PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica Capacitado por: Electrónica Industrial 1 PT-Bachiller
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Capacitado por: Electrónica Industrial
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PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
e-cbcc Educación-Capacitación Basadas en Competencias Contextualizadas
Electrónica Industrial
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irector ecretario irector de
iseño
eneral
cadémico
urricular de la
ormación
Marco Antonio Norzagaray Gustavo Flores Fernández
cupacional
oordinador de las reas de Automotriz, Electrónica y Telecomunicaciones e Instalación y Mantenimiento utores
evisores de
José Efrén Castillo Sarabia
Jaime G. Ayala Arellano
Consultores Formo Internacional, S. C.
evisor écnico
Alfonso Cruz Serrano
evisor edagógico
Virginia Morales Cruz
ontextualización
Agustín Valerio Armando Guillermo Prieto Becerril
Electricidad y Electrónica. Manual Teórico - Práctico del Módulo Autocontenido Optativo para la Carrera de Profesional Técnico Bachiller en Electrónica Industrial. D.R. a 2005 CONALEP. Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, incluida la portada, por cualquier medio sin autorización
Electrónica Industrial
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por escrito del CONALEP. Lo contrario representa un acto de piratería intelectual perseguido por la ley Penal. Av. Conalep N° 5, Col. Lázaro Cárdenas, C.P. 52140 Metepec, Estado de México.
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ÍNDICE Participantes I. Mensaje al alumno II. Como utilizar este manual III. Propósito del curso módulo ocupacional IV. Normas de competencia laboral V. Especificaciones de evaluación VI. Mapa curricular del curso módulo ocupacional Capítulo 1 Identificación de características básicas de los amplificadores operacionales Mapa curricular de la unidad de aprendizaje 1.1.1 Circuitos electrónicos industriales •
Sistemas analógicos vs. sistemas digitales.
•
Desarrollo de los amplificadores. operacionales.
•
Desarrollo de la electrónica. industrial con la aplicación de amplificadores operacionales.
•
Funciones básicas del amplificador operacional.
1.1.2 Amplificadores Operacionales •
Inversor.
•
No inversor.
•
Seguidor unitario.
•
Sumador.
•
Diferenciador.
•
Integrador.
•
Logarítmico.
•
Electromagnetismo
1.2.1 El encapsulado. •
Elementos semiconductores.
•
Técnicas de encapsulado.
•
Tipos de encapsulado.
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1.2.2 Identificación técnica de amplificadores operacionales. •
Identificación gráfica y terminales.
•
Código de identificación.
•
Información para la identificación de amplificadores operacionales.
•
Código de especificación militar
Prácticas y Listas de cotejo Resumen Capítulo 2 Aplicación del amplificador operacional en los procesos del acondicionamiento de señales. Mapa curricular de la unidad de aprendizaje 2.1.1 Identificar aplicaciones en los procesos del acondicionamiento de señales que es muy común utilizar amplificadores operacionales •
En la instrumentación.
•
Como convertidor.
•
En el filtrado.
2.1.2 Manejar circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales •
Características básicas de los comparadores
•
Detector de cruce por cero
•
Detector de nivel de voltaje
•
El C. I. Comparador de precisión 111/311
•
El detector de ventana
2.2.1 Obtener el nivel adecuado de una señal medida y su manipulación •
Obtener el nivel adecuado de una señal medida.
•
Manipulación de una señal.
2.2.2 Construir circuitos para medir variables eléctricas, empleando amplificadores operacionales. •
Voltímetro de CD de alta resistencia.
•
Convertidores de voltaje a corriente.
2.2.3 Medir variables de intensidad luminosa empleando circuitos con
Electrónica Industrial
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amplificadores operacionales. •
Probador de LED’s
•
Medición de la corriente de Fotodetectores.
•
Medición de energía en celdas solares.
•
Convertidores de temperatura a voltaje.
2.3.1 Filtros activos •
Pasabajas
•
Pasaaltas
2.3.2 Convertidor de señal •
Convertidor de señal digital a analógica.
•
Convertidor de señal digital a analógica.
Prácticas y Listas de cotejo Resumen Capítulo 3 Aplicación de amplificadores operacionales para la solución Económica de algunos problemas Mapa curricular de la unidad de aprendizaje 3.1.1 Bloques funcionales con amplificadores operacionales de VoltajeVoltaje. •
Convertidor corriente voltaje.
•
Generador Senoidal.
•
Fuente de corriente.
3.1.2 Bloques funcionales con amplificadores operacionales de CorrienteCorriente. •
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
Electrónica Industrial
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•
Generadores de onda triangular
•
Generador de onda diente de sierra.
Prácticas y Listas de cotejo Resumen Autoevaluación de conocimientos Respuestas a la autoevaluación Glosario de términos Referencias documentales Anexos
Electrónica Industrial
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Este módulo ha sido diseñado bajo la Modalidad
Educativa
Basada
en
Normas de Competencia, con el fin de ofrecerte una alternativa efectiva para el
desarrollo
contribuyan
a
de
habilidades
elevar
tu
que
potencial
productivo, a la vez que satisfagan las
El
conocimiento
y
la
experiencia
adquirida se verán reflejados a corto plazo
en
el
mejoramiento
de
desempeño de trabajo, lo cual te permitirá
llegar
tan
lejos
como
quieras en el ámbito profesional y laboral.
demandas actuales del sector laboral. Esta
modalidad
requiere
tu
participación e involucramiento activo en
ejercicios
y
prácticas
con
simuladores, vivencias y casos reales para propiciar un aprendizaje a través de experiencias. Durante este proceso deberás
mostrar
evidencias
que
permitirán evaluar tu aprendizaje y el desarrollo de la competencia laboral requerida.
Electrónica Industrial
tu
9
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resultados de aprendizaje de cada Ü
Las instrucciones generales que a
unidad.
continuación se te pide que realices, tienen la intención de conducirte a que
Ü
vincules
las
Ü
competencias
fundamental
que
antes
de
empezar a abordar los contenidos del
requeridas por el mundo de trabajo
manual
con tu formación de profesional
conceptos
técnico.
mencionan:
competencia
laboral,
unidad
competencia
(básica,
Redacta cuales serían tus objetivos
tengas que
de
muy a
claros
los
continuación
se
genéricas específicas), elementos de
personales al estudiar este módulo
competencia, criterio de desempeño,
autocontenido optativo. Ü
Es
campo de aplicación, evidencias de
Analiza el Propósito del módulo
desempeño,
evidencias
de
autocontenido
conocimiento,
evidencias
por
optativo
que
se
indica al principio del manual y
producto,
norma
contesta la pregunta ¿Me queda
institución
educativa,
claro hacia dónde me dirijo y qué es
ocupacional,
lo que voy a aprender a hacer al
unidad de aprendizaje, y resultado de
estudiar el contenido del manual? si
aprendizaje.
no lo tienes claro pídele al PSP que
significado de los componentes de la
te lo explique.
norma,
te
técnica
módulo Si
de
formación ocupacional,
desconoces
el
recomendamos
que
consultes el apartado glosario de Ü
Revisa el apartado especificaciones
términos, que encontrarás al final del
de evaluación son parte de los
manual.
requisitos que debes cumplir para aprobar el módulo. En él se indican
Ü
Analiza el apartado «Normas Técnicas
las evidencias que debes mostrar
de
durante
técnica de institución educativa».
el
estudio
del
curso
-
competencia
laboral,
Norma
módulo Autocontenido optativo para considerar que has alcanzado los Electrónica Industrial
10
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
Ü
Revisa el Mapa curricular del módulo
la responsabilidad del aprendizaje es
autocontenido optativo. Está diseñado
tuya, ya que eres el que desarrolla y
para mostrarte esquemáticamente las
orienta
unidades
habilidades hacia el logro de algunas
y
los
resultados
de
aprendizaje que te permitirán llegar a desarrollar
paulatinamente
sus
conocimientos
y
competencias en particular.
las
competencias laborales que requiere la ocupación para la cual te estás formando.
Ü
En el desarrollo del contenido de cada
capítulo,
encontrarás
ayudas
visuales como las siguientes, haz lo que ellas te sugieren efectuar. Si no
Ü
Realiza la lectura del contenido de
haces no aprendes, no desarrollas
cada capítulo y las actividades de
habilidades, y te será difícil realizar
aprendizaje que se te recomiendan.
los
Recuerda que en la educación basada
conocimientos y los de desempeño.
ejercicios
de
evidencias
en normas de competencia laborales
Electrónica Industrial
11
de
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
Estudio individual
Investigación documental
Consulta con el PSP
Redacción de trabajo
Comparación de resultados con otros compañeros
Trabajo en equipo
Realización del ejercicio
Observación
Investigación de campo
Electrónica Industrial
Repetición del ejercicio
Sugerencias o notas
Resumen
Consideraciones sobre seguridad e higiene
Portafolios de evidencias
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Al
finalizar
el
módulo,
el
operacionales en sus diversas
alumno
manejará
circuitos
con
amplificadores
aplicaciones, de acuerdo a las especificaciones
técnicas de sus componentes, para implementarlos en la solución de diversos problemas, cumpliendo además con las especificaciones de calidad. .Al
mismo
tiempo,
estas
competencias
laborales
y
profesionales
se
complementarán con la incorporación de competencias básicas y competencias clave, que le permitan al alumno comprender los procesos productivos en los que está involucrado para enriquecerlos, transformarlos, resolver problemas, ejercer la toma de decisiones y desempeñarse en diferentes ambientes laborales, con una actitud creadora, crítica, responsable y propositiva; así como, lograr un desarrollo pleno de su potencial en los ámbitos personal y profesional y convivir de manera armónica con el medio ambiente y la sociedad.
Electrónica Industrial
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para que consultes el apartado de la Para
que
analices
la
relación
que
norma requerida.
guardan las partes o componentes de la NTCL o NIE con el contenido del
•
Visita la página WEB del CONOCER en
programa del módulo autocontenido
www.conocer.org.mx en caso de que
optativo de la carrera que cursas, te
el programa de estudio del módulo
recomendamos consultarla a través de
autocontenido
las siguientes opciones:
diseñado con una NTCL.
•
Acércate con el PSP para que te permita
revisar
su
programa
•
optativo,
esté
Consulta la página de Intranet del
de
CONALEP http://intranet/ en caso de
estudio del módulo autocontenido
que el programa de estudio del
optativo de la carrera que cursas,
módulo autocontenido optativo esté diseñado con una NIE.
Durante el desarrollo de las prácticas de
Las autoevaluaciones de conocimientos
ejercicio también se estará evaluando el
correspondientes a cada capítulo además
desempeño.
de ser un medio para reafirmar los
El
PSP
mediante
la
observación directa y con auxilio de una
conocimientos
lista
tratados, son también una forma de
de
cotejo
confrontará
el
cumplimiento de los requisitos en la
evaluar
y
ejecución de las actividades y el tiempo
conocimiento.
sobre recopilar
los
contenidos
evidencias
de
real en que se realizó. En éstas quedarán registradas las evidencias de desempeño.
