4a. unidad amplificadores operacionales y 555

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA ELECTRÓNICA MECA.

Ing. Miguel Santamaría Martínez. Página No. 1

4ª. UNIDAD. AMPLIFICADOR OPARACIONA Y TIMER 555.

A M P L I F I C A D O R O P E R A C I O N A L (OPAMP)

El nombre de amplificador operacional fue dado a los primeros

amplificadores de alta ganancia diseñados para llevar a cabo operaciones

matemáticas de suma, substracción, multiplicación y división. Trabajaban con

voltajes altos tales como ± 300 V, pero podían llevar a cabo operaciones, tales

como resolver problemas de cálculo que no era fácil realizar manualmente.

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960,

fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild

μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más

tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y

fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma,

resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc) en calculadoras

analógicas. De ahí su nombre.

El sucesor moderno de estos amplificadores es el amplificador

operacional lineal de circuito integrado. El nombre lo heredó, trabaja a voltajes

más bajos, y es tan bueno como el anterior. El opamp actual es de tan bajo costo

que ahora se utilizan anualmente millones de ellos. Su bajo costo, versatilidad y

simplificación han extendido su uso más allá de las aplicaciones visualizadas por

los primeros diseñadores. Algunos usos en esta época para los opamps están los

campos de control de procesos industriales tales como la instrumentación,

comunicaciones, fuentes de señales y potencia, exhibidores y sistemas de prueba

y medición. El opamp todavía es, en forma básica, un amplificador de corriente

continua de alta ganancia muy bueno.

http://es.wikipedia.org/wiki/A%C3%B1os_1960

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Bob_Widlar&action=edit&redlink=1



Una primera experiencia con un opamp lineal debe concentrarse en sus

propiedades fundamentales más importantes. De acuerdo con esto, los objetivos

de este tema será identificar cata terminal de opamp y aprender su propósito,

algunas de sus limitaciones eléctricas y como aplicarlo con utilidad.

Los opamps tienen cinco terminales básicas: dos para la fuente de

alimentación, dos para las señales de entrada, y una para la salida. Internamente

son complejos, como se muestra en el diagrama esquemático de la figura No. 1.

No es necesario conocer cosa alguna acerca de la operación interna del opamp

con objeto de utilizarlo. Las personas que diseñaron y construyeron los opamps

han hecho un trabajo sobresaliente, de tal manera que los componentes externos

conectados al opamp, determinan lo que se hará con él.

Se debe mencionar que una de las principales compañías que ha

desarrollado a los amplificadores operacionales es National Instruments entre

otras compañías, dando como resultado que actualmente existan una gran

variedad de tipos de opamps algunos con aplicaciones muy específicas, aunque

todos se basan en el mismo principio que vamos a analizar.

Se puede decir también, que el opamp es la base de las computadoras

analógicas, las cuales son de aplicación más específica en el campo de la

simulación y el control de procesos

Representación del símbolo del OPAMP



Figura No. 1.- Diagrama esquemático (interno) de un amplificador

operacional (LM 741)

En la figura No.2.- se muestran dos encapsulados comunes. Como se ven

desde arriba, las terminales se cuentan en una dirección contraria a la de las

manecillas del reloj, la terminal 1 se identifica por una muesca en el circuito

integrado de doble línea de pines (DIP) del inglés Double In Line Pins que es el

tipo de encapsulado que más se utiliza. En el caso del encapsulado en metal (de

forma redonda), la terminal 8 se identifica con una lengüeta de metal en el

encapsulado de hoja de lata como se muestra en la figura No. 1.

Fig. No.2.- Diagrama de conexiones para encapsulados del opamp de doble línea y de forma circular.



El símbolo para el amplificador operacional es un triangulo, como se muestra en la figura

No.2. El triangulo simboliza amplificación y apunta de la entrada a la salida.

TERMINALES DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Las terminales de alimentación del opamp están etiquetadas como +V y –V que deben

conectarse a la fuente de alimentación como se muestra en la Figura No. 3. Obsérvese que la

fuente de alimentación tiene tres terminales: Positiva, Negativa, y común o tierra.

Fig. No.3.- Alambrado de alimentación y carga de un amplificador operacional.

La terminal común de la fuente de alimentación puede o no estar alambrada a tierra vía

el tercer alambre de la fuente de alimentación. Sin embargo, ha llegado a ser práctica estándar

mostrar el terminal común de potencia como un símbolo de tierra en un diagrama esquemático.

El uso del término “tierra” o el símbolo de tierra es una convención que indica que todas las

mediciones de voltaje se hacen con respecto al mismo (“tierra”).

La fuente de alimentación en la figura 3 se llama bipolar o dividida y tiene valores típicos

de ± 15 V, ± 12 V, y ± 6 V. Los opamps de propósito especial pueden requerir suministros no

simétricos, tales como + 12 V y - & V, o incluso un suministro de polaridad única tal como + 30

V y tierra. Obsérvese que la tierra No está alambrada al opamp en la figura 3. Las corrientes

que retornan al suministro desde el opamp deben regresar a través de elementos externos al

circuito, tal como la resistencia de carga RL. El máximo voltaje de suministro que puede

aplicarse entre + V y – V es 36 V o ± 18 V.



TERMINAL DE SALIDA.

En la Figura 4. La terminal de salida del opamp (terminal No. 6) está conectada a un

lado del resistor de carga RL. El otro extremo de RL está conectado a tierra. El voltaje de salida

Vo se mide con respecto a tierra. Ya que hay una sola terminal de salida en un opamp, se llama

una salida de extremo único. Hay un límite a la corriente que pueden tomarse de la terminal

de salida de un opamp, por lo común es del orden de 5 a 10 mA. También hay límites en los

niveles de voltajes en la terminal de salida; estos límites están establecidos por los voltajes de

alimentación y por los transistores de salida Q14 y Q20 en la figura No. 1. Estos transistores

necesitan cerca de 1 a 2 V del colector al emisor para asegurarse de que están actuando como

amplificadores y no como interruptores. Por lo tanto, la salida de la terminal debe elevarse

hasta 2 V de + V y caer hasta 2 V de –V. El límite superior de Vo se denomina voltaje positivo

de saturación, + Vsat, y el límite inferior se llama voltaje negativo de saturación, - Vsat, Por

ejemplo, son un suministro de voltaje de ± 15 V, + Vsat = + 13 V y – Vsat = - 13 V. Por lo tanto, Vo

está restringido a una variación de pico a pico de ± 13 V. Ambos límites de corriente y voltaje

colocan un valor mínimo en la resistencia de carga RL de 2KΩ. Sin embargo, los opamps de

propósito especial tales como el CA3130 tienen MOS más bien que transistores de salida

bipolar. La salida de un CA3130 puede llevarse a pocos milivoltios ya sea de+ V o – V.

