S.E.P. T.N. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA

(ÁREA ELECTRÓNICA INSTRUMENTACION Y AUTOMATIZACION INDUSTRIAL)

LABORATORIO DE AMPLIFICADORES OPERACIONALESPRÁCTICA No. 5

CONVERTIDORES CON OPAMP. (Convertidor de Voltaje – Corriente – Voltaje)

EQUIPO #1ALUMNO:

DIANA KAREN AGUILAR ALFARO ESTEBAN HERNÁNDEZ DOMÍNGUEZ JESÚS ALBERTO MENDOZA LARA

Vo.Bo. M. C. Fernando Vera Monterrosas / OCTUBRE / 2016

LABORATORIO DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

PRÁCTICA # 5

CONVERTIDORES CON OPAMP.

(Convertidor de Voltaje – Corriente – Voltaje)

Objetivo: Que el alumno analice y compruebe el funcionamiento de los circuitos de conversión

de voltaje a corriente y de corriente a voltaje utilizando algunos de los circuitos estudiados en las

prácticas anteriores.

INTRODUCCIÓN

Bob Widlar diseñó el amplificador operacional m o n o l í t i c o r e a l m e n t e f u n c i o n a l e n

1965,el uA709 de Fairchild. Este alcanzó gran popularidad pero exhibía algunos problemas,

particularmente su tendencia a bloquearse cuando la entrada era sometida a sobre voltaje, y por otra

parte su falta de protección contra cortocircuito. También requería compensación de frecuencia

externa (dos condensadores y una resistencia) y tenía un circuito engorroso de ajuste de offset (otra

vez se requerían tres componentes externos. Finalmente, su voltaje de entrada diferencia

l estaba limitado a 5 voltios.

Widlar se movió a National Semiconductor en donde habría de diseñar el LM301, un amplificador

operacional mejorado con protección de cortocircuito, libre del problema de bloquearse, y un rango

de voltaje diferencial de entrada de 30 voltios. Wídlar, no diseñó compensación interna, ya que él

prefería la flexibilidad de compensación por parte del usuario. El 301 podía ser compensado usando

un solo condensador, pero ya que se disponía de un solo pin sin ser usado, todavía se requerían tres

componentes para ajuste del offset.

Mientras tanto, en Fairchild se estaba desarrollando la respuesta al 301 (el ahora famoso 74l). Este

tenia las ventajas del 301, pero los ingenieros de Fairchild optaron por compensación interna de

frecuencia para permitir simplificar el ajuste de offset con un solo trimmer (potenciómetro) externo.

Puesto que la mayoría de aplicaciones no requieren ajuste de offset (Widlar tenía razón), el 741 en

uso normal no requiere más componentes que la red de alimentación misma. El resto es historia el

741 se convirtió en el Standard de la industria. En la actualidad existen muchos amplificadores

operacionales del tipo 741, esencialmente similares en diseño y desempeño, pero con características

tales como entrada FET, unidades duales o quad, versiones con especificaciones mejoradas

versiones compensadas y no compensadas, etc.

MARCO TEÓRICO

Amplificadores operacionales los amplificadores operacionales son amplificadores diferenciales

con acoplamiento DC de muy alta ganancia. Para hacerse una idea de su funcionamiento se puede

pensaren el amplificador diferencial clásico con componentes discretos (figura 1), con sus dos

entradas y una sola salida, como prototipo, aunque a decir verdad los amplificadores operacionales

reales tienen ganancias mucho mayores (valores típicos 10 ^ 5 a 10 ^ 6) e impedancia de salida

menor, y permiten a la salida barrer el rango de voltajes casi completo de la alimentación

(Usualmente se usan fuentes bipolares de ±15V). Los amplificadores operacionales ahora esta

disponibles en literalmente cientos de tipos, con el símbolo universal mostrado en al figura 2(a), en

donde las entradas (+) y (-) hacen lo que se espera: La salida se vuelve positiva cuando la entrada

no inversora (+), se vuelve más positiva que la entrada inversora (-), y viceversa. Los símbolos (+)

y (-) no significan que uno deba mantener uno positivo respecto al otro, o nada que se parezca.

Ellos simplemente dicen la fase relativa de la salida (la cuál es importante para mantener la

realimentación negativa) El uso de las palabras "no inversora" e "inversora" en lugar de "mas"" y

"menos" ayudará a evitar confusión de Las conexiones de la alimentación, u s u a l m e n t e n o s e

muestran, y tampoco hay símbolo de tierra. Los amplificadores operacionales tienen ganancias de

voltaje enormes, y casi nunca son usados sin realimentación. La ganancia de lazo abierto es tan

elevada, que para cualquier ganancia razonable de lazo cerrado, las características dependen

solamente de la red de realimentación. Naturalmente que en algún punto esta generalización tiene

que fallar. Nuestro estudio de amplificadores operacionales comenzará con una visión y el

comportamiento, y posteriormente se rellenará esta visión con algunas sutilezas a medida que sea

necesario.