Electrónica Industrial
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Al
término
del
módulo
deberás
presentar un Portafolios de Evidencias1, el cual estará integrado por las listas de cotejo correspondientes a las prácticas de ejercicio, las autoevaluaciones de conocimientos que se encuentran al final de cada capítulo del manual y muestras de los trabajos realizados durante el desarrollo del módulo, con esto se facilitará la evaluación del aprendizaje para determinar que se ha obtenido la competencia laboral. Deberás asentar datos básicos, tales como: nombre del alumno, fecha de evaluación,
nombre
y
firma
del
evaluador y plan de evaluación.
1
1El portafolios de evidencias es una compilación de
documentos que le permiten al evaluador, valorar los conocimientos, las habilidades y las destrezas con que cuenta el alumno, y a éste le permite organizar la documentación que integra los registros y productos de sus competencias previas y otros materiales que demuestran su dominio en una función específica (CONALEP. Metodología para el diseño e instrumentación de la educación y capacitación basada en competencias, Pág. 180).
Electrónica Industrial
15
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Electrónica Industrial
16
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
Módulo
108 hrs.
1. Identificación
2. Manejo de
3. Aplicación de
de
circuitos
amplificadores
Unidades
característica
comparadores
operacionales
de
s básicas de
generales,
para la solución
los
empleando
económica de
Amplificadore
amplificadores
algunos
d
42 hrs
20 hrs 1.1
Determinar
la
necesidad
del
manejo
46 hrs de
amplificadores
7 hrs.
operacionales en circuitos analógicos. 1.2 Identificar las características físicas y de funcionamiento de los amplificadores operacionales. 1.3
2.1
Aprendizaj e
los
parámetros
de
operación
del
amplificador
operacional.
Resultados de
Calcular
Manejar las características de operación de los circuitos amplificadores inversores.
2.2
Manejar las características de operación de los circuitos amplificadores no inversores
2.3 Manejar circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales.
3.1 Construir circuitos para medir variables eléctricas, empleando amplificadores operacionales.
Electrónica Industrial
6 hrs.
7 hrs.
10 hrs.
16 hrs.
16 hrs.
10 hrs.
17
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
3.2 Medir variables
de intensidad luminosa empleando circuitos
con amplificadores operacionales. 3.3
Implementar circuitos generadores de señal basados en
18 hrs. 18 hrs.
amplificadores operacionales.
Electrónica Industrial
18
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
1 Al finalizar el capítulo, el alumno identificará características básicas de los amplificadores operacionales, considerando las especificaciones técnicas del fabricante, para su aplicación en circuitos electrónicos industriales.
Electrónica Industrial
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Módulo
108 hrs.
1. Identificación
2. Manejo de
3. Aplicación de
de
circuitos
amplificadores
Unidades
característica
comparadores
operacionales
de
s básicas de
generales,
para la solución
los
empleando
económica de
Amplificadore
amplificadores
algunos
d
42 hrs
20 hrs 1.1
Determinar
la
necesidad
del
manejo
46 hrs de
amplificadores
7 hrs.
operacionales en circuitos analógicos. 1.2 Identificar las características físicas y de funcionamiento de los amplificadores operacionales. 1.3
2.1
Aprendizaj e
los
parámetros
de
operación
del
amplificador
operacional.
Resultados de
Calcular
Manejar las características de operación de los circuitos amplificadores inversores.
2.2
Manejar las características de operación de los circuitos amplificadores no inversores
2.3 Manejar circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales.
3.1 Construir circuitos para medir variables eléctricas, empleando amplificadores operacionales.
Electrónica Industrial
6 hrs.
7 hrs.
10 hrs.
16 hrs.
16 hrs.
10 hrs.
20
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3.2 Medir variables
de intensidad luminosa empleando circuitos
con amplificadores operacionales. 3.3
Implementar circuitos generadores de señal basados en
18 hrs. 18 hrs.
amplificadores operacionales.
Electrónica Industrial
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CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
cantidades se representan en forma
INDUSTRIALES
analógica;
AMPLIFICADORES
digitales
OPERACIONALES
dispositivos en donde las cantidades
•
EL ENCAPSULADO
físicas son principalmente digitales en
•
IDENTIFICACIÓN TÉCNICA DE
naturaleza. Muchos sistemas prácticos
AMPLIFICADORES
son híbridos: en ellos hay cantidades
OPERACIONALES
analógicas y digitales y se efectúa una
•
•
mientras son
una
los
sistemas
combinación
de
conversión entre los dos tipos de representación
Determinar la necesidad del manejo de amplificadores operacionales en circuitos electrónicos de aplicación industrial
Algunos analógicos
ejemplos son
de
los
sistemas
sistemas
de
radiodifusión y grabación de audio, así como las grabadoras analógicas. En estos sistemas las cantidades cambian gradualmente respecto a un intervalo continuo de valores. Algunos de los sistemas digitales más comunes son los
•
voltímetros
digitales,
computadoras
y
digitales.
estos
En
las
calculadoras sistemas
cantidades
combinación
varían solamente en etapas discretas.
dispositivos
(eléctricos, mecánicos, fotoeléctricos, etc) ensamblados a fin de desempeñar ciertas funciones en las cuales las Electrónica Industrial
y
las
Los sistemas analógicos se refieren a la de
eléctricas
las
mecánicas
En términos generales, los sistemas digitales
ofrecen
las
ventajas
22
de
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
programabilidad, mayor velocidad y
central, que es completamente digital
exactitud así como la capacidad de la
cuya
memoria.
sistemas
cantidad analógica, la cual alimenta a
digitales son menos susceptibles que
un controlador, en donde se realiza
los sistemas analógicos a fluctuaciones
algún tipo de acción sobre el proceso
en
para
Además
las
los
características
de
los
salida
se
ajustar
el
convierte
valor
la
en
una
cantidad
analógica original que se midió.
componentes del sistema. En el mundo real, la mayoría de las cantidades
son
analógicas
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
analógicos respecto a los sistemas Estos amplificadores son básicamente
digitales
de corriente directa con dos entradas Es por eso, si se desea aprovechar
diferenciales y una salida que tiene
ventajas de ambos sistemas, es obvio
ganancia muy alta en circuito abierto
que deban existir sistemas híbridos. El
(condición
principal entre estos son los sistemas
señal) así como elevada impedancia de
de control de procesos industriales en
entrada y baja impedancia de salida. El
los
amplificador
cuales
cantidades
se
miden
controlan
operacional
sin
ideal
responde sólo a la diferencia de voltaje
un
entre las dos terminales de entrada.
líquido o rapidez de flujo. En la figura
Estos están diseñados para emplearse
se muestra el diagrama de bloque
con
simbólico de sistema de este tipo.
retroalimentación. Esto es, una parte
Como se puede observar, la cantidad
de la señal de salida del amplificador
analógica se mide y el valor medido se
operacional
convierte luego en una cantidad digital.
regresa a su entrada a través de varias
presión,
como
retroalimentación
la
temperatura,
analógicas
y
de
nivel
de
redes
se
externas
retroalimenta
de
o
Esta se manipulada en el procesador
Electrónica Industrial
23
se
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
trayectorias, dependiendo de la función
conectados a sus terminales. Es decir,
específica.
la ganancia de voltaje, impedancia de entrada, impedancia de salida y ancho
En la figura se muestra el símbolo de un amplificador ideal básico. Las entradas se marcan con los signos positivos (+) y
de banda depende casi exclusivamente de la estabilidad de las resistencias y condensadores externos.
negativo (-) para indicar entrada no •
inversora e inversora, respectivamente. Una señal aplicada a la entrada positiva aparecerá con la misma polaridad y amplificada en la salida, en tanto que una señal aplicada a la terminal negativa aparecerá amplificada pero invertida a la
El
amplificador
muchas
operacional
características
tiene
importantes
para los diseñadores, pero el modelo ideal del amplificador operacional tiene
salida
sólo dos propiedades: las corrientes en ambas terminales de entrada son cero
Entrada inversora
y que el voltaje entre las terminales de Salida
entrada es cero.
Entrada no inversora
Según
la
configuración
de
los
elementos externos del amplificador operacional se puede funciones como:
•
Adición, Substracción, Multiplicación, División, Diferenciación, Integración. La
utilización
operacionales
de en
amplificadores la
electrónica
industrial ha sido aprovechando las características funcionamiento
de
operación
de
estos,
y que
dependen casi por completo de unos pocos
componentes
Electrónica Industrial
externos
24
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
Formarán equipos de trabajo para analizar el manejo de amplificadores operacionales en circuitos electrónicos de aplicación industrial.
Rf V1
VO
R1
El circuito opera como cambiador de escala o un amplificador de ganancia constante. A través de un resistor R1 se aplica una señal V1 en la terminal de entrada negativa. El voltaje de salida se retroalimenta a través del resistor Rf en
•
la terminal de entrada. La terminal de
Un amplificador operacional inversor es
entrada positiva se conecta a tierra. El
un amplificador en el cual la polaridad
voltaje de salida es
de salida (o fase) es opuesta a la Vo = −
polaridad de entrada (o fase). Es decir, si la entrada es una señal de corriente
Rf R1
V1
directa, la salida es una señal de
Esta ecuación muestra que la relación
corriente directa amplificada pero de
de salida total al voltaje de entrada
polaridad contraria. Si la entrada es
sólo depende de los valores de los
una señal de corriente alterna, la salida
resistores R1 y Rf es decir, el factor de
es
amplificación la da la relación de estos
una señal
amplificada,
de
corriente
desfasada
alterna
180º
con
resistores.
respecto a la señal de entrada Si se eligen los valores precisos de los La configuración inversora es como se
valores de los resistores, se pude
muestra en la figura
obtener
un
amplio
intervalo
ganancias. •
Electrónica Industrial
25
de
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
Como su nombre lo indica, el voltaje
La configuración para este tipo de
de
amplificador
aplicación es debido a que el voltaje de
operacional no inversor tiene la misma
salida es igual en signo y magnitud al
polaridad del voltaje de entrada
voltaje de entrada. La función de este
salida
de
un
circuito es aislar la salida de entrada La configuación básica para este tipo de aplicación es la siguiente
del dispositivo. En consecuencia, la impedancia de entrada puede ser muy alta y la impedancia de salida muy baja El circuito equivalente del seguidor
Rf
unitario es R
V V V
El
amplificador
operacional
en
V
configuración no inversor trabaja como multiplicador de ganancia constante. El voltaje de salida tiene la relación
El voltaje de entrada es igual al voltaje de salida en polaridad y magnitud, es
⎛ Rf ⎞ ⎟ V1 Vo = ⎜⎜1 + R1 ⎟⎠ ⎝
decir
Vo =V1
El factor de amplificación está dado por el término que está entre paréntesis de
•
lado derecho de la ecuación, por lo que se
tiene
ganancias
un
amplio
margen
de
escogiendo los valores de
los resistores R1 y Rf . •
Un
amplificador
conectarse
para
operacional que
puede
efectúe
la
operación matemática de suma. Es decir, puede sumar dos o más voltajes de corriente directa o corriente alterna. Cuando está conectado para efectuar
Electrónica Industrial
26
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
esta función, el circuito se denomina
entradas, ellas añaden componentes
un circuito sumador o un sumador.
adicionales a la salida.
