Electricidad Ind 02 - circuito con amplificadore operacionales

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APLICACIN DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Electrnica Industrial 1

Colegio Nacional de Educacin Profesional Tcnica

Manual Terico Prctico del

Mdulo Autocontenido Optativo:

Aplicacin de Amplificadores Operacionales

Profesional Tcnico-Bachiller en Electrnica Industrial

Capacitado por:

PT-Bachiller




Educacin-Capacitacin Basadas en Competencias Contextualizadas

e-cbcc

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PARTICIPANTES

Director General Jos Efrn Castillo Sarabia

Secretario Acadmico Marco Antonio Norzagaray

Director de Diseo Curricular de la

Formacin Ocupacional Gustavo Flores Fernndez

Coordinador de las reas de

Automotriz, Electrnica y Telecomunicaciones e Instalacin y

Mantenimiento

Jaime G. Ayala Arellano

Autores Consultores Formo Internacional, S. C.

Revisor Tcnico Alfonso Cruz Serrano

Revisor Pedaggico Virginia Morales Cruz

Revisores de Contextualizacin Agustn Valerio

Armando Guillermo Prieto Becerril Electricidad y Electrnica. Manual Terico - Prctico del Mdulo Autocontenido Optativo para la Carrera de Profesional Tcnico Bachiller en Electrnica Industrial. D.R. a 2005 CONALEP. Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, incluida la portada, por cualquier medio sin autorizacin

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por escrito del CONALEP. Lo contrario representa un acto de piratera intelectual perseguido por la ley Penal. Av. Conalep N 5, Col. Lzaro Crdenas, C.P. 52140 Metepec, Estado de Mxico.

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NDICE

Participantes I. Mensaje al alumno II. Como utilizar este manual III. Propsito del curso mdulo ocupacionalIV. Normas de competencia laboralV. Especificaciones de evaluacinVI. Mapa curricular del curso mdulo ocupacional Captulo 1 Identificacin de caractersticas bsicas de los amplificadores operacionales Mapa curricular de la unidad de aprendizaje 1.1.1 Circuitos electrnicos industriales

Sistemas analgicos vs. sistemas digitales. Desarrollo de los amplificadores. operacionales. Desarrollo de la electrnica. industrial con la aplicacin de

amplificadores operacionales.

Funciones bsicas del amplificador operacional. 1.1.2 Amplificadores Operacionales

Inversor. No inversor. Seguidor unitario. Sumador. Diferenciador. Integrador. Logartmico. Electromagnetismo

1.2.1 El encapsulado. Elementos semiconductores. Tcnicas de encapsulado. Tipos de encapsulado.

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1.2.2 Identificacin tcnica de amplificadores operacionales. Identificacin grfica y terminales. Cdigo de identificacin. Informacin para la identificacin de amplificadores operacionales. Cdigo de especificacin militar

Prcticas y Listas de cotejo Resumen Captulo 2 Aplicacin del amplificador operacional en los procesos del acondicionamiento de seales.

Mapa curricular de la unidad de aprendizaje2.1.1 Identificar aplicaciones en los procesos del acondicionamiento de seales que es muy comn utilizar amplificadores operacionales

En la instrumentacin. Como convertidor. En el filtrado.

2.1.2 Manejar circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales

Caractersticas bsicas de los comparadores Detector de cruce por cero Detector de nivel de voltaje El C. I. Comparador de precisin 111/311 El detector de ventana

2.2.1 Obtener el nivel adecuado de una seal medida y su manipulacin Obtener el nivel adecuado de una seal medida. Manipulacin de una seal.

2.2.2 Construir circuitos para medir variables elctricas, empleando amplificadores operacionales.

Voltmetro de CD de alta resistencia. Convertidores de voltaje a corriente.

2.2.3 Medir variables de intensidad luminosa empleando circuitos con

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amplificadores operacionales. Probador de LEDs Medicin de la corriente de Fotodetectores. Medicin de energa en celdas solares. Convertidores de temperatura a voltaje.

2.3.1 Filtros activos Pasabajas Pasaaltas

2.3.2 Convertidor de seal Convertidor de seal digital a analgica. Convertidor de seal digital a analgica.

Prcticas y Listas de cotejo Resumen Captulo 3 Aplicacin de amplificadores operacionales para la solucin Econmica de algunos problemas

Mapa curricular de la unidad de aprendizaje 3.1.1 Bloques funcionales con amplificadores operacionales de Voltaje-

Voltaje.

Convertidor corriente voltaje. Generador Senoidal. Fuente de corriente.

3.1.2 Bloques funcionales con amplificadores operacionales de Corriente-Corriente.

Disparador Schmitt. Convertidor frecuencia-voltaje. Circuito monoestable. Oscilador controlado por voltaje.

3.2.1 El multivibrador Astable y Monoestable El multivibrador Astable El multivibrador Monoestable.

3.2.2 Generadores de onda triangular y de diente de sierra

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Generadores de onda triangular Generador de onda diente de sierra.

Prcticas y Listas de cotejo Resumen Autoevaluacin de conocimientos Respuestas a la autoevaluacin Glosario de trminos Referencias documentales Anexos

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I. MENSAJE AL ALUMNO

CONALEP TE DA LA BIENVENIDA AL MDULO AUTOCONTENIDO ESPECFICO DE APLICACIN DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES!

Este mdulo ha sido diseado bajo la Modalidad Educativa Basada en Normas de Competencia, con el fin de ofrecerte una alternativa efectiva para el desarrollo de habilidades que contribuyan a elevar tu potencial productivo, a la vez que satisfagan las demandas actuales del sector laboral.

Esta modalidad requiere tu participacin e involucramiento activo en ejercicios y prcticas con simuladores, vivencias y casos reales para propiciar un aprendizaje a travs de experiencias. Durante este proceso debers mostrar evidencias que permitirn evaluar tu aprendizaje y el desarrollo de la competencia laboral requerida.

El conocimiento y la experiencia adquirida se vern reflejados a corto plazo en el mejoramiento de tu desempeo de trabajo, lo cual te permitir llegar tan lejos como quieras en el mbito profesional y laboral.

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II. COMO UTILIZAR ESTE MANUAL

Las instrucciones generales que a continuacin se te pide que realices, tienen la intencin de conducirte a que vincules las competencias requeridas por el mundo de trabajo con tu formacin de profesional tcnico.

Redacta cuales seran tus objetivos personales al estudiar este mdulo autocontenido optativo.

Analiza el Propsito del mdulo autocontenido optativo que se indica al principio del manual y contesta la pregunta Me queda claro hacia dnde me dirijo y qu es lo que voy a aprender a hacer al estudiar el contenido del manual? si no lo tienes claro pdele al PSP que te lo explique.

Revisa el apartado especificaciones de evaluacin son parte de los requisitos que debes cumplir para aprobar el mdulo. En l se indican las evidencias que debes mostrar durante el estudio del curso -mdulo Autocontenido optativo para considerar que has alcanzado los

resultados de aprendizaje de cada unidad.

Es fundamental que antes de empezar a abordar los contenidos del manual tengas muy claros los conceptos que a continuacin se mencionan: competencia laboral, unidad de competencia (bsica, genricas especficas), elementos de competencia, criterio de desempeo, campo de aplicacin, evidencias de desempeo, evidencias de conocimiento, evidencias por producto, norma tcnica de institucin educativa, formacin ocupacional, mdulo ocupacional, unidad de aprendizaje, y resultado de aprendizaje. Si desconoces el significado de los componentes de la norma, te recomendamos que consultes el apartado glosario de trminos, que encontrars al final del manual.

Analiza el apartado Normas Tcnicas de competencia laboral, Norma tcnica de institucin educativa.

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Revisa el Mapa curricular del mdulo autocontenido optativo. Est diseado para mostrarte esquemticamente las unidades y los resultados de aprendizaje que te permitirn llegar a desarrollar paulatinamente las competencias laborales que requiere la ocupacin para la cual te ests formando.

Realiza la lectura del contenido de cada captulo y las actividades de aprendizaje que se te recomiendan. Recuerda que en la educacin basada en normas de competencia laborales

la responsabilidad del aprendizaje es tuya, ya que eres el que desarrolla y orienta sus conocimientos y habilidades hacia el logro de algunas competencias en particular.

En el desarrollo del contenido de cada captulo, encontrars ayudas visuales como las siguientes, haz lo que ellas te sugieren efectuar. Si no haces no aprendes, no desarrollas habilidades, y te ser difcil realizar los ejercicios de evidencias de conocimientos y los de desempeo.

