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Curso de Electrónica Analógica - Lección 11 - Los amplificadores operacionales y el 555 (CUR1011S)

11.1 - El Amplificador Operacional

Los amplificadores operacionales se desarrollaron originalmente para realizar operaciones en equipos analógicos, un tipo que ya no se utiliza actualmente. En estas computadoras, las operaciones se realizaron resumiendo y restando las tensiones, que luego se midieron a la salida, dando así los resultados de las operaciones.

La combinación de muchos de estos amplificadores con la capacidad de realizar varias operaciones más allá de la suma y resta, los cálculos complicados se hicieron con facilidad, como el lector puede ver haciendo clic en la figura 1.

 

Figura 1 – Una operación matemática realizada por 3 amplificadores operacionales
Figura 1 – Una operación matemática realizada por 3 amplificadores operacionales

 

 

Actualmente el amplificador operacional tiene muchas otras utilidades, por su capacidad para realizar "operaciones" con tensiones eléctricas.

Básicamente un amplificador operacional consiste en un dispositivo que tiene dos entradas para las señales y una salida, como se muestra en el símbolo universalmente adoptado de la figura 2.

 

Figura 2 – símbolo del amplificador operacional
Figura 2 – símbolo del amplificador operacional

 

 

Una de las entradas, marcada con el signo (+), recibe el nombre "entrada no inversora". Recibe este nombre porque una señal aplicada en esta entrada aparece en la salida (S) del circuito con la misma polaridad o fase.

Así, si se produce una pequeña variación de la tensión en esta entrada, de 0 a 1 mV, por ejemplo, en la salida tendremos una variación de la tensión amplificada de 0 a 1 V, por ejemplo. En este caso tenemos una variación de 1 000 veces en la intensidad de la señal, lo que significa que el operacional tiene una ganancia de 1 000 veces.

Los amplificadores operacionales comunes, como el 741, uno de los más famosos, pueden tener ganancias tan grandes como 100 000 veces como se muestra en la figura 3.

 

Figura 3 – Amplificando 100 000 veces una señal
Figura 3 – Amplificando 100 000 veces una señal

 

 

La otra entrada, marcada con el signo (-), recibe el nombre de "entrada inversora". Si aplicamos una señal en esta entrada, aparece en la salida con la polaridad o la fase invertida, como el lector puede ver haciendo clic en la figura 4.

 

Figura 4 – Usando la entrada inversora
Figura 4 – Usando la entrada inversora

 

 

Asumiendo que la salida está a cero volts, verificamos que, si la tensión en la entrada inversora varía de 0 a 1 mV, la tensión varía de 0 a -1 volt en la salida.

Vea que, en estas condiciones, es necesario que la alimentación del circuito sea simétrica, es decir, que tenga tensiones negativas para poder producir estos valores en la salida. Como esto se logra a través de la alimentación especial, se estudiará más.

Otro modo de operación para el operacional que debe ser considerado es cuando aplicamos la señal entre las entradas, es decir entre la entrada inversora y la entrada no-inversora, como el lector puede ver en la figura 5.

 

Figura 5 – Operación en modo diferencial
Figura 5 – Operación en modo diferencial

 

 

En este caso el amplificador amplifica la diferencia entre las tensiones en los dos puntos. Si aplicamos una señal que tiene una tensión de 1 mV de amplitud, como el lector notará en la figura 6, tenemos en la salida del operacional una señal de la misma fase amplificada.

 

Figura 6 – Amplificación sin inversión de fase
Figura 6 – Amplificación sin inversión de fase

 

 

Si la polaridad de la señal se invierte, de modo que la entrada inversora esté en una tensión más alta que en la no-inversora, también tenemos la amplificación, pero con la inversión de la polaridad, como el lector puede ver clicando la figura 7.

 

Figura 7 – Amplificación con inversión de fase
Figura 7 – Amplificación con inversión de fase

 

 

Además de un alto factor de ganancia o amplificación, los amplificadores operacionales también tienen otras características importantes que deben ser consideradas. Una de ellas es la alta impedancia de entrada.

Para los amplificadores comunes, con los transistores bipolares (de juntura), tales como el 741, esta impedancia es 1 000 000 ohms. Esto significa que las señales muy débiles pueden ser utilizadas en las entradas sin cargar los circuitos que los proveen.

Los amplificadores operacionales con los transistores del efecto de campo en la entrada (J - FET o MOS - FET) pueden tener incluso impedancias de entrada más altas, tales como el CA3140 que alcanza 1012 (1 000 000 000 000 ohms).

Estos amplificadores se pueden utilizar en instrumentación, donde la alta impedancia de entrada es muy importante para no "cargar" o para influir en el circuito que se está midiendo.

De hecho, un amplificador operacional es un dispositivo de baja potencia, que no sirve para excitar directamente cargas tales como altavoces u otros dispositivos.

En las aplicaciones de audio, y en muchos otros casos, funciona mucho más como un preamplificador eficiente para señales muy débiles aumentando su intensidad, pero no hasta el punto de excitar los cargos finales por lo que otros circuitos adicionales se utilizan como, por Ejemplo: otros integrados o transformadores, como se muestra en la figura 8.

