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Amplificadores de corriente y búfer de corriente

En este artículo, analizaremos en detalle los amplificadores de corriente, los búferes de corriente y los seguidores de corriente.

Amplificador de corriente

Introducción

Un amplificador de corriente es un circuito electrónico que aumenta la magnitud de la corriente de una señal de entrada en un múltiplo fijo y la alimenta al circuito / dispositivo siguiente. Este proceso se denomina amplificación de corriente de una señal de entrada.

La entrada puede ser una señal constante o una forma de onda variable en el tiempo. Idealmente, durante este proceso de amplificación de corriente, el amplificador de corriente mantendrá el componente de voltaje de la señal de entrada sin cambios. A continuación se muestra el diagrama de bloques de un amplificador de corriente típico.

Amplificadores y búferes de corriente Diagrama de bloques del amplificador de corriente

Las formas de onda en los terminales de entrada y salida denotan la magnitud de la corriente con respecto al tiempo. Observe que toda la forma de onda se estira (aumenta) en la salida en un factor fijo.

Ganancia de un amplificador de corriente

En electrónica, “ganancia” es el término técnico utilizado para calificar la capacidad de amplificación de un amplificador. Y debido a que un amplificador de corriente transforma solo el componente de corriente de la señal de entrada, su ganancia se basa en cuánto aumenta la corriente de la señal de salida con respecto a la señal de entrada.

Matemáticamente, la ganancia de un amplificador de corriente es la relación entre la magnitud de la corriente que fluye a través de sus terminales de salida y la magnitud de la corriente de la señal de entrada. Se denota con el símbolo AI y debido a que es una razón, no tiene unidades.

Amplificadores y amortiguadores de corriente Ganancia del amplificador de corriente

Por ejemplo, si el flujo de corriente de la señal de entrada es de 1 mA y la corriente que fluye a través de los terminales de salida es de 100 mA, entonces la ganancia del amplificador de corriente dado sería 100 (100 mA / 1 mA). Significa que hay un aumento de 100 veces en la magnitud de la corriente de la señal de entrada en la salida.

La ganancia también puede tener un valor negativo. Indica que la señal de salida es una réplica invertida y escalada de la señal de entrada.

Características de un amplificador de corriente ideal

Para diseñar un amplificador de corriente, se deben establecer un conjunto de reglas / características que especifiquen su comportamiento teórico. A continuación se muestran esas características ideales:

  • La ganancia de corriente de los amplificadores (AI) debe permanecer constante para todo el rango de la señal de entrada
  • La ganancia de los amplificadores de corriente debe ser independiente de las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad.
  • La impedancia de entrada (resistencia efectiva entre los terminales de entrada) del amplificador de corriente debe ser igual a cero
  • La impedancia de salida (resistencia efectiva entre los terminales de salida) del amplificador de corriente debe ser infinita

En escenarios de la vida real, la impedancia recomendada anteriormente de los amplificadores de corriente es imposible de lograr. Pero se utilizan solo como parámetros de referencia para diseñar circuitos amplificadores de corriente cercanos a los ideales. El siguiente diagrama ilustra el modelo de un amplificador de corriente ideal junto con uno práctico.

Amplificadores y amortiguadores de corriente Amplificador de corriente ideal vs real

Observe las resistencias en la entrada y salida de un amplificador de corriente en un escenario de la vida real. La resistencia en serie a la entrada indica la impedancia efectiva creada por el circuito amplificador. La resistencia paralela a la salida denota parte de la señal de salida perdida por mecanismos de retroalimentación o debido a pérdidas internas.

Diagrama del circuito del amplificador de corriente

A continuación se muestra el diagrama de circuito de un circuito amplificador de corriente simple de 2 etapas que utiliza transistores npn y pnp como elemento amplificador.

Amplificadores y búferes de corriente Diagrama del circuito del amplificador de corriente

El fotodiodo absorbe energía de la luz y libera electrones, actuando así como una fuente de corriente de entrada. Esta corriente del fotodiodo es amplificada primero por el transistor Q1 y luego es amplificada por el transistor Q2.

Las resistencias en las bases de ambos transistores se utilizan para ajustar la ganancia. El número de veces que se amplifica una señal es el mismo que el de las etapas de un amplificador. Aquí la corriente se amplifica dos veces, por lo que este es un amplificador de corriente de 2 etapas.

Llegando a la parte de cálculo, digamos que yoD es la corriente que fluye desde el fotodiodo y Ai1 , Ai2 son las ganancias de los transistores Q1 y Q2 respectivamente.

La corriente en la salida del primer transistor será igual a Ai1ID, y esta será la entrada al segundo transistor. El segundo transistor Q2 amplificará aún más esta señal en un factor de Ai2.

Entonces, la corriente de salida final será igual a Ai2Ai1ID , haciendo que la ganancia de todo este amplificador de corriente de dos etapas sea igual a Ai2Ai1.

