Показана возможность использования транзисторов переменного тока при создании токовых зеркал, а также генераторов переменного стабильного тока. Токовые зеркала, выполненные на таких транзисторах, при питании обоих их ветвей переменным током одинаковой фазы позволяют при регулировке силы тока в ветви управления пропорционально изменять силу тока в зеркальной ветви. Приведены также схемные решения токовых зеркал с использованием трансформатора, первичная обмотка которого включена в цепь ветви управления, а вторичная подключена к входу управления зеркальной цепью, что позволяет менять коэффициент отражения. При включении трансформатора в цепь нагрузки зеркальной ветви появилась возможность изменения коэффициента передачи токового зеркала пропорционально коэффициенту трансформации, причем сила тока как в первичной, так и во вторичной обмотках трансформатора не изменяется от величины сопротивления нагрузки вплоть до короткого ее замыкания. Такое устройство представляет собой стабилизатор переменного тока с гальванической развязкой или генератор стабильного переменного тока, величину которого можно плавно регулировать в ветви управления.

Токовое зеркало или токовый отражатель представляет собой управляемый входным током генератор выходного тока, в котором соотношение этих токов или коэффициент отражения является величиной постоянной [1–3]. На практике это соотношение выполняется c известной долей приближения. Для идеального токового зеркала коэффициент отражения не зависит от напряжения или иных дестабилизирующих факторов.

Простейшее токовое зеркало содержит два идентичных транзистора, первый из которых, входящий в состав ветви управления, включен по схеме с общим эмиттером, причем его коллектор соединен с базой, а в цепь нагрузки подключен токозадающий резистор [1–3]. Второй транзистор, входящий в состав зеркальной ветви, соединен базой с базой первого транзистора, а в цепь его коллектора включено сопротивление нагрузки. Эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной питания напрямую, либо через резистор (схема Р. Дж. Видлара) [4]. Несложно показать, что изменению тока в коллекторной цепи первого транзистора будет прямо пропорционально отвечать изменение тока в коллекторной цепи второго транзистора.

Токовые зеркала находят широкое применение в аналоговой электронике. Их используют в составе операционных усилителей, компараторов, стабилизаторов тока, различных устройств измерительной техники.

До настоящего времени в составе токовых зеркал использовали биполярные и полевые транзисторы разного типа проводимости. Ниже рассмотрим возможность использования транзисторов переменного тока [5] в схемотехнике токовых зеркал.

На Рисунке 1 приведены схемы транзисторов переменного тока, выполненных с использованием биполярных или полевых транзисторов.

Рисунок 1.	Транзисторы переменного тока на основе: а) биполярных и б) полевых транзисторов, а также их условные обозначения.

Для достижения идентичности характеристик транзисторов переменного тока при положительной или отрицательной полярности питающего напряжения необходимо обеспечить идентичность свойств используемых транзисторов разной проводимости, а также обеспечить их одинаковый температурный режим. Подобные требования обычно также предъявляются к транзисторным сборкам, размещенным в общем корпусе.

Простейший вариант зеркала переменного тока показан на Рисунке 2. Для простоты описания его работы использован внешний источник переменного тока E1, подключенный к первичной обмотке трансформатора T1. Вторичные обмотки трансформатора могут иметь разное количество витков, важна лишь правильная их фазировка. Через резисторы цепи управления R и R1 протекает ток, определяемый соотношением

Рисунок 2.	Зеркало переменного тока.

Точно такой же ток (с известным приближением) протекает в цепи нагрузки R_Н, сопротивление которого может лежать в пределах от нуля до R (R_Н ≤ R). Таким образом, данное устройство выполняет роль стабилизатора переменного тока.

Рисунок 3.	Токовые зеркала переменного тока с плавно масштабируемым коэффициентом отражения: а) раздельная и б) единая регулировка К.

