Componentes Electrónicos. Prácticas - Laboratorio. Práctica 6: Amplificadores Operacionales

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2 Práctica : mplificadores operacionales (Montaje y medida en laboratorio) Índice:. Material de prácticas.. Pautas a seguir en el montaje experimental y conexionado de la fuente. plicaciones lineales del amplificador operacional. Termómetro analógico.. Etapa del sensor de temperatura.. Etapa de la tensión de referencia del amplificador no inversor.. Etapa del amplificador no inversor desplazado. plicaciones no lineales del amplificador operacional. ontrol de iluminación nexos. a. Hoja de características del amplificador operacional U. b. Hoja de características del sensor de temperatura LM c. Hoja de características del sensor de luminosidad LDR

3 En esta práctica se abordará el montaje y medida de circuitos con amplificadores operacionales. Para ello, se hará uso del siguiente instrumental, disponible en el laboratorio de electrónica básica: Fuentes de tensión (conexión en serie e independiente). Multímetros digitales (voltímetro y amperímetro). Generador de señal. Osciloscopio En el primer apartado, se analizará el comportamiento de los amplificadores operacionales en aplicaciones lineales. Este análisis se realizará a partir del estudio de una aplicación específica. Se trata de un termómetro analógico que a partir de un sensor de temperatura (LM) ofrece a la salida una tensión proporcional a la temperatura ambiente. Para obtener una salida adecuada se utilizarán dos amplificadores operacionales en dos configuraciones lineales (amplificador no inversor y seguidor de tensión). En el segundo apartado se verá el funcionamiento del amplificador operacional como circuito no lineal. El estudio de este modo de funcionamiento se realizará mediante el análisis de una aplicación específica donde el O trabaja en modo no lineal. Se trata de un circuito de control de iluminación para la activación automática de la luz artificial en función de la luminosidad exterior. Este circuito se basa en un sensor de luminosidad (LDR) y un comparador con histéresis. ntes de empezar la práctica, el alumno debe leerse las hoja de características de los distintos dispositivos que se van a utilizar en la misma: el amplificador operacional U, el sensor de temperatura (LM) y el sensor de luminosidad (LDR). También debe conocer el procedimiento de conexión de la fuente de tensión para la obtención de la alimentación simétrica para los operacionales (apartado.).. Material de prácticas La práctica contiene distintos apartados donde el alumno debe diseñar los componentes necesarios para las dos aplicaciones que se estudiarán, por lo que el valor de esos componentes no está incluido en el siguiente listado: Placa de inserción. Resistencias: ; k (); k; k;.m; Resistencia a diseñar. Potenciómetros: multivuelta de k; estándar de.k. ondensadores: µf. mplificador operacional: U (). Sensor de temperatura: LM Sensor de luminosidad: LDR

4 . Pautas a seguir en el montaje experimental y conexionado de la fuente onexión de la fuente para la alimentación bipolar (simétrica) del operacional (Vcc y Vcc). Por exigencias de la práctica (alimentación de otros dispositivos), conviene que las fuentes operen en modo independiente, con la siguiente configuración: Realizar el montaje con las fuentes sin conectar. Es aconsejable no apagar la fuente, sino desconectar directamente los cables que se conectan a la fuente. No excederse en la longitud de cables y conectores (atención al ruido). omprobar que las conexiones a masa coinciden en un punto común de unión: el neutro de la fuente de alimentación (tierra en estrella). la hora de conectar las fuentes, la primera de todas ha de ser la de alimentación Vcc y Vcc del operacional. No equivocar la polaridad. onectar la tensión de entrada del operacional sólo después de que éste tenga corriente (esté alimentado). l desconectar, seguir el orden inverso: primero quitar la tensión de entrada y después la alimentación Vcc y Vcc, so pena de dañar el operacional. Estos circuitos resisten el mal uso, pero lo que NUN debe hacerse es: Invertir la polaridad de la alimentación. Rebasar con la alimentación las especificaciones del dispositivo (ver datasheet). Dejar permanentemente conectada la tensión de entrada del O sin estar conectada la alimentación.