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Imgenes de Referencia

Estudio individual

Investigacin documental

Consulta con el PSP Redaccin de trabajo

Comparacin de resultados con otros compaeros Repeticin del ejercicio

Trabajo en equipo Sugerencias o notas

Realizacin del ejercicio Resumen

Observacin Consideraciones sobre seguridad e higiene

Investigacin de campo Portafolios de evidencias

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III. PROPSITO DEL MDULO AUTOCONTENIDO OPTATIVO

Al finalizar el mdulo, el alumno manejar circuitos con amplificadores operacionales en sus diversas aplicaciones, de acuerdo a las especificaciones tcnicas de sus componentes, para implementarlos en la solucin de diversos problemas, cumpliendo adems con las especificaciones de calidad.

.Al mismo tiempo, estas competencias laborales y profesionales se complementarn con la incorporacin de competencias bsicas y competencias clave, que le permitan al alumno comprender los procesos productivos en los que est involucrado para enriquecerlos, transformarlos, resolver problemas, ejercer la toma de decisiones y desempearse en diferentes ambientes laborales, con una actitud creadora, crtica, responsable y propositiva; as como, lograr un desarrollo pleno de su potencial en los mbitos personal y profesional y convivir de manera armnica con el medio ambiente y la sociedad.

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IV. NORMAS DE COMPETENCIA LABORAL

Para que analices la relacin que guardan las partes o componentes de la NTCL o NIE con el contenido del programa del mdulo autocontenido optativo de la carrera que cursas, te recomendamos consultarla a travs de las siguientes opciones:

Acrcate con el PSP para que te permita revisar su programa de estudio del mdulo autocontenido optativo de la carrera que cursas,

para que consultes el apartado de la norma requerida.

Visita la pgina WEB del CONOCER en www.conocer.org.mx en caso de que el programa de estudio del mdulo autocontenido optativo, est diseado con una NTCL.

Consulta la pgina de Intranet del CONALEP http://intranet/ en caso de que el programa de estudio del mdulo autocontenido optativo est diseado con una NIE.

V. ESPECIFICACIONES DE EVALUACIN

Durante el desarrollo de las prcticas de ejercicio tambin se estar evaluando el desempeo. El PSP mediante la observacin directa y con auxilio de una lista de cotejo confrontar el cumplimiento de los requisitos en la ejecucin de las actividades y el tiempo real en que se realiz. En stas quedarn registradas las evidencias de desempeo.

Las autoevaluaciones de conocimientos correspondientes a cada captulo adems de ser un medio para reafirmar los conocimientos sobre los contenidos tratados, son tambin una forma de evaluar y recopilar evidencias de conocimiento.

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Al trmino del mdulo debers presentar un Portafolios de Evidencias1, el cual estar integrado por las listas de cotejo correspondientes a las prcticas de ejercicio, las autoevaluaciones de conocimientos que se encuentran al final de cada captulo del manual y muestras de los trabajos realizados durante el desarrollo del mdulo, con esto se facilitar la evaluacin del aprendizaje para determinar que se ha obtenido la competencia laboral.

Debers asentar datos bsicos, tales como: nombre del alumno, fecha de evaluacin, nombre y firma del evaluador y plan de evaluacin.

1 1El portafolios de evidencias es una compilacin de documentos que le permiten al evaluador, valorar los conocimientos, las habilidades y las destrezas con que cuenta el alumno, y a ste le permite organizar la documentacin que integra los registros y productos de sus competencias previas y otros materiales que demuestran su dominio en una funcin especfica (CONALEP. Metodologa para el diseo e instrumentacin de la educacin y capacitacin basada en competencias, Pg. 180).

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VI. MAPA CURRICULAR DEL MDULO AUTOCONTENIDO OPTATIVO

1.1 Determinar la necesidad del manejo de amplificadores operacionales en circuitos analgicos.

7 hrs.

1.2 Identificar las caractersticas fsicas y de funcionamiento de los amplificadores operacionales. 6 hrs.

1.3 Calcular los parmetros de operacin del amplificador operacional. 7 hrs.

2.1 Manejar las caractersticas de operacin de los circuitos

amplificadores inversores. 10 hrs.

2.2 Manejar las caractersticas de operacin de los circuitos amplificadores no inversores 16 hrs.

2.3 Manejar circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales. 16 hrs.

3.1 Construir circuitos para medir variables elctricas, empleando

amplificadores operacionales. 10 hrs.


108 hrs.

1. Identificacin de caractersticas bsicas de los Amplificadore

20 hrs

3. Aplicacin de amplificadores operacionales para la solucin econmica de algunos

46 hrs

2. Manejo de circuitos comparadores generales, empleando amplificadores

42 hrs

Mdulo

Unidades de

d

Resultados de Aprendizaje

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3.2 Medir variables de intensidad luminosa empleando circuitos con amplificadores operacionales. 18 hrs.

3.3 Implementar circuitos generadores de seal basados en amplificadores operacionales.

18 hrs.

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1IDENTIFICACIN DE CARACTERSTICAS BSICAS DE LOS AMPLIFICADORES

OPERACIONALES. Al finalizar el captulo, el alumno identificar caractersticas bsicas de los amplificadores operacionales, considerando las especificaciones tcnicas del fabricante, para su aplicacin en circuitos electrnicos industriales.

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MAPA CURRICULAR DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE


7 hrs.











108 hrs.


20 hrs


46 hrs


42 hrs

Mdulo

Unidades de

d

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18 hrs.

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IDENTIFICACIN DE CARACTERSTICAS BSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

SUMARIO CIRCUITOS ELECTRNICOS

INDUSTRIALES AMPLIFICADORES

OPERACIONALES EL ENCAPSULADO IDENTIFICACIN TCNICA DE

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

RESULTADO DE APRENDIZAJE Determinar la necesidad del manejo de amplificadores operacionales en circuitos electrnicos de aplicacin industrial

1.1.1. CIRCUITOS ELECTRNICOS INDUSTRIALES

Sistemas analgicos vs. sistemas digitales

Los sistemas analgicos se refieren a la combinacin de dispositivos (elctricos, mecnicos, fotoelctricos, etc) ensamblados a fin de desempear ciertas funciones en las cuales las

cantidades se representan en forma analgica; mientras los sistemas digitales son una combinacin de dispositivos en donde las cantidades fsicas son principalmente digitales en naturaleza. Muchos sistemas prcticos son hbridos: en ellos hay cantidades analgicas y digitales y se efecta una conversin entre los dos tipos de representacin

Algunos ejemplos de sistemas analgicos son los sistemas de radiodifusin y grabacin de audio, as como las grabadoras analgicas. En estos sistemas las cantidades cambian gradualmente respecto a un intervalo continuo de valores. Algunos de los sistemas digitales ms comunes son los voltmetros digitales, las computadoras y las calculadoras digitales. En estos sistemas las cantidades elctricas y mecnicas varan solamente en etapas discretas.

En trminos generales, los sistemas digitales ofrecen las ventajas de

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programabilidad, mayor velocidad y exactitud as como la capacidad de la memoria. Adems los sistemas digitales son menos susceptibles que los sistemas analgicos a fluctuaciones en las caractersticas de los componentes del sistema.

En el mundo real, la mayora de las cantidades son analgicas en naturaleza y son estas cantidades las cuales a menudo se miden y se monitorean o se controlan. Esa es una de las ventajas de los sistemas analgicos respecto a los sistemas digitales

Es por eso, si se desea aprovechar ventajas de ambos sistemas, es obvio que deban existir sistemas hbridos. El principal entre estos son los sistemas de control de procesos industriales en los cuales se miden y controlan cantidades analgicas como la temperatura, presin, nivel de un lquido o rapidez de flujo. En la figura se muestra el diagrama de bloque simblico de sistema de este tipo. Como se puede observar, la cantidad analgica se mide y el valor medido se convierte luego en una cantidad digital. Esta se manipulada en el procesador

central, que es completamente digital cuya salida se convierte en una cantidad analgica, la cual alimenta a un controlador, en donde se realiza algn tipo de accin sobre el proceso para ajustar el valor la cantidad analgica original que se midi.

Desarrollo de los amplificadores operacionales

Estos amplificadores son bsicamente de corriente directa con dos entradas diferenciales y una salida que tiene ganancia muy alta en circuito abierto (condicin de retroalimentacin sin seal) as como elevada impedancia de entrada y baja impedancia de salida. El amplificador operacional ideal responde slo a la diferencia de voltaje entre las dos terminales de entrada. Estos estn diseados para emplearse con redes externas de retroalimentacin. Esto es, una parte de la seal de salida del amplificador operacional se retroalimenta o se regresa a su entrada a travs de varias

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trayectorias, dependiendo de la funcin especfica.

