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Buffer di tensione: Cos’è e Come Funziona nell’elettronica

Buffer di tensione: Cos’è e Come Funziona nell’elettronica

L’inseguitore di tensione, noto anche come buffer di tensione o amplificatore separatore, ha un ruolo fondamentale nel campo dell’elettronica. Questi dispositivi sono molto utili per assicurare l’integrità e compatibilità dei segnali in diversi sistemi elettronici. Vediamo quali sono le basi e le applicazioni del buffer, concentrandoci sul buffer di tensione.

Cos’è il Buffer in Elettronica

Il buffer è un po’ come un bodyguard per i segnali elettrici. Protegge, mantiene l’ordine, ed assicura che tutto funzioni come dovrebbe. Ma che cos’è, esattamente?
Un Buffer di tensione Op-Amp è un tipo di buffer molto utilizzato, basato su un amplificatore operazionale (Op-Amp) con configurazione a guadagno unitario. Questo è progettato in modo che la tensione di uscita “segua” la tensione di ingresso. Da qui il nome “inseguitore di tensione”.

Guardando la configurazione a guadagno unitario, l’Op-Amp produce un segnale di uscita con la stessa ampiezza del segnale di ingresso, come in una replica quasi perfetta. Questo è cruciale in molte applicazioni dove è fondamentale trasmettere dei segnali senza alterazioni.

Gli Op-Amps in configurazione a guadagno unitario hanno un’impedenza di ingresso molto alta. Di conseguenza, il buffer può essere collegato ad una sorgente di segnale senza che le caratteristiche di questo vengano influenzate significativamente. Una sorgente di segnale con una resistenza interna relativamente alta non sarà sovraccaricata dal collegamento al buffer, perché dal segnale di riferimento il buffer non richiede quasi nessuna corrente.

Un circuito di esempio con buffer di tensione per generare una tensione di riferimento.
Circuito di esempio utilizzo buffer di tensione per generare una tensione di riferimento.

Allo stesso modo, il buffer Op-Amp offre una bassa impedenza di uscita, utile per pilotare carichi che necessitano di correnti più elevate, senza comunque alterare il segnale. Un segnale di uscita con una bassa impedenza, può efficacemente “spingere” il segnale attraverso il carico, senza subire perdite di tensione significative dovute alla resistenza del carico.

A Cosa Serve il Buffer

Il buffer viene comunemente utilizzato in diverse applicazioni elettroniche, tra le quali:

  • Isolamento tra Circuiti: Protegge la sorgente del segnale da possibili sovraccarichi provenienti dal circuito di destinazione.
  • Adattamento di Impedenza: Consente di collegare sorgenti e carichi con impedenze molto diverse senza perdita di segnale.
  • Stabilizzazione di Segnali: Assicura che i segnali deboli o instabili siano trasferiti senza distorsioni.

I buffer di tensione sono componenti integrali di molte applicazioni elettroniche. La capacità di preservare i segnali di tensione, senza distorsioni, è particolarmente utile nei circuiti di condizionamento dei segnali, nei convertitori analogico-digitali (ADC) e nei convertitori digitale-analogico (DAC). Ma anche nell’interfacciamento dei sensori.

Con un inseguitore di tensione non possiamo aumentare o diminuire l’ampiezza del segnale di ingresso o filtrare il rumore ad alta frequenza, ma possiamo migliorare i rapporti di impedenza.

Un altro tipo di buffer è il cosiddetto Emitter Follower, una configurazione di amplificatore a transistor a giunzione bipolare (BJT). L’uscita viene prelevata dal terminale di emettitore del transistor e segue la tensione di ingresso applicata alla base, anche se con una piccola caduta di tensione attraverso la giunzione base-emettitore. Se sei curioso di approfondire questa configurazione, puoi dare un’occhiata all’articolo sulla progettazione degli alimentatori e stabilizzazione con il BJT, pubblicato in un numero di Fare Elettronica.

circuito di test per LED con amplificatore operazionale TL081 come inseguitore di tensione
Schema circuito prova LED automatico

Un esempio di utilizzo di un amplificatore divisore

Un esempio pratico? Possiamo costruire un dispositivo per verificare in modo semplice e veloce il funzionamento dei diodi LED più comuni, ottenendo un’indicazione univoca sulla polarità e tipologia.

Il circuito prevede l’utilizzo di un amplificatore operazionale TL081, configurato come “inseguitore di tensione”, il quale rende disponibile alla sua uscita un valore di tensione uguale a quello applicato al suo ingresso non invertente (+, pin3).

Può essere interessante osservare le tensioni e le forme d’onda presenti in alcuni punti significativi del circuito per verificare se, come dovrebbe essere, la teoria coincida con la pratica.

Applicazioni Pratiche dei Buffer di Tensione

Per inviare un segnale di tensione da un circuito a un altro, dobbiamo tenere conto di diversi fattori, tra i quali:

  • L’impedenza di uscita del circuito di partenza.
  • L’impedenza di ingresso del circuito del carico.

L’impedenza di uscita della sorgente e l’impedenza di ingresso del carico formano un partitore di tensione. Di conseguenza, il trasferimento di tensione dipende dal rapporto tra impedenza di ingresso e impedenza di uscita.

