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Cosa fa questo circuito a transistor?

Il nostro team di specialisti, dopo molti giorni di ricerca e raccolta di informazioni, ha trovato la risposta, vogliamo che sia utile nel tuo progetto.

Soluzione:

Questo circuito è un moltiplicatore di capacità progettato per rimuovere l'ondulazione da un'alimentazione regolata "sporca". Il valore della capacità vista dai terminali di uscita è un multiplo (non esattamente beta volte) della capacità vista da emettitore e base.
Nella sua forma più "generale" consente di ridimensionare la tensione di uscita tramite un partitore di tensione, come questo:

Moltiplicatore

Qui ho aggiunto un'ondulazione di 0,2 Vpp a 50 Hz alla tensione di ingresso di 9 V e ho ottenuto un'uscita di 6,3 V con un'ondulazione di soli 0,5 mVpp sovrapposta (questa è una vecchia simulazione che ho fatto anni fa). Ecco il risultato della simulazione dall'avvio:

simulazione dall'avvio

Come si può vedere, la tensione di uscita è fondamentalmente una linea piatta.
Nel vostro circuito il diodo aggiunge una protezione contro l'inversione di polarità, quindi vedrete una tensione più bassa, a seconda della corrente erogata.

La versione a singolo resistore
(modificato dopo aver letto altre risposte e commenti) Per affrontare la differenza tra il moltiplicatore con R1 e R2 e il vostro progetto, notate che il condensatore vede una resistenza attraverso il suo terminale anche nel vostro progetto. È la resistenza vista dalla base del transistor. Questo è sufficiente a mantenere il transistor fuori dalla saturazione (a patto che il ripple sia piccolo, come di solito è).

Ecco una simulazione con un ingresso di 6,3 V con un ripple di 0,2 Vpp @ 50 Hz e un carico di 220 ohm; ho anche aggiunto un diodo Schottky come protezione dall'inversione di polarità e per portare la tensione quasi esattamente a 5V.

Moltiplicatore di cap con R2 implicito

Si noti che questo progetto dipende fortemente dal valore di RL, poiché il setpoint dipende dal divisore di tensione implicito prima da R1 e (fondamentalmente) da beta per RL.

Come notato in un'altra risposta, questo circuito richiede un po' di tempo per raggiungere il suo valore di stato stazionario, per cui insieme alla soppressione del ripple aggiunge una funzionalità di soft-start. Questa potrebbe essere una funzione prevista (o addirittura la funzione prevista) del vostro circuito. La simulazione da t=0 mostra che:

Morbido

Ma anche con una singola resistenza, un moltiplicatore di capacità funziona bene come circuito di soppressione dell'ondulazione se il carico è sufficientemente basso (per saperne di più in seguito) e l'ondulazione è ragionevolmente piccola. Ecco l'output della stessa simulazione pochi secondi dopo l'avvio:

Suppressione ondulata

Il ripple è sostanzialmente trascurabile e completamente simmetrico. Inoltre, il transistor non si avvicina nemmeno alla saturazione, con Vce sempre superiore a 1V.

VCE e IB

Perché "moltiplicatore di capacità"?
(modificato dopo aver letto altre risposte e commenti) Dal punto di vista del carico, la capacità appare moltiplicata per un fattore K. Naturalmente il condensatore non diventa fisicamente più grande, né cambia la sua capacità di immagazzinare energia. Questo circuito aumenta la corrente nel carico in modo che la tensione del condensatore replicata in uscita (meno Vbe) non debba cambiare tanto quanto se la carica dovesse essere fornita dal condensatore.
Per dimostrare che, in condizioni adeguate, la frequenza d'angolo si abbassa rispetto a un filtro RC passivo, ecco due circuiti affiancati:

confronto passivo attivo

(Ho usato un transistor ideale per non preoccuparmi delle sue capacità parassite).
Ora, il carico è la chiave per capire lo spostamento della frequenza d'angolo: il semplice circuito RC è pesantemente caricato da RL, tanto che la tensione d'uscita allo stato stazionario è circa un centesimo della tensione d'ingresso (che corrisponde a circa 40 dB di attenuazione). La costante di tempo è (R1//RL)*C e la frequenza d'angolo di questo circuito è di circa 160 Hz.
Ora, il circuito potenziato non attenua così tanto. Il condensatore viene caricato con beta + 1 volte il valore di RL, che per un beta di 100 dà un carico equivalente di circa 1 kohm; questo porta la tensione di stato stazionario a metà del valore di Vin, cioè a un'attenuazione di 6 dB. La costante di tempo viene di conseguenza aumentata a (R1//(beta+1)RL)*C e quindi la frequenza d'angolo scende a circa 3 Hz. Un fattore superiore a 50.

Spostamento della frequenza d'angolo

Nel diagramma di Bode sopra riportato, la risposta del circuito passivo è tracciata in blu, mentre quella del circuito moltiplicatore di capacità è in marrone. Dal punto di vista del carico, è come se la capacità fosse stata moltiplicata per più di cinquanta volte. Se tracciamo la risposta di un circuito passivo con una capacità 50+ volte superiore, otteniamo un grafico di bode che mostra l'attenuazione del divisore R1-RL, ma ha la stessa frequenza d'angolo del moltiplicatore di capacità (si trova 40 dB sotto).