 

Figura 8 – Aumento de la potencia de salida de un amplificador operacional
Figura 8 – Aumento de la potencia de salida de un amplificador operacional

 

 

Sin embargo, hay amplificadores de potencia que ya incluyen transistores y otros elementos internos requeridos para la operación con cargas de alto consumo. Estos se encuentran integrados en las tripas que ya incluyen la solapa de montaje en un radiador de calor.

Vea en la figura 9 la curva de transferencia de un amplificador operacional desde donde conseguimos información importante.

 

 

Figura 9 – Curva de transferencia de un amplificador operacional
Figura 9 – Curva de transferencia de un amplificador operacional

 

 

Observe que la tensión varía entre - V y + V en la salida, y estos valores corresponden a la tensión de la fuente de alimentación.

Asumiendo que la ganancia del amplificador operacional en una aplicación es 1000, vemos que si la potencia es + 10 y - 10 V, cuando aplicamos una tensión la entrada de 10 mV, ya significa que, amplificado, alcanzará el valor de tensión máximo disponible en el circuito que Son 10 V.

Así, cualquier aumento adicional en la entrada no causará más variación en la tensión de salida. El circuito estará "saturado".

Por supuesto, para utilizar el amplificador operacional como un amplificador en sí mismo, debemos mantener la señal de entrada dentro de su parte de funcionamiento lineal, es decir, dentro de los límites donde la tensión de alimentación no sea ultrapasada, de lo contrario la saturación ocurrirá.

 

Cubiertas

Los amplificadores operacionales se encuentran en los más diversos tipos de envoltorios. Los primeros tipos se encontraron en cubiertas metálicas, como se muestra en la figura 10, que es de un antiguo 741 en la cubierta TO-5.

 

Figura 10 – Amplificador operacional en cubierta TO - 5 antiguo
Figura 10 – Amplificador operacional en cubierta TO - 5 antiguo

 

 

Este tipo de cubierta ya no se utiliza. Así, los tipos modernos pueden tener las cubiertas DIL, SMD y otras según la aplicación. En la figura de abajo tenemos algunos tipos de cubiertas de amplificadores de operación más modernas.

 

Figura 11 – Cubierta moderna para amplificadores operacionales
Figura 11 – Cubierta moderna para amplificadores operacionales

 

 

 

En la práctica

Para trabajar con las señales digitales el amplificador operacional puede ser llevado a su punto de saturación. Así, una de las aplicaciones de este componente es precisamente obtener pulsos de intensidad constante, desde señales que no tienen esta característica precisamente aprovechando sus características de saturación.

Con respecto a la frecuencia máxima de funcionamiento, podemos decir que los amplificadores operacionales son dispositivos relativamente lentos, aunque hay tipos especiales mucho más rápidos. Para el 741, por ejemplo, a medida que aumente su velocidad de operación, su ganancia también caerá. Esto nos lleva a definir su capacidad de operar en términos de frecuencia como una frecuencia de transición.

Vea en la figura 12 la curva de ganancia x frecuencia del amplificador de funcionamiento 741, observando que, de una ganancia de 100 000 veces con señales de corriente continua o señales de frecuencia muy baja, nos movemos a una ganancia igual a 1 (la señal de salida es igual a la entrada) para una frecuencia de 1 MHz.

 

 

Figura 12 – Respuesta de frecuencia de un amplificador operacional
Figura 12 – Respuesta de frecuencia de un amplificador operacional

 

 

Por encima de esta frecuencia, el circuito integrado no "amplifica" la señal más.

 

Que significa Rail - to - Rail (RRO)

Hay términos técnicos modernos que aún no son bien conocidos por muchos profesionales de la electrónica. Muchos de estos términos son de gran importancia, ya que definen características de componentes o circuitos fundamentales para su correcto funcionamiento en una aplicación. Uno de estos términos es railt-to-rail o línea -a-línea (abreviadamente RRO – Rail-to-Rail Operational) que explicaremos en este artículo.

Los amplificadores operacionales convencionales, como el conocido 741, cuando operan a lo largo de su rango dinámico de tensión de salida, no pueden alcanzar los valores máximos correspondientes a la alimentación. Así, si alimentamos un operacional de este tipo con una fuente simétrica de 12 + 12 V, cuando funciona, la señal de salida no girará entre - 12 y + 12 V, pero un poco menos, porque siempre hay una cierta caída en los componentes externos.

De esta manera, como se muestra en la figura 13, el amplificador sólo podrá recorrer entre 11,4 y - 11,4, V. La pequeña diferencia que impide que alcance las tensiones de las líneas de alimentación, o "Rail" se debe a pérdidas internas normales.

 

Figura 13 – La salida de un operacional común no puede alcanzar la tensión de alimentación (rail).
Figura 13 – La salida de un operacional común no puede alcanzar la tensión de alimentación (rail).

 

 

Decimos, bajo estas condiciones, que este amplificador operacional no logra una excursión de tensión de salida rail-to-rail.

