5.14: Cómo construir un circuito de espejo de corriente

PARTES Y MATERIALES

• Dos transistores NPN: se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, giro simple, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Cuatro resistencias de 1.5 kΩ

Se recomiendan transistores de señal pequeña para poder experimentar “fuga térmica” en la última parte del experimento. Los transistores de “potencia” más grandes pueden no exhibir el mismo comportamiento en estos bajos niveles de corriente. Sin embargo, se puede usar cualquier par de transistores NPN idénticos para construir un espejo de corriente.

Tenga en cuenta que no todos los transistores comparten las mismas designaciones de terminales, o pinouts, aunque compartan la misma apariencia física. Esto dictará cómo conecta los transistores entre sí y a otros componentes, así que asegúrese de verificar las especificaciones del fabricante (hoja de datos del componente), fácilmente obtenidas del sitio web del fabricante. ¡Tenga en cuenta que es posible que el paquete del transistor e incluso la hoja de datos del fabricante muestre diagramas de identificación de terminales incorrectos! Es muy recomendable verificar las identidades de los pines con la función de “verificación de diodos” de su multímetro. Para obtener detalles sobre cómo identificar terminales de transistores bipolares utilizando un multímetro, consulte el capítulo 4 del volumen Semiconductor (volumen III) de esta serie de libros.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo construir un circuito de espejo de corriente
• Limitaciones de corriente de un circuito espejo de corriente
• Dependencia de temperatura de BJT
• Experimenta una situación controlada de “fuga térmica”

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Un espejo de corriente puede considerarse como un regulador de corriente ajustable, el límite de corriente se establece fácilmente por una sola resistencia. Se trata de un circuito regulador de corriente bastante crudo, pero que encuentra amplio uso debido a su simplicidad. En este experimento, tendrás la oportunidad de construir uno de estos circuitos, explorar sus propiedades reguladoras de corriente, y también experimentar algunas de sus limitaciones prácticas de primera mano.

Construir el circuito como se muestra en el esquema y la ilustración. Tendrá una resistencia adicional de 1.5 kΩ de valor fijo de las piezas especificadas en la lista de piezas. Lo estarás usando en la última parte de este experimento.

El potenciómetro establece la cantidad de corriente a través del transistor _Q1. Este transistor está conectado para actuar como un simple diodo: solo una unión PN. ¿Por qué usar un transistor en lugar de un diodo normal? Porque es importante hacer coincidir las características de unión de estos dos transistores cuando se usan en un circuito espejo de corriente. El voltaje caído a través de la unión base-emisor de _Q1 se impresiona a través de la unión base-emisor del otro transistor, Q ₂, lo que hace que se “encienda” e igualmente conduzca la corriente.

Dado que el voltaje a través de las uniones base-emisor de los dos transistores es el mismo, los dos pares de uniones que están conectados en paralelo entre sí, entonces la corriente debería ser a través de sus terminales base, asumiendo características de unión idénticas y temperaturas de unión idénticas. Los transistores emparejados también deben tener las mismas relaciones β, por lo que las corrientes de base iguales significan corrientes de colector iguales. El resultado práctico de todo esto es la corriente de colector de Q ₂ imitando cualquier magnitud de corriente que se haya establecido a través del colector de _Q1 por el potenciómetro. En otras palabras, la corriente a través de Q ₂ refleja la corriente a través de Q ₁.

Los cambios en la resistencia de carga (resistencia que conecta el colector de Q ₂ al lado positivo de la batería) no tienen ningún efecto sobre la corriente de Q ₁ y, en consecuencia, no tienen efecto sobre el voltaje base-emisor o la corriente base de _Q2. Con una corriente base constante y una relación β casi constante, Q ₂ caerá tanto o tan poco voltaje colector-emisor como sea necesario para mantener constante su corriente de colector (carga). Así, el circuito espejo de corriente actúa para regular la corriente a un valor establecido por el potenciómetro, sin tener en cuenta la resistencia de carga.

Bueno, así es como se supone que debe funcionar, de todos modos. La realidad no es tan simple, como están a punto de ver. En el diagrama de circuito que se muestra, el circuito de carga de Q ₂ se completa al lado positivo de la batería a través de un amperímetro, para facilitar la medición de corriente. En lugar de conectar sólidamente la sonda negra del amperímetro a un punto definido en el circuito, he marcado cinco puntos de prueba, TP1 a TP5, para que toque la sonda de prueba negra mientras mide la corriente. Esto le permite cambiar rápida y sin esfuerzo la resistencia de carga: tocar la sonda a TP1 resulta prácticamente sin resistencia a la carga, mientras que tocarla a TP5 resulta en aproximadamente 14.5 kΩ de resistencia de carga.

