8.3) Seguidor de tensión
El seguidor de voltaje es un circuito amplificador de amplificador operacional con retroalimentación negativa. Actúa como configuración de seguidor de emisor de amplificadores basados en transistores. Proporcionan ganancia unitaria a las señales de entrada aplicadas. La ganancia unitaria significa que el voltaje de salida será exactamente igual en magnitud al voltaje de entrada.
seguidor de voltaje
En la figura anterior, se muestra un seguidor de voltaje no inversor. El voltaje de entrada V1 se aplica al pin no inversor del amplificador operacional. Aquí la resistencia de retroalimentación Rf es cero, es decir, cortocircuito. La ganancia del amplificador se reduce de idealmente infinita a la unidad.
Si V1 es el voltaje de entrada en el pin inversor y V0 es el voltaje de salida del amplificador operacional, entonces V0 será exactamente igual a V1 en magnitud. Por tanto, la ganancia viene dada por la siguiente ecuación.
Ganancia=V0/V1= 1
El seguidor de voltaje se usa generalmente para amplificar la corriente de una señal mientras se mantiene el mismo voltaje en caso de manejar cargas de alta salida (circuitos de baja resistencia).
Las cosas que discutimos en esta sección se pueden resumir de la siguiente manera;
El amplificador inversor y el amplificador no inversor son circuitos amplificadores operacionales de retroalimentación negativa.
Amplificador no inversor, la señal de entrada se aplica al pin no inversor
Amplificador inversor, la señal de entrada se aplica al pin inversor.
El seguidor de voltaje es un circuito amplificador operacional de retroalimentación negativa con ganancia unitaria.
(encabezado = amplificador de micrófono simple)
8.4) Amplificador de micrófono simple
Ya hemos comentado cómo se puede implementar la retroalimentación negativa con el fin de diseñar amplificadores prácticos basados en amplificadores operacionales. El concepto de retroalimentación negativa, configuraciones inversoras y no inversoras debe quedar muy claro antes de continuar con este circuito práctico.
El circuito que se muestra en la Figura: 44 es un amplificador inversor de amplificador operacional simple. En este circuito, la resistencia de retroalimentación Rf está representada por la resistencia R4 y R1 se introduce en el circuito mediante la impedancia del condensador C1.
El circuito amplificador de micrófono basado en amplificador operacional se muestra a continuación.
amplificador de micrófono
La salida del micrófono estará en el rango de unos pocos milivoltios. Debe amplificarse varias veces para que sea útil para cualquier uso práctico. En este circuito puedes conectar un micrófono en un extremo y las señales de sonido amplificadas se pueden reproducir conectando un altavoz en el otro extremo.
El amplificador operacional IC LM358 también se utiliza en el circuito anterior. El micrófono se pasa a través de una resistencia. La señal de sonido se acopla al micrófono mediante un condensador y se aplica al pin inversor del amplificador operacional. Se le da un potencial de polarización divisor al pin no inversor. También se implementa una retroalimentación utilizando una resistencia en el pin inversor. Por tanto, el circuito forma un amplificador inversor de retroalimentación negativa. La señal amplificada se acopla y se envía a un altavoz.
El condensador de acoplamiento de salida se utiliza para acoplar únicamente el componente de CA, que es la señal real. La salida se puede obtener directamente del pin 1 también sin condensador de acoplamiento y se puede utilizar con otros circuitos. El pin de salida del módulo amplificador en realidad se toma directamente de la salida del LM358.
La imagen del amplificador de micrófono basado en amplificador operacional se muestra a continuación:
Imagen del amplificador de micrófono
Como puedes ver en la figura de arriba, hice el circuito para un módulo al que puedo conectar un micrófono y un altavoz. Además, el módulo tiene pines, por lo que todo el módulo se puede conectar a una placa u otros circuitos más grandes. Hay tres pines, VCC, GND y OUTPUT. El pin de SALIDA se toma del pin 1 del amplificador operacional sin incluir el condensador de acoplamiento. También se puede obtener a través de una resistencia que se puede conectar y quitar de la base del IC cuando quieras, como puedes ver en la imagen.
