Practicas Unidad 6

Universidad Tecnológica de Aguascalientes

Mecatrónica

Electrónica Analógica

Practicas Unidad VI

2°C

Pérez Rodríguez Martin Alejandro Vazquez de la Cruz Jovani Flores Gutierrez Jose Luis

Víctor Manuel Mora Romo

13/04/15

Resumen

En esta serie de prácticas nosotros vimos la importancia de los

amplificadores operacionales a la hora de construir un circuito, ya que

estos nos ayudan a amplificar señales que le entran a cada tipo de

amplificador.

Dependiendo de la configuración que tiene cada amplificador a la hora de

conectarlo es la función que van a realizar, existen muchos tipos de

configuración, nosotros vimos 6 configuraciones diferentes, no todas las

usamos en estas prácticas, pero con las que utilizamos ya nos dimos una

idea muy general de cómo es que funcionan y para qué sirven los

amplificadores operacionales en la electrónica.

Marco Teórico

Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es

mayor. (Se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para

que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-

Vsat).

Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia real de

un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 –

V2)

Dónde:

- Vout = tensión de salida

- AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más)

- V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)

Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación

negativa o positiva. (Normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menores que el valor de

la fuente (V+ o V-)

Se trata de 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.

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964),

diseñado por Bob Wilder. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Wilder, y que constituyó un

gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Full agar,

y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación,

división, integración, derivación, 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.

Objetivos

En estas prácticas nosotros nos planteamos algunos objetivos, entre los cuales está el de entender bien el funcionamiento de un amplificador operacional. Saber las aplicaciones de estos componentes electrónicos y para qué sirve. Diseñar algunos circuitos en los que el uso de los amplificadores sea indispensable


Mecatrónica


PRÁCTICA 1: Uso del Amplificador Operacional (AO) como comparador

2°C

Marco Aldair Cuevas Sánchez Edgar Macias Nungaray


13/04/15

Objetivo: El alumno al final de la práctica:

Implementará el AO en la modalidad de comparador para detectar diferentes niveles de voltaje,

en diversas configuraciones: cruce por cero, nivel positivo y nivel negativo, tanto inversor como

no inversor.

Comprenderá el concepto de voltaje de saturación positiva (+Vsat) y negativa (-Vsat).

Marco teórico:

Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es

mayor. (Se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para

que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-

Vsat).

Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia real de

un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 –

V2)

Dónde:

- Vout = tensión de salida

- AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más)

- V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)

Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación

negativa o positiva. (Normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menores que el valor de

la fuente (V+ o V-)

Material y equipo:

1 LM741

1 Fotorresistencia

2 Potenciómetros de 10KΩ

1 R 1KΩ, 47KΩ

1 foco de 12V

1 Transistor TIP41 o equivalente

1 diodo 1N4001

1 Protoboard

1 Multímetro

4 Caimanes

1 Fuente de voltaje

1 Extensión

DESARROLLO

(TODAS LAS MEDICIONES SON CON RESPECTO A TIERRA)

Arme los siguientes circuitos, ajuste el voltaje del potenciómetro Vent según lo indicado y mida con el

multímetro el voltaje de salida de cada uno.

DETECTOR DE CRUCE POR CERO NO INVERSOR

DETECTOR DE CRUCE POR CERO INVERSOR

(Del circuito anterior simplemente invierta las dos entradas y vuelva a repetir)

Observando los resultados: ¿Por qué es detector de cruce por cero? Porque en el 0 es donde se

cruza

Vent Vsal

-10v -13.20

-5v -13.20

-2v -13.20

-1v -13.20

+1v 14.75

+2v 14.75

+5v 14.75

+10v 14.75V

Vent Vsal

-10v 14.67

-5v 14.67

-2v 14.33

-1v 14.33

+1v -13.25

+2v -13.26

+5v -13.27

+10v -13.29

¿Por qué es no inversor o inversor? Porque depende de si es inversor o no, se invierte el signo del voltaje

DETECTOR DE NIVEL NO INVERSOR

(Ajuste primero Vnivel al voltaje que se indica)

NIVEL POSITIVO NIVEL NEGATIVO

DETECTOR DE NIVEL INVERSOR

Vnivel Vent Vsal

+3v

-10v -13.24

-5v -13.26

-2v -13.25

-1v -13.26

+1v -13.29

+2v -13.29

+5v 15.21

+10v 15.21

Vnivel Vent Vsal

-3v

-10v -13.22

-5v -13.23

-2v 15.21

-1v 15.21

+1v 15.22

+2v 15.22

+5v 15.22

+10v 15.22

(Del circuito anterior simplemente invierta las dos entradas y vuelva a repetir)

NIVEL POSITIVO NIVEL NEGATIVO

Observando los resultados: ¿Por qué es detector de nivel? Porque nosotros

determinamos el nivel con un pot

¿Por qué es positivo o negativo? Depende del nivel que

nosotros determinemos con el pot

¿Por qué es no inversor e inversor? Porque dependiendo del

signo del voltaje que pongamos en el pot es inversor o no inversor

APLICACIÓN PRÀCTICA DEL COMPARADOR

Mida la resistencia de la fotorresistencia a la máxima luz ambiental posible: Rmin: 300Ω

Mida la resistencia de la fotorresistencia a la mínima luz tapándolo totalmente: Rmáx: 18.6KΩ

Nota: Estos datos solo es para comprender la configuración del comparador usado.