Perché il caricamento è fondamentale? Più grande è l'RL, meno corrente richiede, meno importante è l'aumento di corrente. L'effetto di "moltiplicazione" diventa sempre più piccolo con l'aumentare del carico. Quindi, ad esempio, se aumentiamo il carico a RL = 100k, il condensatore non noterà nemmeno la differenza di carico e infatti il diagramma di Bode del circuito passivo e di quello amplificato non differiranno affatto, né nella tensione di stato stazionario, né nella frequenza d'angolo. Non si noterà nemmeno una differenza nella riduzione assoluta del ripple tra i circuiti.

Risposte passive e potenziate con rl = 100 kohm
La risposta in frequenza del filtro RC passivo e di quello potenziato per RL = 100 kohm sono fondamentalmente le stesse

Ma quando il carico è significativo, il circuito (anche con una sola resistenza) si comporta come se la capacità fosse moltiplicata. Questo effetto è simile all'ampliamento della larghezza di banda consentito dalla retroazione negativa. La differenza è che il circuito a transistor, invece di introdurre l'attenuazione, la elimina.

Riferimento:
Si consiglia di leggere l'articolo del 1985 della rubrica Designer's Notebook di Radio Electronics:

"Una semplice soluzione al ripple dell'alimentazione: Un moltiplicatore di capacità".
Taccuino del progettista
Radio Elettronica 3, 1985

"Moltiplicatore di capacità" è un nome suggestivo ma in qualche modo confuso per i principianti che possono prenderlo alla lettera. Occorre quindi chiarire bene cosa fa esattamente questo circuito.

A prima vista, non c'è nulla di speciale: la tensione di un circuito integratore RC viene tamponata da un inseguitore di emettitore. Invece di usare un condensatore, lo stesso potrebbe essere fatto con un diodo Zener.e persino con una batteria (come nella figura sottostante).

Regolatore di tensione di backup batteria

Figura 1. Regolatore di tensione di backup a batteria

.ma non li chiamiamo "moltiplicatore di diodi Zener" e "moltiplicatore di batterie".

Sorge quindi la domanda: "Perché non è stato fatto in questo modo?". Cerchiamo di trovare la risposta.

Sia il diodo Zener che la batteria "producono" una tensione di riferimento costante che è molto più bassa della tensione di ingresso non filtrata. Pertanto, sulla parte collettore-emettitore del transistor si verifica una significativa caduta di tensione Vce e viene dissipata una notevole potenza. Inoltre, la tensione di ingresso e di uscita in corrente continua è costante, il che in alcuni casi può essere indesiderabile.

L'astuzia sta nel fatto che la tensione di riferimento attraverso il condensatore si autoregola per rimanere vicina (seguire) la tensione di ingresso (Vc = V1 - Ib.R1); quindi, la caduta di tensione Vce <1>V. Di conseguenza, la tensione di uscita segue solo la tensione continua di ingresso e non le ondulazioni.e il circuito agisce come una sorta di filtro passa-basso RC tamponato.

Quindi, la capacità non è moltiplicata.ed; rimane invariata. Solo il comportamento temporale del piccolo e debole condensatore viene copiato da una potente sorgente di tensione variabile. Se qui parliamo di un condensatore, si tratta piuttosto di un "condensatore virtuale" emulato da una sorgente di tensione. Questa tecnica è ampiamente utilizzata per creare vari elementi virtuali; il giroscopio (induttore simulato) ne è un tipico esempio.


Infine, voglio condividere che ho fabbricato le spiegazioni di cui sopra al momento affidandomi alla mia esperienza e al buon senso. Ho visto questo circuito da qualche parte negli anni '70, credo con il nome di "filtro elettronico" o qualcosa del genere.ma allora non mi aveva colpito più di tanto.

Ora mi sono preso la briga di guardare due filmati su YouTube (quello di Dave suggerito da C36 e quello di FesZ) e ho visto che avevo sostanzialmente indovinato l'idea.


EDIT 1: Vorrei aggiungere un'altra osservazione alla risposta di @fraxinus e ai commenti sottostanti a favore del singolo resistore R1 rispetto al partitore di tensione.

L'entità del ripple dipende dalla corrente di carico, poiché maggiore è la corrente, più velocemente si scarica il condensatore di filtro del raddrizzatore a diodi. Una corrente di carico più elevata comporta una maggiore corrente di base e una maggiore caduta di tensione sul resistore R1. Di conseguenza, la tensione di base diminuisce e la caduta di tensione VCE (il riserva di tensione) aumenta. Di conseguenza, il transistor rimarrà in modalità attiva.

Si ottiene una sorta di automatismo: la riserva di tensione VCE diminuisce quando il ripple aumenta, mantenendo il transistor in modalità attiva.