Si miras la imagen del amplificador de micrófono, puedes ver una resistencia en la base del IC junto con el LM358. Dicha disposición se realiza de tal manera que introduzca cualquier valor de resistencia siempre que necesitemos conectar el módulo amplificador a otros circuitos sin condensador de acoplamiento de salida.
Especificaciones de los componentes:
R1=18KE, resistencia de 1/4W
R2=R3=1KE, resistencia de 1/4W
R4=560KE, resistencia de 1/4W
C1 = condensador de disco de 0,1 uf
C2=100uf, condensador electrolítico de 16V
SP1=8E, altavoz
M1=micrófono
Importancia del componente:
R1: El valor de esta resistencia no debe ser demasiado alto, para que podamos tener suficientes variaciones de voltaje acoplado al amplificador, ni demasiado bajo para que podamos tener suficiente corriente fluyendo hacia el amplificador.
R2 y R3: Estas resistencias deben tener valores iguales para que podamos fijar el punto de funcionamiento en su centro. Esto simplemente significa que podemos tener una salida de señal completamente amplificada para las mitades positiva y negativa para una señal con mitades positivas y negativas iguales usando esta configuración.
R4: El valor de R4 determina la ganancia del circuito. Cuando aumentamos la ganancia de R4 aumenta y cuando disminuimos la ganancia de R4 disminuye.
C1 y C2: C1 y C2 son condensadores de acoplamiento que se utilizan para acoplar únicamente las formas de onda de CA del micrófono de entrada y el altavoz de salida, respectivamente. Sus valores se calculan en función del rango de frecuencia de las señales de entrada (en este caso, voz humana; ~3,5 KHz)
(encabezado = comparadores basados en amplificador operacional)
9) Comparadores basados en amplificadores operacionales.
Además de la amplificación, los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente para comparar dos señales y producir la salida correspondiente. El concepto de funcionamiento del amplificador operacional es similar a lo que ya hemos comentado en la sección sobre detectores de nivel en 7.2). El comparador no es más que un detector de nivel, donde podemos predefinir un voltaje de referencia en un pin y el voltaje a comparar en el otro pin. La salida producida depende del pin al que se le aplica el voltaje a comparar.
El voltaje de entrada debe aplicarse al pin no inversor para que un comparador produzca un alto rendimiento siempre que el voltaje de entrada sea igual o mayor que el voltaje de referencia, o al pin inversor en caso contrario.
Comparador de amplificador operacional
El circuito anterior es un comparador de amplificador operacional en el que el pin inversor se mantiene a un voltaje de referencia y la señal de entrada variable se envía al pin de entrada no inversor. Siempre que el voltaje en el pin no inversor exceda el voltaje en el pin inversor, la salida será positiva y negativa.
Aquí se suministran +2V a la entrada inversora del amplificador operacional, por lo que mientras el Vin que se suministra al pin no inversor permanezca a un voltaje inferior a +2V, la salida será negativa (casi igual a -10V). Siempre que Vin sea igual a +2V, la salida se volverá positiva (casi igual a +10V).
Debe tenerse en cuenta que incluso el incremento mínimo de Vin mayor que Vref activará la salida positiva y la disminución mínima de Vin menor que Vref activará una salida negativa.
Supongamos que se aplica una onda sinusoidal a Vin y tiene un contenido de CC de exactamente +2 V; la forma de onda de entrada y salida de dicha condición de circuito se muestra a continuación.
Formas de onda del comparador de amplificador operacional
Video
(título = comparadores basados en amplificadores operacionales, continuación)
Hay circuitos integrados de amplificador operacional comerciales disponibles que están diseñados especialmente para operaciones de comparación, en las que incluso cuando voltajes de entrada iguales pueden generar una salida positiva. Hay circuitos integrados que tienen más de un módulo comparador en un solo paquete. LM339 es un IC ampliamente utilizado en dispositivos electrónicos.
LM339 es un IC de 14 pines que consta de cuatro amplificadores operacionales dentro de un solo paquete de IC. También puede funcionar con una fuente de alimentación única como LM358. La distribución de pines del IC LM339 se muestra en la siguiente figura.
