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jueves, 1 de diciembre de 2016

¿Porqué no se ven bicicletas eléctricas por nuestras calles?


ÍNDICE

1. El problema (Y no es pequeño)
2. De cada 10 coches, 9 llevan un solo pasajero
3. Hay una solución: La bicicleta eléctrica. Pero hay dos tipos de bici...
      3.1. La buena (Prohibida en Europa y como no, también en España)
      3.2. La "menos buena" (Permitida, que nadie compra, por algo será...)
4. Comparativa entre la bici buena y la menos buena
5. La legislación Europea: El truco del almendruco
6. La levadura y la humanidad




1. El problema (Y no es pequeño)

Me conocéis: No es mi estilo ir en plan agorero sobre catástrofes, finales del mundo vaticinados una y otra vez (felizmente sin consumarse, claro) y otras actitudes apocalípticas. Pero no se puede negar que desde que se hace uso generalizado de la quema de combustibles muchas cosas están cambiando. Y más que van a cambiar.

Según investigaciones de última hora, el CO2 atmosférico ha pasado de 273 partes por millón (Y así ha estado estable durante los últimos millones de años) a más de 400 partes por millón, y este cambio ha sucedido en los pocos años que llevamos de actividad industrial. Casi se ha duplicado el porcentaje de CO2 en la atmósfera. En la historia de la Tierra, un cambio semejante en cualquier parámetro atmosférico ha necesitado millones de años para materializarse.

Es indudable  que nuestra actividad deja mella

El CO2, que se produce en las combustiones, es un gas que tiene la facultad de retener el calor que proviene de nuestro Sol, ese calor se queda en la Tierra en vez de irradiarse al espacio. A más CO2, más calor. Es el conocido efecto invernadero.

- Especies animales que nunca se han visto en zonas templadas, están apareciendo. Las migraciones de muchas especies de aves también se han alterado por el cambio climático.

- Floraciones en pleno invierno, cuando lo normal es que sean en primavera...

- Deshielo a marchas forzadas de zonas que eran de nieves perpetuas

- Fenómenos meteorológicos adversos cada vez más frecuentes y violentos. El calor es el motor de estos fenómenos: Huracanes, lluvias torrenciales, tormentas impresionantes...

- Ya veremos que ocurre con el nivel del mar...



El CO2 no se limita a quedarse en la atmósfera: También se disuelve en los océanos. Los océanos se acidifican, y se calientan. No nos engañemos: Son los océanos (y no los bosques terrestres) los responsables de la mayor parte del oxígeno que se genera en la Tierra gracias al fitoplancton.

Pero ese fitoplancton sólo puede habitar en la superficie del océano (La zona más vulnerable) y no en las profundidades (no le llega la luz y no puede hacer la fotosíntesis). Si ese fitoplancton resulta seriamente afectado, estamos apañados...

Resumiendo: La quema de combustibles (fósiles o no) parece que nos está pasando factura. Y lo mejor está por venir...



2. De cada 10 coches, 9 llevan un solo pasajero


Los combustibles quemados para el transporte suponen una gran parte del problema mencionado. Y dentro de lo que es el transporte, el transporte urbano se lleva la palma. Y esto con el mal añadido de que es esa ciudad y sus habitantes los que "tienen que tragar" ese aire contaminado.

Lo triste es comprobar que, en ciudad, un gran porcentaje de vehículos particulares transportan a una sola persona: El conductor. 

¿No es una pena mover 1.500 Kg de máquina para transportar a una sola persona? ¿No hay una forma más eficiente para moverse en la ciudad? 

No sé... yo me imaginaba el futuro con vehículos super-eficientes que con unos pocos watios y unos pocos kg de peso, moverían a la gente por las ciudades...

Que conste que no cuestiono que cada uno pueda tener su coche, ni tampoco tengo ningún odio especial hacia los coches (de hecho me encantan, y tengo uno, he tenido varios). Pero desde hace tiempo sólo lo uso cuando:

- Tengo que ir lejos
- Llevo pasajeros
- Tengo que llevar carga
- Hace mal tiempo

¿Y en el resto de las ocasiones, si voy yo solo, en desplazamiento urbano, sin carga y con buen tiempo?

Ni de broma uso el coche: Mi coche se queda en el garaje, y me muevo por la ciudad con una flamante bicicleta eléctrica... Hasta que la legislación Europea nos jodió el invento...

Se suele decir: Poco dura la alegría en casa del pobre...



3. Hay una solución: La bicicleta eléctrica. Pero hay dos tipos...

Sobre el año 2003 me interesé por una bicicleta eléctrica. Me pareció una alternativa decente y seria al coche para moverse por la ciudad. Yo le vi las siguientes ventajas:

1) Como bicicleta, no necesita matrícula ni seguro ni carnet de conducir
2) Gasto ridículo en electricidad, con unos céntimos haces muchos kilómetros
3) No emites humos, no contaminas
4) Tampoco haces ruido, que ese es otro mal moderno en las ciudades
5) Aparcas en sitios que para un coche es imposible
6) Más ágil y maniobrable que el coche
7) Menos susceptible de provocar (y sufrir) atascos y embotellamientos.
8) A pesar de no superar los 30 Km/h, llegas antes que con el coche
9) Y por qué no, a mí me resulta incluso divertido este método de transporte
10) Su reducido peso y velocidad hace que, por naturaleza, los accidentes, de haberlos, sean menos graves.

Sobre la razón 3) ya me imagino algunos comentarios en contra: ¿Cómo que no contaminas? ¿Y de dónde sale la electricidad?

bueno, respondo con dos cosas:

Primero: Aún cuando la electricidad para cargar la bici procediese de centrales eléctricas "sucias", esas centrales están en "el quinto pino", no en el centro de la ciudad. Un coche, en cambio, sí contamina por donde pasa, y si pasa por la ciudad, contamina a la ciudad.

Segundo: No olvides que las energías renovables cada día tienen más peso, y hay días en que la generación de electricidad proviene mayormente de ellas. 

