Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 1 Unidad 6 - Ing. Juan Jesús Luna

Transcripción

1 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 1 Unidad 6: Amplificadores Operacionales 1 Introducción: El amplificador operacional (en adelante, op-amp) es un tipo de circuito integrado que se usa en un sinfín de operaciones, principalmente en operaciones analógicas, aunque también se lo puede encontrar en algunas aplicaciones digitales. Es un componente simple, estable, de fácil uso y entendimiento, y por sobre todo, barato. 2 - Descripción Básica del Amplificador Operacional 741: El op-amp 741 tiene dos terminales de entrada, Vin(+) y Vin(-); y un terminal de salida único llamado Vout. El 741 necesita dos tensiones de alimentación +V y -V, que pueden variar entre 5 V y 18 V. Los dos últimos terminales se suelen denominar como un 'ajuste de centrado' y sirven para compensar los pequeños desequilibrios internos del circuito. Para hacer las cosas más simples, en los esquemas no se muestran los terminales de alimentación y ajuste de centrado, y solamente aparecen los pines de entrada y salida. El símbolo de un amplificador operacional es: Se puede decir que un op-amp es un amplificador diferencial de alta ganancia acompañado con etapas adicionales, para que se pueda conseguir una salida que varíe entre los valores positivo y negativo de la alimentación. Lo principal de un amplificador diferencial es que amplifica la diferencia de las tensiones aplicadas a los terminales de entrada Vin(+) y Vin(-) que se llaman 'Entrada No Inversora' y 'Entrada Inversora' respectivamente. La relación entre las tensiones de la entrada y la salida es: Vout = Ao * ( Vin(+) - Vin(-) ) donde Ao es el valor de la ganancia en bucle abierto (sin realimentación o feedback). Esta ganancia es de muy alto valor, de (doscientos mil) para el 741 (unos 106 db). El amplificador operacional tiene unas características que lo hace un buen amplificador de tensión. Posee una impedancia de entrada 2 MOhm y una impedancia de salida de unos 75 Ohm. Hay que tener en cuenta que el valor de la ganancia Ao se define para un cierto valor de tensión de alimentación, a una temperatura constante y para una carga determinada. Si estas variables varían, la ganancia también lo hace.

2 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 2 - Temperatura: La ganancia baja a medida que aumenta la temperatura. El valor normal esta dado para unos 25ºC. - Frecuencia: A mayor frecuencia, menor ganancia. El valor normal se da para una baja frecuencia, de 5 a 10 Hz. - Tensión de Alimentación: Cuando disminuye la tensión, baja la ganancia. El valor normal es para una tensión de V. Las impedancias de entrada y de salida también varían junto con lo antes expuesto, pero sobre todo con la frecuencia. A mayor frecuencia, disminuye la de entrada y aumenta la de salida. Pero esto solamente hay que tenerlo en cuenta en casos muy especiales, con tensiones muy pequeñas y con frecuencias del orden de varios MHz. Entonces, para los fines prácticos y para analizar los circuitos, se puede considerar que: - La impedancia de entrada es infinita - La impedancia de salida es 0 (cero) - La ganancia es infinita 3. Etapas Operacionales: Se llama Amplificador Operacional porque permite realizar operaciones matemáticas. A continuación se verán algunas de las principales etapas operacionales o configuraciones, y su ecuación correspondiente: Recordar siempre que lo que se esta amplificando es una tensión. (No se indica la alimentación que es de V) - Amplificador Inversor: (Observar el del resultado) Esta configuración permite amplificar la señal que se inyecta en la entrada, y a su vez invertirla. La ganancia de la etapa esta dada por 2 resistencias. Por ejemplo, si a la entrada es de 1V y a la salida se quiere tener -2V, se debería colocar una R2 que sea del doble de R1. Nótese que si R2<R1, esta etapa puede atenuar la señal, en vez de amplificarla. - Amplificador No Inversor:

3 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 3 Como se puede apreciar, la salida de esta etapa no esta invertida con respecto a la entrada, y además la ganancia siempre será 1 o mayor. Existe un caso especial de esta configuración, el llamado seguidor de tensión o buffer y se da cuando R2 = R1 = 0 Ohm, entonces: Esta configuración es útil para adaptar un sensor o cualquier otro dispositivo. Como la entrada tiene impedancia infinita, no se deriva corriente hacia el interior del integrado, de modo que no hay caídas de tensión. - Amplificador Restador Siempre que ambas R2 sean iguales y ambas R1 sean iguales. Esta etapa permite restar 2 señales y multiplicar el resultado por un valor establecido por el juego de resistencias. - Amplificador Sumador Inversor Aquí se tiene una amplificación de cada señal (V1, V2, V3) por un valor dado por el juego de resistencias. El valor no tiene porque ser el mismo, ya que R1, R2 y R3 pueden ser diferentes. Una vez amplificadas las señales, se suman entre si y se invierten.

