Práctica No. 7. Configuraciones básicas del Amplificador Operacional: Amplificador Inversor. Amplificador No Inversor. Seguidor de voltaje. Sumador.

1.- OBJETIVO. El alumno comprobará el funcionamiento de los amplificadores operacionales, diseñando y construyendo un circuito amplificador de señales con amplificadores operacionales, con el objeto de comprobar la ganancia y defasamiento de la señal de salida respecto a la entrada, tanto para configuración inversora como no inversora.El alumno comprobará la importancia de la configuración seguidora de voltaje, en circuitos de desacoplamiento de impedancias, construyendo un circuito seguidor de voltaje.El alumno comprobará el funcionamiento de un circuito tanto sumador como restador de señales de CA y CD, a través de la construcción de un circuito mezclador inversor y no inversor, así como comprobar el funcionamiento de los circuitos integradores y diferenciadores.

2.- INTRODUCCIÓN.

La realización de operaciones y cálculos matemáticos, necesarios para controlar sistemas que manipulen variables físicas tales como la posición de un alerón en un avión, un satélite de comunicaciones, o planear y controlar en tiempo real la ruta de un transbordador espacial, el control automático de la temperatura, la conversión de escalas de variables físicas, así como el acondicionamiento adecuado de señales, entre otros ejemplos, no eran factibles de realizarse de manera fácil y eficiente, sino hasta la invención y posterior implementación de circuitos basados en amplificadores operacionales.Los primeros sistemas electrónicos para procesar información y realizar cálculos complejos no eran digitales, tales como los poderosos computadores o calculadoras científicas que hoy conocemos; en realidad, todas las operaciones de cálculos y de control se realizaban basados en computadores analógicos, construidos con amplificadores operacionales diseñados con válvulas al vacío.No es sino hasta la invención del transistor, que los dispositivos llamados amplificadores operacionales fueron desarrollados con base en semiconductores, permitiendo obtener altas velocidades de procesamiento de datos y realización de cálculos matemáticos complejos, en espacios reducidos, a bajo costo y con bajo consumo de energía.El nombre de amplificadores operacionales deriva de sus propios vocablos; permite realizar la amplificación de señales de C.D y C.A con un mínimo de circuitería externa (dos resistencias) a diferencia de los amplificadores diseñados con transistores, que requieren arreglos de varias resistencias y capacitores. El otro vocablo: operacionales, fue dado a este dispositivo precisamente porque con un arreglo mínimo de componentes externos, puede permitir la realización de diversas operaciones, tales como multiplicar, dividir, sumar, restar, exponenciar, promediar, integrar, derivar, aplicar logaritmos, entre otras. Son éstas virtudes las que le han dado al amplificador operacional un amplio abanico de aplicaciones, sobre todo en el ámbito del control analógico, pues el amplificador operacional (A.O) se ha convertido en un dispositivo de excelentes prestaciones para desarrollar controladores de todo tipo (on –off, proporcional, modulador por ancho de pulsos o pwm, integrativo, derivativo, y cualquier combinación de éstos), los cuales han permitido el control efectivo de variables físicas tales como temperatura, intensidad

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luminosa, flujo, presión, velocidad y posición de motores eléctricos, entre muchas otras aplicaciones de control.Los amplificadores operacionales en circuito integrado constan de dos entradas; una llamada inversora (Vi(-)) y otra llamada no inversora (Vi(+)). Cuenta con una salida de señal llamada Vo, además de sus terminales de alimentación positiva (+Vcc ó +VDD) y negativa (-VEE ó –VSS). Cabe señalar que una entrada jamás deberá sobrepasar el nivel de la alimentación, pues se dañaría el dispositivo.En el común de los A.O´s, éstos pueden soportar alimentaciones de hasta ±18volts trabajando en forma bipolar, o 36volts en forma unipolar. El voltaje diferencial que pueden reconocer como la diferencia precisamente entre una y otra entrada, también llamado voltaje de modo de rechazo común, permite comparar la magnitud de dos señales aplicadas en las respectivas entradas y le da la característica al A.O de servir como comparador de señales, entregando a la salida un estado de “on” u “off” de acuerdo a la comparación realizada, y llega a ser ésta de unos cuantos milivolts; esto significa que podemos emplear al A.O para activar un actuador cuando una de las señales (que llamaremos como variable de entrada) sobrepasa por unos cuantos milivolts a la otra (que llamaremos referencia), pudiendo entonces construir un efectivo comparador de magnitud para desarrollar controladores “on –off” .Los A.O pueden ser empleados también como filtros activos, pudiendo controlar no solo el ancho de banda de señal que obtendremos a la salida, sino también controlar su ganancia. También tienen aplicaciones en el desarrollo de convertidores análogo – digital, comparadores con o sin histéresis, detectores de nivel, generadores de señales (osciladores), entre decenas de aplicaciones más.

En esta práctica, el alumno tendrá la oportunidad de manipular a los amplificadores operacionales en diversas aplicaciones, que le permitirán diseñar y construir sistemas de manipulación de señales analógicas y digitales, para ser empleadas en múltiples entornos.