Además, esa bici que me llamó la atención era una monada: Tenía todas las luces exigibles (Población, corta, larga, intermitentes, luz de freno...), un pequeño maletero y guantera, claxon, incluso venía de serie con alarma con mando a distancia. Otra cosa muy útil es que en donde corresponde poner los pies (sobre la caja de baterías) puedes poner un buen objeto sin comprometer la seguridad, cosa imposible incluso en grandes motocicletas de 1.000 cc.

Lo dicho: Una verdadera joya urbana.


3.1. La bici buena (Prohibida en Europa y como no, también en España)

Y finalmente me decidí a comprarla. No la regalaban: 800 euros, a pesar de lo cual la consideré una excelente inversión. El coste por Km de un coche normal no baja de 0.30 euros mientras que el de esa bici no llegaba ni a 0.02 euros. Se amortizaría rápido, además de las ventajas de su conducción.


Fig 1. La bici buena

Que nadie se confunda por su forma, por su carenado: Tiene pinta de ciclomotor, pero sólo la pinta: Por sus prestaciones es una bici. A una bici, aunque le pongas un carenado con forma de gallina, sigue siendo una bici. Esto que quede claro...

No era raro ver una de éstas (o parecidas) por Murcia. Se vendieron muchas.

Pero la Unión Europa reaccionó con rapidez y las prohibió

La Unión Europea (y por ende, España) impuso una absurda y muy tacaña legislación que barrió de las calles a estas excelentes bicis. Todo aquél que se atreviera a circular con estas bicis se encontró con dos multas, una de 1200 euros y otra de 400 euros:

- Por no tenerla matriculada
- Por no llevar seguro

Además de la retirada y precinto del vehículo

Todo esto ante la atónita mirada de sus propietarios

¿Y porqué?

Pues porque esa legislación Europea la consideraba un ciclomotor. Lo veremos más adelante el porqué.

...Y así es como desde algún despacho se acaba con un medio de movilidad que demuestra ser eficiente y respetuoso con el medio ambiente, respetuoso con las demás personas, y respetuoso contigo mismo. Las muchas unidades de esta bici vendidas en tan corto espacio de tiempo demuestran su aprobación por el público.

Pero como digo, estas eficientes bicis ahora son olvidadas piezas de museo en vaya Ud. a saber cuantos patios, trasteros y garajes, durmiendo el sueño de los justos..



3.2. La bici menos buena (Permitida, pero que nadie compra, por algo será...)

Como consecuencia de esa Ley draconiana, los fabricantes de bicis eléctricas (que no tienen culpa de nada, los pobres) se vieron obligados a fabricar bicis con prestaciones mas propias de un juguete que de un vehículo con opciones a sustituir el coche o la moto en la ciudad.

Esa ley limita tanto las prestaciones de una bici eléctrica, que las "nuevas" bicis eléctricas ya nadie las compra. Hay una ley de mercado:

Si nadie lo quiere, nadie lo adquiere

Y es por esto que, ni en ciudades grandes, ni medianas, ni pueblos, apenas vemos una de estas bicicletas eléctricas. Yo al menos no las veo.


Fig 2. La bici "menos buena", la que nos pretenden colar


La diferencia de prestaciones entre una bici como la que yo compré (Fig.1) y la que nos pretenden colar (Fig.2) es tremenda. Lo vemos en el punto siguiente.



4. Comparativa entre la bici buena y la "menos buena"

Son cuatro los términos de esa Ley Europea que sólo permiten comercializar bicis eléctricas que parecen más bien juguetes que medios de transporte serios. Esos cuatro términos son los siguientes:

- Velocidad máxima
- Potencia del motor
- Peso de la bici
- Accionamiento del motor


4.1. Velocidad máxima

La Unión Europa impone un límite de 25 Km/h

No seré yo quien pida que una bici eléctrica pueda alcanzar 70 Km/h (En algunos países si se permite, y más aún) pero... ¿25 Km/h?... por favor, un servidor, en una bicicleta de abuelo, a puro pedal, alcanza el doble o casi, y nadie tiene que tomar tila por eso. ¿Porqué ese límite tan pueril? Digamos que estaría bien un límite de 30-35 incluso 40 Km/h.

Pero aceptamos barco como animal de compañía, y digamos que acatamos ese límite de 25 Km/h. Vale. Bien pensado, en ciudad no es posible (ni tampoco lo aconsejo) ir a mucha más velocidad. Siempre te limitan: El atasco, el que va a girar a la derecha, el camión de la basura, la manifestación, el indeciso, el semáforo, el ceda el paso, la intersección, el peatón que invade la calzada, que si mi abuela va a comprar el pan...

Pero mi bici "buena" tiene una velocidad máxima de 30 Km/h, así que se convierte en ilegal según la legislación Europea. Que casualidad, hombre, por 5 Km/h de más...





4.2. Potencia del motor

Mientras que en la mayoría de países no hay límite o éste es realmente amplio, en la Unión Europa han puesto un límite de... ¡¡ 250 W !!

Un buen destornillador eléctrico viene a tener más o menos esa "potencia", y no digamos una taladradora para colgar cuadros, la más cutre tiene fácil 500W, el doble, y es común que tengan más.

¿Vas a confiar en 250W tu movilidad por la ciudad? ¿La posibilidad de subir cuestas? ¿Viento en contra?

El resultado: A la más mínima cuesta o contrariedad, tendrás que pedalear, y con fuerza, con lo cual ya no es bicicleta eléctrica, es "tracción animal" xDD

Según la documentación de mi bici buena, la potencia de su motor es de 250W. Pero eso será en llano. En las cuestas "yo sé" que tiene un plus de potencia, que desconozco exactamente, pero es imposible subir las cuestas como las sube con sólo 250W. Quizás en esas cuestas desarrolle una potencia de 500W o más.


4.3. Peso del vehículo

Esto también es de traca.

El peso máximo autorizado por la Unión Europea para una e-bike es de 40 Kg.

Vamos a ver...

La mayor parte del peso de una bici eléctrica se debe a su batería.