Para comenzar el experimento, toque la sonda de prueba a TP4 y ajuste el potenciómetro a través de su rango de recorrido. Deberías ver una corriente pequeña y cambiante indicada por tu amperímetro a medida que mueves el mecanismo del potenciómetro: no más de unos pocos miliamperios. Deje el potenciómetro ajustado en una posición que dé un número redondo de miliamperios y mueva la sonda de prueba negra del medidor a TP3. La indicación actual debería ser casi la misma que antes. Mueva la sonda a TP2 y luego a TP1. Nuevamente, deberías ver una cantidad casi sin cambios de corriente. Intente ajustar el potenciómetro a otra posición, dando una indicación de corriente diferente, y toque la sonda negra del medidor para probar los puntos TP1 a TP4, observando la estabilidad de las indicaciones de corriente a medida que cambia la resistencia de carga. Esto demuestra el comportamiento regulador de corriente de este circuito.

Debe tener en cuenta que la regulación vigente no es perfecta. A pesar de regular la corriente en casi el valor para resistencias de carga entre 0 y 4.5 kΩ, hay alguna variación en este rango. La regulación puede ser mucho peor si se permite que la resistencia a la carga aumente demasiado. Intente ajustar el potenciómetro para que se obtenga la corriente máxima, como se indica con la sonda de prueba amperímetro conectada a TP1. Dejando el potenciómetro en esa posición, mueva la sonda del medidor a TP2, luego TP3, luego TP4 y finalmente TP5, observando la indicación del medidor en cada punto de conexión. La corriente debe regularse a un valor casi constante hasta que la sonda del medidor se mueva al último punto de prueba, TP5. Allí, la indicación de corriente será sustancialmente menor que en los otros puntos de prueba. ¿Por qué es esto? Porque se ha insertado demasiada resistencia a la carga en el circuito de Q ₂. En pocas palabras, Q ₂ no puede “encenderse” más de lo que ya tiene, para mantener la misma cantidad de corriente con esta gran resistencia de carga que con resistencias de carga menores.

Este fenómeno es común a todos los circuitos reguladores de corriente: hay una cantidad limitada de resistencia que un regulador de corriente puede manejar antes de que se sature. Esto es razonable, ya que cualquier circuito regulador de corriente capaz de suministrar una cantidad constante de corriente a través de cualquier resistencia de carga imaginable requeriría una fuente ilimitada de voltaje para hacerlo! La Ley de Ohm (E=IR) dicta la cantidad de voltaje necesario para empujar una cantidad dada de corriente a través de una cantidad dada de resistencia, y con solo 12 voltios de voltaje de fuente de alimentación a nuestra disposición, definitivamente existe un límite finito de corriente de carga y resistencia a la carga para este circuito. Por esta razón, puede ser útil pensar en los circuitos reguladores de corriente como circuitos limitadores de corriente, ya que todo lo que realmente pueden hacer es limitar la corriente a algún valor máximo.

Una advertencia importante para los circuitos de espejo de corriente, en general, es la de igual temperatura entre los dos transistores. El “reflejo” de corriente que tiene lugar entre los circuitos colectores de los dos transistores depende de las uniones base-emisor de esos dos transistores que tienen exactamente las mismas propiedades. Como describe la “ecuación de diodo”, la relación voltaje/corriente para una unión PN depende en gran medida de la temperatura de unión. Cuanto más caliente sea una unión PN, más corriente pasará para una cantidad dada de caída de voltaje. Si un transistor se calentara más que el otro, pasará más corriente de colector que el otro, y el circuito ya no “reflejará” la corriente como se esperaba. Al construir un circuito de espejo de corriente real usando transistores discretos, los dos transistores deben estar pegados de epoxi (espalda con espalda) para que permanezcan aproximadamente a la misma temperatura.

Para ilustrar esta dependencia de igual temperatura, intenta agarrar un transistor entre tus dedos para calentarlo. ¿Qué sucede con la corriente a través de las resistencias de carga a medida que aumenta la temperatura del transistor? Ahora, suelte el transistor y sople sobre él para enfriarlo a temperatura ambiente. Agarra el otro transistor entre tus dedos para calentarlo. ¿Qué hace ahora la corriente de carga?