3.- CORRELACIÓN CON LOS TEMAS Y SUBTEMAS DEL PROGRAMA DE ESTUDIOS.Esta práctica cubrirá los contenidos temáticos 3.1, 3.2, 3.3 y 3.4 del temario de la asignatura. El alumno reforzará los conocimientos adquiridos respecto a la arquitectura, tipos y especificaciones de los amplificadores operacionales, así como las configuraciones básicas de éstos, empleándolo como amplificador de señales tanto inversor como no inversor, así como acoplador de impedancias, sumador, restador, diferenciador e integrador.

4.- COMPETENCIAS ESPECÍFICAS.

Reforzar los conocimientos adquiridos respecto a la teoría fundamental de la arquitectura, tipos y especificaciones de los amplificadores operacionales, así como las configuraciones básicas de éstos, para ser empleados como amplificador de señales tanto inversor como no inversor, así como acoplador de impedancias, sumador, restador, diferenciador e integrador.

Diseñar un circuito amplificador de señales, empleando amplificadores operacionales, con el objeto de comprobar la ganancia y defasamiento de la señal de salida respecto a la entrada, tanto para inversores como no inversores.

Operar un osciloscopio de 2 canales para visualizar y medir las formas de onda de entrada y salida de los circuitos amplificadores inversor y no inversor, con el

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objeto de comprobar la correspondencia entre los cálculos teóricos y los valores de las mediciones obtenidas.

Comprobar la importancia de la configuración seguidora de voltaje, en circuitos de desacoplamiento de impedancias, construyendo un circuito seguidor de voltaje.

Diseñar un circuito sumador y restador de señales, empleando amplificadores operacionales, con el objeto de comprobar que éstos pueden ser empleados como computadoras analógicas, realizando operaciones de suma, resta, multiplicación y mezcla de señales.

Operar un osciloscopio de 2 canales para visualizar y medir las formas de onda de entrada y salida de los circuitos amplificadores sumador y restador, con el objeto de comprobar la correspondencia entre los cálculos teóricos y los valores de las mediciones obtenidas.

Comprobar el comportamiento de un circuito tanto integrador como diferenciador de señales de CA y CD, a través de la construcción de circuitos con amplificadores operacionales, con el objeto de observar la integral y la derivada de una señal de entrada dada, mismas que son muy útiles en el ámbito del control.

Realizar la simulación en un paquete computacional de diseño y prueba de circuitos electrónicos, para reforzar los conocimientos adquiridos, respecto al empleo de los amplificadores operacionales en las configuraciones de amplificadores, seguidores de voltaje, mezcladores.

5.- MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO.Material:

1 Circuito Integrado TL084 (4 Amplificadores Operacionales en un Chip).5 Resistencias de carbón de 10KΩ a 1/2 Watt.1 Resistencia de carbón de 1.5KΩ a 1/2 Watt.1 Resistencia de carbón de 2.7KΩ a 1/2 Watt.1 Resistencia de carbón de 1KΩ a 1/2 Watt.1 Resistencia de carbón de 270Ω a 1/2 Watt.1 Resistencia de carbón de 100KΩ a 1/2 Watt.1 Resistencia de carbón de 4.7KΩ a 1/2 Watt.1 Resistencia de carbón de 100Ω a 1/2 Watt.1 Capacitor de 1uF (1 micro Farad) NO POLARIZADO.2 Resistencia variable (POT) de 10KΩ a 1/2 Watt.1 Tarjeta para experimentos (protoboard).Cable para conexiones a protoboard.1 Pinzas de corte.1 Pinzas de punta.

Equipo:1 Multímetro digital.1 Fuente de voltaje de C.D variable.1 Generador de funciones.1 Osciloscopio de 2 canales.

1 Computadora con los paquetes “Work–Bench” y “Proteus” instalados.

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6.- METODOLOGÍA.Antes de conectar cada uno de los circuitos, lea cuidadosamente el marco teórico correspondiente y resuelva sus dudas.Notas y Recomendaciones en la práctica:Identificar los interruptores de energía eléctrica y verificar la ausencia de voltaje con un multímetro.Sí tiene dudas sobre el equipo se debe pedir información al profesor o encargado del laboratorio.No tener sobre las mesas de trabajo alimentos o bebidas que puedan ser derramadas y provocar cortos circuitos.En la mesa de trabajo sólo debe tener el material y equipo necesario para la práctica.Los equipos electrónicos deben estar apagados antes de realizar la práctica.Revisar que los controles de los equipos estén desactivados o al nivel mínimo.Cada vez que se realice un circuito se debe verificar su conexión antes de conectarlo a las fuentes de energía eléctrica.Cuando se modifique un circuito se debe apagar la fuente de energía eléctrica.Al terminar la práctica se deben desenergizar todos los equipos utilizados.

6.1. Obtener la ficha técnica del circuito integrado TL084, el cual contiene cuatro amplificadores operacionales integrados en un chip, completando los espacios de la tabla 6.1 dedicados a las características más importantes del dispositivo.

Tipo de encapsulado.

Voltaje de alimentación (rango)

(V)

Corriente de consumo (mA)

Impedancia de Entrada (Ω)

Disipación de Potencia (mW)

Frecuencia Máxima (fT) (MHz)

Rango de Temperatura de trabajo (C o).

DIP-14 W ±3 a ±18 28 1012 700 3 -40º a 85º

Tabla 6.1. Características eléctricas importantes del circuito integrado TL084.

