¿Cuál es la idea detrás del ingenioso limitador de corriente Widlar?

Aproveché la característica exclusiva de Preguntas y respuestas de StackExchange, pero ahora solo describí mi respuesta para permitir que otros colaboradores se involucren. He construido mi respuesta en forma de un escenario de construcción paso a paso.

Desentrañar el misterio de esta ingeniosa solución de circuito fue un gran desafío para mí porque Widlar era un genio inventivo... y hoy en día es muy difícil para el ser humano común comprender sus ideas. Solo podemos adivinar a qué se refería cuando diseñó la solución del circuito...

Expondré mi filosofía en unos pocos pasos consecutivos, cada uno de ellos ilustrado por una imagen colorida. Esta es una explicación intuitiva cualitativa; por lo que las magnitudes eléctricas no tienen valores exactos. La representación por barras de tensión (en rojo) y bucles de corriente (en verde) es aproximada, pero las polaridades de tensión y las direcciones de corriente son reales, no arbitrarias.

El problema

Supongamos que tenemos que diseñar una fuente de corriente de transistor con voltaje de cumplimiento máximo . Esto significa voltaje mínimo a través del transistor y voltaje máximo a través de la carga . ¿Por qué?

Cuando una carga alimentada por una fuente de corriente aumenta su resistencia (o voltaje), el voltaje a través de ella aumenta y en algún momento la fuente de corriente deja de funcionar debido a que su transistor de regulación se satura (consulte las explicaciones a continuación en la Fig. 1). Queremos que este momento llegue lo más tarde posible.

La solución

1. Fuente de voltaje de entrada de referencia. La mejor manera de hacer una fuente de corriente es por medio de retroalimentación negativa. Por ejemplo, en la implementación clásica del transistor en la Fig. 1, el transistor T actúa como un seguidor de voltaje (emisor) que "copia" el voltaje de referencia de entrada VREF a través de la resistencia de detección de corriente constante RI en el emisor. Lo hace pasando la corriente de carga IL a través de RI, comparando la caída de voltaje VI a través de la resistencia con el voltaje de referencia VREF (restándolos) y cambiando la corriente de carga para mantener VI (casi) igual a VREF. Como resultado, la corriente es (casi) constante independientemente de las variaciones de voltaje de carga y suministro. En pocas palabras, el voltaje constante a través de una resistencia constante crea una corriente constante .

Para los curiosos: en esta configuración, la entrada del transistor (unión base-emisor) es impulsada de forma común por el lado del emisor (VI) mientras que la base se mantiene a voltaje constante (VREF).

Fig. 1. En la fuente de corriente constante clásica, una etapa de emisor común con degeneración de emisor RI es impulsada por una fuente de voltaje de referencia externa VREF

Ahora mira las barras de voltaje (en rojo) que visualizan los voltajes y muestran gráficamente la conexión entre ellos (VI + VCE + VL = VCC y VI + VBE = VREF)... esa es una interpretación geométrica de KVL. Obviamente, para obtener el voltaje de cumplimiento máximo VL, VI debe ser mínimo (VCE puede ser lo suficientemente bajo antes de que el transistor se sature). Esto significa que VREF debe ser mínimo pero mayor que VBE. ¿Qué puede ser una fuente de voltaje tan bajo? Tal vez una celda de batería de 1,5 V haga un buen trabajo... pero tendremos que cambiarla a menudo...

2. Red de diodos de referencia. Un principio básico en los circuitos es derivar todos los voltajes necesarios de una fuente de alimentación. Entonces, ¿usar un divisor de voltaje R1-R2? Sí... pero necesitamos una tensión de referencia (estable, constante) que no dependa de las variaciones de la alimentación. Entonces tenemos que reemplazar R2 con un elemento estabilizador de voltaje que "produzca" un voltaje mínimo. El diodo de Si es un elemento de este tipo... pero "produce" solo una caída de diodo VF = 0,7 V que se perdería totalmente en la unión base-emisor con VBE = VF = 0,7 V. Por lo tanto, necesitamos al menos dos diodos en serie con tensión total de 2 x 0,7 V = 1,4 V (Fig. 2). Como resultado, se aplicará una caída de voltaje de diodo de 0,7 V a través de RI.

