Reporte 3 Configuraciones de Amplificador Operacional PDF

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Laboratorio 3: Configuraciones de Amplificador Operacional*Jonathan Rogelio Maldonado Barrios, 201700562,1, **Carlos Gabriel Hernández Sagastume, 201801463,1, ***Josué Emilio López Xoyón, 201807173,1, ****Jonathan Alexander Ardón Alvarez, 201807361,1, *****and Luis Carlos Paniagua Davila, 2017004351...

Description

Laboratorio 3: Configuraciones de Amplificador Operacional* Jonathan Rogelio Maldonado Barrios, 201700562,1, ** Carlos Gabriel Hernández Sagastume, 201801463,1, *** Josué Emilio López Xoyón, 201807173,1, **** Jonathan Alexander Ardón Alvarez, 201807361,1, ***** and Luis Carlos Paniagua Davila, 2017004351, ****** 1

Escuela de Mecánica Eléctrica , Universidad de San Carlos, Guatemala. (Dated: 21 de septiembre de 2021)

Se implemento el amplificador operacional 741 en su configuración de inversor, no inversor, seguidor de voltaje y sumador para obtener el voltaje, corriente y ganancia de manera teórica y experimental, también se desarrollo una calculadora analógica para resolver una ecuación algebraica. Por medio del simulador Multisim y Proteus se desarrollaron los circuitos mientras se variaban las resistencias de entrada y realimentación para obtener los datos experimentales. Se determino que la ganancia teórica y experimental en un amplificador operacional en su configuración inversora difiere en sus resultados debido a que el amplificador se encuentra en modo saturación ya que el corto teórico virtual no se cumple en las entradas inversoras. I. A.

OBJETIVOS Generales

• Implementar el AO 741 para utilizarlo en sus diversas configuraciones: inversor, no inversor,y seguidor de voltaje. B.

Específicos

* Obtener voltaje y corriente utilizando AO en configuracion inversor y no inversor. * Obtener la forma de onda del (Vo ) y sus características de entrada-salida para un AO inversor y no inversor. * Diseñar un amplificador con las indicaciones adjuntas. II.

INTRODUCCIÓN

Un amplificador operacional es un circuito integrado que permite realizar una gran variedad de circuitos electrónicos, están compuestos por una gran cantidad de transistores internamente que permiten controlar corrientes y tensiones, para darle sus características eléctricas. Las configuraciones mas utilizadas son el amplificador inversor y no inversor, el amplificador inversor utiliza la entrada inversora del amplificador operacional como la

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Escuela de Mecánica Eléctrica Jonathan [email protected] *** [email protected] **** [email protected] ***** [email protected] ****** [email protected]

entrada principal mientras la entrada no inversora se conecta a tierra. El amplificador no inversor utiliza la entrada no inversora del amplificador operacional como la entrada principal mientras la entrada inversora está conectada a tierra. Otra configuración muy interesante es la de seguidor de señal, el cual es un circuito amplificador operacional que tiene una ganancia de voltaje de 1, esto significa que el amplificador operacional no proporciona ninguna amplificación a la señal. La razón por la que se llama un seguidor de tensión es porque el voltaje de salida sigue directamente el voltaje de entrada, significando que el voltaje de salida es igual que el voltaje de entrada. En la siguiente práctica se podrá apreciar las características, similitudes y diferencias de cada configuración anteriormente mencionadas III. A.

MARCO TEÓRICO

Amplificador Operacional LM741

El LM741 es un circuito integrado utilizado principalmente como comparador, amplificador o multivibrador, su aplicación sea prácticamente es proporcionar una protección contra sobrecarga en entrada y salida.

Figura 1: Circuito integrado LM741.

**

Los pines del LM741 son: 1. Señal para quitar el offset.

2 2. Señal de entrada inversora. 3. Señal de entrada no inversora. 4. Fuente negativa. 5. Señal para eliminar el offset. 6. Salida del circuito.

Figura 3: Amplificador no Inversor

7. Fuente positiva. 8. No se conecta.

R2 Vo = |(1 + ) R1 Vi 3.

(2)

Amplificador Seguidor de Voltaje

El circuito con amplificador operacional más básico llamado el búfer de tensión, ya que no requiere ningún componente. externo.

1.

Amplificador Inversor

Se caracteriza por poseer la señal de salida inversa a la señal de entrada en polaridad. La señal se aplica en la terminal negativa, conectando a tierra la terminal positiva. La resistencia que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación.

Figura 4: Amplificador Seguidor de voltaje

Vs = Ve IV.

DISEÑO EXPERIMENTAL. A.

Materiales

* Simulador de circuitos. Figura 2: Amplificador Inversor

* Fuente de voltaje DC. * Resistores.

Vs = Vi (1 +

R2 ) R1

* Generador de funciones. (1)

* Amplificador operacional LM741. * Osciloscopio.