En la figura se muestra el smbolo de un amplificador ideal bsico. Las entradas se marcan con los signos positivos (+) y negativo (-) para indicar entrada no inversora e inversora, respectivamente. Una seal aplicada a la entrada positiva aparecer con la misma polaridad y amplificada en la salida, en tanto que una seal aplicada a la terminal negativa aparecer amplificada pero invertida a la salida

Desarrollo de la electrnica industrial con la aplicacin de amplificadores operacionales

La utilizacin de amplificadores operacionales en la electrnica industrial ha sido aprovechando las caractersticas de operacin y funcionamiento de estos, que dependen casi por completo de unos pocos componentes externos

conectados a sus terminales. Es decir, la ganancia de voltaje, impedancia de entrada, impedancia de salida y ancho de banda depende casi exclusivamente de la estabilidad de las resistencias y condensadores externos.

Funciones bsicas del amplificador operacional

El amplificador operacional tiene muchas caractersticas importantes para los diseadores, pero el modelo ideal del amplificador operacional tiene slo dos propiedades: las corrientes en ambas terminales de entrada son cero y que el voltaje entre las terminales de entrada es cero.

Segn la configuracin de los elementos externos del amplificador operacional se puede funciones como: Adicin, Substraccin, Multiplicacin, Divisin, Diferenciacin, Integracin.

PARA CONTEXTUALIZAR CON:

Trabajo en equipo

Competencia analtica

Entrada inversora

Entrada no inversora

Salida

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Formarn equipos de trabajo para analizar el manejo de amplificadores operacionales en circuitos electrnicos de aplicacin industrial.

1.1.2. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Inversor

Un amplificador operacional inversor es un amplificador en el cual la polaridad de salida (o fase) es opuesta a la polaridad de entrada (o fase). Es decir, si la entrada es una seal de corriente directa, la salida es una seal de corriente directa amplificada pero de polaridad contraria. Si la entrada es una seal de corriente alterna, la salida es una seal de corriente alterna amplificada, desfasada 180 con respecto a la seal de entrada

La configuracin inversora es como se muestra en la figura

El circuito opera como cambiador de escala o un amplificador de ganancia constante. A travs de un resistor R1 se aplica una seal V1 en la terminal de entrada negativa. El voltaje de salida se retroalimenta a travs del resistor Rf en la terminal de entrada. La terminal de entrada positiva se conecta a tierra. El voltaje de salida es

11

VRR

V fo =

Esta ecuacin muestra que la relacin de salida total al voltaje de entrada slo depende de los valores de los resistores R1 y Rf es decir, el factor de amplificacin la da la relacin de estos resistores.

Si se eligen los valores precisos de los valores de los resistores, se pude obtener un amplio intervalo de ganancias.

No inversor

V1 VOR1

Rf

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Como su nombre lo indica, el voltaje de salida de un amplificador operacional no inversor tiene la misma polaridad del voltaje de entrada

La configuacin bsica para este tipo de aplicacin es la siguiente

El amplificador operacional en configuracin no inversor trabaja como multiplicador de ganancia constante. El voltaje de salida tiene la relacin

11

1 VRR

V fo

+=

El factor de amplificacin est dado por el trmino que est entre parntesis de lado derecho de la ecuacin, por lo que se tiene un amplio margen de ganancias escogiendo los valores de los resistores R1 y Rf .

Seguidor unitario

La configuracin para este tipo de aplicacin es debido a que el voltaje de salida es igual en signo y magnitud al voltaje de entrada. La funcin de este circuito es aislar la salida de entrada del dispositivo. En consecuencia, la impedancia de entrada puede ser muy alta y la impedancia de salida muy baja

El circuito equivalente del seguidor unitario es

El voltaje de entrada es igual al voltaje de salida en polaridad y magnitud, es decir

1VVo =

Sumador

Un amplificador operacional puede conectarse para que efecte la operacin matemtica de suma. Es decir, puede sumar dos o ms voltajes de corriente directa o corriente alterna. Cuando est conectado para efectuar

V

VR

Rf

V

V

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esta funcin, el circuito se denomina un circuito sumador o un sumador.

Es probable que el ms til de los amplificadores operacionales utilizados en computadoras analgicas sea esta configuracin, la cual se muestra en la figura con tres entradas

Esta configuracin brinda un medio para sumar (aadir) algebraicamente voltajes de tres entradas, cada uno multiplicado por un factor de ganancia constante.

El voltaje de salida se puede expresar en trminos de las tres entradas como

++= 3

32

21

1

VRR

VRR

VRR

V fffo

En otras palabras, cada entrada aade un voltaje de salida conforme se obtiene de un circuito de ganancia constante inversor. Si se emplean ms

entradas, ellas aaden componentes adicionales a la salida.

Diferenciador

Un amplificador operacional tambin puede realizar operaciones matemticas ms avanzadas como lo es la diferenciacin. Una configuracin de un amplificador operacional que se le denomina diferenciador es un circuito cuya salida es proporcional a que tan rpidamente est

El circuito para este tipo de aplicacin es la siguiente

La relacin resultante para el circuito es

( ) )(1 tvdtdRCtvo =

Integrador

Una configuracin de un amplificador operacional que se le denomina integrador, es un circuito cuya salida

V1 VO

Rf R1R2

R3

C

R

v1(t)vo(t)

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es proporcional al tiempo que ha estado presente la entrada

El circuito es

La expresin de los voltajes de entrada y salida es

( ) = dttvRCtvo )(1 Logartmico

Una configuracin de un amplificador operacional que se le denomina logartmico es un circuito en cuya salida se obtiene un voltaje proporcional al logaritmo del voltaje de entrada

La salida de algunos sensores no es lineal. Por ejemplo, la salida de un termopar no es una funcin perfectamente lineal de la diferencia de temperatura entre sus uniones. Entonces es necesario utilizar un acondicionador de seal para linealizar la salida de estos sensores. Para ello se

utiliza un circuito de amplificador operacional diseado para que la relacin entre su entrada y su salida no sea lineal, de manera que cuando su entrada sea no lineal, la salida sea lineal. Con este fin se utilizan las componentes adecuadas en la malla de retroalimentacin

El amplificador logartmico es un ejemplo de este acondicionador de seal. En la malla de retroalimentacin hay un diodo, cuyas caractersticas son no lineales. Su comportamiento podra representarse como ICV ln= donde C es una constante. Puesto que la corriente de la malla de retroalimentacin es idntica a la corriente de la resistencia de entrada y diferencia de potencial en el diodo es

oV tenemos que

ii

o VKRVCV lnln =

=

C

RV1(t

Vo(t

C

RVi(

V (

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Donde K es una constante. Ahora bien si la entrada iV la proporciona un sensor con entrada t, en la que

ati AeV = , siendo A y a constantes,

entonces:

( ) KatAKAeKVKV atio +=== lnlnln La relacin es una relacin lineal entre

oV y t


Trabajo documental

Competencia tecnolgica

Identificar las caractersticas bsicas de una seal de de instrumentacin

RESULTADOS DE APRENDIZAJE

1.2 Identificar las caractersticas fsicas y de funcionamiento de los amplificadores operacionales de acuerdo a su tipo y a las especificaciones tcnicas del fabricante.

1.2.1. EL ENCAPSULADO

Elementos semiconductores

Los amplificadores operacionales en la actualidad son fabricados en forma de circuito integrado. Para obtener el amplificador, se utilizan dentro del circuito integrado un arreglo conformado por transistores y resistencias

La construccin de los circuitos integrados (CI) requiere la utilizacin de componentes de menor tamao para formar los muchos cientos de componentes (principalmente transistores) necesarios para construir de uno a cuatro amplificadores operacionales en un solo chip de CI. Estos circuitos pueden construirse empleando nicamente transistores bipolares (BJT). As como bipolar y JFET (BiFET). En la actualidad, los amplificadores operacionales BiFET son los m,s populares, con una resistencia elevada, proporcionada por el transistor de entrada JFET, elevada ganancia empleando circuitos de amplificador diferencial bipolar, as como baja resistencia de salida

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utilizando un etapa de salida de seguidor emisor

En un amplificador operacional BiFET, el dispositivo JFET se emplea en la parte de la entrada del circuito para obtener una elevada resistencia de entrada.

