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LABORATORIO COMPESACIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE
8abi&n Bativa (:7##:##7) 'teven 4orales (:7##:#7"!) (:7##:#7"!) 'ergio D>rez (:7#:7!#=)
Resumen—En este este labora laborator torio io compens compensare aremos mos el voltaje y la corriente en un amplificador operacional 741, usando como base el voltaje y la corriente de salida que nos nos dan dan en el data datash shee eett como como prue prueba ba de que que el amplificador no es ideal totalmente. Índic ndice e de Tér Término minos s—Amplifi —Amplificador cador,, Transis Transistor tor,, compensacin, impedancia, !anancia, "ise#o.
I.
INTRODUCCIÓN
Como sabemos los amplificadores tienen un voltaje y una una corr corrie ient nte e de salid salida a de algún algún valo valorr solo solo sien siendo do polarizados dualmente, aunque este valor debería ser cero para que no afecte los diseños hechos con estos tipos tipos de amplif amplifica icador dores, es, es un hecho hecho que existe existe un voltaje voltaje y una corriente corriente de salida mínimas, mínimas, que así sean muy pequeños van a afectar directamente a nuestros dise diseño ños, s, a vece veces s vari varian ando do much mucho o lo que que hemo hemos s establecido establecido con anterioridad, anterioridad, y esto se puede tornar en un problema, cuando necesitemos hacer un diseño muy exacto
II. OBJETIVOS •
Comp Compen ensa sarr el volt voltaj aje e de sali salida da mínim mínimo o de un amplificador operacional !"#
• •
•
•
$stablece ecer un volt oltaje de salid lida par para una configuraci%n inversor, y lograr obtener dicho voltaje exacto en la pr&ctica compensando por voltaje
III. MARCO TEÓRICO •
'e trata de un dispositivo electr%nico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida *a salida es la diferencia de las las dos dos entr entrad adas as mult multip ipli licad cada a por por un fact factor or (+) (+) (ganancia) -out . +/(-0 1 -1) el m&s conocido y comúnmente aplicado es el 23!"# o *4!"# $l primer amplificador operacional monolítico, que data data de los los años años #567 #567,, fue fue el 8air 8airchi child ld 93!7 93!7: : (#56 (#56") "),, dise diseña ñado do por por ;ob ;ob n de xito comercial 4&s tarde sería sustituido sustituido por el popular popular 8airchild 8airchild 93!"# (#56?), (#56?), de @avid avid 8ulla ullag gar, ar, y fabr fabric ica ado por por numer umeros osas as empresas, basado en tecnología bipolar Arig riginal inalme ment nte e los los 3A A se emp empleab leaban an par para operaciones matem&tica icas (suma, resta, multiplicaci%n, divisi%n, integraci%n, derivaci%n, etc) en calculadoras anal%gicas @e ahí su nombre $l 3A 3A idea ideall tien tiene e una una gana gananc ncia ia infi infini nita ta,, una una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda tambi>n infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido Como la impedancia de entrada es infinita tambi>n se dice que las corrientes de entrada son cero $l símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura
Compensar la corriente de salida que nos da un ampli amplifi fica cado dorr oper operaci acion onal al !"#, !"#, solo solo pola polari riza zado do dualmente Comprobar Comprobar experiment experimentalment almente e el funcionamie funcionamiento nto del sistema implementado
Fig # 1: Sí!"l" A.O
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'iempre que hay realimentaci%n negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito *os terminales son -0 entrada no inversora -E entrada inversora -A2F salida -'0 alimentaci%n positiva -'E alimentaci%n negativa *os terminales de alimentaci%n pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los 3A basados en 8$F -@@ y -'' respectivamente Dara los basados en ;GF son -CC y -$$ Habitualmente los pines de alimentaci%n son omitidos en los diagramas el>ctricos por claridad $omportamiento en corriente continua %"$&
