PRACTICA N 2 AMPLIFICACIÓN Y COMPARACIÓN DE SEÑALES, CIRCUITOS DE APLICACIÓN El objetivo de esta práctica es el de familiarizarse con algunas de las configuraciones básicas del amplificador operacional, específicamente su uso como amplificador y como comparador de señales. Para este propósito se montarán dos circuitos en los que estas aplicaciones son necesarias. 1. MEDICIÓN DE TEMPERATURA CON LM35 El objetivo de este circuito será medir temperatura utilizando un integrado LM 35 y encender una serie de leds cada que la temperatura supere un valor determinado. Para este caso, encenderemos leds cuando se superen temperaturas de 30 C, 40 C y 50 C. En el siguiente texto se explican los circuitos a utilizar y su funcionamiento. Lea detenidamente el documento; luego calcule los valores que piden. a. Primera parte: Medición de temperatura y amplificación de voltaje El lm 35 es un sensor que entrega un voltaje que depende de la temperatura de forma lineal según una relación 10mV/ C. Su funcionamiento es sencillo, simplemente debe alimentarse y él entregará un voltaje proporcional a la temperatura en grados centígrados. En esta práctica usaremos este sensor para medir temperatura ayudándonos de amplificadores operacionales. El voltaje entregado por el sensor es relativamente pequeño (del orden de los mv). Por este motivo, en sus aplicaciones normales del lm 35, este voltaje se suele amplificar, es decir, se utiliza un circuito que multiplica el voltaje por un factor para trabajar con niveles de voltaje más grandes. Un elemento útil para amplificar una señal es precisamente el amplificador no inversor, que podemos conectar como se ve en la figura 4. Entonces para amplificar el voltaje del Lm 35, se puede usar el siguiente circuito. Figura 1. Circuito para amplificar el voltaje entregado por el lm35.
En el caso del laboratorio, usaremos una amplificación de 10, es decir, queremos que el voltaje que entrega el LM35 sea multiplicado por 10 por el amplificador. Calcule valores de R1 y R2 que garanticen esto. b. Segunda parte: comparación de niveles de voltaje Ahora, una vez se ha amplificado este voltaje, lo podemos usar en diferentes aplicaciones. En el caso del laboratorio, vamos a comparar la temperatura con tres diferentes referencias. Entonces usaremos un circuito que nos indique por medio del encendido de un LED cuando la temperatura sube por encima de 30 C; otro circuito muy similar nos indicará cuando se superen los 40 C y otro cuando se superen los 50 C. Vamos a analizar primero uno de los casos (40 C). Para esto necesitamos: 1. Saber que voltaje corresponde a una temperatura de 40 C. 2. Encontrar un circuito que compare la salida del amplificador con ese nivel de voltaje. Podemos usar entonces el siguiente circuito: Figura 2. Circuito de comparación con un voltaje de referencia. Le ponemos en la entrada a este circuito la salida del circuito anterior (Vout), y con las resistencias R3 y R4 ponemos un voltaje de referencia (divisor de voltaje) que corresponda a 40 C. Cuando el voltaje supere esta referencia, habrá un nivel de voltaje alto a la salida y se encenderá el LED, es decir, éste se encenderá cuando la temperatura suba de 40 C. En total, el circuito completo quedaría así:
Figura 3. Circuito para amplificar el voltaje del lm35 y compararlo con na referencia. Con el circuito de la figura 3, tendríamos listo un sistema que enciende un led cuando la temperatura supera los 40 C. Para los otros dos valores de temperatura, sólo tendríamos que replicar la segunda parte del circuito, pero usando valores de voltaje de referencia, como se muestra en la figura 4. En dicho circuito los pares de resistencia R5 R6 y R7 R8 se usan para poner en los respectivos comparadores los voltajes de referencia que equivalen a 30 C y a 50 C. Figura 4. Circuito completo.
c. Procedimiento para la práctica Monte el circuito completo y mida los voltajes del sensor, los divisores de tensión y de la salida de cada uno de los amplificadores operacionales bajo dos condiciones: A temperatura ambiente Calentando el sensor de temperatura hasta que se encienda cada uno de los leds. Complete la siguiente tabla en cuatro ocasiones: una temperatura ambiente y una para el momento en e que se enciende cada uno de los leds (30, 40 y 50 ). Temperatura = Voltaje sensor (A) Voltaje salida amplificador no inversor (B) Voltaje en el primer divisor de tensión (C) Voltaje en el segundo divisor de tensión (D) Voltaje en el tercer divisor de tensión (E) Voltaje de salida comprador 30 C (F) Voltaje de salida comprador 40 C (G) Voltaje de salida comprador 50 C (H) Tabla 1. Datos del circuito de temperatura 2. SUICHE CONTROLADO POR APLAUSO El objetivo de esta parte de la práctica será el de montar un circuito capaz de detectar el sonido de un aplauso y, partiendo de él, prender o apagar algún dispositivo. En este caso, para hacer más simple la práctica, simplemente apagaremos o encenderemos un led. Sin embargo, este mismo circuito podría usarse para encender y apagar otro tipo de dispositivos, haciéndole pequeñas modificaciones. Figura 5. Utilidad del circuito a montar en esta práctica.
