Amplificadores operacionales
Este circuito permite activar un relé y con él una bombilla cuando el nivel de iluminación exterior baja por debajo de un punto concreto, ajustable con un potenciómetro. La detección del nivel de luz se realiza con un fotorresistor. Este fotorresistor varía su resistencia en función del nivel de luz. Colocado junto con una resistencia en serie obtenemos un divisor de tensión, que nos permite obtener un valor variable de voltaje en función de la intensidad de luz. Un amplificador operacional utilizado como comparador (lazo abierto), nos permite comparar este valor de voltaje variable con uno de referencia que fijamos gracias al potenciómetro. Cuando el voltaje baja de ese nivel de referencia, obtenemos un valor de 10v positivos (teóricos) a la salida del opamp y si el nivel de luz detectada es alto, se obtiene un valor de -10v (teóricos) a la salida del opamp.
El led a la salida del opamp permite visualizar el momento en que tenemos un voltaje positivo.
Alimentaremos el relé mediante el uso de un transistor bipolar. Vease este circuito. El transistor bipolar funcionará en modo corte/saturación en función del valor que le entre por su base. Un diodo rectificador nos permitirá anular los valores negativos que salgan del opamp y quedarnos solo los positivos, protegiendo el transistor de estos valores no recomendables.
Video del circuito y su funcionamiento:
Circuito montado sobre protoboard:
Listado de componentes:
- Relé
- Potenciómetro 100k
- Fotorresistencia
- 3 Resistencia 10k
- LED
- Resistencia 330 ohm
- Transistor bipolar NPN BC547 o similar
- OpAmp TL081 o similar
- 2 Diodo rectificador 1N4004
- Bombilla (o bien LED + Resistencia 1k para demostrador)
Esta simulación permite modificar el valor de la resistencia de la derecha para aumentar o disminuir la ganancia del amplificador de señal.
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El amplificador operacional puede utilizarse, por ejemplo, para acondicionar la salida de un sensor y aprovechar al máximo la resolución del convertidor A/D. En este ejercicio se aborda este asunto con un simulador de circuitos.
Se desea utilizar un sensor de temperatura integrado para medir y registrar digitalmente la temperatura corporal. El sensor seleccionado es el LM035, que proporciona una salida lineal precalibrada de 10mV/ºC. La escala de interés para esta aplicación es de 30 a 45ºC, con una resolución mínima de 0.1 ºC. El convertidor A/D disponible es de 8 bits y tiene una escala de 0 a 5V. Se desea también disponer de un medio de calibración del sistema.
Esto implica que los valores (v1) de entrada al circuito acondicionador estarán entre
Sin acondicionamiento, el convertidor daría únicamente una resolución de 1.9 ºC (ADC de 8 bits resolución de 20mV). La diferencia en grados es 45º-30º=15º y en voltaje es 450mV-300mV=150mW. Es decir que si 150mW corresponden a 15º, 20mV corresponden a 2º que es la ma-yor resolución que podríamos tener. Por eso tenemos que amplificar. Si simplemente amplificamos por 11 la señal del sensor, obtendríamos 3.3V para 30º y 4.95V para 45º. Si llevamos esta señal a un ADC con una resolución de 20mV, la resolución que obtendríamos en grados centígrados sería de 0.18º por lo que no conseguimos la resolución solicitada de 0.1º El modo de conseguir más resolución es desplazar el rango de entrada, restándole el valor más pequeño del rango, esto es 300mW con lo que la señal del sensor parará del rango 300-450mV al rango 0-150mV y luego multiplicar (amplificar) por 33,33 con lo que el rango de salida pasaría a ser 0-5V que es el rango máximo de entrada del ADC. Con esto pasamos a tener una resolución de 0.06º que es mejor que lo solicitado. Así se aprovecha mejor el rango del sensor y del ADC.
Abordaremos la solución utilizando varias perspectivas:
- Circuito con un opamp en configuración con un amplificado inversor y un sumador amplificador inversor y potenciómetros de calibración.
- Circuito con un opamp en configuración sumador amplificador inversor y potenciómetros de calibración.
- Circuito con un opamp en configuración sumador amplificador no inversor y potenciómetros de calibración.
- Circuito con un opamp en configuración restador amplificador no inversor fijo.
Las soluciones 3 y 4 son las más optimizadas, en un caso es calibrable y en el otro no.
1. CIRCUITO CON UN OPAMP AMPLIFICADOR INVERSOR Y UN SUMADOR AMPLIFICADOR INVERSOR
No podemos utilizar un circuito amplificador operacional inversor o no inversor simples, porque convertir de 300mV a 0V no sería una amplificación. Utilizamos para este caso un circuito sumador amplificador inversor, que es el que nos permitirá hacer ese salto de escala.
Puesto que el amplificador es inversor, se necesita que el máximo de la escala de temperatura corresponda al mínimo de la escala del convertidor A/D y viceversa. Si además se determina que R1 = R2 = 10 kΩ, debe resolverse el siguiente sistema de ecuaciones:
Con Rf= 330 kΩ y v2 = - 450 mV se maximiza la escala digital para obtener 256 niveles del convertidor entre 30 y 45 ºC con una resolución de 0.059 ºC.
