O sursă de curent constant FET (Field Effect Transistor) este un tip de circuit activ care folosește un tranzistor cu efect de câmp pentru a furniza o cantitate constantă de curent unui circuit. Dar de ce ai vrea un curent constant? Sursele de curent constant și absorția de curent (o absorbție de curent este inversul unei surse de curent) sunt un mod foarte simplu de a forma circuite de polarizare sau referințe de tensiune cu o valoare constantă a curentului, de exemplu, 100 μA, 1 mA sau 20 mA folosind doar un singur FET și rezistor.

Sursele de curent constant sunt utilizate în mod obișnuit în circuitele de încărcare a condensatoarelor în scopuri de sincronizare exactă sau în aplicațiile de încărcare a bateriei reîncărcabile, precum și în circuitele liniare cu LED-uri pentru comanda șirurilor de LED-uri la o luminozitate constantă. Referințele de tensiune rezistive pot fi, de asemenea, formate folosind surse de curent constante, deoarece dacă știți valoarea rezistenței și curentul care curge prin ea este constant și stabil, atunci puteți utiliza pur și simplu legea lui Ohm pentru a găsi căderea de tensiune. Însă, cheia creării unei surse de curent constant exacte și fiabile depinde de utilizarea FET cu transconductanță scăzută, precum și de valorile rezistorului de precizie pentru a converti curentul într-o tensiune precisă și stabilă.

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt utilizate în mod obișnuit pentru a crea o sursă de curent cu Junction-FET (JFET) și Metal-oxid Semiconductor MOSFET fiind deja utilizate în aplicații cu sursă de curent redus. În forma sa cea mai simplă, JFET poate fi utilizat ca un rezistor controlat de tensiune, unde o mică tensiune a porții controlează conducția canalului său. Am văzut în tutorialul nostru despre JFET-uri că JFET-urile sunt dispozitive de epuizare și că JFET-ul cu canal-N este un dispozitiv „normal-ON”, până când tensiunea poartă-sursă (VGS) devine suficient de negativă pentru a-l comuta "OFF". JFET canal-P, care este, de asemenea, un dispozitiv de epuizare „normal-ON” necesită ca tensiunea porții să devină suficient de pozitivă pentru a comuta "OFF".

Polarizarea JFET cu canal-N

Imaginea prezintă aranjamentul și conexiunile standard pentru o sursă comună configurată cu JFET canal-N cu polarizare normală atunci când este utilizat în regiunea sa activă. Aici tensiunea poartă-sursă VGS este egală cu sursa de poartă sau tensiunea de intrare VG care setează polarizarea inversă între poartă și sursă, în timp ce VDD asigură tensiunea drenă-sursă și circulația de curent din sursa de alimentare de la drenă (D) la sursă (S). Acest curent ce intră în terminalul drenă al JFET este etichetat ID.

Tensiunea drenă-sursă VDS este căderea de tensiune directă a JFET și este o funcție de curentul de drenă, ID pentru diferite valori ale VGS. Când VDS este la valoarea sa minimă, canalul conductiv al JFET este complet deschis și ID este la valoarea sa maximă, care se numește curent de saturație drenă-sursă ID(sat) sau pur și simplu IDSS. Când VDS este la valoarea sa maximă, canalul conductiv al JFET este complet închis, (blocat), așa că ID se reduce la zero, cu tensiunea drenă-sursă VDS fiind egală cu tensiunea de alimentare la drenă VDD. Tensiunea porții, VGS la care canalul JFET încetează să mai conducă este denumită tensiunea cut-off (de tăiere) a porții VGS(off).

Acest aranjament de polarizare a sursei comune a JFET canal-N determină operarea în stare stabilă a JFET în absența oricărui semnal de intrare, VIN deoarece VGS și ID sunt cantități de stare staționară, adică starea de repaus a JFET.

