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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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