Методика использования тока в биологически активных точках

Методика использования тока в биологически активных точках

1 Схемотехника стабилизированных источников тока (ИТ)

Наиболее просто решать задачу построения ИТ можно используя нелинейности выходных характеристик биполярных и полевых транзисторов. В общем случае ИТ строят на базе усилительного каскада со стоковой нагрузкой.

Типичный вид выходной характеристики полевого транзистора представлен на рис. 1, где использованы следующие обозначения:

I_c - ток стока;

U_cи - напряжение сток-исток;

U_зи - напряжение затвор-исток;

U_п -пороговое напряжение (напряжение отсечки).

Рисунок 1 – Выходные характеристики полевого транзистора

Из рисунка видно, что при постоянных значениях напряжения изменение I_c невелико. Схемы ИТ на биполярных и полевых транзисторах нашли достаточное применение в различных устройствах из-за простоты их реализации.

Одна из наиболее простых схем ИТ с температурной компенсацией рабочей точки представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема ИТ с буферным эмиттерным повторителем

В этой схеме падение напряжения Uбэ VT2 компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе VT1, который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R3 играет роль нагрузки для VT1 и задает ток базы VT2. Варьируя соотношением R1/(R1+R2), можно изменять ток нагрузки.

Существенно улучшает стабилизацию тока по сравнению с предыдущей каскодная схема (рис. 3). В данной схеме VT1 работает как и в прежней схеме, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера VT2. Ток, текущий через нагрузку, практически не зависит от тока базы VT2, если h21 последнего достаточно велико. При этом Uкэ VT1 не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены влияния на величину выходного тока изменений Uбэ транзистора VT1.

Рисунок 3 – Каскодная схема ИТ

Для того, чтобы схема обеспечивала высокую точность поддержания тока, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. влияние коэффициента h21 можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h21. Тогда ток базы будет вносить меньший вклад в ток эмиттера. Этого же можно достичь, если в качестве VT1 использовать составной транзистор. Ток нагрузки регулируется резистором в эмиттере VT1.

Еще одним вариантом обеспечения независимости выходного тока от напряжения питания является использование напряжения Uбэ в качестве опорного (рис.4). В этой схеме U_бэ VT1 определяет выходной ток независимо от напряжения источника питания Uип. Ток нагрузки определяется величиной резистора R2:

Рисунок 4 – Схема ИТ с использованием б-э перехода транзистора

I_н = U_бэ/R2

С помощью резистора R1 устанавливается смещение VT2 и потенциал коллектора VT1, причем этот потенциал меньше Uип на удвоенную величину падения напряжения на базо-эмиттерном переходе (при условии, что транзисторыVT1 и VT2 идентичны):

U_кэ = U_ип - 2U_бэ.

Источники тока на основе согласованной пары биполярных транзисторов носят название “токовые зеркала” (ТЗ). Базовая схема ТЗ представлена на рис. 5. Особенностью схемы является то, что ток через нагрузку задается коллекторным током транзистора VT1.

Рисунок 5 – Базовая схема токового зеркала

При изменении входного сопротивления R в цепи коллектора VT1 величина напряжения U_бэ, устанавливается в соответствии с требуемым током i_пр, и зависит также от температуры окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы и транзистор VT2, согласованный с VT1 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, который задан для VT1.

Одно из достоинств приведенной схемы, в сравнении с предыдущими, состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен U_ип за вычетом нескольких десятых долей вольта, т. к. нет падения напряжения на эмиттерных резисторах.

ТЗ обладает одним существенным недостатком – выходной ток несколько изменяется с изменением выходного напряжения, поскольку выходное сопротивление ИТ имеет конечную величину. Вызвано это тем, что при заданном токе транзистора VT2 U_бэ слабо изменяется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли). Практически ток может меняться до 21% в диапазоне устойчивой работы схемы, т.е. характеристики такого ИТ будут несколько хуже, чем в предыдущих схемах с эмиттерными резисторами (в них действие отрицательной обратной связи по току стабилизирует режим схемы). Поэтому, одним из вариантов улучшения характеристик ТЗ является включение эмиттерных резисторов, падение напряжения на которых составляет несколько десятых долей вольта.

Высокую степень постоянства выходного тока обеспечивает ТЗ Уилсона (рис. 6). Благодаря транзистору VT3 потенциал коллектора VT1 фиксирован:

U_к1 = U_ип - 2U_бэ.

Рисунок 6 – Схема токового зеркала Уилсона

Транзистор VT3 не влияет на баланс токов, при условии, если его базовый ток пренебрежимо мал. Его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора VT1. В результате в токозадающих транзисторах VT1 и VT2 U_бэ фиксированы. Транзистор VT3 можно рассматривать просто как элемент передачи выходного тока в нагрузку. Еще одним достоинством этой схемы является уменьшение влияния базовых токов на точность передачи i_вх в нагрузку. ТЗ Уилсона нашло широкое применение в качестве источников тока.

При многоэлектродном способе диагностики и лечения требуются ИТ с несколькими выходами. Это легко достигается распараллеливанием VT2 в базовой схеме токового зеркала (рис. 5). Выходной ток можно умножать или делить, используя различные схемы подключения выходных транзисторов (рис. 7).

Рисунок 7 – Схемы ИТ с несколькими выходами (а), с умножением (б) и делением (в) токов в нагрузке

Вариант деления токов удобен для реализации в устройствах электротерапии. Другим способом получения выходного тока, кратного выходному, состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора (для VT3 Уилсона, например).

ИТ на ОУ (рис. 8) обеспечивают большее приближение к идеальному ИТ благодаря возможности обеспечения более глубокой отрицательной обратной связи (ООС).

На рис. 8 Uвх – сигнал или напряжение, снимаемое с резистивного делителя.

Рисунок 8 - Схема ИТ на базе ОУ

Недостаток схемы очевиден: в случае подключения нагрузок к общей шине ОУ должен иметь “плавающий” источник питания. При этом и управляющий вход ИТ будет “плавающим”. Этого можно избежать, если применить транзисторные развязки.

Ниже приведены схемы таких ИТ, для “заземленных” нагрузок. На рис. 9 представлена схема ИТ с биполярным транзистором. Обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное U_ип - U_вх, которое в свою очередь определяет эмиттерный (а следовательно и выходной) ток

I_вых = (U_ип - U_вх)/R.

Несовершенство этого ИТ проявляется лишь в том, что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения Uкэ.

Качество работы схемы может быть улучшено, если вместо VТ1 применить составной транзистор, поскольку погрешность возникает в связи с тем, что ОУ фактически стабилизирует эмиттерный ток, а через нагрузку проходит коллекторный ток. Если вместо биполярного транзистора использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, т. к. входной ток полевого транзистора незначителен.

Рисунок 9 - Схема ИТ на базе ОУ с выходным БТ

В рассмотренной схеме (рис. 9) выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу ОУ, ниже, чем напряжение питания U_ип. Иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно шины питания U_ип (падение напряжения U_R1). Это создает проблемы при подаче U_вх от внешнего источника.

Недостаток можно устранить, применив развязывающий ОУ с транзистором обратной проводимости, для которого управляющее входное напряжение измеряется относительно общей шины (рис.10).

Рисунок 10 - Схема с двумя ОУ

Транзистор VТ1 (n-р-n типа) служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемое относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно U_ип для оконечного ИТ. Однако следует иметь в виду, что в этой схеме ОУ должен работать при входных напряжениях близких или равных U_ип.