En esta siguiente fase del experimento, permitiremos intencionalmente que uno de los transistores se sobrecaliente y note los efectos. Para evitar dañar un transistor, este procedimiento debe realizarse no más tiempo del necesario para observar que la corriente de carga comienza a “huir”. Para comenzar, ajuste el potenciómetro para corriente mínima. A continuación, reemplace la resistencia _límite R de 10 kΩ por una resistencia de 1.5 kΩ. Esto permitirá que una corriente más alta pase a través de Q ₁, y en consecuencia también por Q ₂.

Coloque la sonda negra del amperímetro en TP1 y observe la indicación de corriente. Mueva el potenciómetro en la dirección de aumentar la corriente hasta que lea aproximadamente 10 mA a través del amperímetro. En ese punto, deja de mover el potenciómetro y solo observa la corriente. Notarás que la corriente comienza a aumentar por sí sola, ¡sin más movimiento del potenciómetro! Rompe el circuito retirando la sonda del medidor de TP1 cuando la corriente supere los 30 mA, para evitar dañar el transistor Q ₂.

Si tocas cuidadosamente ambos transistores con un dedo, debes notar que Q ₂ está caliente, mientras que Q ₁ está frío. Advertencia: si se ha permitido que la corriente de Q ₂ “huya” demasiado lejos o durante demasiado tiempo, ¡puede que se ponga muy caliente! Puedes recibir una mala quemadura en la yema del dedo tocando un componente semiconductor sobrecalentado, ¡así que ten cuidado aquí!

¿Qué acaba de pasar para que Q ₂ se sobrecaliente y pierda el control de corriente? Al conectar el amperímetro a TP1, se eliminó toda la resistencia de carga, por lo que Q ₂ tuvo que bajar el voltaje completo de la batería entre el colector y el emisor ya que regulaba la corriente. El transistor Q ₁ al menos tenía la resistencia de 1.5 kΩ del _límite R en su lugar para bajar la mayor parte del voltaje de la batería, por lo que su disipación de potencia fue mucho menor que la de Q ₂. Este desequilibrio bruto de disipación de potencia provocó que Q ₂ calentara más de _Q1. A medida que aumentaba la temperatura, Q ₂ comenzó a pasar más corriente por la misma cantidad de caída de voltaje base-emisor. Esto provocó que se calentara aún más rápido, ya que pasaba más corriente de colector mientras seguía cayendo los 12 voltios completos entre colector y emisor. El efecto se conoce como fuga térmica, y es posible en muchos circuitos de transistores de unión bipolar, no solo en los espejos de corriente.

SIMULACIÓN COMPU

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (hacer un archivo de texto que contenga el siguiente texto, textualmente):

El _amperímetro V no es más que una batería de CC de cero voltios estratégicamente colocada para interceptar la corriente de carga. Esto no es más que un truco para medir la corriente en una simulación SPICE, ya que no existe ningún componente dedicado “amperímetro” en el lenguaje SPICE.

Es importante recordar que SPICE sólo reconoce los primeros ocho caracteres del nombre de un componente. El nombre “vammeter” está bien, pero si tuviéramos que incorporar más de una fuente de voltaje de medición de corriente en el circuito y nombrarlos “vammeter1” y “vammeter2”, respectivamente, SPICE los vería como dos instancias del mismo componente “vammeter” (viendo solo los primeros ocho caracteres) y se detendría con un error. ¡Algo a tener en cuenta a la hora de alterar el netlist o programar tu propia simulación SPICE!

Tendrás que experimentar con diferentes valores de resistencia de _carga R en esta simulación para apreciar la naturaleza de regulación de corriente del circuito. Con _{el límite} R establecido en 10 kΩ y una tensión de alimentación de 12 voltios, la corriente regulada a través de la _carga R será de 1.1 mA. SPICE muestra que la regulación es perfecta (¿no es tan agradable el mundo virtual de la simulación por computadora?) , la corriente de carga restante en 1.1 mA para una amplia gama de resistencias de carga. Sin embargo, si la resistencia de carga se incrementa más allá de 10 kΩ, incluso esta simulación muestra que la corriente de carga sufre una disminución como en la vida real.