Буферизація ОП для збільшення вихідного струму
Автор: Robert Keim, переклад.
Джерело: www.allaboutcircuits.com
Чи справді нам потрібна буферна схема по струмові?
ОП є універсальними, але їх сфера застосування обмежується граничними значеннями вихідного струму. Від типового ОП можна очікувати, що він зможе споживати або живити протягом тривалого часу струмом не більшим як 30 або 40 мА.
Звичайно, є і такі, які можуть оперувати струмами близькими до 100мА, а інші ледве зможуть видати 10 мА. Існує спеціальна категорія підсилювачів з можливістю давати на виході 1000 мА, або навіть більше. Якщо такий підсилювач сумісний з вашою схемою, то без вагань використовуйте його. Але є декілька причин чому ви віддасте превагу буферу на виході звичайного ОП загального призначення.
По перше, деякі підсилювачі з високим вихідним струмом – це складні компоненти призначені для спеціальних застосувань і відповідно вони менш універсальні і дорожчі – наприклад, компонент фірми Linear Tech LT1210, який може управляти струмом 1100 мА, обійдеться вам в $12 при купівлі невеликої кількості. Крім цього, деякі з підсилювачів з високим вихідним струмом ( включаючи LT1210) мають зворотній зв’язок по струмові, і ви не можете просто розмістити його в кола спроектовані для зворотнього звязку по напрузі.
На щастя, не має потреби використовувати операційні підсилювачі з високим вихідним струмом, якщо все що вам потрібно – це коло на звичайному ОП з додаванням потужного вихідного каскаду. Натомість, ви можете використати один 75-центовий підсилювач загального призначення, яких маєте безліч в лабораторії/майстерні/гаражі і скомбінувати його з іншим одно доларовим стандартним компонентом, і отримаєте потрібний результат.
Просто один біполярний транзистор.
Найелементарніша схема буфера по струму для ОП:
А тут відповідна схема для LTspice:
Давайте ретельно розберемося в цій схемі перед тим як продовжити. Вхід під’єднаний до не інвертуючого виводу ОП і вихід – напряму до бази БТ. ОП і БТ можуть використовувати одне і те саме живлення, але в даному випадку ми будем вважати, що доступними є дві напруги: 5В живлення для кіл з малими шумами та низької потужності і 12 В для частини електричного кола високої потужності.
Значення резистора навантаження дуже низьке, таким чином вихідна напруга, яка є більшою ніж 200 мВ і прикладається безпосередньо до навантаження, потребує більшого струму ніж може забезпечити LT6203. Тразистор вибраний в схемі LTspice може оперувати струмами, біля 1000 мА, а це означає що можна подати на навантаження напругу до 5 В.
Ключовим для цієї схеми є зворотній зв’язок. Згадайте «уявне закорочення»: коли аналізується ОП в конфігурації з від’ємним зворотнім зв’язком, ми можемо зробити висновок, що напруга на неінвертуючому вході дорівнює напрузі на інвертуючому вході. Це, само по собі, говорить нам, що вихідна напруга ( тобто напруга на навантаженні) буде дорівнювати вхідній напрузі. Але давайте ще трохи заглибимось, для того, щоб переконатись, що ми справді розуміємо що відбувається, “уявне закорочення” є свого роду “забобоном”, який може відволікти нас від того, як насправді працює ОП. Підсилювач на ОП множить диференційну вхідну напругу на дуже великий коефіцієнт підсилення. Тому, з негативним зворотнім звязком, ОП швидко досягає рівноваги тому, що велика зміна вихідної напруги зменшує диференційну напругу, що приводить до зменшення на виході. В цьому рівноважному стані, вихід стабілізується при будь якій напрузі, усуваючи різницю між інвертуючим та неінвертуючим входами – іншими словами, ОП автоматично регулює свій вихід так, щоб зробити однаковими VIN– та VIN+.
В контексті сказаного вище, ОП автоматично генерує будь яку вихідну напругу, яка потрібна для того, щоб зробити напругу емітера БТ рівною вхідній напрузі. Уявіть наскільки важко було б цього досягти без зворотнього звязку – довелось би якось так спроектувати взаємовідносини вхід-вихід, щоб компенсувати падіння напруги база-емітер БТ, яка не є ні лінійною, ні передбачуваною. Але з ОП і відємним зворотнім зв’язоком і проблема стає тривіальною.
