Circuito comparador con amplificador operacional - Reporte 3 PDF

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Reporte experimental de la clase análisis de circuitos....

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Reporte 3. Circuito comparador con amplificador operacional Jiménez Murillo Rocío del Carmen, Monjaraz Carrillo Nelly Gabriela y Ramírez Frausto Brenda Karen División de Ciencias e Ingenierías, Universidad de Guanajuato. Loma del Bosque 103, 37150 León Guanajuato, México (Septiembre, 2017)

Resumen Se logró observar cómo funciona un circuito comparador, con luz visible (LED) y cómo se modifica la señal de salida con un generador de funciones

Objetivos Observar el funcionamiento de un amplificador operacional (comparador) con un divisor de voltaje.

Introducción Un amplificador utiliza la energía eléctrica de una fuente de alimentación para aumentar la amplitud de una señal. La cantidad de amplificación proporcionada por un amplificador se mide por su ganancia: la relación entre la salida y la entrada. Los amplificadores son ampliamente utilizados en casi todos los equipos electrónicos. Éstos pueden clasificarse de diferentes maneras, por la frecuencia de la señal electrónica que se amplifica: ● Los amplificadores de audio amplifican las señales en el rango de audio (menos de 20 kHz), ● los amplificadores de RF amplifican frecuencias en el rango de radiofrecuencia entre 20 kHz y 300 GHz

● los amplificadores de servo y amplificadores de instrumentación pueden trabajar con frecuencias muy bajas hasta la corriente directa. El primer dispositivo práctico que pudo amplificar fue el tubo de vacío de triodo, inventado en 1906 por Lee De Forest, que condujo a los primeros amplificadores alrededor de 1912. Los tubos de vacío se utilizaron en casi todos los amplificadores hasta 1960-1970, cuando el transistor, inventado en 1947 , los reemplazó. Hoy en día, la mayoría de los amplificadores utilizan transistores, pero los tubos de vacío siguen siendo utilizados en algunas aplicaciones. Un amplificador operacional consta de un complejo arreglo de transistores, diodos, resistencias y condensadores juntos y construidos sobre un diminuto chip de silicio llamado circuito integrado.

Teoría El amplificador usado en la práctica es TL081. Amplificador operacional con ancho de banda de 3 MHz, alta velocidad, entradas de alta impedancia JFET, entradas de ajuste de offset, bajo consumo de potencia

Fig 1. Diagrama de conexión del circuito integrado TL081

TL081 En un circuito comparador con un amplificador operacional, se determina cuál de dos señales en sus entradas es mayor. Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat). Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia de un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 – V2), donde: ● Vout = tensión de salida ● AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más) ● V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)

Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación negativa o positiva. normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menor que el valor de la fuente (V+ ó V- ) Funcionamiento del comparador Estudiemos el siguiente circuito:

Fig 2. Diagrama de voltajes de entrada y salida del TL081

En este circuito, se alimenta el amplificador operacional con dos tensiones +Vcc = 3V y -Vcc = -3 V. Se conecta la patilla V+ del amplificador a masa (tierra) para que sirva como tensión de referencia, en este caso 0 V. A la entrada V- del amplificador se conecta una fuente de tensión (Vi) variable en el tiempo, en este caso es una tensión sinusoidal. Hay que hacer notar que la tensión de referencia no tiene por qué estar en la entrada V+, también puede conectarse a la patilla V-, en este caso, se conectaría la tensión que queremos comparar con respecto a la tensión de referencia, a la entrada V+ del amplificador operacional. A la salida (Vo) del amplificador operacional puede haber únicamente dos niveles de tensión que son en este caso 15 o -15 (considerando el AOL como ideal, si fuese real las tensiones de salida serían algo menores). Cuando la tensión sinusoidal Vi toma valores positivos, el amplificador operacional se satura a negativo; esto significa que como la tensión es mayor en la entrada V- que en la entrada V+, el amplificador entrega a su salida una tensión negativa de -15 V.

Desarrollo experimental Material: Potenciómetro de 5kΩ, fuente de voltaje, generador de funciones, 2 led´s, cables banana-caimán, protoboard, amplificador TL081 y cables para proto. Procedimiento: De acuerdo a la Fig 3 se armó el circuito en el protoboard, puenteando dos fuentes de 3 V cada una y manteniendo el potenciómetro con resistencia constante de aproximadamente 3kΩ. Comenzamos a variar el voltaje en la fuente para observar cuándo prendía un led, se apagaba y prendía el otro. Registramos los voltajes de cuando pasaba esto. Después el circuito se conectó a un generador de voltaje donde se cambió la frecuencia emitida al igual que las funciones. Se registró lo ocurrido en los led´s.

Fig 3. Circuito comparador con divisor de voltaje y amplificador operacional TL081

Resultados Al conectar el circuito a la fuente de voltaje, se obtuvo que se necesitaba un valor entre 1.85V y 2.43V para lograr encender el led rojo y un valor mayor o igual a 2.44V para lograr encender el led verde.

Fig 4. Circuito entregando un voltaje de 1.85V

Fig 5. Circuito entregando un voltaje de 2.44V

Fig 6. Conexión del circuito con la fuente

F  ig 7. Acercamiento del circuito

Después, al conectar el generador de funciones, se observó que ambos leds prendían periódicamente; al seleccionar la función senoidal, se observaba cómo iba aumentando la intensidad de luz en los led, conforme oscilaba la tensión; con las funciones rizo y cuadrada, el efecto no era tan notorio, sin embargo, seguía oscilando entre el led rojo y el led verde. Al aumentar la frecuencia, era menor el tiempo entre los ciclos, por lo cual ambos led encendían inversa y rápidamente.` Asimismo, al reducir la frecuencia, era mayor el tiempo que transcurría mientras un led encendía y se apagaba el otro. En este punto, la función senoidal se hacía más notoria.

Fig 8. Al aumentar la frecuencia, en el generador de funciones, el voltaje oscilaba muy rápido entre positivo y negativo, haciendo parpadear muy rápido ambos leds.

Conclusiones Utilizando un amplificador operacional para armar un circuito con luz visible (LED´S) y conectándolo a una fuente de voltaje y un generador de funciones se observó el funcionamiento del amplificador haciendo que prendieran los LED´S por separado con la fuente de voltaje y periódicamente con el generador de funciones.

Bibliografía [1] h ttp://www.technologystudent.com/elec1/opamp2.htm [2] h ttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Electronic/opampvar2.html#c2 [3]http://www.dummies.com/education/science/science-electronics/op-amp-circuits-and-circuit-analys is/ [4] h ttp://www.learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers63.php [5] h ttps://en.wikipedia.org/wiki/Amplifier...