¿Qué hace este circuito de 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 voltaje en ambas entradas de la misma manera 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 la tensión en la entrada no inversora (+) es exactamente la misma que la tensión en la entrada inversora.

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

Si ajusta el voltaje a 9V, el voltaje en la resistencia R3 no es 1V (10V-9V). Usando la ley de Ohm da 1A. Toda esta corriente también está pasando 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.

Supongamos que configura 9.5V con el potenciómetro. El voltaje en el colector del transistor es 9.5V. Esto significa que el voltaje R3 es 0.5V y la corriente de carga también es 0.5A.

Ahora cambie el potenciómetro a 9.6V. Las entradas de Opamp ya no están equilibradas. El voltaje de la entrada inversora es mayor que la entrada no inversora. Por lo tanto, opamp ajustará su salida al disminuir 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, punto 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. Debes tener en cuenta que el máximo de opamp actual puede dar a la puerta. Si su corriente de salida es máx. 1A, la corriente de la puerta debe ser 1A / (transformador beta). Debe elegir un opamp que proporcionará al menos esta cantidad actual.

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

El circuito es un intento hipotético de una alimentación de corriente constante a la carga. Una vez que se establezca que (a primera vista) el circuito tiene una retroalimentación negativa, puede seguir adelante 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 pot, todo lo que queda para establecer cómo se produce el voltaje en Vin +. Esto es simple: ese voltaje está determinado en su totalidad por la corriente a través de R3.

Esto significa que configuras 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 es 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 9.5V - esto significa (teóricamente, y en su cara) que el voltaje en R3 será 0.5V, es decir, 10V - 9.5V. Esto significa que 0.5A fluye a través de R3 y que la corriente fluye en gran parte a través de la carga. Si la carga es de 10 ohmios, el voltaje en la carga será de 5V. Si la carga bajara a 1 ohm, el voltaje en la carga bajaría a 0.5V.

Hay restricciones de la fuente de alimentación de 10V. Por ejemplo, si la carga fuera de 20 ohmios, la tensión de alimentación del circuito no tiene suficiente margen para colocar 0.5A a través de la carga y el circuito ya no se comporta linealmente.

Lo que está mal con este circuito: si intentara construirlo, oscilaría aunque la corriente promedio en la carga podría mantenerse a un valor fijo. ¿Por qué haría esto? Lo hará 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 se aproximan al 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 lidiar con un poco de ganancia adicional dentro del bucle de retroalimentación negativa y esto, bajo la mayoría de las condiciones de carga prácticas, hará que el circuito oscile. / p>

Si la carga es de 1 ohmio, la mayoría de los amplificadores operacionales solo se ocuparían de que la ganancia del colector fuera la unidad, pero la pequeña cantidad extra de cambio de fase en que se incurre lo hace 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 y cuando la carga sea puramente resistiva : cualquier pequeña cantidad de capacitancia hará que este circuito cantar porque a altas frecuencias, la capacitancia girará la ganancia del colector mayor que 1.

Olvídese de las cargas de menos de 1 ohmio 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 \ $

Donde \ $ v_i \ $ es nuestra variable independiente, el voltaje de entrada determinado por la configuración del potenciómetro.

Por simplicidad, suponga que la corriente a través de R3 es idéntica a la carga actual \ $ i_L \ $. Entonces tenemos:

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

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

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

Por lo tanto, 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 (para \ $ 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 infinita. Dado que los amplificadores operacionales reales tienen ganancia y ancho de banda finitos y los transistores reales tienen ganancia de corriente finita, es correcto preguntar si este análisis se aproxima a la operación 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, se reducirá su rango de carga actual.

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

  

En particular, no me queda claro cómo afecta el transistor al   bucle de retroalimentación

El transistor proporciona ganancia de corriente para la corriente de carga, así como inversión de ganancia de voltaje para el bucle de realimentación. Dado que la retroalimentación está conectada al terminal no inversor del amplificador operacional, habría una retroalimentación positiva sin esta ganancia de inversión presente.

Este circuito es una fuente de corriente. El transistor proporciona una inversión al igual que el opamp. El cambio neto es positivo o sin inversión. Sin embargo, el punto de realimentación está en el colector del transistor, lo que significa que la tensión controlada está en ese punto. Esto significa que cualquier voltaje que se ingrese en el potenciómetro se duplicará en la parte inferior de R3. Si se garantiza que la tensión en Vcc y en R3 es 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 en una carga abierta.

He construido un circuito similar utilizado con un mosfet de potencia como el 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.