Las baterías de litio pesan muy poco, ya lo sé. Pero por ahora, una batería de litio con capacidad razonable supone un alto coste que casi nadie puede afrontar. Así que mientras se abaratan, tendremos que tirar de baterías de plomo. Y eso pesa, y bastante.

Si me estás limitando el PESO, también me estás limitando la AUTONOMÍA

¿Qué autonomía va a tener una bici con una batería de plomo tamaño bolsillo como la mostrada en la figura 2?  Pues de unos pocos cientos de metros. Y si además hay cuestas, pues ya sabes: A pedalear...

¿Que la batería de la bici de la figura 2 no es de plomo? ¿Es de litio, y tiene muchas prestaciones?  Pues vuelta la burra al trigo: Esa batería se la podrá costear un "noble", no una persona media.

Una bici buena como la prohibidas por la UE, como la que yo usaba, tiene una generosa batería, y puede hacer 30 kilómetros con un ritmo alegre, sin desfallecer. Pero ahí está el problema: En esta bici buena la batería es de plomo (y por tanto económica), pero eso supone sobrepasar en 5-10 Kg lo permitido por la Unión Europea. ¡¡Cachis en la mar, ilegal por 5 kilitos!!

¡¡que puntería tienen para poner el listón!!



4.4. Y lo peor de todo: El nefasto sistema pedelec

Y esto ya es el colmo de lo más bizarro:

La Unión Europea dice que si la bici lleva puño, ya no es bici: Es ciclomotor. 


¡¡Anda!! ¿Y si le pongo manillar y puño a un WC también lo convierto en ciclomotor? Yo creo que no... Deberían ser las prestaciones y no la forma de actuar el motor lo que decida si un vehículo de dos ruedas es Motocicleta, ciclomotor o bici. El hecho de accionar el motor con puño no aumenta las prestaciones. Pero sí el confort, la seguridad y la eficiencia en la conducción.

La Unión Europea no permite que se dosifique la potencia enviada al motor. Ellos pretenden que el motor se active al pedalear, y deje de funcionar si se deja de pedalear. Es el sistema Pedelec. El Pedelec no dosifica: Es TODO o NADA. Valiente forma de gestionar un motor...

El puño, en cambio, es un sistema que permite DOSIFICAR la fuerza que se le envía al motor para hacer una conducción eficiente, cómoda, ecológica... y lógica. 

El sistema pedelec es nefasto porque:

1) Como digo, no permite dosificar la fuerza que se envía al motor. Es un sistema de TODO/NADA. Basta con tocar un pedal para que TODA la energía se envíe al motor.

2) Con el régimen de tirones que impone el pedelec, sufre el motor y sufre la batería. En cambio, con un circuito electrónico Modulador de Ancho de Pulsos, PWM accionado por puño, un motor se maneja mucho mejor: Puedes decidir la fuerza que envías al motor adaptándote al momento de conducción.

3) Con pedelec, a bici parada, para salir, el primer impulso no es del motor (no hay puño) sino de una verdadera pedalada con tu esfuerzo físico. Esto provoca que la bici se vaya eventualmente hacia los lados con un evidente peligro en ambiente urbano donde tienes vehículos pesados a izquierda y derecha.

4) Los pedales, que con puño serían innecesarios, son apéndices sobresalientes peligrosos.

5) Si al estacionar, cuando vas a poner el caballete, con la pierna rozas sin querer un pedal, el motor se pondrá en marcha. Si bien una bici eléctrica no tiene una gran arrancada cuanto tú estás sobre ella, no es lo mismo cuando ya te has apeado,  en este caso tiene fuerza como para salir disparada contra el primer obstáculo que encuentre. Esto me ha pasado varias veces con el sistema pedelec al rozar uno de los pedales, y me he acordado del padre del susodicho pedelec.

6) Y finalmente, si de pedalear se trata, para eso están las bicis "normales" o convencionales: No todo el mundo tiene 20 años o condición física para ir en plan Miguel Indurain, que parece que en algún despacho de Europa son veinteañeros todos...




5. La legislación Europea. El truco del almendruco

Si vemos las diferencias entre las prestaciones de la bici buena y las limitaciones de la legislación Europea, nos daremos cuenta que la bici buena no se salva "por poco". Han puesto el listón donde correspondía para quitárselas de encima. Que cucos...

                                              Bici buena             Europa
Velocidad máxima Km/h                  30                      25
Potencia máxima motor W              500?                  250
Peso Kg                                      45-50                   40


En fin... a ver si a quien corresponde toma nota de que por ahí afuera la gente si puede disfrutar de bicicletas eléctricas con prestaciones como para disuadir de usar el coche en ciudad. Como muestra, un botón: El siguiente vídeo, y no le busquéis placas de matrícula: No lleva, es una bici... no un ciclomotor. Claro que, estamos hablando de legislación estadounidense...

El chaval del vídeo, a veces, se conduce un poco a lo cabra, pero lo que interesa son las prestaciones de esa bici. Con semejante bici, ¿Quién querría usar el coche en la ciudad?  Yo no...



Creo que la mayoría no pedimos unas prestaciones tan soberbias como las de la bici del anterior vídeo, y nos conformamos con las muy discretas y ajustadas cifras de la injustamente prohibida "bici buena":


Velocidad máxima: 30 Km/h
Potencia: La necesaria, ya estaría bien con 750W, y no es excesiva
Peso máximo: El que corresponde para baterías de plomo: Unos 45-50 Kg
Accionamiento por puño o cualquier dispositivo progresivo



6. La levadura y la humanidad

Después de pensar en esto, después de ver que tenemos soluciones pero simplemente se nos impide adoptarlas a golpe de decreto, veo un símil:

Cuando pones levadura en un mosto azucarado, la levadura empieza una actividad: Convierte ese azúcar en alcohol, pero al hacerlo, la levadura sucumbe a causa de su propia actividad: El alcohol generado resulta tóxico para ella a partir de cierta graduación (unos 16º), y muere. Por eso, para obtener graduaciones mayores hay que recurrir a la destilación, no a la fermentación. Cierto que hay levaduras que soportan graduaciones mayores, pero al final mueren igualmente con cierta concentración de alcohol.

