مطمئناً اپ امپ ها متنوع هستند ، اما محدوده کاربرد آنها به جریان خروجی آنها محدود می شود. تقویت جریان اپ امپ در بسیاری از کاربردها مورد نظر طراحان می باشد. انتظار می رود که یک اپ امپ معمولی به طور پیوسته بیش از ۳۰ یا ۴۰ میلی آمپر جریان دهی نداشته باشد ، اگرچه بعضی از آنها می توانند تا ۱۰۰ میلی آمپر نیز جریان بدهند . یک دسته خاص از آمپلی فایرهای جریان بالا وجود دارند که توانایی جریان دهی حدودا ۱۰۰۰ میلی آمپر را دارا می باشند.
طبعا می توان از این آمپلی فایرهای جریان بالا استفاده نمود. اما چند دلیل وجود دارد که ممکن است ترجیح می دهید که یک آمپلی فایر معمولی و جنرال را به کار گیرید و تقویت جریان اپ امپ را مد نظر قرار دهید . اول اینکه ، برخی از آمپلی فایرهای با توانایی جریان دهی بالا ، قطعات پیچیده ای هستند که برای کاربردهای تخصصی در نظر گرفته شده اند ، و در نتیجه ، آنها کمیاب تر و گران تر هستند – به عنوان مثال ، LT1210 ، که سازنده آن شرکت Linear Tech می باشد می تواند ۱۱۰۰ میلی آمپر را درایو کند ، که قیمت آن حدود ۱۲ دلار می باشد . علاوه بر این ، برخی از قطعات دارای جریان بالا تقویت کننده های فیدبک جریان هستند ، و به سادگی نمی توان از آنها در مدار طراحی شده برای توپولوژی بازخورد ولتاژ استفاده کرد. به همین علت از مدارات تقویت جریان اپ امپ دار استفاده می شود.
خوشبختانه ، در واقع نیازی به استفاده از آمپلی فایرهای با جریان بالا ندارید ، هنگامی که تمام چیزهایی که شما نیاز دارید ، یک مدار اپ امپ ساده با خروجی جریان بالا است. با تقویت جریان اپ امپ میتوان نیاز به استفاده از اپ امپهای گران قیمت را مرتفع نمود . شما می توانید از یکی ازاپ امپ های ارزان قیمت که در هرکجایی یافت میشوند بهره ببرید و آن را با سایر قطعات استاندارد ترکیب کنید و مدار مورد نظر خود را در اختیار داشته باشید.
فقط یک ترانزیستور
ابتدایی ترین مدار برای بافرکردن جریان خروجی اپ امپ و تقویت جریان اپ امپ به شرح زیر است:
این نیز یه مدار معادل تقویت جریان اپ امپ می باشد.
قبل از هرچیز ، بهتر هستش که درک مفهومی کاملی از این مدار بدست آوریم. ورودی بر روی ترمینال مثبت اپ امپ اعمال می شود و خروجی مستقیماً به پایه بیس ترانزیستور وصل می شود. اپ امپ و ترانزیستور می توانند از یک منبع تغذیه مثبت استفاده کنند ، اما در این حالت فرض می کنیم که دو ولتاژ در دسترس است: یک ولتاژ ۵ ولت برای مدار کم مصرف و کم نویز و یک ولتاژ ۱۲ ولت برای بخش قدرت . مقدار مقاومت بار بسیار کم است ، به طوری که ولتاژهای خروجی بیشتر از حدود ۲۰۰ میلی ولت که مستقیماً روی بار اعمال می شوند به جریان خروجی بیشتری از آنچه LT6203 می تواند تامین نماید نیاز دارند. ترانزیستور انتخاب شده در شماتیک LTspice می تواند حدود ۱۰۰۰ میلی آمپر را تحمل کند ، به این معنی که برای ولتاژ بار تا ۵ ولت مناسب است.
تنها نکته این مدار اتصال فیدبک است. هنگام تجزیه و تحلیل یک اپ امپ در یک پیکربندی فیدبک منفی ، می توان فرض کرد که ولتاژ در پایانه مثبت برابر است با ولتاژ در پایانه منفی. این به تنهایی به ما می گوید ولتاژ خروجی (یعنی ولتاژ موجود در دوسر بار) برابر است با ولتاژ ورودی. اما کمی عمیق تر می شویم تا درک واقعی تری پیدا کنیم . اتصال کوتاه مجازی در پایه های ورودی اپ امپ نوعی بیراهه است که می تواند ما را از واقعیت عملکرد آن دور کند. اپ امپ اختلاف ولتاژ ورودی را با یک گین بسیار زیاد ضرب می کند. بنابراین ، با این فیدبک منفی ،اپ امپ به سرعت به تعادل می رسد زیرا تغییرات بزرگ در ولتاژ خروجی ، ولتاژ تفاضلی ورودی را که باعث ایجاد این تغییرات بزرگ در خروجی میباشد را کاهش می دهد. در این حالت تعادل ، خروجی با هر ولتاژ تثبیت شده و اختلاف بین ولتاژها در پایانه های وردی مثبت و منفی را از بین می برد — به عبارت دیگر ، اپ امپ به طور خودکار خروجی خود را به هر روشی که لازم باشد تنظیم می کند تا ولتاژ ورودی منفی برابر با ولتاژ ورودی مثبت باشد.
