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UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD NNAACCIIOONNAALL DDEE LLOOJJAA
ÁÁRREEAA DDEE LLAA EENNEERRGGÍÍAA,, LLAASS IINNDDUUSSTTRRIIAASS YY LLOOSS RREECCUURRSSOOSS
NNAATTUURRAALLEESS NNOO RREENNOOVVAABBLLEESS
Ingenieria en Electrónica y Telecomunicaciones
MODULO: III
PARALELO: “A”
TITULO: Generador de Funciones con
Amplificadores Operacionales.
AUTORES: -Martínez Paúl.
- Ordoñez Cristian.
- Quezada Eduardo
- Torres Alexis.
- Villa Diego.
TUTOR: Ing. Yarima Díaz.
2010 - 2011
2
2. ÍNDICE.
CONTENIDOS
1. PRESENTACIÓN...……...………………………………………………………...…1
2. ÍNDICE. ........................................................................................................................ 2
3. RESUMEN. .................................................................................................................. 4
4. INTRODUCCIÓN. ....................................................................................................... 6
5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................................................. 12
6. EVALUACIÓN DEL OBJETO DE INVESTIGACIÓN. .......................................... 29
7. EVALUACIÓN DE LA PROPUESTA INVESTIGATIVA. .................................... 40
8. VALORACIÓN TÉCNICA, ECONÓMICA Y AMBIENTAL. ................................ 46
9. CONCLUSIONES. ..................................................................................................... 49
10. RECOMENDACIONES. ......................................................................................... 51
11. BIBLIOGRAFÍA. ..................................................................................................... 53
12. ANEXOS. ................................................................................................................. 55
3
4
3. RESUMEN.
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4. INTRODUCCIÓN.
4.1. ANTECEDENTES.
Un generador de funciones es un instrumento versátil que genera diferentes formas de
onda cuyas frecuencias son ajustables en un amplio rango. Las salidas más frecuentes
son ondas senoidales, triangulares, cuadradas y diente de sierra. Las frecuencias de estas
ondas pueden ser ajustadas desde una fracción de hertzios hasta varios cientos de
kilohertzios.
Es un instrumento necesario en el laboratorio de electrónica, ya que proporciona
señales de ac ajustables para utilizarlas al operar un amplificador u otros circuitos
lineales, además de sistemas de comunicación.
Este instrumento además brinda la facilidad de variar las señales tanto en frecuencia y
amplitud, generalmente este control se lo realiza de forma analógica, y con varios
dispositivos que vuelven complejo el manejo del mismo, pero en este proyecto
utilizaremos el mencionado ya que no nos compete aun hacerlo de una forma digital.
Los generadores de señales para uso electrónico se clasifican en dos categorías:
generadores de audio y generadores de radiofrecuencia. Los de audio (AF) cubren el
rango de frecuencias desde 0.1 Hz hasta 100 kHz y los de radio frecuencia (RF) el rango
100 kHz hasta 300 MHz o más. El generador que construiremos en este proyecto es del
primer tipo.
La razón que nos motivo para realizar el presente proyecto fue la necesidad de
implementar generadores de funciones en los laboratorios de Electricidad y Electrónica,
ya que con el pasar de los años los equipos existentes han sufrido averías, lo cual no
permiten desarrollar las actividades con normalidad.
Existen varios procedimientos para construir un Generador de Funciones, como son el
caso de la construcción con Circuitos Integrados específicos y la construcción con
Amplificadores Operacionales los cuales tienen grandes diferencias a la hora de
7
funcionar, el circuito que nos presta más ventajas son los construidos con Circuitos
Integrados los cuales presentan menos ruido en las ondas de salida, sin embargo en este
caso, se ha optado por el uso de los Amplificadores Operacionales.
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4.2. MATERIALES PARA LA INSTALACIONES.
Para la fuente de Alimentación:
Transformador reductor de voltaje de tres salidas (12-0-12).
1 Interruptor para encender todo el circuito.
Puente rectificador de onda completa.
2 Condensadores electrolíticos de 3300uF/25V (C1 y C2)
2 Condensadores electrolíticos de 22uF/25V (C3 y C4), para mejorar la calidad
de la salida de ±12V.
3 Conectores de 3 Pines, para la entrada desde el transformador y para las
salidas de las fuentes de alimentación.
