¿Qué hace este circuito de transistores?

Question

Encontré un esquema que tenía este trozo de circuito entre el conector de barril de +9 V (que aparentemente el autor asumió que era > 9 V, más bien 10-11 V) y el raíl de alimentación de +9 V.

He intentado simular lo que ocurre en LTspice pero creo que no lo he modelado bien, ya que ni siquiera la caída de tensión directa del diodo de protección de polaridad es visible en la salida. Mi conjetura actual es que el voltaje base-emisor se conduce a la saturación (de alguna manera) por lo que es sólo un ~ 1 V regulador lineal de caída?

Answer 1

Este circuito es un multiplicador de capacitancia diseñado para eliminar el rizado de una fuente de alimentación regulada "sucia". El valor de la capacitancia vista desde los terminales de salida es un múltiplo (no exactamente beta veces) de la capacitancia vista desde el emisor y la base.
En su forma más "general", permite reescalar la tensión de salida mediante un divisor de tensión, como éste:

Aquí he añadido un rizado de 0,2 Vpp 50 Hz a la tensión de entrada de 9 V y obtengo una salida de 6,3 V con sólo 0,5 mVpp de rizado superpuesto (ésta es una simulación antigua que hice hace años). Aquí está el resultado de la simulación desde el arranque:

Como puedes ver el voltaje de salida es básicamente una línea plana. En tu circuito el diodo añade una protección de inversión de polaridad, por lo que verás un voltaje menor, según la corriente suministrada.

La versión de resistencia única
_{(editado tras leer otras respuestas y comentarios)} Para abordar la diferencia entre el multiplicador con R1 y R2 y tu diseño, ten en cuenta que el condensador ve una resistencia a través de su terminal en tu diseño también. Es la resistencia vista desde la base del transistor. Eso es suficiente para mantener el transistor fuera de saturación (siempre que el rizado sea pequeño, como suele ser).

Aquí hay una simulación con una entrada de 6.3V con rizado de 0.2 Vpp @ 50 Hz y una carga de 220 ohm; también añadí un diodo Schottky como protección de inversión de polaridad y para llevar el voltaje a casi exactamente 5V.

Nótese que este diseño es altamente dependiente del valor de RL ya que la consigna depende del divisor de tensión implícito formado por R1 y (básicamente) beta veces RL.

Como se ha indicado en otra respuesta, este circuito necesita un poco de tiempo para alcanzar su valor de estado estacionario, por lo que, junto con la supresión de ondulaciones, añade una función de arranque suave. Esta podría ser una función prevista (o incluso la función prevista) de tu circuito. La simulación a partir de t=0 lo demuestra:

Pero incluso con una sola resistencia, un multiplicador de capacitancia sigue funcionando bien como circuito supresor de rizado si la carga es lo suficientemente baja (más sobre esto más adelante) y el rizado es razonablemente pequeño. Aquí está la salida de la misma simulación unos segundos después del arranque:

La ondulación es básicamente insignificante y completamente simétrica. Además, el transistor ni siquiera se acerca a la saturación, con Vce siempre por encima de 1 V.

¿Por qué "multiplicador de capacitancia"?
_{(editado tras leer otras respuestas y comentarios)} Desde el punto de vista de la carga, la capacitancia aparece multiplicada por un factor K. Por supuesto, el condensador no se hace físicamente más grande, ni cambia su capacidad de almacenamiento de energía. Lo que hace este circuito es aumentar la corriente en la carga para que la tensión del condensador que se replica en la salida (menos Vbe) no tenga que cambiar tanto como si la carga tuviera que ser suministrada por el tapón. Para mostrar que, en condiciones adecuadas, la frecuencia de esquina se reduce con respecto a un filtro RC pasivo, aquí hay dos circuitos uno al lado del otro:

(He utilizado un transistor ideal para no molestarme con sus capacitancias parásitas).
Ahora, la carga es la clave para entender el cambio en la frecuencia de esquina: el circuito RC simple está muy cargado por RL, tanto que el voltaje de salida en estado estacionario es aproximadamente una centésima parte del voltaje de entrada (eso es alrededor de 40 dB de atenuación). La constante de tiempo es (R1//RL)*C y la frecuencia de esquina de este circuito es de unos 160 Hz.
Ahora bien, el circuito amplificado no atenúa tanto. El condensador se carga con beta + 1 veces el valor de RL, lo que para una beta de 100 da una carga equivalente de aproximadamente 1 kohm; esto hace que la tensión de estado estacionario sea la mitad del valor de Vin, es decir, una atenuación de 6 dB. La constante de tiempo se incrementa en consecuencia a (R1//(beta+1)RL)*C y así la frecuencia de esquina cae a unos 3 Hz. Un factor de más de 50.