L$" !i%&'" *a realimentaci%n salida del 3 A ser& la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor $ste factor suele ser del orden de #77777(que se considerar& infinito en c&lculos con el componente ideal) Dor lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de #- la salida debería ser #77777 - @ebido a la limitaci%n que supone no poder entregar m&s tensi%n de la que hay en la alimentaci%n, el 3 A estar& saturado si se da este caso $sto ser& aprovechado para su uso en comparadores, como se ver& m&s adelante 'i la tensi%n m&s alta es la aplicada a la patilla 0 (entrada no inversora) la salida ser& -'0, mientras que si la tensi%n m&s alta es la del pin E (entrada inversora) la salida ser& la alimentaci%n -'E
-0 . -E (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual) I0 . IE . 7 Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida *a mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada *a menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente el>ctrica de mejores características 3dem&s, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentaci%n, que puede ser mucho m&s estable con un menor coste 3simismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda 3simismo, cuando se realiza realimentaci%n positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a trav>s de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos $l m&s aplicado es obtener un oscilador para generar señales oscilantes
$omportamiento en corriente alterna %A$& $n principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones
L$" (%&&)" " &%li%*')" 'e conoce como lazo cerrado a la realimentaci%n en un circuito 3quí aparece una realimentaci%n negativa Dara conocer el funcionamiento de esta configuraci%n se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensi%n en la pata 0 sube y, por tanto, la tensi%n en la salida tambi>n se eleva Como existe la realimentaci%n entre la salida y la pata E, la tensi%n en esta pata tambi>n se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuy>ndose tambi>n la salida $ste proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor
A+li,i()"& LM-1 $l u3 !"# es un amplificador operacional manolitico de altas características 'e ha diseñado para una amplia gama de aplicaciones anal%gicas 2n alto rango de voltaje en modo común y ausencia de lacthEup tienden a hacer el u3 !"# ideal para usarlo como un seguidor de tensi%n *a alta ganancia y el amplio rango de voltaje de operaci%n proporcionan unas excelentes características, aprovechables para integradores, amplificadores, sumadores y en general, aplicaciones de realimentaci%n
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'us características siguientes
m&s
destacadas
son
las
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de 6m- en una configuraci%n no inversora, con una resistencia de retroalimentaci%n de 7M, una B# de ::7M y un voltaje de entrada de = -
E Jo requiere compensaci%n en frecuencia E $st& protegido contra cortocircuitos E Fiene capacidad para anular el voltaje de offset E Dosee un alto rango de tensi%n en modo común y voltaje Configuraci%n interna del 3A !"#
Fig # 3 Ci&(0i'" 0'ili$)" +& l ("+%*4(i* )% 5"l'6% Fig # / C"*,ig0&(i* -1 APLICACIONES $ste circuito integrado tiene muy diversas aplicaciones, utiliz&ndose m&s usualmente en seguidores de tensi%n de ganancia unidad, amplificadores no inversores, amplificadores inversores integradores, diferenciadores
3l tener este voltaje B$3* tomado por un multímetro 8luNe procedemos a compensar el voltaje, intentando poner en la entrada un voltaje de 6m- con el fin de restar con el voltaje -IA que tomamos, y lograr que el voltaje de salida final nos diera cero Dara lograr este voltaje pusimos un potenci%metro de #77O y mediante un divisor logramos obtener el voltaje cero de salida correspondiente a la compensaci%n
III. PROCEDIMIENTO MATERIALES: K K K K K
Besistencias 3mplificador operacional *4!"# 8uente de -oltaje 4ultímetro Drotoboard
DESARROLLO Y AN2LISIS: COMPENSACIÓN DE VOLTAJE Dara la compensaci%n de voltaje tomamos el amplificador operacional !"# lo polarizamos con #: y E#: voltios correspondientemente, medimos el voltaje de salida ideal sin ninguna ganancia, que según el datasheet es de L#=m-, claro que este valor es solo ideal, al medir nosotros el voltaje obtuvimos un voltaje