6.2. En el espacio de la figura 6.1, coloque el diagrama esquemático a bloques del circuito integrado TL084, junto con su diagrama de terminales del encapsulado.

Figura 6.1. Diagrama de terminales del circuito integrado TL084.

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6.3. Desenergice todas las fuentes de alimentación. Realice las conexiones indicadas en el circuito de la figura 6.2, el cual nos permitirá construir una fuente bipolar, a partir de 2 fuentes independientes.

- + - +

SALIDA DE+12V

SALIDA DE -12V

TIERRA óCOMÚN

FUENTE UNIPOLAR FUENTE UNIPOLAR

FUENTE BIPOLAR

Figura 6.2. Diagrama eléctrico de una fuente bipolar, a partir de 2 fuentes independientes.

6.4. Energice las fuentes de alimentación. Con un multímetro en una escala mayor a 12V de corriente directa, mida los voltajes de la fuente bipolar, colocando la terminal negra en tierra o común, y coloque la terminal roja primero en el borne de salida de +12V y después haga lo mismo para el borne de salida de -12V.

6.5. Desenergice las fuentes de alimentación. Construya el circuito de la figura 6.3, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito amplificador de C.D., en configuración inversora.

Figura 6.3. Circuito de prueba del amplificador de C.D., en configuración Inversora.

6.6. Ajuste el potenciómetro RV2 (de 10K Ω) a 1KΩ. Nota: Haga esto sin estar conectado el potenciómetro al circuito. A este potenciómetro lo llamaremos “Rf”. Coloque el potenciómetro RV2 (ajustado a 1K Ω) en el circuito. Energice el circuito. Coloque el potenciómetro RV1 como se indica en la figura 6.3, y ajústelo para que entregue +1V, midiéndolo con un multímetro. A este voltaje lo llamaremos “Vi”. Mida el voltaje y verifique la polaridad de la salida del amplificador. Anote la medición del

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voltaje de salida del amplificador, en la tabla 6.2. Nota: Se llama “Ri” o “resistor input”, a la resistencia de entrada al circuito, que en este caso es de 1KΩ. A la resistencia de retroalimentación, se le llama “Rf” o “resistor feedback”, que en este caso es el potenciómetro RV2. El voltaje de salida calculado (Voc) del amplificador está dada por Voc=-Vi(Rf/Ri).

6.7. Desenergice el circuito. Repita el paso 6.6 modificando el valor de RV2 (de 10K Ω) a 2KΩ, 5KΩ, y 10KΩ, como lo solicita la tabla, llenando ésta con los valores medidos de voltaje en la salida.

Vi Ri Rf Vo Medido Vom

Vo CalculadoVoc=-Vi(Rf/Ri)

Ganancia Medida Gm=Vom/Vi

Ganancia Calculada G=Voc/Vi

1V 1K Ω 1K Ω -1.05V -1V 1.05 11V 1K Ω 2K Ω -2.1V -2V 2.1 21V 1K Ω 5K Ω -5.2V -5V 5.2 51V 1K Ω 10K Ω -10.1V -10V 10.1 10

Tabla 6.2. Medición del voltaje de salida del amplificador, en configuración inversora.

6.8. Conteste las siguientes preguntas. ¿Qué relación existe entre la polaridad de la señal de salida del amplificador operacional y la entrada, en la configuración inversora? Respuesta: En ésta configuración, la polaridad de salida es inversa a la de entrada.¿Es posible realizar una reducción, en vez de amplificación de la señal de entrada, con la configuración Inversora? Respuesta: Si, ya que si Rf es menor que Ri, la ganancia de salida será menor que la unidad. Realizar una amplificación de señal empleando amplificadores operacionales, ¿Resulta más sencillo que realizándolo con circuitería basada en transistores? Respuesta: Sí, ya que el número de elementos en el circuito es mucho menor.

6.9. Desenergice las fuentes de alimentación. Construya el circuito de la figura 6.4, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito amplificador de C.D., en configuración No inversora.

Figura 6.4. Circuito de prueba del amplificador de C.D., en configuración No inversora.

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6.10. Ajuste el potenciómetro RV2 (de 10K Ω) a 1KΩ. Nota: Haga esto sin estar conectado el potenciómetro al circuito, de manera similar a lo realizado en el punto 6.6. Recuerde que a este potenciómetro lo llamaremos “Rf”. Coloque el potenciómetro RV2 (ajustado a 1K Ω) en el circuito. Energice el circuito. Coloque el potenciómetro RV1 como se indica en la figura 6.4, y ajústelo para que entregue +1V, midiéndolo con un multímetro. Recuerde que a este voltaje lo llamaremos “Vi”. Mida el voltaje y verifique la polaridad de la salida del amplificador. Anote la medición del voltaje de salida del amplificador, en la tabla 6.3. El voltaje de salida calculado (Voc) del amplificador en la configuración No Inversora está dada por Voc=-Vi[(Rf/Ri)+1].

6.11. Desenergice el circuito. Repita el paso 6.10 modificando el valor de RV2 (de 10K Ω) a 2KΩ, 5KΩ, y 10KΩ, como lo solicita la tabla, llenando ésta con los valores medidos de voltaje en la salida.

