6.4: Amplificadores operacionales para aplicaciones de alta corriente, potencia y voltaje

Los amplificadores operacionales de uso general normalmente funcionan en rieles de alimentación de no más de\(\pm\) 15 V y normalmente producen menos de 40 miliamperios de corriente de salida. Esto hace imposible conectarlos directamente a una carga de baja impedancia como un altavoz o motor. La falta de capacidad de alto voltaje perjudica en muchos lugares, incluyendo muchas formas de tecnología de visualización. En resumen, los amplificadores operacionales de uso general son dispositivos de baja potencia. Hay algunas formas de evitar estas limitaciones. Una forma de aumentar la capacidad de la corriente de salida mediante el uso de un seguidor discreto se mostró en el Capítulo Cuatro. En los últimos años, los fabricantes han producido una variedad de amplificadores operacionales con un rendimiento de potencia extendido.

6.4.1: Dispositivos de alta corriente

Quizás el deseo más inmediato de amplificadores operacionales de mayor capacidad de corriente vino de la comunidad de audio. Si un amplificador operacional pudiera conectarse directamente a un altavoz, se podría ahorrar mucho tiempo y dinero para el trabajo de diseño de audio de uso general. En lugar de una colección de quizás media docena de transistores y un puñado de resistencias y condensadores de polarización requeridos, se podría producir un amplificador de audio con un solo amplificador operacional y solo unas pocas resistencias y condensadores. En efecto, algunos de los primeros dispositivos de alto rendimiento estaban dirigidos directamente al mercado del audio. Para 1980 era posible elegir entre una serie de amplificadores diseñados para accionar altavoces con niveles de potencia de 1 a 5 vatios. En un esfuerzo por hacer los diseños cada vez más fáciles, se modificó la forma estricta del amplificador operacional y se produjeron dispositivos con ganancias preestablecidas y programables. Debido a los mayores requisitos de disipación, el paquete estándar de plástico dual en línea se abandonó a favor de las cajas de estilo multi-plomo TO-220. Se han creado dispositivos que pueden producir corrientes de salida superiores a 10 amperios. Además de su uso en el área de audio/comunicaciones, estos dispositivos de alta corriente encuentran uso en aplicaciones de accionamiento directo de motor, suministro de energía y diseño de regulación, y en otras áreas.

Echemos un vistazo más de cerca a algunos dispositivos representativos. Primero, en el extremo inferior de la escala se encuentra el LM386. Este dispositivo de bajo voltaje ha existido durante muchos años y está alojado en un mini DIP de 8 pines amigable para aficionados. Opera desde una sola fuente de alimentación entre 4 y 12 V y es capaz de producir 0.8 W en una\(\Omega\) carga de 16 con 3% THD. La ganancia se establece internamente en 20, pero se puede aumentar hasta 200 con la adición de algunos componentes adicionales. Un diseño mínimo de configuración requiere solo un componente externo, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). En la configuración mínima se omite el condensador de derivación PSRR. Esto produce un PSRR de menos de 10 dB. Se puede lograr un PSRR más respetable de 50 dB agregando un condensador de 50\(\mu\) F desde el pin de derivación PSRR a tierra. La pequeña cantidad de componentes externos requeridos se debe a que el fabricante ya ha establecido una ruta de retroalimentación interna. Normalmente, este dispositivo no estaría configurado en los formularios que ya hemos examinado. Configurado como en la Figura\(\PageIndex{1}\), el circuito exhibe un ancho de banda de 300 kHz y una impedancia de entrada de 50 k\(\Omega\).

Figura\(\PageIndex{1}\): Amplificador de potencia simple.

Una aplicación típica que utiliza el LM386 se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Se trata de un amplificador personal llamado The Pocket Rockit. Está diseñado para músicos, para que puedan enchufar una guitarra, teclado u otro instrumento electrónico a la unidad y escuchar lo que tocan a través de un par de auriculares. Es en esencia, un amplificador de práctica personal. De acuerdo con su pequeño diseño portátil, The Pocket Rockit funciona con una sola batería de 9 voltios. Observe cómo se utilizan las técnicas de polarización de suministro único explicadas en el Capítulo Cuatro para polarizar los amplificadores operacionales 1a y 1b.

