Experimentos que utilizan amplificadores operacionales (op-amps) en configuraciones de comparador

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Informe N°1

Practica N°1

John Francisco Chia Coronado - Cod. xxxxxxxxxxx
Daniel Santiago Cerquera Cuvides - Cod. xxxxxxxxxxx
Ing. Electrónica – Analógica I
Universidad Surcolombiana
21/09/2023

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(Nota: Use este contenido como ejemplo, no copie directamente lo aquí expuesto o uselo bajo su responsabilidad)

Este informe presenta dos experimentos que utilizan amplificadores operacionales (op-amps) en configuraciones de comparador, esto con el fin de entender, analizar y demostrar el funcionamiento de estas configuraciones haciendo uso de métodos de análisis de circuitos, y instrumentos de medicion para corroborar en la practica lo expuesto en la teoría.

Palabras claves— Amplificadores operacionales, comparadores, potenciómetro, ganancia, divisores de voltaje, LED, amplificación de señales, comparación de voltaje.

1. OBJETIVOS

Comprender el comportamiento de los amplificadores operacionales en una configuración comparador y observar cómo el voltaje de salida de los amplificadores operacionales varía con la manipulación de un potenciómetro en la entrada no inversora.

Explorar el uso de amplificadores operacionales como comparadores, observando el momento en los que los LEDs se encienden o apagan al variar la resistencia de un potenciómetro en respuesta a cambios en la relación de voltajes entre las entradas inversoras y no inversoras, y determinar los valores específicos de resistencia del potenciómetro en los que se encienden los LEDs.

1. JUSTIFICACIÓN

La realización de estos experimentos con amplificadores operacionales se justifica por su relevancia práctica y educativa. Los amplificadores operacionales son componentes clave en aplicaciones electrónicas diversas, y comprender su funcionamiento en configuraciones no inversoras y como comparadores es fundamental para ingenieros y técnicos. Estos experimentos ofrecen una herramienta efectiva para la enseñanza y el aprendizaje de conceptos fundamentales de electrónica, permiten el desarrollo de habilidades prácticas en la construcción y análisis de circuitos, y validan la teoría subyacente. En resumen, estos experimentos tienen como objetivo brindar una sólida base teórico-práctica en el uso de amplificadores operacionales en la electrónica.

1. MARCO TEÓRICO

Un amplificador operacional (op-amp) es un componente electrónico ampliamente utilizado en aplicaciones de amplificación de señales. Se caracteriza por tener una ganancia de voltaje extremadamente alta, una alta impedancia de entrada que minimiza la carga en la señal de entrada, una baja impedancia de salida para una transmisión eficiente de señales, una respuesta en frecuencia amplia y configurable mediante componentes externos como resistencias. Además, es altamente estable en condiciones normales de operación, puede funcionar en modo diferencial amplificando la diferencia entre dos voltajes de entrada y en modo común rechaza señales comunes en ambas entradas. Requiere una fuente de alimentación simétrica para funcionar correctamente y genera distorsión mínima en la señal de salida en condiciones ideales, lo que lo convierte en un componente esencial en una amplia variedad de aplicaciones electrónicas.

[pic 1]

El amplificador operacional cuenta con dos entradas, una inversora (-) y una no inversora (+), también con una entrada de alimentación de voltaje negativo y positivo para su funcionamiento, y una salida de voltaje.

Entre las configuraciones de los amplifcadores esta la configuración comparadora de voltaje, este como lo dice su nombre compara los voltajes en sus dos entradas. Cuando el voltaje en la entrada no inversora (+) es mayor que el voltaje en la entrada inversora (-), la salida del op-amp se satura a un nivel alto, generalmente el voltaje positivo de alimentación. Si el voltaje en la entrada inversora (-) es mayor que el voltaje en la entrada no inversora (+), la salida se satura a un nivel bajo, que generalmente es el voltaje negativo de alimentación o tierra.

(Donde “Vout” es el voltaje de salida, “V1” es el voltaje en la entra inversora y “V2” el voltaje en la entra no inversora)

Durante la practica de laboratorio se platearon dos circuitos:

• Circuito 1: Amplificador Operacional Configurado como Comparador con potenciómetro (Véase la Fig.4. en el desarrollo analítico donde esta el esquema):

Este circuito utiliza un amplificador operacional (op-amp) configurado como comparador. La configuración general incluye una fuente de alimentación con un potenciómetro conectado a la entrada no inversora (+) y un divisor de voltaje formado por resistencias conectado a la entrada inversora (-).

Funcionamiento: Cuando el potenciómetro se ajusta, cambia el voltaje en la entrada no inversora. El op-amp compara este voltaje con el voltaje en la entrada inversora. Si el voltaje en la entrada no inversora es mayor que la de la entrada inversora, en la salida del op-amp tenemos un voltaje positivo, de lo contrario uno negativo.

• Circuito 2: Configuración de Cuatro Amplificadores Operacionales como Comparadores con LEDs en las salidas (Véase la Fig.6. en el desarrollo analítico donde esta el esquema):

Este circuito utiliza cuatro amplificadores operacionales (op-amps) en configuración de comparador. Las entradas inversoras (-) de cada op-amp están conectadas a puntos intermedios de divisores de voltaje, y las entradas no inversoras (+) se conectan juntas y al punto medio de un potenciómetro ajustable entre +12V y tierra. También hay LEDs conectados a las salidas de cada op-amp.

Funcionamiento: Al ajustar el potenciómetro, se cambian los voltajes en las entradas no inversoras de los op-amps. Cada op-amp compara su entrada no inversora con la entrada inversora. Si el voltaje en la entrada no inversora es mayor que la de la entrada inversora, el LED asociado se enciende; si es menor, el LED se apaga.

Los amplificadores usados para los circuitos descritos son el LM741 y TL084:

• LM741: Es un amplificador operacional de propósito general con una entrada diferencial de alta ganancia y una etapa de salida de colector abierto. Se utiliza comúnmente en aplicaciones de amplificación, filtrado, generación de señales y operaciones matemáticas, este componente tiene ocho pines, acontinuación se muestra un esquema del componente y sus pines (Fig. 2):

[pic 4]

• TL084: Contiene cuatro amplificadores operacionales independientes en un solo encapsulado y tiene 14 pines, lo que lo hace eficiente para aplicaciones que requieren múltiples amplificadores en un solo circuito, acontinuacion se muestra un esquema del componente y sus pines (Fig. 3.):

[pic 5]

1. MATERIALES E INSTRUMENTACIÓN

1. Amplificadores Operacionales:

• TL084
• LM741

1. Resistencias:

• Resistencias de 1k ohmios
• Resistencias de 10k ohmios

1. Potenciómetros:

• Potenciómetros de 10k ohmios

1. Fuentes de Alimentación:

• Fuente de voltaje regulada

1. Equipamiento de Medición:

• Protoboard
• Multímetro
• Software Multisim (para simulaciones)

1. DESARROLLO ANALITICO

En este punto los circuitos son analizados y simulados, y los resultados obtenidos son expuestos en la sección VII

Circuito N°1:

[pic 6]

[pic 7]

Análisis del circuito:

Análisis a “Va”:

Al variar la resistencia en el potenciómetro esta se midio entre los terminales B y C del potenciómetro

[pic 11]

Análisis a “Vb” variando la resistencia del potenciometro:

Variando el potenciómetro en 1kΩ:

Variando el potenciómetro en 2kΩ:

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