Fig. 2. Prácticamente, el transistor es impulsado por una red de referencia de 2 diodos con voltaje total 2VBE

Sin embargo, esta no es la mejor solución por varias razones. Primero, necesitamos dos elementos en lugar de uno. Luego, si reemplazamos T con un transistor Darlington (como Q16-Q17 en el circuito 741 anterior), tenemos que agregar otro diodo a la cadena. Además, las uniones pn de diodo no son completamente idénticas a las uniones de emisor de base; por lo que las variaciones de temperatura no se compensarán por completo. Luego, ¿reemplazarlos con uniones base-emisor de transistores? Sí... pero a Widlar se le ocurrió una solución más inteligente: el llamado "diodo activo". ¿Qué tipo de diodo es este?

3. Referencia "diodo activo". Esto no es un diodo... es un transistor que actúa como un diodo (en el sentido de que mantiene un voltaje constante VCE = VF)... y más precisamente hablando, es un circuito con retroalimentación negativa de tipo voltaje . Sospecho que Widlar lo inventó nuevamente como una parte de entrada del espejo de corriente BJT simple ... pero no tengo pruebas de eso.

Este "circuito" consta únicamente de un transistor cuyo colector está conectado a la base. Entonces, la red de retroalimentación aquí es solo un trozo de cable. Como resultado de esta humilde conexión, el comportamiento del transistor cambia drásticamente: de un estabilizador de corriente a un estabilizador de voltaje (un "diodo" con VF = VBE = 0,7 V).

Parece que tenemos que conectar dos diodos activos en serie para obtener 1,4 V. Pero podemos hacerlo de una manera más original: insertando un diodo en la red de retroalimentación entre el colector y la base. Esto hará que el transistor "eleve" su voltaje de colector con otros 0,7 V. Una unión base-emisor puede servir como tal "red de diodos"...

Y aquí está la brillante idea de Widlar: ¡utilizar la unión base-emisor T2 existente como la red de diodos necesaria (Fig. 3)! Entonces podemos considerar los transistores T1 y T2 interconectados como un diodo activo con seguidor de emisor en la red de retroalimentación . Este es el truco "diabólico" de Widlar... ¿Cuál es la principal ventaja de esta solución?

Fig. 3. En el ingenioso circuito de Widlar, el transistor es impulsado por un "diodo activo" de referencia T1 con voltaje 2VBE

La "caída de tensión directa" de este "diodo compuesto" es adaptativa (autoajustable). En este caso, es 2VBE = 1,4 V. Pero si reemplazamos T2 con un transistor Darlington (p. ej., Q16-Q17 en la imagen superior), T1 "elevará" su voltaje de colector con otros 0,7 V y se convertirá en 3VBE = 2,1 V. Entonces, 1,4 V de ellos caerán a través de las uniones de emisor de base del transistor Darlington ... y se aplicará el mismo voltaje VBE = 0,7 V que antes a través de RI.

Para los curiosos: Es interesante que aquí la unión base-emisor es accionada de manera diferencial tanto por el lado del emisor como por el de la base. Por ejemplo, si la corriente de carga aumenta, el voltaje del emisor aumenta mientras que el voltaje base disminuye.

Al final de la primera parte de esta historia, recordemos cómo se implementa el principio de retroalimentación negativa en este seguidor de voltaje (Fig. 4). Se visualiza mediante barras de voltaje (en rojo) para ayudar a nuestra imaginación. La tensión de salida VE y la tensión de entrada VREF = 2VBE se restan en serie (KVL) en el lazo de entrada (en amarillo); el resultado se aplica a la entrada T2 (unión base-emisor).