Me pregunto si la humanidad será más inteligente que la levadura.

Claro que, igual no es cuestión de inteligencia, sino de intereses, de codicia, de ceguera, de burocracia y de no pensar en los que vienen detrás...

Lo de siempre:
unos por hacer,...
otros por consentir...
...y la casa sin barrer.

miércoles, 16 de noviembre de 2016

Tutorial electrónica básica. Cap 21. Amplificadores Operacionales



TUTORIAL ELECTRÓNICA BÁSICA
CAP. 21. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Índice

1. Finalidad de un AO (Amplificador Operacional)
2. Símbolo utilizado en los esquemas para un AO
3. AO básico y partes fundamentales
4. AO simple, DUAL Y QUAD
5. El AO ideal, frente al AO real
6. Ejemplo de uso de un AO: Comparador
7. Realimentación en un AO
       7.1. Lazo abierto (Sin realimentación)
       7.2. Lazo cerrado: Con realimentacion (Negativa o positiva)
8. Ejemplos prácticos de uso para un AO
       8.1. Interruptor crepuscular
       8.2. Sistema detector de batería agotada en un inversor
9. AO más utilizados
10. Funciones básicas con un AO
       10.1. Comparador
       10.2. Seguidor de tensión
       10.3. Amplificador no inversor
       10.4. Amplificador inversor
       10.5. Sumador inversor
       10.6. Restador inversor (Amplificador diferencial)
       10.7. Integrador
       10.8. Derivador
       10.9. Amplificador exponencial
       10.10 Amplificador logarítmico
11. Usos de los AO
12. El vídeo
13. Otros vídeos que pueden interesarte
14. Toda mi colección de vídeos de Youtube



1. Finalidad de un AO (Amplificador Operacional)

La finalidad de un amplificador operacional (abreviado AO en adelante) es la de hacer operaciones matemáticas como sumas, restas, divisiones, multiplicaciones y otras. De ahí el nombre de "operacional". Estas operaciones matemáticas no se efectúan de forma digital sino analógica. Lo que no quita que estos circuitos sean utilizados en electrónica digital, y de hecho lo son.


Esta fue la primera finalidad de estos circuitos: Hacer operaciones matemáticas... de forma analógica. Actualmente, y desde hace varias décadas, ya sabéis que las operaciones matemáticas, en electrónica, se hacen con circuitos digitales, que poco tienen que ver con los analógicos. Sin embargo, estos amplificadores operacionales, lejos de quedar en el olvido, mostraron su versatilidad, y en la actualidad se utilizan para un sinfín de funciones no relacionadas con el cálculo: Filtros, conversores, osciladores, amplificadores, adaptación de impedancias...


Fig 1. Operacional µA741
El primer circuito operacional fabricado como circuito integrado fue el µA702 hace ya 52 años por la empresa FairChild Semiconductor; poco más tarde le siguió el circuito µA709 mejorando las prestaciones del 702, y a finales de los años 60 se comenzó a fabricar el modelo µA741 (foto a la izquierda) que se convirtió en uno de los circuitos integrados más utilizados y que aún hoy se usa profusamente.








2. Símbolo utilizado en los esquemas para un AO

El símbolo comúnmente aceptado para un AO es el de la figura 2


Fig 2. Símbolo para un amplificador operacional y disposición de pines en el µA741




3. AO básico y partes fundamentales

Seguimos con la figura 2 anterior. En ella se distinguen:

- Un triángulo que representa -en los esquemas- al AO. En la práctica, 
un AO real tiene forma rectangular, siendo el encapsulado DIL de 4+4 pines muy frecuente.

- Pines de alimentación, como es habitual en un chip, son dos: Positivo y negativo. Una cosa que puede despistar a los iniciados es que en muchos esquemas, por claridad o simplificación, estos pines se omiten, no se muestran, pero se sobreentiende que siempre se han de tener en cuenta. Un AO sin alimentación no funciona. En el chip de la figura 1 los pines de alimentación son el 7 para el positivo y el 4 para el negativo o "ground".

- Dos entradas, una inversora y una no inversora. La entrada marcada con el signo menos es la inversora, y la marcada con signo más es la no inversora. En el símbolo de la figura 1 (que corresponde a un AO modelo 741) estas entradas corresponden a los pines 2 y 3 respectivamente, pero esto puede cambiar si el modelo de AO es otro.

- Una salida: El nivel de salida dependerá de las tensiones en las dos entradas anteriores. Puede variar desde prácticamente cero, hasta el valor máximo positivo de alimentación. En el chip µA741 de la figura 1 la salida corresponde al pin 6.

El coste de uno de estos circuitos es bastante asequible gracias a que se fabrican en masa, por ejemplo, el modelo 741, al momento de escribir estas líneas cuesta, en una tienda convencional de electrónica, unos 0.30 euros.



4. AO Simple, DUAL Y QUAD

No debemos dar por hecho que un circuito integrado contiene un sólo AO. 
Esto dependerá del modelo de circuito integrado.

Es muy común que un integrado contenga un sólo AO, pero hay veces en que un fabricante integra DOS AO en un mismo chip de 4+4 pines, exacto: Dos AO necesitan precisamente ocho pines. En este caso hablamos de un AO DUAL:

- dos entradas + dos entradas = 4 pines
- dos salidas = 2 pines
- dos de alimentación (comunes a ambos) = 2

total = 8 pines

Ejemplo de un AO dual es el chip LM358:


Fig 3. AO dual LM358


E incluso los hay con CUATRO AO en un mismo chip, pero esta vez con 14 pines, y en esta ocasión hablamos de un circuito QUAD:


Fig 4. AO Quad, LM324

Por supuesto, tenemos libertad de usar uno, varios o todos los AO integrados en un chip. Por ejemplo, en un QUAD podemos usar uno sólo de los AO y dejar sin conectar (al aire) los pines de los otros tres AO, es decir, no estamos obligados a usarlos todos, aunque si estamos diseñando nosotros el circuito, lo más lógico sería usar un modelo de chip acorde a lo necesario.




