Necesito ayuda para diseñar un amplificador óptico con una ganancia de tensión y una ganancia de corriente variable. Mi comprensión de los amplificadores operacionales no es perfecta, pero sé cómo diseñar un circuito de amplificador operacional con una ganancia de voltaje y uno que actúe como fuente de corriente. Esto es relativamente sencillo, pero mi problema es combinarlos para tener un circuito de amplificador óptico con una ganancia de tensión y una ganancia de corriente variable. Más concretamente, necesito una ganancia de tensión de 2 (5V a 10V) y una ganancia de corriente de al menos 300 (1mA a 300mA). El objetivo de este circuito es accionar un actuador piezoeléctrico. Estoy utilizando instrumentos de NI que no dan suficiente corriente y por eso necesito diseñar este circuito. Mis problemas son los siguientes: Si diseño un amplificador operacional no inversor con una ganancia de 2 y luego coloco mi actuador a través de la tensión de salida, el actuador (corrígeme si me equivoco) sólo consumirá tanta corriente como la que pueda emitir el amplificador operacional. ¿Cómo puedo diseñar el circuito para que pueda conducir una cantidad determinada de corriente al actuador mientras se mantiene una ganancia de voltaje constante? ¿Podría poner un potenciómetro en serie con el actuador para mantener la corriente, pero entonces no sería la caída de tensión a través del actuador? Espero ser específico y no ser demasiado confuso. Imagino que este circuito será bastante sencillo pero no consigo encajar las piezas. Cualquier ayuda sería muy apreciada.
Respuestas
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Tu descripción no está tan mal, pero te has confundido al intentar aplicar una terminología que es inapropiada. La única manera de forzar que tanto la corriente como la tensión tengan ganancias fijas al mismo tiempo es modulando también la impedancia de la carga. (Como i= V/R o V/z por lo que todos están relacionados.
Lo que quieres (y es fácil) es un buffer de corriente de salida y una ganancia de voltaje. Efectivamente el buffer de corriente es un amplificador de potencia ya que puede proporcionar más producto VI = potencia a la misma oscilación de tensión que la entrada. La ganancia puede ser unitaria y, de hecho, la parte del circuito que se muestra a continuación tiene una ganancia ligeramente inferior a la unitaria. El amplificador óptico lo compensa en general.
No se fija la corriente, sólo se proporciona la capacidad de proporcionar la corriente necesaria cuando se fijan V y Z y el buffer proporciona la corriente necesaria para mantener la tensión requerida.
El punto de partida fácil es un seguidor de emisor en la salida del amplificador óptico si sólo quieres un accionamiento +ve (Q1 abajo) y un seguidor invertido equivalente si quieres un accionamiento bidireccional (Q2 abajo). Efectivamente, un buffer de corriente. El amplificador óptico incluye el búfer en su bucle de retroalimentación en el circuito final.
Fíjate bien en que ambos transistores del buffer son "seguidores de emisor" - etapas de ganancia de voltaje unitaria (o menos) con la salida tomada del emisor de ambos transistores. Verá numerosos circuitos en los que los transistores son ambos NPN (normalmente) o ambos PNP (a veces) con la salida tomada en el punto medio entre ellos. Esta disposición se denomina a veces salida "totempole" - tiene ventajas para algunas aplicaciones pero es inferior cuando el objetivo es la capacidad de inmersión en corriente.
El circuito de abajo es un punto de partida. En la práctica PUEDE ser un poco más complejo, pero no mucho - y en muchos casos este circuito funcionará bien tal cual.
Tenga en cuenta que no muestran las conexiones de retroalimentación - la salida se convierte en la salida del amplificador de corriente y usted toma la retroalimentación de allí, no de la salida del opamp.
Comprueba cómo funciona y luego haz más preguntas.
Tenga en cuenta que hay un punto muerto de aproximadamente 2 x Vbe = 1,2V cuando el amplificador óptico cruza la zona V+/2. Esto no se ve en la práctica, ya que la salida del amplificador óptico "gira" para compensar, pero puede causar problemas a frecuencias más altas. Hay formas de eliminar esto que no se muestran aquí. no se muestra aquí.
Dicen:
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Como casi todos los amplificadores monolíticos utilizan etapas de salida de clase B, tienen buenas oscilaciones de tensión de salida con carga, entregando ±10V a 5 mA con suministros de ±15V. Exigir mucha más corriente al circuito integrado requeriría, por un lado, que los transistores de salida fueran considerablemente más grandes. Además, el aumento de la disipación podría dar lugar a molestos gradientes térmicos en el chip, así como a un calentamiento excesivo del paquete en aplicaciones de alta temperatura. Por lo tanto, es aconsejable utilizar un buffer externo cuando se necesiten grandes corrientes de salida.
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Una forma sencilla de lograrlo es la que se muestra arriba. Se utiliza un par de transistores complementarios en la salida del amplificador óptico para obtener el aumento de la oscilación de la corriente. Aunque este circuito tiene una zona muerta, se puede despreciar a frecuencias inferiores a 100 Hz debido a la alta ganancia del amplificador. R1 se incluye para eliminar las oscilaciones parásitas de los transistores de salida. Además, debe utilizarse un bypass adecuado en los colectores de los transistores de salida para asegurar que la señal de salida no se acopla de nuevo al amplificador. Este circuito no tiene limitación de corriente, pero se puede añadir poniendo resistencias de 50Ω en serie con los colectores de Q1 y Q2.
El circuito siguiente muestra el mismo principio utilizado en un circuito completo con retroalimentación negativa aplicada desde la salida del buffer de vuelta a la entrada inversora del op-amp.
Circuito a partir de aquí
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¿Cómo puedo diseñar el circuito de manera que pueda conducir una cantidad determinada de corriente a el actuador mientras se mantiene una ganancia de voltaje constante?
Para una impedancia de carga fija, no se puede.
Lo que se puede hacer es diseñar una etapa de salida que entregue la corriente de alimentación de CA deseada y si la impedancia de la carga es demasiado alta entonces el "circuito conductor" no podrá entregar esa corriente. Si la impedancia de la carga es inferior a la nominal, no habrá ningún problema porque el "circuito conductor" simplemente entregará esa corriente y, el voltaje que utiliza para entregar esa corriente, se reducirá adecuadamente. Si se alimenta de un cortocircuito, la corriente será la misma que antes, pero no habrá tensión.
La ley de Ohms: V = I.R rige esto.
Esto es viejo, pero voy a intentarlo porque esta pregunta seguirá siendo relevante mientras dure el tiempo.
Podría simplemente poner en cascada una etapa de seguidor de tensión o de amplificador complementario push-pull con el amplificador óptico. La etapa de ganancia unitaria proporcionará ganancia de corriente.
Puede aliviar la distorsión de cruce en gran medida utilizando la retroalimentación negativa. A medida que la señal se acerca a la región de cruce, la retroalimentación negativa que se aplica al amplificador óptico se reduce, aumentando temporalmente la ganancia de voltaje, lo que permite al amplificador óptico conducir la etapa de corriente a un voltaje más alto de lo habitual para reducir la distorsión de cruce.
Sin embargo, como se ha señalado anteriormente, creo que esto sólo sería eficaz en las frecuencias más bajas. Los desfases de la red de realimentación podrían hacerla inútil para evitar la distorsión de cruce. La velocidad de giro del amplificador óptico podría ser otro factor limitante, si su respuesta de voltaje no puede ponerse al día durante la región de cruce.