Figura\(\PageIndex{2}\): Esquema Pocket Rockit. De Músico Electrónico, Vol. 3, Núm. 6, Reimpreso con permiso

El circuito está dispuesto en tres bloques principales. El primer bloque sirve como preamplificador y circuito de distorsión. Debido a que la carga para la primera etapa consiste en un par de diodos,\(D_2\) y\(D_3\), las señales de salida grandes se recortarán en el voltaje directo del diodo. Normalmente, el recorte no es un resultado deseado en el diseño de circuitos lineales pero puede ser estéticamente agradable, particularmente cuando se aplica a la guitarra. (Este es un caso en el que las valoraciones subjetivas pueden hacer que un diseñador haga cosas bastante extrañas). La segunda etapa comprende un control de bajos/medios/agudos. Esto es poco más que un amplificador selectivo de frecuencia, un tema que será tratado en detalle en el Capítulo Once. Desde el punto de vista del músico, permite controlar el color del tono, o timbre, del sonido. La etapa final utiliza un LM386 para manejar un par de mini auriculares. Como puede ver, la sección del amplificador de potencia es la más pequeña de las tres. Utiliza la ganancia interna predeterminada de 20, e incluye\(C_{20}\) para PSRR óptimo. Este es un detalle importante, ya que este circuito también puede ser alimentado por adaptadores de CA de 9 V, los cuales no son conocidos por su bajo nivel de ruido. El control de volumen es simplemente un potenciómetro que actúa como divisor de voltaje a la señal de entrada. Los condensadores de acoplamiento se utilizan en todas partes para evitar que las señales de polarización de CC afecten la carga o las etapas adyacentes. También se utilizan para asegurarse de que los potenciales de CC no aparezcan a través de los potenciómetros, lo que puede aumentar el ruido de ajuste. Una buena mejora potencial del diseño reemplazaría al LM386 con el LM4951 más eficiente (1.8 vatios en 8\(\Omega\)). Este IC ofrece modo de apagado de baja corriente, circuitos internos para silenciar los transitorios de encendido/apagado y es estable de ganancia de unidad.

Otra posibilidad es utilizar la sección previa al control de volumen como el extremo frontal de un amplificador de instrumento más tradicional. En este caso, el LM386 podría reemplazarse con un dispositivo mucho más potente, como el LM3886 de nombre similar junto con una fuente de alimentación de CC debidamente actualizada. El LM3886 ofrece una potencia de salida promedio de 38 vatios en una\(\Omega\) carga de 8 con no más de 0.1% THD en todo el espectro de audio de 20 Hz a 20 kHz cuando se opera desde una fuente de\(\pm\) 28 voltios y 68 vatios cuando se conduce una\(\Omega\) carga de 4. Cuenta con protección contra cortocircuitos de salida, silenciamiento de entrada y fuente de alimentación encendido/apaga la protección “pop”. Viene en una funda extendida TO-220. Un ejemplo de amplificador se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Amplificador de alta potencia usando LM3886. Cortesía reimpresa de Texas Instruments

Aún más adelante está el Apex PA05. Este es un dispositivo de muy alta corriente capaz de producir 30 amperios y puede funcionar con fuentes de alimentación de hasta\(\pm\) 50 voltios. La disipación de potencia interna es de 250 vatios y el límite de corriente programable por resistencia está disponible. Obviamente, con el tipo de disipación de energía que este dispositivo es capaz de hacer, no se pueden pasar por alto los métodos de enfriamiento adecuados, como los disipadores de calor.

Si bien el PA05 se puede utilizar como amplificador de potencia de audio, hay muchas otras áreas de aplicación en las que podría encajar. Un ejemplo es el circuito de accionamiento de sonar mostrado Figura\(\PageIndex{4}\). Aquí el transductor de sonar se acciona a través de un transformador sintonizado. El circuito es una configuración de inversión paralelo-paralelo. \(R_{CL}\)es la resistencia de detección de límite de corriente.

Figura\(\PageIndex{4}\): Circuito de accionamiento de sonar usando PA05. Reimpreso cortesía de Apex Microtechnology

Otras aplicaciones posibles incluyen el accionamiento directo de motores de tamaño modesta y fuentes de alimentación programables.

6.4.2: Dispositivos de alto voltaje

A veces, un amplificador necesita entregar voltajes de salida superiores a los límites de 12 a 13 V presentados por la mayoría de los amplificadores operacionales. En este caso, puede recurrir a una serie de amplificadores operacionales de alto voltaje. Estos dispositivos no necesariamente tienen una mayor capacidad de corriente de salida también. Básicamente, pueden tratarse como amplificadores operacionales de uso general que pueden operarse a partir de voltajes de suministro más altos. Debido a esto, su cumplimiento de salida se incrementa. Hay dispositivos disponibles que pueden operar desde fuentes de alimentación muy superiores a\(\pm\) 100 V.

Un ejemplo de esta raza es el Apex PA85. El PA85 funciona con fuentes de alimentación de hasta\(\pm\) 225 voltios. El límite de corriente de salida suele ser de 200 mA. El dispositivo también es bastante rápido con un producto de ganancia de ancho de banda de 100 MHz y una tasa de respuesta típica de 1000 V/\(\mu\) s. La capacidad de alto voltaje de salida hace que este IC sea ideal para conducir transductores piezoeléctricos o electrostáticos.