2.

Amplificador no Inversor

Se caracteriza por no invertir su señal de salida y presenta una ganancia mayor dependiendo la configuración de sus resistencias. La impedancia de entrada es alta con lo que se garantiza una baja potencia de entrada y la no distorsión de la señal de entrada.

* Multímetro. B.

Magnitudes físicas a medir

* Calcular los voltajes y corrietens de entrada. * Gráficar la señal de onda.

(3)

3 C. 1.

Procedimiento

V.

MATEMÁTICAS

Circuito No.1

1.

Amplificador Inversor

* Se diseño el circuito de la Figura 5 en el simulador Multisim generando una señal de onsa senoidal con una amplitud de 1 V pico (E1 ) a una frecuencia de 100 Hz. * Se utilizo los respectivos valores para cada resistencia Rf = 20k Ω y Rf = 40k Ω, según el circuito correspondiente, y Ri respecto a su tabla. * Se obtuvieron los cálculos correspondientes para determinar el voltaje de salida Vo y el voltaje eficaz.

La ganancia teórica en un Amplificador Inversor es: Av = −

Rf Ri

(4)

Donde: Av = Ganancia teórica. Rf = Resistencia de referencia. Ri = Resistencia de entrada variable. Calculando la ganancia teórica para el Dato No.2 de la Tabla 1, sustituyendo se obtiene: Av = −

20000Ω = −100 200Ω

(5)

Este procedimiento se utilizó para todos los valores de las Tabla 1 y 2. Figura 5

El voltaje de salida en un Amplificador Inversor es: Vo = −

2.

Vi Rf Ri

(6)

Circuito No.2

* Se diseño en el circuito en el simulador Multisim para obtener una señal de onsa senoidal con una amplitud de 1 V pico (E1 ) a una frecuencia de 100 Hz. * Se los respectivos valores a cada resistencia Rf = 40k Ω y Ri respecto a su tabla. * a su tabla * Se obtuvieron los cálculos correspondientes para determinar la ganancia (G), voltaje de salida (Vo ), voltaje eficaz y el diferencial de potencial, tanto de la entrada inversora como la no inversora.

Donde: Vo = Voltaje de salida. Vi = Voltaje de entrada teórica. Rf = Resistencia de referencia. Ri = Resistencia de entrada variable. Calculando el voltaje de salida para el Dato No.2 de la Tabla 1, sustituyendo se obtiene:

Vo = −

(1V P ico)(20000Ω) = −100V P ico 200Ω

(7)

Este procedimiento se utilizo para lo valores de las Tabla 1 y 2. La ganancia experimental en un Amplificador Inversor es: Avexp =

Figura 6

Vo Vi

Donde: Avexp = Ganancia experimental. Vo = Voltaje de salida. Vi = Voltaje de entrada teórica.

(8)

4 Calculando la ganancia experimental para el Dato No. 2 de la tabla 1, sustituyendo se obtiene:

Avexp =

13.84V = 96.11V 0.144V

Donde: Avexp = Ganancia experimental. Vo = Voltaje de salida. Vi = Voltaje de entrada.

(9) Sustituyendo datos de ganancia experimental:

2.

Amplificador No Inversor

Para el voltaje de salida Vo de la configuración no inversora es:

Vo = Vi (

Rf + 1) Ri

13.706 0.03

(17)

A = 453.33

(18)

A=

Este procedimiento se utilizo para lo valores de las Tabla 1 y 2.

Este cálculo se utilizo para todos los valores de la tabla 3.

(10)

Donde: Vo = Voltaje de salida. Vi = Voltaje de entrada. Rf = Resistencia de referencia de 40kΩ Ri = Resistencia de entrada variable según los datos de la Tabla 3 de la práctica.

VI. A.

RESULTADOS

Tabla del Circuito No.1 con Rf = 20k

Tabla 1: Ganancia y Vo Pico teóricas.

Calculando el voltaje de salida: Vo = (1V pico) ∗ (

40kOhm + 1) 100Ohm

Vo = 401V (P ico)

(11)

(12)

El cálculo se utilizó para los siguiente valores correspondidos de la Tabla 3. La ganancia teórica es de :

A=

Rf +1 Ri

(13)

Sustituyendo valores en Rf y Ri :

A=

40000 +1 100

A = 401

(14)

(15)

El cálculo se utilizo para los siguientes valores de la tabla 3. Para un amplificador operacional no inversor, su ganancia experimental es:

Avexp =

Vo Vi

(16)

Figura 7: Teoría Fuente: Elaboración propia.

Tabla 1: Vi y Vo.

5 B.

Tabla del Circuito No.1 con Rf = 40k

Tabla 2: Ganancia y Vo Pico teóricas.

Figura 8: Toma de datos Fuente: Elaboración propia.