5. El AO ideal, frente al AO real

Los AO se fabrican con la intención de que tengan unas características ideales, pero en la práctica muestran un comportamiento real.

Los principales parámetros son estos:

- Impedancia de entrada: En al AO ideal es infinita. En el AO real es elevada, pero no infinita. Valores típicos rondan el Megaohmio.

- Corriente de entrada: Como consecuencia de lo anterior, en un AO ideal la corriente de entrada debería ser nula. No hay consumo, lo que permite que el circuito que suministra la tensión de entrada no experimente la menor variación. El AO real tiene en sus entradas una corriente muy reducida, del orden de unos nanoamperios, pero no cero.

- Ganancia en tensión: Para un AO ideal es infinita. Para uno real puede llegar a ser de más de 1.000.000 lo que realmente es mucho.

- Resistencia de salida: Se espera de un AO ideal que sea cero, lo que permitiría una gran entrega de corriente. En la práctica, con un AO real la resistencia de salida no es cero, pero sí razonablemente baja: Decenas de ohmios.

- Ancho de banda: Infinito para un AO ideal. Esto significa que respondería igual de bien a cualquier frecuencia. En un AO real lógicamente no es así, y tiene un ancho de banda de uno a varios MHz.

- Tiempo de conmutación: Es el tiempo que transcurre entre un cambio en alguna entrada y la correspondiente reacción a la salida. En un AO ideal este tiempo sería nulo, lo que significa que ese AO tendría velocidad infinita. En un AO real hay un tiempo de transición entre un cambio en la entrada y la reacción a la salida, tiempo que puede ser tan breve como unos cuantos nanosegundos, pero esto ya supone que la velocidad es limitada, finita.

- Tensión de offset: Es la diferencia de tensión entre ambas entradas para conseguir que la salida sea cero. En un AO ideal esta tensión de offset es cero. En uno real no es cero, sino de unos pocos milivoltios. Algunos modelos permiten regular esta tensión y ponerla a cero, por ejemplo, es el caso del operacional µA741 y sus pines 1 y 5 destinados a tal fin, que por cierto, en la mayoría de aplicaciones no suelen utilizarse.



6 Ejemplo de uso de un AO: Comparador

Un uso muy frecuente para los AO es el de comparador. 
En la figura 5 tenemos un ejemplo. 
Las entradas "+" y "-" tienen una tensión continua aplicada.

La salida será nivel alto (el valor de alimentación) si la tensión de entrada no inversora "+" es más positiva que la tensión de entrada inversora "-". 

De la misma forma, haciendo menos negativa la entrada inversora "-" hasta conseguir que sea menos positiva que la entrada no inversora "+" también provocaremos que la salida sea nivel alto.

La salida permanecerá a nivel bajo si la entrada no inversora "+" tiene un potencial menor (menos positivo) que la entrada inversora "-".

El cambio de estado en la salida no es gradual aunque lo sea la variación de las tensiones en las entradas. El cambio de estado en la salida es brusco y repentino: Pasa del valor de alimentación (-) al valor de alimentación (+) y viceversa. No hay estados intermedios. Se comporta como un conmutador: Todo o nada.

Un uso típico del comparador es como conmutador electrónico.

También el comparador puede trabajar, por ejemplo, como convertidor analógico-digital. Convierte magnitudes cambiantes en magnitudes tipo si/no (digital).

En el vídeo, en un protoboard, se prueba esto con un AO 741


Fig 5. El amplificador operacional como comparador.



7. Realimentación en un AO
       
La realimentación en un circuito electrónico es un concepto ya conocido en este tutorial y se ha utilizado más de una vez en algún circuito práctico de la serie "Circuitos Útiles". Consiste en tomar una parte de la señal de salida de un circuito para aplicarla a la entrada. De esta forma, el circuito reacciona a su propio funcionamiento, cambiando el comportamiento.

En los AO la realimentación es un concepto importante.

Hay dos formas de realimentación en los AO, 
- En lazo abierto, es decir, sin realimentación
- En lazo cerrado, con realimentación, que puede ser positiva o negativa

Lo vemos con un poco más de detalle en los dos puntos siguientes:


7.1. Lazo abierto (Sin realimentación)

Aquí no aplicamos la señal de salida a la entrada. En este caso el AO se comporta muy distinto respecto de haber realimentación. La característica mas notable es que la salida sólo tiene dos estados estables: 

- Prácticamente cero voltios
- Prácticamente el valor de voltaje de la alimentación positiva

Cuando cambiamos el valor de las dos entradas (inversora y no inversora) no hay manera de conseguir un valor intermedio de voltaje a la salida. O es alta, o es baja, el cambio es abrupto, lo que viene bien cuando se desea un comportamiento tipo digital, tipo si/no, asemejando un conmutador, relé, etc.

La curva de respuesta de un AO trabajando en lazo abierto se ve en el gráfico bajo estas líneas (Fig. 6, parte izquierda).


Fig 6. Izquierda: Lazo abierto. Centro: Realimentación positiva. Derecha: Realmientación negativa

Podemos ver en ese gráfico que el cambio de la tensión de salida (Vout) es prácticamente vertical, como el flanco ascendente de una onda cuadrada. No hay prácticamente estado intermedio. Esto se debe a la gran ganancia del AO con esta configuración de lazo abierto.


Un ejemplo de AO trabajando en estas condiciones, en lazo abierto, es un comparador, circuito que acabamos de ver en el punto anterior 6 (Fig.5) en donde se puede ver que las entradas no reciben ninguna señal proveniente de la salida.

7.2. Lazo cerrado: Con realimentación (Negativa o positiva)

Se dice que un AO trabajaen lazo cerrado cuando hay realimentación: Se toma una parte de la señal de salida y se re-inyecta a la entrada para modificar el comportamiento del AO.

A su vez, la realimentación puede ser de dos tipos:

NEGATIVA


Fig 7. Ejemplo de realimentación negativa
Es la más común. La señal de salida se lleva a la entrada inversora, la marcada con el signo menos "-". De este modo, el AO tiene menos ganancia, pero a cambio su comportamiento es más estable y mejora su ancho de banda. 