Tcnicas de encapsulado

Las tcnicas para la elaboracin de los circuitos integrados que contienen a los amplificadores operacionales son:

- Encapsulado de doble lnea (DIP)

- Tecnologa de montaje de superficie SMT

Tipos de encapsulados

El costo final del circuito integrado depende en que medida del costo del encapsulado en el cual se encapsula. Adems del costo, el encapsulado tambin afecta fuertemente a dos parmetros importantes. La primera es la disipacin de energa mxima permisible en el circuito, y la segunda es la confiabilidad del circuito. Los tipos de encapsulado son:

- Encapsulado metlico

- Encapsulado plstico

- Encapsulado cermico


Observacin

Competencia lgica

Identificar las variables elctricas que intervienen en el encapsulado y su comportamiento

1.2.1. IDENTIFICACIN TCNICA DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Identificacin grfica

El amplificador operacional ms popular es el 741 y esta estriba en el

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hecho de que est compensado en forma interna y que se trata de un circuito relativamente simple, que puede entrar en un dado. Tiene una ganancia de voltaje grande y buenos rangos de voltajes de entrada en modo comn modo diferencial.

Para brindar alguna indicacin sobre los casos en los que los amplificadores operacionales pueden ser tiles, aparte de los circuitos de computadoras analgicas (que es un rea de aplicacin muy alta de los amplificadores operacionales) Se pude considerar en:

- Milivlmetros de CD

- Fuentes de corriente constante

- Excitadores de indicadores

- Milivlmetro de CA

- Filtros activos

Cdigo de identificacin

Para la utilizacin de algn amplificador operacional en ciertas aplicaciones es necesario considerar algunas caractersticas de estos. Para ello es necesario tener en cuenta el

tipo de amplificador, el fabricante, la calidad de este as como su encapsulado. Adems es necesario considerar algunas especificaciones dadas por el fabricante como lo es

- Resistencia de entrada

- Ganancia de voltaje de voltaje de seal grande

- Relacin de rechazo modo comn (CMRR)

- Producto ganancia-ancho de banda

Relacin de cambio

Cada tipo de amplificador operacional tiene un cdigo de identificacin de letra y nmero. Este cdigo responde a las cuatros preguntas siguientes:

1. De que tipo de amplificador se trata? (ejemplo: 741)

2. Quin lo fabrica? (Ejemplo: Analog Device)

3. Qu calidad tiene? (Ejemplo: el intervalo garantizado de temperatura de operacin)

4. Qu clase de encapsulado contiene al microcircuito del amplificador

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operacional? (Ejemplo: DIP de plsico)

Informacin para la identificacin de amplificadores operacionales

No todos los fabricantes utilizan el mismo cdigo de identificacin que contiene cuatro partes escritas en el siguiente orden:

1. Prefijo de letras. El cdigo de prefijo de letras consiste de dos o tres letras mediante las que se identifica al fabricante. En los siguientes ejemplos se ofrecen algunos de los cdigos:

Prefijo literal Fabricante

AD/OP Analog Devices

CA/HA Harris

LM Nacional Semiconductor

LT Linear Technology

MAX Maxim

MC Motorota

OPA Burr-Brown

TL Texas Instruments

UA(A) Fairchild

2. Nmero de circuito. El nmero de circuito consta de tres a siete nmeros y letras que identifican el tipo de amplificador operacional y su intervalo de temperatura. Por ejemplo:

Los tres cdigos del intervalo de temperatura son:

1. C: comercial, de 0 a 70 C

2. I: Industrial de -25 a 85C

3. M: militar, de -55 a 125C

3. Sufijo de letras. El sufijo de una y dos letras identifica el tipo de de encapsulado que contiene al

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microcircuito del amplificador operacional. Es necesario conocer el tipo de encapsulado para conocer las conexiones correspondientes de las terminales de la hoja de especificaciones. A continuacin se muestran los tres cdigos de sufijos ms comunes de los encapsulados:

Cdigo de encapsulado

Descripcin

D De plstico, doble en lnea para montaje en la superficie de una tarjeta de circuito impreso

J De cermica, doble en lnea

N, P De plstico, doble en lnea para montarse en una base. (Las terminales salen de la

superficie superior [cara de componentes] de una tarjeta de circuito impreso y sueldan en la superficie inferior[cara de soldadura]

4. Cdigo de especificacin militar. Slo se emplea cuando la parte se utiliza en aplicaciones de alta confiabilidad.

Ejemplo de especificacin de un nmero para pedido

Un amplificador operacional 741 de propsito general se identifica de la siguiente manera:

Portafolio de Evidencias

Recopilar todos sus notas,

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resmenes y resultados de trabajo en equipo e individuales de la unidad para conformar parte del portafolio de evidencias

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PRCTICAS DE EJERCICIOS Y LISTAS DE COTEJO

Unidad de aprendizaje 1 Prctica nmero 1 Nombre de la prctica Caractersticas de funcionamiento de un amplificador para la

instrumentacin tpico.

Propsito de la prctica Al finalizar la prctica, el alumno conocer las conexiones y algunos detalles

de las especificaciones de un amplificador de instrumentacin. Escenario Labaratorio Duracin 4 h.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta

3 Circuito integrado 741C Op-Amp de propsito general.

2 Resistencias de 10 K -0.5 W.

1 Resistencia de 100 K -0.5 W.

2 Resistencias de 50 K -0.5W.

2 Resistencias 200 K -0.5 W. Alambre calibre 22. Manual de datos tcnicos.

1 protoboard. 1 fuente de alimentacin

simtrica -15+15 V / 1.5 A. 1 fuente de alimentacin

simtrica de 5 V fijos. 1 generadores de funciones. 1 osciloscopio de 2 canales.

1 pinzas de punta. 1 pinzas de corte. 1 pinza pelacable

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Procedimiento Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la prctica.

De espacio: Identificar los sealamientos y medidas de seguridad establecidos en el taller. El taller deber estar limpio antes de iniciar la prctica. En el taller se deber contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente

verificada. No deber de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. Todas las conexiones elctricas del taller debern encontrarse en buen estado y por ningn

motivo existirn cables o conductores expuestos. Los materiales y equipos antes de su uso, debern estar guardados en casilleros, o su

equivalente. No se permitir el acceso al taller a personas ajenas a la prctica.

Personales: Lavarse las manos perfectamente. Evitar el uso de relojes, hebillas, botones protuberantes, corbatas, ropa holgada Evitar traer suelto el cabello largo. Utilizar la ropa y equipo de trabajo (Overol, bata o la ropa adecuada, zapatos de seguridad). Utilizar el equipo de seguridad, de acuerdo al tipo de prctica a desarrollar.

Casco. Gogles o lentes. Guantes de algodn o carnaza, segn sea la labor. Proteccin auditiva. Mascara antigases.

4 Aplicar las medidas ecolgicas durante el desarrollo de la prctica. Los desperdicios que se generen, debern ser depositados en los recipientes adecuados para

ello (separando los materiales orgnicos e inorgnicos). Deber de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. Se deber evitar daos a materiales, equipos, mobiliario y aulas. Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados sern conservados para tal fin. No se permitir introducir al taller, alimentos y bebidas.

Aplicar estrategias de construccin del aprendizaje. 9 Se sugiere que con la gua del PSP, el alumno ms adelantado o experimentado: Explique el procedimiento que se va a ejecutar, reafirmando el tipo de tareas que se

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Procedimiento aprendern.

9 El PSP realizar de manera adicional a la conduccin y supervisin de las actividades de la prctica:

La aportacin de comentarios referentes a los resultados que se vayan obteniendo en cada actividad desarrollada.

La correccin de errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecucin.

9 Los alumnos participaran activamente a lo largo de la prctica: Contestando las preguntas que haga el PSP, sobre el procedimiento desarrollado, los aspectos

importantes que deben cuidar, los errores ms frecuentes que se suelen cometer, las recomendaciones del fabricante, etc.

Planteando sus dudas, as como las posibles soluciones a los problemas que se presenten durante la prctica, incluyendo las relacionadas con situaciones y casos especficos.

Explicando el procedimiento a sus compaeros y tratando de ayudarse mutuamente en la comprensin de los conocimientos implcitos.

Ejecutando el procedimiento, tantas veces como sean necesarias, hasta hacerlo con precisin. Pasando en forma rotatoria por el aprendizaje de ensear.