2 Diodos 1N4001.
2 Diodos 1N4148.
Reguladores Integrados de Tensión:
LM7812 (salida de +12V)
LM7912 (salida de -12V)
Para el Generador de Funciones:
4 Amplificadores Operacionales TL081.
1 Capacitor Cerámico de 100nF.
6 Diodos 1N4148.
1 Potenciómetro de 100K (R1).
4 Resistencias de 1kΩ (a ¼ watt) (R2, R9, R19, R20).
2 Resistencias de 82Ω (a ¼ watt) (R3, R14).
1 Resistencia de 1MΩ (a ¼ watt) (R4).
1 Resistencia de 120kΩ (a ¼ watt) (R5).
1 Resistencia de 15kΩ (a ¼ watt) (R6).
Potenciómetro de 2kΩ (a ¼ watt) (R7).
1 Resistencia de 68Ω (a ¼ watt) (R8).
2 Resistencias de 120Ω (a ¼ watt) (R10, R13).
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2 Resistencias de 220Ω (a ¼ watt) (R11, R12).
1 Resistencia de 47kΩ (a ¼ watt) (R15).
1 Resistencia de 18kΩ (a ¼ watt) (R16).
1 Resistencia de 560Ω (a ¼ watt) (R17).
2 Resistencias de 10kΩ (a ¼ watt) (R18, R22).
1 Resistencia de 9.1kΩ (a ¼ watt) (R21).
1 Resistencia de 5.6kΩ (a ¼ watt) (R23).
1 Potenciómetro para placa (Trimmer) de 1kΩ (R24).
1 Conector de 3 pines para la alimentación del Circuito.
2 Conectores de 2 pines para sacar los potenciómetros desde la placa.
1 Interruptor de 4 Posiciones.
1 Conector de 4 pines para el interruptor.
1 Diodo Led.
Otros materiales:
Cable Gemelo.
1 Placa de baquelita virgen.
1 Multímetro.
Brocas milimétricas.
1 Caja de acrílico.
1 Enchufe.
Papel fotográfico.
Cautín y estaño.
Conectores tipo Banana
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4.3. OBJETIVOS.
OBJETIVO GENERAL:
Implementar un generador de funciones con amplificadores operacionales tres
formas de onda: sinusoidal, triangular y cuadrada.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Comprender el funcionamiento del los componentes del generador de señales.
Aplicar los conocimientos adquiridos en el presente módulo.
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5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
5.1. ELEMENTOS QUE SE EMPLEAN EN LOS DISPOSITIVOS.
5.1.1 ELEMENTOS USADOS EN LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.
Transformador reductor: Dispositivo utilizado reducir el voltaje. Está
formado por dos bobinas acopladas magnéticamente entre sí, más sus
conexiones de entrada y salida.
Puente de Diodos: Su construcción se basa en la unión PN siendo su
principal aplicación como rectificadores. Este tipo de diodos (normalmente
de silicio) soportan elevadas temperaturas (hasta 200ºC en la unión), siendo su
resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa muy pequeña.
Regulador de voltaje: Es un equipo eléctrico que acepta una tensión de voltaje
variable a la entrada, dentro de un parámetro predeterminado y mantiene a la
salida una tensión constante. Un regulador tiene como función mantener la
Fig. 2. Rectificador.
Fig. 1. Transformador.
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tensión de salida “Vo” en un valor predeterminado, sobre el rango esperado de
corriente de carga, independientemente de las variaciones de la corriente de la
carga, la tensión de entrada al regulador Vi.
Condensador: es un componente pasivo que almacena energía eléctrica. Está
formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total
(esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a
la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separados por un
material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el
campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a
una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica,
positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total
almacenada).
Fig. 3. Regulador de Voltaje.
Fig. 4. Tipos de Condensadores.
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Diodos Rectificadores: Un diodo rectificador es uno de los dispositivos de la
familia de los diodos más sencillos. Su nombre procede de su aplicación, la cual
consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna.
Si se aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los semi-ciclos
positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la
corriente eléctrica. Pero durante los semi-ciclos negativos, el diodo se polariza
de manera inversa; con ello, evita el paso de la corriente en tal sentido.
Durante la fabricación de los diodos rectificadores, se consideran tres factores: la
frecuencia máxima en que realizan correctamente su función, la corriente
máxima en que pueden conducir en sentido directo y las tensiones directa e
inversa máximas que soportarán.
Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, es en las fuentes de
alimentación; aquí, convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente
directa.
Diodos de Señal.- Este tipo de diodo es construido en germanio y se utiliza para
la detección de pequeñas señales, o señales débiles, por lo que trabaja con
pequeñas corrientes. La tensión Umbral, o tensión a partir de la cual el diodo,
polarizado directamente, comienza a conducir, suele ser inferior a la del diodo
rectificador. O sea el voltaje de umbral es aproximadamente 0,3 voltios.
