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Tema 5
Epígrafe 5. 1
Instrumentos electrónicos
Se describe el principio de operación de los amplificadores operacionales
utilizados como medios de medición. Se analizan sus características
metrológicas y los errores que introducen.
Conceptos clave
Amplificadores operacionales: Basan su funcionamiento en el
amplificador diferencial que puede utilizar transistores bipolares o
transistores de efecto de campo (FET).
Amplificador de instrumentación: se presenta generalmente como un
circuito monolítico donde las resistencias internas se ajustan con
precisión y tiene una resistencia que se conecta externamente dando la
posibilidad de ajustar la ganancia variando su valor.
Desarrollo de contenidos
Amplificadores. Tensión de desbalance y corrientes de entrada.
Los amplificadores operacionales basan su funcionamiento en el
amplificador diferencial que puede utilizar transistores bipolares o
transistores de efecto de campo (FET).
En el amplificador básico que se muestra en la figura suponiendo
simetría total en los valores de resistencia y características de los
transistores se cumple lo siguiente:
Las corrientes I1 e I2 son iguales.
Para U1= U2 = 0 la tensión de salida US= 0
Para U1= U2  0 la tensión de salida US= 0
Para U1 U2 la tensión de salida US= K( U1- U2 ), dinde K es el
coeficiente de amplificación de la etapa.
Agregando varias etapas
similares se logra obtener
amplificaciones del orden
R1
R2
de
105107
que
lo
+U
aproximan
a
las
I1
I2
c
características
de
un
T1
T2
amplificador
ideal.
Una
US
etapa adicional al final
U2
permite obtener la tensión U1
-Uc
de salida referida al punto
común. Este punto común
(masa, tierra) es el punto
de unión de las fuentes de
polarización
de
los
transistores Uc.
Amplificador
diferencial
con
El
circuito
de
un
transistores bipolares.
amplificador
operacional
con FET de entrada se
muestra en la figura donde pueden verse los cinco terminales básicos de
conexión: Las entradas inversora (IN-) y no inversora (IN+), la salida
(OUT) y las conexiones para la tensión de alimentación (Vcc+ y Vcc-)
El circuito equivalente del amplificador operacional se representa con 3
terminales: las entradas inversora y no inversora y la salida. Por lo
general los terminales de polarización de la fuente externa no se
representan si no se van a utilizar en otra parte del circuito. El circuito
equivalente es el de una fuente dependiente de tensión donde se
cumplen las condiciones siguientes:
US =K UD
UD = U1- U2
US =K ( U1- U2 )
­
U2
U1
+
+ KUD
US
Amplificador operacional TL 080
Configuraciones básicas de los amplificadores.
Para ajustar el coeficiente de amplificación o transferencia de los
amplificadores
se
utilizan
resistencias
que
proporcionan
la
realimentación de la tensión de salida a la entrada. Esta realimentación
garantiza además la estabilidad y precisión de la función de
transferencia del amplificador. De acuerdo a la forma de conexión del
circuito de realimentación se obtienen diferentes configuraciones o tipos
de amplificadores.
Inversor.
No inversor.
R1
R1
R2
R1
UE
R2
­
­
+
UE
US  
R2
+
US
UE
US
R

U S   1  1U E
 R2

R1
Diferencial o restador.
US 
R1
U1  U 2 
R2
En este caso debe cumplirse
R1 R3
que

R2 R4
R2
­
+
U2
U1
R4
R3
US
Características de las configuraciones.
Inversora:
 La tensión de salida es igual al producto de la amplificación por la
tensión de entrada con signo negativo.
 Baja impedancia de entrada.(R2). Esto hace que la corriente que el
amplificador toma del circuito o sensor de medición es
relativamente alta y puede afectar el funcionamiento de este.
 Baja impedancia de salida.
No inversora:
 La tensión de salida y la de entrada tienen igual signo.
 Alta impedancia de entrada.
 Baja impedancia de salida.
Diferencial:



La tensión de salida es igual al producto de la amplificación por la
diferencia de las tensiones de entrada.
Tiene baja impedancia de entrada.
Tiene baja impedancia de salida.
Errores debido a tensiones de desbalance y corrientes de entrada.
Los amplificadores están constituidos por elementos semiconductores
cuyas propiedades son susceptibles de variar con la temperatura, el
tiempo, los campos magnéticos y otras variables del entorno en que se
encuentren.
Los circuitos diferenciales en parte compensan estas variaciones pero
siempre hay un límite en que las mismas se manifiestan como
desviaciones del comportamiento normal del amplificador.
Entre estas desviaciones están los efectos de la tensión de desbalance y
las corrientes de entrada en el ajuste de cero de la tensión de salida del
amplificador cuando no hay señal de entrada. En la figura la tensión de
desbalance se representa por U0 y las corrientes de entrada por Ie+ e Ieque pueden tener cualquier valor y signo dentro de los límites
especificados por el fabricante. En un amplificador bipolar de propósito
general
la
tensión
de
R1
desbalance
puede ser de
R2
± 5 mV y las
Ie
corrientes de
entrada
del
+
orden de 50
+
R U0 Ie
Us
R nA.
E
e
+
C
e
En el amplificador inversor de la figura, cuando la tensión de entrada E e
= 0, aparece una tensión de salida provocada por la tensión de
desbalance dada por la expresión
R