Arme el siguiente circuito. (Nota: El transistor se usa a modo de interruptor electrónico)

Vnivel Vent Vsal

+3v

-10v 15.22

-5v 15.22

-2v 15.22

-1v 15.22

+1v 15.22

+2v 15.22

+5v -13.32

+10v -13.32

Vnivel Vent Vsal

-3v

-10v 15.22

-5v 15.22

-2v -13.26

-1v -13.27

+1v -13.27

+2v -13.27

+5v -13.27

+10v -13.27

Ajuste Vx a +6v y mida con el multímetro el voltaje de la fotorresistencia mientras la bloquea.

Indique que pasa: Prende el foco

Ajuste Vx a +10v y repita: No prende el foco

Ajuste Vx a +2v y repita: Prende el foco

Invierta las dos entradas del AO, fije Vx=+6V y pruebe nuevamente. Indique que diferencia tiene.

Baja el voltaje de la fotorresistencia


Mecatrónica


PRÁCTICA 2: Uso del Amplificador Operacional (AO) como amplificador

2°C



13/04/15


Implementará el AO conectándolo como amplificador de voltaje inversor o no inversor.

Experimentará y comprobará que cuando hay retroalimentación negativa en un AO la ganancia

del amplificador inversor y no inversor se define por las resistencias externas que se le conecten

al exterior del AO, además que las comprobará por las ecuaciones correspondientes.

Marco teórico:

Se trata de 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.

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964),

diseñado por Bob Wilder. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Wilder, y que constituyó un

gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Full agar,

y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación,

división, integración, derivación, 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.

Material y equipo:

1 LM741 o LM358

1 R 100kΩ, 1kΩ

2 R 10kΩ

1 Potenciómetro 10kΩ

1 Protoboard

1 Fuente de voltaje

1 Osciloscopio

1 Generador de señales

1 Multímetro

4 Caimanes

DESARROLLO

Amplificador Inversor.

Arme el circuito del amplificador inversor y llene la siguiente tabla

Por cada combinación de resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.

OJO: ¡Siempre revise Vent en cada medición!

Amplificador NO Inversor.

Arme el circuito del amplificador NO inversor y llene la siguiente tabla

Por cada combinación de resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.

Ri Rf

Ganancia

calculada

Voltaje de

entrada

(CD)

Voltaje de

salida

(CD)

Ganancia A=Vsal/Vent

1 10kΩ 10kΩ 1 1v 1 1

2 10kΩ 100kΩ 10 1v 10 10

3 20kΩ 100kΩ 5 1v 5 5

4 100kΩ 10kΩ 1 1v 1 1


Uso del Amplificador Seguidor

a) Conecte un divisor de voltaje y mida Vx b) Ahora conecte una carga de 1k en

(Este valor se simulara una señal de sensado) paralelo a Vx y vuelva a medir.

Vx= 7.5V Vx= 13.63V

Indique cual es el problema: Si se introduce una resistencia en paralelo el voltaje de salida

incrementa

c) Inserte el amplificador seguidor entre señal y carga.

Ri Rf

Ganancia

calculada

Voltaje de

entrada

(CD)

Voltaje de

salida

(CD)

Ganancia A=Vsal/Vent

1 10kΩ 10kΩ 1 1v 1 1

2 10kΩ 100kΩ 10 1v 10 10

3 20kΩ 100kΩ 5 1v 5 5

4 100kΩ 10kΩ .1 1v .1 .1

Cuestionario.

1. ¿En qué tanto difiere los cálculos teóricos contra los resultados prácticos?

Solo en el porcentaje de variación que tiene cada resistencia utilizada

2. De acuerdo a los resultados ¿Por qué a los amplificadores se les conoce como inversor y no

inversor?

Porque puede invertir el valor del voltaje que le entra

3. ¿Qué pasaría si Vx fuera un voltaje negativo para cada amplificador inversor y no inversor?

Al momento de que llega al voltaje de salida el signo sería diferente y con un valor distinto

dependiendo de la configuración

4. ¿Qué opina del amplificador seguidor?