Algunos opamps, tal como el 741, tienen circuitos internos que de manera automática

limita la corriente de la terminal de salida. Aun con un cortocircuito para RL, la corriente de

salida está limitada a cerca de 25 mA. Esta característica evita la destrucción del opamp en

caso de un cortocircuito.

TERMINALES DE ENTRADA.

En la Figura No. 4, hay dos terminales de entrada, etiquetadas – y +. Se llaman

terminales de entrada diferencial ya que el voltaje de salida Vo depende de la diferencia de

voltaje entre ellas,

Fig. No.4.- La polaridad de Vo depende de la polaridad del voltaje diferencial Ed en la entrada.



y la ganancia del amplificador, AOL. Como se muestra en la figura 4(a), la terminal de salida es

positiva con respecto a tierra cuando la entrada (+) es positiva con respecto a la entrada (-).

Cuando Ed está invertida en la figura 4(b) para hacer la (+) entrada negativa con respecto a la

entrada (-), Vo se vuelve negativo con respecto a tierra.

Se concluye a partir de la figura 4 que la polaridad de la terminal de salida es la misma

que la polaridad de la terminal de entrada (+). Por otra parte, la polaridad de la terminal de

salida es opuesta o inversa respecto a la polaridad de la termina de entrada (-). Por estas

razones, la entrada (-) se denomina entrada inversora y la entrada (+) se designa entrada no

inversora.

Es importante hacer énfasis en que la polaridad Vo depende sólo de la diferencia en

voltaje entre las entradas inversora y no inversora. Esta diferencia de voltaje puede encontrarse

por:

Ed = Voltaje en la entrada (+) – Voltaje en la entrada (-)…………………1.

Ambos voltajes de entrada se miden con respecto a tierra. El signo de Ed indica (1) la

polaridad de la entrada (+) con respecto a la entrada (-) y (2) la polaridad de la terminal de

salida con respecto a tierra. Esta ecuación es válida si la entrada inversora está puesta a tierra

o abajo del potencial de tierra. Otra característica importante de las terminales de entrada es la

alta impedancia entre ellas y, también, entre cada terminal de entrada y tierra.

GANANCIA DE VOLTAJE EN CIRCUITO ABIERTO.

Haciendo referencia a la Figura No.3. Si el voltaje diferencial de entrada Ed es bastante

pequeño, el voltaje de salida Vo quedará determinado por ambos Ed y la ganancia de voltaje

en circuito abierto, AOL. AOL se denomina ganancia de voltaje en circuito abierto porque las

posibles conexiones de retroalimentación desde la terminal de salida a las terminales de

entrada se han dejado abiertas. En consecuencia, Vo puede expresarse en forma ideal por la

relación simple:

Voltaje de salida = Voltaje diferencial de entrada x ganancia en circuito abierto………………2

Vo = Ed x AOL



El voltaje de AOL es en extremo grande, con frecuencia 100 000 veces o más. Es

conveniente recordar que VO nunca puede exceder los voltajes de saturación positivo o

negativo + Vsat y –Vsat. Para un suministro de ± 15 V, los voltajes de saturación serían de

alrededor de ± 13 V. Por lo tanto, para que el opamp actúe como un amplificador nunca debe

excederse de estos valores.

Muy pocas aplicaciones requieren de esta ganancia tan elevada (100 000 veces) y por lo

tanto la ganancia de un opamp se restringe usualmente mediante una resistencia de

retroalimentación (RF) desde la salida a la entrada como se muestra en la Figura No. 5 (a). La

ganancia (AV) en lazo cerrado de un opamp se muestra en la Figura No. 5 (b) y puede ser

determinada con mucha precisión mediante la fórmula al pié de la figura 5 (b).

Fig. No.5.- Opamp en modo de lazo cerrado (a), con ganancia controlada (b) y con

ganancia de 1. (c)

Por ejemplo si Ri = 10 kΩ y RF = 100 kΩ por lo tanto la ganancia será de 10 veces. Si Ri se cambia de valor por una de 1 kΩ, entonces la ganancia se incrementaría a 100 veces. Una conexión directa desde la salida hacia la entrada como se muestra en la figura 5 (c) da como resultado una ganancia de 1. La retroalimentación negativa es usada con los opamps para controlar la ganancia y para estabilizar al amplificador.

Básicamente, un opamp tiene una muy alta impedancia de entrada (algunas veces se

usan FETs en la entrada para incrementar esta impedancia), Un opamp tiene una muy baja

impedancia de salida, y muy alta ganancia (de más de 100 000 veces). AMPLIFICA

LINEALMENTE (sin distorsión) señales de corriente continua y alterna.

Los opamps usan acoplamiento directo y pueden tener protección contra sobre voltaje y

protección contra cortocircuito en la salida.

Sus aplicaciones en la actualidad son múltiples y variadas: generadores de ondas,

filtros dinámicos, amplificadores de señal, comparadores de voltaje, temporizadores, etc.



APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

AMPLIFICADOR INVERSOR.

La figura No. 6.- muestra una aplicación del opamp como amplificador inversor. La señal

de entrada es aplicada a través de Ri a la entrada inversora, mientras que la entrada no

inversora está conectada a tierra o puede ser conectada mediante un resistor de igual valor al

de Ri, Como se mencionó anteriormente, la ganancia de un opamp puede ser determinada con

mucha precisión mediante el valor del resistor de entrada (Ri) y el valor del resistor de

retroalimentación (Rf), y está dada por la siguiente fórmula:

La señal de entrada, sea de CD o CA, será invertida 180° en la salida (Av). También se

puede usar un generador de CA para aplicar la señal de entrada mediante un capacitor de

acoplamiento como se muestra en la figura No.6.

Fig. No. 6.- Amplificador Inversor, usando opamp.

La figura No.7, muestra una aplicación del software Live Wire en la que se está

simulando una aplicación del opamp 741 como amplificador inversor, y además se muestra un

osciloscopio de doble canal, en donde se muestra en el primer canal, la señal de entrada (rojo)

donde se aprecia que la forma de onda es de un valor menor que el valor de la señal de salida

(azul), además de que se observa que están desfasadas 180°.



Fig. No.7.- Simulación con Live Wire del opamp 741 como amplificador inversor.

AMPLIFICADOR NO INVERSOR.

La aplicación del opamp como no inversor se muestra en la figura No.8, las resistencias

Rf y Ri se usan como en el caso del amplificador inversor, excepto que Ri está conectada a

tierra. La señal se entrada es aplicada a la entrada no inversora mediante la resistencia Rn. La

resistencia RG puede ser necesaria para prevenir degeneración en la señal de salida debida a

la construcción interna del opamp. La ganancia del opamp en su aplicación no inversor es

ligeramente modificada y puede ser calculada mediante la siguiente fórmula:

La figura No. 9, muestra la simulación del opamp como no inversor y se observa que la

señal de salida está en fase con la señal de entrada. Un generador de CA puede también

usarse mediante el acoplamiento de un capacitor como se muestra en la figura No.8.