•
Es probable que el más útil de los amplificadores operacionales utilizados en computadoras analógicas sea esta configuración, la cual se muestra en la
Un amplificador operacional también puede
realizar
operaciones
matemáticas más avanzadas como lo
figura con tres entradas
es la diferenciación. Una configuración R1
de un amplificador operacional que se
Rf
le
R2 V1
diferenciador
es
un
circuito cuya salida es proporcional a
VO
R3
denomina
que tan rápidamente está El circuito para este tipo de aplicación Esta configuración brinda un medio
es la siguiente
para sumar (añadir) algebraicamente
R
voltajes de tres entradas, cada uno multiplicado por un factor de ganancia
v1(t)
C
vo(t)
constante. El voltaje de salida se puede expresar en términos de las tres entradas como
La relación resultante para el circuito es
vo (t ) = − RC
Rf Rf ⎞ ⎛ Rf Vo = −⎜⎜ V1 + V2 + V3 ⎟ R2 R3 ⎟⎠ ⎝ R1 En otras palabras, cada entrada añade un
voltaje
obtiene
de
salida
conforme
se
de un circuito de ganancia
constante inversor. Si se emplean más
Electrónica Industrial
d v1 (t ) dt
• Una configuración de un amplificador operacional
que
se
le
denomina
integrador, es un circuito cuya salida
27
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
es proporcional al tiempo que ha
utiliza
estado presente la entrada
operacional
un
circuito
de
diseñado
amplificador para
que
la
relación entre su entrada y su salida no El circuito es
sea lineal, de manera que cuando su entrada sea no lineal, la salida sea lineal. Con este fin se utilizan las
C
V1(t
componentes adecuadas en la malla de
R
Vo(t
retroalimentación
C
La expresión de los voltajes de entrada
Vi(
R
y salida es
V(
vo (t ) = − RC ∫ v1 (t ) dt El
•
amplificador
logarítmico
es
un
ejemplo de este acondicionador de Una configuración de un amplificador
señal. En la malla de retroalimentación
operacional
denomina
hay un diodo, cuyas características son
logarítmico es un circuito en cuya
no lineales. Su comportamiento podría representarse como V = C ln I donde C
salida
que
se
se
le
obtiene
un
voltaje
proporcional al logaritmo del voltaje de
es
entrada
corriente
La salida de algunos sensores no es lineal. Por ejemplo, la salida de un termopar
no
es
una
función
una
constante. de
retroalimentación
Puesto
que
la
malla
es
idéntica
de a
entre
Entonces
necesario
es
sus
uniones. utilizar
un
diferencia de potencial en el diodo es − Vo tenemos que ⎛V ⎞ Vo = −C ln ⎜ i ⎟ = K ln Vi ⎝R⎠
acondicionador de señal para linealizar la salida de estos sensores. Para ello se
Electrónica Industrial
la
corriente de la resistencia de entrada y
perfectamente lineal de la diferencia de temperatura
la
28
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Donde K es una constante. Ahora bien si la entrada Vi la proporciona un sensor con entrada t, en la que Vi = Ae at , siendo A y a constantes,
•
entonces:
(
)
Vo = K ln Vi = K ln Ae at = K ln A + Kat La relación es una relación lineal entre Vo y t
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
construcción
de
los
circuitos
integrados (CI) requiere la utilización de componentes de menor tamaño para formar los muchos cientos de componentes Identificará
las
básicas
una
de
características señal
de
de
instrumentación
(principalmente
transistores) necesarios para construir de
uno
a
cuatro
amplificadores
operacionales en un solo chip de CI. Estos
circuitos
empleando
pueden
únicamente
construirse transistores
bipolares (BJT). Así como bipolar y JFET (BiFET).
En
la
actualidad,
los
amplificadores operacionales BiFET son
1.2 Identificar las características físicas y de funcionamiento de los amplificadores operacionales de acuerdo a su tipo y a las especificaciones técnicas del fabricante.
Electrónica Industrial
los m,ás populares, con una resistencia elevada,
proporcionada
por
el
transistor de entrada JFET, elevada ganancia
empleando
amplificador como
baja
circuitos
de
bipolar,
así
diferencial resistencia
de
salida 29
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
utilizando
un
etapa
de
salida
de
- Encapsulado plástico
seguidor emisor - Encapsulado cerámico 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.
• Las técnicas para la elaboración de los circuitos integrados que contienen a los amplificadores operacionales son:
Observación
- Encapsulado de doble línea (DIP) - Tecnología de montaje de superficie SMT
•
Identificará las variables eléctricas que
El costo final del circuito integrado depende en que medida del costo del
intervienen en el encapsulado y su comportamiento
encapsulado en el cual se encapsula. Además
del
costo,
también
afecta
el
encapsulado
fuertemente
a
dos
parámetros importantes. La primera es la
disipación
de
energía
máxima
permisible en el circuito, y la segunda es la confiabilidad del circuito. Los
•
tipos de encapsulado son: El - Encapsulado metálico
Electrónica Industrial
amplificador
operacional
más
popular es el 741 y esta estriba en el
30
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hecho de que está compensado en
tipo de amplificador, el fabricante, la
forma interna y que se trata de un
calidad
circuito
encapsulado.
relativamente
simple,
que
de
este
así
Además
como es
necesario
puede entrar en un dado. Tiene una
considerar
ganancia de voltaje grande y buenos
dadas por el fabricante como lo es
algunas
su
especificaciones
rangos de voltajes de entrada en modo - Resistencia de entrada
común modo diferencial. Para brindar alguna indicación sobre los casos en los que los amplificadores
- Ganancia de voltaje de voltaje de señal grande
operacionales pueden ser útiles, aparte
- Relación de rechazo modo común
de
(CMRR)
los
circuitos
analógicas aplicación
(que
de
computadoras
es
un
muy
alta
área
de
de
los
amplificadores operacionales) Se pude considerar en:
- Producto ganancia-ancho de banda Relación de cambio Cada tipo de amplificador operacional
- Milivólmetros de CD
tiene un código de identificación de letra y número. Este código responde a
- Fuentes de corriente constante
las cuatros preguntas siguientes: - Excitadores de indicadores 1. ¿De que tipo de amplificador se - Milivólmetro de CA
trata? (ejemplo: 741)
- Filtros activos
2. ¿Quién lo fabrica? (Ejemplo: Analog Device)
• Para
la
amplificador
utilización operacional
de en
algún ciertas
aplicaciones es necesario considerar
3. ¿Qué calidad tiene? (Ejemplo: el intervalo garantizado de temperatura de operación)
algunas características de estos. Para
4. ¿Qué clase de encapsulado contiene
ello es necesario tener en cuenta el
al microcircuito del amplificador
Electrónica Industrial
31
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operacional? (Ejemplo: DIP de plásico)
•
No todos los fabricantes utilizan el
MC
Motorota
OPA
Burr-Brown
TL
Texas Instruments
UA( A)
Fairchild
mismo código de identificación que contiene cuatro partes escritas en el siguiente orden: 1. Prefijo de letras. El código de prefijo
2. Número de circuito. El número de
de letras consiste de dos o tres
circuito consta de tres a siete
letras mediante las que se identifica
números y letras que identifican el
al fabricante. En los siguientes
tipo de amplificador operacional y
ejemplos se ofrecen algunos de los
su intervalo de temperatura. Por
códigos:
ejemplo:
Prefijo literal
Fabricante
AD/OP
Analog Devices Los tres códigos del intervalo de
CA/HA
Harris
temperatura son: 1. C: comercial, de 0 a 70 ºC
LM
Nacional Semiconductor
2. I: Industrial de -25 a 85ºC 3. M: militar, de -55 a 125ºC
LT
Linear Technology
3. Sufijo de letras. El sufijo de una y dos letras identifica el tipo de de
MAX
Electrónica Industrial
Maxim
encapsulado
que
contiene
32
al
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
microcircuito
amplificador
superficie superior [cara
operacional. Es necesario conocer
de componentes] de una
el
tarjeta
tipo
del
de
conocer
encapsulado las
para
conexiones
de
circuito
impreso y sueldan en la
correspondientes de las terminales
superficie
de la hoja de especificaciones. A
de soldadura]
inferior[cara
continuación se muestran los tres códigos de sufijos más comunes de los encapsulados:
4. Código de especificación militar. Sólo se emplea cuando la parte se utiliza en aplicaciones de alta confiabilidad.
Un amplificador operacional 741 de propósito general se identifica de la siguiente manera: D
De plástico, doble en línea para montaje en la superficie de una tarjeta de circuito impreso
J
De cerámica, doble en línea
N, P
De plástico, doble en línea para montarse en una
base.
(Las
terminales salen de la
Electrónica Industrial
Recopilará todos sus notas, 33
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resúmenes y resultados de trabajo en equipo e individuales de la unidad para conformar parte del portafolio de evidencias
Electrónica Industrial
34
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1
1
Características de funcionamiento de un amplificador para la instrumentación típico. Al finalizar la práctica, el alumno conocerá las conexiones y algunos detalles de las especificaciones de un amplificador de instrumentación. Labaratorio
4 h.
•
3 Circuito integrado 741C Op- • Amp de propósito general.
•
2 Resistencias de 10 K Ω -0.5 W.
•
1 Resistencia de 100 K Ω -0.5 W.
•
•
2 Resistencias de 50 K Ω -
1 protoboard. 1 fuente de alimentación simétrica -15+15 V / 1.5 A.
•
•
1 pinzas de punta.
•
1 pinzas de corte.
•
1 pinza pelacable
1 fuente de alimentación simétrica de 5 V fijos.
•
1 generadores de funciones.
•
1 osciloscopio de 2 canales.
0.5W. •
2 Resistencias 200 K Ω -0.5 W.
•
Alambre calibre 22.
•
Manual de datos técnicos.
