokból is felépíthetjük. Persze számos más, még precíziósabb megoldás is létezik, de a mérnök lusta. Ha nem muszáj, akkor áramköri panelon sem huzaloz feleslegesen, beültetni sem ültet feleslegesen.

Ha pedig a megoldás többszáz, többezres szériagyártásban kerül megvalósításra, akkor már az alkatrészszám is fontos, sőt számos esetben össze kell vetni, hogy a beültetési költség (/alkatrész) nem-e drágább, mint egy LM317-es egy IC + 1 ellenállás áramgenerátor alapkapcsolás.

Áramköri példák

Az alábbiakban rajzoltam néhány olyan áramgenerátor példát, melyek közül lehet szemezgetni. Nagyjából megegyező műszaki paraméterekkel rendelkeznek.

 

Igyekeztem úgy tekergetni az elrendezéseket, hogy logikusan áttekinthető legyen, illetve:

- Mindig az Rs az áramértéket meghatározó elem

- Mindig a Q1 a segédtranzisztor (már ahol van)

- Mindig a Q2 a teherviselő (komolyabbat disszipáló) tranzisztor

- Mindig az R1 az előfeszítő ellenállás

A működésükről

Bár később egyesével részletezem, általánosságban az összes kapcsolásról az alábbiak állapíthatóak meg.

Az Rs-en átfolyó áram egy feszültség értéket határoz meg Ohm törvénye szerint, ez az árammérő tag. Egyes kapcsolásokban ez a tranzisztor nyitófeszültsége csak, míg másokban a LED nyitófeszültsége is a képlet része. Ha az árammérő Rs ellenálláson megnő az átfolyó áram, azzal egyidejűleg megnő az ellenállás két végpontja közötti feszültség is. Ez a feszültség különbség lezárás közeli állapotba kényszeríti a tranzisztort. A kezdődő lezárásnak köszönhetően az áramérték elkezd csökkenni. Ha túlságosan lecsökkent, akkor a tranzisztor megint kinyit, és így tovább. Az áramkörökben az igásló mindig a Q2 jelölésű tranzisztor, tehát ezt a tranzisztor disszipál majd a legtöbbet, ennek az alkatrésznek a hűtését kell majd elsődlegesen kordában tartani.

Fontos! A tranzisztorok kisjelű-, azaz nem kapcsolóüzemben működnek!

Az Rs árammérő ellenálláshoz mindig tartozik egy feszültség referencia, amivel "összevetjük" az Rs-en eső feszültség értékét, ezzel teremtve meg a szabályzást. Ez vagy egy LED nyitófeszültsége, vagy egy tranzisztor bázis-emitter határfeszültsége.

Jellemzőjük továbbá, hogy az R1 ellenállás segéd szerepet lát el, előfeszíti az áramkört nyugalmi állapotban.

A pontos értékek nem szerepelnek a rajzokon, mivel ezeket egytől-egyig számolni szükséges.

Tervezési cél

A LED-es példánál maradva, mert ez könnyen összedrótozható kezdő számára is próbapanelen, az alábbi határadatokat határozzuk meg.

Tápfeszültség tartomány: min. 5V DC, maximum 12V DC

Szükséges áramérték: 20mA

Előrerohanunk, és hogy lehessen mivel számolni, választunk tranzisztorokat:

Q1, Q2: BC337 NPN esetében, és BC327 PNP esetében. Ha SMD-zel, akkor BC847 és BC857. (Fontos! Ha változtatsz a tervezési cél adatokon, akkor Q1 és Q2 típus változtatására is szükség lehet!)

Az A verzió számítását akkor is fontos megérteni, ha nem az A verzió kerül alkalmazásra, mert abban bőven részletesebben van tárgyalva a számítási metódus. A többi verzió esetén már csak kiegészítő számítások illetve az eltérések tárgyalása történik.

