X2.12 2-выводное устройство с отрицательным сопротивлением (DRAFT)



==X_146

Представляем схему, которая может оказаться полезна: 2-выводное устройство с отрицательным динамическим сопротивлением в некотором диапазоне напряжений. Таким же свойством обладает туннельный диод ( ##§X1.7.3 ), но его рабочий диапазон исчисляется десятыми долями вольта и не подлежит коррекции, вдобавок туннельные диоды склонны к генерации. С помощью операционного усилителя можно сделать более удобный отрицательный резистор ( §6.2.4.B ), но это схема, требующая внешнего питания, 2-выводной не является. Наконец, ни туннельный диод, ни отрицательный резистор не рассчитан ни на высокое напряжение, ни на большую мощность.

Существует целый набор схем, решающих указанную задачу ⁴⁴ , можно отыскать ссылки на "лямбда диод" , использующий пару комплементарных ПТ с p-n переходом или комбинацию полевого с переходом и биполярного транзистора ⁴⁵ . Но самый интересный вариант, привлёкший внимание, был замечен в новостной группе «s.e.d» ⁴⁶ . Это схема на двух биполярных транзисторах предложенная Эрихом Вагнером ( Erich Wagner ).

Схема приведена на рис. X2.81B . Её можно рассматривать как обычный источник тока на переходе база-эмиттер ( рис. X2.81A ), к которому добавили схему ограничения тока с падающей характеристикой, аналогичный варианту ##X9.10B в ##§X9.2.4. Эрих сообщил, что схема была популярна в 1970-х среди проектировщиков усилителей «класса-AB» и защищала выходной каскад.

Моделирование в SPICE ( рис. X2.82 ) показывает, что с указанными на схеме номиналами получается широкая область отрицательного сопротивления [* здесь от 6 до 19 V ] . Номиналы можно подобрать под свои задачи. Максимальный ток Imax≈0.7\(V_{BE}/R_1\) ; сопротивление в отрицательной области R≈–1.1\(R_1R_3/R_4\) ; верхняя граница напряжения зоны отрицательного сопротивления Vmax≈\(V_{BE}R_3/R_4\) ( выше Vmax ток через \(R_2\) и \(R_3\) создаёт компенсирующее положительное сопротивление ).

При токе через переход база-эмиттер \(Q_2\) менее 6 mA , падение напряжения на нём будет ∼0.55 V . Можно вывести более точные формулы, но вряд ли это имеет смысл для столь простой схемы.

Идея с падающей характеристикой помогает снизить рассеиваемую мощность. Для этого примера она равна 1.4 W при 10 V .

Правильный выбор компонентов позволяет работать при гораздо более высоких напряжениях. Моделирование для 400-вольтового ZTX458 с \(R_1\)=90.0 Ω для максимального тока 5 mA и \(R_2\)=1 MΩ , \(R_3\)=3.9 MΩ и \(R_4\)=4.99 kΩ даёт график X2.83 . При таких номиналах схема имеет рабочий ток 2 mA при 350 V ( 700 mW ), а максимальная мощность 770 mW при 260 V .



==X_147

Интересно сравнить улучшения в пиковой рассеиваемой мощности, получаемой таким способом, по сравнению с обычным 2-выводным источником тока. Например, в ##§X3.6.5 был предложен высоковольтный источник тока для высоковольтного усилителя. Тогда при проектировании возникли некоторые сложности с мощностью рассеяния, а при добавлении цепи ограничения тока с падающей характеристикой ситуация должна сильно упроститься ( пусть даже и ценой постоянного тока подтяжки ).

Можно сделать низковольтную версию схемы с максимумом тока на 650 mV . 3-выводная ( не плавающая ) npn версия может строиться на 2N5089. Для области отрицательного сопротивления расположенной симметрично относительно тока 100 μA надо взять \(R_1\)=3.3 kΩ , \(R_3\)=83 kΩ , \(R_4\)=22 kΩ , а \(R_2\)=150 kΩ надо подключить к источнику +2.5 V ( данное действие исключает схему из числа плавающих ). Устройство получается не особо быстрым ( \(R_3\) и ёмкость коллектор-база \(C_{CB}\)=3 pF транзистора \(Q_2\) формирует постоянную времени τ=0.25 μs , но это положение можно подправить увеличив ток в 10 или даже 100 раз ).



==X_147