Aplicaciones de los amplificadores de corriente

A continuación se muestran algunas de las aplicaciones prácticas de los amplificadores de corriente:

  • En los sistemas de amplificación, los amplificadores de corriente se utilizan para obtener una mejor salida de graves, aumentando la intensidad con la que se activan los altavoces.
  • Los amplificadores de corriente con ganancia variable se utilizan en muchos sistemas de fabricación industrial como máquinas de corte por láser y chorro de agua para controlar la intensidad con la que se realiza la fabricación.
  • En los sistemas de sensores, los amplificadores de corriente se utilizan para fortalecer las señales de entrada débiles, para su uso en circuitos posteriores.

Búfer actual

Introducción

El búfer de corriente es un circuito electrónico que se utiliza para transferir corriente eléctrica desde una fuente de entrada que tiene muy menos impedancia (resistencia efectiva) a cargas de salida con alta impedancia. Está diseñado para evitar que las fuentes de señal se vean afectadas debido a cualquier diferencia en la cantidad de corriente consumida por las cargas de salida.

En la mayoría de los escenarios, actúa como un puente entre las señales de entrada débiles (como las señales de los sensores) y las cargas de salida que pueden generar corrientes mayores. A continuación se muestra el diagrama de un búfer de corriente ideal.

Amplificadores y búferes de corriente Búfer de corriente ideal

Está diseñado principalmente para eliminar la influencia de la carga de salida en la fuente de entrada. Por lo tanto, puede pensar en el búfer de corriente como un circuito que aísla los circuitos de entrada y salida al tiempo que permite el flujo de corriente requerido a la carga de salida para mantener un voltaje constante a través de él.

Uso práctico de un búfer de corriente

Considere un circuito que usa un sensor LDR para impulsar un robot. La corriente consumida por los motores del robot no es constante y depende de la inclinación o rugosidad de la superficie, es decir, la carga de los motores.

Por lo tanto, si los motores están acoplados directamente con el sensor de temperatura utilizando un amplificador de corriente u otros controladores similares, los motores a veces pueden consumir más corriente, lo que afecta la precisión del sensor. El voltaje en los motores también cambiará, lo que a su vez cambia la velocidad del robot.

Para evitar que eso suceda, se utilizan búferes actuales. Pueden proporcionar la corriente deseada a los motores sin afectar la precisión del sensor, mientras mantienen un voltaje constante en los terminales de los motores, es decir, cargas de salida.

Seguidor actual

Un circuito de búfer de corriente con una ganancia de 1 (es decir, las corrientes de entrada y salida son las mismas) se denomina seguidor de corriente. Significa que un circuito seguidor de corriente no proporciona ninguna amplificación de corriente a la señal de entrada.

Quizás se pregunte por qué se utiliza un circuito seguidor de corriente, ya que las corrientes de entrada y salida del seguidor de corriente son las mismas. La razón es que un seguidor de corriente no se utiliza para aumentar la corriente de salida.

Pero se usa para aislar terminales de entrada y salida mientras permite la misma cantidad de flujo de corriente hacia la entrada y desde la salida. Esta es la razón por la que los circuitos seguidores de corriente también se denominan búferes de aislamiento.

Diagrama del circuito del búfer de corriente

A continuación se muestra el diagrama de circuito de un búfer de corriente mosfet simple.

Amplificadores y búferes de corriente Diagrama del circuito del búfer de corriente

Esta disposición proporciona muy menos impedancia a la señal de entrada y alta impedancia en el terminal de salida, lo que lo convierte en un búfer de corriente casi ideal.

Aplicaciones de los búferes actuales

A continuación se muestran algunas de las aplicaciones prácticas de los búferes actuales:

  • En las puertas lógicas digitales, los búferes de corriente se utilizan para aislar las señales de entrada de los circuitos siguientes.
  • Los búferes de corriente se utilizan en sistemas de sensores de alta precisión para reducir la influencia de las fluctuaciones de voltaje / corriente debido a las diferentes impedancias de salida.
  • En controladores de motor y otros sistemas de actuadores eléctricos

Amplificadores de corriente frente a búferes de corriente

A primera vista, los amplificadores de corriente y los búferes de corriente pueden parecer similares. Ambos reciben una señal débil y producen una señal más fuerte (en términos de corriente) en la salida. Pero las principales diferencias radican en la forma en que se amplifica la señal de entrada.

Para los amplificadores de corriente, la magnitud de la corriente en los terminales de salida es siempre un múltiplo fijo de la magnitud de la corriente de entrada. Entonces, dada la magnitud de la corriente de la señal de entrada, podemos calcular fácilmente la corriente en la salida multiplicando la corriente de entrada con la ganancia del amplificador.

Este no es el caso de los búferes actuales. La diferencia es que los búferes de corriente están diseñados para proporcionar tanta corriente como lo requiera la carga, mientras mantienen un voltaje constante a través de ellos. Entonces, a menos que sepamos cuánta corriente demanda la carga de salida, no podemos determinar por qué factor un amplificador de corriente amplifica la señal de entrada.

En pocas palabras, la ganancia de corriente de un búfer de corriente no es constante y varía según la corriente demandada por la carga de salida, mientras que la ganancia de un amplificador de corriente es constante independientemente del dispositivo de salida.

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