EDIT 2: @Horror Vacui ha detto:

"Ci sono circuiti moltiplicatori di capacità, che aumentano davvero la capacità effettiva su un dato nodo attraverso una qualche forma di feedback. Tipicamente misurano la corrente attraverso il condensatore e poi prelevano un multiplo di quella corrente dal nodo a cui è collegata la capacità. "*

Questo testo mi ha fatto aprire un vecchio e spesso libro (Linear Applications Handbook, National Semiconductor, 1986) e mi ha fatto tornare indietro a questo esotico circuito moltiplicatore di capacità. È stato descritto da Bob Widlar a pagina 67 nel suo articolo IC Op Amp Beats FETs on Input Current (AN 29). Potete trovare questo circuito qui (figura in basso a pagina 17):

Amplificatore capacitivo

Fig. 1. Amplificatore op-amp capacitivo

Cerchiamo di capire l'idea alla base di questa soluzione circuitale. Ecco una possibile spiegazione:

Un circuito integratore RC (alta resistenza R1 e bassa capacità C1 in serie) viene pilotato da una sorgente di tensione esterna attraverso una resistenza (ad esempio, una resistenza di pull-up esterna collegata tra l'estremità destra di R1 e il binario di alimentazione positivo); in questo modo la tensione attraverso C1 sale lentamente. Viene copiata da un amplificatore operazionale (LM 108) e restituita attraverso una bassa resistenza R3 all'ingresso del circuito integratore. Qual è lo scopo di tutto ciò?

Il circuito integratore RC serve solo come "elemento sagomatore" che produce una tensione di ingresso per il seguace dell'amplificatore operazionale, facendolo comportare nel tempo come un condensatore. La tensione che attraversa questo "condensatore virtuale" è la stessa che attraversa il vero condensatore C1, ma la corrente che lo attraversa è R1/R3 volte maggiore. Quindi, il condensatore virtuale ha una capacità R1/R3 volte più grande.come se la capacità di C1 fosse moltiplicata.ed; Da qui il nome "moltiplicatore di capacità".

Resta solo da spiegare come la corrente attraverso il condensatore virtuale sia aumentata di R1/R3 volte. Mi sembra di aver già visto questo trucco circuitale.ma non importa, ora possiamo capirlo da soli.

Osservate R1 e R3. Sono collegati attraverso uno dei loro capi e gli altri sono sotto la stessa tensione.quindi sono "virtualmente collegati".e come se le due resistenze fossero collegate in parallelo. Che cos'è questa rete?

Sì, è una divisore di corrente dove la corrente che passa attraverso R3 è circa R3/R1 volte più grande della corrente che passa attraverso R1. Solo che queste correnti vanno in posti diversi (la piccola corrente a C1, la grande corrente all'uscita dell'amplificatore operazionale).


EDIT 3: All'inizio della stessa pagina, si può vedere qualcosa di intrigante: una soluzione circuitale molto simile a quella di un moltiplicatore di capacità negativo:

Amplificatore di capacità negativa

Fig. 3. Amplificatore a capacità negativa (c'è un piccolo errore di battitura nell'espressione - R2 dovrebbe essere R1)

È interessante notare che questo circuito utilizza gli stessi componenti.e la capacità originale C1 viene moltiplicata per le stesse volte R1/R3.ma il risultato è un capacità virtuale negativa. Che cosa significa?

La spiegazione è semplice: Il "moltiplicatore di capacità positivo" è un condensatore virtuale che "crea" una caduta di tensione (perdita) attraverso se stesso che è sottratto dalla sorgente di tensione di ingresso che crea corrente, mentre il "moltiplicatore di capacità negativo" è un condensatore virtuale che "crea" una tensione (guadagno) su se stesso che viene aggiunto alla sorgente di tensione di ingresso. Ma come fa l'amplificatore operazionale a fare questa magia?

Se si trattasse di un circuito con solo una retroazione negativa introdotta da R3 (l'ingresso non invertente era collegato a terra), allora aggiungerebbe zero tensione al circuito di ingresso. All'ingresso invertente c'è una massa virtuale (amplificatore a transimpedenza). Ma in questo caso, la rete di retroazione R1-C1 introduce un'ulteriore retroazione positiva. Questa fa sì che l'amplificatore operazionale abbassi la sua tensione di uscita al di sotto della massa fino a raggiungere l'equilibrio (uguaglianza tra le tensioni di ingresso dell'amplificatore operazionale). Di conseguenza, la tensione di ingresso del circuito è invertitaed; Da qui il nome di questo circuito "mistico" composto dall'amplificatore operazionale e dalle due resistenze R1 e R3. convertitore a impedenza negativa con inversione di tensione (VNIC).

No, non è un moltiplicatore di capacità.

Per esserlo, ha bisogno di un partitore di tensione per garantire una Vce sufficiente per il transistor.

In questo caso, non ne abbiamo uno e non possiamo mantenere il transistor in stato attivo in modo affidabile.

Si tratta di un circuito di soft power-on. All'accensione, la tensione di uscita sale lentamente (determinata dal tempo di C1R1) fino a raggiungere la tensione di ingresso.

Sì, ha un certo effetto di attenuazione del ripple, ma è asimmetrico e non è realmente simile a una capacità.



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