El 0,6 V en cualquiera de los lados de un operacional alimentado por 12 + 12 V no significa mucho, y en una aplicación normal, esta diferencia no afecta al funcionamiento de la aplicación. Sin embargo, la tendencia actual es que los circuitos operan con tensiones cada vez más bajas.

De esta manera, si alimentamos un operacional con 2,7 V, una queda de 0,6 V para cada línea, ¡o 1,2 V sería catastrófico! La salida del amplificador tendría un rango de sólo 0,3 V, lo que impide el funcionamiento del circuito, como se muestra en la figura 14.

 

  Figura 14 – Con bajas tensiones las pérdidas son inadmisibles.
Figura 14 – Con bajas tensiones las pérdidas son inadmisibles.

 

 

Si el amplificador operacional es para alimentar circuitos lógicos, convertidores A/D y otras aplicaciones más críticas es absolutamente necesario que la señal de salida pueda recorrer entre los valores de la línea de alimentación, es decir, deben ser capaces de ir de línea a línea o rail-to-rail, como se muestra en la figura 15.

 

Figura 15 – En las aplicaciones críticas de baja tensión, la salida debe recorrer entre valores de tensión, alimentación máxima y mínima.
Figura 15 – En las aplicaciones críticas de baja tensión, la salida debe recorrer entre valores de tensión, alimentación máxima y mínima.

 

 

Esta necesidad de circuitos modernos ha llevado a los diseñadores a crear amplificadores operacionales con características que permitan que sus salidas tengan excursiones que se aproximen a los valores máximos de las líneas de alimentación, es decir, estos amplificadores tienen salidas de rail-to-rail.

Varios fabricantes de amplificadores operacionales tienen en su línea de productos circuitos integrados que presentan las características rail-to-rail., como se muestra en la figura 16.

 

Figura 16 – Note que el amplificador TLV2462 de la Texas Instruments, cuya característica se muestra prácticamente alcanza los tensiones de las líneas de alimentación cuando está saturado.
Figura 16 – Note que el amplificador TLV2462 de la Texas Instruments, cuya característica se muestra prácticamente alcanza los tensiones de las líneas de alimentación cuando está saturado.

 

 

En aplicaciones donde un amplificador operacional debe interconectar circuitos lógicos, microcontroladores y otros dispositivos que necesitan la señal que recorra entre los valores de línea de alimentación, tipos especiales con características rail-to-rail deben ser utilizados.

Estos amplificadores, llamados también RRO, deben tener pasos de salida especialmente diseñados para que ambos puedan proporcionar señales de salida en un rango dinámico completo, así como características de entrada que le permitan operar en la misma pista.

 

Nota: también tenemos los amplificadores RRIO o que tiene tanto la entrada como la saída rail-to-rail (Rail-to-Rail Input-Output)

 

CMRR –Rechazo en Modo Común

CMRR es el acrónimo de relación de rechazo de modo común, o Common Mode Rejection Ratio. Esta es una característica de los amplificadores operacionales. Cuando se aplican dos señales de la misma amplitud, frecuencia y fase a las entradas (inversora y no inversora) de un operacional, ellas deben cancelarse y no debe producirse ninguna salida.

En la práctica, sin embargo, aparece una señal pequeña, que se especifica en relación con la ganancia máxima en términos de atenuación o rechazo en dB. La capacidad del operacional para rechazar estas señales iguales es el rechazo en modo común y se mide en dB. Os Los tipos comunes pueden tener CMRR hasta 90 dB.

 

 

Fuentes para amplificadores operacionales

Para poder funcionar en su configuración básica, el amplificador de funcionamiento necesita tener tensiones de alimentación positivas y negativas, es decir, necesita tener una fuente de alimentación simétrica o dual.

La forma más sencilla de lograrlo es con dos baterías idénticas, por ejemplo, 9 V, como puede ver el lector en la figura 17.

 

  Figura 17 – fuente simétrica con dos baterías
Figura 17 – fuente simétrica con dos baterías

 

 

Conectadas en serie, proporcionan una tensión de 18 V, pero en la juntura de los dos tenemos 0 V y en cada extremo, con relación a esta juntura, - 9 V y + 9 V, que sirven para alimentar un amplificador operacional en su funcionamiento normal. Desde la red de corriente alterna se hace una fuente "dual" o simétrica como el montador puede ver haciendo clic en la figura 18.

 

Figura 18 – Fuente simétrica simple con transformador
Figura 18 – Fuente simétrica simple con transformador

 

 

Otra manera de lograr estas tensiones 0 V, o intermedio, se puede ver en la figura 19. Luego usamos un divisor resistivo. Resistores de 1 k ohms a 100 k ohms se puede emplear en este divisor, dependiendo de la corriente de operación necesaria para polarizar los otros elementos.

 

Figura 19 – Fuente simétrica virtual con divisor resistivo.
Figura 19 – Fuente simétrica virtual con divisor resistivo.

 

 

Un filtro para este divisor se puede lograr mejorando el rendimiento del circuito, con el uso de dos capacitores en paralelo con los resistores, como el lector puede ver en la figura 20.

