อ่างล้างจานคงที่ในปัจจุบันนี้ทำงานอย่างไร?

ฉันใช้งานแหล่งจ่ายกระแสคงที่และใช้งานได้อย่างน่าอัศจรรย์ แต่ฉันหวังว่าจะลองและเข้าใจมันเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย! นี่คือวงจรของคำถาม:

ฉันได้ลองทำการค้นหาบนเว็บและพบว่ามันค่อนข้างยากที่จะหาสิ่งที่เป็นทฤษฎีในวงจรนี้ที่อธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นจริงกับทุกสิ่ง ผมไม่พบว่าปัจจุบันผ่านทรานซิสเตอร์สามารถพบได้ง่ายๆโดยการใช้

หากใครจะสามารถส่องแสงนี้ฉันจะขอบคุณมาก

วงจรนี้ใช้ความคิดเห็นเชิงลบและใช้ประโยชน์จากแอมป์สหกรณ์สูงมาก แอมป์สหกรณ์จะพยายามเก็บอินพุทที่ไม่ใช่อินเวอร์เตอร์และอินเวอร์เตอร์ไว้ที่แรงดันไฟฟ้าเดียวกันเนื่องจากมีอัตราขยายที่สูงมาก จากนั้นตามกฎของโอห์ม$V_{\text{set}}$

ข้อเสนอแนะเชิงลบทำให้แอมป์สหกรณ์ปรับแรงดันไฟฟ้าฐานทรานซิสเตอร์เพื่อให้อย่างต่อเนื่องแม้จะมีโหลดที่แตกต่างกัน หากโหลดที่แตกต่างทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นชั่วคราวในฉันตั้งไว้แรงดันไฟฟ้าที่อินพุตของการสลับของแอมป์จะสูงขึ้นเหนืออินพุตที่ไม่กลับหัวชั่วคราว นี่เป็นสาเหตุที่ส่งออกแอมป์สหกรณ์ที่จะลดลงซึ่งช่วยลดทรานซิสเตอร์V B Eและดังนั้นจึงของฉันC ≈ ฉันชุด$I_{\text{set}}$$I_{\text{set}}$$V_{BE}$$I_{C} \approx I_{\text{set}}$

ในทำนองเดียวกันหากการโหลดที่แตกต่างกันทำให้เกิดการลดลงชั่วคราวในแล้วแรงดันไฟฟ้าที่อินพุทการแปลงของแอมป์สหกรณ์จะลดลงต่ำกว่าอินพุตที่ไม่ได้กลับเข้ามาชั่วคราว ซึ่งจะทำให้การส่งออกแอมป์สหกรณ์ที่เพิ่มขึ้นซึ่งจะเป็นการเพิ่มทรานซิสเตอร์V B Eและฉัน C$I_{\text{set}}$$V_{BE}$$I_{C}$

opamp ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์รับเอกภาพแม้ว่ามันอาจจะไม่ชัดเจน:

กฎสำหรับ opamps คือเอาท์พุททำทุกอย่างที่มันต้องทำเพื่อให้อินพุตทั้งสองเท่ากันโดยที่มันไม่ได้คลิปแน่นอน (วิ่งเข้าไปที่แหล่งจ่ายของตัวเอง

ทรานซิสเตอร์ถูกใช้เป็นผู้ติดตามตัวส่งซึ่งแรงดันของตัวส่งจะตามด้วยแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานลบด้วยไดโอดที่ลดลงจากทางแยก PN

ใส่สองตัวเข้าด้วยกันแล้วคุณจะเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าที่ด้านบนของ Rset เหมือนกับ Vset แรงดันไฟฟ้าที่รู้จักกันในความต้านทานที่รู้จักเท่ากับกระแสที่รู้จักผ่านความต้านทานนั้น ในทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่การมีส่วนร่วมพื้นฐานของกระแสอีซีแอลนั้นน้อยมากดังนั้นคุณจะได้รับกระแสเท่าเดิมผ่านโหลดเช่นกันโดยไม่คำนึงถึงแรงดันหรือความต้านทานของอุปทาน แต่ถ้าคุณใช้มันสำหรับการออกแบบที่จริงจังมันจะไม่เจ็บที่จะตรวจสอบความไม่ถูกต้องนี้กับชิ้นส่วนเฉพาะของคุณ

วิธีที่ฉันชอบมองเห็นมันคือการพิจารณาทรานซิสเตอร์เป็นตัวต้านทานตัวแปรที่ opamp ปรับโดยอัตโนมัติเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่ opamp ของ - อินพุตเท่ากับแรงดันใน + อินพุตของมัน

ด้วยวิธีนี้เนื่องจากกระแสในวงจรอนุกรมนั้นมีอยู่ทุกหนทุกแห่งกระแสในโหลดทรานซิสเตอร์ชุมทาง CE และ Rset จะต้องเหมือนกันและหากแรงดันไฟฟ้าที่ด้านบนของ Rset ไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจาก opamp บังคับให้มันเท่ากัน เป็น Vset ดังนั้นกระแสจะไม่เปลี่ยนแปลงและกระแสผ่านการโหลดไม่สามารถทำได้เช่นกัน

อีกวิธีหนึ่งคือการสร้างแบบจำลองแอมป์สหกรณ์เป็นผลกำไรที่แน่นอนและการ จำกัด

นี้จะช่วยให้การส่งออกแอมป์สหกรณ์เป็นจากการที่เรามีK ( V ชุด - ผมโหลดR ชุด ) = ฉันโหลดR ชุด + 0.7 การหารด้วยKและให้K → ∞ให้ผลลัพธ์ที่ต้องการฉันโหลด = V $K(v_\text{set}-I_\text{load} R_\text{set})$$K(V_\text{set}-I_\text{load} R_\text{set}) = I_\text{load} R_\text{set} + 0.7$$K$$K \to \infty$ชุด$I_\text{load} = { V_\text{set} \over R_\text{set} }$