در چارچوب این مدار بافر، اپ امپ به طور خودکار هر ولتاژ خروجی مورد نیاز را تولید می کند تا ولتاژ امیتر ترانزیستور با ولتاژ ورودی اپ امپ برابر باشد. فکر کنید که این کار در شرایط حلقه باز چقدر دشوار خواهد شد. به نوعی باید رابطه ورودی-خروجی تقویت کننده برای جبران افت ولتاژ بیس به امیتر ترانزیستور طراحی شود ، که نه خطی و نه قابل پیش بینی می باشد. اما با وجود اپ امپی که به صورت فیدبک منفی بسته شده است ، مشکل مرتفع می شود.
بیایید این مطلب را با دو شبیه سازی تقویت کنیم. مورد اول خیلی مهیج نیست. به سادگی تأیید می کند که ولتاژ خروجی ولتاژ ورودی را ردیابی می کند
نمودار بعدی نشان می دهد که ترمینال خروجی اپ امپ برای تولید ولتاژ مناسب در طول بار چه کاری باید انجام دهد.
اضافه کردن گین:
ساختار این مدار محدود به تولید گین واحد نیست. می توان مقاومت هایی را در مسیر فیدبک اپ امپ وارد کنید تا گین مشخصی را از ورودی به سمت بار جاری کرد. درزیر نسخه گین غیر واحد وجود دارد.
و در اینجا شماتیک یک مدار در نرم افزار LTspice که عمل تقویت جریان اپ امپ را انجام میدهد که به همراه شبیه سازی شکل موجهای مربوط به ورودی اپ امپ و خروجی آن و امیتر ترانزیستور موجود است .
با وجود یک مدار مطمئن و ساده مانند این ، همیشه احتمال عدم کارکرد درست وجود دارد. در اینجا برخی از مشکلات احتمالی که باید به آنها توجه شود آورده شده است:
۱- این یک امر بدیهی است ، اما اطمینان حاصل کنید که ترانزیستور مورد استفاده می تواند جریان بار را تحمل کند. به عنوان مثال ، ترانزیستور رایج ۲N2222 ، احتمالاً تنها ۸۰۰ میلی آمپر از جریان را به طور پیوسته هدایت می کند.
۲-این یکی چندان واضح نیست: آیا شما از حداکثر تلافات توانی ترانزیستور بالاتر هستید؟ احتمال این مسئله وجود دارد زیرا این نوع از آن چیزهایی است که ممکن است در یک شبیه سازی متوجه آن نشوید – به عنوان مثال ، شبیه سازی انجام شده در این مقاله به ما هشدار نمی دهد که ترانزیستور ۲SCR293P در حال سوختن می باشد. حداکثر اتلاف نیرو برای این ترانزیستور ۰٫۵ وات است. در مدار ما ، اگر VOUT = 3 V باشد ، جریان بار ۳v/5=600 میلی آمپر و ولتاژ کلکتور به امیتر ترانزیستور ۹=۳-۱۲ ولت است. بنابراین ، اتلاف توانی در حدود (۶۰۰ میلی آمپر) در (۹ ولت) = ۵٫۴ وات می شود . جریان کلکتور در محدوده قابل قبول است ، اما توان اتلافی ده برابر حداکثر توان مجاز می باشد. در صورت امکان می توانید با استفاده از ولتاژ تغذیه کمتر یا ترانزیستور با قدرت توان بالاتر این مشکل را برطرف کنید.
۳- هنگامی که ترانزیستوردر منطقه فعال فعالیت می کند ، جریان ورودی به بیس تقریباً برابر با جریان بار تقسیم برمقدار بتای ترانزیستور می باشد. بنابراین ، اپ امپ هنوز هم باید مقدارجریان بیس ترانزیستور را تامین نماید و اگرجریان بار با خروجی جریان ضعیف اپ امپ همراه باشد ، ممکن است دچار مشکل شوید. به عنوان مثال ، اگر جریان بار شما ۲۵۰۰ میلی آمپر است و از ترانزیستور با hFE = 100 استفاده می کنید ، به حدود ۲۵ میلی آمپر جریان در بیس احتیاج خواهید داشت. برخی از اپ امپها قادر به تامین این جریان نیستند.
۴- ترانزیستور هنگامی که ولتاژ بیس آن از ولتاژ کلکتوردر حدود ۰٫۵ ولت بالاتر باشد ، وارد اشباع می شود و از آنجا که ولتاژ بیس در حدود ۰٫۷-۰٫۹ ولت بالاتر از ولتاژ بار است ، ولتاژ کلکتورترانزیستور (که در این مدار برابر است با ولتاژ منبع تغذیه) باید حداقل ۰٫۵-۰٫۹=۰٫۴ ولت بالاتر از حداکثر ولتاژموردنیازبار باشد.
در آینده قسمت دوم این مقاله ارایه میشود.تقویت جریان اپ امپ (قسمت دوم – دارلینگتون)