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OpAmp : オペアンプ の 消費電力 の計算法

Expert 4445 points

オペアンプ の 消費電力 の、計算法を教えてください。

  • オペアンプ の電源を±Vcc、無負荷時の静止電流をIq、負荷抵抗をRLとします。
    (1)直流出力電圧:DCの場合
     まず、無負荷時の静止電力:Wqは、Wq= 2×Vcc×Iqとなります。
     DC電圧をVoとすると、負荷に流れる電流:IL= Vo/RLとなります。
     負荷によるオペアンプ内部の 消費電力 をWpとすると、Wp=(Vcc-Vo)×IL=(Vcc-Vo)×Vo/RL になります。
     (なお、負荷抵抗で消費される電力:WLは、WL= (Vo×Vo)/RL となります。)

    ・例えば、電源電圧が±12V、静止電流をIq= 1mA、負荷抵抗をRL= 1kΩ、出力電圧Vo= +5Vの場合、
     Wq= 2×12V×1mA= 24mW、Wp=(12V- 5V)×5V/1kΩ= 35mWで、 総消費電力 のW= Wq+Wp = 59mW となります。

    ・例えば、電源電圧が±12V、静止電流をIq=1mA、負荷抵抗をRL=1kΩ、出力電圧Vo= -5Vの場合、
     負荷電流が(正のソース電流から、負の)シンク電流になるだけで、電流値は同じですから、
       総消費電力 のWは、同じ値になります。

    (2)交流出力電圧:ACの場合
     AC電圧の(1サイクル間の2乗の平均の平方根である、) 実効値電圧 を求めます。
     +ピーク出力電圧を+Vp、-ピーク出力電圧を-Vpとすると、ピーク間電圧Vpp= +Vp- -Vpとなります。
     ピーク間電圧と信号波形の形から、固有の係数kで割って、実効値電圧Vrmsを求めます。

     AC出力信号が正弦波(Sin波)の場合は、係数k= 2√2=2.828となります。
     デューテイ50%の矩形波の場合は、k= 2、上下対称の三角波の場合は、k= 2√3= 3.464となります。

    ・例えば、ピーク間電圧Vpp= ±7.07V= 14.14Vppの正弦波の場合、Vrms= 14.14Vpp/2.828= 5Vrms となります。

      実効値電圧 が 5Vですから、 総消費電力 のWは、DC出力電圧が+5Vの(1)の例と、同じ値になります。

     

  • K.N様

    一点確認させてください。

    > 実効値電圧 が 5Vですから、 総消費電力 のWは、DC出力電圧が+5Vの(1)の例と、同じ値になります。

    同じ値になるのは抵抗にかかる電力であるため、オペアンプで消費される電力には適用できないのではないでしょうか?

    オペアンプで消費される電力はIo^2*RLではなく、DCの項で示されている通り(Vcc-Vout)*Vout/RLであるためです。

    背景として、御社より提供されているビデオトレーニングの内容とK.N様の内容が異なっていたため、どちらが正しいのか検討している次第です。

    ※3:56~辺りになります。

    お手数ですが、ご確認の程お願いいたします。

    TQ

  • 最後のAC出力の実効値の説明が、不足していたようで申し訳ございません。

    恐れ入りますが、ご指摘頂いた提供しているビデオトレーニングの内容と、
    本件の記載内容は、基本的に同じでございます。

    ご指摘の通り、負荷電流:Ioのとき、Io^2*RLは負荷抵抗:RLで消費される
    電力で、オペアンプで消費される電力ではございません。

    AC出力の実効電圧Vrms=5Vで、負荷電流:Ioのとき、
    オペアンプで消費される電力Wpの計算式は、
    Wp=(Vcc-Vrms)×Io=(Vcc-Vrms)×Vrms/RL になります。

    DC出力電圧が+5VのWpの計算式は
    Wp=(Vcc-Vo)×Io=(Vcc-Vo)×Vo/RL ですから、
    Vo=5VがVrms=5Vに置き換わっただけで、同じ結果になります。

    そのため、AC出力の実効値:Vrmsを求め、DC電圧に置き換える方法で、
    オペアンプの消費電力の計算ができることを、ご理解ください。

    KN

  • ご返信ありがとうございます。

    しかしながら、ビデオではVpeak=9.55Vの時、91mWと示されています。
    上に記載いただいた式で計算すると、
    Vorms=9.55Vpk/2√2 =3.376より、
    (15V - 3.376V) x 3.376V / 500 = 78mWとなり計算結果が合いません。
    誤解がありましたらご指摘いただけると助かります。

    >Vo=5VがVrms=5Vに置き換わっただけで、同じ結果になります。

    の根拠を示していただけると助かります。
    私は、rms値はあくまで抵抗にかかる電力I2Rを計算するためのものであり、
    オペアンプの消費電力の計算に使用するには適していないのでは、と考えております。

    お手数ですがご確認お願いいたします。

    QT
  • 残念ながら、Vorms=9.55Vpk/√2 =6.753Vですから、
    私の計算方法では、(15V - 6.753V) x 6.753V / 500 = 111mWとなり、
    ご覧のビデオの91mWよりは、多少大きな値となります。

    ご指摘のように、私の場合は、AC信号の力率を含まない、簡易的な計算方法のため、
    正確なオペアンプの消費電力は、ご覧のビデオの計算式をご使用ください。


    誠に恐縮ですが、ビデオのMaximum Average AC Power Dissipation
    の平均電力の計算式の詳細については、当Centerではわかりかねます。

    お手数をおかけし恐縮ではございますが、下記URLの米国E2ECommunityへ
    直接、お問合せをお願いします。

    http://e2e.ti.com/support/amplifiers/


    何卒、ご理解、ご了承をお願いします。

    KN