Electrónica Industrial
35
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Ê Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica. De espacio: • Identificar los señalamientos y medidas de seguridad establecidos en el taller. • El taller deberá estar limpio antes de iniciar la práctica. • En el taller se deberá contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente verificada. • No deberá de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. • Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo existirán cables o conductores expuestos. • Los materiales y equipos antes de su uso, deberán estar guardados en casilleros, o su equivalente. • No se permitirá el acceso al taller a personas ajenas a la práctica. 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). Ê Utilizar el equipo de seguridad, de acuerdo al tipo de práctica a desarrollar. • Casco. • Gogles o lentes. • Guantes de algodón o carnaza, según sea la labor. • Protección auditiva. • Mascara antigases. Aplicar las medidas ecológicas durante el desarrollo de la práctica. • Los desperdicios que se generen, deberán ser depositados en los recipientes adecuados para ello (separando los materiales orgánicos e inorgánicos). • Deberá de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. • Se deberá evitar daños a materiales, equipos, mobiliario y aulas. • Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados serán conservados para tal fin. • No se permitirá introducir al taller, alimentos y bebidas.
( Aplicar estrategias de construcción del aprendizaje. X Se sugiere que con la guía del PSP, el alumno más adelantado o experimentado: • Explique el procedimiento que se va a ejecutar, reafirmando el tipo de tareas que se
Electrónica Industrial
36
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aprenderán. X El PSP realizará de manera adicional a la conducción y supervisión de las actividades de la práctica: • La aportación de comentarios referentes a los resultados que se vayan obteniendo en cada actividad desarrollada. • La corrección de errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecución. X Los alumnos participaran activamente a lo largo de la práctica: • Contestando las preguntas que haga el PSP, sobre el procedimiento desarrollado, los aspectos importantes que deben cuidar, los errores más frecuentes que se suelen cometer, las recomendaciones del fabricante, etc. • Planteando sus dudas, así como las posibles soluciones a los problemas que se presenten durante la práctica, incluyendo las relacionadas con situaciones y casos específicos. • Explicando el procedimiento a sus compañeros y tratando de ayudarse mutuamente en la comprensión de los conocimientos implícitos. • Ejecutando el procedimiento, tantas veces como sean necesarias, hasta hacerlo con precisión. • Pasando en forma rotatoria por el aprendizaje de enseñar.
Electrónica Industrial
37
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Características de funcionamiento de un amplificador para la instrumentación típico.
A continuación se presentan los criterios que van a ser verificados en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo. De
la
siguiente
lista
marque
con
una
Xaquellas
observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño.
Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica. Limpiar el área de trabajo. Evitar la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos de trabajo. 1. Preparó el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas y los materiales en las mesas de trabajo. 2. Armó en el protoboard del arreglo de la Figura 1. 3. Verificó los pines correspondientes a cada elemento del op-amp, de acuerdo con el manual de datos técnicos. 4. Conectó el operacional con un voltaje simétrico de +10V, -10V, asegurándose que la fuente esté aún apagada. 5. Encendió la fuente de alimentación. 6. Repitió las mediciones variando el valor de las resistencias. 7. Tabuló los resultados. 8. Comprobó los resultados teóricos a partir de las mediciones realizadas. 9. Calculó la ganancia de voltaje total con ecuación 1+2 R2/R1= 10. Realizó la desconexión de los equipos e instrumentos empleados,
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38
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de manera apropiada. 11. Comentó al grupo sus conclusiones y obtuvo el consenso en el análisis para completar los reportes correspondientes. 12. Guardó apropiadamente los instrumentos, herramientas
y
materiales utilizados en la práctica. 13. Limpió su área de trabajo. 14. Elaboró el informe individual del análisis de los procesos efectuados, empleando los reportes generados a lo largo de la práctica,
incluyendo
los
procedimientos
realizados,
las
observaciones y las conclusiones.
( Participó de manera activa en las estrategias de construcción del aprendizaje recomendadas. •
Realizo la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en equipo.
Electrónica Industrial
39
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1 2 Características del amplificador logarítmico Al finalizar la práctica, el alumno interpreta las salidas no lineales de algunos sensores, utilizando equipo de medición y observar el funcionamiento y aplicación del amplificador logarítmico para linealizar señales medidas. Laboratorio o Taller 2 h.
•
Manuales del fabricante.
•
Protoboard.
•
Amplificador operacional de
•
Multímetro analógico y/o
propósito general. • •
digital.
Resistencias, Diodos,
•
Osciloscopio de dos canales.
termopar tipo J o E o K.
•
3 Juegos de cables de
Alambre para interconexiones.
•
Estaño 80-20.
•
Formatos de reporte de
medición banana-caimán. •
Fuente de poder +15V, -15V
• Pinza de punta. • Pinza de corte. • Pinza pela cable. • Cautín 60 W. • Cables de conexión banana-caimán.
0-10Khz.
resultados.
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Ê Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica. De espacio: • Identificar los señalamientos y medidas de seguridad establecidos en el taller. • El taller deberá estar limpio antes de iniciar la práctica. • En el taller se deberá contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente verificada. • No deberá de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. • Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo existirán cables o conductores expuestos. • Los materiales y equipos antes de su uso, deberán estar guardados en casilleros, o su equivalente. • No se permitirá el acceso al taller a personas ajenas a la práctica. 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). Ê Utilizar el equipo de seguridad, de acuerdo al tipo de práctica a desarrollar. • Casco. • Gogles o lentes. • Guantes de algodón o carnaza, según sea la labor. • Protección auditiva. • Mascara antigases. Aplicar las medidas ecológicas durante el desarrollo de la práctica. • Los desperdicios que se generen, deberán ser depositados en los recipientes adecuados para ello (separando los materiales orgánicos e inorgánicos). • Deberá de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. • Se deberá evitar daños a materiales, equipos, mobiliario y aulas. • Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados serán conservados para tal fin. • No se permitirá introducir al taller, alimentos y bebidas.
( Aplicar estrategias de construcción del aprendizaje. X Se sugiere que con la guía del PSP, el alumno más adelantado o experimentado: • Explique el procedimiento que se va a ejecutar, reafirmando el tipo de tareas que se
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aprenderán. X El PSP realizará de manera adicional a la conducción y supervisión de las actividades de la práctica: • La aportación de comentarios referentes a los resultados que se vayan obteniendo en cada actividad desarrollada. • La corrección de errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecución. X Los alumnos participaran activamente a lo largo de la práctica: • Contestando las preguntas que haga el PSP, sobre el procedimiento desarrollado, los aspectos importantes que deben cuidar, los errores más frecuentes que se suelen cometer, las recomendaciones del fabricante, etc. • Planteando sus dudas, así como las posibles soluciones a los problemas que se presenten durante la práctica, incluyendo las relacionadas con situaciones y casos específicos. • Explicando el procedimiento a sus compañeros y tratando de ayudarse mutuamente en la comprensión de los conocimientos implícitos. • Ejecutando el procedimiento, tantas veces como sean necesarias, hasta hacerlo con precisión. • Pasando en forma rotatoria por el aprendizaje de enseñar.
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Características del amplificador logarítmico
A continuación se presentan los criterios que van a ser verificados en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo. De
la
siguiente
lista
marque
con
una
Xaquellas
observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño.
Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica. Limpiar el área de trabajo. Evitar la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos de trabajo. 1. Preparó el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas y los materiales en las mesas de trabajo. 2. Se incorporó a algún equipo de trabajo. 3. Armó en el protoboard el circuito de la figura 2. 4. Energizó el circuito y conectó el osciloscopio a los puntos indicados del circuito. 5. Midió las formas de onda de la señal de entrada y de salida del circuito. 6. Realizó las propuestas de variación para el circuito. 7. Realizó la desconexión de los equipos e instrumentos empleados, de manera apropiada. 8. Realizó la desconexión de los equipos e instrumentos empleados,
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de manera apropiada. 9. Guardó
apropiadamente
los
instrumentos,
herramientas
y
materiales utilizados en la práctica. 10. Comentó al grupo sus conclusiones y obtuvo el consenso en el análisis para completar los reportes correspondientes. 11. Limpió su área de trabajo. 12. Elaboró
el
informe
individual
del
análisis
de
los
procesos
efectuados, empleando los reportes generados a lo largo de la práctica,
incluyendo
los
procedimientos
realizados,
las
observaciones y las conclusiones. 13. Preparó el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas y los materiales en las mesas de trabajo. 14. Se incorporó a algún equipo de trabajo.
( Participó de manera activa en las estrategias de construcción del aprendizaje recomendadas. •
Realizo la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en equipo. Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica.
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Uno de los dispositivos electrónicos
más versátiles 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, fáciles de usar y es divertido trabajar con ellos. Permiten construir útiles 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 protección internos. El término operacional
de estos amplificadores se refería originalmente a
operaciones matemáticas. Los primeros amplificadores operacionales sumar, restar,
multiplicar
o
dividir.
se usaban en circuitos para
Estas operaciones
se
realizan
actualmente mediante otros medios, aunque en señales eléctricas, siguen realizándose mediante estos dispositivos.
Electrónica Industrial
45
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2 Al finalizar la unidad, el alumno interpretará los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una señal electrónica
Electrónica Industrial
46
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Módulo
108 hrs.
1. Identificación
2. Manejo de
3. Aplicación de
de
circuitos
amplificadores
Unidades
característica
comparadores
operacionales
de
s básicas de
generales,
para la solución
los
empleando
económica de
Amplificadore
amplificadores
algunos
d
42 hrs
20 hrs 1.1
Determinar
la
necesidad
del
manejo
46 hrs de
amplificadores
7 hrs.
operacionales en circuitos analógicos. 1.2 Identificar las características físicas y de funcionamiento de los amplificadores operacionales. 1.3
2.1
Aprendizaj e
los
parámetros
de
operación
del
amplificador
operacional.
Resultados de
Calcular
Manejar las características de operación de los circuitos amplificadores inversores.
2.2
Manejar las características de operación de los circuitos amplificadores no inversores
2.3 Manejar circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales.
3.1 Construir circuitos para medir variables eléctricas, empleando amplificadores operacionales.
Electrónica Industrial
6 hrs.
7 hrs.
10 hrs.
16 hrs.
16 hrs.
10 hrs.
47
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3.2 Medir variables
de intensidad luminosa empleando circuitos
con amplificadores operacionales. 3.3
Implementar circuitos generadores de señal basados en
18 hrs. 18 hrs.
amplificadores operacionales.
Electrónica Industrial
48
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Identificar aplicaciones en los procesos del acondicionamiento de señales que •
APLICACIONES EN LOS PROCESOS DEL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES.