Fig. 5. Diodo Rectificador.
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5.1.2. ELEMENTOS USADOS EN EL GENERADOR DE SEÑALES.
Amplificadores Operacionales.- Un amplificador operacional (comúnmente
abreviado A.O. u op-amp), es un circuito electrónico (normalmente se presenta
como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la
diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):
Vout = G·(V+ − V−) . Se caracteriza por ser un circuito de muy alta ganancia,
impedancia de entrada elevada e impedancia de salida baja.
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un
ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de
respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita
también se dice que las corrientes de entrada son cero.
Fig. 6. Diodo de Señal.
Fig. 7. Amplificadores Operacionales de 8 Pines: Símbolo y Vista Real.
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Potenciómetro: se aplican en circuitos donde la variación de resistencia la
efectúa el usuario desde el exterior. Los potenciómetros, éstos se conectan en
paralelo al circuito y se comporta como un divisor de voltaje.
Resistencia: Se denomina resistor o resistencia al componente electrónico
diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos
de un circuito. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., las
resistencias se emplean para producir calor aprovechando el efecto Joule. Entre
los técnicos es frecuente utilizar el término resistor por ser más preciso que
resistencia.
La corriente máxima en un resistor viene condicionada por la máxima potencia
que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a
partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más
corrientes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.
LED (diodo emisor de luz): Es un dispositivo semiconductor que emite luz
incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión
Fig. 9. Resistencia.
Fig. 8. Potenciómetros.
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PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una
forma de electroluminiscencia. El color, depende del material semiconductor
empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta,
pasando por el visible, hasta el infrarrojo.
Los componentes restantes, tales como los capacitores y los diodos de señal, ya
han sido descritos anteriormente.
Fig. 10. LED.
18
5.2. FUNCIONAMIENTO INTERNO DE LOS EQUIPOS.
5.2.1. FUNCIONAMIENTO INTERNO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.
El funcionamiento interno de una fuente de alimentación ya ha sido estudiado
encontrado y comprendido anteriormente, por lo que en esta ocasión nos centraremos
más en la descripción del funcionamiento interno del generador de señales.
5.2.2. FUNCIONAMIENTO INTERNO DEL GENERADOR DE SEÑALES.
Por medio de un circuito asociado determinado, el amplificador operacional se puede
utilizar como:
Amplificador inversor
Amplificador no inversor
Sumador
Separador
Integrador
Diferenciador
Oscilador, etc.
En este caso, usaremos el Amplificador Operacional como oscilador de onda cuadrada,
para ello nos valemos del circuito de la Fig. 11. que entrega una señal de forma de onda
cuadrada en su salida.
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.
Como la ganancia del Amplificador Operacional es muy alta, una pequeña diferencia de
tensión entre los puntos A y B lleva a la salida al nivel de VCC ó -VEE; por tanto la
salida tendrá un estado de saturación.
Por ejemplo, si VA>VB, entonces Vo = -VEE (Vo = Tensión de Salida); si VA<VB,
entonces Vo = +VCC.
Si suponemos que la salida del circuito de la Fig. 11. está en estado alto (Vo = VCC), en
esas condiciones, como li = 0 debido a la alta impedancia del A.O. se tiene que:
𝐼1 = 𝑉𝐶𝐶
𝑅1 + 𝑅2
Luego, la tensión en el punto B (entrada positiva del A.O.) será:
𝑉𝐵 = 𝐼1 𝑥 𝑅2
Fig. 11. Amplificador Operacional configurado como
Oscilador de Onda Cuadrada.
20
𝑉𝐵 = 𝑉𝐶𝐶
𝑅1 + 𝑅2 𝑅2
Es decir, en el primer instante de análisis, el capacitor C está descargado por lo cual:
VA = 0 y 𝑉𝐵 = 𝑉𝐶𝐶
𝑅1+𝑅2 𝑅2
Por lo tanto VA < VB, lo que justifica que la salida esté en estado alto (Vo= +VCC). En
esas condiciones el capacitor se carga desde VCC a través de R1.
La tensión que adquiere el capacitor con el transcurso del tiempo es:
𝑉′𝐴 = 𝑉𝐶𝐶 ∗ 1 − 𝑒−(𝑡
𝑅𝑥𝐶)
Cuando la tensión sobre el capacitor supera la tensión del punto B se cumple que VA >
VB y la salida cambia de estado, es decir, Vo = -VEE.