Vi Ri Rf Vo Medido Vom

Vo CalculadoVoc=-Vi(Rf/Ri)

Ganancia Medida Gm=Vom/Vi

Ganancia Calculada G=Voc/Vi

1V 1K Ω 1K Ω 2.08V 2V 2.08 21V 1K Ω 2K Ω 3.1V 3V 3.1 31V 1K Ω 5K Ω 6.12V 6V 6.12 61V 1K Ω 10K Ω 11.3V 11V 11.3 11

Tabla 6.3. Medición del voltaje de salida del amplificador, en configuración No Inversora.

6.12. Conteste las siguientes preguntas. ¿Qué relación existe entre la polaridad de la señal de salida del amplificador operacional y la entrada, en la configuración No Inversora? Respuesta: En ésta configuración, la polaridad de salida es idéntica a la de entrada.¿Es posible realizar una reducción, en vez de amplificación de la señal de entrada, con la configuración No Inversora? Respuesta: No es posible realizar reducciones de la señal de entrada al amplificador en esta configuración, ya que como se puede apreciar en la ecuación de Vo o de la Ganancia, el factor Rf/Ri lleva una constante sumada de valor unitario, por lo que aunque se reduzca Rf por debajo de Ri, el mínimo valor de salida es el de entrada.

6.13. Desenergice las fuentes de alimentación. Construya el circuito de la figura 6.5, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito amplificador de C.A., en configuración Inversora. Nota: Ri= 1K Ω; Rf es de 100Ω inicialmente, y se irá cambiando de acuerdo con la tabla 6.4.

6.14. Energice las fuentes de alimentación. Conecte un generador de funciones como se indica, ajustándolo para que entregue una señal de C.A de tipo senoidal de 1Vpp (pico-pico) y 1 KHz de frecuencia. Auxíliese de un osciloscopio de 2 canales, donde en el canal 1 deberá observar la señal del generador de funciones, y con el canal 2 observe la señal de salida del amplificador.

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Figura 6.5. Circuito de prueba del amplificador de C.A., en configuración inversora.

6.15. Mida los valores de voltaje tanto de entrada al circuito (salida del generador de funciones) como a la salida del circuito amplificador, para cada uno de los valores de Rf señalados en la tabla, y registre estos valores en la tabla 6.4. Observe la polaridad de la salida, en relación a la entrada, en cada caso. Vi Ri Rf Vo

Calculado pico- picoVocpp= -Vi(Rf/Ri)

Ganancia Calculada G=Voc/Vi

Vo Medido pico-pico Vompp

Ganancia Medida Gm=Vom/Vi

1Vpp 1K Ω 100 Ω 0.1Vpp 0.1 0.12Vpp 0.121Vpp 1K Ω 1K Ω 1Vpp 1 1.1Vpp 1.11Vpp 1K Ω 4.7K Ω 4.7Vpp 4.7 4.8Vpp 4.81Vpp 1K Ω 10K Ω 10Vpp 10 10.2Vpp 10.21Vpp 1K Ω 100K Ω 100Vpp 100 10.8Vpp 10.8

Tabla 6.4. Medición del voltaje de salida del amplificador de C.A, en configuración Inversora.

6.16. En el espacio de la figura 6.6, coloque las imágenes obtenidas de los voltajes de salida vs entrada medidos de cada una de las 5 pruebas realizadas en el paso 6.15.

(a) (b)

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( c ) (d)

(e)

Figura 6.6. Imágenes obtenidas de los voltajes de salida vs entrada medidos de cada una de las 5 pruebas realizadas en el paso 6.15, para el amplificador de C.A, en configuración Inversora. (a) G=0.1, (b) G=1, (c) G=4.7, (d) G=10, (e) G=100.

6.17. Conteste las siguientes preguntas:¿Se observa un defasamiento entre las señales de entrada y salida en esta prueba?,. Si es el caso, ¿De cuántos grados eléctricos es el defasamiento? Respuesta: Si existe un defasamiento entre la salida y la entrada, siendo éste de 180º.¿Qué sucedió con el voltaje de salida obtenido en el amplificador Inversor, cuando se colocó una Rf de 100K Ω? Respuesta: Debido a que la Ganancia en ese momento es de 100, al introducir 1Vpp la salida debiera ser de 100Vpp, pero el amplificador operacional está alimentado con +-12V, y por lo tanto se ha saturado, entregando un voltaje a la salida un poco menor que el de alimentación.¿Qué sucedió con la forma de onda de salida del amplificador, cuando la ganancia fue de 100? Respuesta: Se tiende a deformar la onda senoidal, ya que al saturarse el amplificador, éste “trunca” a la señal de salida a valores cercanos a los de alimentación.¿Los voltajes de saturación positiva y negativa son simétricos? Respuesta: No. Aunque son muy similares (10.8v y -10.7v).

6.18. Desenergice las fuentes de alimentación. Construya el circuito de la figura 6.7, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito amplificador de C.A., en configuración No Inversora. Nota: Ri= 1K Ω; Rf es de 100Ω inicialmente, y se irá cambiando de acuerdo con la tabla 6.5.

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6.19. Energice las fuentes de alimentación. Conecte un generador de funciones como se indica, ajustándolo para que entregue una señal de C.A de tipo senoidal de 1Vpp (pico-pico) y 1 KHz de frecuencia. Auxíliese de un osciloscopio de 2 canales, donde en el canal 1 deberá observar la señal del generador de funciones, y con el canal 2 observe la señal de salida del amplificador.