Distribución de pines del LM339
Aquellos que quieran probar el LM339 IC deben tener en cuenta que la salida del LM339 es de drenaje abierto, lo que significa que el pin de salida proviene del colector de un transistor. El transistor de salida solo se activará cuando esté conectado a un VCC a través de su dispositivo.
Conexión de LM339 a un dispositivo
En la figura anterior, el bloque mencionado como "DISPOSITIVO" puede ser cualquier cosa, como un LED, un motor o incluso una simple resistencia.
Se trata de los conceptos básicos de los comparadores y los circuitos integrados de comparación. Ahora probemos algunos circuitos realmente interesantes en la siguiente sección que hacen uso del conocimiento que hemos adquirido hasta ahora.
(encabezado = indicador de nivel de voltaje)
9.1) Indicador de nivel de voltaje
Un indicador de nivel de voltaje es un circuito muy útil para usar con varios sensores con salida analógica. Hay 8 LED sin formato que indican 8 niveles de voltaje en orden ascendente. El LED del extremo derecho representa el voltaje mínimo y el LED del extremo izquierdo representa el voltaje máximo. A medida que aumenta el voltaje, los LED comienzan a brillar de derecha a izquierda.
Elegí IC LM339 para diseñar un indicador de nivel de voltaje, cuyas características discutimos en la sección anterior. Consta de cuatro comparadores de amplificador operacional. El IC tiene 14 pines, entre los cuales dos de ellos son VCC y GND, y el resto son pines inversores y no inversores y sus respectivos pines de salida de los cuatro amplificadores operacionales.
Se utilizan dos circuitos integrados LM339 en cascada y todos los pines no inversores de ambos LM339 están en cortocircuito y conectados a un punto de entrada común. Se utiliza una red divisora de potencial de resistencias para suministrar voltaje a los pines inversores de los amplificadores operacionales en orden ascendente. Siempre que el potencial en el punto de entrada común aumenta más que el potencial en el pin inversor de un amplificador operacional en particular, su salida aumenta y el LED conectado a ese pin de salida se ilumina.
El diagrama del circuito indicador de nivel de voltaje se muestra en la siguiente figura.
Circuito indicador de nivel de voltaje
Del circuito anterior, las resistencias R9 a R16 junto con la resistencia variable R17 forman una red divisoria de potencial. El potencial entre las resistencias se puede ajustar variando R17. Si suponemos que las nueve resistencias, incluido R17, tienen el mismo valor, entonces el voltaje en cada resistencia será de 5/9 voltios. Por lo tanto, el voltaje en la entrada inversora del amplificador operacional U2_4 será 5/9 V, el amplificador operacional U2_3 tendrá 5/9 V + 5/9 V. es decir, (5/9) * 2, el amplificador operacional U2_2 tendrá (5 / 9)*3 y así sucesivamente. Finalmente, el pin inversor U1_1 del amplificador operacional tendrá un potencial (5/9)*8. Tenga en cuenta que esta condición es verdadera sólo cuando la resistencia variable se ajusta de modo que tenga un valor de resistencia igual al de las resistencias R9 a R16. Si ajustamos la variable para que la resistencia aumente, el voltaje entre las resistencias individuales disminuirá igualmente. Si la resistencia variable se ajusta de manera que su resistencia disminuya, el voltaje entre las resistencias individuales aumentará igualmente.
El funcionamiento del circuito se puede explicar con la ayuda de un ejemplo. Supongamos que las nueve resistencias, incluido R17, tienen el mismo valor, entonces el voltaje en cada resistencia será de 5/9 voltios. Supongamos que se aplica un voltaje de entrada mayor que (5/9)*3. Como mencionamos antes, este voltaje es mayor que los voltajes en el pin inversor de U2_3, U2_2 y U2_1 y por lo tanto produce un alto rendimiento y los tres LED correspondientes se iluminan. Nuevamente, suponga que el voltaje de entrada es mayor que (5/9)*8. Ahora todos los pines no inversores tienen un potencial mayor que los pines inversores de ambos LM339. En consecuencia, a este voltaje de entrada, todos los amplificadores operacionales producen un alto rendimiento y todos los LED brillan.
