• Author / Uploaded
• Erick Cruz

Citation preview

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

PRÁCTICA 2: “AMPLIFICADOR OPERACIONAL NO INVERSOR”

Alumnos: • • • •

Cruz Martínez Erick Emmanuel. Huerta Osorio Raúl Alejandro. Utrilla Rincón José. Velazco Rangel Ary Olaf.

Materia: Sistemas electrónicos digitales.

Profesor: Hernández Bárcenas Raymundo.

Grupo: 6AV2.

Fecha de realización: 4/Febrero/2020.

Fecha de entrega: 10/Febrero/2020.

ÍNDICE Objetivo. .......................................................................................................................... 1 Marco teórico. ................................................................................................................. 1 Amplificador operacional ............................................................................................. 1 Circuito amplificador no inversor.................................................................................. 1 Aplicaciones del amplificador operacional en aviación. ............................................... 2 Materiales:....................................................................................................................... 4 Equipo: ............................................................................................................................ 4 Desarrollo: ....................................................................................................................... 5 Cálculos. ......................................................................................................................... 6 Multisim ........................................................................................................................... 7 Resultados. ..................................................................................................................... 8 Conclusiones................................................................................................................... 9 Bibliografía. ..................................................................................................................... 9

Objetivo. Se desarrollará un circuito de amplificador operacional no inversor, el cual servirá para entender el funcionamiento de este tipo de circuitos. Se desea que el alumno reconozca de manera puntual el uso de los amplificadores operacionales en la aviónica, así como su importancia. Se compararán los resultados obtenidos de desarrollo de la práctica con los obtenidos mediante cálculos teóricos (los cuales se deben investigar) y los obtenidos mediante el software Multisim.

Marco teórico. Amplificador operacional Un amplificador operacional, o amp-op, es un amplificador diferencial de muy alta ganancia con alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Los usos típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtrado y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un amplificador operacional contiene varias etapas de amplificadores diferenciales para alcanzar una muy alta ganancia de voltaje.

Ilustración 1. Amplificador operacional básico La figura anterior muestra un amplificador operacional básico con dos entradas y una salida, que sería el resultado de utilizar una etapa de entrada de un amplificador diferencial. Cada entrada produce ya sea la misma salida o una de polaridad (o fase) opuesta, dependiendo de si la señal se aplica a la entrada positiva (+) o la entrada negativa (-) respectivamente.

Circuito amplificador no inversor El amplificador operacional se puede conectar en una gran cantidad de circuitos para obtener varias características de operación. La conexión de la figura 2 muestra un circuito de amplificador operacional que funciona como amplificador no inversor o multiplicador de ganancia constante. Es de

notar que la conexión de amplificador inversor se utiliza más porque es más estable en frecuencia. Para determinar la ganancia de voltaje del circuito, podemos utilizar la representación equivalente mostrada en la práctica pasada. Observe que el voltaje a través de R1 es V1 puesto que Vi = V. Éste debe ser igual al voltaje de salida, a través de un divisor de voltaje de R1 y Rf, de modo que 𝑉1 =

𝑅1 𝑉 𝑅1 + 𝑅𝑓 0

de donde 𝑅𝑓 𝑉0 𝑅1 + 𝑅𝑓 = =1+ 𝑉1 𝑅1 𝑅1

Ilustración 2. Multiplicador de ganancia constante no inversor

Aplicaciones del amplificador operacional en aviación. Las aplicaciones del amplificador operacional no inversor en la aviación son bastantes, ya que como su nombre lo indica, éste además de amplificar la señal no altera la fase de entrada, por lo cual invertir la señal, como lo es en el caso de un amplificador operacional inversor. En general, este tipo de amplificadores se utilizan para adecuar las señales de entrada que sirven para el monitoreo y control de los sistemas FADEC.

Podemos encontrar amplificadores operacionales en los siguientes sistemas del avión: • • • • • • • • • • • • •

ACARS (Aircraft Communication Addressing And Reporting System). Aircraft Engine Control System. CDS (Aircraft Cockpit Display System). ECAM (Electronic Centralized Aircraft Monitoring). EICAS (Electronic Flight Instruments System). EIS (Electronic Instruments System). FBW (Fly By Wire). Flight Control System. FMS (Flight Management System). GPS (Global Positioning System). IRS (Internal Reference System). RDC (Remote Data Concentrator System). TCAS (Traffic Alert and Collision Avoidance System).

Ilustración 3. Aplicación de los Amplificadores Operacionales (Sistema de control de vuelo).

Materiales: •

Amplificador operacional LM741

•

Resistencias: -

1 kΩ

-

4.7 kΩ

-

10 kΩ

•

Protoboard

•

Cable telefónico para protoboard

•

Conectores y cables caimán.

Equipo: •

Fuente de alimentación

•

Osciloscopio: - Marca: TEKTRONIX - Modelo: TDS1001B

•

Generador de señales: - Marca: LEADER - Modelo: LAG-120B

•

Multimetro básico

Desarrollo: Se tiene el siguiente circuito correspondiente a un amplificador operacional no inversor:

Una vez armado el circuito, se ajusta el generador los valores requeridos. Así como ajustar los voltajes de alimentación a +12 V y -12 V con la ayuda de un multímetro.

Se conectan las entras al circuito previamente armado y se observa en el osciloscopio la entrada y la salida de la señal.

Cálculos. Este circuito es muy parecido al amplificador operacional inversor, con la diferencia de que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual significará que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada. El análisis matemático será igual que en el montaje inversor.