a. Funcionamiento general del circuito Lo primero que hay que tener en cuenta es que para detectar el sonido del aplauso, usaremos un micrófono electret, el cual es un tipo de micrófono sencillo y económico que será útil para el propósito de esta práctica. Usando el micrófono, tendremos un voltaje que varía en el tiempo según el sonido, algo como lo que se ve en la figura 6, donde el pico más alto en cierto punto indica el momento en el que ocurrió el aplauso. Figura 6. Señal generada por el micrófono Ahora, teniendo esta señal, sabiendo que el voltaje del micrófono crece cuando hay un sonido fuerte como el del aplauso y conociendo la utilidad del amplificador operacional como comparador, podríamos pensar en comparar este voltaje del micrófono con un valor determinado, de tal manera que cuando el aplauso ocurre, el voltaje supera el de comparación y obtenemos una salida en el comparador alta que podremos usar para encender el led, como se muestra en la figura 6. Señal que se usará para encender el led Señal de sonido Figura 7. Comparación de las señales.
Sin embargo, existen varios problemas con este circuito, los cuales analizaremos uno por uno a continuación. b. Necesidad de amplificación: La señal que genera el micrófono es muy pequeña. Los niveles de voltaje son del orden de los milivoltios. Por este motivo, para poder trabajar más cómodamente, lo primero que debemos hacer es amplificar la señal, es decir, multiplicarla por una ganancia para que los voltajes sean más grandes, como se ve en la figura 8. Entrada Salida Figura 8. Amplificador. Para realizar esta amplificación podemos utilizar un amplificador operacional, el cual, así como lo indica su nombre, puede ser usado para amplificar una señal cualquiera, tal como se explica a continuación. Observe el siguiente circuito: Figura 9. Amplificador operacional usado como amplificador de voltaje.
En este caso, al amplificador operacional está sirviendo para amplificar el voltaje que llega a la entrada no inversora (Vin), entregando a la salida un voltaje más alto (Vout), de la siguiente manera: Por ejemplo, si R2/R1= 2, entonces Vout= 3*Vin, es decir el voltaje a la salida será 3 veces el que haya a la entrada o, lo que es lo mismo, el amplificador tiene una ganancia de 3. Otra posible configuración para amplificar es la del amplificador inversor, para el cual se conecta el amplificador de la siguiente manera. Figura 10. Amplificador operacional usado como amplificador inversor de voltaje. Y en este caso se obtiene una ganancia negativa de la siguiente forma: Entonces, para la primera parte del circuito podemos usar el siguiente esquema, donde el capacitor c1 es necesario para el correcto funcionamiento del micrófono y las resistencias R2 y R3 manejarán la ganancia del amplificador.
Figura 11. Circuito de micrófono con amplificador. Entonces, adicionando esto al comparador, tendremos el siguiente circuito: Figura 12. Circuito con amplificador mas comparador. Donde el primer amplificador operacional está amplificando y el segundo está comparando. El potenciómetro se está utilizando como divisor de voltaje para establecer el voltaje de comparación. c. Conservar el estado de encendido Aún después de haberse amplificado, la forma de la señal es la misma, simplemente es más grande. El problema con esto es que, dado que el aplauso dura un tiempo corto, el estado alto a la salida del amplificador operacional será momentáneo como se ve en la figura 13, y como lo que queremos es que el led se quede encendido después del aplauso y que sólo se apague si llega a suceder otro aplauso, entonces necesitamos algún otro dispositivo electrónico que nos ayude a hacer esto.
Encendid o Apagado Apagado Figura 3. Estado activo del amplificador operacional. Es decir, lo que queremos es obtener lo que se ve en la figura 14. Figura 14. Respuesta deseada en el circuito En este caso, para lograr el efecto deseado, utilizaremos un Flip-flop tipo D (referencia 74ls74), el cual es un dispositivo con memoria, que es capaz de retener un determinado estado. En este caso, lo usaremos conectado en una configuración conocida como toggle o biestable, cuyo funcionamiento se describe a continuación y su conexión se muestra en la figura 15. En el flip-flop tenderemos dos salidas, una salida Q y una salida negada. Además se tendrá una entrada T y una entrada de reloj C. Figura 15. Conexión del flip-flop como toggle.