На Рисунке 3 приведены модифицированные схемы зеркал переменного тока, позволяющие плавно масштабировать коэффициент отражения за счет использования эмиттерных резисторов R_Э1 и R_Э2. Коэффициент масштабирования (коэффициент отражения) K, Рисунок 3а, можно определить как

Для зеркала, Рисунок 3б, диапазон изменения коэффициента отражения K варьируется в пределах:

Рассмотрим далее классические способы деления или умножения выходного тока с коэффициентом отражения K = … 0.33, 0.5, 1, 2, 3 ..., Рисунки 4 и 5. В зависимости от количества параллельно включенных транзисторов в ветви управления или зеркальной ветви пропорционально этому количеству выходной ток I₂ понижается или возрастает.

Рисунок 4.	Зеркало переменного тока с K=0.5.

Рисунок 5.	Зеркало переменного тока с К=2.

Для нивелирования эффекта Эрли (зависимость коллекторного тока от напряжения питания при неизменном напряжении эмиттер-база) используют зеркало постоянного тока Дж. Р. Уилсона [6]. Пример такого зеркала переменного тока приведен на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Токовое зеркало Уилсона, выполненное на транзисторах переменного тока.

На Рисунках 7 и 8 приведены схемы зеркал переменного тока с использованием трансформаторов, позволяющих менять коэффициент отражения зеркал. Первичная обмотка трансформатора включена последовательно с резисторами R и R1 в цепь токозадающей ветви зеркала. Вторичная обмотка подключена параллельно к входу управления зеркальной ветвью.

Рисунок 7.	Использование трансформатора T2 для ступенчатого двукратного увеличения выходного тока.

Коэффициент отражения в зависимости от вариантов подключения транзисторов зеркальной цепи при коэффициенте трансформации 1:1 ступенчато изменяется, Рисунки 7 и 8.

Рисунок 8.	Использование трансформатора T2 для ступенчатого четырехкратного увеличения выходного тока.

Весьма перспективным представляется использование трансформатора в цепи нагрузки зеркальной ветви зеркала переменного тока, Рисунок 9. При изменении сопротивления нагрузки R_Н вплоть до короткого замыкания ток в первичной или вторичной обмотке трансформатора T2, заданный резисторами R и R1, не меняется. Таким образом, рассматриваемое устройство, Рисунок 9, является стабилизатором переменного тока с гальванической развязкой или генератором стабильного переменного тока, величину которого можно плавно регулировать в ветви управления. Трансформатор T2 может иметь неограниченное количество вторичных обмоток с различными коэффициентами трансформации.

Рисунок 9.	Стабилизатор переменного тока на основе зеркала переменного тока.

При моделировании рассмотренных ранее схем в пакете программ схемотехнического моделирования Multisim было показано, что зеркала переменного тока способны работать до частот порядка 1 МГц и выше. С ростом частоты и напряжения необходимо учитывать варикапные свойства полупроводниковых переходов транзисторов и диодов. При снижении амплитуды питающих напряжений ниже 2…5 В могут наблюдаться искажения синусоиды выходных токов в области перехода напряжения через ноль.

1. Шустов М.А. Основы силовой электроники. СПб.: Наука и Техника, 2017, 336 с.; 2019, 336 с.
2. Шустов М.А. Силовая электроника в электропитании и освещении. От азов до создания практических устройств. СПб.: Наука и Техника, 2024, 560 с.
3. Шустов М.А. Прецизионное токовое зеркало и УНЧ на его основе. РадиоЛоцман. 2021. № 7–8. С. 88–91.
4. Патент США № 3320439. МКИ G05F 3/30. Низковольтный источник тока для интегральных схем / Р.Дж. Видлар. Заявлен 26.05.1965. Выдан 16.05.1967.
5. Шустов М.А. Транзисторы переменного тока. РадиоЛоцман. 2020. № 4. С. 61–63.
6. Патент США № 3588672. МКИ G05F 1/56. Регулятор тока, контролируемый напряжением на полупроводниковом переходе / Дж.Р. Уилсон. Заявлен 08.02.1968. Выдан 28.06.1971.