Práctica 3 Seguidor de voltaje (Buffer) PDF

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practica de elecronica de op-amp TL084, para identificar y utilizar el op-amp como seguidr de voltaje y verificar la diferencia entre tener buffer y sin buffer siendo la aliemntacion del circuito igual en una entrada como en la segunda haciendo visible el corto circuito virtual...

Description

Electrónica II [IEC2704-96]

Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

Práctica 3 Seguidor de voltaje (Buffer) Objetivo Comprender el funcionamiento y la utilidad de un seguidor de voltaje (Buffer o adaptador de impedancias).

Introducción La finalidad de esta práctica es verificar mediante simulación y experimentación el funcionamiento de un seguidor de voltaje, también conocido como amplificador de ganancia unitaria, buffer o adaptador de impedancias. Para ello, se presenta primero la teoría básica y un análisis con la relación entrada-salida del modelo teórico de este circuito. Posteriormente, se proponen tres procedimientos para verificar mediante simulación y experimentación la veracidad de dicho modelo.

Material y equipo utilizado           

Un protoboard y cables de conexión. Un amplificador operacional TL084 o similar. Dos resistencias de 47 Ω (tolerancia de 1%) o valor cercano. Una resistencia de 470 Ω (tolerancia de 1%). Una resistencia de 1 kΩ (tolerancia de 1%). Una resistencia de 10 kΩ (tolerancia de 1%). Una resistencia de 1 MΩ (tolerancia de 1%). Fuente de alimentación dual. Generador de funciones. Osciloscopio. Multímetro digital.

Teoría básica A. Seguidor de voltaje La figura 1a muestra el circuito de un seguidor de voltaje también conocido como: seguidor de fuente, amplificador de ganancia unitario, buffer o adaptador de impedancias. En este circuito, el voltaje de salida, Vo, es igual al voltaje de entrada, Vin, tanto en magnitud como en signo, es decir Vo ≈ Vin. La Figura 1b presenta un esquemático equivalente para obtener la relación Vo / Vin.

Prof. Ernesto Sifuentes de la Hoya

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Seguidor de voltaje

Vn

Circuito para su análisis

+VCC

+VCC

in=0

Vn

Vo

Vd

Vp

Vp

Vd= 0

+ Vin

-

-VEE Vin

R o= 0 Ri =

+ ip=0

-+ AocVd

Vo

+ -VEE

(a)

(b)

Figura 1. Seguidor de voltaje con un op-amp: (a) esquemático simplificado; (b) esquemático que considera al op-amp ideal para simplificar el análisis.

Análisis del circuito (figura 1b): Existen dos premisas: 1) Vin (que puede ser una señal ca o cd) se conecta directamente a la entrada noinversora (+); y, 2) hay retroalimentación negativa, pues Vo está conectada a la entrada inversora (-). Por inspección, el voltaje en las terminales no-inversora (+) e inversora (-), respectivamente, es:

se sabe que,

𝑉p = 𝑉in

(1a)

𝑉n = 𝑉o

(1b)

𝑉o = 𝐴oc𝑉d = 𝐴oc (𝑉p − 𝑉n )

(2)

sustituyendo (1) en (2) y agrupando términos, se tiene: 𝑉o = 𝑉in [

𝐴oc ] 1 + 𝐴oc

(3)

La condición ideal es Aoc → ∞, así la ecuación (3) resulta: 𝑉o ≈ 𝑉in (4) O bien, la ganancia en lazo cerrado ACL “ideal” para para un seguidor de voltaje es la unidad: 𝐴CL =

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𝑉o = 1 𝑉in

(5)

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Procedimiento 1. Analizar mediante simulación la relación Vo/Vin de un circuito seguidor de voltaje (buffer o adaptador de impedancias). a.

Abra el software NI-Multisim e implemente el circuito de la figura 2. La relación Vo /Vin para un seguidor de voltaje es la indicada por la ecuación (5).

b.