En ese momento la tensión en el punto B es negativa ya que:
𝑉𝐵 = −𝑉𝐸𝐸
𝑅1𝑥𝑅2 ∗ 𝑅2
Fig. 12. Carga del Capacitor.
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Por esto, cambia de signo la tensión de carga del capacitor, razón por la cual el capacitor
se descarga hasta que VA = 0 cargándose luego con una tensión negativa respecto a
tierra.
Esta situación se repite cíclicamente, lo que permite tener una señal de onda cuadrada
en la salida de operacional y una señal triangular o diente de sierra en el punto A. El
período de carga y descarga de C puede variarse a través de R; es decir, si R es variable
se tendrá señales de frecuencia variable a voluntad del operador.
Se puede demostrar que en el entorno de "0" volt de la señal diente de sierra, la tensión
crece o decrece casi en forma lineal, por lo tanto si hacemos que el operacional cambie
de estado para tensiones próximas a cero volt, en el punto A tendré una señal triangular
de bajo nivel.
Para tener una señal triangular casi perfecta, se debe considerar:
𝑅2 ≪ 𝑅1
Fig. 13. Descarga del Capacitor.
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Con lo que el valor de 𝑅2 debe ser máximo el valor de 𝑅1
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Luego, haciendo cálculos matemáticos es fácil deducir que el punto B oscilará entre dos
valores con crecimiento lineal (onda triangular), estos valores son:
𝑉𝐵 =𝑉𝐶𝐶
11 y 𝑉′𝐵 =
−𝑉𝐸𝐸
11
Con esta consideración, el oscilador de la Fig. 11. entregará señales de forma de onda
cuadrada y triangular, pero como la señal triangular es de menor amplitud, se la
amplifica por medio de un A.O. dispuesto en Configuración No Inversor según
muestra la Fig. 14.
.
La ganancia del segundo amplificador operacional (Vo2) de esa figura se calcula:
𝑉02
𝑉𝐴=
−𝑅3
𝑅4
Entonces debemos encontrar una relación (R3/R4) adecuada para que la amplitud de la
onda triangular sea igual a la amplitud de la señal de onda cuadrada.
Fig. 14. Generación de Onda Triangular.
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Para generar una señal de forma de onda senoidal se utiliza un conformador de onda
que es una matriz formada por diodos y resistencias como muestra la Fig. 15.
Esta de diodos matriz transforma la onda triangular en onda senoidal, ya que reduce la
pendiente de la señal diente de sierra a medida que aumenta su amplitud., esta señal
obtenida se aplica a un A.O. implementando como amplificador no inversor de corriente
continua.
En realidad, la forma de onda resultante senoidal puede considerarse como una serie de
tramos rectos que cambian de pendiente cada cuarto de ciclo. R19, P2 y R20 forman un
divisor resistivo para que la señal triangular a conformar tenga la amplitud necesaria
con el objeto de tener una onda senoidal con un contenido armónico inferior al 3%.
Fig. 15. Generación de Onda Senoidal
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Así, tenemos un generador de onda cuadrada, rectangular y senoidal de amplitud
constante aproximadamente igual a (VCC + VEE) y frecuencia variable
dependiente de la carga y descarga de C a través de R.
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5.3. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LOS EQUIPOS.
En el desarrollo del proyecto, se siguió el siguiente procedimiento:
5.3.1. DEL CIRCUITO EN EL PROTOBOARD.
Primeramente, se realizó las simulaciones correspondientes de los circuitos a
implementar en el programa Multisim 10.1, para obtener simular del correcto
funcionamiento de éstos.
Luego, se dispuso la colocación de los elementos uno a uno en el Protoboard,
cerciorándonos de hacer las conexiones correctas; en esta ocasión, solo se realizo la
implementación de las fuentes de alimentación para comprobar el correcto
funcionamiento; y una vez que se observó que se presentaban valores permisibles, se
procedió a pasar a la placa el circuito de la fuente de alimentación.
No se realizó el armado del Generador de Funciones en el Protoboard, debido a que éste
no responde adecuadamente a altas frecuencias, por lo que se lo pasó directamente a la
placa para luego ser armado y probado.
5.3.2. DEL CIRCUITO EN LA PLACA.
Se recortó la placa de baquelita virgen en tamaños adecuados para pasar los PCB’s a la
placa; luego se los preparó adecuadamente; y se realizó el planchado del papel
fotográfico por un intervalo de 4-5 minutos, para que el circuito quede marcado
correctamente en la placa.
Luego se procedió a preparar el ácido para quemar las placas, colocando el ácido y el
agua en proporciones adecuadas.