U S 0   1  1U 0
 R2

Debido a las corrientes de entrada se producirá igualmente una tensión
constante dada por la expresión
U SIe  I e R1  I e R
Como resultado cuando la tensión de entrada es cero a la salida se
obtiene una tensión constante diferente de cero debido a la suma de los
efectos de la tensión de desbalance y de las corrientes de entrada. Esto
constituye un error aditivo en el amplificador que debe tenerse en
cuenta si el mismo se utiliza como medio de medición o se compensa su
efecto por un circuito adicional.
Algunos amplificadores traen la posibilidad de ajustar el desbalance por
medio de un potenciómetro externo que se conecta a la etapa diferencial
de entrada del amplificador para lo cual se suministran dos terminales
R1
´
+Vcc
R5
1
R2
R4
R3
-Vcc
R
+
E
R
e
+
Us
U
R
e
C
e
adicionales como se muestra por las líneas de puntos en la figura del
amplificador TL080.
El terminal variable del potenciómetro se conecta a la fuente negativa.
Cuando el amplificador no tiene posibilidad de compensación interna de
la tensión de desbalance se puede realizar con el circuito que se muestra.
A través del divisor formado por R4 y R3 se aplica a la entrada inversora
del amplificador una pequeña tensión constante que provoca una
tensión de salida de signo opuesto a la tensión de salida producida por
la tensión de desbalance. Esa tensión de compensación se obtiene de la
misma fuente de alimentación del amplificador y se ajusta por medio del
potenciómetro R5. Cuando el cursor de R5 esté en el centro la tensión
aplicada a R4 es cero.
Para ajustar el cero del amplificador se hace cero la tensión de entrada
(se cortocircuita la entrada no inversora con el punto común), con un
voltímetro se mide la tensión de salida y variando el cursor de R5 se
reduce esta a cero.
Aplicaciones.
Seguidor de tensión
Si en el amplificador no inversor se hace la
resistencia R1 = 0 y R2 = , se cumple que
UE = -US . Este amplificador se denomina
seguidor de tensión y se utiliza para
aumentar la resistencia de entrada de un
circuito o instrumento de medición.
Amplificador de instrumentación.
­
+
UE
US
El seguidor de tensión se puede utilizar para aumentar la resistencia de
entrada del amplificador diferencial con lo que se obtiene el denominado
amplificador de instrumentación.
Se puede demostrar que la amplificación en este caso está dada por la
expresión
R  2R 
U S  1 
 1  U 2  U1 
R2  RF

R
R
­
+
U1
­
U2
+
2
R
1
­
RF
R
+
R2
US
R1
El amplificador de instrumentación se presenta generalmente como un
circuito monolítico donde las resistencias se ajustan con precisión y la
resistencia RF se conecta externamente dando la posibilidad de variar la
ganancia cambiando su valor.
Fuente de corriente constante.
En la naturaleza las fuentes de energía eléctrica son generalmente
fuentes de tensión constante que son capaces de entregar una corriente
determinada en función de la carga o resistencia conectada al circuito.
Una fuente de corriente constante debe entregar una misma corriente
aunque varíe el valor de la resistencia que alimenta. En este caso lo que
debe variar es la tensión aplicada a la resistencia para mantener la
corriente constante. Una fuente de corriente se puede obtener
fácilmente con un amplificador operacional y un transistor como muestra
el circuito de la figura.
Se puede demostrar que
I
E
R1
y
Us  I  R
Cuando varía la resistencia de carga, la corriente tiende a variar y esto
hace que disminuya la tensión en el resistor R1. Aparece entonces a la
entrada del amplificador una diferencia con la tensión E que es
amplificada y aplicada a la base del transistor. Esto hace que varíe la
tensión colector emisor hasta que la corriente recupera su valor
anterior.
Vcc
+
E
+
T1
-
e
I
R
R1
Us
C
Ejercicios
Se presenta un cuestionario que puede apoyar el sistema de evaluación
de la asignatura. Estos ejercicios se confeccionarán a partir de los
patrones que tiene la plataforma y que permite su calificación de
manera automática.