¿Cómo determinar los valores de la resistencia limitadora de corriente para un amplificador push-pull impulsado por un amplificador operacional?

Estoy buscando aumentar la unidad de corriente de salida de un amplificador operacional de alto voltaje usando un amplificador push pull. La hoja de datos de OPA454 incluye un circuito de aplicación para hacer exactamente esto e incluye algunas resistencias limitadoras de corriente:

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Como se ha señalado, R 3 = 20 Ω proporciona limitación de corriente y permite que el amplificador operacional controle la salida cuando | V O | < 0.7 V (es decir, ambos transistores están apagados). Entiendo que R 3 proporciona limitación de corriente al robar la corriente de salida del amplificador operacional del transistor que está encendido. Pero, ¿cómo elijo el valor de R 3 para establecer el límite actual a un valor particular I MÁX. (p.ej 2.5 A)? I MÁX. no tiene que ser demasiado exacto, solo necesita estar en el rango deseado (por ejemplo, ± 250 mamá).

Además, ¿cómo elijo los valores de las resistencias de degeneración del emisor? R 4 y R 5 ? Sé que se usan para evitar la fuga térmica al reducir V B mi (y por lo tanto I C ), pero creo que también afectarán I MÁX. porque afectarán el voltaje a través R 3 .

El propósito de este circuito es generar un voltaje de salida ajustable de aproximadamente 0 V a + 100 V con I MÁX. ≈ 2.5 A. Tengo suministros duales pero desequilibrados (no el ± 50 V mostrado) para soportar el rango de voltaje de salida. Según los transistores sugeridos en el circuito de aplicación anterior, probablemente usaré el MJ15003/MJ15004 . La respuesta de frecuencia no es una gran preocupación ya que la salida tiene milisegundos para la transición.

Supongo que las especificaciones relevantes para determinar los valores de resistencia son la corriente de salida máxima del amplificador operacional y el transistor h FE (el primero afecta al máximo I B , que se multiplica por h FE para establecer el máximo I C ), pero ¿hay algo más que deba tener en cuenta?

Alternativamente, ¿hay una mejor manera de limitar la corriente de salida para este amplificador push-pull?

Creo que podrías estar confundiendo el papel de R3. El circuito que tiene no incluye un mecanismo para limitar la corriente de salida suministrada a la carga. R3 solo está ahí para limitar/proteger la salida del opamp según la respuesta de Andy Aka a continuación. Si desea tener un límite de corriente, necesitará agregar una resistencia de detección de corriente y un circuito de control separado para eso.
@Jon Creo que entiendo lo que estás diciendo. Consulte mi pregunta de aclaración en mi comentario a la respuesta de Andy. Y siéntase libre de publicar su comentario como respuesta para que pueda votarlo y/o aceptarlo.

Respuestas (1)

La corriente de un OPA454 está casi limitada a un poco más de 100 mA y en un buen día puede obtener 150 mA, por lo que se elige R3 para evitar que el OPA454 produzca esta corriente, es decir, los BJT toman el control en un cierto punto y producen el la mayor parte de la corriente de salida.

Por ejemplo, a 100 mA de conducción a través de R3 (20 ohmios), el Vbe a través de uno de los transistores apunta a ser de 2 V. Claramente no puede, por lo que esto significa que los transistores están haciendo su trabajo de aliviar el amplificador operacional de tener que funcionar demasiado.

Básicamente, si R3 es de 20 ohmios y los transistores comienzan a encenderse a (digamos) 1 V, la corriente máxima tomada del OPA454 es de 50 mA y está dentro de las especificaciones del dispositivo. Recuerde que el OPA454 no puede producir vatios de energía; no puede esperar que suministre 50 V desde un riel de 100 V que conduce 100 mA; se quemará mucho antes.

EDITADO ABAJO

Aquí hay una etapa de salida push-pull típica que usa dos BJT más para inhibir la corriente de accionamiento suministrada por los transistores de salida: -

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Tomado del sitio útil de AllAboutCircuits sobre amplificadores push-pull. Debido a que el circuito original usa ambas bases conectadas entre sí, para que esto funcione se requiere tal vez una resistencia de 10 ohmios insertada en cada base, básicamente reemplazando cada diodo en el diagrama anterior. Las resistencias pull-up y pull-down no son necesarias.

