Facultad de ingeniería, programa de ingeniería mecánica
AMPLIFICADORES OPERACIONALES OPERATIONAL AMPLIFIERS Adárraga Zambrano Alberto D. J. a , Altamar Estrada Carlos M. b , Ballestas Padilla Sergio L. ,c Padilla Edwin. Ld, Romero Harry Harry D.e, Alvarez Navarro Juan C. e , , , , Estudiantes, eDocente
a b cd e
Recibido
; Aceptado
; Publicado en línea
.
Resumen En este laboratorio de practica se dará a entender el uso del amplificadores operacionales y su funcionamiento usando como guía el amplificador operacional LM358 el cual es aplicado mucho en equipos electrónicos debido a sus buenas propiedades y características de trabajo u operación. Para esta experiencia se lleva a c abo diferentes configuraciones más importantes en los amplificadores operacionales los cuales serán: Seguidor de tensión, circuito comparador de tensión (fotoresistencia) el cual es usado en las iluminarias viales, amplificador no inversor y por último el funcionamiento del amplificador diferencial, todo esto con el objetivo de observar el comportamiento de las tensiones de salida en cada circuito realizado, para determina la curva de tensión entrada-salida del amplificador operacional LM358. Palabras claves: claves: Amplificador operacional, seguidor de tensión, amplificador no inversor, fotoresistencia, amplificador diferencial.
Abstract This lab will give you practice in understanding the use of operational amplifiers and their performance using as a guide the LM358 operational amplifier which is widely applied in electronic devices due to their good properties and working characteristics or operation. For this experience takes place different major configurations in operational amplifiers which will: Fan voltage voltage comparator (photoresistor) which is used in road iluminarias circuit non-inverting amplifier and finally the operation of differential amplifier, all with the purpose of observing the behavior of the output voltages for each circuit performed to determine the curve of i nput-output voltage voltage of the operational amplifier LM358.
Keywords:
Operational amplifier, voltage follower, noninverting amplifier, photoresist, differential
amplifier.
1. Introducción Aunque existen algunos amplificadores operacionales para alta potencia, la mayoría son dispositivos de baja potencia con una limitación de potencia máxima menor de un vatio. Algunos OP AMP se diseñan optimizando su ancho de banda, otros para tener una corriente offset de entrada pequeña, otros para tener poco ruido, etc. Por esta razón existe tal variedad de amplificadores operacionales disponibles en el mercado. Los amplificadores operacionales son uno de los componentes activos más básicos en los sistemas analógicos. El amplificador operacional es una unidad electrónica que se comporta como una fuente de tensión controlada por tensión. Puede servir asimismo para producir una fuente de corriente c ontrolada por tensión
o por corriente. Un amplificador operacional puede sumar señales, amplificar una señal, integrarla o diferenciarla. Su capacidad para ejecutar esas operaciones matemáticas matemáticas es la razón por la que se llame así. Un amplificador operacional se diseña para ejecutar algunas operaciones matemáticas cuando componentes externos, como resistores y capacitores, están conectados a sus terminales. Así, Un amplificador operacional es un elemento de circuitos activo diseñado para realizar operaciones matemáticas de suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración. Este elemento consta de un complejo sistema de resistores, transistores, capacitores y diodos.
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER
Figura 1 , Amplificador operacional. Los amplificadores operacionales se venden en paquetes de circuitos integrados de diversas presentaciones. En la figura 1 aparece un empaque usual de amplificador operacional. Uno habitual es el empaque en línea doble (dual in-line package , DIP por sus siglas en inglés) de ocho terminales que se muestra en la figura 2a). La terminal 8 no se usa, y las terminales 1 y 5 son de escaso interés para el objetivo de esta sección. Las cinco terminales importantes son: 1. 2. 3. 4.
La entrada inversora, terminal 2. La entrada no inversora, terminal 3. La salida, terminal 6. El suministro de potencia positivo + , terminal 7. El suministro de potencia negativo V- , terminal 4.
El símbolo de circuitos del amplificador operacional es el triángulo de la figura 2 b; como se advierte en ella, el amplificador operacional tiene dos entradas y una salida. Las entradas se han marcado con los signos menos (-) y más (+) para especificar las entradas inversora y no inversora , respectivamente. Una entrada aplicada a la terminal no inversora aparecerá con la misma polaridad en la salida, mientras que una entrada aplicada a la terminal inversora aparecerá invertida en la salida.