 

Figura 20 – Desacoplamiento con capacitores
Figura 20 – Desacoplamiento con capacitores

 

 

Los capacitores pueden tener valores entre 100 nF y 100 uF, dependiendo de la aplicación del circuito. Otra forma de lograr el punto de 0 V, y así permitir la operación del circuito integrado sin fuente simétrica, es con la ayuda de diodos Zener, como el lector puede ver en la figura 21.

 

 

Figura 21 – Fuente simétrica virtual con diodos Zener
Figura 21 – Fuente simétrica virtual con diodos Zener

 

 

El resistor R en serie con el circuito, se calcula de acuerdo con la corriente total requerida por el amplificador operacional. Vea que las corrientes de funcionamiento típicas son muy bajas, desde el orden de en lo máximo unas pocas decenas de miliampères, lo que simplifica enormemente estos alimentados.

Así, partiendo del circuito que se puede ver en la figura 22, vemos que el divisor formado por las dos resistores polariza la entrada del inversor con la mitad de la tensión de alimentación, es decir, V/2.

 

Figura 22 – Excursión positiva y negativa de la salida operacional
Figura 22 – Excursión positiva y negativa de la salida operacional

 

 

En ausencia de señal en la otra entrada, tendremos en la salida exactamente esta tensión (pequeñas diferencias internas de los componentes pueden hacer que este valor se tambalee un poco, más adelante veremos cómo compensar esto a través de Configuraciones).

Aplicando la entrada no inversora una señal positiva, tendremos en la salida un aumento de la tensión, que entonces oscila de V/2 a tanto como sea posible, que es V por otra parte, si la señal es negativa la tensión de salida fluctuará de V/2 a 0 que es el menor valor admitido.

A continuación, tendremos una curva de transferencia como el lector puede observar en la figura 23.

 

Figura 23 – Curva de transferencia positiva de un operacional con una sola fuente
Figura 23 – Curva de transferencia positiva de un operacional con una sola fuente

 

 

Aplicaciones prácticas

La alta ganancia de un amplificador operacional también significa cierta inestabilidad de funcionamiento y una reducción en su capacidad para amplificar señales de frecuencias más altas. De esta manera, en algunos casos, es necesario reducir deliberadamente esta ganancia a través de recursos externos.

Así, cuando nos referimos a la ganancia de un amplificador operacional en condiciones naturales de operación, es decir, sin ningún dispositivo para controlar esta ganancia, decimos que es "ganancia sin retroalimentación" o en inglés "Open Loop"(lazo abierto).

El control de ganancia de un amplificador operacional se consigue con el uso de de resistores, como se muestra en la figura 24.

 

Figura 24 – Cómo controlar la ganancia de un operacional
Figura 24 – Cómo controlar la ganancia de un operacional

 

 

Lo que hacemos es volver a alimentar la señal retirándolo de la salida y la aplicando a la entrada inversora. A continuación, tenemos un efecto negativo de retroalimentación, que reduce la ganancia de un factor que se puede calcular. Decimos que, en estas condiciones, el amplificador operacional funciona con retroalimentación o en "closed loop" (lazo cerrado) del inglés.

Con la conexión de un resistor (R2) para la regeneración, y otro para la entrada (R1), no sólo se modificará la ganancia del circuito, sino también otras características. Así que la nueva ganancia será dada por la relación entre R2 y R1. La impedancia de entrada se reducirá al valor de R1.

Vea que este es un amplificador inversor. Para una ganancia de 100 veces podemos utilizar los componentes que el lector puede comprobar en la figura 25, donde el amplificador operacional es el 741.

 

Figura 25 – Amplificador con ganancia 100
Figura 25 – Amplificador con ganancia 100

 

 

La impedancia de entrada es de 10 k ohms en este circuito.

Para obtener el mismo "ajuste" de la ganancia para un amplificador no inversor, podemos utilizar el circuito que el lector puede ver en la figura 26. En este circuito, el valor obtenido de la suma de R1 Con R2 dividido por el valor de R1 resulta en la ganancia del amplificador operacional.

 

Figura 26 – La ganancia de un amplificador no inversor
Figura 26 – La ganancia de un amplificador no inversor

 

 

Una configuración muy importante del amplificador operacional es el llamado "seguidor de tensión", cuyo circuito se puede ver en la figura 27.

 

 

Figura 27 – El seguidor de tensión
Figura 27 – El seguidor de tensión

 

 

En este circuito, la salida se conecta directamente a la entrada inversora para que tengamos una retroalimentación completa. El resultado de esto es que el circuito se convierte para tener una ganancia unitaria, es que las variaciones de la tensión de salida serán las mismas que las variaciones de la tensión de entrada.

Una señal de amplitud de 1 V aplicada a la entrada dará como resultado una señal de amplitud de 1 V en la salida. ¿Cuál es la ventaja de eso?

La primera ventaja es que con este ajuste la impedancia de la entrada del circuito se aumenta grandemente. Básicamente, será la ganancia del circuito, sin retroalimentación (100 000 en el caso de 741), multiplicada por la impedancia sin retroalimentación (que en el caso de 741 es 1 000 000).