Fig. No.8.- Aplicación del opamp como NO inversor,

Fig. No.9.- Simulación del opamp como NO inversor, lo cual queda demostrado al ver la señal de salida que está en fase con la señal de entrada.



EL OPAMP COMO SUMADOR.

Dentro de los circuitos con opamp que más se utilizan es el amplificador sumador que se

muestra en la figura No. 10. El circuito muestra un circuito amplificador sumador de tres

entradas, el cual proporciona un medio para sumar de forma algebraica tres voltajes, cada uno

multiplicado por un factor de ganancia constante. El voltaje de salida puede expresarse en

términos de las entradas como:

Dicho de otra forma, cada entrada suma un voltaje a la salida multiplicada por su

multiplicador de ganancia constante separado. Si se utilizan más entradas, cada una de ellas

añadirá un componente adicional a la salida.

Fig. No. 10.- El opamp como amplificador sumador.

Este circuito además de realizar la suma algebraica, se puede aplicar en un mezclador

de audio al remplazar los voltajes de entrada por micrófonos pueden sumarse o mezclarse en

cada instante. Entonces, si un micrófono está induciendo música de guitarra, no será eliminado

por un segundo micrófono enfrente del cantante. Si se instala un control de volumen de 100kΩ

entre cada micrófono y la resistencia de entrada asociada, pueden ajustarse y agregarse sus

volúmenes relativos.



La figura No.11, muestra la simulación del amplificador sumador realizada con el

software Live Wire.

Fig. No. 11. Simulación del amplificador inversor sumador con el opamp 741.

EL OPAMP COMO INTEGRADOR.

Hasta ahora, los componentes de entrada y de retroalimentación han sido solo

resistencias. Si el componente de retroalimentación utilizado es un capacitor, como se muestra

en la figura No.12a, al circuito resultante s le denomina Integrador. El circuito equivalente de

tierra virtual (figura 12b, muestra que es posible deducir una expresión para el voltaje entre la

entrada y la salida en términos de la corriente i, que va de la entrada a la salida. Recuerde que

tierra virtual significa que es posible considerar el voltaje en la unión de R y Xc como tierra

(debido que Vi ≈ 0V) pero que no existe corriente que vaya a tierra en ese punto. La

impedancia capacitiva pued expresarse como:

Donde s = jω en la notación de Laplace. * Al resolver para Vo / Vi se tiene:



La expresión anterior puede volver a escribirse en el dominio del tiempo como:

……………………………(1)

a b

Fig. No. 12.- Representación del opamp como integrador.

La ecuación (1) muestra que la salida es la integral de la entrada con una inversión y un

multiplicador de escala de 1/RC. La habilidad para integrar una señal determinada proporciona

a una computadora analógica la habilidad de resolver ecuaciones diferenciales y por lo tanto,

proporciona la habilidad de resolver eléctricamente analogías de operación de sistemas físicos.

La operación de integración es la de una sumatoria, ya que se suma el área por debajo de

una forma de onda o curva a lo largo de un periodo. Si se aplica un voltaje fijo como entrada de

un circuito integrador, la ecuación (1) muestra que el voltaje de salida crece a lo largo de un

periodo, con lo que se proporciona una rampa de voltaje. Entonces la ecuación (1) se puede

entender ya que muestra que la rampa de voltaje de salida (para un voltaje de entrada fijo) es

opuesta en polaridad al voltaje de entrada y es multiplicada por el factor 1 /RX. Aunque el

circuito de la figura 12 puede operar sobre una variedad de señales de entrada, los siguientes

ejemplos utilizan solamente un voltaje de entrada fijo, lo que da por resultado una rampa de

voltaje de salida.

Como ejemplo, considere un voltaje de entrada Vi = 1V, para el circuito integrador de la

figura 13a. El factor de escala 1/RC es



por lo que la salida es una rampa de voltaje negativa como se muestra en la figura 13 (b). Si,

por ejemplo, el factor de escala se cambia al hacer R = 100kΩ, entonces:

y la salida será una rampa de voltaje más pronunciada, como se indica en la figura 13(c).

Fig. No. 13.- Operación de un integrador con una entrada en escalón.

EL OPAMP COMO DIFERENCIADOR.

En la figura No.14, se muestra un circuito diferenciador. Aunque no es tan útil como las

formas de circuitos antes mencionadas, el diferenciador ofrece una operación útil, donde la

relación resultante para el circuito es:

mientras que el factor de escala es – RC.

Fig. No. 14. El opamp como diferenciador.



EL OPAMP COMO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.

El amplificador para instrumentación es uno de los amplificadores más útiles, preciso y

versátil disponible en la actualidad. Está hecho de tres opamps y siete resistores, como se

muestra en la figura No. 15. Para simplificar el análisis del circuito, obsérvese que el

amplificador de instrumentación en realidad se hace conectando un amplificador reforzado a un

amplificador diferencial básico. El opamp A3 y sus cuatro resistores iguales (R4, R5, R6, R7)

forman un amplificador diferencial con una ganancia de 1. Sólo los resistores de A3 tienen que

igualarse. El resistor variable R7 puede hacerse variar, para balancear eliminando cualquier

voltaje en modo común. Sólo un resistor, R2, se usa para establecer la ganancia de acuerdo

con la siguiente ecuación.

……………………(2)

En donde a = R2 / R3

Fig. No. 15.- Amplificador de instrumentación.

E1 se aplica a la entrada (+) y E2 a la entrada (-). Vo es proporcional a la diferencia entre

los voltajes de entrada. Las características del amplificador de instrumentación se resumen

como sigue:

1.- La ganancia de voltaje, desde la entrada diferencial (E1 – E2) a la salida de extremo

único, se establece por un resistor, pero generalmente es de más de 500 000 veces.

2.- La resistencia de entrada de ambas entradas es muy alta y no cambia conforme se

varía la ganancia.

3.- Vo no depende del voltaje común a ambos E1 y E2 (voltaje en modo común), sólo en

su diferencia.



AMPLIFICADOR PARA INSTRUMENTACION EN UN SOLO ENCAPSULADO.

Fig. No. 16. Diagrama interno y vista del encapsulado de un amplificador operacional para instrumentación.

EL OPAMP COMO GENERADOR DE SEÑALES.

Debido a sus capacidades de retroalimentación, el opamp puede ser usado como un

oscilador como se muestra en la siguiente figura. Este oscilador tiene una frecuencia variable, y

puede usarse como un inyector de señales para probar a los amplificadores. Una resistencia de

220Ω en serie con una bocina puede ser conectada a la salida. El sonido producido es bajo,

pero lo suficiente para algunas aplicaciones,

Fig. No. 17.- Aplicación del opamp como generador de onda cuadrada.