En el gráfico de Bode anterior, la respuesta del circuito pasivo aparece en azul, mientras que la respuesta del circuito multiplicador de capacitancia aparece en marrón. Desde el punto de vista de la carga, es como si la capacitancia se hubiera multiplicado por más de cincuenta veces. Si trazamos la respuesta de un circuito pasivo con más de 50 veces la capacitancia obtenemos un gráfico de bode que muestra la atenuación del divisor R1-RL, pero tiene la misma frecuencia de esquina que el multiplicador de capacitancia (está 40 dB por debajo).

¿Por qué es clave cargar? Bueno, cuanto más grande es RL, menos corriente requiere, menos importante es el aumento de corriente. El efecto "multiplicador" es cada vez menor a medida que la carga es cada vez mayor. Así, por ejemplo, si aumentamos la carga a RL = 100k, la tapa ni siquiera notará la diferencia de carga y, de hecho, el diagrama de Bode del circuito pasivo y el reforzado no diferirán en absoluto, ni en la tensión de estado estacionario, ni en la frecuencia de esquina. Tampoco notará ninguna diferencia en la reducción absoluta del rizado entre los circuitos.

_{La respuesta en frecuencia del filtro pasivo y del filtro RC reforzado para RL = 100 kohmios es básicamente la misma.}

Pero cuando la carga es significativa, el circuito (incluso con una resistencia) actúa como si la capacitancia se multiplicara. Este efecto es similar a la ampliación del ancho de banda que permite la realimentación negativa. La diferencia es que en lugar de introducir atenuación, el circuito transistorizado la elimina.

Referencia:
Quizá le interese leer el artículo de 1985 de la columna Designer's Notebook de Radio Electronics:

" Una solución sencilla para el rizado de la fuente de alimentación: Un multiplicador de capacitancia"
Cuaderno del diseñador
Radio Electrónica 3, 1985

Answer 2

"Multiplicador de capacitancia" es un nombre llamativo pero algo confuso para los principiantes que pueden tomarlo al pie de la letra. Así que hay que aclarar bien qué hace exactamente este circuito.

A primera vista, no hay nada especial: la tensión de un circuito integrador RC se amortigua mediante un seguidor de emisor. En lugar de utilizar un condensador, se podría hacer lo mismo con un diodo Zener... e incluso con una pila (como en la imagen de abajo)...

Fig. 1. Regulador de tensión de reserva de la batería

... pero no los llamamos "multiplicador de diodos Zener" y "multiplicador de pilas"...

Así que surge la pregunta: "¿Por qué no se ha hecho así?". Intentemos encontrar la respuesta...

Tanto el diodo Zener como la batería "producen" una tensión de referencia constante que es mucho más baja que la tensión de entrada sin filtrar. Por lo tanto, aparece una caída de tensión significativa Vce a través de la parte colector-emisor del transistor y se disipa una potencia significativa. Además, la tensión continua de entrada y de salida son constantes, lo que en algunos casos puede ser indeseable.

El truco aquí es que la tensión de referencia a través del condensador se autoajusta para mantenerse cerca de (seguir) la tensión de entrada (Vc = V1 - Ib.R1); así, la caída de tensión Vce < 1 V. Como resultado, la tensión de salida sólo sigue la tensión continua de entrada y no las ondulaciones y el circuito actúa como una especie de filtro RC de paso bajo amortiguado.

Por tanto, la capacitancia no se multiplica, sino que permanece igual. Sólo el comportamiento temporal del pequeño condensador débil es copiado por una potente fuente de tensión variable. Si hablamos aquí de un condensador, se trata más bien de un "condensador virtual" emulado por una fuente de tensión. Esta técnica se utiliza mucho para crear diversos elementos virtuales; el girador (inductor simulado) es un ejemplo típico.

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Por último, quiero compartir que he fabricado las explicaciones anteriores por el momento basándome en mi experiencia y sentido común. Sólo vi este circuito en algún lugar en los años 70, creo que bajo el nombre de "filtro electrónico" o algo así ... pero entonces no me impresionó tanto.

Ahora me he tomado la molestia de ver dos películas en YouTube (la La película de Dave sugerido por el C36 y el La película de FesZ ) y vi que básicamente había adivinado la idea.

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EDITAR 1: Yo añadiría otra observación a la respuesta de @fraxinus y a los comentarios que le siguen a favor de la resistencia simple R1 frente al divisor de tensión.

La magnitud del rizado depende de la corriente de carga, ya que cuanto mayor es la corriente, más rápido se descarga el condensador de filtro del rectificador de diodos. Una mayor corriente de carga significa una mayor corriente de base y una mayor caída de tensión a través de la resistencia R1. Por tanto, la tensión de base disminuye y la caída de tensión VCE (el reserva de tensión ) aumenta. Como resultado, el transistor permanecerá en modo activo.