•
•
CIRCUITOS COMPARADORES. NIVEL ADECUADO DE UNA SEÑAL MEDIDA Y SU MANIPULACIÓN
•
es muy común utilizar amplificadores operacionales
• Muchas aplicaciones en laboratorios e industria necesitan de la medición de señales analógicas de bajo nivel que se originan en fuentes remotas (como por
CIRCUITOS PARA MEDIR VARIABLES
ejemplo
los
ELÉCTRICAS.
extensométricas,
termopares,
galgas
derivaciones
de
corrientes y sensores biológicos) Esas •
MEDICIÓN DE VARIABLES DE
señales se deben amplificar mediante
INTENSIDAD LUMINOSA.
dispositivos que posean la ganancia,
•
FILTROS ACTIVOS
•
CONVERTIDOR DE SEÑAL
impedancia de entrada, relación de rechazo de modo común y estabilidad adecuadas. Es común seleccionar los amplificadores
de
instrumentación
para esas aplicaciones, porque son amplificadores
diseñados
específicamente para cumplir con estos requisitos. Una forma de definir los
2.1 Aplicar el amplificador operacional en procesos de acondicionamiento de señales
Electrónica Industrial
amplificadores de instrumentación es:
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo de precisión de ganancia de voltaje diferencial que se optimiza para funcionar en un medio hostil para 49
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mediciones de precisión. El mundo real se caracteriza por desviaciones de lo ideal.: la temperatura varía, existe ruido eléctrico y las caídas de voltaje debidas a la corriente a través de la resistencia de los conductores desde ubicaciones remotas, son dictadas según las leyes de la física.
•
Los amplificadores de instrumentación están hechos para emplearse siempre que sea difícil la adquisición de una señal útil.
corriente de carga sería proporcional al
Algunas
veces
en
la
electrónica
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 habría problema. Naturalmente, la voltaje aplicado, de acuerdo a la ley de Ohm. Sin embargo, si la resistencia de carga varía de una unidad a otra, o si varía con la temperatura o con la edad,
Como
preamplificadotes,
los
amplificadores de instrumentación son capaces
de
extraer
diferenciales
pequeñas
grandes
modo
en
señales
de
voltajes
común.
En
los
entonces
entregar
una
corriente
exactamente proporcional a un cierto voltaje no es fácil. Un circuito que puede
ejecutar
este
trabajo
se
denomina conversor voltaje-corriente.
sistemas analógicos analógico-digital, las amplitudes de su señal de salida
•
están adaptadas para satisfacer los requisitos necesarios de la señal de entrada
de
los
convertidores
analógico-digital. También se emplean en aplicaciones especiales de medición de corriente, esto es, amplificando los voltajes través
pequeños de
resistencia
que
derivaciones de
baja
aparecen de
a
baja
resistencia
insertadas en las líneas de voltaje.
Una
aplicación
amplificadores
común
de
los
operacionales
se
encuentra en la construcción de filtros activos. Un circuito de filtro pasivo se construye
empleando
componentes
pasivos (resistores y capacitores). Un filtro
activo
amplificador
utiliza para
la
además
un
ganancia
de
voltaje y para el aislamiento de señal o separación.
Electrónica Industrial
50
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Un filtro que proporcione una salida
componentes
constante a partir de CD hasta una
retroalimentación negativa la cual sirve
frecuencia de corte, y que después no
para reducir la ganancia de voltaje total
deje
ideal
a un valor razonable. La ganancia de
pasabajo. Un filtro que sólo pasa
voltaje cuando se utilizan componentes
señales arriba de la frecuencia de corte
externos se denomina ganancia de
es un filtro pasaalto. Cuando el circuito
voltaje de bucla cerrada.
pasar
ninguna
señal
proporcionan
filtro pasa señales que se encuentran arriba de una frecuencia de corte y por debajo de una segunda frecuencia de
Un Amplificador operacional raramente se utiliza en la configuración de bucla abierta porque su ganancia de bucla
corte es un filtro pasabanda.
abierta es tan alta que dificulta el balance del voltaje de salida entre los puntos
de
saturación
positivo
y
negativo. Una aplicación en la cual se utiliza
en
bucla
abierta
es
en
el
comparador de voltaje. Este compara un voltaje con otro voltaje y señala cual de ellos es mayor
Elaborará un resumen de aplicaciones de los procesos acondicionamiento de señales
las de
Un ejemplo de un comparador de voltaje se muetra en el siguiente dibujo
V V
El amplificador operacional en CI es
En la figura, la entrada inversora está
utilizado normalmente conexión de
conectada a tierra y la fuente externa
componentes
V1 esta conectada a la entrada no
externos.
Electrónica Industrial
Estos
51
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inversora.
El
circuito
hace
la
comparación entre V1 y tierra (0 volts).
diferencia de voltajes entre VUT y V LT se denomina voltaje de histéresis, VH
Si V1 es mayor que 0 volts, lo cual significa que es positivo, la salida pasará a saturación positiva, casi +12 volts. Si V1 es menor que 0 volts, lo cual significa que es negativo, la salida pasará a saturación negativa, casi -12 volts. Siempre que V1 exceda una fracción de milivolts, la salida pasará 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 comparación
• Siempre que un circuito cambia de un -
Histéresis
estado a otro con cierta señal y luego regresa del segundo al primer estado
Existe una técnica estándar que sirve para mostrar el comportamiento de un comparador por medio de una gráfica en vez de dos, como se puede observar en la figura. Al graficar Ei en el eje horizontal y
Vo
en el vertical, se
obtiene la característica de voltaje de entrada y salida, como se muestra en la figura. Cuando Ei es menor que V LT ,
Vo = +Vsat . La línea vertical (a) muestra que Vo va de − Vsat hasta + Vsat cuando
Ei
se
vuelve
menor
Electrónica Industrial
que
V LT .
La
con una señal de entrada diferente, se dice que el circuito presenta histéresis. En
el
caso
del
comparador
con
retroalimentación positiva, la diferencia en las señales de entradas es la siguiente: V H = VUT − VLT
Si el voltaje de histéresis está diseñado para que sea mayor que el voltaje de ruido pico a pico, no habrá cruces falsos de salida. Por consecuencia, V H 52
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indica que tanto ruido pico a pico es
-
capaz de soportar el circuito. La
-
resistencia
de
retroalimentación
positiva de la salida a la entrada (+) Si Ei tiene un valor comprendido entre
V LT y VUT , es imposible predecir el valor de Vo a menos que éste ya se conozca. Por ejemplo, suponga que Ei se sustituye por tierra ( Ei = 0V ) en la
indica la presencia de histéresis en el circuito de la figura siguiente. Ei se aplica a través de R a la entrada de (+), de modo que el circuito es no inversor. (Observe que Ei tiene que ser una fuente de baja impedancia, o la salida
figura anterior y se enciende la fuente
ya sea de un seguidor de voltaje o de
de de poder. El amplificador operacional pasará ya sea a + Vsat o a
un amplificador operacional). El voltaje de referencia Vref se aplica a la entrada
− Vsat , dependiendo de la presencia
(-) del amplificador operacional.
inevitable del ruido. Si el amplificador operacional pasa a + Vsat , entonces Ei
Los voltajes de umbral superior e
deberá ir arriba de VUT para cambiar la
inferior pueden determinarse a partir
salida. Si Vo ha pasado a − Vsat entonces
de las siguientes ecuaciones:
Ei tendrá que ir por debajo de V LT para poder cambiar a Vo . Por
lo
tanto,
el
comparador
con
⎛ 1 ⎞ − Vsat VUT = Vref ⎜1 + ⎟ − n ⎝ n⎠ El voltaje de histéresis VH se expresan
histéresis presenta la propiedad de memoria. Esto es, si Ei cae entre V H y
de la siguiente manera
V LT (dentro del voltaje de histéresis), el
V H =V UT −V LT =
amplificador operacional recuerda el último valor de cambio de Ei estuvo
(+ Vsat ) − (− Vsat ) n
arriba de VUT o abajo de V LT .
•
Electrónica Industrial
53
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Si se incrementa Ei y Vref en la figura, el resultado es el detector de nivel de voltaje inversor con histéresis. Las expresiones correspondientes para VUT y V LT son:
VUT =
n (Vref ) + + Vsat n +1 n +1
VUT =
n (Vref ) + − Vsat n +1 n +1
Vctr y V H son por lo tanto, Vctr =
VUT + VLT ⎛ n ⎞ =⎜ ⎟Vref 2 ⎝ n + 1⎠
V H = VUT − V LT = En los detectores de cruce por cero, V H
(+ Vsat ) − (− Vsat ) n +1
está centrado en la referencia de cero volts. Para el circuito de la figura no está centrado en Vref , aunque es simétrico alrededor del valor promedio de VUT y V LT . Este valor se denomina voltaje central
Vctr
y se encuentra
mediante la ecuación:
Vctr =
VUT + V LT ⎛ 1⎞ = Vref ⎜1 + ⎟ 2 ⎝ n⎠
-
Electrónica Industrial
54
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Observe
que
tanto
Vctr
como
VH
dependen de n y, por consecuencia, no son independientemente ajustables
El comparador 111 (militar), o el 311 (comercial) es un circuito integrado diseñado y optimizado para lograr un
-
alto rendimiento en aplicaciones como detector
de
nivel
de
voltaje.
Un
En la figura se muestra del control del cargador de batería. Cuando Ei
comparador debe ser veloz; esto es, su
desciende por debajo de los 10.5 volts, se vuelve negativo y deja Vo
los cambios que se presentan en sus
normalmente
al
relevador
en
salida ha de responder con rapidez a entradas.
su
posición de cerrado. Los contactos del
El comparador 311 es una opción
relevador (NC) que, por lo general
excelente,
están cerrados, conectan el cargador a la batería Ei . El diodo D1 protege al
versatilidad. Su salida está diseñada para no presentar rebotes entre ± Vsat ,
transistor contra la polarización inversa excesiva cuando Vo = −Vsat . En el
aunque es posible modificarla con
momento en que se carga la batería a 13.5 volts, Vo cambia a + Vsat , mismo
conectara a un sistema con una fuente
que enciende el transistor y opera el
sencillamente se conectaría la salida de
relevador. Sus contactos NC se abren
la nueva fuente de voltaje a través de
para desconectar el cargador. El diodo D2 protege tanto al amplificador
una resistencia adecuada.
operacional como al transistor contra los
transitorios
decreciente
creados
campo
relevador.
•
por
magnético
a
bajo
costo,
dada
su
bastante facilidad. De hecho, si se de alimentación de voltaje diferente,
¬
el del
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
Electrónica Industrial
55
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voltaje V + + con magnitudes de hasta
del 311 se cierra y se extiende la tierra
40 volts, más positiva que la terminal de alimentación − V (terminal 4).
de la terminal 1 hasta la terminal 7 de
Cuando la entrada (+), terminal 2, es más positiva que la entrada (-) 3, el
salida.