Vuelva a medir:

Vx = 7.5V Ahora mida el voltaje en la carga:

Vsal = 13.63 Indique lo sucedido: En esta configuración nosotros no tenemos ninguna Rf por eso el voltaje no se amplifica

Pues en esta práctica fue como si se tratara de otro cable más ya que no contaba con una Rf para que si

pudiera amplificar, por lo pronto el voltaje de entrada fue


Mecatrónica


PRÁCTICA 3: Uso del Amplificador Operacional (AO) como amplificador

2°C



13/04/


Implementará el AO conectándolo como amplificador de voltaje inversor o no inversor y que

servirá tanto para señales tanto CA como de CD.

Experimentará y comprobará que cuando hay retroalimentación negativa en un AO la ganancia

del amplificador inversor y no inversor se define por las resistencias externas que se le conecten

al exterior del AO, además que las comprobará por las ecuaciones correspondientes.

Marco teórico:

El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores

analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en

los años 40. El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc

(amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas

características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados.

Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes

operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas

sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar

diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento

de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos.

Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de

vacío. El uso generalizado de los Años no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a

aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales, fabricándose

módulos que realizaban la circuitería interna del amplificador operacional mediante diseño discreto de

estado sólido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales

de circuito integrado.

Material y equipo:

1 LM741 o LM358

1 R 100kΩ, 1kΩ

2 R 10kΩ

1 Potenciómetro 10kΩ

1 Protoboard

1 Fuente de voltaje

1 Osciloscopio

1 Generador de señales

1 Multímetro

4 Caimanes

DESARROLLO

Amplificador Inversor.

Arme el circuito del amplificador inversor y llene la siguiente tabla además de dibujar las señales de

entrada contra la de salida. (Utilice la misma escala del osciloscopio para los dos canales)

MECATRÓNICA

(Las gráficas repórtelas con señal senoidal, pero haga pruebas usando las tres: senoidal, triangular y

cuadrada).

MECATRÓNICA

Incluya los cálculos teóricos y compare los resultados de ganancia

Prueba con voltajes en CD.

Quite el generador de señales y agregue ahora un potenciómetro de 10kΩ; por cada combinación de

resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.

MECATRÓNICA


Amplificador NO Inversor.

Arme el circuito del amplificador NO inversor y llene la siguiente tabla además de dibujar las señales de

entrada contra la de salida. (Utilice la misma escala del osciloscopio para los dos canales)

(Las gráficas hágalas con señal senoidal, pero compruebe la salida usando las tres: senoidal, triangular y

cuadrada).

MECATRÓNICA

Incluya los cálculos teóricos y compare los resultados de ganancia

Prueba con voltajes en CD.

Quite el generador de señales y agregue ahora un potenciómetro de 10kΩ; por cada combinación de

resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.

MECATRÓNICA


Uso del Amplificador Seguidor

a) Conecte un divisor de voltaje y mida Vx b) Ahora conecte una carga de 1k en

(Este valor se simulara una señal de sensado) paralelo a Vx y vuelva a medir.

Vx= 7.39V Vx= 1.2V

c) Inserte el amplificador seguidor entre señal y carga.

Cuestionario.

Vuelva a medir:

Vx = 8.4V

MECATRÓNICA

1. ¿En qué tanto difiere los cálculos teóricos contra los resultados prácticos en cuanto a

ganancia?

Cambian un poco dependiendo del objeto con el que se mide.

2. Como consecuencia de la pregunta 1 ¿Se tiene ventajas al usar un amplificador operacional

sobre un amplificador a base de transistor? ¿Por qué?

Si por que hace la función de miles de transistores.

3. De acuerdo a los resultados ¿Por qué a los amplificadores se les conoce como inversor y no

inversor?

Dependiendo de la configuración que se le da en las terminales inversora y no inversora.

4. ¿Puede un amplificador operacional amplificar un voltaje de CD? y ¿Uno a base de transistor?

Si

5. ¿Qué pasaría si Vx fuera un voltaje negativo para cada amplificador inversor y no inversor?

Para el inversor seria voltaje positivo y para el no inversor positivo.

6. ¿Qué opina del amplificador seguidor?

Pues que no sirve para casi nada por que pasa el voltaje tal cual lo recibe.

MECATRÓNICA


Mecatrónica


MECATRÓNICA

PRÁCTICA 4: Amplificadores sumador inversor, restador y de instrumentación

2°C



13/04/15 Objetivos: El alumno al terminar la práctica:

Implementará el AO conectándolo como amplificador de voltaje sumador y restador, además

como amplificador de instrumentación.

Comprobará las ecuaciones que rigen a cada una de las configuraciones que se armarán.

Marco teórico.

