CIRCUITOS BÁSICOS CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL Luis E. Rodríguez Rodríguez Sierra, Sierra, Ney Mejia, Paulo Paulo Aguilera. Aguilera. Estudiantes de de Tecnología Tecnología en Electrónica Electrónica Industrial, Universidad de Sucre
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I.
RESUMEN
II.
Este informe, está enfocado en el análisis del amplificador operacional y sus circuitos básicos presentados en la guía de laboratorio (amplificador inversor, amplificador no inversor, modulador PWM con comparador no inversor). En el cual se llevó acabo el montaje de cada uno de ellos; de esta manera se observó como era su comportamiento con la variación de la resistencia para diferentes ganancias, de igual forma, se observó cual era el punto de saturación para los circuitos inversor y no inversor. Posteriormente a esto, se hizo un exhaustivo análisis del comportamiento de los circuitos mencionados.
INTRODUCCION
En el ámbito de la electrónica análoga, los amplificadores operacionales son muy importantes, ya que permiten muchas aplicaciones aplicaciones en el mundo real. real. Son dispositivos electrónicos capaces de realizar una gran cantidad de funciones dentro de un circuito electrónico, dependiendo de la como se coloque dentro del mismo; mismo ; además de eso tiene una alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida.
III.
OBJETIVO GENERAL
Palabras claves: amplificador operacional, inversor, no inversor, resistencia, ganancia, comparador.
Abstract This report focuses on the analysis of the operational amplifier and its basic circuits presented in the laboratory guide (inverter amplifier, non-inverter amplifier, PWM modulator with non-inverter comparator). In which the assembly of each of them was carried out; In this way, it was observed how was its behavior with the variation of the resistance for different gains, likewise, it was observed which was the point of saturation for the inverter and noninverter circuits. After this, an exhaustive analysis of the behavior of of the aforementioned aforementioned circuits was was made.
Observar el comportamiento práctico de los amplificadores operacionales y sus circuitos básicos (amplificador inversor, amplificador no inversor, modulador PWM con comparador no inversor).
Objetivos específicos.
Montar los circuitos de la guía en el protoboard. Aplicar al circuito una señal de onda senoidal y diente de sierra, usando el generador de señales. Visualizar en el osciloscopio la forma de onda de entra y salida de circuitos básico con amplificadores operacional. Varias la resistencia de los circuitos y observar su comportamiento. Observar el punto de saturación de los circuitos.
IV.
COMPONENTES
Key words: filters, passes low, passes high, passes band, frequency.
Amplificadores operacionales LM358 y LM324. 1 Resistor de 330 Ω
2 Resistor de 1kΩ
1 Potenciómetro de 50k Ω
V.
INSTRUMENTOS
Cable UTP. Protoboard. Fuente de Voltaje DC. Multímetro. Generador de Señales. Osciloscopio.
VI.
MARCO TEORICO
Amplificador inversor: Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación. [1]
Comparador no inversor: En este comparador la tensión de referencia se aplica a la entrada inversora, y la señal a detectar será aplicada a la entrada no inversora. La tensión de referencia puede ser positiva o negativa.
Si la señal a detectar tenga una tensión superior a la tensión de referencia, la salida será una tensión igual a +Vsat (tensión de saturación positiva). Si la señal de entrada tiene una tensión inferior a la señal de referencia, la salida será igual a -Vsat (tensión de saturación negativa)
VII.
PROCEDIMIENTO
En primer lugar se procedió a calcular el valor las resistencias R para cada una de las ganancias de los circuitos que se pedían. Luego de a ver hallado las resistencias R de cada circuito para cada una de sus ganancias, se procedió a montar los circuitos básicos de los circuitos amplificadores presentadas en la guía de laboratorio
Figura 1. Amplificador inversor
Amplificador no inversor: Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada. [2]
Figura 2. Amplificador no inversor.