Se considera que: 𝐼𝑥 = 0 ; 𝐼1 =

𝑉𝑥 − 0 𝑅1

;

𝑉𝑥 = 𝑉𝑦 𝐼2 =

𝑉𝑜 − 𝑉𝑥 𝑅2

Tomando en cuenta que 𝑉𝑥 = 𝑉𝑖 y 𝑉𝑦 = 𝑉𝑖 se tiene: 𝑉𝑖 𝑉𝑂 − 𝑉𝑖 ; 𝐼2 = 𝑅1 𝑅2 Y si 𝐼𝑥 = 0, se obtiene que 𝐼2 = 𝐼1 , por lo tanto: 𝐼1 =

𝑉𝑂 − 𝑉𝑖 𝑉𝑖 = 𝑅2 𝑅1

→

𝑉𝑂 · 𝑅1 − 𝑉𝑖 · 𝑅1 = 𝑉𝑖 · 𝑅2

𝑉𝑂 · 𝑅1 = 𝑉𝑖 · 𝑅2 + 𝑉𝑖 · 𝑅1 𝑉𝑂 =

𝑉𝑖 · 𝑅2 + 𝑉𝑖 · 𝑅1 𝑅1

𝑉𝑖 · (𝑅2 + 𝑅1 ) 𝑅1 𝑅2 𝑉𝑂 = 𝑉𝑖 · ( + 1) 𝑅1

𝑉𝑂 =

Con esta ecuación se conoce la ganancia que tendrá en voltaje este circuito. La cual es la siguiente: 𝐴𝑂 =

𝑉𝑂 𝑅2 = +1 𝑉𝑖 𝑅1

Después de la deducción, se consideran los siguientes valores que fueron los utilizados de manera práctica: 𝑫𝑨𝑻𝑶𝑺: 𝑅2 = 10 𝑘𝛺 𝑅1 = 1 𝑘𝛺 𝑉𝑖 = 1 𝑉𝑃𝑃 Sustituyendo se obtiene el voltaje de salida: 𝑉𝑂 = (1 𝑉𝑃𝑃 ) · (

10 𝑘𝛺 + 1) 1 𝑘𝛺

= (1 𝑉𝑃𝑃 ) · (11) = 11 𝑉𝑃𝑃 En donde se puede observar que no se produce inversión de la señal en polaridad.

Multisim Al igual que en la práctica pasada, el circuito también se simuló en multisim. El procedimiento fue el mismo. Se colocan los componentes en la interfaz, se conectan y se configuran -en el caso del generador de onda-. Finalmente, se conecta al osciloscopio y se ejecuta.

El resultado de la simulación se muestra en el osciloscopio. En la siguiente imagen se muestra una comparativa entre la onda original y después del amplificador.

Se observa un aumento de 10 en el voltaje y un poco más.

Resultados.

Método Teórico Práctico Digital

Voltaje a la entrada 1 Vpp 1 Vpp 1 Vpp

Voltaje a la salida 11 Vpp 11 Vpp 10.912 Vpp

La tabla anterior sirve como comparativa entre todos los métodos utilizados para resolver el circuito y los resultados que arrojó cada uno de ellos. Se aprecia que los tres circuitos mostraron voltajes de salidas prácticamente idénticos, existiendo una variación mínima o nula-. En este caso, el circuito digital muestra una mayor variación en el resultado a comparación con los dos primeros. Sin embargo, la variación en el voltaje resulta ser de centésimas, una diferencia que podría considerarse despreciable. En general, los tres circuitos arrojan resultados muy confiables.

Conclusiones. Podemos corroborar los resultados obtenidos en la práctica, mediante el uso de software y cálculos teóricos, en donde nos damos cuenta de que el valor obtenido es correcto y la práctica se desarrolló de manera correcta. Podemos ver de nueva cuenta que la ganancia de un amplificador depende de las características de sus componentes, entregando una mayor o menor amplificación de voltaje. Además, en esta práctica, al igual que la pasada, se pueden produjeron fenómenos que causaban distorsión en la señal de salida, por los cuales, los valores del voltaje de salida presentaban ciertos disturbios, en donde podíamos ver como variaba este resultado de nueva cuenta, con lo que podemos establecer la importancia de tener un ambiente controlado para mantener los valores deseados. Con esta práctica podemos darnos cuenta de la gran utilidad o función que desempeñan los amplificadores operacionales en la aviónica.

Bibliografía. • • •

•

Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (2003). Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. PEARSON educación. Coughlin, R. F., & Driscoll, F. F. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Pearson educacion. de la Rosa, J. J. G. (2001). Circuitos electrónicos con amplificadores operacionales: problemas, fundamentos teóricos, técnicas de identificación y análisis. Marcombo. García González A. (2013). “Amplificadores Operacionales y su uso en la electrónica”. Panamahitek.

• • • • • •

Moir I., Seabridge A.. (2003). Civil Avionics Systems. Suffolk, Reino Unido: Professional Engineering Publishing. Pertence, A. (1994). Amplificadores operacionales y filtros activos: Teoría, proyectos y aplicaciones prácticas. http://www.ti.com/solution/flight-control system?variantid=34324&subsystemid=32980 http://www.ti.com/solution/aircraft-enginecontrol?variantid=34332&subsystemid=33043 http://www.ti.com/solution/aircraft-cockpitdisplay?variantid=34322&subsystemid=33520 http://www.ti.com/solution/remote-data-concentrator-rdc