R f y Ri aportan cerca de 50 milivolts
interruptor equivalente de salida del 311 está abierto. Vo se determina
de
histéresis
para
minimizar
los
entonces por V + + y es de +5 volts.
terminal 2 en esencia está a 0 volts. Las formas de onda para Vo y Ei se
efectos de ruido, de modo que la
aprecian en la figura. Vo está a = volts (interruptor cerrado), para los medios ciclos positivos de Ei . Vo está a +5 volts (interruptor abierto) para los medios ciclos negativos de Ei Éste es un circuito común de interfaz; lo que significa que los voltajes pueden variar entre niveles de +15 y -15 volts; sin embargo, Vo está restringido dentro de +5 y 0 volts, los cuales son niveles tradicionales de señales digitales. De modo que el 311 puede utilizarse en la conversión
de
analógico
en
niveles niveles
de
voltaje digitales
(interfaces) ¬
La terminal de habilitación del 311 es Cuando
la
entrada
(+)
es
menos
positiva (está por debajo) de la entrada (-), el interruptor equivalente de salida Electrónica Industrial
la 6. Esta característica de habilitación permite que la salida del comparador responda a señales de entrada o bien
56
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sea independiente de éstas. En la siguiente figura se utiliza el 311 como detector de cruce por cero. Se conecta una resistencia de 10 kΩ a la terminal de habilitación. El otro extremo de la resistencia se conecta a un interruptor. Con
el
interruptor
de
habilitación
abierto, el 311 opera en forma normal. Esto es, el voltaje de salida está a V + + en el caso de valores negativos de Ei y a 0 para valores positivos de
Ei .
Cuando el interruptor de habilitación se cierra (conectando la resistencia de 10 kΩ a tierra), el voltaje de salida pasa a ser V + + independientemente de la señal de entrada. Vo seguirá a un valor V + + en tanto esté cerrado el interruptor
de
habilitación.
Por
lo
tanto, la salida es independiente de las entradas hasta que se vuelva a abrir el interruptor de habilitación.
La característica de habilitación es útil cuando se utiliza un comparador con un microcontrolador para protocolos (handshaking)
de
señales.
Si
el
microcontroladores aplica a 0 lógico a la terminal del comparador 311, el interruptor de habilitación se cierra para evitar que señales extrañas se conecten
al
microcontrolador.
Así,
cuando el programador desea que el microcontrolador reciba datos del 311, Electrónica Industrial
57
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se aplica un 1 lógico a la terminal 1. La
segmento S-T está elevado, dicho nivel
corriente
debe
puede provocar que la salida del 311
limitarse aproximadamente a 3 mA. Si
cambie de estado y a continuación el
no se utiliza la habilitación, la terminal
microcontrolador lo registra. En un
de ésta se deja abierta o conectada a
hospital, o en un consultorio médico, la
+V.
forma de onda del electrocardiograma
de
la
habilitación
de una persona se obtiene mediante
-
sensores; la forma de onda pasa luego por
un
amplificador
Como se menciono en lo referente al
aislamiento/instrumentación
circuito del modelo simplificado del
entra al circuito acondicionador de
311, este puede servir para convertir
señal analógico-digital. Es decir, el
señales analógicas a señales digitales
paciente
dentro de niveles TTL. Observe la
contacto de fuentes de alimentación de
forma de onda del cardiograma (EKG o
CA.
está
siempre
y
de luego
fuera
ECG) que se muestra en la siguiente figura.
Ésta
se
someterá
acondicionamiento
de
a
señal
un para
alimentar la entrada del contador de un microcontrolador,
o
la
entrada
de
captura. En este caso puede utilizarse el 311 con histéresis El nivel de histéresis se define de manera tal que la salida del 311 vaya a un nivel lógico 1, sólo 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 lógico 0 en el caso de las ondas P y T. Si en el caso de un paciente, el
Electrónica Industrial
•
58
de
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
El circuito que se muestra en la figura está
diseñado
para
monitorear
un
voltaje de entrada e indicar cuando este voltaje se encuentra por arriba o por debajo de los límites prescritos. Por
ejemplo,
alimentación integrados
las de
lógicos
fuentes los TTL
de
circuitos se
deben
regular a 5.0 volts. Si el voltaje de alimentación excede a 5.5 volts la lógica puede resultar dañada, y y si la alimentación de voltaje desciende por debajo de 4.5 volts, la lógica puede funcionar de una manera no deseada. Por lo tanto, los límites de la fuente de alimentación de TTL son 4.5 y 5.5 volts. La fuente de alimentación deberá observarse a través de una ventana cuyos límites están entre 4.5 y 5.5 volts. Por lo anterior, se le ha dado el
En la figura, el voltaje de entrada Ei se
nombre de detector de ventana. Este
conecta a la entrada (-) del comparador
circuito a veces se conoce también
A y a la entrada (+) del comparador B. El límite superior VUT se aplica a la
detector límite de doble extremo.
entrada (+) de A, en tanto que el límite inferior V LT se aplica a la entrada (-) de B. Cuando Ei desciende por debajo de V LT o asciende por encima de VUT , la
luz de alarma se enciende para indicar que Ei no está dentro de los límites prescritos. Electrónica Industrial
59
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El circuito funciona de la siguiente manera. Suponga que Ei = 5V . Dado que Ei es mayor que V LT y menor que
Realizará un resumen del manejo
VUT , el voltaje de salida de ambos
de
comparadores esta a V
++
los
circuitos
construidos
pues los dos
con
comparadores amplificadores
operacionales
interruptores de salida están abiertos. La lámpara/alarma está apagada. Ahora, suponga que E i = 6.0 V , o
Ei > VUT . La entrada en la terminal 3 de A es más positiva que la terminal 2, de modo A está al potencial de la terminal 1 o tierra. Esta tierra enciende la lámpara y Vo = 0V . Ahora suponga que
2.2
Ei desciende al valor 4.0 V, o Ei < VUT .
Manejar las características de operación de los circuitos amplificadores no inversores.
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 más, esta tierra hace que la lámpara /alarma se encienda. Observe que esta aplicación muestra que las
En muchas aplicaciones industriales las
terminales de salida del 311 pueden
variables de interés no son de
conectarse juntas y que la salida está a
origen eléctrico, como lo es la
V
++
solo cuando la salida de cada
comparador se encuentra a V
++
.
temperatura,
la
posición
y
velocidad, el nivel de algún fluido por
mencionar
convertir
estas
algunos.
Para
variables
no
eléctricas en una señal eléctrica se utilizan dispositivos para dicho fin conocidos como transductores de lo
Electrónica Industrial
60
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
que
podemos
mencionar
los
termopares, los tacómetros entre otros.
La
señal
transductor
analógica
raramente
es
cual
normalmente
esta
función
es
realizada por algún controlador
del
de
la
forma adecuada para registrarse o mostrarse
directamente.
Generalmente debe primero pasar por
una
serie
de
procesos
de
acondicionamiento de señal antes de mostrarse. Esos procesos pueden ser algunos o todos los que a continuación
se
Identificará las características básicas de una señal de instrumentación
mencionan:
amplificación, filtrado, linealización, corrimiento y amortiguamiento. El equipo de acondicionamiento de señal
en
los
instrumentación
sistemas se
diseña
de
•
para
llevar a cabo esas funciones. El proceso de amplificación (y algunas
En la figura se muestra un amplificador
veces de amortiguamiento) se lleva
operacional
a
amplificador básico en un milivólmetro
cabo
mediante
amplificadores
utilizado
como
de corriente directa. El amplificador
electrónicos
proporciona un medidor con elevada impedancia de entrada y factores de escala que dependen sólo del valor y
•
exactitud
del
resistor.
Se
puede
Una vez que la señal de interés ha sido
observar que la lectura del medidor
llevada a un nivel adecuado, esta es
representa milivolts de señal en la
manipulada
algún
entrada del circuito. Un análisis del
desempeño deseado o requerido, lo
circuito del amplificador operacional
para
obtener
produce la función de transferencia del circuito. Electrónica Industrial
61
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
•
Ocasionalmente
en
electrónica
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 sería proporcional al voltaje aplicado, de acuerdo con la ley De este modo una entrada de 10 mV
de Ohm. Sin embargo, si la resistencia
dará por resultado una corriente a
de carga varía de una unidad a otra, o
través del medidor de 1 mA. Por
si varía con la temperatura o con la
ejemplo a cambiar a Rf a 200 K
edad, entonces entregar una corriente
se
producirá un factor de escala de:
exactamente proporcional a un cierto
200 KΩ
voltaje no es cosa fácil. Un circuito que
Io V1
=
1
1mA
= x 100 KΩ 10 Ω 5 mV
puede
ejecutar
(I
tenerse presente que la construcción milivólmetro
de
un
circuito
de
) Car
tales
características requiere la adquisición de
es
Corriente
caso 5 mV, a escala completa. Debe un
trabajo
mostrado en la figura
que indica que el medidor lee en este
de
este
La resistenci
IR
a puede Resisten
amplificador
cia
R
V
operacional, unos cuantos resistores y un galvanómetro. La capacidad para
V
obtener una unidad de amplificador operacional probada y completamente en operación hace que la medida de medición sea fácil de integrar.
Se
denomina
convertidor
voltaje-
corriente. Este circuito es capaz de convertir un voltaje a una corriente debido al cero virtual a través de sus
Electrónica Industrial
62
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entradas diferenciales. Es decir, si V1 se
puede ser manejado por una fuente de
presenta en la entrada positiva (+),
voltaje la cual no es capaz de entregar
entonces en la entrada negativa (-)
la corriente requerida por la última
aparecerá un voltaje virtualmente igual
ecuación. Esto es debido al hecho que
a V1.
la fuente de voltaje solamente tiene que
La corriente a través de R1 se
operacional
determina por la ley de Ohm
I R1 =
manejar no
un
amplificador
inversor,
cuya
impedancia de entrada es alta (muchos
V1
megaohmios). La corriente de carga es
R1
entregada
por
el
amplificador
operacional. de modo que IR1 no cambiará siempre que R1 no cambie. Debido al hecho que virtualmente no fluye corriente entre las entradas inversora y no inversora, se puede decir que
I R1 = I c arg a Por tanto, Identificará las características básicas
I c arg a =
V1
para la construcción de los circuitos
R1
de medición de variables eléctricas,
El resultado de la última ecuación es independiente de la resistencia de carga.
La
corriente
de
carga
empleando amplificadores operacionales
es
garantizada proporcional al voltaje de entrada bajo cualquier condición de resistencia de carga. Identificará las variables eléctricas que Una
característica
buena
del
intervienen y conocerá su
convertidor voltaje-corriente es que
Electrónica Industrial
63
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operacional
comportamiento
puede
alimentar
una
corriente de salida de hasta 5 mA dentro de la base del transistor, este circuito proporciona una corriente de carga máxima de 5 mA x 100= 0.5 A. Un diodo emisor de luz como el MLD50
•
está
para
producir
una
brillantez de 750 fL (lamberts pie)
-
En el circuito de la figura convierte Ei en una corriente de carga de 20 mA. Con
diseñado
el
transistor
corriente
de
se
carga
proporciona mediante
la
alimentación de voltaje negativo.
siempres que la corriente directa de diodo sea de 20 mA. Ei y Ri definirán la corriente del diodo mediante la siguiente I L = Ei / Ri = 2V / 100Ω = 20mA .
formula, Ahora
puede medirse la brillantez de los LED’s fácilmente, de uno por uno, para propósitos de prueba o de igualación, dado que la corriente que pasa por cada diodo será exactamente igual a 20 mA, independientemente del voltaje directo de los LED’s. Vale la pena observar que es posible conectar en serie una carga de dos LED’s -
con
retroalimentación,
La terminal de salida del amplificador operacional sólo debe alimentar una
el
circuito ambos,
de
pueden
conducir 20 mA.
