¿Qué hace este circuito amplificador operacional/transistor? (circuito revisado)

En primer lugar, puede controlar el voltaje en la entrada inversora (-) en el rango de 9 a 10V.

Opamp intentará mantener el mismo voltaje en ambas entradas variando el voltaje de salida. Primero suponga que opamp está funcionando en su región lineal (el voltaje de salida no está saturado). Esto significa que el voltaje en la entrada no inversora (+) es exactamente el mismo que el voltaje en la entrada inversora.

Si establece el voltaje en 10 V, la diferencia de voltaje en la resistencia R3 es 0 V. Usando la ley de Ohm, esto produce una corriente cero. Esto también significa que hay 0A pasando por la carga.

Si configura el voltaje a 9V, el voltaje en la resistencia R3 no es de 1V (10V-9V). Usando la ley de Ohm da 1A. Toda esta corriente también pasa por la carga (porque la corriente de entrada de opamp es cero).

De esta manera puede controlar la corriente de carga de 0 a 1A.

Ahora el comportamiento dinámico.

Suponga que configura 9.5V con el potenciómetro. El voltaje en el colector del transistor es de 9.5V. Esto significa que el voltaje R3 es de 0,5 V y la corriente de carga también es de 0,5 A.

Ahora cambie el potenciómetro a 9.6V. Las entradas de Opamp ya no están balanceadas. El voltaje de la entrada inversora es más alto que el de la entrada no inversora. Por lo tanto, opamp ajustará su salida bajando el voltaje en la base del transistor. La corriente del colector caerá y también lo hará el voltaje en R3. V(R3) caerá a 0,4 V, momento en el que los voltajes de entrada serán iguales y volverá a tener un estado estable.

Consideraciones prácticas.

Casi cualquier opamp funcionará correctamente en este circuito. Debe considerar la corriente máxima que el opamp puede dar a la puerta. Si su corriente de salida es máx. 1A, la corriente de puerta tiene que ser 1A/(transformador beta). Debe elegir un opamp que proporcione al menos esta cantidad de corriente.

También debe tener en cuenta que si desea que su circuito funcione cuando la salida está en cortocircuito, el voltaje en la salida debe bajar a GND + 0.7V. Incluso si no es así, puede corregirlo muy fácilmente agregando una resistencia base.

El circuito es un intento hipotético de una alimentación de corriente constante a la carga. Una vez que se establece que (a primera vista) el circuito tiene retroalimentación negativa, puede continuar y decir que las entradas al amplificador operacional siempre serán las mismas (dentro de milivoltios).

Debido a que Vin- tiene un voltaje fijo determinado por el potenciómetro, todo lo que queda por establecer es cómo se produce el voltaje en Vin+. Esto es simple: ese voltaje está determinado completamente por la corriente a través de R3.

Esto significa que configura el potenciómetro para producir un voltaje en Vin- y la corriente a través de R3 se ajusta para producir exactamente el mismo voltaje en Vin+. En este punto se alcanza el equilibrio.

La corriente a través de R3 está controlada por el voltaje del potenciómetro. ¿Qué pasa con la corriente a través de la carga? Bueno, es prácticamente la corriente del emisor (corriente R3), por lo que este circuito es un intento de aplicar una corriente constante a la carga.

Digamos que el potenciómetro está configurado para ser de 9,5 V; esto significa (teóricamente y a primera vista) que el voltaje en R3 será de 0,5 V, es decir, 10 V - 9,5 V. Esto significa que 0.5A fluye a través de R3 y que la corriente fluye en gran medida a través de la carga. Si la carga es de 10 ohmios, el voltaje en la carga será de 5V. Si la carga cayera a 1 ohm, el voltaje en la carga caería a 0.5V.

Hay restricciones de la fuente de alimentación de 10V. Por ejemplo, si la carga fuera de 20 ohmios, el voltaje de alimentación del circuito no tiene suficiente margen para pasar 0,5 A a través de la carga y el circuito ya no se comporta de forma lineal.

¿Qué tiene de malo este circuito? Si intentara construirlo, oscilaría, aunque la corriente promedio en la carga podría mantenerse en un valor fijo. ¿Por qué haría esto? Hará esto porque ha cometido el error fatal de no comprender la ganancia de bucle abierto de la mayoría de los amplificadores operacionales.