En la configuración biestable, la salida cambiará de estado ("toggle" en inglés) cada vez que la entrada de reloj tenga un flanco de subida, es decir, pase de 0V a 5V. De esta manera tendremos lo siguiente: Cuando al terminal c (clock) del flip-flop llegue un primer pulso de entrada proveniente del comparador (la parte del circuito que ya vimos), su salida pasara de 0 V a 5V, pudiendo usarse para encender un led. Cuando al terminal c (clock) del flip-flop llegue un segundo pulso de entrada proveniente del comparador (la parte del circuito que ya vimos), su salida pasara de 5V a 0V, apagando el led. De esta forma tendremos el comportamiento que estábamos buscado en el que con un aplauso de enciende el led y con otro se apaga. Entonces, resumiendo lo que llevamos hasta el momento, el circuito quedaría como se ve en la figura 16. Figura 16. Circuito con micrófono, amplificador, comparador y flip-flop. d. Rebote de señal Por último analizaremos un problema que es típico de muchos circuitos y se conoce como rebote. Para ilustrar lo que es el rebote, veamos más de cerca una señal producida por un micrófono. La figura 17 muestra una señal de sonido típica de un aplauso donde se ve que no se genera un único pico alto de voltaje, sino que son una serie de variaciones rápidas generadas con cada aplauso. Al comparar esta señal con un voltaje fijo usando el amplificador como comprador, vemos que a la salida tendríamos un tren de pulsos en lugar de un solo pulso, haciendo que el circuito empezara a prender y apagar el led repetidamente en lugar de obtener lo deseado (se enciende con un aplauso, se apaga con otro).
Figura 17. Rebote de señal y salida del circuito antirebote. Para evitar esto y obtener un solo pulso por cada señal sonora (cada aplauso) se puede utilizar lo que se conoce como un circuito antirrebote. Para esto se puede usar el integrado LM555 en configuración monoestable, conectado como se muestra en la figura 18. Figura 18. Anti rebote con 555
Donde la fuente V está representando la señal que nos ha generado la parte del circuito compuesta por el micrófono, el amplificador y el comparador (el flip-flop vendría después de esta parte.) En este circuito, la entrada sería por el terminal llamado trigger (pin 2) y la salida seria el pin 3. A la salida tendremos un único pulso por cada aplauso. Observe que para un correcto funcionamiento, el circuito antirrebote debe ponerse ANTES del circuito con el flip-flop que se mostró anteriormente. Adicionalmente hay que tener en cuenta una característica del 555 en su operación monoestable (modo usado para el antirreobote) y es que este modo se activa con una señal de triguer que pasa de un nivel alto a uno bajo (y no al contrario). Por lo tanto debe invertirse la señal que sale del comparador como se muestra en la figura 19. Figura 17. Rebote de señal y salida del circuito antirebote teniendo en cuanta la activación del 555 con un flanco de bajada. e. Circuito completo Teniendo en cuenta todo lo anterior, el circuito total de esta práctica quedará de la siguiente forma.