Figura 6.7. Circuito de prueba del amplificador de C.A., en configuración No Inversora.

6.20. Mida los valores de voltaje tanto de entrada al circuito (salida del generador de funciones) como a la salida del circuito amplificador, para cada uno de los valores de Rf señalados en la tabla, y registre estos valores en la tabla 6.5. Observe la polaridad de la salida, en relación a la entrada, en cada caso. Vi Ri Rf Vo Calculado

pico- picoVocpp= Vi[(Rf/Ri)+1]

Ganancia Calculada G=Voc/Vi

Vo Medido pico-pico Vompp

Ganancia Medida Gm=Vom/Vi

1Vpp 1K Ω 100 Ω 1.1Vpp 1.1 1.08Vpp 1.081Vpp 1K Ω 1K Ω 2Vpp 2 2.05Vpp 2.051Vpp 1K Ω 4.7K Ω 5.7Vpp 5.7 5.8Vpp 5.81Vpp 1K Ω 10K Ω 11Vpp 11 10.8Vpp 10.81Vpp 1K Ω 100K Ω 101Vpp 101 10.8Vpp 10.8

Tabla 6.5. Medición del voltaje de salida del amplificador de C.A, en configuración No Inversora.

6.21. En el espacio de la figura 6.8, coloque las imágenes obtenidas de los voltajes de salida vs entrada medidos de cada una de las 5 pruebas realizadas en el paso 6.20.

(a) (b)

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( c ) (d)

(e)

Figura 6.8. Imágenes obtenidas de los voltajes de salida vs entrada medidos de cada una de las 5 pruebas realizadas en el paso 6.20, para el amplificador de C.A, en configuración No Inversora. (a) G=1.1, (b) G=2, (c) G=5.7, (d) G=11, (e) G=101.

6.22. Conteste las siguientes preguntas:¿Se observa un defasamiento entre las señales de entrada y salida en esta prueba?,. Si es el caso, ¿De cuántos grados eléctricos es el defasamiento? Respuesta: No existe un defasamiento entre la salida y la entrada.¿Qué sucedió con el voltaje de salida obtenido en el amplificador Inversor, cuando se colocó una Rf de 100K Ω? Respuesta: Debido a que la Ganancia en ese momento es de 100, al introducir 1Vpp la salida debiera ser de 100Vpp, pero el amplificador operacional está alimentado con +-12V, y por lo tanto se ha saturado, entregando un voltaje a la salida un poco menor que el de alimentación.¿Qué sucedió con la forma de onda de salida del amplificador, cuando la ganancia fue de 100? Respuesta: Se tiende a deformar la onda senoidal, ya que al saturarse el amplificador, éste “trunca” a la señal de salida a valores cercanos a los de alimentación.¿Los voltajes de saturación positiva y negativa son simétricos? Respuesta: No. Aunque son muy similares (10.8v y -10.7v).¿Se puede realizar una reducción, en vez de amplificación, en esta configuración? Respuesta: No es posible una reducción de la señal a la salida del amplificador.

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6.23. Desenergice las fuentes de alimentación. Construya el circuito de la figura 6.9, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito seguidor de voltaje. Nota: El interruptor (SW1 del diagrama) puede ser reemplazado por simples cables.6.24. Mantenga el interruptor o cable en la posición que se muestra en la figura 6.9, de manera que permita “hacer pasar” el voltaje del potenciómetro RV1 a través del primer amplificador operacional, el cual estará funcionando en la configuración seguidora de voltaje (también conocida como acoplamiento de impedancias). Mueva el potenciómetro a cualquier valor positivo menor a 10 volts, midiéndolo con un vóltmetro de C.D. Mida el voltaje de salida del segundo amplificador, el cual tiene una ganancia unitaria inversora, ya que Rf y Ri son iguales.Registre las dos mediciones obtenidas en este paso, en la tabla 6.6, en el espacio correspondiente (marcado como “empleando el seguidor de voltaje).

Figura 6.9. Circuito seguidor de voltaje (y de desacoplamiento de impedancias), en la posición de “empleando el seguidor”.

6.25. Mueva el interruptor o cable en la posición que se muestra en la figura 6.10, de manera que permita “hacer pasar” el voltaje del potenciómetro RV1 directamente hacia el segundo amplificador en la entrada inversora, donde se encuentra la resistencia de entrada. Mida el voltaje de salida del segundo amplificador, el cual tiene una ganancia unitaria inversora, ya que Rf y Ri son iguales.Registre las dos mediciones obtenidas en este paso, en la tabla 6.6, en el espacio correspondiente (marcado como “sin emplear el seguidor de voltaje).

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Figura 6.10. Circuito seguidor de voltaje (y de desacoplamiento de impedancias), en la posición de “sin emplear en seguidor”.

Acción: Voltaje Vo a la salida del circuito:Empleando el seguidor de voltaje 4.8VSin emplear el seguidor de voltaje 1.55V

Tabla 6.6. Parámetros medidos en un circuito con y sin acoplamiento de impedancias, empleando un seguidor de voltaje.