Fig # A+li,i()"& ("+%*4)" +"& 5"l'6%
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3hora luego de haber compensado la salida del amplificador a cero con la fuente suministrada y controlada mediante el divisor hecho con el potenci%metro, proseguiremos a suministrarle al mismo circuito un voltaje de entrada de =v que según el procedimiento y la teoría a la salida nos tendr& que dar un voltaje de -o. E!,=v
Vo= Vo=
− Rf R 1
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mínimo y :77n3 m&ximo, procedemos a poner las entradas no inversora, e inversora a tierra con el fin de medir la corriente de salida que en realidad nos est& suministrando el amplificador, para esto ponemos una carga en la salida del amplificador y medimos la corriente que circula por esta 3l medir esta corriente nos da 7555P3, compensamos esta corriente con alimentando las entradas del amplificador y con un potenci%metro modificando uno de los voltajes hasta que nos diera cero en la salida
Vi
−330 Ω 220 Ω
(5 v )
Vo=−7,5 v
Como vemos el voltaje de salida te%rico nos da !,=v exactos este voltaje al medirlo en el laboratorio nos daba un voltaje de ?,v, lo que nos pedía poner una fuente en la entrada no inversora de 7?v, el hecho de que se pasara por mucho el voltaje casi que #v, nos favoreci% para encontrar ese voltaje de 7?v con el divisor que implementamos con el potenci%metro, ya que cuando daba un voltaje de compensaci%n muy pequeño se nos dificultaba un poco m&s encontrarlo con el divisor
Fig # 7 A+li,i()"& ("+%*4)" ("* 5"l'6% )% %*'&) 75 COMPENSACIÓN DE CORRIENTE Dara esta pr&ctica iniciaremos compensando la corriente Iio que idealmente según el datasheet es de :7n3
Fig # 8 Ci&(0i'" 0'ili$)" +& ("+%*4& l ("&&i%*'%.
Fig # - A+li,i()"& C"+%*4)" +"& ("&&i%*'% Como vemos en la 8ig Q ! la corriente no nos dio totalmente cero, pero fue el valor m&s acertado que pudimos lograr *uego de compensar esta corriente ideal, vamos a compensar una corriente real con el voltaje de entrada de = v con la configuraci%n del amplificador inversora,
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haciendo los c&lculos correspondientes hallamos una corriente de !,=ma
Vo= Vo=
− Rf R 1
Vi
−330 Ω 220 Ω
(5 v )
Vo=−7,5 v
Vo 7,5 Io = = =7,5 mA RL 1 k
Fig # 9 Compensación por corriente
Fig # 8 Circuito utilizado para medir la corriente de salida.
$sta corriente vale esclarecer, la hallamos en una resistencia B* de #NM $n el laboratorio montamos este circuito, y medimos la corriente de salida la cual nos daba !,""m3, efectivamente nos daba menos que la que debería darnos idealmenteR ya, con este valor medido y con el procedimiento hecho para compensar por voltaje, mediante un divisor de voltaje hecho con un potenci%metro y conectado al pin no inversor modificamos el voltaje en esa entrada hasta que la corriente de salida nos diera m&s o menos exacta a la de los c&lculos ya que esta variaba mucho
Fig # 10 Compensación por corriente.
IV. CONCLUSIONES 1. Abservamos que los amplificadores tienen un voltaje y una corriente de salida de un valor determinado, que sin tener nada conectado idealmente debería ser cero, pero no es así ya que solo con la polarizaci%n dual ya nos da un voltaje y una corriente de salida determinados en el datasheet del integrado
/. 'e logr% compensar el voltaje y la corriente de salida de un amplificador *m!"# con el fin de ser m&s exactos a la hora de entregar un voltaje o una corriente ya calculados anteriormente y
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logrando que la teoría fuera m&s acorde con la pr&ctica que debería ser lo m&s ideal siempre
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REFERENCIAS
;AS*$'F3@, Bobert * $lectr%nica Feoría de Circuitos $ditorial Drentice Hall, #55=
3. Abservamos que la corriente y el voltaje de salida suministradas por el datasheet no son exactamente reales, ya que varían mucho y la única real es la que medimos realmente
*I;B$