อีกวิธีที่ง่าย แต่แม่นยำในการดูสิ่งนี้คือการใช้ทฤษฎีความคิดเห็น:

เอาท์พุท Op Amp เป็นเพียงการเพิ่มขึ้นของ Op Amp (A) คูณความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่อินพุต หากเราเรียกแรงดันไฟฟ้าที่ตัวต้านทาน (เนื่องจากเรายังไม่รู้ว่ามันคืออะไร) ดังนั้นเอาต์พุตของแอมป์สหกรณ์คือ:$V_x$

ตอนนี้เรารู้ว่าเมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่จะมีแรงดันไฟฟ้าคงที่ข้ามทางแยกอีซีแอลเบสดังนั้นเราจึงสามารถเขียน:$V_{\text{be}}$

แทนสิ่งนี้ในสมการเราได้รับ:$V_o$

หรือ:

ดังนั้นเราจะจัดเรียงใหม่:

$\frac{A}{A+1}$

ดังนั้น:

อย่างไรก็ตามเราเขียนข้างต้นว่า:

$V_o$

And obviously, $I_{\text{set}}=\frac{V_{\text{set}}}{R_{\text{set}}}$, which you already knew.

My answer is likely more than you bargained for but if you’re curious, you’ll appreciate the effort I put into it.

A typical OP AMP has an open-loop gain of at least 100,000 (very high). Its output takes the difference of its inputs ( $V_{+} - V_{-}$ ) and multiplies them by its gain $A_{v}$. $V_{o} = A_{v} * ( V_{+} - V_{-} )$. Here, $V_{+}$ = non-inverting input and $V_{-}$ = inverting input. Assuming the op amp’s output is only a few volts, then the difference voltage at the input is 1/100,000 the output. This difference may be a few microvolts which when compared to $V_{o}$ is much, much smaller (this difference voltage is for all intents and purposes approximately zero volts).

In a closed-loop configuration, such as this one, $V_{+}$ is said to be virtually the same as $V_{-}$. Since, $V_{+} = V_{set}$ and because the input voltage difference is “zero”, $V_{-} = V_{set}$. $V_{-}$ is connected to the top of $R_{set}$ and the emitter of the bipolar transistor, thus $V_{set}$ also appears across $R_{set}$. So, $V_{set}$ controls the magnitude of Iset through $R_{set}$ and, with the negative feedback arrangement of the circuit, the op amp delivers whatever base current is required by the transistor to maintain $V_{set}$ at its emitter.

The transistor itself has gain (typical gain = ${ I_{collector} \over I_{base} } > 40$ for a power transistor). Assume $I_{emitter} \sim I_{collector}$.

Note that the base current delivered by the op amp comes from the op amp’s +V supply (not shown in the schematic) and not $V_{set}$ which “sees” the very high impedance of the non-inverting input ($Z_{in}$ to either (+) or (-) op amp inputs is very high, typically megaohms or higher). $V_{set}$ need not have much drive capability because its load, the $V_{+}$ input, demands essentially no significant current. If $V_{supply}$ (above the collector resistor) varies or the collector resistor value varies, $I_{load}$ remains unchanged providing $V_{supply}$ and $R_{collector}$ don’t go outside the circuit’s operating limits.

Consider what happens as $V_{supply}$ decreases. Feedback will cause the op amp’s output to increase the transistor’s base current so it conducts more and lowers its $V_{CE}$ to maintain the same voltage drop across $R_{collector}$ to keep $I_{load}$ constant. At some point, the transistor will be fully on (saturation is the best it can do with $V_{CE(on)} ~ 0.3V$). A further decline in $V_{supply}$ will result in a decreasing $I_{load}$ despite the negative feedback. There is no longer enough $V_{supply}$ voltage to keep $I_{load}$ constant and the circuit no longer functions as intended. If $V_{supply}$ increases, the op amp drives less base current into the transistor, which conducts less, raising its $V_{CE}$, to maintain the same voltage drop across $R_{collector}$ to keep $I_{load}$ constant. A point will be reached that exceeds the transistor’s $V_{CE}$ rating or its power rating ($I_{load}$ may be constant but $V_{CE}$ x $I_{load}$ is increasing) and it will fail. What happens if $R_{collector}$ varies when $V_{supply}$ is within limits? If $R_{collector}$ resistance increases, the op amp will make the transistor conduct more, decreasing its $V_{CE}$, to increase the voltage drop across $R_{collector}$ to keep $I_{load}$ constant. Eventually the transistor is fully on (saturated) and as $R_{collector}$ resistance rises further, $I_{load}$ begins to decrease because the circuit cannot continue to increase the voltage drop across $R_{collector}$ ($V_{supply}$ voltage is not high enough to achieve this).

If $R_{collector}$ resistance decreases toward zero, the op amp will lower base current and the transistor will conduct less to reduce the voltage drop across $R_{collector}$ to maintain $I_{load}$ constant and its $V_{CE}$ will increase. The transistor will dissipate more power because it will have a greater voltage drop across it ($V_{supply} - V_{set}$ if $R_{collector} = 0 ohm$). If it cannot handle the higher power, it will fail. It may seem odd that a transistor conducting less dissipates more power but this is so because it’s operating within its active region where both Ic (normally constant) and $V_{CE}$ are significant and their product (power dissipated by the transistor in the form of heat) is well above zero. A fully on (saturated) transistor operates with lower power dissipation because its $V_{CE(on)}$ is very low for the same, constant current.

In conclusion, this circuit operates as a constant current sink but only within certain $V_{supply}$, $R_{collector}$ and transistor power limits. These operating limits must also be considered during design.