Astfel, pentru un JFET sursă-comună, tensiunea poartă-sursă VGS controlează cât de mult curent va curge prin canalul conductiv al JFET între drenă și sursă, făcând JFET un dispozitiv controlat de tensiune, deoarece tensiunea sa de intrare controlează curentul său de canal. Ca urmare, putem dezvolta un set de curbe caracteristice de ieșire prin reprezentarea ID versus VGS pentru orice dispozitiv JFET dat.

Caracteristică de ieșire JFET canal-N

JFET ca sursă de curent constant

Putem vedea că JFET cu canal-n este un dispozitiv normal-ON și dacă VGS este suficient de negativ, canalul conductor drenă-sursă se închide (cut-off) și curentul de drenă se reduce la zero. Pentru JFET canal-n, închiderea canalului conductiv între drenă și sursă este cauzată de lărgirea regiunii de epuizare de tip-p în jurul porții până când aceasta închide complet canalul. Regiunile de epuizare de tip-n închid canalul pentru un JFET canal-p.

Deci, setând tensiunea poartă-sursă la o anumită valoare negativă fixă ​​predeterminată, putem face ca JFET să conducă curent prin canalul său la o anumită valoare între zero amperi și respectiv IDSS. Considerați circuitul de mai jos.

Polarizare JFET cu tensiune zero

Am văzut că curbele caracteristice de ieșire ale JFET sunt un grafic de ID versus VGS pentru o VDS constantă. Dar am observat, de asemenea, că curbele JFET nu se schimbă foarte mult cu modificări mari în VDS, iar acest parametru poate fi foarte util în stabilirea unui punct de funcționare fix al canalului conductiv.

Cea mai simplă sursă de curent constant este cu terminalul porții JEFT scurtcircuitat la terminalul sursă, așa cum se arată, canalul conductiv al JFET este deschis, astfel încât fluxul de curent prin el va fi aproape de valoarea sa maximă IDSS, datorită faptului că JFET operează în regiunea de curent saturat. Dar, operarea și performanța unei astfel de configurații de curent constant este destul de slabă, deoarece JFET este în permanență în plină conducție, cu valoarea curentului IDSS depinzând complet de tipul dispozitivului.

De exemplu, seria JFET canal-n 2N36xx sau 2N43xx are doar câțiva miliamperi (mA), în timp ce seria J1xx sau PN4xxx cu canal-n mai larg poate avea câteva zeci de miliamperi. De asemenea, rețineți că IDSS va varia foarte mult între dispozitivele cu același număr de piesă pe care producătorii le indică pe fișele lor de date, valorile minime și maxime ale acestui curent de drenă la tensiune de poartă zero, IDSS.

Un alt punct de remarcat este că un FET este în esență un rezistor controlat de tensiune al cărui canal conductor are o valoare rezistivă în serie cu terminalele drenă și sursă. Această rezistență a canalului se numește RDS. După cum am văzut, atunci când VGS = 0, curentul maxim drenă-sursă curge, prin urmare rezistența canalului JFET RDS trebuie să fie la minimum, și acest lucru este adevărat.

Dar, rezistența canalului nu este complet zero, ci la o valoare ohmică scăzută definită de geometria de fabricație a FET și care poate fi la fel de mare ca 50 de ohmi. Atunci când un FET conduce, această rezistență a canalului este cunoscută în mod obișnuit sub denumirea de RDS(ON) și este la valoarea sa minimă rezistivă atunci când VGS = 0. Astfel o valoare ridicată a RDS(ON) are ca rezultat un IDSS scăzut și invers.

Deci, un JFET poate fi polarizat pentru a funcționa ca un dispozitiv sursă de curent constant la orice valoare de curent sub curentul său de saturație, IDSS când VGS este egal cu zero volți. Când VGS este la nivelul său de tensiune cut-off VGS(off) va exista curent de drenă zero, (ID = 0) deoarece canalul este închis. Astfel curentul de drenă al canalului, ID, va curge întotdeauna atâta timp cât dispozitivul JFET este acționat în regiunea sa activă, așa cum se arată mai jos.