6.26. Conteste las siguientes preguntas:Cuando no se emplea un acoplador de impedancias, ¿Existe una disminución considerable del voltaje aplicado a la entrada del circuito? Respuesta: Si.En su caso, ¿A qué se debe ésta pérdida de voltaje? Respuesta: Se debe a que la impedancia del potenciómetro (o elemento que genera el voltaje de entrada) se pone en paralelo con Ri hacia la tierra virtual (terminal no inversora del segundo amplificador), por lo que el voltaje aplicado se reduce considerablemente.Cuando la señal de entrada se aplica primero a través de un seguidor de voltaje, ¿Este funciona efectivamente como un acoplador de impedancias? Respuesta: Si, ya que permite que el voltaje que se aplica, no tenga pérdidas.¿Se debe entonces colocar siempre un seguidor de voltaje después de cualquier fuente, sensor o transductor, antes de aplicarlo a otras configuraciones con operacionales? Respuesta: Si, ya que al acoplar las impedancias, nunca habrá pérdidas de voltaje, sobre todo si la impedancia de la fuente o sensor no es muy grande.Analizando la fórmula de un amplificador en configuración No iIversora y aplicándola al seguidor de voltaje, ¿Por qué razón el voltaje de salida del seguidor es el mismo que el de su entrada? Respuesta: Recordando que la fórmula del voltaje de salida de una configuración No Inversora está dada por Vo= Vi[(Rf/Ri)+1], y siendo Rf=0Ω y Ri=∞ , entonces Vo=Vi.

6.27. Desenergice las fuentes de alimentación. Observe el diagrama a bloques de la figura 6.11(a), el cual representa la operación de convertir grados Celsius a grados Fahrenheit. Observe que la operación a realizar es:oF= (9/5)oC + 32, la cual implica una multiplicación y una suma.

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Figura 6.11(a). Diagrama a bloques de la operación de convertir grados Celsius a grados Fahrenheit.Construya el circuito de la figura 6.11(b), el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito convertidor de escalas, que para este caso será entre grados Celsius y grados Fahrenheit. Nota: El divisor de voltaje R3 y Potenciómetro RV1 hará las veces de sensor de temperatura simulado, entregando en éste caso un voltaje de salida de 10mVolts por cada grado Celsius. Se empleará también un circuito sumador de voltaje con amplificadores operacionales en éste mismo circuito, el cual es también una de las aplicaciones importantes de los amplificadores operacionales. Si observamos la expresión que permite calcular los grados Fahrenheit a partir de los grados Celsius, la cual nos dice que oF= (9/5)oC + 32, podremos ver la necesidad de empleo de un multiplicador y un sumador en esta expresión. Recordemos que una de las aplicaciones muy importantes de los amplificadores operacionales es la de permitir convertir entre escalas de variables analógicas. De esta manera, podemos convertir escalas de temperatura, presión, distancias, velocidades, etc.

Figura 6.11(b). Circuito convertidor de escalas, entre grados Celsius y grados Fahrenheit, empleando multiplicadores, sumador y seguidores de voltaje.

6.28. Energice las fuentes de alimentación. Mueva el potenciómetro RV1 de manera que entregue un voltaje de 220mVolts, medidos con un vóltmetro de C.D, lo cual corresponde a la simulación de una temperatura de 22 oC. Mida también el voltaje a la salida del primer seguidor de voltaje (pin 7 del TL084 marcado en el circuito en la ETAPA 1) y asegúrese que sea muy similar al valor medido del simulador de sensor.

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X (9/5)SENSOR

DE TEMP.SUMADOR

OFFSET

MULTIPLICADOR

+

+oC

32

oF

Nota: Si no son similares estos voltajes, verifique nuevamente las conexiones de su circuito.

6.29. Mida el voltaje a la salida del multiplicador de voltaje de factor 1.8 ó 9/5 (pin 1 del TL084 marcado en el circuito en la ETAPA 2) y asegúrese que sea muy similar al valor del voltaje del seguidor multiplicado por 1.8. Para el ejemplo, dado que el sensor entrega 220mV, el valor de salida del multiplicador deberá ser de (9/5)oC = (9/5) (220mV)= 396mV. Anote el valor medido: = -398mV. Nota: Si no son similares el voltaje medido y el calculado en esta etapa, verifique nuevamente las conexiones de su circuito y los valores de los componentes. El signo obedece a que ha pasado por un INVERSOR.

6.30. Mida el voltaje a la salida del circuito generador de offset de -320mVolts (pin 14 del TL084 marcado en el circuito en la ETAPA 3) y asegúrese que sea muy cercano a éste valor. Nota: Puede emplear un divisor de voltaje como el señalado en el circuito (formado por R7 y R8) o puede usar un potenciómetro ajustado a -320mV. Nota: observe que se obtiene un voltaje negativo ya que está tomado de la fuente de alimentación negativa. Dado que la ecuación de conversión de escalas de este circuito nos señala una suma de 32, tendríamos que sumar este factor al obtenido en el paso 6.29 o ETAPA 2; pero sumar 32volts es imposible, además estamos trabajando con unos pocos milivolts entregados por el sensor, por lo que si sumamos 320mV al valor obtenido en la ETAPA 2, el resultado de salida de la ETAPA 3 deberá ser de 396mV + 320mV = 718mV. Este valor corresponderá a una temperatura de 71.8 oF, por un factor de 10.Anote el valor obtenido a la salida de la ETAPA 3: -320mV.6.31. Mida el voltaje a la salida general del circuito (en la terminal marcada como 8 en la ETAPA 4). Esta etapa está diseñada para servir como SUMADOR INVERSOR de dos señales, donde una es el factor (9/5)oC, y la otra es el offset de 320mV, ambos con signo negativo. Dado que el sumador es Inversor, el resultado será simplemente la suma de los 2 parámetros mencionados, con polaridad positiva.Registre el valor obtenido a la salida general del circuito: 720mV, lo cual corresponde a 72 o F.

