¿Son eficientes los amplificadores operacionales como regulador de voltaje?

La eficiencia inherente será la misma que la de cualquier otro regulador lineal, más o menos, dependiendo de la corriente de reposo del amplificador operacional (podría ser de uA a mA para el amplificador operacional que se encuentra allí sin carga).

$P_D = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{load} + I_q \cdot V_{in}$

100 mA requerirá un amplificador operacional costoso o una etapa de refuerzo en la salida.

Hay otro problema: los reguladores lineales están diseñados y especificados para cargas capacitivas, como los condensadores de derivación en lo que sea que vaya a conectar al riel de 3.3V. Si conecta un amplificador operacional como se muestra en su esquema a una carga de este tipo, probablemente oscilará y/o se sobrepasará. Eso podría dañar su carga, e incluso si los condensadores de derivación eliminan la oscilación aparente, aumentará en gran medida el consumo de energía de su circuito. Sugiero que, a menos que tenga requisitos muy especiales, debe usar reguladores de voltaje para regular el voltaje y amplificadores operacionales para manipular las señales. No es que no puedas compensar dicho circuito con componentes adicionales para que sea estable, es solo que no veo el punto.

Los amplificadores operacionales generalmente no pueden suministrar 100 mA. Pero aún se pueden usar para controlar un voltaje de alimentación si agrega algo de ganancia de corriente a su salida. Si realmente desea que un opamp controle un voltaje de alimentación que pueda suministrar cientos de mA, esta es una manera simple:

El opamp todavía controla y aún proporciona ganancia de voltaje de Vin a Vout. Sin embargo, Q1 proporciona la mayor parte de la corriente Vout. R2 y R3 son la retroalimentación de voltaje y la ganancia general es el recíproco de su relación de atenuación. En este ejemplo, R2 y R3 son iguales, por lo que la ganancia de voltaje de Vin a Vout es 2.

Puede pensar que todo lo que necesita es el transistor y R2 y R3, pero eso podría ser inestable. Para que el amplificador operacional sea estable, coloca una pequeña tapa directamente entre su salida y la entrada inversora. Pero también debe permitir que la salida opamp no se cargue directamente con la carga final, especialmente si esa carga es capacitiva. R1 desacopla la salida del amplificador operacional de la carga de modo que el amplificador operacional debería poder alcanzar el voltaje de salida que desee. Sin eso, la retroalimentación de estabilidad proporcionada por C1 no funcionará correctamente y la cosa puede oscilar de todos modos.

El mejor valor de C1 es difícil de predecir, así que comience con algo vagamente plausible, como muestro, y luego experimente. Hacerlo más bajo invitará a la inestabilidad y dará como resultado oscilaciones. Hacerlo más alto amortiguará la respuesta a las cargas transitorias. Pruebe conectando la carga no resistiva del peor de los casos que espera, encuentre el valor de C1 justo donde comienza a ser inestable y luego duplíquelo en el circuito real.

Sin embargo, retrocediendo un par de capas en este caso, no necesita un regulador de voltaje opamp ya que el voltaje que desea es un valor común y conocido por adelantado. Hay muchos reguladores lineales de 3 terminales diseñados específicamente para esta tarea que pueden generar 100 mA. Si está bien desperdiciar la energía extra como calor en el regulador lineal, entonces este es claramente el camino a seguir en su caso. En este caso, está cayendo 7,5 V - 3,3 V = 4,2 V, que multiplicado por 100 mA es 420 mW. Un regulador lineal en una caja TO-220 o similar se calentará, pero no requerirá un disipador de calor.

Si la eficiencia o la eliminación del calor son un problema, utilice un regulador reductor para hacer que el suministro de 3,3 V se realice a partir del suministro de 7,5 V existente.

Los amplificadores operacionales son dispositivos lineales y, como tales, serán tan (in) eficientes como cualquier otro regulador lineal.

La corriente de carga en el pin de salida se suministra desde los pines de la fuente de alimentación del opamp, y cualquier diferencia de voltaje entre los dos pines aparece en los transistores del controlador en la etapa de salida del opamp. Este voltaje, multiplicado por la corriente de carga, representa la potencia que se disipará como calor dentro del opamp.

No podrá suministrar 100 mA desde todos los amplificadores operacionales estándar, tal vez 20 mA para la mayoría y hasta 50 mA para dispositivos más especializados. Hay cosas como los amplificadores operacionales de potencia que pueden entregar amplificadores, pero estos son dispositivos especializados.

En cuanto a la eficiencia, la potencia suministrada a la carga puede ser de 3,3 V x 20 mA = 66 mW y la potencia del amplificador operacional será de 7,5 V x (20 mA + ~5 mA para el amplificador operacional) = 187,5 mW.

La corriente de reposo del dispositivo puede ser de 3 mA aumentando a 5 mA para producir la corriente de salida. Hay un poco de agitación manual, pero incluso si ignora cualquier corriente tomada por el amplificador operacional, todavía tiene 7.5V alimentándolo y 20mA entregados a la carga = 150mW.

Si ejecutó el amplificador operacional desde una fuente de 5 V, sería mejor, pero recuerde que es un dispositivo lineal que no es como una fuente de alimentación conmutada: si su salida es de 20 mA, estos 20 mA se toman de los rieles de potencia de los amplificadores operacionales.

Este circuito proporciona el voltaje de salida establecido (la salida máxima está limitada por los rieles), pero ya no estará bien regulado con una carga más alta. Esto también depende de la fuerza del amplificador operacional de interés. Hay muchos amplificadores operacionales de alta capacidad de corriente (amperios) disponibles ahora.

Este circuito no es un regulador de voltaje por casualidad. Oscilará con una alta carga capacitiva y no puede soportar transitorios de línea o de carga.