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Lista de cotejo de la prctica nmero 1: Caractersticas de funcionamiento de un amplificador para la instrumentacin tpico.

Nombre del alumno: Instrucciones: A continuacin se presentan los criterios que van a ser

verificados en el desempeo del alumno mediante la observacin del mismo. De la siguiente lista marque con una 9aquellas observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeo.

Desarrollo Si No No

aplica Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

prctica.

Limpiar el rea de trabajo. Evitar la manipulacin de lquidos y alimentos cerca de los

documentos de trabajo.

1. Prepar el equipo a emplear, los instrumentos de medicin, las herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

2. Arm en el protoboard del arreglo de la Figura 1.

3. Verific los pines correspondientes a cada elemento del op-amp, de acuerdo con el manual de datos tcnicos.

4. Conect el operacional con un voltaje simtrico de +10V, -10V, asegurndose que la fuente est an apagada.

5. Encendi la fuente de alimentacin.

6. Repiti las mediciones variando el valor de las resistencias.

7. Tabul los resultados.

8. Comprob los resultados tericos a partir de las mediciones realizadas.

9. Calcul la ganancia de voltaje total con ecuacin 1+2 R2/R1=

10. Realiz la desconexin de los equipos e instrumentos empleados,

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Desarrollo Si No No aplica

de manera apropiada.

11. Coment al grupo sus conclusiones y obtuvo el consenso en el anlisis para completar los reportes correspondientes.

12. Guard apropiadamente los instrumentos, herramientas y materiales utilizados en la prctica.

13. Limpi su rea de trabajo.

14. Elabor el informe individual del anlisis de los procesos efectuados, empleando los reportes generados a lo largo de la prctica, incluyendo los procedimientos realizados, las observaciones y las conclusiones.

Particip de manera activa en las estrategias de construccin del aprendizaje recomendadas.

Realizo la prctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en equipo.

Observaciones:

PSP:

Hora de inicio:

Hora de trmino:

Evaluacin:

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Unidad de aprendizaje 1 Prctica nmero 2 Nombre de la prctica Caractersticas del amplificador logartmico Propsito de la prctica Al finalizar la prctica, el alumno interpreta las salidas no lineales de

algunos sensores, utilizando equipo de medicin y observar el funcionamiento y aplicacin del amplificador logartmico para linealizar seales medidas.

Escenario Laboratorio o Taller Duracin 2 h.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta

Manuales del fabricante. Amplificador operacional de

propsito general. Resistencias, Diodos,

termopar tipo J o E o K. Alambre para

interconexiones. Estao 80-20. Formatos de reporte de

resultados.

Protoboard. Multmetro analgico y/o

digital. Osciloscopio de dos canales. 3 Juegos de cables de

medicin banana-caimn. Fuente de poder +15V, -15V

0-10Khz.

Pinza de punta. Pinza de corte. Pinza pela cable. Cautn 60 W. Cables de conexin

banana-caimn.

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Procedimiento Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la prctica.

De espacio: Identificar los sealamientos y medidas de seguridad establecidos en el taller. El taller deber estar limpio antes de iniciar la prctica. En el taller se deber contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente

verificada. No deber de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. Todas las conexiones elctricas del taller debern encontrarse en buen estado y por ningn

motivo existirn cables o conductores expuestos. Los materiales y equipos antes de su uso, debern estar guardados en casilleros, o su

equivalente. No se permitir el acceso al taller a personas ajenas a la prctica.

Personales: Lavarse las manos perfectamente. Evitar el uso de relojes, hebillas, botones protuberantes, corbatas, ropa holgada Evitar traer suelto el cabello largo. Utilizar la ropa y equipo de trabajo (Overol, bata o la ropa adecuada, zapatos de seguridad). Utilizar el equipo de seguridad, de acuerdo al tipo de prctica a desarrollar.

Casco. Gogles o lentes. Guantes de algodn o carnaza, segn sea la labor. Proteccin auditiva. Mascara antigases.

4 Aplicar las medidas ecolgicas durante el desarrollo de la prctica. Los desperdicios que se generen, debern ser depositados en los recipientes adecuados para

ello (separando los materiales orgnicos e inorgnicos). Deber de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. Se deber evitar daos a materiales, equipos, mobiliario y aulas. Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados sern conservados para tal fin. No se permitir introducir al taller, alimentos y bebidas.

Aplicar estrategias de construccin del aprendizaje. 9 Se sugiere que con la gua del PSP, el alumno ms adelantado o experimentado: Explique el procedimiento que se va a ejecutar, reafirmando el tipo de tareas que se

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Procedimiento aprendern.

9 El PSP realizar de manera adicional a la conduccin y supervisin de las actividades de la prctica:

La aportacin de comentarios referentes a los resultados que se vayan obteniendo en cada actividad desarrollada.

La correccin de errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecucin.

9 Los alumnos participaran activamente a lo largo de la prctica: Contestando las preguntas que haga el PSP, sobre el procedimiento desarrollado, los aspectos

importantes que deben cuidar, los errores ms frecuentes que se suelen cometer, las recomendaciones del fabricante, etc.

Planteando sus dudas, as como las posibles soluciones a los problemas que se presenten durante la prctica, incluyendo las relacionadas con situaciones y casos especficos.

Explicando el procedimiento a sus compaeros y tratando de ayudarse mutuamente en la comprensin de los conocimientos implcitos.

Ejecutando el procedimiento, tantas veces como sean necesarias, hasta hacerlo con precisin. Pasando en forma rotatoria por el aprendizaje de ensear.

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Lista de cotejo de la prctica nmero 2: Caractersticas del amplificador logartmico Nombre del alumno: Instrucciones: A continuacin se presentan los criterios que van a ser

verificados en el desempeo del alumno mediante la observacin del mismo. De la siguiente lista marque con una 9aquellas observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeo.

Desarrollo Si No No

aplica Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

prctica.

Limpiar el rea de trabajo. Evitar la manipulacin de lquidos y alimentos cerca de los

documentos de trabajo.


2. Se incorpor a algn equipo de trabajo.

3. Arm en el protoboard el circuito de la figura 2.

4. Energiz el circuito y conect el osciloscopio a los puntos indicados del circuito.

5. Midi las formas de onda de la seal de entrada y de salida del circuito.

6. Realiz las propuestas de variacin para el circuito.

7. Realiz la desconexin de los equipos e instrumentos empleados, de manera apropiada.

8. Realiz la desconexin de los equipos e instrumentos empleados,

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Desarrollo Si No No aplica

de manera apropiada.

9. Guard apropiadamente los instrumentos, herramientas y materiales utilizados en la prctica.

10. Coment al grupo sus conclusiones y obtuvo el consenso en el anlisis para completar los reportes correspondientes.

11. Limpi su rea de trabajo.

12. Elabor el informe individual del anlisis de los procesos efectuados, empleando los reportes generados a lo largo de la prctica, incluyendo los procedimientos realizados, las observaciones y las conclusiones.


14. Se incorpor a algn equipo de trabajo.

Particip de manera activa en las estrategias de construccin del aprendizaje recomendadas.

Realizo la prctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en equipo.

Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la prctica.

Observaciones:

PSP:

Hora de inicio:

Hora de trmino:

Evaluacin:

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RESUMEN

Uno de los dispositivos electrnicos ms verstiles y de mayor uso en aplicaciones lineales es el amplificador operacional, al que con frecuencia se le conoce en ingles como op amp.

Los amplificadores operacionales son populares porque son baratos, fciles de usar y es divertido trabajar con ellos. Permiten construir tiles circuitos sin tener que saber nada sobre su complicada circuiteria interna.

Por lo general, los amplificadores operacionales resisten los errores de alambrado, gracias a que cuentan con circuitos de proteccin internos.

El trmino operacional de estos amplificadores se refera originalmente a operaciones matemticas.

Los primeros amplificadores operacionales se usaban en circuitos para sumar, restar, multiplicar o dividir. Estas operaciones se realizan actualmente mediante otros medios, aunque en seales elctricas, siguen realizndose mediante estos dispositivos.

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2APLICACIN DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL EN LOS PROCESOS DEL

ACONDICIONAMIENTO DE SEALES Al finalizar la unidad, el alumno interpretar los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una seal electrnica

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MAPA CURRICULAR DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE


7 hrs.











108 hrs.


20 hrs


46 hrs


42 hrs

Mdulo

Unidades de

d

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18 hrs.

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1. APLICACIN DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL EN LOS PROCESOS DEL

ACONDICIONAMIENTO DE SEALES.