Si una resistencia de emisor es de 0,5 ohmios, con una corriente de alrededor de 2A habrá suficiente voltaje para encender el transistor adicional y esto desvía la unidad base lejos del transistor principal.

Así es como se ve en una forma más simple (un controlador BJT único clsss A): -

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Tomado del sitio web Wiki de Analog Devices . Es posible que también haya visto este método utilizado para controlar la corriente a través de un LED: -

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Ah, entonces, ¿está diciendo que R3 está destinado a reducir la corriente de salida exigida del amplificador operacional por el transistor para su corriente base, no la corriente exigida por la carga ? La corriente de salida exigida del amplificador operacional por la propia carga se reduce por el propio amplificador push-pull; ese es el objetivo.
@Null para niveles de salida pequeños (es decir, menos de una caída de voltaje del emisor base), el amplificador operacional suministra la corriente de carga a través de R3. Si la carga exige 30 mA, entonces R3 no comienza a encender el transistor relevante porque 30 mA x 20R = 0,6 voltios. Si la carga exige más corriente, el transistor correspondiente comienza a encenderse y (el transistor) suministra la mayor parte de la corriente a la carga.
Si usó algo como LTSpice, podría ver los efectos de las resistencias del emisor, por cierto.
Entiendo que el amplificador operacional suministra la corriente de carga a través de R3 cuando ambos transistores están apagados. Ese es el único punto de R3? Si quitara R3, el amplificador funcionaría como antes excepto por una introducción de distorsión cruzada para | V O | < 0.7 V?
La distorsión cruzada apenas ocurriría en frecuencias bajas/medias porque la retroalimentación de circuito cerrado de la salida obligará a los amplificadores operacionales a moverse rápidamente a través de la región de cruce tradicional. En frecuencias más altas, vería evidencia, por supuesto.
Estoy jugando con un simulador LTspice usando un amplificador de alto voltaje comparable configurado para ganancia unitaria y transistores algo similares. Vin se establece en un voltaje constante (por ejemplo, 15 V) y aumento la corriente de carga de 0 a 3A. El voltaje de salida es estable en Vin hasta que la corriente de salida del amplificador operacional alcanza su valor máximo, después de lo cual el voltaje de salida colapsa. El aumento de las resistencias del emisor y/o la disminución de R3 hace que esto ocurra con una corriente de carga más baja porque la corriente de salida del amplificador operacional aumenta hasta su máximo con una corriente de carga más baja. Esto tiene sentido para mí.
No confío en el sim más allá de la corriente de salida máxima del amplificador operacional, pero la pregunta ahora es ¿qué sucedería si la carga intenta extraer más corriente de la que el amplificador operacional puede proporcionar a R3 y los transistores? ¿El voltaje de carga colapsa pero la corriente de carga aumenta según lo exija la carga?
@Null: en esa situación, es solo un problema térmico: si sus transistores no pueden lidiar con el calor que necesitarán disipar, su circuito fallará catastróficamente (humo). Si pueden, entonces el voltaje de salida colapsará (la cantidad depende de las características del transistor de salida) hasta que se elimine la carga. Claramente, desea dimensionar todo para que esto no suceda en condiciones normales.
@null con respecto a su sim, creo que los transistores de salida exigían demasiada corriente de base Mich debido a su Hfe limitado. Puede probar dispositivos de salida con un Hfe más alto. Con respecto a la limitación de corriente general, consideraría tener esta funcionalidad en la fuente de alimentación, pero hay varios circuitos en línea que usan dos transistores más que monitorean el voltaje a través de las resistencias del emisor para apagar cada dispositivo de salida.
@Andyaka La fuente de alimentación alimentará otros circuitos, por lo que me gustaría que este circuito limite su propia corriente. He visto el esquema con los dos transistores adicionales para robar la corriente base de los transistores de potencia. Creo que así es como R3 "limita" la corriente, aunque con una relación IV lineal en lugar de exponencial con el transistor agregado. Esperaba que R3 fuera una forma sencilla de limitar la corriente, pero probablemente sea mejor usar los transistores. También voy a agregar algunos circuitos para desconectar la carga cuando la corriente alcance cierto umbral.
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