Curba de transfer JFET

Rețineți că pentru un JFET cu canal-P, tensiunea cut-off VGS(off) va fi o tensiune pozitivă, dar curentul său de saturație, IDSS obținut atunci când VGS este egal cu zero volți, va fi același ca pentru un dispozitiv cu canal-N. De asemenea, observați că curba de transfer este neliniară deoarece curentul de drenă crește mai repede prin canalul deschis pe măsură ce VGS se apropie de zero volți.

Polarizarea JFET cu tensiune negativă

Ne amintim că JFET este un dispozitiv cu mod de epuizare care este întotdeauna „ON”, deci necesită o tensiune de poartă negativă pentru JFET-urile cu canal-N și o tensiune de poartă pozitivă pentru JFET-urile cu canal-P pentru a le comuta „OFF”. Polarizarea unui JFET canal-N cu o tensiune pozitivă sau polarizarea unui JFET canal-P cu o tensiune negativă va deschide canalul conductiv chiar forțând curentul canalului, ID dincolo de IDSS.

Dar dacă folosim curbele caracteristice ID față de VGS, putem seta VGS la un anumit nivel de tensiune negativă, să spunem -1V, -2V sau -3V pentru a crea o sursă de curent constantă JFET fixă, indiferent de nivelul de curent pe care îl dorim între zero și IDSS. Dar pentru o sursă de curent constantă mai exactă cu o reglare îmbunătățită, este mai bine să polarizați JFET la aproximativ 10% până la 50% din valoarea sa maximă IDSS. Acest lucru ajută și la pierderile de putere I²*R prin canalul rezistiv și, prin urmare, la efectul de încălzire redus.

Deci, putem vedea că prin polarizarea terminalului de poartă al unui JFET cu o anumită valoare de tensiune negativă sau o tensiune pozitivă pentru un JFET canal-P, putem stabili punctul său de operare permițând canalului să conducă și să treacă o anumită valoare a curentului de drenă, ID. Pentru diferite valori ale VGS, un curent de drenă JFET ID poate fi exprimat matematic ca fiind:

Ecuația curentului de drenă JFET

Exemplu nr. 1 de sursă de curent constant FET

Fișa tehnică a producătorilor pentru un JFET de comutare cu canal-N J109 arată că are un IDSS de 40 mA când VGS = 0 și o valoare maximă VGS(off) de -6,0 volți. Folosind aceste valori declarate, calculați valoarea curentului de drenă a JFET atunci când VGS = 0, VGS = -2 volți și când VGS = -5 volți. De asemenea, arătați curba caracteristică de transfer a lui J109.

1). Când VGS = 0 V

Când VGS = 0V canalul conductiv este deschis și circulă curentul maxim de drenă.

Astfel ID = IDSS = 40mA.

2). Când VGS = -2 V

3). Când VGS = -5V

4). Curba caracteristică de transfer J109

Astfel putem vedea că, pe măsură ce tensiunea poartă-sursă VGS se apropie de tensiunea cut-off poartă-sursă VGS(off), curentul de drenă ID scade. În acest exemplu simplu, am calculat curentul de drenă în două puncte, dar calculând folosind valori suplimentare de VGS între zero și cut-off ne-ar da o formă mai exactă a curbei.

Sursa de curent JFET

Un JFET poate funcționa ca o sursă de curent constant controlată de tensiune ori de câte ori joncțiunea sa poartă-sursă este polarizată invers, iar pentru un dispozitiv cu canal-N avem nevoie de un -VGS și pentru un dispozitiv cu canal-P avem nevoie de un +VGS. Problema este că JFET necesită două surse de tensiune separate, una pentru VDD și alta pentru VGS. Dar, dacă plasăm un rezistor între sursă și masă (0 volți), putem realiza aranjamentul necesar de auto-polarizare VGS pentru ca JFET să funcționeze ca o sursă de curent constant utilizând doar tensiunea de alimentare VDD. Considerați circuitul de mai jos.