Literalmente existen cientos de amplificadores operacionales disponibles, que ofrecen compromisos

de rendimiento que explicaremos en breve. Una buena muestra de un espécimen que sale bien

parado en muchas aplicaciones es el popular LF411 ("411" para ser breves), introducido

originalmente por National Semiconductor. Como todo amplificador operacional, este es un chip

fabricado en un empaque DIP (dual in line package), y su apariencia se muestra en la figura 2(b). Es

barato (aproximadamente 60 centavos de Dólar). Se puede encontrar en una versión mejorada

(LF411 A) y en un mini-DIP conteniendo dos amplificadores operacionales independientes (LF412,

llamado un amplificador operacional dual). En el interior del 411 se encuentra un bloque de silicio

conteniendo 24 transistores (21 transistores de unión, 3 FETs, 11 resistencias, y 1 condensador). Las

conexiones de pires se muestran en la figura 2(c). El punto en la esquina, o la muesca en el extremo

del empaque, identifican el extremo a partir del cual se cuentan los números de pines. Al igual que

con la mayoría de empaques electrónicos, los pines se cuentan en sentido anti horario, viendo desde

la parte superior. Los terminales de "cancelación de offset" (offset null), también conocidos como

"balance" o "trim" tienen que ver con la corrección de pequeñas asimetrías que son inevitables a la

hora de fabricar el amplificador operacional.

I.2 Análisis y/o Diseño.

Para el siguiente diseño del siguiente circuito se diseñó de acuerdo al diagrama correspondiente.

Después de haber realizado las pruebas correspondientes se realizó en placa para su dicha

comprobación en físico con los siguientes materiales de instrumentación para su medición.

I.3 Prereporte.

II Desarrollo Práctico.

II.1 Material y Equipo a utilizar.

C. I. TL081.

LM324

BC548,BC558

Caimanes

Resistencias de varios valores a ¼ de W.

Potenciómetros de varios valores.

Fuente de Voltaje Regulada.

Multímetro Analógico o Digital.

Generador de Señales.

Osciloscopio de Doble Trazo.

II.2 Metodología.

.

Al simular el siguiente circuito se obtuvieron los siguientes resultados en la simulación de esta forma se puede decir que se cumplió con lo esperado.

2. Diseñe todos los circuitos de acondicionamiento de señal que sean necesarios para que se

cumplan las condiciones anteriores.

El diseño propuesto en el siguiente enunciado se hizo el análisis siguiente

Como se puede mostrar a continuación se le implementaron unos comparadores y un circuito de

protección de esta forma al haber algún descuido por arte del destino se protegió el circuito con

diodos de protección de alta respuesta 1N4148 de esta forma el circuito se complementa y se pone

en práctica lo visto en clase para poder acondicionar la señal teniendo una comparación de voltajes

en que el que será variado será Vi, al ser cambiado Vi cambiara los diferentes tipos de parámetros

en la salida del amperímetro.

3. Varíe el voltaje de entrada a los valores indicados en la Tabla 5.1 y anote los resultados.

Los siguientes datos que se obtuvieron fueron realizados mediante el diseño que se hizo en clase con los circuitos de acondicionamiento.

Circuito de

acondicionamientoConvertidor

Circuito de

acondicionamientoConvertidor

Vi[V ] Vo[ V ] Vi[ v ] Io[mA] Vi[V ] Vo [ V ] Vi[V ] I [mA ]0.00 0.93 0.93 5.16 3.00 3.4 3.4 13.8

0.50 1.543 1.543 6.12 3.50 3.8 3.8 15.7

1.00 1.845 1.845 8.4 3.75 4.3 4.3 16.7

1.25 2.030 2.030 8.9 4.00 4.6 4.6 17.2

1.50 2.520 2.520 9.3 4.50 5 5 18.3

2.00 2.750 2.750 11.3 5.00 5.3 5.3 19.89

2.50 2.890 2.890 12.6

Tabla 5.1 Tabla de funcionamiento de convertidor de voltaje a corriente y su acondicionador de señal.

Ejemplo de medición en simulador MULTISIM demostrando de qué forma se obtuvieron los datos

de la tabla anterior donde se anotaron los diferentes rangos de valores obtenidos por los circuitos de

acondicionamiento.

El diseño propuesto para su simulación y comprobación en físico fue el siguiente el cual se simulo antes de hacer cualquier circuito en placa para poder acondicionar el circuito a los puntos establecidos.

CON LOS CÁLCULOS CORRESPONDIENTES PARA OBTENER UN VALOR DE RESISTENCIA PARA SU DICHO FUNCIONAMIENTO QUE SE MENCIONA EN EL ENUNCIADO.