APLICACIÓN DEL OPAMP COMO VOLTIMETRO LUMINOSO.

Fig. No. 18.- Multímetro luminoso.

La figura anterior corresponde al diagrama de un voltímetro luminoso, simulado

mediante el software Live Wire.



CIRCUITOS TEMPORIZADORES INTEGRADOS (TIMER 555)

Otro circuito integrado analógico-digital muy popular es el versátil temporizador 555.

Este circuito integrado está compuesto por una combinación de amplificadores operacionales y

multivibradores biestables, flip flops, digitales como se ilustra en la figura No. 19(a). El circuito

completo por lo común está en un encapsulado de 8 terminales, como se especifica en la figura

19 (b).

(a) (b)

Fig. No. 19. Diagrama a bloques y representación del CI NE 555.

Las aplicaciones del 555 como oscilador, generador de pulsos, generador de rampa y

onda cuadrada, multivibrador, alarmas contra robo y monitor de voltaje, requieren un circuito

capaz de producir intervalos de tiempo medidos. Al igual como en el caso del opamp, el 555

requiere de componentes externos para determinar su aplicación específica. El 555 también

puede operar con voltajes de suministro desde 5V a 18V, por lo tanto es compatible tanto con

los circuitos TTL como con los CMOS.

MODO DE OPERACIÓN DEL 555.

El temporizador 555 tiene dos modos de operación, ya sea como multivibrador aestable

(de oscilación libre) o como un multivibrador monoestable (un disparo). La operación en

oscilación libre (multivibrador aestable) del 555 se muestra en la figura 20 (a). El voltaje de

salida cambia de un estado alto a uno bajo y reinicia el ciclo.



(a) (b)

Figura No. 20.- El 555 en operación como aestable (a) y como monoestable (b).

El tiempo de salida es ya sea alto o bajo, según se determine por un circuito resistor-

capacitor (RC) conectado en forma externa al circuito integrado. El valor del alto voltaje de

salida es ligeramente menor que VCC. El valor del voltaje de salida en el estado bajo es

aproximadamente de 0.1 V.

Cuando el temporizador se opera como un multivibrador monoestable el voltaje de salida

es bajo hasta que se aplica al temporizador un pulso de disparo (Ei) que va a negativo,

entonces la salida cambia a voltaje alto. El tiempo que dura la salida en voltaje alto, se

determina por el valor de un resistor y un capacitor conectados al temporizador. Al final del

intervalo de tiempo, la salida regresa al estado bajo.

Para comprender cómo opera un temporizador 555, es necesaria una descripción breve

de cada terminal.

Encapsulados y terminales de alimentación de potencia.

El temporizador 555 está disponible en tres estilos de encapsulados TO99, (circular),

DIP, como el que se muestra en la figura No.17 (b) y de montaje superficial (SMD). La terminal

1 es la común, o tierra, (GND) y la terminal 8 es la de suministro de voltaje positivo VCC, VCC

puede ser cualquier voltaje entre + 5 V y + 18 V. Por lo tanto, el 555 puede recibir potencia de

alimentación lógica digital existente (+ 5 V), alimentación de circuitos lineales (+ 15 V), y

baterías de automóvil o pilas secas. La circuitería interna requiere cerca de 0.7 mA por voltio de

alimentación (10 mA para VCC = + 15) para establecer las corrientes internas de polarización.

La disipación máxima de potencia del paquete es 600 mW.



Terminal de salida.

La terminal de salida (3) puede ser ya sea la fuente o el drenador de corriente. Una

carga flotante de alimentación está activada cuando el nivel de salida es bajo y desactivada

cuando el nivel de salida es alto. Una carga a tierra está activada cuando la salida es alta, y

desactivada cuando el nivel de salida es bajo. En operación normal, ya sea una carga de

alimentación o una carga puesta a tierra, está conectada a la terminal 3. La mayoría de las

aplicaciones no requieren ambos tipos de cargas al mismo tiempo.

El máximo drenaje o fuente de corriente es técnicamente 200 mA, pero en forma más

apegada a la realidad es de 40 mA.

Terminal de restablecimiento. (Reset).

La terminal de restablecimiento, terminal (4), permite deshabilitar el 555 y controla a la

señal de comando en la entrada del disparo. Cuando no se usa, la terminal de restablecimiento

debe conectarse a + VCC. Si la terminal de restablecimiento se pone a tierra o si su potencial se

reduce debajo de 0.4 V, tanto la terminal de salida (3) y la terminal de descarga (7) estarán

aproximadamente a potencial de tierra. En otras palabras, la salida se mantiene baja. Si la

salida estuviera en nivel alto, una tierra en la terminal de restablecimiento inmediatamente

fuerza la salida a nivel bajo.

Terminal de descarga.

La terminal de descarga, terminal (7), se usa para descargar un capacitor externo

temporizado durante el tiempo que la salida está baja. Cuando la salida está alta, la terminal 7

actúa como un circuito abierto y permite que capacitor se descargue a un valor determinado por

un resistor externo o resistores y capacitor.

Terminal del voltaje de control.

En esta terminal (5) por lo común se conecta un filtro capacitor de 0.01µF de la terminal

del voltaje de control, a tierra. El capacitor deriva los voltajes de ruido y/o modulación del

suministro de potencia para minimizar su efecto en el voltaje de umbral. La terminal del voltaje

de control también puede utilizarse para cambiar ambos niveles de los voltajes de umbral y de

disparo. Por ejemplo, la conexión de un resistor de 5 kΩ entre las terminales 5 y 8 cambia el

voltaje de umbral a 0.8 VCC y el voltaje de disparo a 0.4 VCC. Un voltaje externo aplicado la

terminal 5 cambiará tanto el voltaje de umbral como el de disparo y también puede usarse para

modular la forma de onda de la salida.



Terminales de disparo y de umbral.

El 555 tiene dos estados posibles de operación y de memoria. Están determinados tanto

por la entrada de disparo, terminal (2), como por la entrada de umbral, terminal (6). La entrada

de disparo se compara por esta función (opamp 1) en el diagrama interno del 555, con un

voltaje de umbral más bajo VCC/3. La entrada de umbral se analiza mediante el opamp 1 con un

voltaje de umbral alto Vout que es igual a 2 VCC /3. Cada salida tiene dos niveles posibles de

voltaje, ya sea arriba o debajo de su referencia. Por lo tanto, con dos entradas hay cuatro

combinaciones posibles que causarán cuatro estados de operación posibles.

Una conexión en serie de tres resistores establece los niveles de voltaje de referencia de

los dos componentes en 2VCC/3 y VCC/3, la salida de estos componentes inicia o reinicia la

unidad flip flop. Luego, la salida del circuito flip flop se conecta mediante una etapa de

amplificación de salida a una terminal externa. El flip flop también opera un transistor interno

del CI, el colector del transistor generalmente se mantiene en un nivel bajo para descargar al

capacitor temporizador.