Un esquema tipo de realimentación negativa es el mostrado en la figura 7 que corresponde a un amplificador inversor: Amplifica la señal, y además la invierte 180º



POSITIVA

La señal de salida se lleva al terminal no inversor, el marcado como "+". 
El AO tiene entonces una ganancia muy alta aunque ahora se vuelve muy inestable.

Esta  modalidad produce auto-oscilaciones a la salida incluso aunque no apliquemos una señal a la entrada, debido a la alta ganancia, algo indeseable en la mayoría de las aplicaciones, por ejemplo, las de amplificación.


Fig 8. Ejemplo de realimentación positiva
Sin embargo, esta configuración es útil cuando nos interesa generar una oscilación, como una señal patrón de reloj. En la figura 8, un esquema básico de un oscilador conocido como schmitt trigger o "disparador schmitt". En el vídeo, se hace una práctica real con este circuito y se comprueba con osciloscopio su salida, que entrega una señal. 




En ese circuito, las resistencias de realimentación R1 y R2 determinan su funcionamiento.

La diferencia de este circuito con respecto al anterior de realimentación negativa es que dicha realimentación se aplica al terminal no inversor "+", todo lo demás es igual en ambos circuitos.




8. Ejemplos prácticos de uso para un AO

Son muchísimos los casos en que puede utilizarse un AO para una tarea, y he recurrido a ellos en más de una ocasión en la serie "circuitos útiles".

Por ejemplo:

8.1. Interruptor crepuscular

Es un circuito que enciende o apaga las luces según sea de noche o de día. Su funcionamiento se basa en comparar dos tensiones: 

- Una tensión fija (regulable, para determinar el grado de penumbra para encender/apagar las luces)

- Otra tensión variable, proveniente de una LDR (Resistencia dependiente de la luz) que cambia su resistencia en función de la luz presente.

Ambas tensiones se introducen, por separado, a cada una de las dos entradas de un AO, en lazo abierto, configurado como comparador. Es el circuito rotulado como IC1 en el esquema de la figura 9.

La tensión fija aplicada al pin 3 de IC1 sirve como referencia.
Pero la tensión de la LDR (variable según el nivel de luz) aplicada al pin 2 de IC1 produce que la salida del AO (pin 6) cambie de un estado (cero voltios) a otro estado (máxima tensión de alimentación), provocando con ello el encendido/apagado de las luces.


Fig 9. Esquema del interruptor crepuscular, con un amplificador operacional configurado como comparador


8.2. Sistema detector de batería agotada en un inversor

Una batería de plomo de las utilizadas en automoción no conviene descargarla más allá de un 50% de su capacidad, pues existe el riesgo de sulfatarla, con lo cual su capacidad queda muy mermada, o incluso puede quedar inutilizada.

Pero una batería de este tipo te entregará corriente mucho más allá de ese 50%, por lo que es nuestra responsabilidad evitar que esto ocurra. Hay muchas maneras de hacerlo: De forma manual o con nuestra supervisión, por ejemplo, vigilar que el voltaje no decaiga por debajo de 10.5 voltios.

Hay una mejor forma: Hacerlo automáticamente, sin que nosotros tengamos que supervisar ni estar pendientes de nada.

El inversor de 600W para 12V que convierte a 220V tiene esta medida de protección para la batería y está basado en un simple AO también configurado como comparador. El esquema, en la figura 10. La parte que ahora nos interesa en ese esquema está abajo a la izquierda.

Una de las dos entradas del AO rotulado como IC2, la entrada no inversora (pin 3), toma una tensión (fija, de referencia, obtenida mediante un diodo zener (DZ1) de 3.3 voltios) que es una fracción de la tensión de batería. 

Aunque la batería esté totalmente descargada se asegura que esta tensión de referencia siempre será estable (gracias al zener DZ1) ya que la batería nunca va a decaer a un valor tan bajo como esos 3.3 voltios.

En la otra entrada, la inversora (pin 2), se aplica una fracción tomada de la tensión de batería, esta vez sin zener. Es decir, esta tensión SÍ disminuirá según vaya gastándose la batería. Mediante el ajuste correspondiente (potenciómetro P5) se consigue que la salida del AO (pin 6) cambie o bascule a nivel alto justo cuando la batería desciende de 10.5 voltios, lo que provoca la detención del IC1 en su pin 10. IC1 es un integrado tipo SG3525, el verdadero "motor" del inversor, y con ello el inversor deja de funcionar y de gastar batería... salvando a la batería de una sulfatación segura.


Fig 10. Otro ejemplo de uso para un AO. Evitar la destrucción de la batería


9. AO más utilizados: 

Hay innumerables tipos de AO, y de entre los más utilizados, aquí tenéis una pequeña selección:

µA741, sin duda, el más popular, económico y presente en muchos circuitos. También es uno de los más antiguos. Es un operacional de propósito general, monolítico, protegido contra cortocircuito...
Aquí, el datasheet para este AO por si quieres más información.

LF351 Este también es, como el anterior, un tipo de propósito general, pero es de diseño más moderno, con mejores prestaciones. Puedes verlo en el datasheet, donde se citan prestaciones que no tiene el µ741
Datasheet para el AO LF351


LM358, Este operacional es DUAL, van DOS operacionales en un mismo chip.
Aquí está el datasheet de este AO.

LM324, Operacional QUAD, es decir, van cuatro operacionales dentro de un mismo chip. Este es el enlace al Datasheet de este circuito

CA3140, Este modelo vuelve a ser simple, es decir, un sólo operacional en un chip de 4+4 pines, y tiene como característica especial su muy alta impedancia de entrada, y trabajar con frecuencias relativamente altas.
Enlace al datasheet del CA3140

OPA227 y OPA228, Este modelo es de alta precisión y bajo ruido. En realidad bajo este nombre se engloban seis modelos de integrado que tienen uno, dos ó cuatro operacionales en un mismo chip. Los 227 son para hasta 8 Mhz, y los 228 para hasta 33 Mhz. En el Datasheet tenéis más información.