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5. Diseñe todos los circuitos de acondicionamiento de señal que sean necesarios para que se

cumplan las condiciones anteriores.

El circuito con los complementos de acondicionamiento son los siguientes:

ConvertidorCircuito de

acondicionamientoConvertidor

Circuito de

acondicionamientoIi[mA] Vo[ V ] Vi[ V ] Vo[ V ] [mA] Vo[ V ] Vi[ V ] Vo[ V ]4.00 -0.402 -0.402 -0.010 14.00 -1.394 -1.394 3.410

6.00 -0.610 -0.610 0.710 16.00 -1.604 -1.604 4.01

8.00 -0.812 -0.812 1.47 18.00 -1.795 -1.795 4.819

10.00 -1.2 -1.2 1.94 20.00 -2.103 -2.103 5.210

12.00 -1.4 -1.4 2.82

Tabla 5.2 Tabla de funcionamiento de convertidor de corriente a voltaje y su acondicionador de señal

Al variar la señal de entrada se obtuvieron los siguientes valores los cuales fueron introducidos en la tabla de la siguiente:

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III Cuestionario.

1. Investigue las aplicaciones más significativas de los convertidores de voltaje a corriente

y de corriente a voltaje.

Una de las aplicaciones que tienen los amplificadores operacionales son los conversores de voltaje

a corriente, es decir un voltaje de entrada puede utilizarse para controlar una corriente de salida.

Estos circuitos son muy utilizados en diversos circuitos de instrumentación.

Ejemplo sensores de temperatura, detectores de ruido, en el campo con más aplicaciones en

BIOELECTRONICA y procesamiento de señales.

Los convertidores de voltaje CC-CC ("reguladores") constan de dos elementos: un controlador y una etapa

de potencia. La etapa de potencia incorpora los elementos de conmutación y convierte el voltaje de

entrada a la salida deseada. El controlador supervisa la operación de conmutación para regular el voltaje

de salida. Los dos están vinculados por un bucle de realimentación que compara el voltaje de salida real

con la salida deseada para obtener el voltaje de error.

2. ¿Cuáles son las resistencias que controlan el cero y el span en el convertidor de

voltaje a corriente?

La resistencia de puente con las terminales del amplificador, controla el cero y la resistencia de

entrada a la terminal inversora del amplificador diferencial (entrada de 𝑣𝑖) controla el span.

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5. ¿Cuál es la razón de utilizar el amplificador de instrumentación con dos

amplificadores operacionales en vez del de tres?

Una de las experiencias que se obtuvieron en clase fue que al poner tres operacionales para

amplificar una pequeña señal al estar ser amplificada por el segundo amplificador la respuesta de

señal se puede ver en el osciloscopio de manera aceptable, pero al pasar por el tercer

amplificador la señal debe de ser acondicionada con otro circuito para que no interfiera la

combinación de diferencias producidas por Vi.

6. Trazar la curva que establece una relación entre la corriente de entrada del

convertidor y el voltaje de salida del mismo.

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IV Conclusiones y Recomendaciones.

Se obtuvieron resultados cercanos, no tan precisos debido a quizá la falta de calibración de los

instrumentos de medición o nuestro amplificador.

Es muy indispensable hacer una buena conexión ente los voltajes requeridos por los

amplificadores, debido a esta falla no se logró implementar la otra salida de corriente que

corresponde de 0-10v convertir de 4-20mA.

Para el cao del diseño para obtener una salida de 4-20mA, es necesario tener una fuente de 4vdc

como referencia para que cuando la entrada del potenciómetro sea 0v, esta referencia nos permitirá

obtener una relación 1 a 1, con el fin de que a 4v su salida sea 4mA.

Para el diseño fue necesario poner para para la resistencia de carga varias resistencias en paralelo,

ya que al colocar una sola resistencia que se aproximará al valor requerido, se presentaba

calentamiento en esta resistencia, al ser de tan baja denominación 25ohms.

V Bibliografía y Software.

http://www.oocities.org/iel_115/archivos/capitulo1.pdf

http://www.pdf.datasheetcatalog.net/datasheet/motorola/MC34181.pdf.

electricidad y electrónica //aplicaciones prácticas TOMO 2 cap. 2 convertidores.

http://www.ab.com/es/epub/catalogs/12768/229240/229268/10202439/10202447/

Convertidores-activos.html

http://books.google.com.co/books?

id=0_fh6Te9Z4gC&pg=PA222&lpg=PA222&dq=definicion+de+convertidor+de+voltaje+a+c

orriente&source=bl&ots=wJrXVFZCpu&sig=Fmk0dLeASGkjKjV26UdFtg6tK6E&hl=es&s

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