A continuación, obtenemos con este circuito la fantástica impedancia de entrada de 100 000 000 000 ohms!

En la práctica este valor será menor porque debemos considerar cualquier fuga y resistencia indebida de los componentes internos equivalentes, pero será muy grande.

Dado que la impedancia de salida sigue siendo muy baja, el orden de 150 ohms es fácil de verificar que si no tenemos una ganancia de tensión efectiva, tenemos una ganancia de corriente, es, también una ganancia de potencia muy alta, como se muestra en la figura 28.

 

Figura 28 – La potencia del seguidor de tensión
Figura 28 – La potencia del seguidor de tensión

 

 

Así, si aplicamos 1 volt en la entrada, que corresponde a la circulación de una corriente extremadamente pequeña sobre una resistencia de 1012 ohms , en la salida tenemos una corriente mucho más grande que dará lugar a 1 V sobre una carga de 150 ohms . ¡la ganancia de potencia será demasiado grande!

Otra ventaja importante de este circuito es que al reducir la ganancia también aumentamos la capacidad del operacional en el trabajo con señales de mayor frecuencia. Entonces podemos explorar muchas más de sus posibilidades. El seguidor de tensión es muy utilizado en la instrumentación donde queremos aislar el circuito que se analizará del circuito del instrumento sí mismo, esto es, casándose con una alta impedancia con una baja impedancia.

Otro amplificador operacional, siguiendo el primero, aumentaría la intensidad de la señal si fuera necesario, como puede ver el lector en la figura 29.

 

Figura 29 – Vinculando dos operacionales en cascada para obtener alta ganancia y alta impedancia de entrada
Figura 29 – Vinculando dos operacionales en cascada para obtener alta ganancia y alta impedancia de entrada

 

 

En aplicaciones prácticas es interesante, a veces, que podemos variar la ganancia de un amplificador operacional. Esto se puede lograr fácilmente a través de un potenciómetro como se muestra en la figura 30.

 

Figura 30 – Obteniendo ganancia ajustable
Figura 30 – Obteniendo ganancia ajustable

 

 

En la práctica, uno de los problemas que puede ocurrir con un circuito que utiliza un amplificador operacional es que, debido a las diferencias de valores entre los componentes internos, en vista de la tolerancia, más a las variaciones que se producen con la temperatura, aparece un desequilibrio de funcionamiento.

Así, incluso en ausencia de señal en las entradas, la tensión en la salida puede no ser cero o la mitad de la fuente, según la polarización, pero se mueve hacia arriba o hacia abajo como una forma de desequilibrio, como el lector puede ver en la figura 31.

 

Figura 31 – O offset de un operacional
Figura 31 – O offset de un operacional

 

 

Para compensar este efecto, muchos amplificadores operacionales, como el 741, están dotados con los recursos necesarios para obtener el equilibrio con la ayuda de un componente externo. Este es el ajuste de "offset", O el ajuste de fuga que también se especifica "offset null". Este ajuste se realiza mediante un potenciómetro conectado en la forma que el lector puede ver en la figura 32.

 

 

Figura 32 – El ajuste de nulo del 741
Figura 32 – El ajuste de nulo del 741

 

 

Los circuitos que hemos visto son básicamente amplificadores de señal de frecuencias muy bajas, o corrientes continúas. Sin embargo, los amplificadores operacionales también pueden funcionar con señales de corriente de audio o alternados. Para aislar las corrientes de polarización de la propia señal, hacemos como en los circuitos de transistores comunes o valvulados, colocando capacitores de valores apropiados.

Vea en la figura 33 un amplificador para señales de audio, o corriente alterna, utilizando un amplificador operacional común, y que tiene una ganancia de 100 veces.

 

Figura 33 – Un operacional amplificador de señales
Figura 33 – Un operacional amplificador de señales

 

 

Los capacitores deben ser elegidos de tal manera que presenten una reactancia capacitiva muy baja o insignificante en relación con la frecuencia del circuito en el funcionamiento. Para las señales de audio es común utilizar, en el caso de 741, capacitores de 10 nF a 1 uF en la entrada y de 1 uF a 100 uF en la salida.

Para excitar cargas de mayor potencia, los amplificadores operacionales pueden acoplarse a varios tipos de circuitos con transistores.

Vea en la figura 34 una manera simple de excitar una carga con el uso de un transistor, pero funcionando con la polaridad única.

 

Figura 34 -   Paso de potencia utilizando un transistor NPN
Figura 34 - Paso de potencia utilizando un transistor NPN

 

 

En este circuito, con ganancia unitaria (seguidor de tensión), cuando la tensión de entrada varía de 0 a 12 V, la tensión en la carga (salida) varía aproximadamente en la misma proporción. Sin embargo, mientras que la corriente drenada en la entrada es insignificante, la salida puede suministrar corrientes de más de 100 mA.

Para tener una amplificación también de las señales negativas, podemos utilizar el circuito que se puede ver en la figura 35.