A verzió

Az "A" verzió működését tekintve egy fürge áramgenerátor. Ha az átfolyó áram megemelkedik, akkor kinyitja a Q1 vezérlő tranzisztort, ami "ellopja" a bázisáramot a Q2 tranzisztortól, ami ennek hatására elkezd lezárni. Ha lezárt annyira, hogy az Rs-en már kevesebb a feszültségesés, mint ami kinyitná a vezérlő Q1 tranzisztort, akkor a Q2 ismét kinyit, az áramérték újra elkezd megemelkedni. Az R1 abban segít, hogy ha nem folyik még áram, akkor a Q2 nyitott állapotban legyen, hogy egyáltalán el tudjon kezdődni a folyamat.

Számolás

A Q1 NPN tranzisztor BC337  esetében a mi áramértékeink esetén a nyitáshoz kb. 0.7V-ra van szükség. Ez a 0.7V-os bázis-emitter feszültség (Vbe, vagy Ube) lesz az a "referencia" feszültség, amit a számoláshoz figyelembe kell venni.

A tranzisztor akkor nyit ki, ha legalább ez a feszültség megvan (meg persze bázisáram). Esetünkben ez azt jeleni, hogy akkor kell a Q2 tranzisztortól ellopni a bázisáramot, ha az áramgenerátoron átfolyó áram meghaladná a 20mA-t. Azaz amikor Is=20mA folyik az áramgenerátoron, akkor az Rs-en 0.7V feszültségnek kell lennie. Innen Ohm törvényével már számolható is, mekkora az Rs.

Rs = Ube/Is = 0.7V / 20mA = 0.7V / 0.02A = 35 Ohm

Ahhoz, hogy ellenállást is jól tudjunk választani tokozásban (az érték már megvan), szükséges itt is disszipációt számolni, mert ezen az Rs-en nem kismértékű vezérlőjel, hanem a cél áramunk is átfolyik (Is = 20mA).

Prs = Is² * R = 0.02A * 0.02A * 35 Ohm = 14mW. Bőven tehát egy 1/4W-os ellenállás határértéke alatt van, tehát minden rendben.

Ahhoz, hogy a Q2 működni tudjon megfelelő mennyiségű bázisáramra van szüksége, melyet az R1 fog szolgáltatni. Az R1 értéke is Ohm törvényével számítható ki, ám ekkor már két maradék feszültség is közbeszól, mely a tápfeszültség értékéből levonandó. Az R1 számítását a legalacsonyabb tápfeszültség érték és legnagyobb áram esetén kell számolni, hiszen alacsonyabb tápfeszültség érték esetén ugyan azon R1 ellenálláson is kisebb áram tud folyni, és ennek a kisebb áramnak is elégnek kell lennie a Q2 igásló nyitásához.

Az R1 számolásához tehát a legalacsonyabb tápfeszültségből (esetünkben most 5V), le kell vonni egyszer az Rs-en eső feszültséget, illetve a Q1 vezérlőtranziszor kollektor-emitter maradékfeszültségét is (Vce). A kollektor-emitter maradékfeszültség számoláshoz is a saját katalógusadatának a legrosszabb esetét kell alapul venni. Ez jelen esetben szintén 0.7V-ot jelent.

 

Fontos, hogy ez nem a Vbe bázis-emitter feszültség, csak most épp egyazon érték.

Másik számításhoz szükséges érték a Q2 igásló tranzisztor áramerősítési tényezője. Mivel a Q2 kisjelű üzemben működik, ezért a jelleggörbét az adatlapban találhatjuk meg. A paraméter táblázatban csak tartományként szerepel DC Current gain (hFE, β)-ként, például 100-600. Ez egy szorzó. Ha pontos értékre vagyunk kíváncsiak, akkor a tranzisztor adatlap hFE jelleggörbéjéből kiolvashatjuk a 20mA átfolyó áram esetén érvényes áramerősítési tényezőt. Ahány gyártó, annyi adatlap. Amit elsőre előszedtem abban 20mA esetén a hFE = 300.

Q2(Ib) = Q2 bázisárama

A számolás tehát az alábbiak szerint történik. Első lépésben a szükséges bázisáramot határozzuk meg ahhoz, hogy 20mA tudjon folyni:

Q2(Ib) = Is / hFE = 20mA / 300 = ~0.0667mA

Ez azt jelenti, hogy legalább 0.07mA (70uA) áramra van szükség a Q2 bázisán ahhoz, hogy 20mA tudjon folyni a kollektor-emitter között nyitott állapotban. Mit kezdünk ezzel az áram értékkel? Felhasználjuk az Rs kiszámolásához.