SUMARIO

APLICACIONES EN LOS PROCESOS DEL ACONDICIONAMIENTO DE SEALES.

CIRCUITOS COMPARADORES.

NIVEL ADECUADO DE UNA SEAL MEDIDA Y SU MANIPULACIN

CIRCUITOS PARA MEDIR VARIABLES ELCTRICAS.

MEDICIN DE VARIABLES DE INTENSIDAD LUMINOSA.

FILTROS ACTIVOS

CONVERTIDOR DE SEAL

RESULTADO DE APRENDIZAJE

2.1 Aplicar el amplificador operacional en procesos de acondicionamiento de seales

2.1.1. AMPLIFICADOR INVERSOR

Identificar aplicaciones en los procesos del acondicionamiento de seales que es muy comn utilizar amplificadores operacionales

En la instrumentacin

Muchas aplicaciones en laboratorios e industria necesitan de la medicin de seales analgicas de bajo nivel que se originan en fuentes remotas (como por ejemplo los termopares, galgas extensomtricas, derivaciones de corrientes y sensores biolgicos) Esas seales se deben amplificar mediante dispositivos que posean la ganancia, impedancia de entrada, relacin de rechazo de modo comn y estabilidad adecuadas. Es comn seleccionar los amplificadores de instrumentacin para esas aplicaciones, porque son amplificadores diseados especficamente para cumplir con estos requisitos. Una forma de definir los amplificadores de instrumentacin es:

Un amplificador de instrumentacin es un dispositivo de precisin de ganancia de voltaje diferencial que se optimiza para funcionar en un medio hostil para

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mediciones de precisin. El mundo real se caracteriza por desviaciones de lo ideal.: la temperatura vara, existe ruido elctrico y las cadas de voltaje debidas a la corriente a travs de la resistencia de los conductores desde ubicaciones remotas, son dictadas segn las leyes de la fsica.

Los amplificadores de instrumentacin estn hechos para emplearse siempre que sea difcil la adquisicin de una seal til.

Como preamplificadotes, los amplificadores de instrumentacin son capaces de extraer seales diferenciales pequeas de voltajes grandes en modo comn. En los sistemas analgicos analgico-digital, las amplitudes de su seal de salida estn adaptadas para satisfacer los requisitos necesarios de la seal de entrada de los convertidores analgico-digital. Tambin se emplean en aplicaciones especiales de medicin de corriente, esto es, amplificando los voltajes pequeos que aparecen a travs de derivaciones de baja resistencia de baja resistencia insertadas en las lneas de voltaje.

Como convertidor

Algunas veces en la electrnica industrial, es necesario entregar una corriente que es proporcional a un cierto voltaje, aun cuando la resistencia de carga pueda variar. Si la resistencia de carga puede permanecer constante, no habra problema. Naturalmente, la corriente de carga sera proporcional al voltaje aplicado, de acuerdo a la ley de Ohm. Sin embargo, si la resistencia de carga vara de una unidad a otra, o si vara con la temperatura o con la edad, entonces entregar una corriente exactamente proporcional a un cierto voltaje no es fcil. Un circuito que puede ejecutar este trabajo se denomina conversor voltaje-corriente.

En el filtrado

Una aplicacin comn de los amplificadores operacionales se encuentra en la construccin de filtros activos. Un circuito de filtro pasivo se construye empleando componentes pasivos (resistores y capacitores). Un filtro activo utiliza adems un amplificador para la ganancia de voltaje y para el aislamiento de seal o separacin.

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Un filtro que proporcione una salida constante a partir de CD hasta una frecuencia de corte, y que despus no deje pasar ninguna seal ideal pasabajo. Un filtro que slo pasa seales arriba de la frecuencia de corte es un filtro pasaalto. Cuando el circuito filtro pasa seales que se encuentran arriba de una frecuencia de corte y por debajo de una segunda frecuencia de corte es un filtro pasabanda.


Trabajo individual


Elaborar un resumen de las aplicaciones de los procesos de acondicionamiento de seales

2.1.2. CARACTERSTICAS BSICAS DE LOS COMPARADORES

El amplificador operacional en CI es utilizado normalmente conexin de componentes externos. Estos

componentes proporcionan retroalimentacin negativa la cual sirve para reducir la ganancia de voltaje total a un valor razonable. La ganancia de voltaje cuando se utilizan componentes externos se denomina ganancia de voltaje de bucla cerrada.

Un Amplificador operacional raramente se utiliza en la configuracin de bucla abierta porque su ganancia de bucla abierta es tan alta que dificulta el balance del voltaje de salida entre los puntos de saturacin positivo y negativo. Una aplicacin en la cual se utiliza en bucla abierta es en el comparador de voltaje. Este compara un voltaje con otro voltaje y seala cual de ellos es mayor

Un ejemplo de un comparador de voltaje se muetra en el siguiente dibujo

En la figura, la entrada inversora est conectada a tierra y la fuente externa V1 esta conectada a la entrada no

V

V

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inversora. El circuito hace la comparacin entre V1 y tierra (0 volts). Si V1 es mayor que 0 volts, lo cual significa que es positivo, la salida pasar a saturacin positiva, casi +12 volts. Si V1 es menor que 0 volts, lo cual significa que es negativo, la salida pasar a saturacin negativa, casi -12 volts. Siempre que V1 exceda una fraccin de milivolts, la salida pasar a uno o al otro de estos extremos debido a la ganancia de bucla abierta muy grande. De esta forma el voltaje de salida de un comparador de voltaje indica el resultado de la comparacin

Detector de cruce por cero

- Histresis

Existe una tcnica estndar que sirve para mostrar el comportamiento de un comparador por medio de una grfica en vez de dos, como se puede observar en la figura. Al graficar iE en el eje horizontal y oV en el vertical, se obtiene la caracterstica de voltaje de entrada y salida, como se muestra en la figura. Cuando iE es menor que LTV ,

sato VV += . La lnea vertical (a) muestra que oV va de satV hasta satV+ cuando

iE se vuelve menor que LTV . La

diferencia de voltajes entre UTV y LTV se denomina voltaje de histresis, HV

Siempre que un circuito cambia de un estado a otro con cierta seal y luego regresa del segundo al primer estado con una seal de entrada diferente, se dice que el circuito presenta histresis. En el caso del comparador con retroalimentacin positiva, la diferencia en las seales de entradas es la siguiente:

LTUTH VVV =

Si el voltaje de histresis est diseado para que sea mayor que el voltaje de ruido pico a pico, no habr cruces falsos de salida. Por consecuencia, HV

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indica que tanto ruido pico a pico es capaz de soportar el circuito.

- Detector de cruce por cero con histresis

Si iE tiene un valor comprendido entre LTV y UTV , es imposible predecir el

valor de oV a menos que ste ya se conozca. Por ejemplo, suponga que iE se sustituye por tierra ( VEi 0= ) en la figura anterior y se enciende la fuente de de poder. El amplificador operacional pasar ya sea a satV+ o a

satV , dependiendo de la presencia inevitable del ruido. Si el amplificador operacional pasa a satV+ , entonces iE deber ir arriba de UTV para cambiar la salida. Si oV ha pasado a satV entonces

iE tendr que ir por debajo de LTV para poder cambiar a oV .

Por lo tanto, el comparador con histresis presenta la propiedad de memoria. Esto es, si iE cae entre HV y

LTV (dentro del voltaje de histresis), el amplificador operacional recuerda el ltimo valor de cambio de iE estuvo arriba de UTV o abajo de LTV .

Detector de nivel de voltaje

- Detector no inversor de nivel de voltaje con histresis

La resistencia de retroalimentacin positiva de la salida a la entrada (+) indica la presencia de histresis en el circuito de la figura siguiente. iE se aplica a travs de R a la entrada de (+), de modo que el circuito es no inversor. (Observe que iE tiene que ser una fuente de baja impedancia, o la salida ya sea de un seguidor de voltaje o de un amplificador operacional). El voltaje de referencia refV se aplica a la entrada (-) del amplificador operacional.

