INTEGRADOR, DERIVADOR Y RECTIFICADOR DE ONDA CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES LAURA MAYERLY ÁLVAREZ JIMENEZ (20112007040) MARÍA ALEJANDRA MEDINA OSPINA (20112007050) RESUMEN En esta práctica de laboratorio se implementarán diferentes circuitos electrónicos en los cuales se comprenderá el funcionamiento de un circuito integrador, derivador y rectificador de onda utilizando el amplificador operacional, condensadores, algunas resistencias y diodos. También se observará el efecto de los circuitos al hacer un barrido de frecuencias en cada uno. INTRODUCCIÓN En el desarrollo de la práctica se implementarán diferentes circuitos en los que se podrá observar con más detenimiento las funcionalidades que presentan los amplificadores operacionales como el integrador, el derivador y el rectificador de ondas, conociendo su comportamiento y sus señales de salida. Asimismo se trabajará un barrido de frecuencias para percibir el efecto que tiene en cada uno de los circuitos. Para realizar lo anterior se utilizara un amplificador operacional, el cual corresponde al integrado LF353, condensadores, resistencias y diodos. Al trabajar de esta forma se obtendrá un mayor análisis sobre el diseño y sus condiciones al momento de realizar un circuito con funciones determinadas. OBJETIVOS Comprender la estructura y el funcionamiento del integrado LF353 que corresponde al amplificador operacional utilizado en esta práctica de laboratorio. Conocer la funcionalidad y la estructura de un circuito integrador, derivador y rectificador de onda. Visualizar y analizar el comportamiento de las señales de entrada y salida de los circuitos planteados en el osciloscopio. Comprender el funcionamiento de los circuitos realimentados. Implementar montajes de circuitos determinados.
EQUIPAMIENTO Fuente DC. Generador de señales. Multímetro. Osciloscopio. Conectores. En el siguiente gráfico se puede ver una señal de entrada (línea recta) de 3 voltios que se mantiene continuo con el pasar del tiempo. MATERIALES Circuito Integrado (CI) LF353. Protoboard (placa de prototipos). Resistencias. Condensadores. Diodos. Cables. A continuación, el gráfico muestra que el área bajo la curva en un momento cualquiera es igual al valor de la entrada multiplicado por el tiempo, MARCO TEÓRICO Integrador con Amplificador Operacional Un circuito integrador realiza un proceso de suma llamado "integración". La tensión de salida del circuito integrador es proporcional al área bajo la curva de entrada (onda de entrada), para cualquier instante. Por ejemplo: Al terminar el primer segundo, el área bajo la curva es Al terminar el siguiente segundo, el área bajo la curva es Al terminar el tercer segundo, el área bajo la curva es Al terminar el cuarto segundo, el área bajo la curva es
Dando los valores de resistor R = 1 MΩ y capacitor C = 1 uf al primer gráfico, el valor de la tensión de salida es: ( ) La ganancia de este amplificador en este caso es: ( ) El signo negativo se debe a que el amplificador operacional está configurado como amplificador inversor Así: Al terminar el primer segundo, Al terminar el siguiente segundo, sucede cuando el amplificador llega a su tensión de saturación. Derivador con Amplificador Operacional Un derivador es un circuito en el que la señal de salida es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras palabras la salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de la entrada. La fórmula Nota: = cambio Tipos de ondas de entrada Señal de entrada es una tensión fija (ejemplo: 3 Voltios): Al terminar el tercer segundo, Al terminar el cuarto segundo, Esta tensión de salida no crece indefinidamente (en sentido negativo). Hay un momento, como se puede ver el último gráfico en que ésta línea se mantiene a un valor constante. Esto La velocidad de variación de la señal de entrada es cero y por consiguiente la salida también será cero. Señal de entrada es una onda cuadrada: Cada vez que la señal cambia de nivel hay un brusca variación en la señal de entrada (se pasa de un nivel de tensión a otro en un tiempo muy corto).
En la salida se observan unos picos, tanto en el sentido positivo como negativo (dependiendo del sentido de la variación). Como, entonces ó Señal de entrada es una onda triangular: La señal de salida es cuadrada, ejemplo: En el caso de la onda cuadrada de 3 voltios de amplitud: ( ) ( ) Si el tiempo fuera menor la velocidad de cambio aumentaría. La salida de cada salto está invertida debido a que la entrada está conectada a la patita inversora del amplificador operacional Cuando la señal de entrada es sinusoidal, la salida del derivador es como se muestra en el siguiente gráfico: De la última fórmula se puede ver que un derivador es proporcional a la frecuencia de la señal de entrada. La mayor velocidad se da cuando la señal cruza el eje horizontal con un ángulo pronunciado. Si hubiese ruido a la entrada, éste normalmente sería de una frecuencia más alta comparado con la señal a derivar, esto causaría que pequeños valores de ruido aparezcan a la salida mucho más grandes. Para evitar esto se coloca en la entrada un resistor R1 (en serie con el capacitor C) y un capacitor C1 se agrega en paralelo con la resistencia de realimentación (R) para reducir la tendencia a oscilar del circuito. Aquí, (negativo pues el derivador es también inversor).
Estos dos últimos componentes (R1 y C1) reducen la capacidad de derivación del circuito, pero sólo lo hacen hasta la frecuencia que determinan los resistores y capacitores. Datasheet LF353
ACTIVIDADES A REALIZAR UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS DESARROLLO Y SIMULACIONES DE LA PRÁCTICA
INTEGRADOR DERIVADOR
RECTIFICADOR
CONCLUSIONES El circuito integrador es un circuito con un amplificador operacional que realiza la operación matemática de integración. El circuito actúa como un elemento de almacenamiento que produce una salida de tensión que es proporcional a la integral en el tiempo de la tensión de entrada. Un amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes que pueden ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional. Se comprobó la teoría de amplificadores operacionales, su estructura, su funcionamiento y su configuración de polarización correspondiente, además de implementarlo para obtener distintos circuitos (integrador, derivador y rectificador de onda). El circuito derivador realiza la operación matemática de derivación, de modo que la salida de este circuito es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras palabras, la salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de entrada. Para que la señal ingrese totalmente al amplificador operacional la resistencia de entrada debe ser muy grande con respecto a la resistencia de la fuente. Se evidenció experimentalmente la teoría vista en clases sobre amplificadores operacionales y sus funcionalidades en este caso el circuito integrador, derivador y rectificador de onda. BIBLIOGRAFÍA B. Guio, Electrónica Básica, Quinta Edición (Segunda versión en Español), McGraw-Hill, México, 1989. Boylestard, Robert. Electrónica Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Derivador con Amplificador Operacional: características, [en línea], disponible en: http://www.unicrom.com/tut_derivador.as p, recuperado el 26 de Mayo de 2013. Integrador con Amplificador Operacional: características, [en línea], disponible en: http://www.unicrom.com/tut_integrador.a sp, recuperado el 26 de Mayo de 2013. Datasheet LF353 [en línea], disponible en:http://www.datasheetcatalog.org/datas heet/fairchild/lf353.pdf, recuperado el 18 de Mayo.