Un trasferimento di tensione efficace richiede un circuito sorgente con bassa impedenza di uscita e un circuito di carico con alta impedenza di ingresso.
Un inseguitore di tensione ha una bassa impedenza di uscita e un’impedenza di ingresso estremamente elevata, il che lo rende una soluzione semplice ma efficace a problemi di relazione di impedenza. Se un sottocircuito ad alta impedenza di uscita deve trasferire un segnale a un sottocircuito a bassa impedenza di ingresso, un inseguitore di tensione posizionato tra questi due sottocircuiti garantirà l’erogazione dell’intera tensione al carico.

Un altro esempio? Un filtro attivo universale del secondo ordine, multi-input e single-output, basato sul concetto di inseguitore di tensione.

Come Funziona un Buffer Inseguitore di Tensione

Mettiamola così: hai un segnale. Lo ami, è il tuo piccolo tesoro. Vuoi mandarlo dall’altra parte del circuito, ma è un viaggio impossibile, non compatibile.
Non bisogna mai collegare due parti di circuito che presentano un valore di impedenza diverso. Altrimenti la trasmissione del segnale sarà inefficiente e buona parte della potenza del generatore viene riflessa indietro, se Rgen >> Rc (o viceversa). Qui entra in gioco il buffer inseguitore di tensione.
La formula fondamentale che descrive il comportamento del buffer ideale è la seguente:

Vout = Vin

L’uscita insegue l’ingresso e l’amplificatore operazionale, in questa configurazione funziona con un guadagno uguale a 1.
L’utilità di questo circuito sta nel fatto che la resitenza in ingresso è elevatissima mentre quella in uscita è bassissima, funzionando come un adattatore di impedenza tra un generatore ad alta impedenza ed un carico a bassa impedenza.

Nel caso in cui la resistenza del generatore è molto più grande di quella del carico, possiamo inserire il buffer, che “visto” dal generatore è ad alta impedenza, mentre “visto” dal carico è a bassa impedenza. Ecco lo schema con il buffer:

Configurazioni del Buffer

Un buffer può essere come Dr. Jekyll e Mr. Hyde. Nella sua forma “Dr. Jekyll” (non invertente), è gentile, mantiene il segnale in fase. Ma nella sua versione “Mr. Hyde” (invertente), le cose sono un po’ più complicate.

generico operazionale in configurazione non invertente
Generico operazionale in configurazione non invertente

Nello specifico abbiamo:

  • Non Invertente: l’ingresso non invertente (positivo) dell’amplificatore operazionale riceve il segnale, mentre l’ingresso invertente è collegato all’uscita attraverso una rete di feedback. Questa configurazione mantiene il segnale in uscita in fase con quello in ingresso.
  • Invertente: In questa configurazione, il segnale viene applicato all’ingresso invertente (negativo) dell’amplificatore. L’uscita avrà un segnale invertito rispetto all’ingresso, ma con lo stesso valore assoluto della tensione.

È importante notare che, mentre la configurazione non invertente mantiene la fase del segnale, quella invertente la inverte ma con lo stesso valore assoluto della tensione.

La retroazione negativa permette il funzionamento a guadagno unitario dell’inseguitore di tensione.
Un inseguitore di tensione produce un segnale di uscita con un’ampiezza uguale a quella del segnale di ingresso. Dato che il segnale di ingresso è applicato al terminale di ingresso non invertente, non avviene alcuna inversione. Quindi il buffer di tensione è un buffer non invertente.

Cosa succederebbe se l’amplificatore operazionale funzionasse come un amplificatore ad anello aperto (quindi senza retroazione negativa)? Un piccolo aumento della tensione d’ingresso provocherebbe un aumento significativo della tensione d’uscita, perché l’amplificatore operazionale ha un guadagno molto elevato.

L’impedenza di ingresso è molto alta, mentre l’impedenza di uscita è bassa, per evitare qualsiasi effetto di carico all’interno del circuito. Il guadagno complessivo del buffer è +1 e Vout = Vin.
Invece, l’invertitore op-amp, chiamato anche buffer invertente, è l’opposto. L’invertitore non amplifica se le due resistenze sono uguali, ma invece inverte il segnale di ingresso. L’impedenza di ingresso è pari a R e il guadagno è -1, per cui Vout = -Vin.

La configurazione dell’amplificatore operazionale è da preferire per l’elevata impedenza di ingresso e la bassa impedenza di uscita. Viene impostato in una configurazione ad anello chiuso, con l’uscita collegata all’ingresso negativo, in modo da creare un anello di retroazione. Questa disposizione determina che l’uscita segua l’ingresso.

Gli amplificatori operazionali reali, sono ovviamente tutt’altro che ideali. L’’impedenza di ingresso, il guadagno ad anello aperto e la banda passante non sono infiniti, così come l’impedenza di uscita non è nulla. Abbiamo parlato di questo in un altro articolo.

Conclusione

I buffer, o inseguitori di tensione, sono componenti essenziali in molti circuiti e sistemi elettronici. La loro capacità di trasferire segnali tra diverse parti di un circuito senza alterarne le caratteristiche li rende indispensabili in un’ampia varietà di applicazioni. Nel tumultuoso mondo dell’elettronica, il buffer è la voce tranquilla ma potente che mantiene l’armonia.
Questi dispositivi dimostrano come, nell’elettronica, anche i componenti più semplici possano avere un impatto profondo sul funzionamento complessivo di un sistema. La comprensione dettagliata del loro funzionamento è quindi fondamentale per chi opera in questo settore, contribuendo al continuo sviluppo e innovazione nel campo dell’elettronica.

Ivan Scordato
progettista elettrico e appassionato di nuove tecnologie. Scrive articoli di approfondimento tecnico e conosce anche tecniche SEO per la scrittura su web.