Figura 2 , Representación esquemático de un amplificador operacional: a) configuración de terminales, b) símbolos de circuitos. El modelo de circuito equivalente de un amplificador operacional se presenta en la figura 3. La sección de salida consta de una fuente controlad por tensión en serie con la resistencia de salida Ro. En la figura 3 es evidente que la resistencia de entrada Ri es la resistencia equivalente de Thevenin vista en las terminales de entrada, mientras que la resistencia de salida Ro es la resistencia equivalente de Thevenin vista en la salida. La tensión de entrada diferencial vd está dada por:
Figura 3 , Circuito equivalente de un amplificador operacional. 2
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER
Donde v1 es la tensión entre la terminal inversora y tierra y v2 la tensión entre la terminal no inversora y tierra. El amplificador operacional percibe la diferencia
Pero v1 = v2 = vi. Así la ecuación 4 se convierte en:
entre esas dos entradas, la multiplica por la ganancia A y provoca que la tensión resultante aparezca en la salida. Así, la salida vo está dada por:
A se llama ganancia en tensión de lazo abierto , porque es la ganancia del amplificador operacional sin retroalimentación externa de la salida a la entrada. La aplicación que tiene el amplificador operacional es muy variable dentro de las cuales podemos observar las siguientes:
1.1
Amplificador no inversor
Este amplificador utiliza realimentación negativa para estabilizar la ganancia total de tensión. Con este tipo de configuración también provoca el incremento de la impedancia de entrada y la disminución de la impedancia de salida. En este caso, la tensión de entrada vi se aplica directamente a la terminal de entrada no inversora, y el resistor R1 se conecta entre la tierra y la terminal inversora como lo demuestra la figura 4. Interesan la tensión de salida y la ganancia en tensión. La aplicación de la LCK en la terminal inversora da por resultado:
La ganancia en tensión es Av = VO/VI = 1 = Rf/R1, la c ual no tiene signo negativo. Así, la salida tiene la misma polaridad que la entrada.
1.2
Seguidor de tensión
El seguidor de tensión es el equivalente de un seguidor emisor o amplificador de ganancia unitaria, a causa de que la salida sigue a la entrada. Como se puede observar en la figura el circuito es muy próximo a un ideal porque la realimentación negativa es máxima. Por tanto, toda la tensión de salida se realimenta hacia la entrada inversora, es decir, si el resistor de retroalimentación Rf =0 (cortocircuito) o R1= ∞ (circuito abierto) o ambos, la ganancia se convierte en 1. En estas condiciones (Rf =0 y R1 = ∞), el circuito de la figura 4 se convierte en el que aparece en la figura 5. Debido a la existencia del corto circuito virtual entre las entradas del amplificador operacional, la tensión de salida es igual a la tensión de entrada.
Figura 5 , Seguidor de tensión.
Figura 4 , Amplificador no inversor.
Tal circuito tiene una impedancia de entrada muy alta, y por lo tanto es útil como amplificador de etapa intermedia (o buffer) para aislar un circuito de otro. El 3
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER
seguidor de tensión es un circuito perfecto porque produce una tensión de salida que es exactamente igual a la tensión de entrada(o suficientemente parecidas como para satisfacer casi cualquier aplicación).
1.3
Como un amplificador de diferencia debe rechazar una señal común a las dos entradas, debe tener la propiedad de que vo = 0 cuando v1 = v2. Esta propiedad existe cuando:
Amplificador diferencial
Los amplificadores de diferencia (o diferenciales) se utilizan en varias aplicaciones en las que hay necesidad de amplificar la diferencia entre las señales de entrada, pero rechaza toda señal común a las dos entradas. Considérese el circuito del amplificador operacional que aparece en la figura 6. Téngase en cuenta que corrientes cero entran a las terminales del amplificador operacional. Al aplicar la LCK al nodo a:
Así, cuando el circuito del amplificador operacional es un amplificador de diferencia, la ecuación (12) se convierte en:
Si R2 = R1 y R3 = R4, el amplificador de diferencia se convierte en restador, con la salida:
1.4
Figura 6 , Amplificador operacional.