 

 

Figura 35 – Paso de potencia complementaria con transistores
Figura 35 – Paso de potencia complementaria con transistores

 

 

En este caso tenemos dos transistores complementarios. El primer (NPN) conduce cuando la tensión en la salida varía entre aproximadamente 0,6 V y 12 v, mientras que el PNP conduce cuando la tensión en la salida varía entre - 0,6 y aproximadamente - 12 V. La corriente máxima en la carga puede alcanzar 100 mA o más.

La configuración de la figura 36 puede ser interesante para excitar los relés.

 

Figura 36 – Paso de potencia (shield) para la excitación de relé
Figura 36 – Paso de potencia (shield) para la excitación de relé

 

 

Osciladores y filtros

Los amplificadores operacionales también encuentran una amplia gama de usos tales como osciladores de baja frecuencia y todavía en la selección de señales de ciertas frecuencias, es decir como filtros.

Dependiendo de la configuración, podemos hacer que los amplificadores operacionales produzcan señales rectangulares, sinusoidales o triangulares.

En los circuitos lógicos en general tenemos el predominio de las señales digitales, pero hay muchos dispositivos que hacen uso de señales analógicas en ciertos puntos, tales como amplificadores de audio, alarmas, módems, receptores y transmisores de radio, etc. En ellos podemos tener puntos donde la presencia de un amplificador operacional, funcionando como oscilador o filtro, no será una sorpresa.

En la figura 37 tenemos la configuración del oscilador más simple utilizando un amplificador operacional.

 

 

Figura 37 – Amplificador operacional como oscilador de relajación
Figura 37 – Amplificador operacional como oscilador de relajación

 

 

Vea que la forma de onda en el capacitor es aproximadamente triangular y que a la salida, tenemos una onda rectangular. Un circuito como este puede funcionar en frecuencias de hasta unas pocas docenas de kHz, usando un 741.

En la figura 38 tenemos los valores de los componentes para un oscilador de 1 kHz.

 

Figura 38 – Oscilador de 1 kHz con 741
Figura 38 – Oscilador de 1 kHz con 741

 

 

Cálculos para oscilador con amplificador operacional

En este ítem mostramos cómo calcular la frecuencia de un oscilador de gran utilidad para la producción de señales de baja frecuencia en el rango de algunos Hertz a cerca de 100 kHz. Este es un oscilador rectangular con un amplificador operacional cuya configuración se muestra en la figura 39.

 

Figura 39 – configuración básica del oscilador.
Figura 39 – configuración básica del oscilador.

 

 

En este oscilador, los resistores R y R2 suelen mantener una relación de 10:1, para obtener una señal rectangular de buena calidad en la salida. Los valores indicados en el circuito son típicos para los amplificadores de operacionales comunes, como el conocido 741. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación debe ser simétrica con los valores compatibles con el amplificador operacional empleado.

La forma de onda en la salida es rectangular, pero en la red RC que determina la frecuencia tenemos una señal de diente de sierra que corresponde a la carga y descarga de C. es precisamente esta red la que determina la frecuencia de funcionamiento del circuito.

 

Cálculos

La fórmula empírica que permite calcular la frecuencia de este oscilador es:

 

f =

1


6 x R x C

 

 

Donde:

F es la frecuencia en Hertz (Hz)

C es capacitancia en farads (F)

R es la resistencia en ohms (ohms)

 

Ejemplo de aplicación:

Calcule el valor de C en el circuito mostrado en la figura 40, de modo que genere una señal de 10 kHz.

 

Figura 40 – Calcule C para la frecuencia deseada.
Figura 40 – Calcule C para la frecuencia deseada.

 

 

Tenemos

f = 10 kHz

R = 10 k ohms

C = ?

Utilizando potencias de 10 para expresar los valores a utilizar tenemos:

 

f = 104 Hz

R = 104 ohms

C = ?

Aplicando estos valores en la fórmula tenemos:

 

104 = 1/(6 x 104 x C)

Aislando C:

 

C = 1/6 x 10-8

C = 0,166 x 10-8

C = 0,00166 uF

C = 1,6 nF

Otro tipo de oscilador, que podemos elaborar con un amplificador operacional, es lo que hace uso del doble T, que ya hemos estudiado con los transistores.

En el caso, simplemente conecte el doble T calculado a la frecuencia deseada entre la salida y la entrada del inversor, como se muestra en el circuito que se puede ver en la figura 41.

 

Figura 41 – Oscilador doble T
Figura 41 – Oscilador doble T

 

 

El doble T causa un retraso en la señal para proporcionar retroalimentación que mantiene el circuito en funcionamiento. Los valores de los datos en el circuito permiten la producción de una señal sinusoidal de 1 kHz.

Para la montaje de filtros utilizando amplificadores operacionales hay dos posibles configuraciones que se pueden ver en la figura 42.

 

 

Figura 42 – Configuraciones para filtros
Figura 42 – Configuraciones para filtros

 

 

En el primer caso, ponemos un filtro pasivo en la entrada del amplificador operacional que pasa o bloquea las señales deseadas. En el segundo caso, el propio filtro que consiste en componentes pasivos (resistores, capacitor y, eventualmente, inductores) está conectado entre la salida y la entrada, a fin de proporcionar una cierta retroalimentación selectiva, esto es, que depende de la frecuencia de la señal.