Figura 20. Circuito completo Para terminar, a la salida del circuito conectaremos un Led de la salida hasta tierra, por su puesto adicionándole una resistencia de 220 0 330 ohmios para manejar la corriente. f. Procedimiento para la práctica Monte el circuito completo (figura 20) y observe con el osciloscopio el voltaje en los siguientes puntos, justo en el instante de dar un aplauso: En el micrófono, antes del condensador. En el micrófono, después del condensador. A la salida del amplificador A la salida del comparador A la salida del 555 A la salida del flip-flop Capture estas señales en el osciloscopio y tome una foto como evidencia para el informe 3. EL INFORME Se deben llevar montados los circuitos al laboratorio. Los cálciullos previos también deben realizarse con anterioridad a la práctica (cálculo de las resistencias R1 a R8) Durante la clase se realizarán las medidas indicadas en la guía. Hay dos sesiones de laboratorio para completar el trabajo. Al finalizar la segunda sesión se debe entregar el informe, en el formato que encontrará a continuación en esta guía. Recomendaciones generales: Recuerde usar valores comerciales para las resistencias Consulte la hoja de datos del lm 35 para conocer más detalles de su funcionamiento y su configuración de pines. Consulte también las hojas de datos
de cada uno de los dispositivos y no olvide tener a la mano la configuración en pines para poder hacer el montaje. Para el montaje elija un amplificador operacional de propósito general (hay varias referencias que sirven). Elija uno y consulte su hoja de datos para conocer su configuración en pines. Recuerde que algunos amplificadores necesitan polarización positiva y negativa (dual) y otros sólo positiva. Tenga en cuenta esto al elegir la referencia y su disponibilidad en el laboratorio. (Algunas referencias recomendadas: ua741, lm324, lm358) Usted puede utilizar cualquier referencia de amplificador operacional. Para saber qué tipo de polarización debe usar, consulte la hoja de datos (o datasheet) de la referencia que elija. En base a esto se elijará el valor de Vcc (que no se ha especificado en la gráfica del circuito). Por último, recuerde que el objetivo de esta parte de la práctica es conocer dos de las principales aplicaciones del amplificador operacional: amplificación de voltaje y comparación de voltaje. Si tiene dudas sobre este tema, consulte el tema o pregunte al profesor. LEA DETENIDAMENTE LA GUÍA DEL LABORATORIO. Y asegúrese de entender lo que se pide en cada parte del circuito. Aunque no es necesario conocer a fondo el funcionamiento del lm555 y del flipflop, si será importante saber qué papel cumplen dentro de este circuito y como lo hacen. Por este motivo se recomienda que, si usted no los conoce bien, consulte sobre estos dispositivos. Para el circuito de medición de temperatura se necesitará calentar el sensor para probar el circuito. Lleve una candela para este propósito.
FORMATO DE INFORME PRACTICA N 2 AMPLIFICACIÓN Y COMPARACIÓN DE SEÑALES, CIRCUITOS DE APLICACIÓN 1. MEDICIÓN DE TEMPERATURA CON LM35 Figura 1. Circuito completo medición de temperatura 1.1 Cálculos (este punto debe realizarse con anterioridad a la práctica. También los circuitos debe llevarse montados a la clase) Cálculo de valores de R1 y R2 que garanticen una amplificación por 10. Valor de voltaje a la salida del primer amplificador (punto marcado como B en la figura 1) que corresponde a: o 30 C o 40 C o 50 C Cálculo de R3 y R4
Cálculo de R5 y R6 Cálculo de R7 y R8 1.2 Medición del circuito de temperatura Temperatura ambiente Temperatura ambiente = Voltaje sensor (A) Voltaje salida amplificador no inversor (B) Voltaje en el primer divisor de tensión (C) Voltaje en el segundo divisor de tensión (D) Voltaje en el tercer divisor de tensión (E) Voltaje de salida comprador 30 C (F) Voltaje de salida comprador 40 C (G) Voltaje de salida comprador 50 C (H) Temperatura de 30 C Temperatura =30 C Voltaje sensor (A) Voltaje salida amplificador no inversor (B) Voltaje en el primer divisor de tensión (C) Voltaje en el segundo divisor de tensión (D) Voltaje en el tercer divisor de tensión (E) Voltaje de salida comprador 30 C (F) Voltaje de salida comprador 40 C (G) Voltaje de salida comprador 50 C (H)
Temperatura de 40 C Temperatura = 40 C Voltaje sensor (A) Voltaje salida amplificador no inversor (B) Voltaje en el primer divisor de tensión (C) Voltaje en el segundo divisor de tensión (D) Voltaje en el tercer divisor de tensión (E) Voltaje de salida comprador 30 C (F) Voltaje de salida comprador 40 C (G) Voltaje de salida comprador 50 C (H) Temperatura de 50 C Temperatura = 50 C Voltaje sensor (A) Voltaje salida amplificador no inversor (B) Voltaje en el primer divisor de tensión (C) Voltaje en el segundo divisor de tensión (D) Voltaje en el tercer divisor de tensión (E) Voltaje de salida comprador 30 C (F) Voltaje de salida comprador 40 C (G) Voltaje de salida comprador 50 C (H) 1.3 Conteste las siguientes preguntas: Cree que este sistema de medición está bien calibrad y por qué?
2. SUICHE CONTROLADO POR APLAUSO Figura 2. Circuito completo 2.1 Medición del circuito por etapas En los siguiente espacios dibuje la forma de onda capturada con el osciloscopio en cada uno delos puntos indicados en el circuito. En el micrófono, antes del condensador En el micrófono, después del condensador
A la salida del amplificador A la salida del comparador A la salida del 555
A la salida del flip-flop 2.2 Conteste las siguientes pregutas: Cuál es la función del capacitor que se encuentra luego del micrófono? Cuál es la función del potenciómetro? Hay alguna etapa de la cual podría prescindirse en este circuito? cuál? por qué?