[APORTE] Amplificador Operacional

[Voltairus]

El Amplificador Operacional LM741

Hola a todos los eléctricos, pero por sobre todo, a los electrónicos de Chilecomparte.

La verdad, como lo he dicho en un par de ocasiones, mi fuerte es la electrónica digital y no la análoga, pero hoy vengo a ofrecerles documentación sobre un elemento de control operacional y de pulsos bastante utilizado, y por sobre todo, bastante útil. Hablo del Amplificador Operacional, particularmente del LM741. Este elemento, auto resonante y amplificador, tiene un sin fin de configuraciones y aplicaciones, y créanme, en el desarrollo de sistemas de control puede llegar a ser muy útil, además de tratarse de un elemento extremadamente fácil de encontrar, utilizar, y muy barato.

En el presente tema desarrollaré algunas de las configuraciones más básicas del LM741, como el amplificador inversor, amplificador no inversor, sumador, restador, comparador, entre otros. Luego, si lo amerita y alguien lo necesita, podría también agregar información más acabada, como la famosa ventana de histéresis, que aunque es más compleja de comprender e implementar, también puede ser muy útil.

Lo que si dejo en claro desde ya, es que el tema da para mucho rato, por lo que iré posteando de a poco, editando el tema a medid que vaya teniendo lista más información, así que no desesperen si solo ven poco al principio, el tema irá creciendo :P

Sin más preámbulo, comencemos con la primera patita:

Un poco de información sobre el LM741:

Como se dijo anteriormente, el LM741 es una de las presentaciones más básicas y conocidas de la familia de los Amplificadores Operacionales. Estos elementos, a grandes rasgos, son circuitos integrados que poseen (normalmente) dos entradas -una inversora y otra no inversora- y una salida. Esta salida tiene la característica de representar la resta entre las señales de entrada, multiplicada por un factor de amplificación natural. Para el caso del LM741 el factor de amplificación natural es de 10 elevado a 6 (1.000.000)

La presentación de este circuito integrado es, normalmente, en forma de encapsulado DIP de 8 patas, y cada una se representa a continuación:




Este encapsulado, a diferencia de lo que estamos acostumbrados con la utilizada familia TTL, no se alimenta por el pin 8 y 4, sino que se alimenta por los pines 7 y 4.

En general, como definición, este es el Amplificador Operacional, y aunque aún no se logre apreciar el verdadero potencial de este elemento, si siguen leyendo si descubrirán un mundo entero de posibilidades.

El LM741 como amplificador:

Este elemento, siendo un Amplificador Operacional, es utilizado mayoritariamente con aquella función, la de amplificar. Ahora, esta amplificación va dada por el factor de amplificación natural del circuito, que como se dijo anteriormente, para el caso del LM741 es de un millón (10 elevado a 6) Así, la fórmula más básica para calcular la amplificación de este elemento, es la siguiente:

Vo = -An x Vi

En donde:

Vo = Voltaje de salida
An = Amplificación Natural
Vi = Voltaje de entrada

Ahora, viendo lo anterior, puede que a más de alguno le haya asaltado la duda de cómo puede llegar a ser posible que una señal de entrada sea amplificada un millón de veces. O sea, si tengo una entrada sinusoidal de 24 Volts pic-pic, ¿tendré 24 MILLONES de Volts p-p en la salida? La verdad no, no es tan así.

¿Recuerdan cuando en un principio hablé sobre la particular forma de alimentación que posee este elemento?, pues bien, la verdad es que en los pines 7 y 4 de esta pastilla (puede variar para otras versiones, pero generalmente es muy similar) va una alimentación que proporciona los márgenes para la amplificación del circuito. Así, en el caso del LM741, los márgenes máximos permitidos son de +15 Volts en el pin 7, y -15 Volts en el pin 4, pudiendo ser menores, de hasta 0 Volts en cada pin (como límite inferior, pero con este valor no tendría sentido el circuito) Entonces, visto esto, es que llegamos a la primera configuración comúnmente utilizada para el AOP, el Comparador:

El Comparador:

Como se dijo anteriormente, el Amplificador Operacional LM741 posee una amplificación natural de un millón, pero esto no quiere decir necesariamente que en la salida de la pastilla tendremos una salida de un millón de veces la entrada (aunque si es posible esto, con tensiones ínfimas… lo veremos más adelante) La verdad es que, para el caso de la configuración conocida como Comparador, son los márgenes ingresados como alimentación a la pastilla los que ponen el límite al circuito, lo que finalmente provoca una salida cercana a una señal cuadrada saturada en los niveles de alimentación, siempre dependiendo de la resta realizada entre las señales de las entradas. En otras palabras, esta configuración lo que hace es forzar al Amplificador a extender todo su potencial de amplificación en la salida, pero al encontrarse este limitado por una tensión de +Vcc y –Vcc como alimentación, son finalmente estos valores los que se aprecian en la práctica. La fórmula que determina la salida obtenida en este circuito, es la fórmula fundamental del Amplificador Operacional:

