Amplificador operacional con transistor en retroalimentación

El funcionamiento de este chip es inteligente pero no demasiado difícil de entender.

• La corriente que fluye hacia la carga provocará una caída de voltaje entre (1) y (2) y la caída será proporcional a la corriente.
• Dado que la impedancia de entrada del amplificador operacional es muy alta, el voltaje en (3) será el mismo que en (2). (Más sobre esto más adelante).
• Inicialmente, el transistor estará apagado y el voltaje en (4) será igual al de (1). El efecto será que (4) es más alto que (3), por lo que la salida del amplificador operacional comenzará a aumentar.
• A medida que la salida comienza a aumentar, el transistor comienza a encenderse. Esto permite que la corriente fluya a través de Rg3. A medida que aumenta la corriente, el voltaje en (4) comienza a caer debido a Rg1.
• Cuando fluye suficiente corriente a través de Rg1, Q y Rg3 para bajar (4) al mismo voltaje que (3), el circuito se estabilizará.
• Por lo tanto, el voltaje en Rg3 será proporcional al voltaje en Rsense, que es proporcional a la corriente. El voltaje Rg3 se amortigua.
• Rg2 se incluye para equilibrar cualquier corriente de polarización. Ambas entradas se verán afectadas en la misma cantidad, por lo que los errores se cancelan. También pueden proporcionar un poco de protección contra sobrevoltaje y limitar la corriente en cualquier diodo de protección contra sobrevoltaje incorporado. (Consulte la hoja de datos).

Si tuviera que construir esto a partir de elementos semidiscretos, ¿se puede alimentar el amplificador operacional con voltaje, es decir? ¿5V y detectar corriente en un potencial mucho más alto con este circuito?

No. Con muy pocas excepciones, las entradas del amplificador operacional deben estar dentro o muy cerca de los rieles de suministro. Parece que están usando un truco en este dispositivo, ya que los pines 3 y 4 pueden ir a 30 V con un suministro de 24 V en el chip (a juzgar por el esquema).

Pregunta uno: ¿Por qué está ahí el transistor?

Respuesta:
El transistor está allí para garantizar que el Op-Amp pueda "establecerse" de modo que el transistor extraiga suficiente corriente a través de Rg1 y hacia Rg3 para obtener voltajes iguales en las entradas V- y V+ del op-amp.

Si no fuera así, se necesitarían muchos trucos adicionales para obtener la diferencia de voltaje a través de Rsense para hacer que fluya una corriente confiable e independiente del suministro.

Lo que podría haber sido más fácil sin el transistor es que Rg3 también está dentro del paquete y nuevamente causa un voltaje y posiblemente un amplificador de diferencia de 2 amplificadores operacionales podría haber logrado el mismo resultado.

Sin embargo, muchos de estos diseños dan la corriente que tira el transistor como un pin de salida que le permite sustituir su propia resistencia. Aparte de eso, el transistor ofrece algunas opciones de precisión y estabilidad, dependiendo de algunos detalles que no proporciona su bloque amarillo.

Pregunta dos: ¿Puedo hacer esto, alimentar el amplificador operacional con 5 V y luego hacer que el Rsense funcione a un voltaje más alto (como 12 V, tal vez?)?

Respuesta:
No.
No sin otras partes a su alrededor, lo que lo haría infinitamente más difícil. Un amplificador operacional solo puede ofrecer ganancia lineal cuando sus entradas están entre los rieles de suministro, y muchos solo pueden hacerlo cuando sus entradas están aún más en la mitad del rango de suministro que los rieles reales.

Necesitaría un "Más que un amplificador operacional de riel a riel" y no he oído hablar de tal cosa.

re Pregunta 2: Como se respondió antes, no, no podría conectar este cct con opamps comunes. De hecho, el primer "opamp" (entrada) en el cct debe entenderse como un "elemento de alta ganancia" con un comportamiento balanceado (es decir, simétrico) en ambos pines de entrada. Y una corriente de polarización razonablemente baja, pero no esperaría que esta corriente de polarización fuera muy baja.

Si tuviera que adivinar qué hay dentro del diseño de un elemento de ganancia de este tipo, consistiría en las dos entradas que alimentan resistencias coincidentes (Rin, Rip) que alimentan espejos de corriente NPN coincidentes.

Por lo tanto, corrientes de polarización de entrada (casi) iguales (Ibn, Ibp) fluirán hacia el elemento de ganancia y la caída de voltaje Ibn Rin (~=Ibp Rip) mantendrá los elementos activos de la etapa de entrada (espejos de corriente) por debajo de Vcc.

La diferencia en las salidas de los espejos actuales es donde empieza lo complicado. Por supuesto, los diseñadores de circuitos integrados analógicos viven para tales desafíos :)

Espero que esto le ayude a formar ideas para su sensor de corriente de alto voltaje con alimentación de 5V. Por cierto: los espejos actuales son algo difíciles de combinar en el mundo discreto. Puede encontrar matrices de transistores (casi) coincidentes. Buena suerte.