5 D. plicaciones lineales del amplificador operacional. Termómetro analógico En este primer apartado de la práctica, se analiza el comportamiento del amplificador operacional cuando la salida del mismo es lineal respecto de la entrada. Este estudio se realiza en base al funcionamiento de los amplificadores operacionales como parte de un circuito más amplio, un termómetro analógico. El componente principal de este termómetro es el sensor de temperatura LM (en el anexo b se puede consultar la hoja de características del fabricante). Se trata de un dispositivo de tres terminales que ofrece a su salida una tensión proporcional a la temperatura ambiente, Vo LM = mv/º. Esta salida, será posteriormente amplificada con un circuito amplificador no inversor desplazado, realizado con un amplificador operacional, que nos proporcional una señal a la salida del circuito que depende de la temperatura y que varía entre unos niveles predeterminados y fijados en el diseño del circuito (valores de los componentes). En la figura siguiente se muestra el circuito a implementar. R R V LM u U V V OS OS R B Figura. ircuito termómetro basado en el sensor LM partir del esquema del circuito mostrado en la figura anterior, realice de forma teórica los siguientes apartados. Estos tres apartados debe realizarlos en casa antes del día que tenga prácticas en el laboratorio y entregarlo al profesor responsable al entrar a las prácticas. Sin estas cuestiones resueltas no podrá realizar la práctica. a) Obtenga la expresión de la tensión de salida en función de la tensión de salida del LM (y entrada del operacional),, y de la tensión de referencia. = Title Size <Title> Document Numb <Doc> Date: Wednesday,

6 b) onocida la relación entre la salida del integrado LM y la temperatura, Vo LM =mv/º, y con la expresión de la tensión de salida del circuito obtenida en el punto anterior, determine los valores de la tensión de referencia,, y de la resistencia R (tome R fija con valor R=k) para que a º la salida del circuito sea =V y a º la salida del circuito sea de =V. = R = c) Determine la expresión de la temperatura en función de la tensión de salida del circuito Tª (º) = Para realizar el montaje del circuito que implemente el termómetro analógico, se dividirá el mismo en distintos subciruitos que se implementarán por separado, comprobándose el correcto funcionamiento de los mismos. Finalmente se unirán los distintos subcircuitos y se comprobará el funcionamiento del termómetro.. Etapa del sensor de temperatura D En este primer subcircuito se montará y comprobará el funcionamiento de la etapa del sensor de temperatura, cuya salida está conectada a la pata V del amplificador no inversor (). El circuito a montar se muestra en la figura, donde se ha añadido a la R R salida del sensor un circuito R serie para eliminar posibles ruidos y oscilaciones de la tensión de salida. Este circuito es sugerido por el propio fabricante con R = y un condensador electrolítico de capacidad = µf. V LM u U V V OS OS R B Figura. ircuito de conexión del sensor de temperatura. ntes de realizar el montaje, lea con detenimiento el datasheet del sensor LM, especialmente la conexión del mismo. Se trata de un circuito con tres terminales, Vs (alimentación), GND y (salida del circuito). Determine sin lugar a dudas la

7 conexión del sensor, ya que una conexión errónea conlleva la destrucción del dispositivo. Monte el circuito en la placa de pruebas y una vez montado y comprobadas las conexiones proceda a conectar la alimentación. Se sugiere utilizar las regletas de conexión de alimentación de que dispone la placa de inserción. Obtenga la alimentación de V de la fuente fija que dispone la fuente de alimentación. Obtenga con el voltímetro la tensión de salida del sensor y, a partir de ella, la temperatura ambiente del laboratorio. D Vo LM = Tª = R R u U. Etapa de la tensión de referencia del amplificador no inversor. V En este punto, se diseñará el subcircuito para poder obtener la tensión de referencia que necesita el amplificador no inversor desplazado. Esta tensión se obtiene a partir de un OS divisor resistivo. Para evitar que la tensión del divisor resistivo se modifique al conectarlo al circuito amplificador se utilizará también un circuito seguidor de tensión. El circuito OS a montar se muestra en la figura. V V V V R V Pot u U V V OS OS B V Figura. ircuito para obtener la tensión de referencia. omo se puede observar en la figura, el divisor de tensión está formado por una resistencia en serie con un potenciómetro (resistencia variable). La resistencia R = k y el potenciómetro es de precisión (multivuelta) y con un valor nominal de k. Monte el divisor de tensión en la placa Title de inserción y ajuste el potenciómetro para que a <Title> la salida del divisor tenga la tensión de referencia que necesita para el correcto funcionamiento del termómetro (calculada anteriormente). Size Document Number Rev <Doc> <Revode> = Date: Wednesday, May, Sheet of