Se obtiene una especie de automatismo - la reserva de tensión VCE disminuye cuando aumenta el rizado, lo que mantiene el transistor en modo activo.

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EDITAR 2: @Horror Vacui dijo:

"Hay circuitos multiplicadores de capacitancia, que realmente aumentan la capacitancia efectiva en un nodo dado a través de alguna forma de retroalimentación. Normalmente miden la corriente a través del condensador y luego extraen un múltiplo de esa corriente del nodo al que está conectada la capacitancia".

Este texto me hizo abrir un viejo y grueso libro (Linear Applications Handbook, National Semiconductor, 1986) y volver a tal аn exótico circuito multiplicador de capacitancia. Fue descrito allí por Bob Widlar en la página 67 de su artículo IC Op Amp Beats FETs on Input Current (AN 29). Puede encontrar este circuito aquí (figura inferior de la página 17):

Fig. 1. Op-amp amplificador capacitivo

Intentemos ver la idea que hay detrás de esta solución de circuito. He aquí una posible explicación:

Un circuito integrador RC (alta resistencia R1 y baja capacitancia C1 en serie) es accionado por una fuente de tensión externa a través de una resistencia (por ejemplo, una resistencia externa de pull-up conectada entre el extremo derecho de R1 y el carril positivo de alimentación); así, la tensión a través de C1 aumenta lentamente. Es copiada por un op-amp seguidor (LM 108) y devuelta a través de una resistencia baja R3 a la entrada del circuito integrador. ¿Qué sentido tiene esto?

El circuito integrador RC sirve sólo como un "elemento formador" produciendo un voltaje de entrada para el seguidor del op-amp haciendo así que se comporte a través del tiempo como un condensador. El voltaje a través de este "condensador virtual" es el mismo que el voltaje a través del condensador real C1 pero la corriente a través de él es R1/R3 veces mayor. Así, el condensador virtual tiene una capacitancia R1/R3 veces mayor como si la capacitancia de C1 se multiplicara; de ahí el nombre de "multiplicador de capacitancia".

Sólo queda por explicar cómo la corriente a través del condensador virtual se incrementa R1/R3 veces. Tengo la impresión de haber visto este truco de circuito... pero no importa, ahora podemos resolverlo nosotros mismos.

Mira R1 y R3. Están conectados por uno de sus extremos y los otros están bajo el mismo voltaje... por lo que están "virtualmente conectados"... y como si las dos resistencias estuvieran conectadas en paralelo. ¿Qué es esta red?

Sí, es un divisor de corriente donde la corriente que fluye a través de R3 es aproximadamente R3/R1 veces mayor que la corriente a través de R1. Sólo estas corrientes van a diferentes lugares aquí (la pequeña corriente a C1, la gran corriente a la salida del op-amp).

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EDITAR 3: En la parte superior de la misma página, se puede ver algo intrigante - una solución de circuito muy similar de un multiplicador de capacidad negativo :

Fig. 3. Amplificador de capacitancia negativa (hay una pequeña errata en la expresión - R2 debería ser R1)

Es interesante que este circuito utiliza los mismos componentes... y la capacitancia original C1 se multiplica la misma R1/R3 veces... pero el resultado es un capacidad virtual negativa . ¿Qué significa?

La explicación es sencilla: El "multiplicador positivo de capacitancia" es un condensador virtual que "crea" una caída de tensión (pérdida) a través de sí mismo que es sustraído de la fuente de tensión de creación de corriente de entrada, mientras que el "multiplicador de capacitancia negativa" es un condensador virtual que "crea" una tensión (ganancia) a través de sí mismo que es añadido a la fuente de tensión de entrada. Pero, ¿cómo hace esta magia el op-amp?

Si éste fuera un circuito con sólo una realimentación negativa introducida por R3 (la entrada no inversora estuviera conectada a tierra), entonces añadiría cero voltaje al circuito de entrada. Habría una masa virtual en la entrada inversora (amplificador de transimpedancia). Pero aquí, una realimentación positiva adicional es introducida por la red de realimentación R1-C1. Hace que el amplificador optoelectrónico reduzca su tensión de salida por debajo de tierra hasta alcanzar el equilibrio (igualdad entre las tensiones de entrada del amplificador optoelectrónico). Como resultado, la tensión de entrada del circuito se invierte; de ahí el nombre de este circuito "místico" formado por el op-amp y las dos resistencias R1 y R3 - convertidor de impedancia negativa con inversión de tensión (VNIC).

Answer 3

No, no es un multiplicador de capacitancia.

Para serlo, necesita un divisor de tensión que garantice una Vce suficiente para el transistor.

Aquí no lo tenemos y no podemos mantener el transistor en estado activo de forma fiable.