Luego se sumergió las placas de baquelita en la solución antes preparada, para eliminar
el cobre innecesario, y se las dejó sumergidas por un tiempo aproximado de 2 horas.
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Después se procedió a realizar la perforación de las placas para poder colocar cada uno
de los componentes en sus respectivos lugares y luego soldarlos.
Luego de tener todos los componentes soldados, se procedió a comunicar la placa de
alimentación con el circuito del generador de funciones y realizar las pruebas
correspondientes.
Fig. 16. Componentes Soldados en las Placas
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Una vez comprobado completamente, se lo ensambló dentro del chasis y se finalizó con
su construcción.
Fig. 17. Circuito listo para pruebas.
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6. EVALUACIÓN DEL OBJETO DE INVESTIGACIÓN.
6.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS.
TRANSFORMADOR.
Es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un
circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia
que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin
pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan
un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de
un cierto nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio
de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de
material conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general enrolladas
alrededor de un mismo núcleo de material ferro magnético. La única conexión
entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el
núcleo. Se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética y están
constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un
núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se
denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del
sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más
devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión
que el secundario.
La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre
el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere
decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado
primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es
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directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np)
y secundario (Ns) .
La razón de la transformación (m) del voltaje entre el bobinado primario y el
bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si
el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario
habrá el triple de tensión.
Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es
la tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en
el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado
secundario ó corriente de salida.
PUENTE DE DIODOS
Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades
que les diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer
estas, pues los libros de características y las necesidades de diseño así lo
requieren. En estos apuntes aparecerán las más importantes desde el punto
de vista práctico.
Valores nominales de tensión:
VF = Tensión directa en los extremos del diodo en conducción.
VR = Tensión inversa en los extremos del diodo en polarización inversa.
VRSM = Tensión inversa de pico no repetitiva.
VRRM = Tensión inversa de pico repetitiva.
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VRWM = Tensión inversa de cresta de funcionamiento.
Valores nominales de corriente:
IF = Corriente directa.
IR = Corriente inversa.
IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo.
IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente
eficaz que el diodo es capaz de soportar.
IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva.
Fig. 18. Valores nominales de Voltaje en un Diodo.
Fig. 19. Valores nominales de Corriente en un Diodo.
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AV= Average(promedio) RMS= Root Mean Square (raíz de la media
cuadrática)
Valores nominales de temperatura
Tstg = Indica los valores máximos y mínimos de la temperatura de
almacenamiento.
Tj = Valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los
semiconductores.
CAPACITORES
La capacidad depende de las características físicas del condensador:
Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad
aumenta.
Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad.
El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también
afecta la capacidad.
Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada
Dieléctrico o aislante
Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente, y su
función es aumentar la capacitancia del capacitor.
Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tienen diferentes
grados de permitividad (diferente capacidad para el establecimiento de un
campo eléctrico
Mientras mayor sea la permitividad, mayor es la capacidad del condensador.
La capacitancia de un condensador está dada por la fórmula: C = Er x A / d
donde:
- C = capacidad
- Er = permitividad
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- A = área entre placas
- d = separación entre las placas
La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el miliFaradio
(mF), microFaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio (pF). Las
principales características eléctricas de un condensador son su capacidad o
capacitancia y su máxima tensión entre placas.
REGULADORES DE VOLTAJE.
Las características que ésta posee a pesar de lo simple de su diseño.
Comencemos por la regulación de línea, que es un parámetro que establece cuánto
varía la tensión de salida frente a variaciones en la tensión de entrada. Es posible
comprobar que para un cambio de 20 voltios a la entrada se produce una variación
de sólo 4 milésimas de voltio a la salida, con lo cual, podemos suponerla inmune a
los cambios de tensión de entrada.
Otro parámetro importante es la denominada regulación de carga, que indica cuánto
varía la tensión de salida cuando la corriente varía de un mínimo al máximo.
También es vital el denominado rechazo al rizo. Este valor indica cuántas veces
más chico es el valor de la tensión de rizado a la salida con respecto a la entrada.
Con el capacitor de salida se obtienen valores típicos de 75 dB. Esto implica que la
tensión de rizado a la salida es 5000 veces menor que a la entrada. Esta
característica posibilita la disminución de la capacidad de C, con la reducción de
costo y tamaño que esto trae aparejado.