Vin proviene de un generador de señal y puede expresarse para una señal senoidal como:

𝑉in = 𝑉p sen (2𝜋𝑓in𝑡) c.

Según la ecuación (4), Vo para este seguidor de voltaje es:

𝑉o = 𝑉in = 𝑉p sen (2𝜋𝑓in𝑡)

Figura 2. Op-amp TL084 como seguidor de voltaje. El voltaje de entrada proviene de un generador de señal y se conecta directamente a la entrada no-inversora (+). La red de retroalimentación negativa consiste en la conexión directa de la terminal de salida Vo a la entrada inversora (-).

d.

Guarde el programa con el siguiente nombre: TL084 como seguidor de voltaje (figura2).

e.

Configure el generador para tener una señal de entrada: 𝑉in = 1 sen (2𝜋100𝑡)

f.

Inicie la simulación y observe el osciloscopio, debe obtener una respuesta similar a la figura 3.

g.

Interprete los resultados obtenidos y describa lo que observa. Sea ampliamente descriptivo en su respuesta.

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Figura 3. Relación Vo/Vin para el circuito seguidor de voltaje (figura 2) a una entrada senoidal de 1 Vp y 100 Hz. Observe que la señal de salida es idéntica a la señal de entrada tanto en amplitud como en fase. A efectos prácticos, esta respuesta corresponde a un amplificador seguidor de voltaje.

2. Analizar mediante simulación el concepto “efecto de carga”. a.

Abra un nuevo programa en NI-Multisim e implemente el circuito de la figura 4a. Vin proviene de un generador de señal con resistencia de salida Ro, se conecta a un multímetro a través de una resistencia de carga RL. Se forma un divisor de voltaje con Ro y RL, por tanto Vo es:

𝑉o = 𝑉in [

𝑅L ] 𝑅o + 𝑅L

(6)

la relación (RL / RL + Ro) es el factor de atenuación o factor de efecto de carga . La condición que se debe cumplir para que dicho efecto no sea significativo es que: RL >> Ro. Así, la ecuación (6) resulta:

𝑉o ≈ 𝑉in b.

(7)

Guarde el programa como: Simulación del efecto de carga

(a) (b) Figura 4. (a) circuito para analizar el efecto de carga, (b) Vo en valor eficaz para una RL = 47 Ω.

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c.

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Configure el generador para tener una señal de entrada: 𝑉in = 1 sen (2𝜋100𝑡)

d.

Inicie la simulación y observe el multímetro, la respuesta debe ser similar a la figura 4b. Recuerde que el multímetro mide el valor eficaz o valor RMS.

e.

Modifique los valores de RL, tal como se muestra en la tabla 1 y complete lo que se le pide.

f.

Interprete los resultados obtenidos y describa lo que observa. Tabla 1. Resultados de la simulación para analizar el efecto de carga en el circuito figura 4a. RL (Ω) 47 470

Vin (V) RMS

1000 10000

707.1 × 10-3

Vo (V) RMS 342.606 × 10-3

Efecto de carga (%) 51.55

1000000

3. Analizar por simulación el efecto de carga, cuando se conecta un seguidor de voltaje entre la fuente y la carga. a.

Abra un nuevo programa en NI-Multisim e implemente el circuito de la figura 5a. El voltaje de entrada Vin, proviene de un generador de señal con una resistencia de salida Ro, se conecta a un seguidor de voltaje y a un multímetro digital a través de RL. Pero ahora se ha incorporado un seguidor de voltaje entra la fuente de señal y el circuito carga.

b.

Guarde el programa como Adaptador de impedancias con un seguidor de voltaje.

c.

Configure el generador para tener una señal de entrada: 𝑉in = 1 𝑠𝑒𝑛 (2𝜋100𝑡)

d.

Inicie la simulación, y observe el multímetro, debe obtener una respuesta similar a la figura 5b. Recuerde que el multímetro mide el valor eficaz o valor RMS.

e.

Modifique los valores de RL, tal como se muestra en la tabla 2 y complete la tabla.

f.