APLICACIONES DEL 555.

OPERACIÓN COMO AESTABLE.

Una aplicación popular del 555 se encuentra como un multivibrador aestable o circuito

de reloj. El siguiente análisis de la operación del 555 como un circuito aestable incluye los

detalles de las distintas partes de la unidad así como la forma en la que se utilizan las

diferentes entradas y salidas. La figura No. 21 muestra un circuito aestable construido mediante

el empleo de dos resistores y de un capacitor externos para fijar el intervalo de temporización

de la señal de salida.

Fig. No. 21.- Multivibrador aestable que utiliza un CI 555.



El capacitor C se carga de Vcc mediante los resistores externos RA y RB. En referencia a

la figura No.21, el voltaje del capacitor se eleva hasta que llega a ser superior a 2VCC/3. Este

voltaje es el voltaje de umbral en la terminal 6, el cual accionará al opamp 1 dentro del circuito

integrado, [figura 19(a)], para que dispare al flip flop de forma que la salida, terminal 3, vaya a

nivel bajo. Además, el transistor de descarga se activará, lo que ocasionará que el capacitor se

descargue a través de la terminal correspondiente, 7, y de RB. El voltaje del capacitor luego

disminuirá hasta que caiga por debajo del nivel de disparo (VCC/3). El flip flop se disparará de

forma que la salida vuelva a ser alta y el transistor de descarga se apague, de manera que el

capacitor pueda cargarse de nuevo mediante los resistores RA y RB de VCC.

La figura No. 22. Muestra las formas de onda del capacitor y de la salida que genera el

circuito aestable. El cálculo de los intervalos de tiempo durante los cuales la salida es alta o

baja puede efectuarse mediante las siguientes relaciones.

Talto ≈ 0.7(RA + RB)C

Tbajo ≈ 0.7RBC

El periodo total será

T = periodo = T alto + T bajo

Entonces, la frecuencia del circuito aestable se calculará por medio de:

Figura No. 22.- Multivibrador aestable y forma de ondas de carga y descarga del condensador.



La siguiente gráfica, muestra la forma rápida de obtener el valor de R y C para una determinada frecuencia deseada.

Figura. No.23.- Simulación del multivibrador aestable 555 con el software Live Wire.



OPERACIÓN COMO MONOESTABLE.

El circuito integrado 555 puede emplearse como un circuito multivibrador monoestable o

de disparo único, como se observa en la figura No. 24(a). Cuando la señal de entrada de

disparo se vuelve negativa, ésta acciona el disparo único, lo que provoca que la salida en la

terminal 3 se vuelva alta durante un periodo.

T alto = 1.1 RA C

De vuelta a la referencia de la figura 17(a), el borde negativo de la entrada de disparo

ocasiona que el opamp 2 active al flip flop, lo que provoca que la salida en la terminal 3 vaya al

nivel alto. El capacitor C se cargará hasta VCC mediante el resistor RA. Durante el intervalo de

carga, la salida permanecer en el nivel alto. Cuando el voltaje a través del capacitor alcance el

nivel de umbral de 2VCC/3, el opamp 1 accionará el flip flop lo que ocasionará que la salida

vaya al nivel bajo. El transistor de descarga también pasa a nivel bajo, ocasionando que el

capacitor permanezca cercano a 0 V hasta que se dispare nuevamente.

La figura 24(b) muestra la señal de disparo de entrada y la forma de onda de salida

resultante para el temporizador 555 que opera como disparo único. Los periodos para este

circuito pueden ir desde microsegundo hasta varios segundos, esto hace que este CI resulte

útil para un amplio rango de aplicaciones.

Fig. No. 24.- Operación del temporizador 555 como multivibrador monoestable o disparo único.

(a) Circuito, (b) formas de onda



Fig. No. 25.- Simulación del multivibrador monoestable con el 555 usando el software Live Wire.

En la figura No. 25, también se representa la forma de onda de salida y el tiempo de carga

del capacitor mediante el uso de un osciloscopio de doble canal.

También es importante hacer notar que el 555 tiene infinidad de aplicaciones por lo que

es muy conveniente investigar más aplicaciones de las que aquí se han visto, debido a que son

muy útiles y nos ahorran tiempo y esfuerzo al realizar los circuitos.

En algunas aplicaciones se requieren dos 555 por lo que se puede usar el integrado 556

el cual consta de dos 555 en el mismo encapsulado, y pueden trabajar de forma independiente.



REGULACION DE LA VELOCIDAD DE MOTORES MEDIANTE MODULACIÓN POR ANCHO

DE PULSO (PWM).

Los motores grandes de c.d. se regulan mejor con tiristores de gran potencia, pero

los motores de c.d. de imán permanente, de pequeños a medianos, y algunos motores de c.d

sin escobillas, se controlan bien mediante transistores de conmutación conectados en serie, y

operados con el sistema de modulación por ancho de pulso, o duración de impulsos. Primero

examinaremos la idea general del control de potencia con modulación por ancho de pulso.

Después podremos describir las técnicas específicas de este método en el control de motores

de c.d.

Fig. No. 26.- Organización básica de un sistema de control de potencia por

Modulación de Ancho de Pulso.

Hay tres partes esenciales en cualquier modulación por ancho de pulso, que se ven en la figura No. 10. Y son las siguientes:

1.- Un generador de ondas en rampa, que en general funcionan a frecuencia constante.

2.- Un comparador, para detectar cuándo el voltaje de rampa ha rebasado el voltaje de

la señal de control.

3.- Un dispositivo electrónico que conecta la corriente a la carga, en el momento en

que el comparador detecta el punto crítico en la onda en rampa.



Fig. No. 27.- (a) Con un valor pequeño del voltaje de control, el ciclo de trabajo de la carga es

pequeño (el pulso es angosto). (b) Con un valor mayor de VControl, el ciclo de trabajo de la carga es mayor (el pulso es más ancho). De este modo se entrega más potencia eléctrica a la carga y por lo tanto produce más potencia.

En el momento en que la rampa comienza a subir, el voltaje positivo de control es mayor

que Vrampa. Por consiguiente, el amplificador operacional comparador produce saturación

positiva, que satura al transistor, cerrando el interruptor de corriente. Todo el voltaje de

suministro, Vs, aparece a través de la carga. Esta situación se ve con claridad en la Figura No.

27 (a).

El voltaje Vrampa aumenta hacia su valor máximo de 10 V. En el momento en que Vrampa es

mayor que Vcontrol, el amplificador operacional comparador cambia a saturación negativa. En la

figura 27 (a) eso sucede a 3 V. cuando la salida del comparador se vuelve negativa, polariza el

diodo D1 en sentido inverso, y a la unión B-E (base-emisor) del transistor. En consecuencia, el

transistor pasa de inmediato a corte y la carga se desenergiza. Permanece desenergizada

durante el resto del ciclo de la rampa, de 3 a 10 ms en la figura 27 (a).

