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Amplificadores operacionales...

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DESARROLLO 1.

AMPLIFICADORES OPERACIONAL SEGUIDOR DE VOLTAJE 1.1.

Definición y generalidades

El seguidor de tensión es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada, independientemente de la carga que se le acopla, que es tanto como decir, independientemente de la intensidad que se demande. Esta aplicación es importante en la amplificación de señales que teniendo un buen nivel de tensión son de muy baja potencia y por tanto se atenuarían en el caso de conectarlas a amplificadores de mediana o baja impedancia de entrada. El seguidor de voltaje por su características es considerado un amplificador tipo buffer o de ganancia unitaria, ya que es un circuito basado en el amplificador operacional el cual tiene, una ganancia de voltaje igual a uno (ganancia unitaria), no obstante, esta característica es lo que lo hacer ser una configuración muy sencilla.[ CITATION Car20 \l 8202 ]

a) Valor de la corriente Las características del circuito, de una forma matemática, se pueden expresar de la siguiente manera:

I1 = 0; I2 = 0

b) Valor del voltaje de entrada y salida La tensión en el pin inversor es igual que la tensión en el terminal no inversor: Vi = Vo Por lo tanto, el voltaje de salida esta expresado de la siguiente manera: Vo = Vi c) Formula de la ganancia La ganancia de voltaje es unitaria, y se expresa de la siguiente manera:

Av =

Vo =1 Vi

Finalmente, recordemos que la impedancia de entrada es muy alta, tomando casi valores infinitos; valores que se acercan a los mega ohmios. Mientras tanto, la impedancia de salida es poca o nula.

1.2.

Funcionamiento del seguidor de voltaje

La tensión de salida seguirá la tensión de entrada; es decir, la señal de salida será igual que la señal de entrada. La utilidad de esta configuración se debe directamente a la impedancia de entrada (Ze) y a la impedancia de salida (Zo). Gracias a la alta impedancia de entrada, se proporciona un efecto de aislamiento en la salida, respecto a la señal de entrada, de esta manera, elimina todo efecto de “carga”. Además, gracias a estas características, el seguidor de voltaje pide muy poca corriente al circuito que entrega la señal, y aumenta la capacidad de entrega de corriente al circuito que recibe la señal.[ CITATION Car20 \l 8202 ]

1.3.

Características del seguidor de tensión

Algunas de sus principales características son:     

Impedancia alta de entrada, lo que hace posible no tomar corriente de la entrada. Impedancia de salida baja, lo que hace posible evitar efectos de carga. Proporciona ganancia de potencia y de voltaje (Av = 1) No tiene resistencia de realimentación. El valor del voltaje de salida es el mismo que el de entrada.[ CITATION Car20 \l 8202 ] Se puede ver en la figura 3 lo que es un diagrama de conexión y sus valores de resistencias y capacitores de un seguidor de tensión (LM102).

1.4.

Ventajas del seguidor de tensión

Las ventajas del seguidor de tensión, es que estos dibujan muy poca corriente, la señal de salida es la misma que la de entrada, funcionan como amortiguadores de aislamiento y todo lo anterior sin alterar el circuito. Gracias a estas ventajas, es común utilizarlos en los divisores de voltaje.[ CITATION Car20 \l 8202 ]

A continuación, en la figura 4 veremos el ejemplo de un divisor de voltaje, en el cual es aplicado el amplificador seguidor de voltaje.

En esta aplicación, se necesita obtener 7 voltios de una fuente que suministra 14 volts, con el fin de alimentar una resistencia carga (RL) de 330 ohmios. Las resistencias 1 y 2 del divisor de voltaje tienen un valor de 10k ohmios.[ CITATION Car20 \l 8202 ] Cualquier divisor de tensión con las mismas 2 resistencias, es decir, el mismo valor, entrega la mitad de tensión de la fuente de alimentación. Se expresa de la siguiente manera:

DV =

Vi∗R 1 R 1+ R 2

DV =

14∗10 k 10 k +10 k

DV =7 v Por lo tanto, 7 voltios caen en R1 al igual que en R2. Gracias a que la resistencia de carga (RL) está en paralelo con R2, también cae 5v en la resistencia de carga. Aquí lo que se realizó principalmente es amortiguar la salida del circuito, para que la resistencia de carga recibiera el voltaje requerido (7v).

