Fuente de corriente constante

 Fuente de Corriente Constante y Espejo de Corriente

En algunas ocasiones es útil mantener una corriente constante, como cuando necesitamos encender un LED, cargar una batería o cuando queremos polarizar un transistor con una corriente fija. Vamos a ver algunas de las configuraciones más usadas a manera de ejemplo. En el caso de los LEDs se requiere que pase por él una corriente determinada. Si tenemos una fuente de 12V, y necesitamos 15mA para el LED, para que pase esa corriente normalmente colocamos una resistencia en serie. Esta corriente la calculamos en función al voltaje de la fuente menos la caída de tensión en el LED. Si el voltaje del LED es de 1.6V (según el tipo de LED) entonces (12-1.6)=10.4V es la tensión que habrá sobre la resistencia, y para que pase 15mA el valor de la resistencia debe ser de (10.4/0.015) 693 Ohm. El valor comercial más cercano es 680 Ohm, y con esto tendríamos prácticamente los 15mA que necesitamos.

Esto será así mientras el voltaje de la fuente no varíe. Si el voltaje de la fuente sube a 14V tendríamos más de 18mA y si baja a 9V tendríamos 10mA aproximadamente, por lo que no es seguro para el LED, así que necesitaremos otra solución.

Transistor con voltaje de referencia

Si tenemos un voltaje de referencia fijo en la base del transistor y tenemos una resistencia (R1) en el emisor, entonces el voltaje en la resistencia del emisor será el voltaje de referencia menos el voltaje base-emisor del transistor. Y si tenemos un voltaje fijo en la resistencia de emisor, tendremos una corriente fija en el colector. Ya que la corriente del colector es prácticamente la corriente del emisor (Ic ≈ Ie), es el valor de ésta resistencia la que determinará la corriente de nuestro circuito.

El circuito de ejemplo es bastante común, y su funcionamiento es bastante simple: 

Vb (En los diodos 1N4148) tenemos (2*0.7V) = 1.4V 

Vbe = 0.7V 

V(R1) = Vb - Vbe = 0.7V

Corriente sobre R1 = (0.7/47) = 14.89mA.

Como la Ic es ≈ Ie, podemos asumir que la corriente es muy aproximada a 15mA. En realidad es (Ie=Ic+Ib) pero por ser la corriente de base tan pequeña podemos asumir que será un valor muy próximo.

Para calcular el valor de R2 debemos tener en cuenta que debe haber por lo menos 10 veces la corriente de base:

β = 100

Ib = (15mA/β) = 150μA

I(R2) = (10*150μA) = 1.5mA  

R2 = ((12V-1.4V)/0.0015A) = 7066 Ohm

Un valor comercial cercano sería 6k8. En el ejemplo tenemos 5k1 para R2 lo que sería una corriente de 2mA, con lo que funcionará bastante bien.

En algunas variantes de este circuito se reemplaza los diodos D2 y D3 por un diodo zener, un LED ó cualquier otro tipo de referencia de voltaje, el funcionamiento es el mismo. Pero mientras más alto es el voltaje sobre R1, menor será el rango de voltaje en donde variará la corriente que queremos establecer.

Dos transistores

Otra variante bastante usada es una configuración de dos transistores. En este circuito, cuando se energiza, una corriente pasa por la base de Q1 hacia el emisor. A medida que la corriente aumenta, también aumenta el voltaje en R1 y cuando en R1 se alcanza el voltaje que polariza el transistor Q2, de  aproximadamente 0.7V, éste deja pasar la corriente que viene de R2. De esta manera si el voltaje en R1 aumenta mucho, el transistor Q2 tomará más de la corriente que viene de R2 y disminuirá la corriente de base de Q1. Así se mantiene en equilibrio y el voltaje en R1 se mantiene constante y por lo tanto la corriente en el colector de Q1.

El diseño de esta fuente de corriente es igual de sencilla. Si queremos 15mA:

VCC = 12V

β = 100

I = 15mA 

En la base de Q1 tenemos el voltaje Vbe de Q1 y Vbe de Q2:

Vb(Q1) = 0.7V+0.7V = 1.4V

Ib(Q1) = (15mA/β) = (0.015/100) = 150μA

Para tener una corriente de polarización estable en la base de Q1 debemos tener una corriente de por lo menos 10 veces Ib sobre R2:

I(R2) = (10*150μA) = 1.5mA.

V(R2) = VCC-Vb(Q1) = 12V-1.4V = 10.6V

R2 = V(R2)/I(R2) = 10.6V/0.0015A = 7066 Ohm

Y finalmente R1, que es el que determinará la corriente que queremos:

R1 = Vbe(Q2)/15mA = 0.7V/0.015A = 46 Ohm

Valores comerciales para las resistencias:

R1 = 6k8 Ohm

En el ejemplo tenemos 5k1 lo que nos dará una corriente de 2mA, más que suficiente para que el circuito funcione bien.

R2 = 39 Ohm

Espejo de corriente

En este circuito la corriente que pasa por R1 es prácticamente la corriente en RL. Siendo R1 de quien depende la corriente que se quiere reflejar en RL. Ya que Q1 se comporta como un diodo, la corriente depende de R1 y la corriente en R1 es 12V-0.7V = 11.3V y por lo tanto tenemos una corriente de (11.3V/1000R) = 11.3mA y prácticamente es la corriente que habrá en RL.

Para entender este circuito primero debemos ver como funciona el transistor Q1:

El transistor Q1 tiene conectado el colector con la base. De esta manera el voltaje de base es la misma que el voltaje de colector y se comportará como un diodo. En esta conexión la corriente que viene de R1 (11.3mA) se divide entre el colector y la base, de tal manera que se mantiene la relación de β(Ic)  a 1(Ib). Es decir, si tenemos una β de 100, tenemos que la corriente en el colector será de 100 y la corriente de base sera 1. Para 11.3mA sería (11.3/101) = 0.111881mA. Entonces tenemos 0.111881mA en la base y (11.3/101*100) = 11.1881mA en el colector. 

De una manera simplificada se comporta más o menos así, pero en realidad el voltaje en la base del transistor depende de la corriente (además de la temperatura). De tal manera que al momento de conectar la base de Q1 a la base de Q2 estamos estableciendo el voltaje de la base de Q1 en la base de Q2 y como ese voltaje depende de la corriente, a ese voltaje el colector del transistor Q2 dejará pasar la misma corriente que hay en el colector de Q1.

Observemos que por el colector de ambos transistores pasa la misma corriente, sin embargo no es la misma corriente que pasa por R1 ya que una pequeña parte pasa a alimentar a las bases. Sin embargo es un valor bastante cercano. Por otro lado, la temperatura también influye en el voltaje de base, por lo que es conveniente que ambos transistores estén lo mas cerca posible uno de otro. Este circuito funciona bien pero ambos transistores deben ser iguales para que compartan las mismas características. Además, mientras más alta sea la ganancia de ambos transistores, más cercanos serán los valores de corriente. 

Existen variantes de este circuito, según la presición que se requiera.