Comparador con fotoresistencia
Este circuito permite activar o desactivar un diodo led, en este caso a partir de la caída de tensión o viceversa, por medio de la recepción de luz que recibe una fotoresistencia la cual es controlada después por un amplificador operacional en modo comparador.
Figura 7 , circuito comparador con fotoresistencia. Un comparador, a diferencia de las configuraciones vistas anteriormente, es aquel formado por un OP AMP en lazo abierto (sin retroalimentación como muestra la figura 7. Se usa generalmente para 4
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER
comparar un voltaje variable respecto a una referencia constante.
Figura 9, Representación de fotoresistencia [LDR).
1.5
Figura 8, Amplificador comparador. En este caso adquiere importancia como se alimenta el OP AMP, es decir los valores VCC+ o VCC-. El comparador funciona de manera simple. Si el voltaje en la entrada negativa supera al voltaje en la entrada positiva el OPAMP entrega un voltaje de VCC--, es decir, satura a su voltaje mínimo. De la misma forma si el voltaje en la entrada negativa es menor al voltaje en la entrada positiva este satura a VCC+. Esta configuración es muy útil a la hora de querer diferenciar voltajes y marcar aquella diferencia. Una LDR (Light Dependent Resistor), fotoresistencia o fotocelda es un dispositivo electrónico cuya particularidad radica en que su resistencia disminuye debido a la luz que incida sobre este. Su funcionamiento está basado en el efecto fotoeléctrico, si la luz que está incidiendo sobre la fotoresistencia es de la frecuencia lo suficientemente alta, los fotones son absorbidos por el semiconductor entregando la energía suficiente a los electrones para conducir. De manera análoga si esto no se encuentra no se tiene aquella energía y la conducción es más difícil, por ende la resistencia aumente. Las LDR tienen un rango de operación menor a las resistencias, ya que no son de ¼ de watt y su característica semiconductora es fundamental. Por ejemplo, la LDR PGM tiene como máximo 90[mW].
Amplificador inversor
En este circuito, la entrada no inversora se conecta a tierra, vi se conecta a la entrada inversora a través de R1 y el resistor de retroalimentación Rf se conecta entre la entrada inversora y la salida. El objetivo es obtener la relación entre la tensión de entrada vi y la tensión de salida vo. Al aplicar la LCK en el nodo 1;
Pero v1 = v2 = 0 para un amplificador operacional ideal, ya que la terminal no inversora se conecta a tierra. Por lo tanto:
2. Métodos experimentales En el presente laboratorio se utilizaron los siguientes materiales:
5
Amplificador operacional (LM358) Fotoresistencia Resistencias Potenciómetro (100Ω) Diodo LED Multímetro Fuente variable
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER
En la práctica se realizaron 3 configuraciones (seguidor de tensión, amplificador no inversor y comparador con fotoresistencia).
REALES
V in[V] V out [V] V in [V] V out[V]
3. Análisis de resultados y discusiones 3.1
IDEALES
Seguidor de tensión
El montaje de esta configuración en la práctica se llevó a cabo como se muestra en la figura 10.
0,510
0,516
0,500
0,502
1,016
1,014
1,000
1,002
1,523
1,525
1,500
1,502
2,022
2,007
2,000
2,002
2,551
2,555
2,500
2,502
2,998
2,998
3,000
3,002
Tabla 1, Tensiones reales e ideales obtenidas para los voltajes de entrada y salida.
Seguidor de tension 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500
] V [ t u o V
Real Ideal
1,000 0,500
Figura 10, Montaje del circuito seguidor de tensión. 0,000 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500
Luego se procedió a realizar el montaje en el software de MULTISIM para obtener el comportamiento ideal del transistor y de esta manera poder comparar tanto los datos reales con los obtenidos por el software.
V in[V] Figura 12, Curva de amplificador operacional en la configuración seguidor de tensión. De la figura 12, se puede concluir que el comportamiento en configuración seguidor de tensión de un amplificador operacional, el voltaje de entrada y de salida son aproximadamente iguales. Se puede agregar que el amplificador en modo de seguidor de tensión idealmente sería una línea recta pero se puede observar que el LM358 tiene un voltaje de operación máximo del cual no trabajara más sin importar que se le aumente la tensión de entrada.