1.5.

Aplicaciones industriales del seguidor de tensión

Los seguidores de voltaje tienen una gran aplicación en los amortiguadores de voltaje para aquellas aplicaciones que consistan en circuitos lógicos como lo podemos ver en la figura 5 y circuitos de muestra y retención.[ CITATION Car20 \l 8202 ] También se utilizan en filtros activos y en circuitos puente mediante un transductor. Se han aplicado los seguidores de voltaje por bastante tiempo en muchos de los puertos paralelos de las computadoras, sobre todo cuando se trabajan con datos de salida y cuando se está trabajando con elementos electromagnéticos como los relevadores El amplificador seguidor de voltaje puede parecer algo inútil al decir que entrega el mismo voltaje que hay de entrada como de salida; sin embargo, funciona muy bien cuando necesitamos eliminar cargas y amortiguar la señal de salida[ CITATION Car20 \l 8202 ] 2.

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION

2.1.

Definición y generalidades

El amplificador de instrumentación es un dispositivo electrónico que está constituido por un amplificador operacional en modo de amplificador diferencial de ganancia controlada.

Este arreglo está diseñado para tener una impedancia elevada y un alto rechazo al modo común (factor de rechazo). En esencia, la operación que realiza es la resta dedos entradas multiplicado por un factor. La ventaja de este amplificador es de su alta impedancia de entrada y el control simplificado de la ganancia.[ CITATION Car20 \l 8202 ] Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114). 2.2.

Funcionamiento del amplificador de instrumentación

Su principio de funcionamiento se basa en el amplificador operacional diferencial, ya que la operación que este amplificador realiza es la resta de las señales de las dos entradas, las cuales multiplica por un factor. Lo anterior nos permite amplificar señales de muy baja potencia. Además, resuelve los problemas de impedancia de entrada del circuito diferencial (la impedancia se vuelve infinita).[ CITATION Car20 \l 8202 ]

El análisis matemático, debes saber que los voltajes de entrada en un amplificador operacional se igualan; por consecuencia, en el amplificador de instrumentación, el voltaje que existe en la entrada inversora es el mismo que en la entrada no inversora. Lo anterior nos permite calcular la corriente que pasa por la resistencia de ganancia (RG) con la diferencia de estos voltajes sobre el valor de esa resistencia.

IG=

V 1−V 2 Rg

Esta misma corriente es la que circulará por las resistencias R1, gracias al alto nivel de impedancia de entrada del amplificador operacional. El voltaje que cae a través de esta rama intermedia de R1 y RG, se expresa de la siguiente manera:

(

V =( V 2−V 1 ) 1+ 2 R 1 Rg

)

Esta expresión define la diferencia de tensión entre la salida inmediata de la primera etapa de amplificadores operacionales, ya que el resto del circuito (segunda etapa) es un restador de ganancia.[ CITATION Car20 \l 8202 ]

2.3.

Etapas del amplificador de instrumentación

a) Primera etapa:

En esta etapa empezamos a definir el inicio de nuestro arreglo, ya que buscamos incrementar la impedancia de entrada. Para ello, requerimos dos seguidores de voltaje, los cuales se conectan a los voltajes de entrada, mientras que su salida se conecta a una carga. En este caso, se realiza el ajuste de incremento de impedancia con un seguidor no inversor en cada entrada. En esta primera etapa, el voltaje a la salida es diferencial en función de Vo=V2 - V1. Ahora lo que necesitamos es controlar la etapa de ganancia, lo cual lograremos cuando coloquemos 3 resistencias.[ CITATION Car20 \l 8202 ]

El voltaje de las entradas inversoras tiene el mismo valor de voltaje que en las entradas no inversora. El voltaje de salida sigue siendo diferencial; sin embargo, se le agrega un valor de ganancia.

b) Segunda etapa: En esta segunda etapa lo único que se requiere es pasar de un voltaje flotante establecido en la primera etapa, a un voltaje con referencia a tierra o GND. Para realizar esta acción solo se requiere un amplificador diferencial, con lo que logramos tener un amplificador de instrumentación completo.[ CITATION Car20 \l 8202 ]

2.4.