Давайте посилимо концептуальне розуміння з допомогою декількох симуляцій. Перша є не дуже цікавою, вона просто підтверджує, що вихідна напруга відслідковує вхідну напругу (лінія графіку VIN прихована під лінією VOUT):
Наступний графік показує, що саме вихідний вивід ОП повинен зробити щоб була належна напруга була на навантаженні:
Збільшення підсилення
Ця базова схема не обмежується конфігурацією з одиничним підсиленням. Як і у випадку ОП без буфера, ви можете вставити резистори в коло зворотнього зв’язку для того, щоб створити загальний коефіцієнт підсилення на навантаженні відносно входу. Ось версія з не одиничним підсиленням:
І відповідна LTspice схема, з графіком залежності VIN, VOUT, і напруги, яка прикладена до бази БТ:
Просто, але без захисту від дурня.
З надійною простою схемою, такою як ця, завжди існує ризик самозаспокоєння. Але щоб уникнути проблем, потрібно завжди мати на увазі:
- Це очевидно, але переконайтесь, що ваш БТ може оперувати струмом на навантаженні. Наприклад, транзистор 2N2222, який ви знайдете серед ваших компонентів, може забезпечити тільки 800 мА для тривалого колекторного струму.
- Цей пункт не є таким очевидним: Ви перевищили максимальну потужність розсіювання транзистора? Ця проблема особливо підступна, тому, що її важко помітити наприклад під час симуляції. Симуляції, які виконувались для цієї статті мало зробили для того, щоб попередити нас, що ми спалили транзистор 2SCR293P. Максимальне розсіювання потужності для цього компоненту 0,5 Вт. В нашій схемі, якщо VOUT = 3 В, струм через навантаження (3 В)/(5 Ом) = 600 мA і напруга колектор-емітер транзистора 12 В – 3 В = 9 В. Тому, розсіювання потужності (600 мА) х (9 В) = 5.4 Вт. Отже струм колектора знаходиться всередині допустимого діапазону, але ми маємо перевищеня максимальної потужності в 10 раз! Ви можете вилікувати це за рахунок зменшення напруги живлення, якщо це можливо, і після цього вибрати потужніший транзистор.
- Коли БТ працює в активній області, струм, який тече в базу приблизно дорівнює струму навантаження поділеному на бета, який також відомий як hFE, або коефіцієнт підсилення по постійному струмові. Наприклад, якщо ваш струм навантаження 2500 мА і ви використовуєте транзистор з with hFE = 100, то вам потрібно 25 мА базового струму, деякі ОП не здатні на це.
- Пам’ятайте, що вихідна напруга ОП на 0.7–0.9 В вище ніж напруга на навантаженні. Ви маєте це врахувати, коли вибираєте напругу живлення ОП. Наприклад, скажімо вам протрібна напруга на навантаженні в межах від 0 до 4 В; чи буде достатньо 5 В живлення? Можливо і ні: напруга на базі може потребувати значення 4.9 В, і якщо розмах вихідної напруги обмежений значенням напруги живлення мінус 0.8 В то ви матимете проблеми.
- БТ почне входити в режим насичення, коли напруга на базі перевищує на пругу на колекторі приблизно на 0.5 В, і оскільки напруга на базі вища на 0.7 – 0.9 В ніж на навантаженні, напруга колектора БТ (яка в даній схемі дорівнює напрузі живлення) має бути щонайменше на 0.9 В – 0.5 В = 0.4 В вище ніж максимальна напруга на навантаженні. (Ці цифри є приблизними і можуть варіюватися в залежності від робочих умов та електричних характеристик транзистора). Насичення БТ спричинить досягнення максимальної величини напруги навантаження перш ніж буде досягнута напруга живлення БТ.
Висновок
Я думаю ми висвітлили досить детально буферні кола такого типу для ОП. В наступній статті ми розглянемо варіації даної схеми для досягнення більшої сумісності з широким розмаїттям застосувань.