Figura 11, Circuito seguidor de tensión en MULTISIM. Se tabularon los datos obtenidos en la práctica y en la simulación en la tabla 1, y luego se obtuvo la curva del transistor.
3.2
Amplificador no inversor
El montaje de esta configuración en la práctica se llevó a cabo como se muestra en la figura 13.
6
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER
Amplificador no inversor 3 2,5 2
] V [ t 1,5 u o V
Real
1
0,5 0
Figura 13, Montaje del circuito amplificador no inversor.
0
0,5
1
V in [V]
Luego se procedió a realizar el montaje en el software de MULTISIM para obtener el comportamiento ideal del transistor y de esta manera poder comparar tanto los datos reales con los obtenidos por el software.
Figura 15, Curva de amplificador operacional en la configuración amplificador no inversor. Como se puede observar en la figura 15, el comportamiento ideal con el real es muy próximo hasta el rango máximo de voltaje a la cual trabaja el amplificador LM358. Además se puede concluir de la tabla 2, que existe una relación 1:2 entre el voltaje de entrada y de salida, esto se debe a la ganancia que hay en el sistema. =1+
Figura 14, Circuito amplificador no inversor en MULTISIM.
3.3
=1+
1000 1000
=2
Comparador con fotoresistencia
Se tabularon los datos obtenidos en la práctica y en la simulación en la tabla 2, y luego se obtuvo la curva del transistor.
REALES V in[V] V out [V]
REALES V in [V]
V out[V]
0,405
0,8
0,400004 0,800008
0,625
1,247
0,600005
1,204
0,843
1,705
0,800007
1,604
1,04
2,08
1
2,004
1,225
2,427
1,2
2,404
Tabla 2, Tensiones reales e ideales obtenidas para los voltajes de entrada y salida.
Figura 16, Montaje del circuito comparador con fotoresistencia. En esta configuración la importancia radica en verificar que una vez se deje de reflejar luz sobre el LDR su resistencia tiende a cero y por ser el circuito de la fotoresistencia un divisor de tensión 7
1,5
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER
3.5
Figura 17, Circuito comparador con fotoresistencia en PROTEUS. Por tanto al ser cero la tensión en la línea 1, el voltaje en la línea 2 donde se ubica el potenciómetro que sirve para graduar la sensibilidad de la fotoresistencia seria de 5V que son los que llegaran al amplificador comparador, es decir;
Amplificador inversor
En este podemos observar como el amplificador en modo inversor altera la tensión de salida debido a la retroalimentación y la división de tensión que se presenta en la línea inversora del amplificador, en este caso se mostrara cómo se comporta el modulo del pulso de la corriente en este circuito en la entrada y salida respectivamente usando el osciloscopio del software PROTEUS.
Es así como el LED se activara indicando que hay paso de voltaje sobre el circuito.
3.4
Amplificador diferencial Figura 19, Pulsación del voltaje AC
4. Conclusión
Figura 18, Circuito amplificador diferencial. Para este circuito se puede demostrar que la simulación corresponde a la teoría dada donde se puede observar que la diferencia entre los voltajes de entrada y la ganancia genera un aumento del voltaje a la salida del amplificador operacional, teniendo en cuenta que R3 y R4 son de la misma equivalencia.
La aplicación de los amplificadores operacionales es de gran importancia para diferentes aplicaciones gracias a su fácil adaptación de trabajo. El amplificador operacional es un componente fundamental de la instrumentación electrónica moderna. Se utiliza extensamente en muchos dispositivos, junto con resistores y otros elementos pasivos incluso han sido de gran utilidad en la aplicación de acondicionamientos de señal para instrumentos de control análogos o digitales. Un amplificador operacional ideal tiene una resistencia de entrada infinita, una resistencia de salida cero y una ganancia infinita, con respecto al amplificador real.
5. Bibliografía [1]
A. P. Malvino y D. J. Bates, Principios de electrnica. McGraw-Hill, 2007.
[2]
C. K. Alexander et al. , Fundamentos de circuitos el ctricos. .
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