Principios de análisis instrumental

56 Capítulo 3 Amplificadores operacionales en los instrumentos químicos «< Con el fin de mostrar el efecto de esta gran diferencia en la impe– dancia, se define la ganancia de potencia como P 0 /P¡, donde P 0 es la potencia de la salida de un amplificador operacional y P¡ es la potencia de entrada. Si se sustituye entonces la ley de la potencia (P = iv = v 2 / R) y la ley de Ohm en esta definición, y se toma en cuenta que V 0 y V¡ son casi iguales en un seguidor de voltaje, se !Jega a la expresión Jl;,!Zo Z¡ V¡ 2 /Z¡ Z 0 donde Z¡ y Z 0 son las impedancias de entrada y de salida del ampli– ficador operacional. Este resultado es importante porque quiere decir que el seguidor de voltaje casi no extraerá corriente de una entrada. Sin embargo, los circuitos internos del amplificador ope– racional y la fuente de alimentación son capaces de suministrar grandes corrientes en la salida del amplificador operacional. 38.3 Circuitos seguidores de corriente Los amplificadores operacionales se utilizan para medir o proce– sar corrientes si se les conecta en el modo de seguidor de corriente. Éste proporciona una carga de resistencia casi cero a la fuente de corriente y evita la carga proveniente de un dispositivo de medi– ción o de un circuito. El efecto de la carga en las mediciones de corriente se trató en la sección 2A.3. El seguidor de corriente En el modo de seguidor de corriente del amplificador operacio– nal, la salida se conecta a la entrada inversora mediante un resis– tor de retroalimentación Rr como se ilustra en la figura 3.6. Si el amplificador se conserva dentro de los límites de la fuente de ali– mentación, la diferencia de voltaje V 5 es muy pequeña, como ya se mencionó. Por tanto, el potencial en la entrada inversora es en esencia igual al de la entrada no inversora. Si esta última está conectada a un circuito básico, la entrada inversora se mantiene muy cerca en dicho circuito siempre y cuando el amplificador no esté en un límite. Se dice entonces que la entrada no inversora está virtualmente en el circuito básico o en un voltaje virtual básico. De acuerdo con la ley de corriente de Kirchhoff, la corriente de entrada i¡ es igual a la corriente de retroalimentación ir más la corriente polarizada de la entrada del amplificador ib. (3.3) Con los amplificadores modernos, los valores típicos de ib pueden ser 10- 11 - 10- 15 A. Por tanto, i¡ =ir. ir~ FIGURA 3.6 Amplificador operacional seguidor de corriente. Se conecta una fuente de corriente entre la entrada inversora y La entrada no inversora. Esta última se conecta al circuito básico. Un resistor de retroalimentación Rf se conecta desde La salida hasta La entrada inversora. Si el punto S de la figura 3.6 está en un voltaje virtual básico, se infiere que el voltaje de salida v 0 debe ser igual a la caída iR en el resistor RrY de signo contrario. Por tanto, es posible escribir (3.4) Como el punto S es un circuito básico virtual (,!,), se pueden conectar aquí varias fuentes de corriente sin interactuar entre sí. Por tanto, el punto S se llama punto de suma o punto de unión. De acuerdo con la ecuación 3.4, se puede ver que el ampli– ficador operacional genera una corriente de retroalimentación ir que sigue a la corriente de entrada i¡ y produce un voltaje de salida V 0 que es directamente proporcional a i¡. Si, por ejemplo, Rr = 100 MD (10 8 D) e i¡ = 5.00 nA (5.0 X 10- 9 A), el voltaje de salida V 0 sería de 0.50 V, lo cual se mide con facilidad. Puesto que se pro– duce un voltaje de salida proporcional a la corriente de entrada, el seguidor de corriente recibe a menudo el nombre de convertidor de corriente a voltaje. Hay un efecto de carga muy pequeño en el circuito seguidor de corriente. Como la fuente de corriente de entrada está conec– tada entre el punto S y el circuito básico, y el punto S se mantiene en básico virtual, la fuente de la señal de entrada experimenta una resistencia casi cero en sus terminales de salida. La resisten– cia de entrada efectiva R¡ es el error de voltaje v 5 dividido entre la corriente de entrada, i¡; es decir, R¡ = v.fí¡ . Como V 5 = - v 0 /A y según la ecuación 3.4 i¡ = -v 0 /Rr, se puede escribir Rr R- – ¡ A (3.5) El efecto de carga de Rr sobre el circuito se reduce por un factor de A . Por ejemplo, si Rr = 100 MD y A = 10 7 , la resistencia efectiva de entrada disminuye a 10 n. Una relación más exacta entre V 0 e i¡ se encuentra en la ecua– ción 3.6 y manifiesta las limitaciones del seguidor de corriente: V = o (3.6) Cuando A es muy grande e ib es pequeña, la ecuación 3.6 se reduce a la ecuación 3.4. La medición de corrientes bajas está limitada por la corriente polarizada de entrada del amplificador, casi siem– pre de 10- 11 Do menor. En el extremo de corriente alta, la capa– cidad de la corriente de salida del amplificador (generalmente de 2 a 100 mA) es una limitante. La ganancia de lazo abierto del amplificador A es una limitante solo cuando el voltaje de salida es pequeño o la corriente polarizada es grande. Amplificador inversor de voltaje El modo de seguidor de corriente se puede usar para hacer un amplificador inversor de voltaje si la corriente de entrada i¡ pro– viene de una fuente de voltaje y un resistor en serie R¡ como se ~ Simulación: Lea más sobre seguidores de corriente en -~-- www.tinyurl.com/ skoogpia7* ' Este material se encuentra disponible en inglés.