control i

Reporte de práctica

27 DE FEBRERO DE 2014

Instituto Tecnológico de Veracruz

3

Nombre del Catedrático:

Ing. Gerardo Antonio Cadena Morales

Materia:

Control I

Semestre:

6to. Sexto

Nombre del Alumno:

Samuel Juárez Ríos

Nombre de la práctica:

Amplificador Operacional en

Lazo abierto

Fecha de entrega:

27 de Febrero de 2014

Samuel Juárez Rios

3

PRÁCTICA

No.

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VERACRUZ

Vo. Bo.

Práctica No. 3

Amplificador Operacional en Lazo Abierto

Objetivo: Comprender el funcionamiento de un amplificador operacional en lazo abierto.

Objetivo específico: simular en PROTEUS el circuito del amplificador en lazo abierto.

Marco teórico:Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O., op-amp u OPAM), es un dispositivo 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−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre. 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.

Antecedentes:Un amplificador operacional (op am) es un circuito integrado usado para amplificar voltajes de entrada de CA y CD. Internamente, los amplificadores operacionales típicos están constituidos por tres bloques fundamentales.

1. Un amplificador diferencial con alta impedancia de entrada amortigua o previene la carga de la fuente de la señal.

2. Un amplificador de alta ganancia eleva la señal de salida del amplificador diferencial.

3. Una baja impedancia o amortiguación de salida, previene la carga de la etapa de ganancia, por una carga externa al circuito.

Investigación preliminar:Si no existe realimentación, la salida del A.O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 V. debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay de alimentación, el A.O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para su uso en comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta

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es la aplicada a la patilla + la salida será Vs+, mientras que si la tensión más alta es la del pin – la salida será alimentación Vs.

Básicamente el A.O. es un dispositivo amplificador de la diferencia de sus dos entradas, con una alta ganancia, una impedancia de entrada muy alta, (mayor a 1 mega ohm) y una baja impedancia de salida (de 8 a 20 ohmios).

Con esta característica se deduce que las corrientes de entrada son prácticamente nulas y que tiene la característica de poder entregar corriente relativamente alta (ver datos del fabricante).

Internamente el amplificador Operacional que contiene un gran número de transistores, resistores, capacitores, etc.

Ganancia de voltaje en lazo abierto:Esta ganancia es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no existe ningún camino de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas. La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:

AV = Vsal/Vent

Dónde:

AV = ganancia de tensión Vsal = tensión de salida Vent = tensión de entrada

En un amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. Como el operacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000 (en amplificador operación 741C). Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, en donde lo que se desea es saber cuál de las dos entradas tiene mayor tensión.

Terminales de entrada: En la siguiente figura hay dos terminales de entrada identificadas como – y +. Se denomina terminales de entrada diferencial ya que el voltaje de salida Vo depende de la diferencia de voltaje entre ellas, Ed y la ganancia del amplificador, AOL. Como se muestra en la figura (a) la terminal de salida es positiva en relación con la tierra cuando la entrada (+) es positiva respecto a la entrada (-) o mayor que ésta. Cuando Ed está invertida como la

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figura (b) la entrada (+) es negativa respecto a la entrada negativa (-), o menor que ésta y Vo se vuelve negativo con respeto a la entrada (-).

La polaridad de un voltaje Vo de salida del extremo único depende de la polaridad de un voltaje diferencial de entrada Ed. Si la entrada (+) está arriba de la entrada (-), Ed es positivo y Vo está por encima de la tierra en +Vsat . Si la entrada (+) se encuentra por debajo de la entrada (-), Ed es negativo y Vo se encuentra por debajo de tierra en –Vsat.

DETECTOR NO INVERSOR DE CRUCE POR CERO

El amplificador operacional de la figura de abajo, funciona como comparador. Su entrada (+) contrasta el voltaje Ei con un voltaje de referencia de 0 V (Vref = 0V). Cuando Ei es mayor que Vref, V0 es igual a +Vsat. Esto se debe a que el voltaje en la entrada (+) es más positivo que el voltaje de entrada (-). Por lo tanto, el signo Ed en la ecuación (1.0) es positivo. En consecuencia, V0 es positivo de acuerdo con la ecuación (1.1).

La polaridad de Vo indica si Ei está arriba o debajo de Vref. La transición de Vo señala cuándo Ei cruza la referencia y en qué dirección lo hace. Por ejemplo, cuando Vo cambia de –Vsat a +Vsat indica que Ei acaba de cruzar por cero en la

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Ed = voltaje en la entrada (+) – voltaje en la entrada (-)

Vo = Ed x AOL

Ecuación 1.1

dirección positiva. El circuito de la figura de arriba es, pues, un detector no inversor por cruce de cero.

Simularemos en PROTEUS el circuito Detector no inversor por cruce de cero en el cual pondremos una alimentación de +15 V en la terminal de alimentación positiva +V y -15 V en la entrada de alimentación negativa –V, en la terminal de entrada inversora la conectaremos a tierra (GND) y en la terminal de entrada no inversora (+) un generador de señales. A continuación simularemos y veremos resultados que arroja en el osciloscopio.