Básicamente, hay tres tipos de filtros cuyas curvas se pueden ver en la figura 43.

 

Figura 43 – Tipos de filtros
Figura 43 – Tipos de filtros

 

 

El primero es el filtro de paso bajo (pasa-bajas), que como dice el nombre, permite pasar las frecuencias que están por debajo de un valor determinado. El segundo es el filtro de paso alto (pasa-altas), que le permite pasar las frecuencias que están por encima de un cierto valor.

El tercer filtro es el "pasa banda", que permite que un rango de frecuencias entre dos valores pase, siendo centrado en un punto determinado del espectro. Una variación del tercer tipo, cuya curva puede estar en la figura 44, es el filtro que rechaza una determinada pista, es decir, el filtro de rechazo de banda ("notch", en inglés).

 

Figura 44 – Filtro del rechazo de banda (notch)
Figura 44 – Filtro del rechazo de banda (notch)

 

 

Echemos un vistazo a algunas configuraciones de filtro que podemos conseguir en la práctica utilizando amplificadores operacionales. En la figura 45 vemos un simple filtro "pasa-bajas" cuya frecuencia, donde ocurre su acción, es dada por la fórmula en el propio diagrama y depende de los valores de los resistores y capacitor usados.

 

Figura 45 – Filtro de paso bajo con amplificador de funcionamiento
Figura 45 – Filtro de paso bajo con amplificador de funcionamiento

 

 

Vea en la figura 46 un "filtro pasa-altas" también bastante simple usando los capacitores y las resistores.

 

Figura 46 – Filtro de paso alto con funcionamiento
Figura 46 – Filtro de paso alto con funcionamiento

 

 

La fórmula que determina los valores de los componentes, dependiendo de la frecuencia, se da por el diagrama. Es importante notar que estos filtros, así como todos los demás que existen, no tienen una acción rápida en el corte de las frecuencias que están por encima del valor pronosticado.

Lo que pasa es que al alcanzar el valor calculado, por ejemplo, para un filtro pasa-bajas, las frecuencias más allá de estos valores se atenúan gradualmente, es más, se bloquea con más y más eficiencia. El filtro tiene una acción "blanda", generalmente medida en términos de decibels por octava (dB/octava).

El dB (Decibel) es una unidad logarítmica que sirve para medir la intensidad de la señal. Para nosotros, como la información básica de nuestro curso, es suficiente saber que tanto más "eficiente" es la acción de un filtro mayor su acción en dB por octava.

Los filtros más complejos tienen una acción más eficaz a partir de la frecuencia para la que se diseñan. Uno de ellos se llama "Butterworth", que en el caso de un amplificador operacional se puede ver en la figura 47.

 

Figura 47 – Filtro Butterworth de paso bajo
Figura 47 – Filtro Butterworth de paso bajo

 

 

En este caso, tenemos un filtro de "pasa bajas", donde los valores se calculan para los componentes en la forma que hemos visto en los ejemplos anteriores.

En los filtros pasa bajas hay un factor importante que necesita ser analizado y también es válido para circuitos resonantes LC.

En el circuito que se puede ver en la figura 48, donde tenemos una cierta frecuencia que debe pasar, las frecuencias que están muy cerca de ese valor no están completamente bloqueadas. Hay una "capacidad" del filtro en reconocer sólo la frecuencia que debe pasar y que se mide a través de un factor de calidad o factor Q.

 

Figura 48 – la curva de respuesta de un filtro
Figura 48 – la curva de respuesta de un filtro

 

 

Si un filtro tiene un alto factor Q, su capacidad para diferenciar la frecuencia deseada de las frecuencias cercanas es grande, y es más "selectiva". Por otro lado, si el factor Q es bajo, su capacidad para diferenciar la frecuencia deseada es menor y será menos selectiva.

En la figura 49 podemos ver estas diferencias en forma de gráficas.

 

Figura 49 – curvas de selectividad
Figura 49 – curvas de selectividad

 

 

Podemos aumentar el factor Q de un filtro uniendo varias unidades en serie, como podemos ver en la figura 50.

 

 

Figura 50 – aumento de la selectividad con varias secciones de un filtro
Figura 50 – aumento de la selectividad con varias secciones de un filtro

 

 

El circuito integrado 555

El circuito integrado 555 (también vendido como CA555, LM555, NE555, MC1555, etc.) consiste en un Temporizador De gran versatilidad, que se presenta en la cubierta de 8 pines DIL, como el lector puede ver en la figura 51, donde también tenemos el circuito interno equivalente y su aspecto.

 

Figura 51 – el circuito integrado 555
Figura 51 – el circuito integrado 555

 

 

Con este circuito integrado podemos hacer tanto temporizadores como osciladores, lo que significa que funciona en dos configuraciones básicas: Monoestable y astable.

También podemos encontrar el 555 en cubiertas dobles, que contiene 2 555, caso de 556 y una versión de bajo consumo CMOS, el TLC755.