•
corriente de base, la cual reprenda, por lo general 1/100 de la corriente de carga.
Puesto
que
Electrónica Industrial
el
amplificador
-
64
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
Cuando un interruptor está
en
la
posición 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 Ei . La resistencia de una
depende sólo de la energía que incida en el fotodiodo y no de Ei . Al pasar R por f esta corriente se convierte en un voltaje.
•
celda fotoconductora es muy alta en la oscuridad y mucho más baja cuando se ilumina.
El
valor
común
de
su
resistencia es mayor de 500 KΩ y su resistencia a la luz con sol brillante es aproximadamente de 5KΩ. Si Ei = 5V , entonces la corriente que fluye a través de la celda fotoconductora, I, será 5V/500KΩ =10 mA en la oscuridad y de 5V/5KΩ= 1mA con la luz del sol.
-
Las celdas solares (también conocidas como
celdas
fotovoltaicas)
son
dispositivos que convierten la energía de la luz directamente en energía eléctrica. 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 I SC que varía de 0 a 0.5 A
Cuando el interruptor está en la posición 2 de la figura anterior, Ei se
conforme la luz solar varía desde la oscuridad total a la máxima brillantez.
encuentra en un extremo del fotodiodo y
la
tierra
virtual
en
el
otro.
El
Uno de los problemas a los que se
fotodiodo tiene polarización inversa,
enfrentan
como debe ser en la operación normal.
dispositivos es convertir la corriente de
En la oscuridad, el fotodiodo conduce
salida de la celda solar de 0 a 0.5 A en
una pequeña corriente de fuga en el
un voltaje entre 0 y 10 volts. Otro
orden
aunque
problema es medir ½ A de corriente
dependiendo de la energía radiante
con un medidor de baja corriente (0 a
que incida en el diodo, éste conducirá
0.1mA). Para resolver este problema, hay que dividir I SC de modo que sea
de
nanoamperes,
50µA o más. Por lo tanto, la corriente I
Electrónica Industrial
los
usuarios
de
estos
65
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posible esta corriente en el sitio con un medidor de bajo costo. El problema final es el valor de I SC ya que es demasiado grande para poder usar esta
corriente
con
los
circuitos
amplificadores operacionales. -
Rf = Es
Vo (a escala completa ) 10V = = 20Ω I SC (máx ) 0.5 A
necesario
acoplar
Vo
con
un
seguidor de voltaje. La corriente de la celda solar de 0.5 A es demasiado grande
para
amplificador
poderla
manejar
operacional.
con Este
problema se resuelve al agregar un transistor npn de refuerzo de corriente. La corriente de la celda solar fluye por el emisor y el colector del transistor de refuerzo hacia + V . La ganancia de corriente en el transistor debería ser mayor que β = 100 para asegurarse de que el amplificador operacional no tiene que suministrar más de 0.5A/100= 5mA. Cuando I SC = 0.5 A Con el circuito que se muestra en la
-
figura se resuelven varios problemas. Primero, la celda solar ve la entrada (-)
Si a la figura anterior se le añade un
del amplificador operacional como una
miliamperímetro de baja corriente para medir I SC la cual se muestra en la
tierra virtual. Por lo tanto, puede enviar su corriente de cortocircuito I SC . Un
siguiente figura con la resistencia dR f
segundo problema que se resuelve es el de convertir I SC mediante R f en el
divisora de corriente. La resistencia dR f está constituida por la resistencia
voltaje Vo . Para obtener una salida de 0
del medidor Rm más la resistencia de
a 10 volts para una entrada de 0 a 0.5 A, R f debe tener un valor de
Electrónica Industrial
escala Rescala . La corriente de cortocircuito crea una caída de voltaje a través de R f igual a
66
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Vo , que también es igual al voltaje de la
100ºC
resistencia
temperatura en grados Fahrenheit, I T = 225μA a 0ºF y 310 µA a 100ºF.
dR f . Por lo tanto, para
determinar el divisor de corriente se
(373ºK).
Manifiesta
la
Así pues, el AD590 funciona como
iguala la corriente de voltaje a través de dR f y de R f
una
fuente
de
corriente
que
depende de la temperatura. Sin embargo, si se requiere la lectura de voltaje para indicar la temperatura
Vo = I SC R f = I m dR f
de, digamos, 10 mV/ºC o 10 mV/ºF, se requiere un circuito convertidor
Por lo que
de corriente a voltaje I d = SC Im
-
•
En el termómetro muestra
en
la
Celsius, como se figura,
toda
la
corriente AD590 se lleva hacia la -
tierra virtual en la terminal y fluye a través
Para
construir
un
termómetro
electrónico se usa un transductor de temperatura,
un
amplificador
operacional
y
resistencias.
Emplearemos el AD590, fabricado por
Analog
Devices,
como
transductor de temperatura, el cual convierte la temperatura ambiente
de
la
retroalimentación
resistencia de
10
de k ,
produciendo así una caída de voltaje igual a Vo . Cada microampere de corriente provoca que Vo se vuelva más positivo en un factor de 1 µA x 10k = 10 mV. Un cambio de 1ºC provoca que I T cambie en 1 µA y, por consecuencia, produzca una alteración de 10 mV en Vo . El
en grados Kelvin en una corriente de salida I T , es decir, en 1 µA por
convertidor de temperatura a voltaje
grado
presenta, pues, una ganancia de
Kelvin.
Expresada
la
temeperatura en grados Celsius, I T = 273μA a 0ºC (273ºK) y 373 µA a Electrónica Industrial
conversión de 10 mV/ºC.
67
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A 0ºC, I T = 273μA , Sin embargo, lo que nosotros queremos es que Vo sea igual
Un aumento de 1ºF corresponde a un
a cero volts. Por ello, es necesaria una
aumento de 5/9ºC, o sea 0.555ºC, En
corriente y opuesta de 273 µA que
consecuencia, el AD590 eleva su corriente de salida de 0.555 µA /ºF. R f
fluya de la fuente de 15 volts y por una resistencia de 54.9 k . Esto provoca que la corriente neta que pasa por R f
convierte este aumento en un voltaje
sea cero y, por lo mismo, que Vo sea
mV/ºF.
cero volts. Por cada aumento de 1
aumento de temperatura de 1ºF por encima de 0ºF, Vo se elevará en 10 mV
µA/ºC sobre 0ºC, la corriente neta que fluye por R f aumenta en 1 µA y Vo aumenta en 10 mV -
de 0.555 µA /ºF x 18.18 k En
conclusión,
por
= 10 cada
por encima de 0 volts. Los dos amplificadores operacionales de la figura se clasifican como circuitos condicionados de señal (CCS). Están
En la figura se muestra el circuito de
diseñados para condicionar la potencia
un termómetro Fahrenheit. A 0ºF se desea que Vo = 0V . Puesto que
(según se quiera de 0 a 1V). Si su
I T = 225μA a 0ºF debe ser anulada por
aplicación requiere que la salida del CSS sea la entrada a un convertidor
una corriente igual y opuesta que fluye por R f . Esta corriente se genere
A/D de un microcontrolador, con un intervalo de 0 a 5 volts, entonces R f
mediante la fuente de 15 volts y la
deberá cambiarse.
resistencia de 58.8 k .
Electrónica Industrial
68
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•
Un
filtro
pasabajo
es
aquel
que
proporciona una salida constante a partir de corriente directa hasta una frecuencia de corte y después no deje pasar ninguna señal. Un filtro pasabajo de Identificará cómo medir variables de intensidad
luminosa
circuitos
con
empleando amplificadores
primer orden que utiliza un resistor y un capacitor como se muestra en la figura siguiente
operacionales
Rof
Ro
Vo
R1
V1
C1
Comprenderá las funciones de los sensores electrónicos
Tiene una pendiente práctica de 20 dB por década. La ganancia de voltaje debajo de la frecuencia de corte es constante a Av = 1 +
2.3 Manejar circuitos comparadores construidos con amplificadores operacionales.
Rof Ro1
a una frecuencia de corte de f oH =
1 2π R1C1
•
Electrónica Industrial
69
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•
Un filtro que solo pasa señales arriba de la frecuencia de corte es un filtro pasaalto. En la siguiente figura se muetra este tipo de esquema. La ganancia del amplificador se calcula igual que en el filtro pasabajo con la frecuencia de corte igual que el filtro
Básicamente,
la
conversión
Digital/Analógico es el proceso de tomar un valor representado en código digital
(como
binario
o
BCD)
y
convertirlo en un voltaje o corriente
pasabajo
que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es una cantidad
Ro
Ro
analógica, V
ya
que
puede
tomar
diferentes valores de cierto intervalo
V1 C1
Existen varios métodos y circuitos para R1
producir la operación D/A que se ha mencionado. En la figura se muestra el circuito
básico
de
un
tipo
de
convertidor D/A de 4 bits. 1
Rf=1
D C B A
2 4
VO
8
Diferenciará los tipos de filtros, sus características y su influencia en la eliminación del ruido
Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se supone tienen valores de 0 V o bien 5 V. El amplificador operacional sirve como amplificador sumatorio, el cual produce la suma con valor asignado de estos voltajes de
Electrónica Industrial
70
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entrada.
Reacuérdese
amplificador
en
este
que
el
tipo
de
configuración multiplica cada voltaje de entrada por la proporción de la resistencia de retroalimentación Rf a la resistencia de entrada correspondiente •
Identificará los dos tipos de señal, sus características y aplicaciones
Un convertidor Analógico/Digital toma un
voltaje
de
entrada
analógico
y
después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa la entrada analógica. El proceso de
Integrará en el portafolio de evidencia,
conversión A/D es generalmente más
los
complejo
elaborados en la unidad
D/A,por
y lo
largo que
que se
han
el
proceso creado
resúmenes
y
trabajos
escritos
y
utilizado muchos métodos.
Electrónica Industrial
71
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
2
3
Aplicación del amplificador operacional como comparador sin retroalimentación.
Al finalizar la práctica, el alumno identificara el uso del amplificador operacional en la comparación de dos señales de instrumentación sin retroalimentación. Laboratorio. 2 hrs.
• Manuales del fabricante.
•
• Amplificador operacional de propósito general. •
•
Resistencias.
• Termistor
Fuente de poder +15V, -
•
1 pinza de punta.
15V, 0-10 Khz.