4 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 4 - Amplificador Derivador Básicamente, es un filtro pasa altos. Como se puede observar, la señal es invertida y multiplicada por un valor que depende de R y C. Además, también es multiplicada por un valor que depende de la variación de la señal de entrada con respecto a la variación de tiempo. O sea, que mientras mas rápido varíe la señal de entrada, mayor será la amplificación. - Amplificador Integrador Básicamente es un filtro pasa bajos. La señal de salida depende de la integral de la variación en el tiempo. Mientras mas lento varíe, mayor será la integral. Luego es invertida y multiplicada por un valor que depende de la inversa de R*C. - Comparador Comparador de Ventana: Es un circuito que permite saber si una señal o nivel de tensión está dentro o fuera de un límite aceptable de voltajes previamente definido. Con ayuda de un comparador (amplificador operacional) que controle el nivel de voltaje superior y otro comparador que controle el nivel de voltaje inferior, se puede implementar un Comparador de Ventana. El nivel de tensión / voltaje que se desea sensar (Vin) se aplica a la entrada inversora del amplificador operacional que controla el límite superior (ver Vh) y también a la entrada no inversora del amplificador operacional que controla el límite inferior (ver VL).

5 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 5 Estableciendo el voltaje límite superior y el voltaje límite inferior en los terminales Vh y Vl, se define el rango de voltajes para el cual la salida del Comparador de Ventana estará activa. Ver el gráfico Comparador de Ventana con dos amplificadores operacionales La lámpara sólo se encenderá cuando la salida de los amplificadores operacionales sea un nivel bajo. Formas de onda de la salida del Comparador de Ventana De los dos diagramas anteriores se puede ver con claridad que el nivel bajo de voltaje en la salida sucede cuando la señal de entrada (ver onda triangular) esta por encima del límite superior (línea roja) y por debajo del límite inferior (línea azul). Este nivel bajo en la salida activaría la lámpara o circuito de alarma que indica el estado no permitido. Aplicaciones: Termostato: Se trata de un Amplificador Operacional configurado como comparador; en la entrada negativa se tiene una tensión que se puede regular actuando sobre la resistencia variable (divisor de tensión). En la entrada positiva se tiene otro divisor de tensión formado por una resistencia fija y la NTC. Dependiendo de la Temperatura y de como se regule la resistencia variable se tendra tensión a la salida del Operacional y se activará el relé.

6 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 6 Termómetro Digital: A la entrada inversora de los Operacionales llegan 1, 2, 3 y 4 voltios respectivamente, obtenidos por medio del divisor de tensión formado por las resistencias de 1K. La entrada positiva esta conectada a otro divisor de tensión formado por la R de 22K y la NTC. Dependiendo de la Temperatura se tienen diferentes tensiones en estas entradas. Cuando la entrada positiva este comprendida entre: 1V< V+ < 2V enciende el LED amarillo 2V< V+ < 3V enciende el LED verde1º 3V< V+ < 4Vl enciende el LED verde2º V+ > 4 encienden todos

7 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 7 Termostato Casero: Este circuito permite controlar la temperatura y mantenerla a la que se desee según la aplicación, se ha utilizado un sensor LM35. El costo de fabricación es muy económico. El LM35 es un sensor de temperatura de tres terminales. Uno para la alimentación, otro va a masa, y otro es la salida que da 10mV por cada grado centígrado, con mucha precisión y respuesta completamente lineal. A continuación la señal es acondicionada para poder ser comparada posteriormente con la señal de referencia variable mediante el potenciómetro de 10K. Variando este potenciómetro se sube o se baja la temperatura ambiente. La etapa de salida es mediante un relé de 12V al que se podra conectar una estufa eléctrica. Los amplificadores operacionales son un único integrado, el LM324. Lista de Componentes del Equipo: Sensor de temperatura LM35 Amplificador operacional LM324 Diodo 1N4001 Relay 12 V Potenciómetro 10 K Resistencias (según el gráfico)

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