¿Qué hace este circuito de amplificador operacional/transistor?

Question

Considera este circuito:

simular este circuito – Esquemático creado utilizando CircuitLab

No está claro para mí qué hace este circuito. Aquí está lo que creo entender:

• Dependiendo de la posición del potenciómetro, el voltaje en la entrada no inversora está entre 9V y 10V
• Debido a la retroalimentación negativa, el voltaje en el colector del transistor también está entre 9V y 10V (¿o no? No está claro cómo está afectando el segundo suministro de alimentación al ciclo de retroalimentación).
• La corriente a través de la carga será como máximo de 10 A (¿quizás esta es una fuente de corriente?).

Soy un principiante y estas cosas me resultan muy confusas. Además de una comprensión teórica, también estoy interesado en cómo los amplificadores operacionales reales (es decir, no perfectos) podrían comportarse de manera diferente y en los compromisos involucrados en elegir el amplificador operacional adecuado para este circuito.

Answer 1

El circuito está roto porque implementa erróneamente retroalimentación positiva, cuando la intención es tener retroalimentación negativa. Cuanta más resistencia ajustes con el potenciómetro para aumentar el voltaje en la entrada +, más conduce el transistor MJE. Esto hace que aumente la corriente a través de R3, lo que disminuye el voltaje en la parte inferior de R3. Este voltaje reducido se retroalimenta a la entrada - del amplificador operacional, ¡y tiene el efecto de aumentar la salida!

De hecho, es una doble negativa: R3 es la resistencia de carga de una etapa de ganancia invertida, y esta salida invertida se alimenta a la entrada invertida del amplificador operacional. Una salida invertida alimentada a una entrada invertida es retroalimentación positiva.

El enfoque adecuado es tomar la señal de retroalimentación simplemente desde la salida del amplificador operacional (seguidor de voltaje clásico/amplificador de impedancia). Este seguidor impulsa simplemente la base del transistor, implementando un seguidor de emisor clásico para aumentar la capacidad de corriente. R3 no es necesario.

Alternativamente, la señal de retroalimentación se puede tomar desde el nodo donde el emisor del transistor se encuentra con la carga (parte superior de la carga). Esa topología eliminará la caída de voltaje VBE, ya que mueve la caída de VBE dentro del bucle de retroalimentación. La consecuencia es que el voltaje de carga entonces seguirá de cerca el voltaje en la terminal + del amplificador operacional, en lugar de ser una caída de VBE menor.

Concretamente, aquí hay una versión del circuito modificado con la topología de retroalimentación anterior, y también limpio para simular. Me deshice de la resistencia en serie del potenciómetro para poder variar el voltaje de 0 a 10V (variando el parámetro "k" del potenciómetro de 0 a 1). El papel de la carga lo desempeña R4.

simula este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

Si movemos la línea de retroalimentación a la ubicación original, entonces la simulación de CD muestra que el circuito se bloquea con el transistor abierto.

Incluso si R3 se hace considerablemente más grande, la acción de retroalimentación positiva hipotetizada no ocurre precisamente como se describe, sino de la siguiente manera: Cuando se aplica energía, no fluye corriente a través de R3, por lo que la entrada - del amplificador operacional se mantiene en el riel de alimentación de 10V. La entrada + no puede elevarse por encima de esto, y así la salida del amplificador operacional se conduce a un estado bajo. De esta manera, la retroalimentación positiva mantiene el transistor en un estado de corte. Si giramos el potenciómetro todo el camino hacia arriba, es más interesante: entonces las entradas están ambas nominalmente a 10V. El comportamiento real dependerá de sus valores precisos, que son determinados por corrientes de polarización y fuga a través del transistor de corte.

Answer 2

Para analizar un circuito de amplificador operacional como un amplificador, se deben hacer ciertas suposiciones. Una de esas suposiciones es que existe retroalimentación negativa.

Pero, en este circuito, la retroalimentación negativa no está presente.

Para ver esto, imagina que, por alguna razón (ruido u otra perturbación), el voltaje en la salida del amplificador operacional aumenta (coloca una flecha hacia arriba en la salida del amplificador operacional).

Ahora, si la retroalimentación negativa está presente, el efecto de esta perturbación será hacer que el voltaje en la salida del amplificador operacional disminuya. Si esto no sucede, entonces no tienes retroalimentación negativa.

Así que, sigue esta perturbación por el bucle. Como la salida del amplificador operacional está conectada a la base del transistor, el incremento en el voltaje de la base resultará en una disminución en el voltaje del colector (coloca una flecha hacia abajo en el colector).

La entrada inversora del amplificador operacional está conectada al colector (coloca una flecha hacia abajo en la entrada inversora del amplificador operacional).

Pero, dado que esta es la entrada inversora, una disminución en el voltaje allí resulta en un aumento en el voltaje de salida del amplificador operacional.

En resumen, una perturbación que aumenta el voltaje de salida del amplificador operacional resultará en una retroalimentación que tiende a amplificar esa perturbación. Este es el signo de la retroalimentación positiva.

Entonces, este circuito no es estable; cualquier perturbación se amplificará en lugar de atenuarse. No creo que esta sea la operación deseada. Es probable que la entrada inversora del amplificador operacional deba estar conectada al emisor del transistor.

Answer 3

Al observar el circuito, pensaría que al intercambiar las entradas + y - del amplificador operacional se obtiene una fuente de corriente. ¡Aunque no he probado el circuito aún!

Para analizar la estabilidad, utiliza un experimento mental: ¿qué sucede cuando aumento el voltaje en la entrada positiva? Como resultado, la salida del amplificador operacional también se incrementará. Si este aumento conduce a un incremento en la entrada negativa, el circuito puede ser estable, ya que la diferencia entre las entradas se reduce por la acción del amplificador operacional.

En el circuito original, un aumento en la entrada positiva conduce a un aumento en la salida, lo que lleva a más corriente a través del transistor, lo que lleva a una mayor caída sobre R3, lo que lleva a una caída en la entrada negativa. Ese circuito es inestable. Al intercambiar las entradas, se obtiene una buena fuente de corriente.

Para corrientes cercanas a cero, el amplificador operacional debe ser capaz de manejar entradas cercanas al voltaje de riel, no todos los amplificadores operacionales son capaces de esto.

Answer 4

El circuito tal como está dibujado es un detector de umbral.

Es específico de componentes ya que hay una condición de carrera al encender la energía que podría ir en cualquier dirección dependiendo de los componentes específicos y posiblemente incluso del diseño. Para hacerlo arrancar de manera más confiable, coloca un pequeño capacitor a través de BC.

El circuito no tiene reinicio tal como está dibujado, por lo que solo se puede activar una vez por ciclo de energía. Un interruptor N.C. en la retroalimentación permitiría restablecerlo.

Si la carga es de más de aproximadamente un amperio, la resistencia tiene que ajustarse.

Answer 5

El circuito es un VCCS, la corriente de carga se deriva del voltaje de entrada de referencia del OP Amp dividido por el valor de la Resistencia de Sensado (R4), es decir, si asumimos que el voltaje de referencia de entrada es 5.0v (el potenciómetro R1 está en posición media) entonces la corriente de carga es 5.0v/100ohm = 5.0mA.