Utáp = tápfeszültség értéke

Uce = kollektor-emitter maradékfeszültség Q1-en

Urs = Rs árammérő ellenálláson maximálisan eső feszültség

R1 = U/I = (Utáp - Uce - Urs) / Ib = (5V-0.7V-0.7V) / 0.07mA = ~51 KOhm

Fontos: Ez csak egy közelítő egyszerűsítés, mert az ágban a bázisokon is folyik be áram, és a bázisáram egy része másfelé folyik el. De közelítő számítás jelen esetben a mi célunkhoz bőségesen elegendő, főleg hogy értéket ugrunk hamarosan gyakorlati okokból.

Ez azt jelenti, hogy maximálisan 51 KOhm-os ellenállás lehet az R1, ezalatt ugyanis nem lenne meg az elegendő bázisáram. Nem centizzük ki ennyire, választunk egy gyakorlati értéket mely mindenképp kisebb, mint az 51 KOhm, például 10K. Ha ekkorát ugrunk, vizsgáljuk meg, hogy nem fog-e feleslegesen fűteni az ellenállás, ezt viszont már maximális tápfeszültség mellett szükséges megtenni, mert ekkor disszipál a legtöbbet az R1.

Ir1 (áram az R1-en) = U/R = (Utáp - Uce - Urs) / 10KOhm = (12V-0.7V-0.7V) / 10KOhm = ~1mA.

Pr1 = I² * R = (Ir1)² * 10K = 11mW

Tehát NEM, ez még 0402 SMD ellenálláson is bőven eldisszipálható, jó lesz a 10K, bőven lesz bázisáram tartalék, és az 1mA-es áram még a Q1 vezérlőtranzisztort sem fűti.

Megvan tehát most már az Rs = 35 Ohm, megvan az R1 = 10K. Jöhet az ellenőrzés, hogy a Q2 tranzisztor nem fűt-e túl sokat.

A Q2 tranzisztor legmagasabb tápfeszültség esetén fűt a legtöbbet, teljesen rövidrezárt kimenet esetén. Ekkor a legnagyobb a kollektor-emitter feszültség, és ekkor a legnagyobb az áram.

Uce.max = (Utáp max - Urs) = 12V - 0.7V = 11.3V

Pq2 = U * I = Uce.max * Is = 11.3V * 20mA = 0.226W = 226mW

A 226mW disszipáció még megengedhető a Q2 tranzisztoron, de jól látszik, hogy ha például már 50mA áramgenerátort szeretnénk építeni, akkor az már 0.565W = 565mW mely már bőven az ésszerű határon felül van, mely egy TO92 tokozású tranzisztoron elfűthető.

Mi a teendő, ha a Q2 túl sokat fűtene?

Első körben nagyobb tokozású tranzisztort kell alkalmazni. Ha nagyobb tokozású és nagyobb áramú tranzisztor típust választunk, akkor fel kell készülni, hogy annak áramerősítési tényezője (hFE) sokkal rosszabb lesz. Azaz hozzá kell majd nyúlni minden bizonnyal az R1-hez is.

Támpontként egy TO92-es tokozású tranzisztoron az ésszerű disszipálható teljesítmény maximum 2-300mW. Egy SOT23 tokozású (pl. BC847) már 100mW-nál többre semmiképp sem használandó.

A Q2 jelű tranzisztor TO92-nél nagyobb furatszerelt közkedvelt testvére pl. a TO126 tokozás, még feljebb TO220. SMD esetén a SOT23 tokozás felett SOT89, felette TO252, stb.

Tanulság: Mindig ellenőrizd, nem fog-e túl sokat fűteni a Q2 tranzisztor a kívánt áramon.

B verzió

Ahogy fentebb jeleztem, itt már csak a változásokat számoljuk, ha szükséges.

Az Rs és az R1 szerepe teljesen ugyan az, mint az "A" esetben, Q1 és Q2 szerepe is teljesen egyforma. Annyi a különbség, hogy NPN tranzisztor helyett PNP tranzisztorra rendeztük át az áramkört. Minden számolása megegyezik, csak BC327 adatlapja helyett a PNP párjának a BC337-nek az adatlapját figyeljük.