Este proceso se repite cada ciclo del oscilador de rampa y produce una forma general de

voltaje a la carga con un ciclo de trabajo de 30%. En consecuencia, el voltaje promedio a la

carga VLD la figura 27 (a), es:

VLD(prom) = 0.3 x Vs



En la figura 27 (b) se muestra un voltaje de control mayor. Ahora la rampa debe subir a 6

V para disparar al comprador y desconectar el transistor de potencia. Por consiguiente, el ciclo

de trabajo de la carga aumenta a 60%, y su voltaje promedio aumenta a

VLD(prom) = 0.6 x Vs

Al variar el voltaje de control se ha variado, o modulado, el ancho de pulso a la carga. Con

eso se varía el voltaje y la potencia promedios a la carga, que es la idea de la modulación por

ancho de pulo.

Si la carga LD fuera un elemento calefactor produciría el doble de calor por unidad de

tiempo, con las condiciones de (b), en comparación con el que produciría con las condiciones

de (a). Si fuera una lámpara produciría el doble de energía luminosa. Si fuera un motor,

entregaría el doble de potencia mecánica (producto de par por velocidad) cuando se modulara

por ancho de pulso a 60%, en comparación con 30%.

Ventaja de la modulación por ancho de pulso. La modulación por ancho de pulso, conmutada

por transistores, tiene una ventaja fundamental sobre el control de carga con un amplificador

transistorizado lineal. Es la misma ventaja que se obtiene con la conmutación con tiristores:

mayor eficiencia.

Al igual que un SCR, un transistor modulado por ancho de pulso está ya sea totalmente

cerrado, saturado, es decir en estado de conducción, o bien totalmente abierto, es decir

desactivado. Cuando está activado, su corriente es grande, pero su voltaje en terminales es

casi cero, por lo que su consumo interno de potencia es casi cero. Cuando está abierto, su

caída de voltaje en terminales es grande, pero su corriente es cero, en esencia. Así, su

consumo de potencia sigue siendo cero. Como el dispositivo de control consume una potencia

casi cero, toda la potencia que se consume del suministro de corriente directa se entrega a la

carga. Nada se desperdicia en el control mismo. Es bastante distinto de un amplificador lineal,

donde la potencia en la carga se controla desconectando el transistor de una condición de

polarización con c.d. Un transistor lineal consume potencia del suministro, para desperdiciar la

potencia definida por:

P(polariz cd) = VCE (polariz) x IC (polariz)



Filtrado de la onda modulada por ancho de pulso.

En algunas aplicaciones se pueden acepar las formas rectangulares de onda de la figura

27. En otras se debe alisar la forma. En el caso ideal se puede alisar hasta obtener un voltaje

de c.d igual al valor promedio de la forma de onda. Esta idea se representa en la Fig. No. 26.

En la figura 28 (a) se ve un filtro LC de paso bajo. El inductor en serie con la carga tiende

a mantener un voltaje uniforme a través de la carga. El diodo de marcha libre o de

contratensión, D, proporciona una trayectoria completa a la corriente para la combinación

inductor-carga, cuando el transistor se abre (OFF), y el inductor crea el voltaje VL, positivo en

su parte inferior, como se ve en la figura 28 (b). el diodo D está polarizado en sentido inverso

cuando el transistor se activa.

Fig. No. 28.- Filtrado de la onda de carga (a) La inductancia L está en serie y la capacitancia C está en paralelo con la carga. (b) El diodo D forma una trayectoria para el componente inductivo de la corriente de carga, cuando el transistor está abierto. (c) Cuando el ancho de pulso es igual al 60% del periodo, el valor promedio de VLD = 0.6 X 50 V = 30 V.



En general, un circuito de filtro puede obtener una forma de onda de c.d casi ideal.

Mientras más se invierta en la construcción del circuito del filtro, más se acerca uno a la

corriente directa ideal, uniforme.

Fig. No. 29.- Simulación de un control PWM de un motor de c.d. con el software Live Wire en la gráfica inferior se muestra la variación del ancho de pulso.



Control de velocidad PWM para motor de CC

Este circuito permite alterar la velocidad desde detenido hasta el máximo posible del motor por medio de un potenciómetro. Gracias a que funciona por modulación de ancho de pulso la fuerza del motor se ve poco afectada incluso a velocidades mínimas.

El circuito se basa en un integrado NE555 el cual genera el tren de impulsos necesario para controlar el transistor, el cual acciona por pulsos el motor de continua. El diodo en paralelo con el motor impide que, cuando se quita la corriente, el transistor se queme. Los componentes entre las terminales 2, 6 y 7 del integrado regulan la frecuencia de oscilación del circuito y, por lo tanto, la velocidad del motor. El transistor, con un buen disipador de calor, puede manejar hasta 75W de potencia.

Fig. No. 30.- Diagrama de regulación de velocidad de un motor de cd. Obtenido de la página de www.pablin.com.



PARÁMETROS ANALOGICOS Y PARÁMETROS DIGITALES.

En general los parámetros que caracterizan un fenómeno pueden clasificarse en Analógicos y Digitales, se dice que un parámetro es analógico cuando puede tomar todos los valores posibles en forma continua, por ejemplo: la altura de una montaña, el voltaje de una batería, la intensidad de la luz, la velocidad de un vehículo, la inclinación de un plano, etc.

Por otra parte se dice que un parámetro es digital cuando solo puede tomar valores discretos, por ejemplo: el número de partículas emitidas por un material radiactivo en un segundo, el número de moléculas, en un volumen dado de cierto material, el número de revoluciones de un motor en un minuto, etc.

Si se observan los fenómenos en forma macroscópica la mayoría de los parámetros detectables son de tipo analógico, mientras que si se hace la observación a nivel atómico todos los parámetros son digitales.

Fig. No. 31.- (a) Parámetro analógico y (b) parámetro digital.

Dado que la mayoría de los fenómenos se estudian a nivel macroscópico es evidente que lo parámetros que se miden se presenten en forma analógica, por lo tanto si se quieren medir en forma digital es necesario hacer la conversión de la señal analógica a la forma digital.

Ahora bien con qué objeto se trata de convertir la información a la forma digital? Para contestar esta pregunta es necesario visualizar las ventajas y desventajas de los instrumentos tanto analógicos como digitales;



Instrumentos Analógicos.

Ventajas,

a).- Bajo costo.

b).- En algunos casos no requieren de energía de alimentación.

c).- No requieren gran sofisticación.

d).- Presentan con facilidad las variaciones cuantitativas de los parámetros para visualizar rápidamente si el valor aumenta o disminuye.

e).- Es sencillo adaptarlos a diferentes tipos de escalas lineales.