Fig. 4. El voltaje del emisor a través de la resistencia RI se resta del voltaje de referencia 2VBE mediante un solo bucle de resta (en amarillo)

Fuente de tensión con limitación de corriente

Veamos ahora cómo el ingenioso circuito de Widlar puede funcionar como un limitador de corriente (como en el fragmento dentro de un círculo en la etapa de salida del amplificador operacional en la parte superior). Esta solución de circuito es muy utilizada no solo en amplificadores sino en diversas fuentes de voltaje (reguladores, estabilizadores, etc.) Sería interesante saber si le tomaron prestada esta idea y luego la explotaron 50 años después de su invención... Pero vamos mira cuál es la idea de esta limitación de corriente ...

En realidad, el circuito de Widlar consta solo de dos elementos: el transistor T1 y la resistencia RI ... simplicidad genial... Se puede conectar a cualquier transistor regulador, convirtiendo así la etapa del transistor en una fuente de corriente. No necesita tierra... puede ser flotante.

Tiene otra propiedad notable: un umbral de voltaje de 0,7 V. Esto significa que funcionará solo si la corriente de carga es lo suficientemente grande como para crear tal caída de voltaje en RI. De lo contrario, no funcionará... el transistor T1 no afectará a T2. Por lo tanto, convierte una fuente de voltaje en una fuente de corriente después de que la corriente de carga supera el umbral de corriente.

Usemos estas propiedades únicas para hacer un seguidor de voltaje con limitación de corriente (la idea original de Widlar implementada en el amplificador operacional 301).

4. Limitación. Cuando la corriente de carga IL está por debajo del umbral de corriente (Fig. 5), la caída de voltaje en RI es menor que VBE = 0,7 V. El transistor T1 está apagado y no deriva la entrada (no hace nada y se puede quitar). T2 actúa como un seguidor de emisor ordinario impulsado por el voltaje de entrada variable VIN y alimentando la carga RL. La resistencia de RI es insignificante en comparación con la resistencia de carga RL y VBE es insignificante en comparación con VIN. Entonces, casi todo el voltaje de entrada aparece en la carga.

Fig. 5. Cuando la limitación de corriente está desactivada, T2 actúa como un seguidor de emisor impulsado por el voltaje de entrada variable VIN y alimentando la carga RL

Veamos ahora cómo se implementa el principio de retroalimentación negativa en este seguidor de voltaje (Fig. 6). En contraste con la Fig. 4, aquí todo el voltaje de salida VE a través de la carga (se desprecia RI) y todo el voltaje de entrada VIN se restan en serie (KVL) en el bucle de entrada externo (en amarillo); el resultado se aplica a la entrada T2 (unión base-emisor). Para imaginar la diferencia, compare las longitudes de las barras de voltaje (en rojo) en ambas imágenes.

Fig. 6. En el seguidor de emisor T2, el voltaje del emisor a través de RL se resta del voltaje de entrada VIN en el bucle de resta exterior (en amarillo); RI se descuida

5. Limitación de. Cuando la corriente de carga IL excede el umbral de corriente (Fig. 7), la caída de voltaje a través de RI alcanza el umbral de 0,7 V. La situación es como en la Fig. 3 anterior. El transistor T1 comienza a conducir y la retroalimentación negativa entra en escena. T2 actúa de nuevo como seguidor de un emisor... pero ahora está impulsado por el pequeño voltaje constante (de referencia) VREF = 2VBE... y mantiene la pequeña constante VBE = 0,7 V a lo largo de la constante RI. Como resultado, la corriente IL a través de la carga es constante ... la fuente de voltaje variable (seguidor de emisor T2) desde arriba se transforma en una fuente de corriente constante con corriente fija... y T2 está protegido contra daños.

Ahora mire el bucle de corriente IIN (en verde) e imagine que la carga es una conexión corta. No hay ninguna resistencia en el bucle; el IIN actual será ilimitado... y T1 puede dañarse. T1 protege a T2... pero "muere"... Así que la fuente de voltaje de entrada tiene que ser imperfecta... con alguna resistencia interna.

Fig. 7. Cuando la limitación de corriente está activada, T2 actúa como una fuente de corriente constante impulsada por el diodo activo de referencia T1 con voltaje 2VBE

Los bucles de corriente (en verde) te ayudarán a imaginar el funcionamiento del circuito en este modo. Se dibujan según el principio de que cada corriente vuelve al punto de partida .