La prima vedere s-ar putea să credeți că această configurație arată foarte asemănător cu un circuit de JFET cu drenă-comună (urmăritor de sursă) pe care l-am văzut în tutorialul JFET. Însă, diferența de această dată este că, în timp ce terminalul poartă al FET este încă legat în mod direct la masă (VG = 0), terminalul sursă este la un anumit nivel de tensiune deasupra tensiunii zero a masei, datorită căderii de tensiune pe rezistorul sursă RS. Prin urmare, cu un curent de canal care curge prin rezistorul sursei externe, tensiunea poartă-sursă a JFET va fi mai mică decât (mai negativă decât) zero (VGS < 0).

Rezistorul sursei externe, RS furnizează o tensiune de feedback care este utilizată pentru auto-polarizarea terminalului porții JFET menținând curentul de drenă constant prin canal, în ciuda oricăror modificări ale tensiunii drenă-sursă. Astfel, singura sursă de tensiune de care avem nevoie este tensiunea de alimentare VDD pentru a furniza curentul de drenă și polarizarea.

Deci, JFET folosește căderea de tensiune pe rezistorul sursei (VRS) pentru a seta tensiunea de polarizare a porții VGS și, prin urmare, curentul canalului așa cum am văzut mai sus. Astfel, creșterea valorii rezistive a lui RS va reduce curentul de drenă al canalului ID și invers. Dar dacă ne-am dorit să construim un circuit JFET de sursă de curent constant, care ar fi o valoare corespunzătoare pentru acest rezistor de sursă extern RS?

Fișele de date ale producătorilor pentru un anumit JFET canal-N ne vor oferi valorile VGS(off) și IDSS. Cunoscând valorile acestor doi parametri putem transpune ecuația JFET de mai sus pentru curentul de drenă ID pentru a găsi valoarea lui VGS pentru orice valoare dată a curentului de drenă, ID între zero și IDSS așa cum se arată.

Ecuația tensiunii poartă-sursă a JFET

După ce am găsit tensiunea poartă-sursă necesară pentru un curent de drenă dat, valoarea solicitată a rezistorului de polarizare a sursei este găsită prin simpla utilizare a legii lui Ohm, ca R = V/I. Prin urmare:

Exemplul nr. 2 de sursă de curent constant FET

Utilizăm dispozitivul JFET J109 canal-N de deasupra care are un IDSS de 40 mA când VGS = 0 și o valoare maximă VGS(off) de -6,0 volți. Calculați valoarea rezistorului extern al sursei necesară pentru a produce un curent de canal constant de 20 mA și din nou pentru un curent constant de 5 mA.

1). VGS pentru ID = 20 mA

2). VGS pentru ID = 5 mA

Astfel, când VGS(off) și IDSS sunt cunoscute, putem folosi ecuațiile de mai sus pentru a găsi rezistența sursei necesară pentru a polariza tensiunea de poartă pentru un anumit curent de drenă și, în exemplul nostru simplu, aceasta a fost de 87,5 Ω la 20 mA și 776 Ω la 5 mA. Așadar, adăugarea unui rezistor extern de sursă permite reglarea ieșirii sursei de curent.

Dacă ar fi să înlocuim rezistoarele de valoare fixă ​​cu un potențiometru, putem face sursa de curent constant JFET complet reglabilă. De exemplu, am putea înlocui cele două rezistoare sursă din exemplul de mai sus cu un potențiometru de 1 kΩ sau un trimmer. De asemenea, pe lângă faptul că este complet reglabil, acest curent de drenă al circuitului sursă de curent constant JFET va rămâne constant chiar și cu modificări în VDS.

Exemplul nr. 3 Sursa de curent constant FET

Este necesar un JFET canal-N pentru a varia luminozitatea unei sarcini LED roșu rotund de 5 mm între 8 mA și 15 mA. Dacă circuitul sursei de curent constant JFET este alimentat de la o sursă de curent continuu de 12 volți, calculați rezistența sursei JFET necesară pentru iluminarea LED-ului între luminozitate minimă și maximă atunci când comutatorul JFET are o valoare maximă VGS(off) de -4,0 volți și un IDSS de 20 mA când VGS = 0. Desenați schema circuitului.

