Laboratorio 2

Amplificadores Operacionales

En este laboratorio se construirán con amplificadores operacionales circuitos simples que permitan corroborar la similitud del modelo utilizado en la teoría con la realidad.

Amplificadores Operacionales, entre el modelo y la práctica. El modelo ideal de un amplificador operacional considera básicamente dos características fundamentales que son, ganancia e impedancia de entrada infinitas. Y no es una aproximación tan mala a una realidad que indica que los valores son entre 300.000 y 500.000 para la ganancia (Av) y entre 1MW y 100 MW para la impedancia (Zin).

Figura 1: Esquema del AO y sus relaciones eléctricas ideales

Sin embargo son otros los problemas, o mejor, las restricciones que empezamos a enfrentar en la práctica. Primero, la tensión de salida estará limitada a aproximadamente la tensión de alimentación del operacional. Luego, la diferencia de tensión entre V+ y V- esta acotada en 5 volts aproximadamente. Leyendo cuidadosamente las hojas de datos de un operacional veremos otros elementos que debemos tener en cuenta, que escapan ahora al alcance de nuestro laboratorio; elementos tales como deriva térmica, slew-rate, etc.

Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales.

Básicamente el amplificador operacional (AO) puede ser utilizado a lazo abierto como comparador o a lazo cerrado como amplificador en el caso que realimentemos negativamente. Si esta es positiva podremos construir un schmidt-trigger y otro tipo de aplicaciones algo mas complejas incluyen osciladores, amplificadores logarítmicos, filtros activos, derivadores, integradores, etc. En realidad, es muy amplia la gama de aplicaciones que permite el AO y aquí sólo presentaremos una que nos interesa para desarrollar el laboratorio.

En este laboratorio desarrollaremos un girador asumiendo el modelo ideal del Amplificador Operacional. El esquema a utilizar se muestra en al figura 2.


Figura 2: Esquema de un girador

En este esquema, Z4 es la impedancia de carga, o en otras palabras, los terminales 2a y 2b son los terminales de salida. Recordando lo visto en teoría, colocando un capacitor entre estos terminales, veremos una Zi inductiva y viceversa.

Ejercicio 1. Demuestre que la impedancia Zi esta dada por:

(1)

De la ecuación 1, claramente podemos ver que si Z1, Z2, Z3 y Z5 son resistencias, poniendo Z4=1/jwC tendremos desde Zi una inductancia que estará dada por las relaciones entre los valores de esas resistencias y del capacitor.

Ejercicio 2. Usando resistencias de 100kW y un capacitor de 100pf, encuentre el valor de la inductancia que observamos desde Zi.

Procedimiento para el desarrollo del Laboratorio

1.- Estudie las características y el pateado del operacional a utilizar, el LM741. La pata 1 del integrado coincide con un punto en el encapsulado, a partir de allí se rodea el mismo contando las patas de 1 a 8. La pata 2 corresponde a la entrada inversora y la tres a la no inversora. La salida se accede desde la pata 6. Las alimentaciones necesarias se conectan a la pata 7 para +Vcc y la 4 para –Vcc. Las patas 1 y 5 se proveen para eliminar cualquier "offset" de tensión a la salida. El offset de tensión es un elemento que aparece por la construcción del circuito integrado. Este voltaje es aditivo con la salida y puede ser positivo o negativo y en general menor a 10mV. Como en nuestro caso este elemento no perturba a la aplicación, dejaremos estas patas sin conexión.

2.- Construya el circuito de la figura 2 con los valores de resistencia y capacidad que se presentaron en el ejercicio 2. Antes asegúrese de medirlos y anotarlos.

3.- Conecte el circuito a las fuentes de alimentación de +15V y -15V de continua. Asegúrese que no las conecte al revés antes de encender la fuente. Esto daña irreversiblemente a operacional.

4.- Encienda la fuente y verifique con un tester que tiene la alimentación correcta en las patas correctas del integrado.

5.- Apague la fuente y conecte el generador de señal al que lo ha configurado para entregar una señal senoidal de 10KHz.

6. Conecte la tensión de alimentación y mida la impedancia que observa desde los terminales de entrada.

7.- Compare este valor con el esperado por sus claculos.

8.- Si lo desea, puede probar de cambiar el valor de capacidad o resistencia para obtener distintos valores de inductancia.

No destruya el circuito realizado. Será reutilizado en el práctico de laboratorio 4.

Circuito para construir en los tiempos libres.

El siguiente circuito es un oscilador que se activa por el valor que tome una resistencia. Este circuito oscilará cuando R4 en paralelo con C1 tengan un valor mayor que R1. El hecho que R4 sea un potenciómetro sirve para sintonizar el circuito cuando R1 es una resistencia sensible a la luz o una sensible a la temperatura. En este caso el circuito será activado por la claridad o por la temperatura que exceda cierto valor.

Se pueden intercambiar R1 con R4 y se tendrá el efecto contrario, es decir, se activa por oscuridad o por frío.

Figura 3: Oscilador alarma activado por Luz o temperatura