8 Lea detenidamente el datasheet del operacional U, especialmente la conexión de sus terminales. Monte el circuito seguidor de tensión de la figura. ntes de conectar la alimentación del operacional, compruebe que la configuración de la fuente es correcta y confirme con el voltímetro los valores de tensión de la fuente V, V y V. Se sugiere utilizar las conexiones de alimentación de que dispone la placa de inserción. Se recuerda que la referencia de tensiones (GND) es la misma para todas las fuentes de tensión del circuito. onecte la alimentación del operacional y conecte igualmente a la entrada no inversora del O la salida del divisor de tensión. Mida con el voltímetro la tensión de salida del seguidor de tensión y compruebe que es la que necesita: = S T S. Etapa del amplificador no inversor desplazado. Esta es la última etapa del termómetro analógico. onsiste, tal y como se muestra en la figura, en un amplificador operacional trabajando como amplificador no inversor con salida desplazada con una tensión de referencia. R R V u U V V OS OS V Figura. ircuito amplificador no inversor desplazado. R El valor de las resistencias del circuito son las obtenidas en los apartados anteriores para que se cumpla las especificaciones de la tensión de salida respecto de la temperatura en el circuito. Monte el circuito amplificador no inversor en la placa de inserción. ompruebe que todas las conexiones son correctas. Title <Title> Size Document Number R <Doc> Date: Wednesday, May, Sheet of

9 Escuela Politécnica Superior de Elche onecte la alimentación al amplificador no inversor y una vez hecho esto conecte las tensiones y, que son la salida de los dos subcircuitos vistos en los apartados anteriores. El circuito completo final se muestra en la figura. V R V Pot u U V V OS OS R R V V V u U V V OS OS LM V R Figura. ircuito para termómetro analógico completo. Una vez conectado todo el circuito completo, realice las siguientes medidas de tensión con el voltímetro: = = = <Title> Document Number <Doc> Date: Wednesday, May, Title Size Sheet Determine la temperatura a la que se encuentra el laboratorio: Temperatura [º] = 8

10 vin V Vdc. plicaciones no lineales del amplificador operacional. ontrol de iluminación En este apartado se estudiarán las aplicaciones no lineales del amplificador operacional. Para ello, analizaremos una aplicación real donde el amplificador operacional actúa de forma no lineal, en concreto se utiliza un comparador no inversor con histéresis desplazado. La aplicación en cuestión es la de un circuito de control de la iluminación Vpara el encendido automático vin de una bombilla cuando la intensidad lumínica baje de cierto V nivel, determinado por el usuario. V La intensidad VOFF = lumínica se determina V = con V un sensor V LDR (Light Dependent Resistor), VMPL = V = que no es FREQ más = que un dispositivo TD = resistivo sensible a la cantidad de luz que incide sobre TR =.u él. En el anexo c se puede consultar TF =.ula variación de la resistencia con la luz que presenta V PW = u este dispositivo. VOFF = PER = VMPL = El control del encendido de la bombilla (en este caso será un diodo LED) se realiza FREQ = k mediante un comparador no inversor con histéresis y una tensión de referencia (ajustada mediante un potenciómetro) para determinar la intensidad lumínica a la que se encenderá el LED. El circuito completo de la aplicación se muestra en la figura. V V Vcc R R Vcc LDR u U V V Vcc OS OS R U u Vcc V V Vcc OS OS LED RB Vcc Vcc POT Figura. ircuito para el control de la iluminación. Los valores de los distintos componentes son los siguientes: Title R = k; R =k; R =.M; R B = k; el potenciómetro <Title> es de.k. V cc = V; V cc = V: Document Number <Doc> Monte el circuito completo (sin conectar la alimentación). Wednesday, May, Repase las conexiones y una vez que este seguro de que el circuito está bien montado, conecte la alimentación del mismo. Recuerde cómo debe obtener la alimentación simétrica para los amplificadores operacionales. Size Date: Sheet of 9

11 Modifique la resistencia del potenciómetro y compruebe que el led de salida del circuito se enciende y se apaga en función del ajuste del potenciómetro. juste el potenciómetro para que el LED se encienda con el nivel de iluminación deseado. Para ello haga sombra sobre el sensor de iluminación (ponga la mano sobre la LDR) y ajuste el potenciómetro para que se encienda el LED. uando retire la mano e incida sobre la LDR la iluminación del laboratorio, el LED debe apagarse. Utilizando el voltímetro, mida las tensiones, y tanto cuando el diodo LED esté encendido como cuando esté apagado. LED ON LED OFF = = = = = = Justifique los resultados obtenidos.