Los circuitos presentados en los párrafos anteriores también pueden combinarse para formar cualquier ecuación lineal. Esto puede ser útil para implantar en un instrumento un mecanismo adicional de calibración lineal en hardware.
En la figura siguiente se presenta como ejemplo un circuito de dos amplificadores operacionales con potenciómetros de ajuste, con los que puede efectuarse una calibración de 2 puntos. El potenciómetro P2 se utiliza para eliminar la desviación alrededor del cero, en tanto que el potenciómetro P1 se emplea para ajustar la sensibilidad del instrumento. Dicha calibración se hace en dos pasos:
- Primero se fija el valor de V1 al valor mayor del sensor (en nuestro caso 450mV) y se va ajustando P2 hasta obtener 0v de salida
- A continuación se establece el valor de V1 al valor menor del sensor (en nuestro caso 300mV) y se va ajustando P1 hasta obtener 5v a la salida. Debe tenerse en cuenta que los valores están invertidos, esto es, se consigue un valor de cero para el mayor valor del sensor y un valor de 5v para el menor valor del sensor. Se deberá tener en cuenta esto en el procesamiento del dato leído por el ADC (Analog to Digital converter)
Un problema de este circuito es que, aunque hemos considerado un rango de interés de 300mV a 450mV, el rango real puede sobrepasar estos límites, por ejemplo si el sensor detecta menos de 36 grados o más de 45 grados, cosa que puede ocurrir perfectamente. En ese caso la salida del último opamp dará valores por encima de los 5v y menores de 0v (negativos), lo que podría dañar el ADC.
Podemos añadirle unas protecciones a la salida para asegurar niveles entre 0 y 5v (más/menos 400mA) utilizando diodos clamping Schottky y un zener para asegurar los 5v. Los operacionales estarían alimentados con +10v y -10v pero podrían utilizarse voltajes más bajos.
De este modo la respuesta resulta lineal en la zona especificada de operación, en ambos casos:
Nota: En la simulación hemos sustituido el sensor por un divisor de tensión para poder simular posibles valores.
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2. CIRCUITO CON UN OPAMP SUMADOR AMPLIFICADOR INVERSOR
Tenemos también la opción de no utilizar el operacional de la izquierda, disponiendo del siguiente circuito:
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3. CIRCUITO CON UN OPAMP SUMADOR AMPLIFICADOR NO INVERSOR
Otra opción es utilizar un sumador amplificador no inversor para conseguir rangos no cruzados, esto es que para los 300mV del sensor se obtengan 0V y para los 450mV se obtengan 5v.
El ajuste sería primero en P2 hasta obtener una tensión de -300mV, para que al sumarse a la del sensor (300mV) se obtenga 0V y por tanto la salida del op-Amp sea de aproximadamente ese valor. Después se establece la salida del sensor a 450mV y se ajusta P1 hasta obtener 5V a la salida.
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4. CIRCUITO CON UN OPAMP RESTADOR AMPLIFICADOR NO INVERSOR
Puesto que tenemos que hacer primero una resta y luego amplificar, utilizaremos para este caso un opamp en configuración restador amplificador no inversor, que nos permitirá hacer un salto de escala.
Puesto que el amplificador es no inversor, se necesita que el máximo de la escala de temperatura corresponda al máximo de la escala del convertidor A/D y viceversa.
Para ello conectaríamos la salida del sensor en V2 y se utilizaría un divisor de tensión resistivo que nos permita entregar 300mV en V1 (el que resta). Posteriormente, como queremos amplificar aproximadamente por 33, establecemos R3 a 33 kΩ y R1 a 1 kΩ por lo que Vout=(Vsensor-300mV)x33
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Un filtro de Sallen Key o célula de Sallen Key es un tipo de filtro electrónico activo particularmente valioso por su simplicidad.
El circuito produce un filtro de segundo orden usando dos resistencias, dos condensadores y un opamp. Para obtener un filtro de orden mayor se pueden poner en cascada varias etapas.
Ejemplo de filtro de paso bajo con frecuencia de corte 15.9kHz y Q=1/2:
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En esta simulación se muestra una señal original a la que se añade una señal externa (ruido) de una frecuencia concreta. El filtro ha de eliminar esa señal indeseable. En este caso la frecuencia de corte es 250 Hz.
Como puede verse en la simulación, hay una pérdida en la amplitud de la señal a través de filtro, por lo que se puede compensar añadiéndole dos resistencias y por tanto haciendo que el opamp actúe en modo amplificador no inversor.
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## Filtro de paso alto
Ejemplo de filtro de paso alto, con una frecuencia de corte de 72Hz y Q=1/2:
Simulando el filtro de paso alto obtenemos las gráficas de respuesta en frecuencia (azul) y desfase (azul punteada)
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En esta simulación se muestra una señal original a la que se añade una señal externa (ruido) de una frecuencia concreta. El filtro ha de eliminar esa señal indeseable.