Vo = -An x Vi

El signo negativo que acompaña al valor de amplificación natural indica la prevalecía de la tensión más alta de las entradas, realizando la resta entre estas. Así, si existen dos tensiones ingresadas, una en la entrada inversora, y otra en la no inversora, será el valor más alto el que prevalecerá en la salida, teniendo en cuenta que si la más alta es la ingresada en la entrada no inversora, la salida no se desfasará, mientras que si la más alta corresponde a la ingresada en la entrada inversora, la salida estará desfasada en 180° (recordemos que en corriente alterna no existen valores positivos o negativos, solo desfases angulares)

Así, para ir entendiendo un poco mejor todo, podemos configurar el siguiente circuito a modo de ejemplo:




Por las resistencias no se preocupen; la resistencia de retroalimentación (R3) es una limitadora para la amplificación natural, puede ser de unos 2K Ohm y se olvidan, mientras que las resistencias de entrada (R1 y R2) son simples limitadoras de tensión y corriente, y se pueden calcular para lo que deseen.

En aquel circuito, podemos ver que está siendo ingresada una señal sinusoidal por la entrada inversora del AOP, mientras que la entrada no inversora está siendo conectada directamente a tierra. Como se puede llegar a deducir, el valor encontrado en la salida será distinto en función del tiempo, siempre siguiendo la fórmula para el Comparador.

En t = 0, los valores son iguales, por lo que en la salida existe un valor de 0. Pero justo en el momento en que comienza a dibujarse la señal sinusoidal, el valor de la entrada inversora pasa a ser automáticamente mayor al de la no inversora (que recordemos, está conectada a tierra), por lo que en la salida prevalecerá este valor multiplicado por un millón, pero con “signo negativo” (desfasada en 180°)

Para comprender aún mejor la dinámica, supongamos que el Amplificador está alimentado en sus pines 7 y 4 con tensiones de +12 Vcc y -12 Vcc, mientras que la entrada sinusoidal es de 8 Volts p-p. En ese caso, si comparásemos la entrada inversora con la salida, tendríamos los siguientes gráficos:

Entrada:




Salida:




Como se aprecia en los gráficos, del mismo instante en que la tensión en la entrada inversora supera el valor de 0 (que es la referencia que tenemos), el valor en la salida tiende a ser un millón de veces ese valor, pero desfasado en 180°. Ahora, como los márgenes que hemos puesto para esta configuración han sido de +12 Vcc y -12 Vcc, cuando la entrada sinusoidal supera los 0 Volts, en la salida se presenta una tensión igual a -12 Vcc, mientras que en el semiciclo negativo, cuando la tensión mayor de las entradas corresponde a los 0 Volts de la entrada no inversora, en la salida se presenta una tensión saturada a los + 12 Vcc de la alimentación, ¿se va comprendiendo?

Así, si por ejemplo armásemos un circuito igual, pero con conexiones contrarias en la entrada, poniendo la señal sinusoidal en la entrada no inversora, y tierra en la inversora, tendríamos exactamente el mismo resultado, pero sin un desfase de ningún tipo, es decir, cuando la tensión sinusoidal supere los 0 Volts, tendremos en la salida +12 Vcc, y cuando sean los 0 Volts los que prevalezcan en la entrada, tendremos en la salida -12 Vcc.

O por ejemplo, supongamos que en vez de poseer una referencia de tierra (0 Volts), ponemos una referencia de 3 Volts. En ese caso, tendremos un circuito que se comportará exactamente de igual manera, pero cambiando se estado en la salida al momento en que la tensión de referencia de 3 Volts sea superada o no. Así mismo, también podemos jugar con el voltaje de alimentación (manteniéndonos en los márgenes de +15 Vcc y -15 Vcc); podríamos por ejemplo alimentar al circuito con una tensión de +10 Vcc en el pin 7, y 0 Volts en el pin 4, con lo que en la salida tendríamos una señal cuadrada de +10 Vcc y 0 Volts, en función de la comparación hecha en la entrada.