OP77, Operacional de alta precisión y una ganancia excepcionalmente alta, con un valor de más de 10.000.000 según el datasheet.



10. Funciones básicas con un AO

A continuación vamos a ver una serie de usos típicos en los AO.

En algunos de estos usos se hará la correspondiente práctica en protoboard en el vídeo.


10.1. Comparador

El AO configurado como comparador ya lo vimos en el anterior punto 6, por lo que no se va a repetir aquí, sólo he incluido el comparador en este punto para recordar que existe esta configuración.



10.2. Seguidor de tensión

El diagrama para este circuito (Fig 11)


Fig 11. Amplificador operacional configurado como "seguidor de tensión"

Este circuito deja intacta la señal de entrada a la salida, no la modifica, ni la invierte de polaridad, ni la amplifica. Como su nombre deja ver, la tensión de salida "sigue" a la de entrada. 

Entonces ¿Para qué sirve esto?

Recordemos las cualidades ideales de un AO que son razonablemente parecidas a las de un AO real. Tenemos una impedancia muy grande a la entrada, y una impedancia muy reducida a la salida. 

Muy bien, aprovechándonos de estas dos cualidades, este circuito servirá para adaptar impedancias, desde una alta a una baja. Por ejemplo, tenemos a la entrada unas tensiones que hacen circular tan sólo 3 mA. Esta intensidad no puede comandar la base de un transistor (o la puerta de un triac) de potencia, que necesitan, pongamos por caso, 50 mA o más.

Intercalando este seguidor de tensión entre esas intensidades de sólo 3 mA y ese transistor de potencia conseguiremos esos 50 mA ya que un AO puede dar esa intensidad a la salida.

Resumiendo, hemos dejado el voltaje de entrada sin variar (no queríamos variarlo), pero dotándole de mayor intensidad. 


10.3. Amplificador no inversor

Con esta configuración podemos amplificar las señales sin invertir su fase.


Fig 12. Amplificador operacional NO inversor.

En la entrada no inversora se aplica la señal de entrada, mientras que en la inversora hay una realimentación desde la salida a través de las resistencias R1 y R2. La ganancia en esta configuración ya no depende del propio AO sino de los valores de R1 y R2, según esta fórmula:


Ganancia = 1 + (R2 / R1)

De la fórmula anterior se deduce que la ganancia mínima es la unidad, o lo que es lo mismo, no sirve para atenuar la señal (ganancia < 1), pero sí sirve para amplificarla, con ganancia desde 1 hasta (teóricamente), infinito, con el límite que impone un AO real, con una ganancia que puede ser > 100.000.

Por ejemplo, si a R1 y a R2 se les da un valor de 1K y 2K respectivamente, la ganancia será 3, pues: 


Ganancia = 1 + (2 / 1)  = 3

En este caso, si aplicamos 2 voltios a la entrada, deberíamos tener la salida seis voltios (ganancia x3). Esto se somete a prueba en el vídeo en un protoboard.


10.4. Amplificador inversor

Este circuito se comporta parecido al amplificador no inversor con dos excepciones: 

1) Invierte a la salida la señal de entrada. Cuando la entrada es nivel alto, la salida es bajo, y viceversa.

2) Puede atenuar la señal, no sólo amplificarla

Igualmente hay una realimentación negativa con R1 y R2

En este amplificador inversor, la entrada no inversora (+) está conectada a masa, negativo. Y la entrada (-) inversora aceptará la señal de entrada. El esquema, en la figura 13.


Fig 13. Amplificador operacional configurado como AMPLIFICADOR INVERSOR




la ganancia en este amplificador es: R2 / R1

En este amplificador sí podemos atenuar en vez de amplificar la señal, por ejemplo, seleccionando un valor de 100 ohm para R2 y un valor de 1000 ohm para R1, la ganancia sería: 100/1000 = 0.1, cosa que NO era posible con el amplificador no inversor, cuya ganancia mínima era 1 según la fórmula en el párrafo anterior 10.3

Resumiendo: Este amplificador inversor puede amplificar o atenuar una señal según el valor del par de resistencias de realimentación R1 y R2. Además, invierte la polaridad de la señal de entrada. Esto último hay que tenerlo en cuenta para circuitos en donde la fase es importante.


10.5. Sumador inversor

Este circuito tiene múltiples entradas. Y en cada una se aplica una tensión.
A la salida obtenemos la suma de todas estas entradas.


Fig 14. Amplificador operacional configurado como sumador inversor

La tensión obtenida a la salida (Vout) viene de esta expresión:


Vout = - (R1/R*V1 + R2/R*V2 + R3/R*V3)

Una variante interesante es hacer que las resistencias R1, R2, R3 y R tengan, las cuatro, el mismo valor: La tensión obtenida a la salida será la suma algebraica de las tensiones de entrada, y la formula anterior se simplifica mucho, quedando así:


Vout = - (V1 + V2 + V3)

Los componentes R1, R2, y R3 se presentan como resistencias, pero podrían ser cualquier otro componente, sólo se tendrá en cuenta su valor óhmico.

El signo menos es debido a que hablamos de un sumador... inversor

Con esto también haremos una práctica en protoboard en el vídeo.


10.6. Restador inversor


También se le conoce como "amplificador diferencial".

Este AO está configurado para hacer una resta de tensiones. Su esquema de conexionado es el de la figura siguiente 15:


Fig 15. Restador inversor

...Y la expresión que relaciona el voltaje de salida con el voltaje de entrada, teniendo en cuenta los valores de las cuatro resistencias, es:


Vout = ((R3+R1)*R4/(R4+R2)*R1) - V1(R3/R1)


Si hacemos que todas las resistencias valgan lo mismo, la formula se simplifica hasta el punto que:


Vout = Vent2 - Vent1


10.7. Integrador

Una operación más que podemos emular con un AO es la integración. Se trata de una operación matemática basada en muchas sumas de términos muy pequeños, y utilizada para calcular ÁREAS y volúmenes. 

En electrónica ¿Qué área puede interesar calcular?: La de una señal eléctrica representada en dos ejes: Uno vertical para, por ejemplo tensión, y otro horizontal para representar el tiempo.