REGULADORES FIJOS UTILIZADOS
Serie Tensión de salida
LM7812 12 Voltios
LM7905 -12 Voltios
AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
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Uno de los factores que más ha contribuido al éxito de los amplificadores
operacionales es su versatilidad. Se trata de un circuito de propósito general que
puede emplearse en multitud de aplicaciones. Por si fuera poco, los modelos
necesarios para analizar su comportamiento son muy sencillos, y en la gran mayoría
de los casos, puede asumirse un comportamiento ideal.
Será precisamente este comportamiento ideal el primer punto que se tratará en el
siguiente apartado. Posteriormente se explicarán los diversos modos de operación,
para finalizar el tema con unos sencillos circuitos de aplicación.
El amplificador operacional es realmente un circuito complejo formado por
muchos transistores y otros componentes en un solo circuito integrado. El esquema
funcional de un amplificador operacional puede verse en la siguiente figura:
El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica
levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que
se amplifica el modo diferencial de las señales, mientras que el modo común se
rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia intermedia, en la que
se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia
total es muy elevada, típicamente del orden de 105. Finalmente, en la última etapa
no se amplifica la tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades.
Fig. 20. Esquema funcional del amplificador operacional
35
Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una fuente de
alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se emplean dos
fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo se permite que
la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de salida nunca podrá
superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el
operacional está formado por componentes no generadores.
Una vez realizada esta presentación, hay que aclarar que en la mayoría de los casos,
es posible conocer el comportamiento de un circuito en el que se inserta un
operacional sin tener en cuenta su estructura interna. Para ello vamos a definir,
como siempre, un componente ideal que nos permita una primera aproximación. Y
también como es habitual, los cálculos rigurosos necesitarán de modelos más
complejos, para los que sí es necesario estudiarlo más profundamente.
El símbolo del amplificador operacional junto al equivalente ideal del amplificador
operacional; es el que se muestra en la siguiente figura:.
El operacional tiene cinco terminales:
Entrada no inversora (V+)
Entrada inversora (V-)
Alimentación positiva (ECC)
Alimentación negativa (-ECC)
Salida (VOUT)
Fig. 21. Representación del amplificador operacional ideal
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A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que, no
afectan al funcionamiento. La representación circuital está formada por una
resistencia de entrada, que une los dos terminales, y un generador de tensión de
salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las entradas.
Las características más relevantes del amplificador operacional son:
Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M.
Ganancia muy elevada: Mayor que 105.
Las consecuencias que se derivan de estas características son:
La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan
elevada, la corriente que circula por los terminales inversor y no inversor
puede despreciarse.
La ganancia puede considerarse infinita.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES UTILIZADOS:
Serie
TL081
RESISTENCIAS.
La característica de una resistencia es producir una caída de tensión que es
proporcional a la corriente que la atraviesa; por la ley de Ohm tenemos que V = IR.
Idealmente, el valor de tal resistencia debería ser constante independientemente del
tiempo, temperatura, corriente y tensión a la que está sometida la resistencia. Pero
esto no es así. Las resistencias actuales, se aproximan mejor a la resistencia "ideal",
pero una cosa es la teoría y otra muy diferente la vida real, en la que los fenómenos
físicos son mucho más complejos e intrincados como para poder describirlos
completamente con una expresión del tipo de la Ley de Ohm.
37
LEDS.
El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas, por la cual, una
tensión externa aplicada a una unión p-n polarizada directamente, excita los
electrones, de manera que son capaces de atravesar la banda de energía que separa
las dos regiones. Si la energía es suficiente los electrones escapan del
materialNenNformaNdeNfotones. Cada material semiconductor tiene unas
determinadas características que y por tanto una longitud de onda de la luz emitida.
A diferencia de las lámparas de incandescencia cuyo funcionamiento es por una
determinada tensión, los Led funcionan por la corriente que los atraviesa. Su
conexión a una fuente de tensión constante debe estar protegida por una resistencia
limitadora. En la siguiente figura se puede apreciar una representación
característica de potencia-intensidad.
DIODOS DE SEÑAL.
Los diodos de tratamiento de señal necesitan algo más de calidad de fabricación
que los rectificadores. Estos diodos están destinados a formar parte de etapas
moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales, etc. Uno de los
puntos más críticos en el diodo, al momento de trabajar con media y alta frecuencia,
se encuentra en la "capacidad de unión", misma que se debe a que en la zona de la
Unión PN se forman dos capas de carga de sentido opuesto que
conforman una capacidad real.