1). VGS pentru ID = 8 mA

2). VGS pentru ID = 15 mA

Atunci, am avea nevoie de un potențiometru extern capabil să-i varieze rezistența între 67 Ω și 184 Ω. Cea mai apropiată valoare a potențiometrului standard ar fi 200 Ω.

Sursă reglabilă JFET de curent constant

Un potențiometru sau trimmer utilizat pentru rezistența sursei RS ne permite să modificăm sau să reglăm fin curentul care circulă prin canalul conductiv al JFET. Dar, pentru a asigura o bună reglare a curentului prin dispozitivul FET și, prin urmare, un curent stabil, este mai bine să limitați fluxul maxim de curent al canalului prin LED (15 mA în acest exemplu) la 10% și 50% din valoarea IDSS a JFET-ului .

Crearea surselor de curent constant folosind MOSFET permite curenți de canal mult mai mari și o mai bună reglare a curentului și, spre deosebire de JFET, care sunt disponibili numai ca dispozitive în mod de epuizare normal-ON, MOSFET-urile sunt disponibile atât în dispozitive cu ​​mod de epuizare (normal-ON), cât și cu mod de îmbunătățire (normal-OFF) ca tipuri de canal-P sau canal-N, permițând o gamă mai mare de opțiuni de sursă de curent.

Rezumatul sursei de curent constant FET

Am văzut în acest tutorial despre Sursa de curent constant FET că datorită caracteristicilor de rezistență ale canalului, tranzistoarele cu efect de câmp pot fi utilizate pentru a furniza un curent constant unei sarcini și pentru a găsi numeroase aplicații în circuitele electronice unde este necesar să furnizeze un curent fix la o sarcină conectată. Circuitele de curent constant pot fi construite folosind FET-uri în modul de epuizare, dar și folosind BJT (tranzistoare cu joncțiune bipolare) sau o combinație a acestor două dispozitive. Amintindu-ne că JFET este un dispozitiv controlat de tensiune, nu un dispozitiv controlat de curent, cum ar fi tranzistorul cu joncțiune bipolar.

Una dintre caracteristicile principale ale unui tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune sau JFET este că, deoarece este un dispozitiv de epuizare, canalul său conductiv este întotdeauna deschis, astfel încât necesită o tensiune poartă-sursă VGS pentru a-l comuta OFF. Tensiunea VGS(off) necesară pentru un JFET canal-N variază de la 0 volți pentru conducția completă a canalului la o anumită valoare negativă, de obicei mai mulți volți, pentru a bloca JFET complet, închizând canalul. Prin urmare, polarizând terminalul poartă la o anumită valoare fixă ​​între zero și VGS(off), putem controla lățimea stratului de epuizare a canalului și, prin urmare, valoarea sa rezistivă, trecând o cantitate fixă ​​și constantă de curent. Pentru un JFET canal-P, valoarea VGS(off) variază de la 0 volți pentru conducția canalului complet la o anumită valoare pozitivă de mai mulți volți pentru o anumită valoare VDS.

Reglarea și toleranța curentului constant pentru un dispozitiv JFET dat este legată de cantitatea curentului de drenă ID ce trece prin canal. Cu cât curentul de drenă este mai mic printr-un anumit dispozitiv, cu atât este mai bună reglarea. Polarizarea unui JFET între aproximativ 10% și 50% din valoarea sa maximă IDSS va îmbunătăți reglarea și performanța dispozitivelor. Acest lucru se realizează prin conectarea unei rezistențe externe între terminalele sursă și poartă.

Un rezistor de feedback poartă-sursă, așa cum se arată mai sus, oferă auto-polarizarea necesară a JFET, permițându-i să funcționeze ca sursă de curent constant la orice nivel de curent cu mult sub curentul său de saturație IDSS. Această rezistență externă a sursei RS poate avea o valoare rezistivă fixă ​​sau variabilă utilizând un potențiometru.