¿Cómo puede un amplificador operacional actuar como un diodo de precisión?

Un amplificador operacional ideal quiere hacer que sus dos entradas tengan el mismo voltaje a través de la ruta de retroalimentación negativa. Mire un "diodo de precisión" muy simple:

Observe que la entrada inversora (-) también es Vout. Vin es la otra entrada. Recuerde, el amplificador operacional quiere que sus entradas tengan el mismo voltaje.

Supongamos que Vout comienza en 0V y Vin es 5V. Debido a que la entrada inversora tiene un voltaje más bajo que la entrada no inversora, la salida del amplificador operacional será positiva. Esto hace que la corriente fluya a través del diodo hacia tierra.

Si esto fuera solo un diodo, entonces observaríamos la caída habitual de 0,65 voltios del diodo. Pero el amplificador operacional todavía ve esta diferencia. En el punto donde Vout es 0.65V menos que Vin, todavía hay una diferencia entre las entradas del amplificador operacional y, en consecuencia, impulsará la salida aún más, buscando el equilibrio donde las dos entradas tienen el mismo voltaje.

Finalmente, el voltaje de salida del amplificador operacional es 0,65 V más alto que Vin. Después de la caída de voltaje, esto hace que Vout = Vin, y las entradas del amplificador operacional estén al mismo voltaje, y hemos alcanzado el equilibrio.

Ahora Vout y Vin están a 5V, pero digamos que Vin cae a 0V. El amplificador operacional ahora intentará compensar emitiendo el voltaje más negativo que pueda. Sin embargo, el diodo evita que fluya corriente debido a este voltaje negativo. Por lo tanto, se comporta como un diodo, permitiendo la corriente en una sola dirección, excepto que no haya caída de voltaje.

Sí, un amplificador operacional puede actuar como un rectificador de precisión pero no en aplicaciones de energía; si tiene una señal que desea rectificar (tal vez para convertirla en un valor máximo), use el siguiente circuito: -

La parte negativa de la señal se reproduce con precisión como una señal positiva en Vout. Se pueden combinar dos amplificadores operacionales para producir también un rectificador de onda completa.

Esta no es una forma de rectificación de potencia perfecta: su uso está limitado a señales de baja potencia.

Hay circuitos más simples que usan un diodo pero, si necesita rectificar con precisión una señal de velocidad bastante alta, debe evitar saturar el amplificador cuando está presente la mitad de la polaridad "incorrecta" de la forma de onda; esto se logra con el diodo adicional ( D2 en el diagrama de arriba).

Buscar en Google " rectificador de precisión " obtendrá algunas otras sugerencias sobre ideas.

Limitador de diodo en serie (no inversor). Este es el circuito más simple de un "diodo ideal" conectado en serie a la carga RL (la carga no pertenece al circuito):

En este circuito, el amplificador operacional aumenta su voltaje de salida con VF para superar la caída de voltaje de diodo directo no deseada (aquí) VF. Mire también esta historia de Wikilibros para ver cómo mis alumnos convirtieron el diodo imperfecto en un "diodo" casi ideal sin VF... o haga clic en el símbolo del diodo en la biblioteca de la historia animada a continuación para investigar el circuito:

Las desventajas de esta solución de circuito no inversor son la saturación (en la media onda de entrada negativa) y el error de modo común. Luego, veamos otra implementación inversora de un "diodo ideal".

Limitador de diodo paralelo (inversor). Este extraño circuito se asemeja a un convertidor de registro de amplificador operacional, pero aquí la salida del amplificador operacional no se usa como una salida de circuito convencional; en cambio, ¿la entrada del amplificador operacional inversor sirve como salida? Veamos por qué...

Con un voltaje de entrada positivo (cuando el circuito limita), el amplificador operacional agrega un voltaje de compensación VOA = VF en serie con la caída de voltaje directo VF a través del diodo. Como resultado, la combinación del diodo imperfecto y el amplificador operacional se convierte en un diodo virtual casi ideal que tiene una caída de tensión directa cero VF ≈ 0... y se comporta como un trozo de cable. El limitador de diodo pasivo imperfecto (la resistencia R y el diodo D) que recortaría el voltaje positivo de entrada a aproximadamente 0,7 V se ha transmutado en un limitador casi ideal que recorta el voltaje a ≈ 0 V (tierra virtual).

Con un voltaje de entrada negativo , el amplificador operacional alcanza el riel positivo... el diodo está apagado... y el voltaje de entrada se aplica a través de la resistencia R a la carga (obviamente, R debería ser lo suficientemente bajo).

Generalización. En ambas implementaciones de "diodo ideal", no inversor (serie) e inversor (paralelo), el amplificador operacional en realidad hace lo mismo: agrega un voltaje (emf) VF en serie a la caída de voltaje VF a través del diodo. La única diferencia es que en el primer caso, sube con VF el voltaje antes del diodo ("hala hacia arriba" el ánodo) mientras que en el segundo caso, baja con VF el voltaje después del diodo ("hala hacia abajo" el cátodo) .

Y como comentario final, si "diodo" significa "elemento de 2 terminales", entonces solo la última topología puede considerarse como un diodo. Este elemento virtual consta del diodo D, el amplificador operacional OA y la fuente de alimentación -Vs (compuesta por el globo naranja en la imagen a continuación). El resultado de toda esta combinación es sorprendente: cero resistencia y cero voltaje en el "elemento"... solo un trozo de cable conectado en paralelo (cortocircuitando) la carga. Los dos terminales son el punto de suma (donde se conectan la entrada inversora y el diodo) y el terminal positivo del suministro negativo -Vs.

Aquí hay otra historia de Wikilibros donde mis alumnos convirtieron de esta manera el diodo imperfecto en un "diodo" casi ideal sin FV.