Tabla 1: Ganancia, Io y Ed.

Figura 10: Teoría Fuente: Elaboración propia.

Figura 9: Toma de datos Fuente: Elaboración propia.

Tabla 2: Vi y Vo.

6 C.

Tabla del Circuito No.2

Tabla 3 Ganancia Teórica y Vi Experimental

Figura 11: Toma de datos Fuente: Elaboración propia.

Tabla 2: Ganancia, Io y Ed.

Figura 13: Toma de datos del Circuito 2 Fuente: Elaboración propia.

Figura 12: Toma de datos Fuente: Elaboración propia.

Tabla 3 Vo , Ganancia y Ed Experimentales

7 R3 24V

100K

7

U1 R1(1) V=2 V1

R1

3 6 2

R2 100K

741

-24V

4 1 5

100K

R12

R6

24V

400K

24V

300K

U4

7 1

7 1

U2 R4(1) V=1 V2

R4

U4(OP) V=21.7817

3 3 6 2

R5

6 2

100K 4 5

200K 4 5

LM741

-24V

-24V

24V

LM741

R9 200K 24V

BAT1 24V

BAT2

7 1

U3 R7

24V

3 6 2

R8 100K

4 5

100K

-24V

R7(1) V=1 V3

-24V

LM741

Figura 15: Calculadora Analógica Fuente: Elaboración propia.

VII.

Figura 14: Toma de datos del Circuito 2

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

1. En el amplificador operacional inversor se determinó que en la (Ri ), el voltaje entre las entradas inversora y no inversora se reduce hasta llegar a un estado en el cual se alcanza la estabilidad de dicho voltaje.

Fuente: Elaboración propia.

Se puede observar el comportamiento del amplificador operacional configurado como inversor en la Fig 17, cuando la ganancia de entrada es muy alta, el voltaje de salida es igual al voltaje de saturación, lo que da como resultado un recorte en la onda sinusoidal de señal de entrada. 2. En la tabla 2 correspondiente a la toma de datos del circuito 1 con Rf = 40k, amplificador operacional inversor, se observó que cuando el valor de la resistencia Ri se encuentra mas cercano al valor de la resistencia Rf la diferencia de voltaje entre la entrada inversora y la no inversora disminuye hasta un punto en donde se alcanza la estabilidad de dicho voltaje. D.

Circuito 3

Por medio del simulador por software Proteus en la siguiente Figura se presentan un modelo de calculadora analógica realizada con amplificadores operacionales y resistencias.

Las ganancias teórica y la experimental son prácticamente las mismas, pero cabe mencionar que para la ganancia experimental se puede observar que se encuentra positiva mientras que la teórica es negativa, esto sucede debido a que en la toma de voltajes AC el voltímetro no diferencia el desplazamientos de los 180 grados, como se observa en la Figura 19, debido a esto el voltaje en

8 el voltímetro da un signo positivo pero realmente el signo correspondiente de la ganancia es negativo. Cuando la resistencia Ri tiene el mismo valor de la resistencia Rf se logra observar que el voltaje de entrada (Vi) es exactamente igual al voltaje de salida (Vo) y las ganancias también son exactamente iguales, esto debido a que el voltaje se distribuye equitativamente a cada una de las resistencias. 3. En la tabla 1 se puede observar la comparación de datos obtenidos teóricamente y experimental realizados en el simulador multisim utilizando la configuración de amplificador inversor , se puede observar que la ganancia teórica corresponde con la ganancia experimental ,así mismo mediante la variación de los datos de la resistencia Ri, la ganancia puede aumentar significativamente y en caso que Rf=Ri se determina que la ganancia es de una unidad.Así mismo si Rf es algún múltiplo de Ri, la ganancia total es una constante. 4. Se pudo observar que en la tabla 14 los primeros valores de ganancias tienen una diferencia bastante alta comparados con los teóricos, esto se debe a que el A.O. esta operando en su zona de Saturación lo que ocasiona qe no exista un corto virtual entre las entras del amplificador, y como se va aumentando la Ri se puede observar que las ganancia va disminuyendo, y la diferencia de potencias de las Entradas (Ed) se va haciendo mas pequeño hasta llegar a ser despreciable, lo que hace que los cálculos de las ganancias teórica y experimental sean casi iguales. El comportamiento del A.O. configurado como no inversor si se cumple media vez no se encuentre en modo de Saturación, y para eso tenemos que fijarnos bien a la hora de calcular su Ri, para que a la hora de elegir esa resistencia el Amplificador no entre en modo de Saturación. 5. En la Figura 15 se presenta una calculadora analógica por medio de amplificadores operacionales LM741 y resistencias para calcular la operación x = 4(a + 1.5b + 2c). En el amplificador LM741 U1 de la misma figura se presenta una ganancia unitaria que representa el valor de a en la ecuación mencionada con anterioridad. Utilizando una resistencia de realimentación de 300K Ω y una resistencia de entrada de 200K Ω en el amplificador operacional LM741 U2 se obtiene una ganancia de 1.5 que al multiplicarlo con el voltaje de entrada b se obtiene el segundo termino de la ecuación. Seguidamente en el amplificador operacional LM741 U3 se tiene una resistencia de entrada de 100K Ω y una resistencia de realimentación de 200K Ω para obtener una ganancia de 2 que al multiplicarla con el voltaje V3 se obtiene el tercer termino de la ecuación. Debido a que los amplificadores U1-U3 están en modo no inversor por medio de un amplificador