Especificaciones de los componentes:
R1 a R16=1KE, resistencia de 1/4W
R17 = potenciómetro 100KE
D1 a D8=LED 3mm
U1=U2=LM339
Importancia del componente:
R1 a R8: estas resistencias controlan el brillo de los LED. Las resistencias con un valor superior a 220 ohmios son seguras para usar con LED.
R9 a R16: estas resistencias ajustan el voltaje en el pin inversor de cada comparador. Todas estas resistencias deben tener valores iguales para que la salida cambie con un aumento igual en el voltaje de entrada cada vez.
R17: Esta resistencia variable define la sensibilidad del circuito indicador de nivel de voltaje. Cuando aumenta la resistencia, el voltaje que aparece en los pines inversores se reduce igualmente y, como resultado, los cambios en la salida ocurren rápidamente y el rango de entrada que el circuito puede detectar disminuye. Si disminuye la resistencia, el voltaje que aparece en los pines inversores aumenta igualmente y, como resultado, los cambios en la salida se producen lentamente y aumenta el rango de entrada que el circuito puede detectar.
El circuito de la Figura: 57 se construye en dos módulos separados y luego se unen. Siempre se recomienda para facilitar el montaje, la depuración y la reutilización del hardware. La reutilización de hardware significa que podemos usar el mismo módulo, digamos un módulo de visualización, con algún otro circuito más grande.
Uno de los módulos solo tiene LED y sus resistencias de control de corriente, y podemos llamar a este módulo módulo de visualización. Lo convertí en un módulo para que pueda usarse con otros circuitos más grandes. El otro módulo tiene los circuitos integrados LM339 y la red de resistencias.
La imagen de los dos módulos se muestra en la siguiente imagen.
Módulo de visualización y módulos comparadores.
Puede ver los ocho LED, ocho resistencias y nueve pines en el módulo de pantalla. Uno de los pines se utiliza para el suministro positivo común y el resto se puede conectar a los pines de salida de los amplificadores operacionales. Este módulo se puede enchufar a una placa de pruebas y luego conectar al módulo comparador o directamente al módulo comparador, ya que el módulo comparador está construido de tal manera que tiene conectores para alojar el módulo de visualización.
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(encabezado= Indicador de nivel de voltaje Contd…)
En el módulo comparador hay dos IC LM339, ocho resistencias, una resistencia variable y un conector para alojar el módulo de visualización. Este módulo también tiene pines que incluyen VCC, GND y INPUT para que todo el módulo se pueda conectar a una placa de pruebas u otros circuitos más grandes.
Los dos módulos se pueden conectar entre sí para formar el indicador de nivel de voltaje como se muestra en la siguiente imagen.
Indicador de nivel de voltaje
Podemos probar el módulo aplicando algún voltaje externo de otros dispositivos si tenemos alguno, o simplemente aplicar un voltaje usando una resistencia variable y observar las variaciones en la salida en relación a las variaciones en el voltaje de entrada. Una disposición de este tipo se muestra en la siguiente figura.
Configuración de detección de nivel de voltaje
El valor de la resistencia variable R1 puede ser superior a 1 K ohm. A medida que variamos la resistencia, variamos la entrada de voltaje al módulo indicador de nivel de voltaje. El módulo detecta este voltaje y los LED de salida se iluminan en consecuencia.
La imagen de la configuración de este indicador de nivel de voltaje se muestra en la siguiente figura.
Imagen de detección de nivel de voltaje
(encabezado = indicador de volumen)
9.2) Indicador de volumen
El indicador de volumen que se encuentra en los amplificadores de altavoces grandes solía llamarme la atención. Es genial ver los LED brillando según el volumen de quien habla a través del micrófono. Veamos cómo podemos construir nuestro propio indicador de volumen más simple.
Lo interesante es que el indicador de volumen se puede realizar conectando los módulos que ya hemos creado. Esto se puede explicar con la ayuda del siguiente diagrama de bloques.