C verzió

Ezen verzióban egy kis mókás csavar van, itt a LED nyitófeszültségét is használjuk, mint referencia. Ebben a példában egy piros LED-et fogunk alkalmazni, Vf = 1.8V-os tipikus nyitófeszültséggel (LED Vf a későbbiekben az egységes jelölés miatt Uled).

Ube itt is a tranzisztor bázis-emitter határfeszültsége.

Rs = U/I = (Uled+Ube) / 20mA = (1.8V+0.7V) / 20mA = 125 Ohm

Az R1 itt is hasonlóan számolandó, csak a Q1 vezérlőtranzisztor Uce kollektor-emitter feszültsége helyett a LED-en eső feszültséget kell alapul venni, viszont emellett azt is szem előtt kell tartani, hogy a LED nyitófeszültsége csak akkor annyi, ha azon egy adott névleges áram átfolyik.

Iq2(Ib) bázisáram itt is hFE paraméter alapján számolandó. Ha hFE = 300, akkor ismét Iq2(Ib) = 0.07mA. A tápfeszültséget minimális értéket alapul véve kell számolni.

R1 = (Utáp.min - Uled) / Iq2(Ib) = (5V - 1.8V) / 0.07mA = 45 KOhm

A LED helyett természetesen lehet Zener diódát is használni ellenirányú előfeszítéssel (anód-katódot felcserélve), a Zener dióda letörési feszültsége lesz a referencia feszültség, de a Zener sokkal kevésbé mókás kísérleti alany, mint egy LED-hez való áramgenerátor, amiben egy másik LED a referencia. De a minimális LED áram miatt 10K alá célszerű menni, 4.7K vagy 2.2K használatával.

A C verzió egyébként nem igazán praktikus, mivel a megemelkedett referenciafeszültség miatt az Rs-en is megnő a disszipáció, mivel nagyobb értékű ellenállásra van így szükség (P = I² * R, az I maradt 20mA, de az R megnőtt, tehát a disszipáció is nőtt).

D verzió

Ez teljesen ugyan az, mint az A verzió, csak másik ágba van felépítve. Annyi a sajátossága, hogyha az R1 felső betáplálási pontja nem egyezik meg a +V betáp feszültséggel, akkor ez az áramgenerátor üzemeltethető úgy, hogy a vezérlőág teljesen más tápfeszültségről üzemel. R1 (rajzon) alsó pontja ugyanúgy a tranzisztorra van kötve, de a felső pontja mondjuk fix 5V-ra, vagy ami rendelkezésre áll.

E verzió

Ez is alapvetően ugyan az, mint a C verzió, csak NPN tranzisztorral. Ennek is az a sajátossága, hogy az R1 ág itt is leválasztható, és a D verzióhoz hasonlóan eltérő tápfeszültségről is üzemeltethető.

Fontos!

Nagyon fontos megemlíteni, hogy ezek az áramgenerátorok valóban nem precíziós áramgenerátorok, és csak kis áramok esetén érdemes használni őket. Működik természetesen nagyobb áramok esetén is, viszont a megnövekedett disszipáció miatt a XXI. században ilyen áramgenerátort használni nagyobb teljesítményhez, például 1W-os fehér LED-hez már bűn. Nagyobb áramú felhasználáskor tessék kapcsolóüzemű áramgenerátort használni, ne fűtsd feleslegesen a paneled, meg a földet, meg a koalákat.

Ezek az áramkörök elsősorban tehát arra valók, hogy például optocsatolók LED-jeit egészítsük ki olyan meghajtással, hogy a nyitásához szükséges pl. 10mA tág feszültségtartományon belül biztosítható legyen. Például egy optocsatolt bemenetet ilyenkor 5V-30V között bármivel lehet üzemeltetni, és az optocsatoló LED-je mindig ugyan olyan árammal van hajtva, tehát mindig ugyan olyan CTR vehető alapul.

Műveleti erősítős, JFET-es, MOSFET-es, kapcsolóüzemű áramgenerátorokról ebben a cikkben szándékkal nem értekeztünk.