Figura 3. Amplificador inversor con una resistencia de carga de 1 KΩ
Resistencia para una ganancia de -5
−5 =
1
= (−5 ∗ −1Ω) = 5Ω = −
5Ω 1Ω
(1,5) = −7,5
1 = 0 − (−1,5) = 7,5
Resistencia para una ganancia de -10 Figura 4. Amplificador no inversor con una resistencia de carga de 1 KΩ
VIII.
CALCULOS
−10 =
1
= (−10 ∗ −1Ω)
Cálculos realizados para el amplificador inversor.
= 10Ω
Resistencia para una ganancia de -0,5
= −
−0,5 =
10Ω 1Ω
1 = 0 − (−1,5) = 15
1
= (−0,5 ∗ 1Ω)
Su ganancia máxima está dada por:
= 500Ω = − = −
(1,5) = −15
500 1 500 1Ω
−12 =
1
= (−12 ∗ 1Ω/1.5) (1,5) = −0,75
= 8Ω
1 = 0 − (−0,75) = 0,75 Cálculos realizados para el amplificador no inversor.
Resistencia para una ganancia de -1
Resistencia para una ganancia de 1.
1 =1+ −1 =
= (−1 ∗ −1Ω) = 1Ω = −
1Ω
1
RF=(1-1)*1K Ω
1
1Ω
= 0Ω 1 = 1 +
(1,5) = −1,5
1 = 0 − (−1,5) = 1,5
1 = 1
0 1Ω
Resistencia para una ganancia de 3. 3 =1+
1
RF= (3-1)*1K Ω
= 2Ω 1 = 1 +
Imágenes del osciloscopio para cada circuito básico con amplificadores operacionales.
2 1Ω
1 = 3
Calcule el valor de VR1 teórico para una ganancia de: 0.5, -1, -5 y -10. Mida y registre gráficamente en la misma pantalla la señal de entrada y la señal de salida para las ganancias: -0.5, -1, -5 y -10. Verifique matemáticamente de forma teórica todos los casos y compare. Encuentre la ganancia máxima que el amplificador es capaz de obtener sin saturarse.
Resistencia para una ganancia de -0.5 = a 500 Ω
Resistencia para una ganancia de 5.
5 =1+
1
RF= (5-1)*1K Ω
= 4Ω 1 = 1 +
4 1Ω
1 = 5
Resistencia para una ganancia de 10. 10 = 1 +
1
Figura 1, Captura para una ganancia de -0.5.
RF= (10-1)*1K Ω
= 9Ω 1 = 1 +
Vpp entrada: 1.82v
9
Vpp salida: 800mV
1Ω
1 = 10
Resistencia para una ganancia de -1 = 1 Ω
Mediciones realizadas con el multímetro del comparador no inversor. Vout para un ciclo útil de 5%= 0,03v Vout para un ciclo útil de 20%= 0,6v Vout para un ciclo útil de 70%= 5,22v Vout para un ciclo útil de 95%= 7v
Figura 2, Captura para una ganancia de -1.
Vpp entrada: 1.52V
Ganancia máxima que el amplificador es capaz de obtener.
Vpp salida: 1.56 Resistencia para una ganancia de -5 = 5K Ω
Figura 5, Captura para una ganancia máxima. Vpp entrada: 1.60v Figura 3, Captura para una ganancia de -5.
Vpp salida: 20.4v
Vpp entrada: 1.60v Vpp salida: 7.68v
Resistencia para una ganancia de -10 = 10K Ω
Calcule el valor de VR1 teórico para una ganancia de: 1, 3, 5 y 10. Mida y registre gráficamente en la misma pantalla la señal de entrada y la señal de salida para las siguientes ganancias: 1, 3, 5 y 10. Verifique matemáticamente de forma teórica todos los casos y compare. Encuentre la ganancia máxima que el amplificador es capaz de obtener sin saturarse.
Resistencia para una ganancia de 1 = 0 Ω
Figura 4, Captura para una ganancia de -10. Vpp entrada: 1.60V. Vpp salida: 15V. Figura 6, Captura para una ganancia de 1. Vpp entrada:200mV. Vpp salida: 200mV.
