Strujni aktivni električni izvor

Strujni izvori se u pravilu koriste razmjerno rijetko u elektrotehnici. Zbog velikog unutarnjeg otpora električnog izvora praktički se sva snaga gubi u samom izvoru što je s energetskog stanovišta neprihvatljivo. Međutim, na području elektronike se javlja potreba za strujnim izvorom kao dijelom složenijeg sklopa (generatora pilastog napona, sklopova unutar pojačala i sl.). Takvi strujni izvori izvedeni su aktivnim elektroničkim elementima s posebnim dinamičkim svojstvima te ih kao takve smatramo u širem smislu strujnim aktivnim električnim izvorima.

Strujni aktivni električni izvor

Strujni električni izvori ili izvori konstantne struje izvedeni su aktivnim elektroničkim elementima u užem smislu, dakle prvenstveno silicijskim PNP i NPN bipolarnim tranzistorima te unipolarnim JFET i MOSFET tranzistorima, a zbog njihova velikog dinamičkog unutrašnjeg otpora.

Jednostavan strujni električni izvor s tranzistorom

Slika 1

Jednostavan strujni električni izvor ili izvor konstantne struje prikazan je na slici 1. Zener dioda DZ1 stabilizira napon na bazi tranzistora Q1 u odnosu na referentni zajednički potencijal (često nazvan masa, odn. uzemljenje). Uz ispravan izbor radnih točaka Zener diode i tranzistora te strujnog pojačanja tranzistora, kolektorska struja koja teče kroz opterećenje bit će praktički jednaka emiterskoj struji i isključivo ovisna o vrijednosti električnog otpora R2. Unutarnji otpor ovakvog izvora konstantne struje jednak je dinamičkom izlaznom otporu tranzistora koji je u ovakvim uvjetima izrazito velik te se prikazana izvedba u stvarnoj izvedbi po svojim karakteristikama ne razlikuje puno od idealnog strujnog izvora. Nazivna vrijednost otpora R2 određena je na temelju poznatih veličina sljedećom jednakosti:

$R_{2}={\frac {U_{Z}-U_{BE}}{I_{R2}}}$

odnosno:

$R_{2}={\frac {U_{Z}-0.6}{I_{R2}}}$

jer je U_BE otprilike jednak O.6 V za silicijeve tranzistore i relativno male emiterske struje. U jednakosti je Uz nazivni napon Zener diode, a I_R2 je emiterska struja tranzistora - u uvjetima velikog strujnog pojačanja tranzistora Q1 vrlo približno jednaka kolektorskoj struji, odnosno konstantnoj struji strujnog izvora. Nazivna vrijednost otpora R₁ nije kritična za rad sklopa i odabire se na način da se za prikazani sklop diodi DZ1 postavi radna struja od kojih 1-2 mA.

Jednostavan strujni izvor s tranzistorom i diodnom kompenzacijom

Slika 2

Struja koju daje strujni izvor prikazan na slici 1 nije toplinski dovoljno stabilna. Naime, zagrijavanjem tranzistora Q iz bilo kojeg razloga smanjuje se napon U_BE tranzistora što će imati za posljedicu i porast konstantne struje. Takva neželjena pojava kompenzira se propustno polariziranom diodom D (načinjenom od istog poluvodičkog materijala kao i tranzistor) koja će svojom U/I karakteristikom, a iz razloga što se nalazi na otprilike istoj temperaturi kao i tranzistor, kompenzirati toplinski porast kolektorske struje tranzistora Q1 (Slika 2). Nazivna vrijednosti otpora R₂ izražena je dovoljno točno sljedećom jednakosti:

$R_{2}={\frac {U_{Z}}{I_{R2}}}$

opravdano pretpostavljajući da je propustni napon na diodi D vrlo približno jednak naponu U_BE tranzistora Q1. Strujni izvori prema slici 1 i 2 imaju kvalitetnije karakteristike ako je nazivni napon Zener diode viši i ako je otpor R₂ veći (manje vrijednosti konstantne struje na izlazu). Važno je radne točke postaviti tako da radna točka tranzistora Q bude uvijek u radnom području, a izvan područja zasićenja.

Upravljani strujni električni izvori

Aktivne strujne električne izvore u užem smislu čine elektronički sklopovi izvedeni aktivnim elektroničkim elementima sa svojstvom pojačanja, gdje je struja izvora ovisna o ulaznom naponu ili struji.

Elektronska cijev kao upravljan aktivni strujni električni izvor

Elektronsku cijev primarno smatramo strujnim aktivnim izvorom gdje istosmjerna anodna struja ovisi o ulaznom naponu $u_{g}\,$ koji se pojavljuje između rešetke i katode elektronske cijevi. Razmatramo li takvu ovisnost za male izmjenične napone i struje, elektronsku cijev možemo predočiti aktivnim strujnim izvorom nazivne struje:

${i_{a}}=Su_{g},\,$

gdje je S strmina elektronske cijevi (mA/V) i unutarnjeg dinamičkog otpora:

$R_{i}=\left|{\frac {\vartriangle U_{a}}{\vartriangle I_{a}}}\right|_{U_{g}=konst}$

gdje je napon na opteretnom otporu ovisan o međusobnom odnosu opteretnog otpora i unutarnjeg otpora elektronske cijevi.

Bipolarni tranzistor kao upravljan aktivni strujni električni izvor

Bipolarni tranzistor predstavlja za izmjenični električni signal strujno upravljan električni izvor struje i predstavljamo ga nadomjestnim izvorom nazivne struje:

${i_{c}}=h_{FE}i_{ul}\,$,

gdje je $h_{FE}$ dinamički faktor strujnog pojačanja, a $i_{ul}\,$ pobudna struja koja teče kroz bazu bipolarnog tranzistora. Unutarnji dinamički otpor tranzistora određen je kao:

$R_{i}=\left|{\frac {\vartriangle U_{c}}{\vartriangle I_{c}}}\right|_{I_{b}=konst}$,

gdje je napon na opteretnom otporu ovisan o međusobnom odnosu opteretnog otpora i unutarnjeg otpora bipolarnog tranzistora.

Unipolarni tranzistor kao upravljan aktivni strujni električni izvor

Unipolarni tranzistor prikazujemo za izmjenični električni signal nadomjestnim naponski upravljanim strujnim električnim izvorom nazivne struje:

${i_{s}}=Ku_{ul}\,$

gdje je K strmina unipolarnog tranzistora u radnoj točki izražena u mA/V, $u_{ul}\,$ izmjenični napon koji se pojavljuje između vratiju (gate) i odvoda (drain) unipolarnog tranzistora, a $i_{S}\,$ izlazna struja. Unutarnji dinamički otpor unipolarnog tranzistora je u pravilu vrlo velik i možemo ga općenito odrediti kao:

$R_{i}=\left|{\frac {\vartriangle U_{S}}{\vartriangle I_{S}}}\right|_{U_{G}=konst}$,

gdje je su oznake S: izvor, a G: vrata. U strujnim krugovima s unipolarnim tranzistorom napon na opteretnom otporu ovisan je praktički isključivo o opteretnom otporu.

Primjena

Upravljani električni izvori od iznimne su važnosti na području elektronike jer čine nezamjenljivu osnovicu izvedbe pojačala i brojnih drugih elektroničkih sklopova i uređaja.

Literatura

• Jelaković T. “Tranzistorska audiopojačala”, Školska knjiga, 1973.
• Kerr R.B. “Electrical Network Science”, Prentice-Hall Inc., 1977.
• Weinberg L. “Network Analysis and Synthesis”, McGraw-Hill Book Company, 1962.