Ahora lo más importante, ¿qué puedo hacer con esto?, ¡uf!, su imaginación en el límite. La verdad es que “cuadrando” una sinusoide (que es en pocas palabras lo que hace esta configuración) lo que estamos haciendo es en otras palabras “digitalizar” una frecuencia de una señal seno, con lo que primariamente ya podríamos hacer un conversor análogo-digital. Peor también pueden existir aplicaciones mucho más interesantes; imaginen por ejemplo que saturan una sinusoide a +5 Vcc y 0 Volts, ¿qué tenemos?, un pulso lógico digital. Conociendo la frecuencia de la sinusoide ingresada al AOP, podemos obtener el periodo de la señal cuadrada. Teniendo este periodo, podemos indicarle a un microcontrolador PIC una cantidad de microsegundos específicos para que, luego de ingresado el 1 lógico a una de sus entradas, se saque o no un 1 lógico por una de sus salidas… si programamos con ingenio, y enviamos ese 1 lógico a un TRIAC, ¡voilá!, tenemos un partidor suave para un motor, a precio de huevo (de hecho, deberían agradecer que doy a conocer tan fácilmente la idea )

El Amplificador efectivo, no saturado:

Continuando con la documentación, pasaremos a la segunda aplicación del AOP, y probablemente una de las más utilizadas al referirse a su característica intrínseca: amplificación.

Si hemos comprendido correctamente la configuración de Comparador de este elemento, no nos será muy dificultoso comprender esta nueva comparación, ya que la mecánica es bastante similar.

El objetivo de esta configuración, para que nos vayamos entendiendo desde el principio, es la de amplificar una señal ingresada por cualquiera de las entradas del LM741. La salida amplificada se verá afectada por un desfase igual a 0° o 180°, dependiendo de la entrada que utilicemos para ingresar la señal a amplificar. Para este caso, a diferencia de lo que sucedía con el Comparador, la resistencia de retroalimentación cobra un papel protagónico, siendo obligatoria para controlar la amplificación natural del LM741 e impedir que suceda el saturado que se vio en la aplicación anterior. Esta resistencia de retroalimentación va conectada siempre entre la salida del circuito y la entrada inversora de este, indiferentemente si la señal a amplificar es ingresada por la entrada inversora o no inversora.

La función de salida del amplificador queda dada por la siguiente fórmula:

Vo = Ac x Vi

En donde:

Vo = Voltaje de salida
Ac = Amplificación Controlada
Vi = Voltaje de entrada.

Como se puede apreciar, la fórmula es muy similar a la del Comparador, con la diferencia de que se reemplaza la amplificación natural del elemento por una amplificación controlada. Esta amplificación controlada está dada a su vez por la siguiente fórmula:

Ac = 1 ± RF/Ri

En donde:

Ac = Amplificación Controlada
RF = Resistencia de Retroalimentación
Ri = Resistencia de entrada.

Para este caso, el signo de la amplificación controlada quedará determinado por la entrada que se utilice para la señal a amplificar. Así, si se ingresa la señal por la entrada no inversora, la función corresponderá a “1 + RF/Ri”, mientras que si se ingresa la señal por la entrada inversora, la función corresponderá a “1 – RF/Ri”

Nuevamente, para dejar el tema más claro, veámoslo con un ejemplo en forma de un circuito:




Como se puede apreciar en el diagrama, se ha agregado una resistencia R4 de retroalimentación al circuito que ya conocíamos. Esta resistencia de retroalimentación lo que hace es controlar la amplificación natural del LM741 para que no sea de un millón, sino que quede dada por la fórmula antes mencionada.

Así, suponiendo valores prácticos para realizar un ejemplo, digamos que la señal sinusoidal de entrada tiene un valor de 4 Volts p-p, R4 tendrá un valor de 20K Ohm, y R2 un valor de 10K Ohm. R1 es solo una limitadora para tierra, y puede ser de unos 10K Ohm, mientras que R3, como se dijo anteriormente, puede quedar fija a 2K Ohm. La fuente de alimentación digamos que se fija en +12 Vcc y -12 Vcc.

Para este caso, si aplicamos la fórmula, la señal de salida que daría de la siguiente forma:

Vo = Ac x Vi

Ac = 1 + RF/Ri

RF = 20K Ohm

Ri = 10K Ohm

Ac = 1 + (20/10)

Ac = 3

Vo = 3 x 2

Vo = 6 Volts Max (12 Volts p-p)

Si comparamos las señales de entrada y salida, tendremos algo como lo que sigue:

Entrada:




Salida:




Ahora, esta amplificación puede ser controlada como nosotros deseemos. Recordar que si la señal de entrada es ingresada por la entrada inversora, tendremos exactamente el mismo resultado en la salida, pero desfasado en 180°. Así, como se habló en un comienzo del artículo, para este caso el amplificador cumple su función de, valga la redundancia, amplificar, pero todo controlado por esta resistencia de Retroalimentación.