Resistencia para una ganancia de 3 = 2K Ω
Resistencia para una ganancia de 10 = 9K Ω.
Figura 7, Captura para una ganancia de 3.
Figura 9, captura parta una ganancia de 10.
Vpp entrada: 1.04v.
Vpp entrada: 1.20v
Vpp salida: 3.06v.
Vpp salida: 20.4v.
Resistencia para una ganancia de 5 = 4K Ω.
Mida y registre gráficamente la forma de onda de salida en el amplificador operacional a medida que va variando el voltaje de referencia aplicado a la entrada inversora. Capture las gráficas para un ciclo útil de salida del 5%, 20%, 70% y 95%. Con ayuda del multímetro mida y registre el voltaje presente en la salida del comparador para cada uno de estos ciclos de trabajo. Obtenga sus propias conclusiones a partir del comportamiento de este circuito.
Ciclo útil = 20%.
Figura 8, Captura para una ganancia de 5. Vpp entrada: 1.04V. Vpp salida: 9.44V.
Figura 10, captura para un ciclo útil de 20%. Vpp entrada: 10v Vpp salida: 3.76v
Ciclo útil = 70%
IX.
Figura 11, Captura para un ciclo de 70%. Vpp entrada: 10v. Vpp salida: 7.52v.
Ciclo útil = 95%
Figura 12, Captura para un ciclo de 95% Vpp entrada: 10V Vpp salida: 7.52V
ANALISIS Y CONCLUSIONES DE LOS RESULTADOS.
Se pudo observar con claridad que el comportamiento del amplificador operacional inversor, es consecuente su configuración, puesto que invierte la señal de entrada, dando así una amplitud negativa a la salida. Se pudo ver que en el amplificador operacional no inversor, cuando no hay resistencia que fije la ganancia de dicho amplificador, la ganancia máxima que tiene el mismo es de 1. Se pudo observar en el amplificador inversor que cuando las ganancias son negativas, la señal de salida se atenúa con respecto a la señal de entrada, mientras que cuando la ganancia es positiva y mayor a 1, la señal de salida es amplificada con respecto a la señal de entrada, por tanto se puede decir que el circuito se comporta como un atenuador para ganancias negativas y como un amplificador para ganancias positivas. Es de mucha importancia tener en cuenta el voltaje máximo que puede alcanzar el amplificador operacional, el cual está determinado por la fuente con la que se alimente en sus terminales Vdd y Vss, ya que ellos fijan la ganancia máxima que este podría dar para que la amplificación sea máxima, porque si se le da una ganancia mayor entonces en la salida de la señal amplificada habrá saturación. Se pudo observar en el circuito modulador que a medida que se aumentaba el ciclo útil de la señal de salida, modificando su ganancia con el potenciómetro, ésta se veía aumentaba o disminuía en amplitud con respecto a la señal de entrada. También se notó que en la modulación al aplicar una señal triangular de entrada en el amplificador modulador, daba una señal cuadrada en su salida. Lo cual indica que los circuitos moduladores cambian la forma de onda de la señal. Por último, al realizar una comparación entre los resultados teóricos con respecto a los realizados en la práctica de laboratorio, se puede comprobar que lo hecho teóricamente se confirma en la práctica, pero con algunas pequeñas diferencias de valores, esto debido a que en el mundo real no hay dispositivos ideales, mientras que en el análisis teórico para facilitar el cálculo, los elementos se toman como si fueran ideales.
X. REFERENCIAS [1] Electrónica fácil tema: amplificador inversor, disponible en: https://www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADO R-NO-INVERSOR.php [2] Electrónica fácil tema: amplificador no inversor, disponible en: https://www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADO R-NO-INVERSOR.php [3] Electrónica unicrom temas: comparadores, disponible en: https://unicrom.com/comparador-con-amplificadoroperacional/