Con la posibilidad de producción en masa que las técnicas de fabricación de circuitos integrados

proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades,

lo que, a su vez contribuyó a rebajar su coste. Hoy en día el precio de un amplificador operacional

integrado de propósito general, con una ganancia de 100 dB, una tensión offset de entrada de 1 mV, una

corriente de entrada de 100 nA. Y un ancho de banda de 1 MHz. es inferior a 1 euro. El amplificador, que

era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para

convertirse en un componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado por completo el

panorama del diseño de circuitos lineales.

Con componentes de ganancia altamente sofisticados disponibles al precio de los componentes pasivos,

el diseño mediante componentes activos discretos se ha convertido en una pérdida de tiempo y de dinero

para la mayoría de las aplicaciones dc y de baja frecuencia. Claramente, el amplificador operacional

integrado ha redefinido las "reglas básicas" de los circuitos electrónicos acercando el diseño de circuitos

MECATRÓNICA

al de sistemas. Lo que ahora debemos de hacer es a conocer bien los AOs, cómo funciona, cuáles son

sus principios básicos y estudiar sus aplicaciones

Material.

1 LM741, 1 LM358

5R 10KΩ

3R 22KΩ

2 Potenciómetros

1 Protoboard

1 Multímetro

1 Fuente de voltaje

4 Caimanes

DESARROLLO.

Amplificador sumador.

Arme el circuito del siguiente sumador de dos voltajes:

1. Obtenga la ecuación del voltaje de salida.

2. Mueva los dos potenciómetros para ajustar los voltajes V1 y V2 y mida el voltaje Vsal.

Fórmula:

...3

32

21

1V

R

RfV

R

RfV

R

RfVsal

MECATRÓNICA

Amplificador restador

Arme el circuito del siguiente restador:

1. Obtenga la ecuación del voltaje de salida y la ganancia.

2. Mueva los dos potenciómetros para ajustar los voltajes V1 y V2 y mida el voltaje Vsal.

Fórmula: 12 VVRi

RfVsal

MECATRÓNICA

Amplificador de instrumentación

Arme el siguiente circuito del amplificador de instrumentación

1. Obtenga la ecuación del voltaje de salida y la ganancia.

2. Mueva los dos potenciómetros para ajustar los voltajes V1=1.5v y V2=4v y mida el voltaje Vsal.

MECATRÓNICA

Fórmulas: 12

Rg

RfA 121

2VV

Rg

RfVsal

MECATRÓNICA


Mecatrónica

MECATRÓNICA


PRÁCTICA 5: Amplificadores Derivador e Integrador inversor

2°C



13/04/15 Objetivos: El alumno al terminar la práctica:

Implementará el AO para realizar las operaciones de derivación e integración de señales de

voltaje.

Comprobará las ecuaciones que rigen a cada una de las configuraciones que se armarán.

Marco teórico.

El circuito derivador es exactamente lo opuesto al circuito integrador. Como con el circuito integrador, en

el circuito derivador hay una resistencia y un condensador formando una red RC a través del amplificador

operacional, pero en este caso, la reactancia, XC, está conectada a la entrada inversora del amplificador

operacional, mientras que la resistencia, RF, forma el elemento de realimentación negativa. La reactancia

del condensador juega un papel importante en el rendimiento de un circuito derivador.

Resumiendo, los componentes necesarios que hay que conectar a un amplificador operacional son los

siguientes:

Un condensador conectado a la entrada inversora.

Una resistencia de realimentación conectada entre la salida y la entrada inversora.

MECATRÓNICA

Material.

1 LM358

1R 10kΩ

2R 100kΩ

1 Protoboard

1 Multímetro

1 Fuente de voltaje

1 Osciloscopio

1 Generador de funciones

4 Caimanes

DESARROLLO.

Amplificador derivador inversor.

3. Arme el circuito del amplificador derivador inversor

4. Aplique las siguientes señales, grafique las salidas indicando su valor pico e indique qué tipo de

función se obtiene a la salida. (Todas las señales 5Vpico y 100 Hz).

MECATRÓNICA

Amplificador derivador integrador.

1. Arme el circuito del amplificador derivador integrador

MECATRÓNICA

2. Aplique las siguientes señales, grafique las salidas indicando su valor pico e indique qué tipo de

función se obtiene a la salida. (Todas las señales 5Vpico y 5kHz).

MECATRÓNICA

MECATRÓNICA

Resultados

Los resultados fueron presentados anteriormente por medio de imágenes y respuestas

a las preguntas planteadas por cada una de las prácticas

MECATRÓNICA

Conclusiones

Las conclusiones obtenidas concuerdan con el marco teórico y en cada aplicación que

utilizamos de los amplificadores operacionales, cuando calculábamos algún valor que

fuéramos a medir, a la hora de medirlo si era algo exacto, sólo variaba por el porcentaje

de variación de las resistencias, que en este caso en las que utilizamos fue de un 5%

según el color dorado en la última barra de cada una de las resistencias

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