En los diodos de RF (radio frecuencia) se intenta que dicha capacidad sea reducida
a su mínima expresión, lo cual ayudará a que el diodo conserve todas sus
habilidades rectificadoras, incluso cuando trabaje en altas frecuencias. Entre los
diodos más preparados para lidiar con las altas frecuencias destaca el diodo
denominado Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los sesenta por la
firma Hewletty, deriva de los diodos de punta de contacto y de los de unión PN de
los que han heredado el procedimiento de fabricación.
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DIODOS DE SEÑAL UTILIZADOS:
Serie
1N4148
POTENCIÓMETROS
Son resistencias variables, el potenciómetro es un dispositivo que tiene un contacto
móvil que se mueve a lo largo de la superficie de una resistencia de valor total
constante. Este contacto móvil se llama cursor o flecha y divide la resistencia en
dos resistencias cuyos valores son menores y cuya suma tendrá siempre el valor de
la resistencia total.
Los potenciómetros se conectan en paralelo al circuito y se comportan como un
divisor de voltaje.
40
7. EVALUACIÓN DE LA PROPUESTA INVESTIGATIVA.
7.1. CÁLCULOS MATEMÁTICOS.
Cálculo de la Frecuencia de Trabajo.
La frecuencia de trabajo proviene de la frecuencia del Amp. Op. configurado como
Oscilador de Onda Cuadrada, y responde a la siguiente fórmula:
𝑓 =1
2 ∗ 𝑅 ∗ 𝐶 ∗ ln 1 +2 ∗ 𝑅2𝑅1
41
7.2. SIMULACIONES.
7.2.1. Simulación Fuente de Alimentación, en Software Isis PROTEUS
V1
AMP=16.97V
FREQ=60Hz
V2
AMP=16.97V
FREQ=60Hz
VI1
VO3
GN
D2
U17812
VI2
VO3
GN
D1
U27912
C13300u
C23300u
AC2
AC1
BR1
S04
Volts
-12.1
C322u
C422u
Volts
+3.11
Fig. 22. Simulación de la Fuente de Alimentación.
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7.2.2. Simulación Generador de Señales, en Software MULTISIM.
Fig. 23. Simulación del Generador de Señales.
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7.3. MODELOS.
7.3.1. PCB’s TRAZADOS EN PCB WIZARD.
7.3.2. VISTA REAL DE LA PLACA.
Fig. 24. PCB Fuente de Alimentación.
Fig. 25. PCB Generador de Señales.
Fig. 26. Vista Real Fuente de Alimentación.
44
Fig. 27. Vista Real Generador de Señales.
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8. VALORACIÓN TÉCNICA, ECONÓMICA Y
AMBIENTAL.
Para la realización de nuestro proyecto, hemos realizado la siguiente valoración técnica,
económica y ambiental; como parte de la valoración técnica, podemos decir que en el
desarrollo del proyecto, se nos han presentado varios inconvenientes, como desperfectos
de algunos componentes, o deterioro de los mismos durante el proceso de soldado a la
placa, y, por la calidad de los componentes, no se puedo obtener las medidas calculadas
teóricamente en las salidas; como parte de la valoración económica podemos decir que
la adquisición de los materiales utilizados ha representado una inversión económica de
nuestra parte, y ha sido un poco dificultosa debido a que, estos elementos no se los
encontró directamente, sino que se debió recorrer algunos locales de venta de estos tipos
de dispositivos; y como parte de la valoración ambiental podemos decir que en el
desarrollo del proyecto, nos hemos esforzado en lo posible por no arrojar agentes
contaminantes hacia el medio ambiente.