Lo demás, corre por cuenta de cada uno. Para diseñar uno de estos amplificadores, lo primero que se debe tener es la señal que se desea amplificar. Luego, se debe saber cuánto se quiere amplificar, para con ese valor despejar la variable Ac de la fórmula. Posteriormente, solo queda hacer una relación cómoda con RF/Ri para obtener el valor deseado de amplificación controlada, y listo, un amplificador extremadamente fácil de construir, y muy útil.

Un detalle importante que, quizás puede parecer obvio, pero que no está de más decir, es el recordar que siempre el límite de amplificación queda dado por la alimentación del circuito. En el ejemplo dado anteriormente, se amplificó una señal que era de 4 Volts p-p a un valor de 12 Volts p-p, estando el LM741 alimentado con +12 Vcc y -12Vcc. Para este caso, la mayor amplificación que se hubiese podido lograr era de 24 Volts p-p. hora, si se cambia la alimentación del circuito, se podría lograr una señal de salida máxima de 30 Volts p-p, ya que como se dijo antes esta pastilla soporta una alimentación máxima de +15 Vcc y -15 Vcc (de todas formas, nunca es aconsejable manejarse en los extremos)

Ahora, si se calcula una amplificación que genere una señal de salida mayor a la puesta por los márgenes de alimentación, sucederá lo mismo que en el Comparador; la señal de salida tendrá forma de sinusoide solo hasta alcanzado el margen de alimentación, para pasar a un estado saturado y lineal, hasta que baje el nivel de tensión para dibujar la sinusoide nuevamente en bajada.

Por último, en este caso también se puede jugar con los valores como el diseñador estime conveniente. Se puede, por ejemplo, alimentar la pastilla con una tensión de +12 Vcc y -2 Vcc, lo que provocaría (si mantenemos los valores del ejemplo) que en la salida el semiciclo positivo tendría forma de sinusoide, mientras que el semiciclo negativo estaría saturado a los -2 Volts.

Y, ¿qué puedo hacer con esto?, la respuesta es obvia: amplificar. No sé si amerita mayor análisis… los amplificadores son muy utilizados en todo sentido, y se le puede dar la aplicación que el diseñador requiera.

Como dije en un principio, lo que mejor se me da a mi es la electrónica digital, pero desde que aprendí a utilizar los Amplificadores Operacionales, no me han dejado de fascinar. Son aparatos muy versátiles y completos, y si se utilizan con sabiduría pueden abrir un sin fin de aplicaciones interesantes.

De verdad, espero que este material le sirva a más de alguno… sé que no son muchos los que frecuentan este pequeño foro de Electricidad & Electrónica, pero de todas maneras me esfuerzo para que día a día crezcamos más :)

Por supuesto, todo está redactado por mi, y no es un copy/paste (aunque obviamente algunas fórmulas no me las sé de memoria y me apoyé en mis materiales, de eso no cabe duda), así que cualquier duda que tengan, no vacilen en preguntar e intentaré aclararla a la brevedad posible. Sé que este tema es un poco complejo de comprender en un principio :P

Les recuerdo también que el material irá creciendo día a día, así que no perdamos contacto, jajajajaja.

Saludos!

Edited September 16, 2010 by Egregio

[nachonkx]

El mitico e inmortal 741, cada dia conozco mas el por que sale hasta en la sopa

 

muy buen aporte engregio ;)

[jca2007]

SOLIDO!!!!!!

 

Saludos

[PaRaDa]

muy buena la info... gracias

:banana: :banana: :sufre maraca sufre:

[quanchi55]

Excelente aporte estimado, el 741 tiene muchas aplicaciones en la actualidad, así que complementar los conocimientos no es malo. Esperando las actualizaciones. Gracias nuevamente :banana:

[djmzh]

Muchas gracias por la explicacion pero hay halgo que no me queda muy claro, para que funcione bien este AOP es necesario la fuente dual o con una sencilla funciona bien, por que he intentado utilizarlo como pre de audio con una fuente sencilla de 12V y los resultados no son muy buenos.

 

Salu2

[Voltairus]

La alimentación de la pastilla debe ser lo más simétrica posible. Recuerda que cuando la salida se sature lo hará a +Vcc y -Vcc, y si la alimentación es asimétrica provocará una distorsión en la resultante de salida.

 

Puedes usar el método que desees; pero lo mejor, a mi criterio, es calibrar dos fuentes distintas, ya que si utilizas una misma fuente para dividir la tensión será muy complicado encontrar dos dispositivos de control que dividan la tensión de forma precisa (me refiero a los diodos zener, resistencias, etc.) Lo ideal sería calibrar dos fuentes con osciloscopio usando resistencias de precisión o algo similar.

 

Saludos!

[xDarkialx]

si, lo eh visto en varias ocasiones, la última ves lo utilice con unos compañeros para realizar sensores de luz...

 

buena info

[anglesnake]

LM741 es una leyenda!!!