Desventajas

a).- Tienen poca resolución, típicamente no proporcionan más de 3 cifras.

b).- El error de paralaje limita la exactitud a ± 0.5% a plena escala en el mejor de los casos.

c).- Las lecturas se prestan a errores graves cuando el instrumento tiene varias escalas.

d).- La rapidez de lectura es baja, típicamente 1 lectura por segundo.

e).- No pueden emplearse como parte de un sistema de procesamiento de datos de tipo digital.

Instrumentos Digitales.

Ventajas.

a).- Tienen alta resolución alcanzando en algunos casos más de 9 cifras en lecturas de frecuencia y una exactitud de ± 0.002 % en mediciones de voltajes.

b).- No están sujetos al error de paralaje.

c).- Pueden eliminar la posibilidad de errores por confusión de escalas.



d).- Tienen una rapidez de lectura que puede superar las 1000 lecturas por segundo.

e).- Pueden entregar información digital para procesamiento inmediato en computadoras.

Desventajas.

a).- El costo es elevado.

b).- Son complejos en su construcción.

c).- Las escalas no lineales son difíciles de introducir.

d).- En todos los casos requieren de fuente de alimentación.

e).- Son difíciles de leer a cierta distancia.

Conclusión.- De las ventajas y desventajas anteriores puede observarse que para cada aplicación hay que evaluar en función de las necesidades específicas cual tipo de instrumento digital es el más adecuado siendo en algunos casos contraproducente el uso del mismo.

Los instrumentos digitales tienden a dar la impresión de ser más exactos por su indicación concreta y sin ambigüedades, pero no hay que olvidar que si su calibración es deficiente su exactitud puede ser tanta o más mala que la de un instrumento analógico.

Fig. 32.- Ejemplos de instrumentos analógicos y digitales.



CONVERTIDOR DIGITAL A ANALÓGICO (D/A)

Un convertidor digital-analógico (DAC) (Del inglés Digital to Analogic Converter), transfiere información expresada en forma digital, generalmente en formato de bits, que puede ser binario puro o cualquier otro código y la convierte a forma analógica, para ubicar la función de este dispositivo conviene recordar que un sistema combina e interrelacionan diversos subsistemas que trabajan con diferentes tipos de información. Un transductor usualmente trabaja con información analógica (magnitudes eléctricas, mecánicas, etc.),lo mismo que un micrófono, un graficador, o un motor; y estos deberán interactuar con subsistemas que trabajan con una información digital, como una computadora, un sistema lógico o un indicador numérico, (display).

Al convertir la información del lenguaje digital al analógico y viceversa (ADC) hacen posible la creación de sistemas con tipos de información diferente.

Las aplicaciones más significativas del DAC son:

1.- En instrumentación digital, son la base para implementar algunos tipos de convertidores analógicos-digitales. Asimismo, permiten obtener, de un instrumento digital, una salida analógica para propósitos de graficación, etc.

2.- El control por computadora de procesos fabriles o experimentación, requiere una interfase que transfiera las instrucciones digitales de la computadora al lenguaje de los actuadores del proceso, que es analógico, como en el caso de las máquinas de control numérico.

3.- En las comunicaciones, especialmente en cuanto se refiere a la Telemedición y Telecontrol, se traduce la información de los transductores de voz de su forma analógica original, al lenguaje digital que resulta más adecuado para la transmisión, similarmente en el Telecontrol, la información transmitida digitalmente, se habrá de convertir a una señal analógica para accionar los elementos de control.

Cualquier convertidor Digital-Analógico, debe proporciona una salida analógica (a) proporcional a la magnitud expresada por la entrada digital (D).

A = k D

Fig. No.- 33. Representación simbólica de un convertidor Digital-Analógico.



La salida analógica puede ser un voltaje o una corriente. La entrada digital puede ser cualquier código digital, el código más común es el binario puro, aunque pueden usarse otros. Si consideramos el código binario, un número se expresa usando los dígitos 1 ó 0 y en notación posicional.

Un número con “n” dígitos, se conoce como “palabra de longitud n”, y esta puede expresar números que, en términos decimales, van desde cero hasta (2n – 1). Cada uno de estos números deberá corresponder a un nivel de la señal analógica de la salida, y la precisión con que pueda obtenerse esta, será la medida fundamental de la calidad del DAC.

Existen diferentes métodos de lograr esta conversión, uno de los más sencillos es a base resistencias ponderadas, en donde la señal analógica de salida es proporcional al valor y posición del dígito, puede implementarse con el circuito ilustrado a continuación.

(a) (b)

Fig.34.- (a). Diagrama de un convertidor D/A de cuatro bits y (b), representación de la escala de voltajes analógicos de salida.

Se debe hacer notar que la salida en las resistencias es un valor en corriente que dependerá del valor de la resistencia, las cuales se irán sumando dependiendo del valor binario de la entrada, el opamp lo que hace es convertir la corriente a voltaje.

En el convertidor D/A anterior la resolución es de 4 bits; en la mayoría de los casos los usuarios prefieren convertidores con más resolución para obtener incrementos más finos en la tensión de salida.

Se debe notar en el diagrama que el valor de cada resistencia se va duplicando en función del número de bits que se desean en la entrada.

Este método tiene la desventaja de que el valor de las resistencias no existe comercialmente y por lo tanto se tienen que implementar, lo cual crea cierta dificultad.



CONVERTIDOR DIGITAL A ANALÓGICO DE RESISTENCIAS R-2R.

Como se indicó en el método anterior, el sistema de resistencias ponderadas tiene como desventajas usar variados valores de resistencias, y muchos de esos valores no existen comercialmente, y por lo tanto se tienen que implementar y debido a esto resulta costoso por las características que estas deben de tener. Un sistema que usa solo dos valores de resistencias y cuya precisión depende de la relación de valores entre estas más que de su valor individual, se presenta en el siguiente diagrama.

Fig. No.35. Diagrama del convertidor D/A R-2R.

Para analizar su funcionamiento, se considerará cada uno de los dígitos por separado, haciendo uso del principio de superposición, el que permitirá considerar una sola fuente por vez, substituyendo las demás por su impedancia interna, que idealmente es nula. Así pues, se considerará que los demás dígitos están conectados a tierra. Después, la suma de cada de la contribución de cada dígito dará el resultado global.

CONVERTIDOR DIGITAL A ANALÓGICO AD7523.

Existe una gran variedad de convertidores Digital a Analógico en forma de circuito integrado que nos facilitan la construcción y son relativamente económicos, un ejemplo es el circuito integrado AD7523, el cual nos permite convertir 10 Bits a una señal analógica, este integrado lo fabrica la compañía INTERSIL y tiene las siguientes características que lo hacen ser una de las mejores aplicaciones, por ejemplo tiene un alto coeficiente de temperatura, es decir no es afectado por las variaciones de temperatura ambiente, además de tener una gran linealidad en la salida, tiene protección contra descarga estática, es compatible con la lógica TTL y CMOS.