SIMULACIÓN EN PROTEUS: CIRCUITO 3A DETECTOR NO INVERSOR DE

CRUCE POR CERO

DETECTOR INVERSOR POR CRUCE DE CERO

La entrada (-) del amplificador operacional de la figura de abajo, compara Ei con un voltaje de referencia de 0 V (Vref = 0 V). Este circuito es un detector inversor de cruce por cero. Las normas de onda de Vo en función del tiempo y Vo en función de tiempo y Vo en función Ei pueden explicarse mediante el siguiente resumen:

Si Ei está por encima de Vref. Vo es igual a –Vsat.

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Cuando Ei cruza la referencia y pasa por positivo, Vo realiza una transición hacia lo negativo y pasa de +Vsat a – Vsat.

Resumen: Si la señal o el voltaje que se van a monitorear están conectados a la entrada positiva (+), se obtiene un comparador no inversor, si se encuentran conectados a la entrada (-), se obtiene un comparador inversor.

Cuando Vo = +Vsat la señal se halla por encima de Vref es un comparador no inversor y por debajo de un Vref es un comparador inversor.

Procederemos a simular el circuito antes mencionado conectado de la siguiente manera:Alimentaremos con +15 V en la terminal de alimentación positiva y con -15V en la terminal de alimentación negativa, en la terminal inversora (-) pondremos un generador de señales (invertiremos la señal) y en la terminal no inversora (+) la conectaremos a tierra (GND). Analizaremos por medio del osciloscopio su comportamiento y veremos los resultados que arroja en las señales.

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SIMULACIÓN EN PROTEUS: CIRCUITO 3A DETECTOR INVERSOR DE CRUCE

POR CEROSe realizó la simulación donde se puede observar que este circuito está comparando la señal de entrada con el de salida donde se puede ver que Vo está por debajo de Vref y por lo tanto Vo está por debajo de Vref y este nos indica que es un comparador inversor.

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DETECTOR DE NIVEL DE VOLTAJE POSITIVO Y NEGATIVO

Detectores de nivel NO INVERSOR POSITIVOEn la figura siguiente se aplica un voltaje positivo de referencia, Vref, a una de las terminales del amplificador operacional. Esto quiere decir que el amplificador operacional está conectado como un comparador para registrar el voltaje positivo. Si el voltaje Ei, que se va a detectar, se aplica a la terminal positiva (+) del amplificador operacional, el resultado es un detector no inversor de nivel positivo. Su operación se indica mediante las formas de onda de la figura de abajo a). Cuando Ei está por encima de Vref, Vo es igual a +Vsat. Cuando Ei está por debajo de Vref, Vo es igual a –Vsat.

Si Ei se aplica a la entrada inversora como en la figura de abajo b), el circuito es un detector inversor de nivel positivo. Su operación puede resumirse en la siguiente afirmación:

Cuando Ei es mayor que Vref, Vo es igual a –Vsat. Esta acción del circuito se ve con más claridad si se observa la gráfica de Ei y Vref en función de tiempo.

SIMULACIÓN EN PROTEUS: CIRCUITO 3B DETECTOR DE NIVEL POSITIVO

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Detectores de nivel INVERSOR NEGATIVOEl circuito siguiente es un detector inversor de nivel negativo. Este circuito detecta cuando la señal de entrada Ei es mayor que –Vref, Vo es igual a –Vsat y cuando Ei es mayor que –Vref, Vo es igual a +Vsat.

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Como podemos observar en esta simulación se aprecia cómo se compara la señal de entrada con respecto al de salida, cuando la señal de entrada Ei es mayor que -Vref (v = 0), la señal de salida Vo será igual a –Vsat y cuando la señal de entrada Ei es menor que –Vref, la señal de salida Vo va a ser invertida y en este caso no será V0 = -Vsat, sino que será +Vsat.

CONCLUSIONES:

Como pudimos ver esta práctica se aprendió a utiliza el Amplificador Operacional LM741en otra aplicación llamada “el amplificador operación en lazo abierto” tanto en detector de cruce por cero y detector de nivel de voltaje.

Se vio en estas aplicaciones que el detector de cruce por cero puede ser inverso y no inversor y estos comparan las señales de entrada positiva (+) y negativa (-) para así determinar una señal de salida y determinar si es positiva o negativa, es decir, por ejemplo si la señal de entrada (+) es más positiva que la entrada (-) estas señales se comparan y se determina en Vo como voltaje positivo es decir como la señal de entrada (+) Ei es más positiva que (-), es decir que está por encima de Vref entonces Vo = +Vsat.

En el caso de nivel de voltaje, como su nombre lo indica realiza detecciones positivas cuando Ei sea mayor por encima de Vref y esto dará como resultado un Vo = +Vsat

Samuel Juárez Rios