•
1 pinza de corte.
Multímetro analógico y/o
•
1 pinza pelacable.
digital. •
• Relevador.
Osciloscopio de dos canales.
• Transistor.
•
Protoboard.
• Alambre para
•
Generador de Funciones.
interconexiones. • Estaño 80-20. • Formatos de reporte de resultados
el
debe fomentar en el alumno las actitudes de responsabilidad, disciplina, limpieza,
seguridad y trabajo en equipo.
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72
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Electrónica Industrial
73
PT-Bachiller Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica
Ê Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica. De espacio: • Identificar los señalamientos y medidas de seguridad establecidos en el taller. • El taller deberá estar limpio antes de iniciar la práctica. • En el taller se deberá contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente verificada. • No deberá de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. • Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo existirán cables o conductores expuestos. • Los materiales y equipos antes de su uso, deberán estar guardados en casilleros, o su equivalente. • No se permitirá el acceso al taller a personas ajenas a la práctica. 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). Ê Utilizar el equipo de seguridad, de acuerdo al tipo de práctica a desarrollar. • Casco. • Gogles o lentes. • Guantes de algodón o carnaza, según sea la labor. • Protección auditiva. • Mascara antigases. Aplicar las medidas ecológicas durante el desarrollo de la práctica. • Los desperdicios que se generen, deberán ser depositados en los recipientes adecuados para ello (separando los materiales orgánicos e inorgánicos). • Deberá de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. • Se deberá evitar daños a materiales, equipos, mobiliario y aulas. • Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados serán conservados para tal fin. • No se permitirá introducir al taller, alimentos y bebidas.
(
Aplicar estrategias de construcción del aprendizaje.
X Se sugiere que con la guía del PSP:, el alumno más adelantado o experimentado: • Explique el procedimiento que se va a ejecutar, reafirmando el tipo de tareas que se aprenderán. X El
PSP: realizará de manera adicional a la conducción y supervisión de las actividades de la práctica:
• La aportación de comentarios referentes a los resultados que se vayan obteniendo en cada actividad desarrollada. • La corrección de errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecución. X Los alumnos participaran activamente a lo largo de la práctica: • Contestando las preguntas que haga el PSP:, sobre el procedimiento desarrollado, los aspectos
Electrónica Industrial
importantes que deben cuidar,
74
los errores más frecuentes que se suelen cometer, las
recomendaciones del fabricante, etc. • Planteando sus dudas, así como las posibles soluciones a los problemas que se presenten
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Electrónica Industrial
75
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1. Organizar al grupo en equipos de trabajo con un mínimo de 3 y un máximo de 6 alumnos. 2. Preparar el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas y los materiales en las mesas de trabajo, por equipo de alumnos. Ê Repasar las reglas de seguridad, con el cuidado necesario y determinar los puntos en los cuales se desea realizaran las observaciones. Ê Manejar los elementos con extremo cuidado. Ê Vigilar que la fuente de alimentación estén desconectadas antes de hacer cualquier modificación al circuito o efectuar alguna conexión ya sea de algún componente o de algún instrumento. 3. Armar el circuito de la figura 4 y, alimentarlo con fuentes de +10V y –10V con tierra común.
4. Poner un voltaje de referencia de +0.5V y después de +5V y hacer las pruebas que se indican a continuación:
Electrónica Industrial
76
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Vref = +0.5V
Vref = -1.0V
Vref = +5.0V
Cuando Vref = V1 5. Encontrar el voltaje V2, que hace que V0 salte a –10V. Cuando Vref = V2 6. Encontrar el voltaje V1, que hace que V0 salte a +10V. 7. Verificar en el osciloscopio las formas de las curva de saturación. 8. Dibujar las curvas de saturación e interpretar los resultados. 9. Ahora armar el circuito de la figura 4b y, alimentarlo con fuente de +10V y -10V con tierra común. 10. Ahora armar el circuito de la figura 4b y alimentarlo con fuente de +10V y –10V con tierra común y realizar las siguientes pruebas: 11. ¿Qué sucede si R1 del termistor es mayor que la resistencia R2 y el puente está desbalanceado? 12. ¿Qué sucede si ahora R1 del termistor disminuye y el puente se balancea? 13. Comentar grupalmente las conclusiones de cada equipo para obtener consenso en el análisis y completar los reportes correspondientes. 14. Realizar la desconexión de los equipos e instrumentos empleados. 15. Guardar los instrumentos, materiales y herramientas utilizados en la práctica. 16. Limpiar el área de trabajo. 17. Elaborar un informe individual del análisis de los procesos efectuados, empleando los reportes generados a lo largo de la práctica, incluyendo los procedimientos realizados, las observaciones y las conclusiones.
Electrónica Industrial
77
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Figura 4b 9
Armar el circuito de la figura 4 y, alimentarlo con fuentes de +10V y –10V con tierra común.
10 Hacer las pruebas que se indican a continuación. 11 ¿Qué pasa si R1 del termistor es mayor que la resistencia R2 y el puente esta desbalanceado? 12 ¿ Que sucede si ahora R1 del termistor disminuye y el puente se desbalancea? 13 Verificar en el osciloscopio las formas de saturación. 14 Dibujar las curvas de saturación e interpretar los resultados.
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Aplicación del amplificador operacional como comparador sin retroalimentación.
A continuación se presentan los criterios que van a ser verificados en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo. De la siguiente lista marque con una
aquellas
observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño
Ê Aplicó las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica. Ê Utilizó el equipo de seguridad, de acuerdo al tipo de práctica a desarrollar. Aplicó las medidas ecológicas durante el desarrollo de la práctica. 1. Preparó el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas y los materiales en las mesas de trabajo. 2. Armó los circuitos de las figuras 4 y 4b. 3. Verificó en el osciloscopio las formas de las curvas de saturación. 4. Dibujó las curvas que muestre las formas de saturación del amplificador sin retroalimentación. 5. Midió y encontró los voltajes de entradas que hace que el voltaje de salida salte a un valor de saturación positivo y negativo. 6. Visualizó que pasa cuando el puente está desbalanceado en el circuito 4b. 7. Visualizó que pasa cuando el puente está balanceado en el circuito 4b.
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8. Verifico que sucede si R1 del termistor es mayor que la resistencia R2 en el circuito 4b. 9. Verifico que sucede si R1 del termistor disminuye en el circuito 4b. 10. Verificó si los parámetros permanecen constantes para todos los elementos o se presentan variaciones. 11. Comparó resultados. 12. Elaboró algunas propuestas de mejora para el proceso de trabajo analizado. 13. Realizó la desconexión de los equipos e instrumentos empleados, de manera apropiada. 14. Comentó al grupo sus conclusiones y obtuvo el consenso en el análisis para completar los reportes correspondientes. 15. Guardó
apropiadamente
los
instrumentos,
herramientas
y
materiales utilizados en la práctica. 16. Limpió su área de trabajo. 17. Elaboró
el
informe
individual
del
análisis
de
los
procesos
efectuados, empleando los reportes generados a lo largo de la práctica,
incluyendo
los
procedimientos
realizados,
las
observaciones y las conclusiones.
( Participó de manera activa en las estrategias de construcción del aprendizaje recomendadas. ¬ Realizo la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en equipo.
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2
4
Análisis del circuito comparador con histéresis.
Al finalizar la práctica, el alumno identificara la aplicación del amplificador operacional con retroalimentación en la comparación de dos señales. Laboratorio o Taller. 2 hrs.
• Manuales del fabricante.
• Protoboard.
• Pinza de punta.
• Amplificador operacional
• Multímetro analógico y/o
• Pinza de corte.
de propósito general. •
Resistencias.
• Alambre para interconexiones. • Estaño 80-20. • Formatos de reporte de resultados.
el
digital. • Osciloscopio de dos
• Pinza pela cable. • Cautín 60 W.
canales. • Juegos de cables de medición banana-caimán. • Fuente de poder variable de +15V, -15V, 0-10 Khz.
debe fomentar en el alumno las actitudes de responsabilidad, disciplina, limpieza,
seguridad y trabajo en equipo.
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Ê Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica. De espacio: • Identificar los señalamientos y medidas de seguridad establecidos en el taller. • El taller deberá estar limpio antes de iniciar la práctica. • En el taller se deberá contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente verificada. • No deberá de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. • Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo existirán cables o conductores expuestos. • Los materiales y equipos antes de su uso, deberán estar guardados en casilleros, o su equivalente. • No se permitirá el acceso al taller a personas ajenas a la práctica. 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). Ê Utilizar el equipo de seguridad, de acuerdo al tipo de práctica a desarrollar. • Casco. • Gogles o lentes. • Guantes de algodón o carnaza, según sea la labor. • Protección auditiva. • Mascara antigases. Aplicar las medidas ecológicas durante el desarrollo de la práctica. • Los desperdicios que se generen, deberán ser depositados en los recipientes adecuados para ello (separando los materiales orgánicos e inorgánicos). • Deberá de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. • Se deberá evitar daños a materiales, equipos, mobiliario y aulas. • Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados serán conservados para tal fin. • No se permitirá introducir al taller, alimentos y bebidas.
(
Aplicar estrategias de construcción del aprendizaje.
X Se sugiere que con la guía del PSP:, el alumno más adelantado o experimentado: • Explique
el procedimiento que se va a ejecutar, reafirmando el tipo de tareas que se
aprenderán. X El PSP: realizará de manera adicional a la conducción y supervisión de las actividades de la práctica: • La aportación de comentarios referentes a los resultados que se vayan obteniendo en cada actividad desarrollada. • La corrección de errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecución.
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X Los alumnos participaran activamente a lo largo de la práctica:
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• Contestando las preguntas que haga el PSP:, sobre el procedimiento desarrollado, los aspectos importantes que deben cuidar,
los errores más frecuentes que se suelen cometer, las
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1. Organizar al grupo en equipos de trabajo con un mínimo de 3 y un máximo de 6 alumnos. 2. Preparar el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas y los materiales en las mesas de trabajo, por equipo de alumnos. Ê Repasar las reglas de seguridad, con el cuidado necesario y determinar los puntos en los cuales se desea realizaran las observaciones. 3. Identificar el funcionamiento eléctrico del circuito a armar. En este tipo de circuitos podemos encontrar dos tipos de comparadores, el inversor y el no inversor. En el primer caso el voltaje de referencia se aplica en la entra inversora y lógicamente en el segundo caso en la entrada no inversora. En la fig. se muestra el circuito elemental de un comparador no inversor con la señal de referencia a tierra y la respuesta de este mismo.
En la fig. siguiente de igual forma tenemos el comparador inversor y su respuesta, en la tabla 2 podemos ver como es la respuesta de cada uno según el voltaje de entrada.
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Comparador inversor Vi>0 V Tabla 2.
Vi=0 V
4. Armar en el protoboard V de la figura
Vi