Diagrama de bloques del indicador de volumen
Como se muestra en la figura anterior, el módulo amplificador de sonido amplifica las señales de sonido del micrófono y las envía al módulo comparador, que luego activa los LED de acuerdo con la amplitud de la señal de entrada. A medida que aumenta el volumen, aumenta la intensidad o amplitud de la señal de entrada al módulo comparador. Por tanto, cuanto más fuerte sea la voz, más LED brillarán en el módulo de visualización.
Antes de continuar con la conexión, debemos realizar algunos ajustes en el módulo amplificador del micrófono. Se debe quitar el altavoz y la salida se debe tomar directamente del pin de salida a través de una resistencia de alto valor. Ya hemos hecho arreglos para la introducción de una resistencia y el pin de salida del módulo tomado directamente de la salida del LM358.
El circuito modificado se muestra en la siguiente figura.
Circuito amplificador de micrófono modificado.
Las especificaciones de los componentes son las mismas que las del circuito anterior, excepto que hay una resistencia adicional R5 con un valor de resistencia de 270 K ohmios.
A continuación se muestra la imagen de la conexión real realizada en la placa de pruebas según el diagrama de bloques de la Figura: 53.
Imagen del indicador de volumen
Las imágenes de todos los módulos que construí se muestran en la siguiente imagen. Recomiendo al lector que pruebe el circuito primero en la protoboard y, una vez que funcione, lo incorpore a un módulo que luego podamos conectar a una protoboard o a otro circuito más grande.
Todos los módulos
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(encabezado= Operaciones en voltajes de entrada)
10) Operaciones a tensiones de entrada.
Op-amp significa Amplificador Operacional y recibió este nombre porque es capaz de realizar ciertas operaciones en los voltajes de entrada aplicados, además de simplemente amplificarlos. Un amplificador operacional es capaz de sumar y restar voltajes de entrada y amplificar el resultado. Este tipo de circuito amplificador operacional a menudo se denomina amplificador sumador.
10.1) Amplificador sumador
Un amplificador operacional se puede configurar de tal manera que la suma de los voltajes aplicados en la entrada se pueda obtener en la salida con una amplificación. Los voltajes aplicados al pin de entrada no inversor se suman y los voltajes aplicados al pin de entrada no inversor se restan.
Sumador basado en amplificador operacional
El circuito anterior es un sumador de voltaje basado en un amplificador operacional. Supongamos que la resistencia de entrada tiene los mismos valores, es decir, R1=R2=R3=R. Deje que los voltajes aplicados al pin de entrada inversor sean V1, V2 y V3. En este caso, el voltaje de salida se puede calcular a partir de la siguiente ecuación.
Vsal=-(Rf/R)(V1+V2+V3)
Ahora consideremos un amplificador sumador de voltaje completo con capacidades de suma y resta de voltaje. Los voltajes de entrada se aplican a entradas inversoras y no inversoras.
Sumador y restador basado en amplificador operacional
En el circuito anterior, V1, V2 y V3 son los voltajes aplicados a la entrada inversora y V4, V5 y V6 son los voltajes aplicados a la entrada no inversora. Suponemos que todas las resistencias excepto Rf son iguales. es decir, R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R. En este circuito, el voltaje de salida se puede obtener mediante la siguiente ecuación.
Vsal=-(Rf/R)(V1+V2+V3-V4-V5-V6)
El amplificador sumador tiene muchas aplicaciones prácticas. Esta aplicación implica mezclar señales en amplificadores. También se utilizan en el procesamiento de señales analógicas y se utilizaron ampliamente en las primeras computadoras analógicas.
Lo que he intentado transmitir a través de este artículo se presenta a continuación;
Op-amp es un circuito electrónico, hecho de componentes electrónicos básicos. Este circuito es capaz de realizar determinadas operaciones sobre las señales de entrada, además de amplificarlas.
Hasta ahora hemos visto algunos circuitos básicos que utilizan amplificadores operacionales y sugiero al lector que analice los temas en detalle. Practica tantos circuitos como puedas. Con cada circuito aprendes algo nuevo sobre el amplificador operacional y tus conocimientos se vuelven más sólidos. El amplificador operacional es un dispositivo electrónico interesante y, créeme, ¡disfrutarás haciendo circuitos con él!