Al final de esta historia, veamos cómo se implementa el principio de retroalimentación negativa en esta fuente de voltaje que actúa como fuente de corriente - Fig. 8. Como puede ver, es equivalente a la Fig. 4. En ambas figuras, el voltaje VE a través de RI y el voltaje de referencia de entrada VREF = 2VBE se restan en serie (KVL) en el mismo bucle de entrada (en amarillo); el resultado se aplica a la unión base-emisor T2. La única diferencia es que el circuito de resta en la Fig. 4 está conectado a tierra mientras que en la Fig. 8 está flotando.

Fig. 8. En la fuente de corriente constante T2, el voltaje del emisor a través de RI se resta del voltaje de referencia VREF = 2VBE en el circuito de resta interno (en amarillo)

6. Más ejemplos. Widlar implementó la misma idea en la etapa de salida del seguidor de voltaje LM110 pero con un transistor Darlington Q5, Q6 (Fig. 9). Cuando la limitación está activada, Q7 "eleva" su voltaje de colector con otros 0,7 V y se convierte en 3VBE = 2,1 V. 1,4 V de ellos caen a través de las uniones base-emisor Q5 y ​​Q6 y el voltaje VBE = 0,7 V se aplica a través de R6 ; por lo que la corriente de salida está limitada a VBE/R6. Este es un ejemplo de una fuente de corriente protegida por el circuito limitador de corriente.

Fig. 9. En la etapa de salida del seguidor de voltaje LM110, podemos ver la misma idea de Widlar pero aplicada al transistor Darlington Q5,Q6

Podemos ver el circuito ubicuo en la estructura interna del 741 discutida... pero ahora actuando como sumidero de corriente. Se implementa con un transistor Darlington Q16, Q17 (Fig. 10) y el transistor limitador Q22. Cuando la limitación está activada, Q22 "eleva" su voltaje de colector con otros 0,7 V y se convierte en 3VBE = 2,1 V. 1,4 V de ellos caen a través de las uniones base-emisor de Q16 y Q17 y el voltaje VBE = 0,7 V se aplica a través de R11; por lo que la corriente de salida está limitada a VBE/R11. Este es un ejemplo de un sumidero de corriente protegido por el circuito limitador de corriente (en realidad, el transistor de salida Q20 está protegido).

Fig. 10. En la segunda etapa de amplificación del amplificador operacional 741, podemos ver la misma idea de Widlar aplicada al transistor Darlington Q16,Q17

Y finalmente, veamos esta "genial simplicidad" en algún circuito de un regulador de voltaje (Fig. 11). Lo he "robado" de una pregunta relacionada con StackExchange .

Fig. 11. Circuito de Widlar (Q2 y RD) construido en un estabilizador de voltaje de transistor clásico

Completé mi historia al descubrir la idea básica detrás del circuito único de Widlar. Espero que le ayude a hacer la conexión entre (a primera vista) diferentes soluciones de circuito... para ver lo común detrás de lo específico...

Es muy fácil reconocer la diferencia fundamental basada en la relación de impedancia de salida de colector o emisor a carga. La impedancia de carga determina si se utiliza para regular siempre una corriente limitada o en caso de exceso de salida lineal con riesgo de sobrecalentamiento. Como de costumbre, siempre crea una caída de 1,5 ~ 2 V desde el suministro en amplificadores operacionales en el lado alto NPN de una salida push-pull dependiendo de Q simple o Q dual, etapa Darlington, como algunos LDO.

Limitador de corriente: Modo seguidor de emisor (también conocido como colector común). Zo= Rb/hFe hasta que el voltaje a través de la detección de corriente R alcance los 600 mV para la retroalimentación Ic= 1 mA para cualquier valor de la resistencia de detección. Esto se puede usar como un controlador complementario lineal con baja corriente inactiva o como un sumidero/fuente saturado.

Sumidero/fuente de corriente: Colector abierto a modo de carga (también conocido como Emisor común NPN/PNP) es una alta impedancia I=600mV/Rs con tolerancias Vbe vs temp & R normales.