Características del amplificador de instrumentación

Sus características principales son las siguientes:        

Baja impedancia de salida. Amplificación diferencial. Alta impedancia de entrada. La ganancia puede ser modificada. Un factor de ruido muy próximo a la unidad. Nivel alto en la razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación. Se puede construir con encapsulados. La impedancia, en casos ideales, tiende a ser infinita.

-Factor de rechazo al modo común (CMRR) Cuando tenemos una igualdad del voltaje inversor y no inversor (V1 = V2) en la configuración de amplificadores operacionales de instrumentación, existe una señal de salida mínima, la cual debería ser cero, si hablamos de términos ideales.

El CMRR es una medida de rechazo proporcionada por la configuración a la entrada de voltaje común. El CMRR se mide en decibeles (db) y se expresa mediante la siguiente ecuación:

CMRR=20 log 10

( AdAs )

Donde Ad es la ganancia diferencial y As es la ganancia en modo común.

+¿ ¿ −¿ V¿ Vo Ad= ¿

As=

Vo Vs

2.5.

Aplicaciones industriales de los amplificadores de instrumentación

Usualmente, los amplificadores de instrumentación se utilizan en muchas situaciones en el mundo de la electrónica y la electricidad, algunos ejemplos son:    

3.

Son parte esencial de las fuentes de alimentación. Tiene una gran aplicación en los electrocardiogramas, ya que permite amplificar señales eléctricas biológicas. En los puentes de Wheatstone se utiliza para acondicionar la salida de estos sistemas. En circuitos eléctricos ayuda a proporcionar alimentación a corriente constante.

INTEGRADORES Y DIFERENCIADORES

3.1.

Definición de integrador

El integrador es un dispositivo que en su salida realiza la operación matemática de integración. La expresión que define el voltaje de salida es la siguiente:

Vo ( t ) =

−1 Vi ( t ) dt + k RC ∫

Un integrador electrónico es una forma de filtro pasa bajo de primer orden que se basa en una red resistencia-condensador, conectados a través de un amplificador operacional. Los hay de dos tipos: el integrador de tensión el cual realiza una integración de una tensión eléctrica, midiendo así un flujo eléctrico total y el integrador de corriente que realiza la integración en el tiempo de una corriente eléctrica, midiendo así una carga eléctrica total. 3.2.

Funcionamiento del integrador

Su principio de funcionamiento se basa en el amplificador operacional inversor (a excepción de la resistencia de retroalimentación) y en la operación matemática de integración. La expresión de la tensión de salida es proporcional a la integral de la señal de entrada, y así mismo es inversamente proporcional a la constante de tiempo, la cual toma el valor de uno. La corriente de entrada se compensa con una de corriente de retroalimentación negativa que fluye a través del condensador, la cual se genera por un voltaje alto de salida del amplificador; por consecuencia, la tensión de salida depende del valor de la corriente de entrada que tiene que compensar. 3.3.

Aplicaciones industriales del integrador

El amplificador operacional integrador se usa principalmente en computadoras analógicas (de hecho, es uno de los componentes esenciales para su funcionamiento). Se utiliza también en convertidores de analógico a digital y circuitos de conformación de onda. Está presente en sistemas de amplificación de carga, aunque en esta última aplicación se construye más a menudo con transistores discretos de ganancia alta. En los últimos años ha tenido un frecuente uso en la física computacional y simulaciones de computadora; algunos ejemplos de esto son los simuladores de vuelo, simulación de circuitos eléctricos y la predicción numérica del clima.

3.4.

Definición de diferenciador

El amplificador derivador es una configuración especial de los OPAM. Este circuito tiene la capacidad de realizar la función matemática de derivación a una señal de entrada, la cual generalmente es de tipo sinusoidal.

Expresión matemática para calcular la señal de salida (Vout).

Vout ( t )=−RC 3.5.

Dvi (t) dt

Funcionamiento de diferenciador

La señal de salida que obtenemos de esta configuración es la derivada respecto al tiempo de la señal de entrada, la señal de salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de entrada. Por ejemplo: Si ingresamos en la entrada una señal triangular, en la salida obtendremos una señal cuadrada, ya que es la derivada de dicha señal triangular. 3.6.

Aplicaciones industriales del diferenciador

Algunas aplicaciones de los diferenciadores son:     

Se usan para las telecomunicaciones Circuitos Lógicos Sistemas moduladores Como componentes de sistemas de sonido Son esenciales para las computadoras análogas...