Este tipo de convertidor se basa en el método de D/A R-2R visto anteriormente, las siguientes figuras indican la forma de presentación en circuito integrado, y la forma en que se conecta para obtener la señal analógica de salida.

Fig. No. 36. Convertidor analógico- digital 7523.



CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL (A/D).

Las señales eléctricas utilizables, de la mayoría de los transductores son analógicas por naturaleza, y si dichas señales se requieren procesar con equipo digital, es necesario convertir la información original en digital, de ahí que el uso y diseño de convertidores Analógico-Digital (A/D) sea de primera importancia para los ingenieros que usen y/o diseñen instrumentos digitales.

Los convertidores analógicos a digitales son normalmente el enlace entre el transductor y el procesador digital y son casi la única fuente de errores en un instrumento digital, de aquí que la calidad del convertidor (A/D) normará la calidad final del equipo.

Las señales analógicas provenientes de transductores más comúnmente empleados son voltajes y corriente, las cuales son fácilmente convertibles en tiempo o frecuencia, o bien pueden compararse con fuentes de referencia, estas posibilidades de procesara las señales analógicas da lugar a distintos tipos de convertidores (A/D).

CONVERTIDOR DIRECTO O PARALELO.

Este tipo de convertidor consiste básicamente en un grupo de comparadores analógicos, que identifican el nivel de la señal analógica de entrada y la indican en pasos discretos determinados por tensiones de referencia según se muestra en la siguiente figura. Se debe hacer notar que el diagrama corresponde al circuito de la fig No. 4 . Llamado voltímetro luminoso, al cual se le hizo la modificación en la salida de los operacionales mediante unas compuertas EXOR para lograr que la salida de cada operacional sea una y nada más que una al mismo tiempo, de tal manera que al ir aumentando el voltaje únicamente quede activado únicamente un solo LED indicando de manera discreta el valor del voltaje analógico de entrada, es conveniente que simule esta diagrama para entender su funcionamiento.

El número de amplificadores operacionales que se requieran dependerá de la cantidad de BITs que se necesitan en la salida, es decir de la resolución deseada del sistema, recuérdese que entre más BITs de salida existan mayor será la resolución del circuito y por lo tanto la calidad del instrumento será mejor.

Fig. No. 37. Representación a bloques del convertidor analógico a digital.



APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Fig. No.38. Convertidor A/D.



VOLTÍMETRO DIGITAL.

CONVERTIDOR ANALÓGICO A DIGITAL.

El corazón de este voltímetro es el circuito integrado monolítico ICL-7136 de la compañía

MAXIM. Este convertidor analógico a digital a doble rampa incluye interiormente la circuitería

necesaria para controlar y excitar displays de LEDS o Cristal Líquido LCDs en los que se

representa el resultado de conversión.

Del mismo modo, dispone de una tensión de referencia interna y de un circuito oscilador

que genera la señal de reloj para la conversión.

Tiene una gran precisión. Los datos de la conversión se presentan en 3 ½ dígitos más su

signo y su coeficiente de temperatura; es decir, el desajuste sufrido por variaciones de

temperatura es menor de 1 micro voltio por cada grado Celsius.

El circuito se muestra en la figura No. 39. La entrada es diferencial (IN-HI IN-LO) así como

la tensión de referencia (REF HI REF LO) El común analógico es la línea COMMON que se

muestra a 2.8 V respecto a V+. Es aconsejable llevar IN-LO A COMMON. En la representación

del diagrama interno aparecen círculos marcados con un aspa que representan interruptores

analógicos.

Fig. No.39 Representación del diagrama interno y vista exterior del CI. OCL 7136.



DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO. El display utilizado es un LCD de 3 ½ dígitos. La tensión de entrada variará entre -200 V a 200 V máximo. Además, delante de la entrada diferencial se añade un filtro pasa bajo (R3 y C1) en la figura No. 40 que suaviza las variaciones bruscas de la señal a medir, IN-LO se lleva al común analógico. Fig. No. 40. Diagrama del multímetro digital con el CI. ICL 7136 La tensión de referencia diferencial se genera a partir del voltaje interno del ICL 7136 de 2.8 V, presente en la línea COMMON. Mediante R5 y P1 se consigue una referencia de 1 V, por lo que el fondo de escala se obtendrá para una entrada de 2V. El dígito más a la derecha del LCD representa décimas de voltio, así que el primer punto decimal estará siempre activado. Para ello, se le hace llegar a la entrada del punto BP negada a través de T1, transistor que se comporta como un inversor al funcionar en conmutación.

La frecuencia de reloj es de uno 40 K Hz, y la de BP 50 Hz, suficiente para no notar parpadeo en el LCD. La tensión de alimentación es de 9 V, y es posible obtenerla de 9 V o por medio de una fuente externa.



Para ganar espacio, el ICL 7136 se sitúa debajo del LCD, como se muestra en la figura 41 (a). Suéldese primeramente el zócalo de 50 pines correspondientes al ICL 7136, a continuación las dos tiras de 20 pines para el LCD. Seguidamente suéldese primeramente condensadores, resistencias y el CI 7809 (regulador de voltaje). Al colocar en su base el ICL 7136 y el LCD, póngase extremo cuidado para insertarlo correctamente, pues se podrían destruir estos componentes. Obsérvese el esquema previamente y colóquense con las muescas en la posición indicada. Una vez montado se procederá al ajuste. Póngase una tensión de 10 V a la entradas y varíe el potenciómetro P1 hasta que en el display se visualice esta tensión, oscilando de 10 a 10.1 V.

Fig. No. 41. (a) Montaje del display LCD sobre el circuito integrado ICL 7136 y (b) placa del

multímetro terminado.



APLICACIÓN DEL OPAMP EN EL CONTROL INDUSTRIAL DE PROCESOS.

Una de las más importantes aplicaciones del OPAMP es en el control de procesos en la

industria, ya que aquí se le considera como el elemento comparador entre la señal real (señal

retroalimentada) y la señal de set point o señal deseada y en su salida genera una señal

correctora que es la diferencia entre la señal retroalimentada y la señal de referencia o set point,

esa salida se aplicará a la unidad de control para adecuarla y poder así actuar sobre la unidad

controlada para mantener a la variable controlada dentro de los valores deseados.

Fig. No. 42. Diagrama a bloques de un control de lazo cerrado.

Una vez que la variable controlada ha llegado al valor deseado entonces la salida del

OPAMP será cero y por lo tanto termina la acción de control, hasta que la variable controlada

vuelva a salirse del valor de set point, entonces se vuelve a repetir la acción correctora. Y así

sucesivamente.

Se debe mencionar que el OPAMP se encuentra dentro de equipo industrial denominado

controlador de procesos, y sea la variable controlada: Temperatura, Presión, Caudal, Nivel etc.

4a. unidad amplificadores operacionales y 555

Documents