MATERIALES UTILIZADOS
Descripción Cantidad Costo Unitario Total
Transformador reductor de voltaje de tres salidas (12-0-12) 1 $6.00 $ 6.00
Puente de Diodos 1 $0.15 $0.15
Condensador E.de 3300uf/25V 2 $ 0.40 $ 0.80
Diodo 1N4001 2 $0.05 $0.10
Diodo 1N4148 8 $0.05 $0.40
Regulador LM7812 1 $ 0.35 $ 0.35
Regulador LM7912 1 $ 0.35 $ 0.35
Condensador E.de 22uf/25V 2 $ 0.20 $ 0.40
Conector de 3 pines para placa 4 $0.20 $0.80
Condensador Cerámico de 0,1uf 1 $ 0.10 $ 0,10
Amplificador Operacional TL081 4 $0.45 $1.80
Resistencia de 68Ω 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 82Ω 2 $ 0.05 $ 0.10
Resistencia de 120Ω 2 $ 0.05 $ 0.10
Resistencia de 220Ω 2 $ 0.05 $ 0.10
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Resistencia de 560Ω 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 1kΩ 4 $ 0.05 $ 0.20
Resistencia de 5.6kΩ 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 9.1kΩ 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 10kΩ 2 $ 0.05 $ 0.10
Resistencia de 15kΩ 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 18kΩ 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 47kΩ 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 120kΩ 1 $ 0.05 $ 0.05
Resistencia de 1MΩ 1 $ 0.05 $ 0.05
Potenciómetro de 2kΩ 1 $0.20 $0.20
Potenciómetro de 100kΩ 1 $0.35 $0.35
Potenciómetro para placa (Trimmer) de 1kΩ 1 $0.25 $0.25
Diodo LED 1 $ 0.15 $ 0.15
Conector de 2 pines para placa 2 $0.10 $0.20
Conector de 4 pines para placa 1 $0.30 $0.30
Interruptor de 4 posiciones 1 $0.50 $0.50
Placa de Baquelita virgen 1 $4.20 $4.20
Interruptor 1 $0.45 $0.45
Papel fotográfico 1 $0.50 $0.50
Impresiones Láser 2 $0.50 $1.00
Fundita de Percloruro Férrico 3 $0.50 $1.50
Valor total de los materiales utilizados en el circuito → $
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9. CONCLUSIONES.
Las conclusiones a las que llegamos al terminar este trabajo práctico fueron las
siguientes:
Los conocimientos adquiridos dentro del aula de estudio fueron de gran ayuda
para realizar nuestro proyecto, ya que aplicamos lo aprendido sobre el
funcionamiento y el manejo de los amplificadores operacionales.
Durante el desarrollo del proyecto, se realizo la implementación de algunas de las
principales configuraciones de los amplificadores operacionales como son: el
oscilador de onda cuadrada, amplificador no inversor y seguidor de voltaje.
Es necesario conocer el funcionamiento de los principales programas de
simulación de circuitos; para facilitarnos al momento de simular los circuitos
antes de implementarlos.
En la simulación de los circuitos se presentó una diferencia frente a las señales
de salida teóricas y de la misma manera con las señales medidas, de este modo,
nos dimos cuenta de que los programas de simulación son muy precisos y que los
valores teóricos son cercanos a los medidos, debido a que los componentes reales
no funcionan como componentes ideales.
Al realizar este proyecto, además se pudo comprender las características de un
generador de funciones.
En general se puede decir que los objetivos del proyecto se cumplieron, ya que; se
logró implementar el Generador de Funciones, basándonos teórica y
prácticamente en la aplicación de algunas de las configuraciones de los
amplificadores operacionales.
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10. RECOMENDACIONES.
Al concluir este proyecto, se pueden dar las siguientes recomendaciones:
Para realizar la comprobación del funcionamiento de este tipo de circuitos, se lo
debe efectuar directamente en la placa, ya que el protoboard no responde bien a
altas frecuencias y genera mucho ruido.
Al ensamblar los dispositivos en la placa, se lo debe hacer con precisión y
cuidado, ya que; de lo contrario pueden ser sobrecalentados y quemados.
Antes de poner en funcionamiento el circuito se debe comprobar que todas las
conexiones estén efectuadas correctamente, y que exista continuidad en todas las
pistas de la placa, con el fin de evitar que se produzcan desperfectos en el
circuito y/o averías en los componentes.
Hay que tener cuidado al manipular el ácido perclórico porque si es manejado
irresponsablemente puede causar serios daños.
Al taladrar la placa debemos hacerlo de la manera más precisa colocando la
broca de una forma vertical para que el agujero no quede inclinado y no haya
ningún problema al colocar los dispositivos.
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11. BIBLIOGRAFÍA.
LIBROS:
BOYLESTAD, Robert L. NASHELSKY, Louis. ELECTRONICA: Teoría
de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. PEARSON Prentice Hall, Octava
edición.
COUGHLIN, Robert F. DRISCOLL, Frederick F. AMPLIFICADORES
OPERACIONALES Y CIRCUITOOS INTEGRADOS LINEALES.
Prentice Hall Hispanoamérica, Cuarta edición.
PÁGINAS WEB:
http://www.Scribd.com
http://www.Monografias.com
http://www.webelectronica.com.ar/montajes2/nota06.htm
http://www.Mecanique.com
http://www.Datasheetcatalog.com
http://www.Forosdeelectronica.com
http://www.Unicrom.com
http://www.Librospog.Blog.com
http://www.Mcbtec.com
http://www.Baylinear.com
http://www.Microchip.com
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12. ANEXOS.
Fig. 28. Circuito Generador de Señales.