sumador se invierte la señal y se multiplica por su ganancia de voltaje para obtener el valor final de x. En la Figura 20 se presentan los cálculos teóricos realizados para diseñar dicha calculadora. VIII.

RECOMENDACIONES

1. Al medir voltaje en un amplificador operacional con configuración seguidor de voltaje no es conveniente usar un amperímetro para medir corriente de entrada ya que provoca el resultado de la salida debida a la resistencia interna del amperímetro consume potencia y disminuye el resultado de la medición. 2. El amplificador inversor proporciona una salida invertida, mientras que el amplificador no inversor proporciona una salida que está en fase con la señal de entrada. 3. Para la configuración del circuito amplificador inversor se deben elegir valores precisos de las resistencias para obtener un amplio intervalo de ganancias. 4. En la elaboración de una calculadora analógica las multiplicaciones y divisiones pueden realizarse por medio de las ganancias de los amplificadores operacionales, por lo que se recomienda calculas ganas de manera teórica para agilizar el proceso al momento de diseñar dicha calculadora. 5. Si se desea obtener una ganancia bastante alta, se le debe de alimentar con un voltaje alto en sus patas 4 y 7, ya que el Amplificador no puede amplificar un voltaje arriba del que recibe en sus patas de alimentación. IX.

CONCLUSIONES

1. La ganancia tanto teórica como experimental en la configuración inversora, sus resultados son diferentes debido a que el amplificador se encuentra en modo saturación ya que el corto circuito virtual no se cumple en las entradas inversoras del AO. 2. Se demostró que el amplificador operacional en configuración inversor y no inversor la señal de salida será proporcional a la diferencia de potencial entre las entradas. 3. En la configuración del circuito amplificador inversor se determino que la ganancia de salida se da en la relación de las resistencias Rf y Ri que posee el circuito. 4. En una calculadora analógica la ganancia de un amplificador operacional puede utilizarse para multiplicar el voltaje de entrada y obtener una salida amplificada, así así mismo los voltajes de entrada de

9 un amplificador sumador pueden representar una suma algebraica de voltajes.

5. El amplificador Inversor amplifica e invierte una señal 180 grados, su valor de tensión de salida se opone a la fase con respecto a la de la entrada y su valor se obtiene al multiplicar su tensión de la entrada por la ganancia del circuito que se obtiene por la relación entre Rf y Ri, y asi es como se invierte la señal, mientras tanto el no inversor como lo dice su nombre no invierte la tensión de entrada, solo la multiplica por una ganancia que también se estable con la relación de Rf y Ri mas 1. Figura 17: Amplificador inversor con Rf = 40k en simulador Multisim Fuente: Elaboración propia.

ANEXOS A.

Circuito No.1 con Rf = 20k

En la siguiente Figura se presenta un amplificador inversor con Rf = 20k Ω.

C.

Circuito No.2

Figura 16: Amplificador inversor con Rf = 20k en simulador Multisim

Figura 18: Amplificador No inversor con Rf = 40k en simulador Multisim

Fuente: Elaboración propia.

Fuente: Elaboración propia.

D. B.

Circuito No.3

Circuito No.1 con Rf = 40k

En la siguiente Figura se presenta un amplificador inversor con Rf = 40k Ω.

En la siguiente Figura se detallan los datos teóricos utilizados para el diseño de la la calculadora analógica por medio de amplificadores operacionales LM741 y resistencias.

10

Figura 19: Datos Teóricos Calculadora Analógica Fuente: Elaboración propia.

Figura 20: Desplazamiento 180◦ entre Voltaje de salida y Voltaje de entrada Fuente: Elaboración propia.

[1] ACADENAS Como diseñar Mezclador de audio con OPAMPs (Clase 65) 20 de septiembre de 2021 de: https: //www.youtube.com/watch?v=UEDkt36-Q8I&t=56s [2] Anónimo Electrónica Unicrom 17 de septiembre de 2021 de: https://unicrom.com/ inversor-con-amplificador-operacional/ [3] Robert L. Boylestad.& Louis Nashelsky (Décima Edición). (2009). Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos elec-

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