La mayoría de los amplificadores operacionales disponibles comercialmente navegan cerca del viento, ya que con retroalimentación negativa están cerca de volverse inestables; de hecho, algunos amplificadores operacionales no pueden funcionar como un inversor de ganancia unitaria. Lo que empeora este circuito: la ganancia del colector se agrega potencialmente dentro del bucle de retroalimentación, por lo que ahora el amplificador operacional tiene que hacer frente a un poco más de ganancia dentro del bucle de retroalimentación negativa y esto, en la mayoría de las condiciones de carga prácticas, hará que el circuito oscile.

Si la carga es de 1 ohm, entonces la mayoría de los amplificadores operacionales podrían hacer frente a que la ganancia del colector sea la unidad, pero el pequeño cambio de fase adicional incurrido lo convierte en el punto de oscilación.

Si la carga es de 2 ohmios, entonces la ganancia de voltaje del colector es menor que 1 y este circuito tiene posibilidades de funcionar siempre que la carga sea puramente resistiva : cualquier pequeña cantidad de capacitancia hará que este circuito cante porque a altas frecuencias la capacitancia hará que el ganancia de colector mayor que 1.

Olvídese de las cargas de menos de 1 ohm y realmente no espere que esto funcione en la práctica: hay mejores circuitos para controlar la corriente de carga.

Hagamos "las matemáticas" para este circuito. Como han señalado otros, si hay retroalimentación negativa, los terminales de entrada tienen el mismo voltaje:

(1)$v_+ = v_- = v_i$

Dónde$v_i$es nuestra variable independiente, el voltaje de entrada determinado por el ajuste del potenciómetro.

Para simplificar, suponga que la corriente a través de R3 es idéntica a la corriente de carga$i_L$. Entonces nosotros tenemos:

(2)$v_+ = 10V - i_L \cdot R_3$

Poniendo (1) y (2) juntos, tenemos:

(3)$i_L = \dfrac{10V - v_i}{R_3}$

Entonces, este circuito implementa una fuente de corriente controlada por voltaje (VCCS).

Está claro que el rango del voltaje de entrada es$9V \le v_i \le 10V$por lo que el rango de corriente de carga es (por$R_3 = 1\Omega$):

$0A \le i_L \le 1A$

Ahora, este análisis asume que el amplificador operacional es ideal y que la ganancia de corriente del transistor$\beta$es infinito. Dado que los amplificadores operacionales reales tienen una ganancia y un ancho de banda finitos y los transistores reales tienen una ganancia de corriente finita, es correcto preguntarse si este análisis se aproxima al funcionamiento de un circuito real.

Además, hay "condiciones de contorno" que deben cumplirse. Por ejemplo, el voltaje máximo que se puede aplicar a la carga debe ser inferior a 10V. Por lo tanto, para cargas de aproximadamente$10 \Omega$o más, su rango de corriente de carga se reducirá.

Hay varias otras consideraciones que están más allá del alcance de esta respuesta.

En particular, no me queda claro cómo el transistor afecta el circuito de retroalimentación.

El transistor proporciona ganancia de corriente para la corriente de carga, así como inversión de ganancia de voltaje para el circuito de retroalimentación. Dado que la retroalimentación está conectada a la terminal no inversora del amplificador operacional, habría una retroalimentación positiva sin la presencia de esta ganancia inversora.

Este circuito es una fuente de corriente. El transistor proporciona una inversión al igual que el amplificador operacional. El cambio neto es positivo o no hay inversión. Sin embargo, el punto de retroalimentación está en el colector del transistor, lo que significa que el voltaje controlado está en ese punto. Esto significa que cualquier voltaje que se marque en el potenciómetro se duplicará en la parte inferior de R3. Si se garantiza que el voltaje en Vcc y en R3 sea constante, entonces esta es una fuente de corriente. Por supuesto, todo esto supone que todos los demás parámetros están dentro del rango dinámico de las partes involucradas. Por ejemplo, es imposible conducir una corriente constante a una carga abierta.

He construido y usado un circuito similar con un mosfet de potencia como transistor de salida. En mi caso, necesitaba un opamp muy rápido ya que estaba forzando al mosfet a un modo de operación lineal. También utilicé el drenaje del mosfet como salida y no como fuente. El circuito realmente funciona.