 

Monoestable

En la configuración monoestable, se conecta como el lector puede ver en la figura 52.

 

Figura 52 – el monoestable 555
Figura 52 – el monoestable 555

 

 

 

Su alimentación se puede realizar con tensiones entre 5 V y 18 V con fuente de alimentación de 5 V, puede conectarse directamente a circuitos lógicos e incluso a un puerto de ordenador paralelo, que permite utilizarlo en aplicaciones que impliquen la interconexión con un microcontroladores (shield).

La entrada de esto integrado, que corresponde al pin 2, debe mantenerse positiva, es, con una tensión cercana a la fuente de alimentación, que se consigue con un resistor cuyo valor puede ser entre 1K ohms y 1m ohms . En estas condiciones, la salida del integrado (PIN 3) se mantiene sin tensión, es decir, presentando 0 V.

Si conectamos algo como, por ejemplo, un LED, una lámpara o un pequeño motor en la salida de este integrado, no habrá energía para su funcionamiento. Sin embargo, si por un momento conectamos la entrada (pin 2) de la integrada al punto de 0 V del circuito, se dispara.

Su salida presentará entonces una tensión positiva igual a de la fuente de alimentación, y puede alimentar el circuito externo, por ejemplo encendiendo un LED, una lámpara, activando un relé o aún el motor.

Vea, sin embargo, que la salida no permanece permanentemente activada, sino para un intervalo de tiempo determinado por el capacitor C y por el resistor R. La salida será "conectada" por un rango calculado por la fórmula:

 

T = 1,1 x R x C

 

Donde:

R es el valor de la resistencia en ohms

C es el valor del condensador en farads

 

Para un capacitor de 1 000 µF y un resistor 1 N tenemos:

 

C = 1 000 uF

C = 1 000 x 10 - 6

C = 10 -3 F

R = 1 M

R = 106 ohms

 

(véase hicimos la conversión de microfarads en farads, y de megohms en ohms, para poder utilizar la fórmula).

 

 

T = 1,1 x 106 x 10-3

 

T = 1 100 segundos o 18,3 minutos.

 

La salida del integrado se activará, luego durante 18,3 minutos, y luego se cerrará automáticamente. Vea que esto sucede incluso si el disparo, es decir, la duración de la puesta a tierra del Pin 2, es sólo una fracción de segundo.

Si usamos una olla en lugar de R, podemos "ajustar" los intervalos de tiempo obtenidos y así obtener un temporizador.

 

Astable

En esta configuración, el 555 funciona como un oscilador. En la figura 53 tenemos las conexiones de los componentes externos.

 

Figura 53 – el 555 Astable
Figura 53 – el 555 Astable

 

 

Como un oscilador la salida va de 0 v a positivo y entonces positivo a 0 v, entonces de nuevo a positivo, en un ciclo que dure mientras hay alimentación.

La frecuencia a la que se produce este cambio de nivel de salida depende de los valores de RA, RB y C. La fórmula que permite calcular esta frecuencia es:

 

F =

1,44


(Ra + Rb) x C

 

 

Donde

F es la frecuencia en Hertz

RA y RB son los valores de los resistores en ohms

C es el valor del capacitor en farads.

 

El pino 4 del 555 en este ajuste se utiliza para controlar las oscilaciones. Si este pin está conectado al positivo de la alimentación como en la figura 53, el oscilador funcionará tan pronto como se encienda.

Sin embargo, si este pin está conectado a 0 V, deja de funcionar. Podemos utilizar este pin para "modular" el oscilador, es decir, encenderlo y apagarlo con él, haciendo así aplicaciones intermitentes.

 

Instrucciones para el uso de 555

Un cierto cuidado debe ser observado por los lectores que de ahora en adelante desean hacer proyectos con el 555 integrado.

- El integrado dispara cuando la tensión en el pino 2 cae a 1/3 de la tensión de la fuente de alimentación.

- El resistor R en la versión mono tamaño no debe ser inferior a 1 K ohms , y no mayor de 2,2 M ohms.

- En la versión Astable se deben observar los mismos valores de la versión monoestable.

- El capacitor, para dos versiones, no debe ser inferior a 100 pF y no mayor que 1 000 µF.

- No conecte carga a la salida (PIN 3) requiriendo más de 200 mA del integrado. Un altavoz, por ejemplo, no puede ser conectado directamente y ni un LED sin un resistor limitador de corriente.

- No haga osciladores que generen más de 100 kHz, ya que el 555 no puede pasar esta frecuencia. El 7555 alcanza 500 kHz.

- En la versión monoestable, el resistor que polariza el pino 2 no debe estar fuera del rango de 1 K ohms a 2,2 M ohms . Teniendo en cuenta las condiciones por encima del lector no tendrá ninguna dificultad en la creación de numerosos proyectos utilizando este integrado.

 

 

Contenido

Lección 1

Lección 2

Lección 3

Lección 4

Lección 5

Lección 6

Lección 7

Lección 8

Lección 9

Lección 10

Lección 11 <--

Lección 12

 

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