6.32. Desenergice el circuito. Responda a las siguientes preguntas.¿Cuál es la finalidad de usar un seguidor de voltaje tanto en la etapa del sensor como en la etapa del offset? Respuesta: Se requiere un seguidor de voltaje para acoplar las impedancias del sensor y del potenciómetro o divisor del offset, para evitar pérdidas de voltaje.¿Porqué los valores de las resistencias del sumador deben ser iguales? Respuesta: R4 y R5 en el diagrama, deben ser del mismo valor para evitar que el sumador genere ganancias individuales y diferentes. Éstas deben ser del mismo valor que R6 en el circuito, para no generar una ganancia global.¿Es necesario dividir entre 10 el voltaje que entrega el amplificador operacional de la etapa final? Respuesta: Puede ser requerido para que la lectura la entregue en forma directa; sin embargo, implica más circuitería, ya que los 4 operacionales del TLo84 ya han sido usados e implicaría colocar uno más que realice la división entre 10.

6.33. Desenergice las fuentes de alimentación. Construya el circuito de la figura 6.12, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito integrador de señales de C.A, obteniendo a la salida la integral de la señal que se introduzca a la entrada.

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Coloque un generador de funciones como se indica, calibrándolo para que entregue una señal de C.A cuadrada 100Hz y de 1Volt pico. Conecte un osciloscopio de 2 canales como se indica, de manera que permita observa la señal del generador en el canal 1 y la salida general del circuito en el canal 2.

Figura 6.12. Circuito integrador de señales de C.A.

6.34. Energice las fuentes de alimentación. Observe en el osciloscopio las señales de entrada y salida. Coloque las imágenes de las señales obtenidas, en el espacio de la figura 6.13.

Figura 6.13. Formas de onda obtenidas del circuito integrador, para una entrada de forma de onda cuadrada.

6.35. Cambie la forma de onda del generador de funciones hacia forma triangular, y repita el paso anterior. Coloque las imágenes de las señales obtenidas, en el espacio de la figura 6.14.

Figura 6.14. Formas de onda obtenidas del circuito integrador, para una entrada de forma de onda triangular.

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6.36. Cambie la forma de onda del generador de funciones hacia forma senoidal, y repita el paso anterior. Coloque las imágenes de las señales obtenidas, en el espacio de la figura 6.15.

Figura 6.15. Formas de onda obtenidas del circuito integrador, para una entrada de forma de onda senoidal.

6.37. Desenergice las fuentes de alimentación. Responda a las siguientes preguntas.Cuando se introdujo una señal cuadrada al circuito integrador, ¿Qué forma de onda se obtuvo a la salida? Respuesta: Triangular.Si la señal cuadrada está compuesta por una constante positiva desde t=0 hasta t=T/2, al calcular la integral de esta función, ¿el resultado de graficar esta integral es una rampa positiva? Respuesta: Si, ya que al integrar una constante entre los tiempos t=0 hasta t=T/2, se obtiene que f(t) = t, que al graficarse resulta una rampa positiva.Al integrar una señal triangular (rampa de pendiente positiva y negativa), ¿Qué forma de onda se obtuvo a la salida? Respuesta: Senoidal.Si la señal triangular está compuesta por una rampa de pendiente positiva desde t=0 hasta t=T/2, al calcular la integral de esta función, ¿el resultado de graficar esta integral es una parábola positiva? Respuesta: Si, ya que al integrar una función f(t)=t entre los tiempos t=0 hasta t=T/2, se obtiene que f(t) = t 2 , que al graficarse resulta una parábola positiva.Al integrar una señal senoidal, ¿Qué forma de onda se obtuvo a la salida? Respuesta: Cosenoidal.El circuito realizado, ¿Genera un defasamiento entre la señal de salida en relación a la entrada? Respuesta: Sí. ¿Cuáles son las 2 razones por las que se genera este defasamiento? Respuesta: La primera es porque el circuito integrador está en la configuración inversora; la segunda razón es debida a que el circuito RC conformado por C1 y R1, resulta ser un circuito RC serie, con un ángulo de defasamiento de θ= -tg-1(2π/RC).

6.38. Desenergice las fuentes de alimentación. Construya el circuito de la figura 6.16, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un circuito derivador de señales de C.A, obteniendo a la salida la derivada de la señal que se introduzca a la entrada.Coloque un generador de funciones como se indica, calibrándolo para que entregue una señal de C.A triangular de 10 KHz y de 1Volt pico. Conecte un osciloscopio de 2 canales como se indica, de manera que permita observa la señal del generador en el canal 1 y la salida general del circuito en el canal 2.

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Figura 6.16. Circuito derivador de señales de C.A.

6.39. Energice las fuentes de alimentación. Observe en el osciloscopio las señales de entrada y salida. Coloque las imágenes de las señales obtenidas, en el espacio de la figura 6.17.