Los voltajes de umbral superior e inferior pueden determinarse a partir de las siguientes ecuaciones:

nV

nVV satrefUT

+= 11

El voltaje de histresis HV se expresan de la siguiente manera

( ) ( )n

VVVVV satsatLTUTH+==

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En los detectores de cruce por cero, HV est centrado en la referencia de cero volts. Para el circuito de la figura no est centrado en refV , aunque es simtrico alrededor del valor promedio de UTV y LTV . Este valor se denomina voltaje central ctrV y se encuentra mediante la ecuacin:

+=+=n

VVV

V refLTUTctr11

2

- Detector inversor de nivel de voltaje con histresis

Si se incrementa iE y refV en la figura, el resultado es el detector de nivel de voltaje inversor con histresis. Las expresiones correspondientes para UTV y LTV son:

( )11 +

+++= nVV

nnV satrefUT

( )11 +

++= nVV

nnV satrefUT

ctrV y HV son por lo tanto,

refLTUT

ctr VnnVVV

+=+=

12

( ) ( )1++==

nVVVVV satsatLTUTH

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Observe que tanto ctrV como HV dependen de n y, por consecuencia, no son independientemente ajustables

- Circuito de control de un cargador de bateras

En la figura se muestra del control del cargador de batera. Cuando iE desciende por debajo de los 10.5 volts,

oV se vuelve negativo y deja normalmente al relevador en su posicin de cerrado. Los contactos del relevador (NC) que, por lo general estn cerrados, conectan el cargador a la batera iE . El diodo 1D protege al transistor contra la polarizacin inversa excesiva cuando sato VV = . En el momento en que se carga la batera a 13.5 volts, oV cambia a satV+ , mismo que enciende el transistor y opera el relevador. Sus contactos NC se abren para desconectar el cargador. El diodo

2D protege tanto al amplificador operacional como al transistor contra los transitorios creados por el decreciente campo magntico del relevador.

El C. I. Comparador de precisin 111/311

- Caractersticas bsicas

El comparador 111 (militar), o el 311 (comercial) es un circuito integrado diseado y optimizado para lograr un alto rendimiento en aplicaciones como detector de nivel de voltaje. Un comparador debe ser veloz; esto es, su salida ha de responder con rapidez a los cambios que se presentan en sus entradas.

El comparador 311 es una opcin excelente, a bajo costo, dada su versatilidad. Su salida est diseada para no presentar rebotes entre satV , aunque es posible modificarla con bastante facilidad. De hecho, si se conectara a un sistema con una fuente de alimentacin de voltaje diferente, sencillamente se conectara la salida de la nueva fuente de voltaje a travs de una resistencia adecuada.

Operacin de la terminal de salida

El modelo simplificado del 311 se muestra en la figura. Su salida se comporta como si se tratara de un interruptor conectado entre la terminal de salida 7 y la 1. La terminal 7 se puede conectar con cualquier otro

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voltaje ++V con magnitudes de hasta 40 volts, ms positiva que la terminal de alimentacin V (terminal 4). Cuando la entrada (+), terminal 2, es ms positiva que la entrada (-) 3, el interruptor equivalente de salida del 311 est abierto. oV se determina entonces por ++V y es de +5 volts.

Cuando la entrada (+) es menos positiva (est por debajo) de la entrada (-), el interruptor equivalente de salida

del 311 se cierra y se extiende la tierra de la terminal 1 hasta la terminal 7 de salida.

fR y iR aportan cerca de 50 milivolts de histresis para minimizar los efectos de ruido, de modo que la terminal 2 en esencia est a 0 volts. Las formas de onda para oV y iE se aprecian en la figura. oV est a = volts (interruptor cerrado), para los medios ciclos positivos de iE . oV est a +5 volts (interruptor abierto) para los medios ciclos negativos de iE ste es un circuito comn de interfaz; lo que significa que los voltajes pueden variar entre niveles de +15 y -15 volts; sin embargo, oV est restringido dentro de +5 y 0 volts, los cuales son niveles tradicionales de seales digitales. De modo que el 311 puede utilizarse en la conversin de niveles de voltaje analgico en niveles digitales (interfaces)

Operacin de la terminal de habilitacin

La terminal de habilitacin del 311 es la 6. Esta caracterstica de habilitacin permite que la salida del comparador responda a seales de entrada o bien

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sea independiente de stas. En la siguiente figura se utiliza el 311 como detector de cruce por cero. Se conecta una resistencia de 10 k a la terminal de habilitacin. El otro extremo de la resistencia se conecta a un interruptor. Con el interruptor de habilitacin abierto, el 311 opera en forma normal. Esto es, el voltaje de salida est a ++V en el caso de valores negativos de iE y a 0 para valores positivos de iE . Cuando el interruptor de habilitacin se cierra (conectando la resistencia de 10 k a tierra), el voltaje de salida pasa a ser ++V independientemente de la seal de entrada. oV seguir a un valor ++V en tanto est cerrado el interruptor de habilitacin. Por lo tanto, la salida es independiente de las entradas hasta que se vuelva a abrir el interruptor de habilitacin.

La caracterstica de habilitacin es til cuando se utiliza un comparador con un microcontrolador para protocolos (handshaking) de seales. Si el microcontroladores aplica a 0 lgico a la terminal del comparador 311, el interruptor de habilitacin se cierra para evitar que seales extraas se conecten al microcontrolador. As, cuando el programador desea que el microcontrolador reciba datos del 311,

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se aplica un 1 lgico a la terminal 1. La corriente de la habilitacin debe limitarse aproximadamente a 3 mA. Si no se utiliza la habilitacin, la terminal de sta se deja abierta o conectada a +V.

- Aplicacin del C. I. (Una aplicacin biomdica)

Como se menciono en lo referente al circuito del modelo simplificado del 311, este puede servir para convertir seales analgicas a seales digitales dentro de niveles TTL. Observe la forma de onda del cardiograma (EKG o ECG) que se muestra en la siguiente figura. sta se someter a un acondicionamiento de seal para alimentar la entrada del contador de un microcontrolador, o la entrada de captura. En este caso puede utilizarse el 311 con histresis

El nivel de histresis se define de manera tal que la salida del 311 vaya a un nivel lgico 1, slo en el caso de la onda R y por encima de un nivel de voltaje especificado. La salida del comparador se queda en un nivel lgico 0 en el caso de las ondas P y T. Si en el caso de un paciente, el

segmento S-T est elevado, dicho nivel puede provocar que la salida del 311 cambie de estado y a continuacin el microcontrolador lo registra. En un hospital, o en un consultorio mdico, la forma de onda del electrocardiograma de una persona se obtiene mediante sensores; la forma de onda pasa luego por un amplificador de aislamiento/instrumentacin y luego entra al circuito acondicionador de seal analgico-digital. Es decir, el paciente est siempre fuera de contacto de fuentes de alimentacin de CA.

El detector de ventana

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- Diagrama esquemtico

El circuito que se muestra en la figura est diseado para monitorear un voltaje de entrada e indicar cuando este voltaje se encuentra por arriba o por debajo de los lmites prescritos. Por ejemplo, las fuentes de alimentacin de los circuitos integrados lgicos TTL se deben regular a 5.0 volts. Si el voltaje de alimentacin excede a 5.5 volts la lgica puede resultar daada, y y si la alimentacin de voltaje desciende por debajo de 4.5 volts, la lgica puede funcionar de una manera no deseada. Por lo tanto, los lmites de la fuente de alimentacin de TTL son 4.5 y 5.5 volts. La fuente de alimentacin deber observarse a travs de una ventana cuyos lmites estn entre 4.5 y 5.5 volts. Por lo anterior, se le ha dado el nombre de detector de ventana. Este circuito a veces se conoce tambin detector lmite de doble extremo.

En la figura, el voltaje de entrada iE se conecta a la entrada (-) del comparador A y a la entrada (+) del comparador B. El lmite superior UTV se aplica a la entrada (+) de A, en tanto que el lmite inferior LTV se aplica a la entrada (-) de B. Cuando iE desciende por debajo de

LTV o asciende por encima de UTV , la luz de alarma se enciende para indicar que iE no est dentro de los lmites prescritos.

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- Funcionamiento del circuito

El circuito funciona de la siguiente manera. Suponga que VEi 5= . Dado que iE es mayor que LTV y menor que

UTV , el voltaje de salida de ambos comparadores esta a ++V pues los dos interruptores de salida estn abiertos. La lmpara/alarma est apagada. Ahora, suponga que VEi 0.6= , o

UTi VE > . La entrada en la terminal 3 de A es ms positiva que la terminal 2, de modo A est al potencial de la terminal 1 o tierra. Esta tierra enciende la lmpara y VVo 0= . Ahora suponga que

iE desciende al valor 4.0 V, o UTi VE < . La entrada (+) de B es menor que su entrada (-), de modo que la salida B queda en 0 V. (el voltaje en su terminal 1). Una vez ms, esta tierra hace que la lmpara /alarma se encienda. Observe que esta aplicacin muestra que las terminales de salida del 311 pueden conectarse juntas y que la salida est a

++V solo cuando la salida de cada comparador se encuentra a ++V .