Interprete los resultados y describa lo que observa. Compare estos resultados con los obtenidos en la tabla 1 y describa por qué las diferencias. Tabla 2. Resultados de la simulación para analizar el efecto de carga en el circuito de la figura 5a. RL (Ω) 47 470

Vin (V) RMS

1000 10000

707.1 × 10-3

Vo (V) RMS 707.06 × 10-3

Efecto de carga (%) 0.01

1000000

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(a)

(b) Figura 5. (a) circuito para analizar el efecto de carga cuando se conecta un seguidor de voltaje entre la fuente y la carga, (b) Vo en valor eficaz medido con el multímetro para una RL = 47 Ω.

4. Analizar de forma experimental el efecto de carga con y sin seguidor de voltaje. a.

Implemente en protoboard el circuito de la figura 4a. Utilice RL = 47 Ω.

b.

Configure el multímetro digital para medir voltaje en AC. Recuerde que el multímetro mide el valor eficaz o valor RMS.

c. d.

Configure el generador para tener una señal de entrada: 𝑉in = 1 𝑠𝑒𝑛 (2𝜋100𝑡) Mida Vo y complete la tabla 3 para cada valor propuesto de RL. Si no tiene esos valores de resistencia, utilice valores similares y actualícelos en la tabla.

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Tabla 3. Resultados experimentales para analizar el efecto de carga en los circuitos de las figuras 4a y 5a. Vin (V) RMS

RL (Ω)

Vo (V) RMS

Efecto de carga (%)

Sin seguidor de voltaje (circuito de la Figura 4a) 47 470 707.1 × 10-3

1000 10000 1000000

Con seguidor de voltaje (circuito de la Figura 5a) 47 470 707.1 × 10-3

1000 10000 1000000 e.

Repita el procedimiento anterior (incisos a,b,c y d) para el circuito de la figura 5a.

f.

Analice los resultados obtenidos en la tabla 3 y describa ampliamente lo que observa. Compare los resultados con lo que obtuvo en la simulación.

Preguntas de retroalimentación a.

¿Qué dificultades tuvo para realizar esta práctica?.

b.

¿Cuál es la finalidad de esta práctica?.

c.

¿Cuál es la función del seguidor de voltaje en el circuito de la figura 5a?

d.

¿Cómo describiría con palabras la relación Vo / Vin en un seguidor de voltaje ?. Apoye su respuesta utilizando la ecuación correspondiente.

e.

Para el circuito de la figura 6: i. Mediante análisis de circuitos obtenga la relación Vo / Vin. ii. Utilice la ecuación del inciso (i) para completar la tabla 4. iii. Analice los resultados obtenidos y describa lo que observa. Sea explícito en su respuesta. Tabla 4. Resultados teóricos para analizar el efecto de carga en el circuito 6. Ro (Ω)

R1 (Ω)

R2 (Ω) Vin (V) Vo / Vin = ACL Vo (V) Con seguidor de voltaje (circuito de la Figura 6)

Efecto de carga (%)

100 500 1000

1000

47000

200 × 10-3

47

Sin seguidor de voltaje (circuito de la Figura 6) 100 500 1000

1000

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47000

200 × 10-3

47

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Seguidor de voltaje

Sensor

Ro Vin

Vn

Amplificador no-inversor

+VCC

-

R2

R1

Vd

+ Vp

-VEE

Vn

+VCC

-

Vd Vp

Vo

+ -VEE

Figura 6. Circuito de acondicionamiento de señal para un sensor con alta impedancia de salida.

Conclusiones

Bibliografía [1] Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Operational amplifiers and linear integrated circuits.” Prentice Hall, 2001. [2] Javier Vázquez del Real, “Circuitos electrónicos analógicos, del diseño al experimento.” Marcombo, 2a Edición, ISBN: 9788426722959, (2016). [3] Sergio Franco, “Design with operational amplifiers and analog integrated circuits .” McGraw-Hill Education; 4th Edition, 2014.

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