Este circuito permite obtener a la salida la integral de la señal de entrada. La realimentación corre ahora a cargo de  un condensador, no una resistencia, así que la corriente de realimentación no será constante ni lineal, tendrá forma de rampa. La tensión de salida resulta afectada por esto y obedece precisamente a la integral de la corriente de entrada.


Fig 16. Amplificador operacional como Integrador. A la derecha, oscilograma entrada - salida.

No hay que olvidar que este circuito, además de integrar la señal, también la invierte. Para una hipotética señal de entrada (Vent) como la mostrada a la derecha en la figura 16, se obtendría la señal de salida etiquetada como Vout.


10.8. Derivador

Otra importante operación matemática que se puede hacer con un AO es la derivada de una tensión. Al igual que la integral (De la cual es su operación complementaria), la derivada es un concepto matemático un tanto avanzado.


Fig 17. El amplificador operacional como derivador.  A la derecha, oscilograma entrada - salida

Para entenderlo mejor, este AO no producirá una tensión de salida alta cuando la tensión de entrada sea alta, sino cuando la VARIACIÓN de tensión de la entrada sea rápida. Es decir, una tensión alta pero continua no producirá salida alguna en un derivador. Pero una tensión cambiante sí la producirá, y la producirá tanto más cuanto más alta sea su frecuencia, o cuanta más inclinación tenga el flanco de subida (y bajada) de la tensión de entrada. La VELOCIDAD, la RAPIDEZ con la cual cambia la tensión de entrada hará que la salida tenga mayor nivel. Se deduce de esto que la onda cuadrada es el tipo de tensión que mayor salida producirá en un derivador ya que sus flancos de ataque y fuga son prácticamente verticales (instantáneos).

En el cronograma, a la derecha en la figura 17, se observa que la tensión de salida (Vout) sale invertida con respecto a la polaridad de la señal de entrada (Vent), y es que este AO está configurado no sólo como derivador, sino también como inversor. Si quisiéramos no invertir la señal podemos utilizar un AO inversor con ganancia 1 para invertirla nuevamente, y ya se sabe: Dos inversiones = ninguna inversión.



10.9. Amplificador exponencial

Una resistencia, cuando es sometida a una tensión variable, es recorrida por una corriente también variable, de una intensidad proporcional a la tensión aplicada. Si se expresa en una gráfica esta relación tensión-intensidad veremos que la "curva" resultante es una recta. A esto se le llama "comportamiento lineal".

Los diodos no tienen un comportamiento lineal, y en una zona de su curva característica manifiestan un comportamiento claramente exponencial, en donde a un pequeño incremento de tensión corresponde un incremento muy grande de intensidad.

Se puede aprovechar este comportamiento no lineal de los diodos para ponerlos en la red de realimentación del AO y así su salida también será exponencial. En lugar de un diodo también se puede usar un transistor que, al igual que el diodo, experimenta un comportamiento exponencial si relacionamos la intensidad emisor-colector respecto de la tensión emisor-base.

El esquema básico del AO exponencial:


Fig 18. Amplificador operacional exponencial, aprovechando la característica exponencial de diodos y transistores


10.10 Amplificador logarítmico

En los anteriores montajes (figuras 16 y 17) en que podíamos hacer funcionar un AO como integrador o como derivador (funciones inversas una respecto de la otra) simplemente cambiando el condensador de sitio, aquí ocurre lo mismo:

Si ponemos el diodo (o el transistor) en la realimentación (En vez de en la entrada), el AO se comportará de forma inversa a la exponencial: Tendrá respuesta logarítmica. En la siguiente figura 19, el esquema y, a la derecha, un ejemplo de curva de respuesta:

Fig 19. Amplificador operacional con respuesta logarítmica



11. Usos de los AO

Casi todos los dispositivos electrónicos, ya sean puramente analógicos, digitales, o mezcla de ambos, son susceptibles de incorporar uno o varios AO para realizar alguna función en ellos:

- Filtros (Para rechazar o seleccionar determinadas frecuencias)
- Amplificación
- Atenuación
- Adaptación de impedancias
- Conversores analógico-digital
- Conversores digital-analógico
- Reguladores
- Inversores
- Osciladores
- Generadores de tipos de onda
- ...Y por supuesto, como calculador (analógico)





12. El vídeo








13. Otros vídeos que pueden interesarte


En el Tutorial de Electrónica Básica hay un capítulo dedicado a los circuitos integrados, tema relacionado con el de los amplificadores operacionales desde el momento en que éstos están basados en... circuitos integrados.





Un ejemplo de uso bien claro para los amplificadores operacionales es un circuito conocido como interruptor de crepúsculo. Este circuito genera dos tensiones: Una fija, de referencia, y otra variable, dependiendo del nivel de luz (captado con una fotoresistencia LDR). Ambas tensiones se introducen a las dos entradas de un operacional configurado como comparador. De este modo, el operacional "sabe" cuándo es de noche, y cuando de día. En consecuencia, en su salida aparecerá una tensión (o no) que enciende y apaga las luces de forma totalmente autónoma, sin nuestra intervención. 

En este vídeo tenéis este proyecto con todo detalle.








Otro ejemplo de uso para un operacional es este inversor casero capaz de suministrar hasta 600W (de los de verdad) a partir de 12 voltios provenientes de una (o varias baterías en paralelo) con el cual puedes dotar de energía eléctrica a 220/120V corriente alterna a una casa de campo sin necesidad de conectarla a la red de distribución eléctrica. Con unos paneles solares sería suficiente para cargar esas baterías.

El operacional aquí se encarga de velar por que la batería no descienda de 10.5 voltios, lo que ya se considera una descarga profunda y puede llevar a la inutilización de la batería por sulfatación en caso de que se le pretenda extraer más corriente.

Todos los detalles de construcción de este inversor en este vídeo:






14. Toda mi colección de vídeos de Youtube


En Youtube, una "lista de reproducción" es una colección de vídeos, normalmente de una misma temática. A continuación tienes mis listas de reproducción con todas las temáticas:











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