Figura 6.17. Formas de onda obtenidas del circuito derivador, para una entrada de forma de onda triangular de 10KHz y 1Vp.

6.40. Cambie la forma de onda del generador de funciones hacia forma cuadrada, y repita el paso anterior. Coloque las imágenes de las señales obtenidas, en el espacio de la figura 6.18.

Figura 6.18. Formas de onda obtenidas del circuito derivador, para una entrada de forma de onda cuadrada.

6.41. Cambie la forma de onda del generador de funciones hacia forma senoidal, y repita el paso anterior. Coloque las imágenes de las señales obtenidas, en el espacio de la figura 6.19.

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Figura 6.19. Formas de onda obtenidas del circuito derivador, para una entrada de forma de onda senoidal.

6.42. Desenergice las fuentes de alimentación. Responda a las siguientes preguntas.Cuando se introdujo una señal triangular al circuito derivador, ¿Qué forma de onda se obtuvo a la salida? Respuesta: Cuadrada.Al derivar una señal cuadrada, ¿Qué forma de onda se obtuvo a la salida? Respuesta: Se obtuvo una función impulso o “δ(t)”.Al derivar una señal senoidal, ¿Qué forma de onda se obtuvo a la salida? Respuesta: Cosenoidal negativa.El circuito realizado, ¿Genera un defasamiento entre la señal de salida en relación a la entrada? Respuesta: Sí. ¿Cuáles son las 2 razones por las que se genera este defasamiento? Respuesta: La primera es porque el circuito integrador está en la configuración inversora; la segunda razón es debida a que el circuito CR conformado por R1 y C1, resulta ser un circuito CR serie, con un ángulo de defasamiento de θ= tg-1(2π/RC).

6.43. Realice el siguiente cuestionario: Relacione las siguientes figuras de diagramas de configuraciones de amplificadores operacionales, con los números que enseguida se presentan:1) Amplificador No Inversor, 2) Amplificador Sumador, 3) Amplificador Inversor, 4) Seguidor de voltaje.

Número: 3 Número: 1

Número: 4 Número: 2

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6.44. Para el siguiente diagrama, el cual es un circuito convertidor de escala de grados Celsius a grados Kelvin, coloque los valores de las resistencias adecuados para su funcionamiento. Recuerde que oK=oC+273.

a

b

c

d

e

f

g

Solución:a= 10KΩ, b= 1KΩ, c= 10KΩ, d= 2.94KΩ, e= 1KΩ, f= 1K Ω, g= 1K Ω.

6.45. En algún paquete de simulación de circuitos electrónicos, realice la simulación de los circuitos desarrollados en esta práctica.Anexe sus simulaciones al reporte entregado.

7.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS.El profesor debe:

Fomentar actividades de búsqueda, selección, análisis e interpretación de simbología y diagramas.

Plantear problemas que permitan al estudiante la integración de contenidos de la asignatura, para su análisis y solución.

Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura. Uso de software como herramienta que facilite la simulación y la

comprensión de los conceptos, la resolución de problemas e interpretación de los resultados.

Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas fuentes.

Implementar actividades prácticas que promuevan el desarrollo de habilidades, en el análisis, diseño y selección de los circuitos y dispositivos básicos que se emplean en los circuitos electrónicos analógicos.

Gestionar Visitas a empresas relacionadas con el campo de aplicación.El alumno debe:

Realizar la búsqueda de hojas de datos de los dispositivos empleados, extrayendo de ellas los datos técnicos más importantes.

Desarrollar las simulaciones de todos los circuitos implementados en la práctica, para reforzar sus conocimientos.

Realizar las conclusiones en forma individual, creándose un juicio analítico sobre los resultados obtenidos en cada parte de la práctica.

Resolver los problemas y las preguntas planteadas por el profesor, en el reporte de la práctica.

8.- REPORTE DEL ALUMNO (RESULTADOS).Tipo de letra TIMES NEW ROMAN 10 cpi, y 12 para los títulos en negritas.

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a) Portada.b) Objetivo de la práctica.c) Marco Teórico.d) Material empleado.e) Desarrollo.f) Resultados. (Datos, gráficas, cálculos y cuestionarios indicados en la

metodología).g) Observaciones y Conclusiones. (Individuales por cada integrante del equipo).h) Bibliografía.

9.- BIBLIOGRAFÍA PRELIMINAR.

1. Robert Boylestad & Louis Nashelsky, Electrónica teoría de circuitos, 8ª edición, Ed.Prentice Hall.19942. Paul Malvino, Principios de electrónica, 7ª edición, Ed. Mc Graw Hill. 2007.3. Savant Roden Carpenter, Diseño Electrónico, 7ª edición, Ed. Pearson. 2006.4. Hilario, A.- Castro, M. Simulación y Electrónica Analógica. Prácticas y problemas, 2ª edición, Editorial Ra-ma, 552 páginas. 2006.5. Cathey J. J. Dispositivos electrónicos y circuitos, 2ª edición, McGraw-Hill (Colección Schaum). 1990.6. Sedra, Dispositivos Electrónicos y Amplificadores de Señales, 2ª edición, Ed. Interamericana. 1989.7. Bibliografía o documentación de ampliación, sitios web:http://www.unicrom.com/http://www.national.comhttp://www.analogdevices.comhttp://www.philipssemiconductor.com

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