Realizar un resumen del manejo de los circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales

RESULTADO DE APRENDIZAJE

2.2 Manejar las caractersticas de operacin de los circuitos amplificadores no inversores.

2.2.1 AMPLIFICADOR NO INVERSOR.

Obtener el nivel adecuado de una seal medida

En muchas aplicaciones industriales las variables de inters no son de origen elctrico, como lo es la temperatura, la posicin y velocidad, el nivel de algn fluido por mencionar algunos. Para convertir estas variables no elctricas en una seal elctrica se utilizan dispositivos para dicho fin conocidos como transductores de lo

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que podemos mencionar los termopares, los tacmetros entre otros. La seal analgica del transductor raramente es de la forma adecuada para registrarse o mostrarse directamente. Generalmente debe primero pasar por una serie de procesos de acondicionamiento de seal antes de mostrarse. Esos procesos pueden ser algunos o todos los que a continuacin se mencionan: amplificacin, filtrado, linealizacin, corrimiento y amortiguamiento. El equipo de acondicionamiento de seal en los sistemas de instrumentacin se disea para llevar a cabo esas funciones. El proceso de amplificacin (y algunas veces de amortiguamiento) se lleva a cabo mediante amplificadores electrnicos

Manipulacin de una seal

Una vez que la seal de inters ha sido llevada a un nivel adecuado, esta es manipulada para obtener algn desempeo deseado o requerido, lo

cual normalmente esta funcin es realizada por algn controlador


Competencia tecnolgica

Identificar las caractersticas bsicas de una seal de instrumentacin

2.2.2 FUENTE DE VOLTAJE IDEAL.

Voltmetro de CD de alta resistencia

En la figura se muestra un amplificador operacional utilizado como amplificador bsico en un milivlmetro de corriente directa. El amplificador proporciona un medidor con elevada impedancia de entrada y factores de escala que dependen slo del valor y exactitud del resistor. Se puede observar que la lectura del medidor representa milivolts de seal en la entrada del circuito. Un anlisis del circuito del amplificador operacional produce la funcin de transferencia del circuito.

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De este modo una entrada de 10 mV dar por resultado una corriente a travs del medidor de 1 mA. Por ejemplo a cambiar a Rf a 200 K se producir un factor de escala de:

mV5mA1

101

K100K200

1

== x

VI o

que indica que el medidor lee en este caso 5 mV, a escala completa. Debe tenerse presente que la construccin de un milivlmetro de tales caractersticas requiere la adquisicin de un circuito de amplificador operacional, unos cuantos resistores y un galvanmetro. La capacidad para obtener una unidad de amplificador operacional probada y completamente en operacin hace que la medida de medicin sea fcil de integrar.

Convertidores de voltaje a corriente

Ocasionalmente en electrnica industrial, es necesario entregar una corriente que es proporcional a un cierto voltaje, aun cuando la resistencia de carga puede variar. Naturalmente, la corriente de carga sera proporcional al voltaje aplicado, de acuerdo con la ley de Ohm. Sin embargo, si la resistencia de carga vara de una unidad a otra, o si vara con la temperatura o con la edad, entonces entregar una corriente exactamente proporcional a un cierto voltaje no es cosa fcil. Un circuito que puede ejecutar este trabajo es mostrado en la figura

Se denomina convertidor voltaje-corriente. Este circuito es capaz de convertir un voltaje a una corriente debido al cero virtual a travs de sus

V

VR

CarIR

Corriente (I )

La resistencia puede

Resistencia

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entradas diferenciales. Es decir, si V1 se presenta en la entrada positiva (+), entonces en la entrada negativa (-) aparecer un voltaje virtualmente igual a V1.

La corriente a travs de R1 se determina por la ley de Ohm

1

11 R

VI R =

de modo que IR1 no cambiar siempre que R1 no cambie. Debido al hecho que virtualmente no fluye corriente entre las entradas inversora y no inversora, se puede decir que

acR II arg1 =

Por tanto,

1

1arg R

VI ac =

El resultado de la ltima ecuacin es independiente de la resistencia de carga. La corriente de carga es garantizada proporcional al voltaje de entrada bajo cualquier condicin de resistencia de carga.

Una caracterstica buena del convertidor voltaje-corriente es que

puede ser manejado por una fuente de voltaje la cual no es capaz de entregar la corriente requerida por la ltima ecuacin. Esto es debido al hecho que la fuente de voltaje solamente tiene que manejar un amplificador operacional no inversor, cuya impedancia de entrada es alta (muchos megaohmios). La corriente de carga es entregada por el amplificador operacional.


Competencia cientfico-terica

Identificar las caractersticas bsicas para la construccin de los circuitos de medicin de variables elctricas, empleando amplificadores operacionales

Competencia lgica

Identificar las variables elctricas que intervienen y conocer su

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comportamiento

Medir variables de intensidad luminosa empleando circuitos con amplificadores operacionales

Probador de LEDs

- Circuito

En el circuito de la figura convierte iE en una corriente de carga de 20 mA. Con el transistor se proporciona corriente de carga mediante la alimentacin de voltaje negativo.

- Funcionamiento

La terminal de salida del amplificador operacional slo debe alimentar una corriente de base, la cual reprenda, por lo general 1/100 de la corriente de carga. Puesto que el amplificador

operacional puede alimentar una corriente de salida de hasta 5 mA dentro de la base del transistor, este circuito proporciona una corriente de carga mxima de 5 mA x 100= 0.5 A.

Un diodo emisor de luz como el MLD50 est diseado para producir una brillantez de 750 fL (lamberts pie) siempres que la corriente directa de diodo sea de 20 mA. iE y iR definirn la corriente del diodo mediante la siguiente formula,

mAVREI iiL 20100/2/ === . Ahora puede medirse la brillantez de los LEDs fcilmente, de uno por uno, para propsitos de prueba o de igualacin, dado que la corriente que pasa por cada diodo ser exactamente igual a 20 mA, independientemente del voltaje directo de los LEDs.

Vale la pena observar que es posible conectar en serie una carga de dos LEDs con el circuito de retroalimentacin, ambos, pueden conducir 20 mA.

Medicin de la corriente de Fotodetectores

- Celda fotoconductora

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Cuando un interruptor est en la posicin 1, como se aprecia en la figura, una celda fotoconductora, algunas veces denominada resistencia sensible a la luz (LSR, light sensitive resistor), se conecta en serie con la entrada (-) y iE . La resistencia de una celda fotoconductora es muy alta en la oscuridad y mucho ms baja cuando se ilumina. El valor comn de su resistencia es mayor de 500 K y su resistencia a la luz con sol brillante es aproximadamente de 5K. Si VEi 5= , entonces la corriente que fluye a travs de la celda fotoconductora, I, ser 5V/500K =10 mA en la oscuridad y de 5V/5K= 1mA con la luz del sol.

- Fotodiodo

Cuando el interruptor est en la posicin 2 de la figura anterior, iE se encuentra en un extremo del fotodiodo y la tierra virtual en el otro. El fotodiodo tiene polarizacin inversa, como debe ser en la operacin normal. En la oscuridad, el fotodiodo conduce una pequea corriente de fuga en el orden de nanoamperes, aunque dependiendo de la energa radiante que incida en el diodo, ste conducir 50A o ms. Por lo tanto, la corriente I

depende slo de la energa que incida en el fotodiodo y no de iE . Al pasar

por fR esta corriente se convierte en un voltaje.

Medicin de energa en celdas solares

- Celdas solares

Las celdas solares (tambin conocidas como celdas fotovoltaicas) son dispositivos que convierten la energa de la luz directamente en energa elctrica. El mejor modo de registrar la cantidad recibida por la celda es midiendo su corriente de cortocirucito. Por ejemplo, un tipo de celda solar produce una corriente de cortocircuito SCI que vara de 0 a 0.5 A conforme la luz solar vara desde la oscuridad total a la mxima brillantez.

Uno de los problemas a los que se enfrentan los usuarios de estos dispositivos es convertir la corriente de salida de la celda solar de 0 a 0.5 A en un voltaje entre 0 y 10 volts. Otro problema es medir A de corriente con un medidor de baja corriente (0 a 0.1mA). Para resolver este problema, hay que dividir SCI de modo que sea

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posible esta

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Electricidad Ind 02 - circuito con amplificadore operacionales