Lo que tenemos aquí es un circuito de encendido suave. Al encenderse, la tensión de salida aumenta lentamente (determinado por el tiempo de C1R1) hasta acercarse a la tensión de entrada.

Sí, tiene cierto efecto de suavizado de ondulaciones, pero es asimétrico y no realmente similar a la capacitancia.

Answer 4

Este circuito es un filtro de paso bajo (R y C) seguido de un tampón de tensión. Algunas personas lo llaman un multiplicador de capacitancia, pero lo hace no multiplica la capacitancia.

Hay tres problemas con el filtro pasa bajo RC simple:

1. El corte de 3 dB dependerá de la capacitancia de la carga. ( \$C_{eff} = C_{filt} + C_{load}\$ )
2. La corriente de carga provocará una caída de tensión. Es peor que una simple caída de tensión, porque cambiará con la corriente de carga. Esto podría provocar ruido de alimentación, y la variación temporal de la corriente de alimentación de un bloque de circuitos modulará los demás bloques. Esta caída de tensión es proporcional al valor de la resistencia, y por lo tanto establece un límite superior en el valor de la resistencia, que se supone que es grande para una frecuencia de corte baja.
3. La resistencia de pequeña señal de la carga ( \$r=\delta{v_{out}}/{\delta{i_{load}}}\$ ) está en paralelo con el condensador y lo desvía a frecuencias inferiores a \$1/(2\pi\cdot r \cdot C_{eff})\$ . La atenuación por debajo de esta frecuencia será constante.

Una vez que añadimos un búfer de tensión después del filtro RC, ambos problemas quedan resueltos. El amortiguador de tensión más simple es un circuito seguidor de fuente/emisor o un amplificador de drenaje/colector común. Si su caída de tensión no es aceptable, se puede utilizar un amplificador óptico en configuración de ganancia unitaria. Tiene la misma función.

El búfer del opamp es genial, y no tiene ningún inconveniente funcional. ¿Por qué no se utiliza aquí? Probablemente, porque podría considerarse un poco más caro y necesita una alimentación y una corriente de alimentación adicionales.

Si se utiliza un transistor bipolar como seguidor de emisor (amplificador de colector común) su corriente de base sigue fluyendo a través de la resistencia. Además, el efecto de carga del circuito sigue existiendo, sólo que mitigado por la ganancia de corriente del transistor bipolar ( \$\beta\$ ). El límite de caída de tensión en esa resistencia también se relaja sólo con \$\beta\$ . Un dispositivo MOS tiene idealmente infinito \$\beta\$ pero su capacidad de corriente es inferior a la de un transistor bipolar similar, aunque hoy en día existen excelentes dispositivos MOS de alta corriente, y tendrá una capacitancia puerta-fuente superior a la capacitancia base-emisor de un transistor bipolar con una capacidad de corriente similar. Debido al efecto tampón, se puede utilizar \$\beta\$ veces mayor resistencia para el mismo condensador, lo que conduce a un \$\beta\$ veces menor frecuencia de corte. Esto equivale a \$\beta\$ veces mayor valor de capacitancia para la resistencia, de ahí el nombre. Normalmente se utiliza la mayor capacitancia disponible, así que supongo que esto también contribuyó a la proliferación de este nombre.

¿Multiplica la capacitancia? No, la frecuencia de corte sigue estando determinada por el producto RC, pero se ha eliminado el efecto de carga y no hay ninguna compensación de caída de tensión en la resistencia en serie. Por eso estoy personalmente en contra de esta denominación engañosa.

Existen circuitos multiplicadores de capacitancia, que realmente aumentan la capacitancia efectiva en un nodo dado a través de alguna forma de retroalimentación. Normalmente miden la corriente a través del condensador y luego extraen un múltiplo de esa corriente del nodo al que está conectada la capacitancia. Estos circuitos trabajan dentro del ancho de banda del bucle de realimentación, pero en muchos casos es suficiente. También suelen utilizarse en circuitos de filtrado.

No he mencionado D1 antes, porque no es crítico en la respuesta. He supuesto que la pregunta es más sobre el transistor y RC. ¿Qué hace D1 ahí? O la entrada es una fuente de CA y D1 es un rectificador unidireccional o la salida podría ser mayor que la entrada en algunas circunstancias y D1 bloquea cualquier corriente inversa.

Answer 5

He visto que se utiliza como "supercondensador", para proporcionar V _DD s, pero con una ondulación de alimentación mucho más limpia (mucho menos 60 Hz y 60.000 Hz). En concreto, se trataba de un conjunto de circuitos integrados de RF que ofrecían funciones de estación base GSM, donde una espuria determinista impediría la certificación FCC (y europea).

Tras aceptar los pocos cientos de milivoltios de V _DD reducción, la limpiar V _DD fue una delicia utilizarlo.

¿Dónde aparece la ondulación de 60.000 Hz? switch_regs.