El Amplificador Operacional II: El Comparador

Para arrancar con este segundo tutorial de Amplificadores operacionales(AO) explicaremos una serie de conceptos de interés, como son la realimentación negativa o positiva y el lazo abierto o cerrado, sí todavía no sabes que es un AO pincha aquí para ir al tutorial I :

Lazo Abierto : Se denomina que un AO esta en una configuración en lazo abierto cuando la señal de entrada no esta influenciada por la señal de salida, un ejemplo sería el comparador simple:

Captura

 

Como se puede ver a simple vista el voltaje de salida(Vo) no tiene ninguna influencia sobre el voltaje de entrada(Vi) o el voltaje formado por el divisor de tensión.

Lazo Cerrado: Se considera que un AO está en una configuración en lazo cerrado cuando la señal de entrada esta influenciada por la señal de salida, un ejemplo sería la configuración de seguidor de tensión, dicha influencia se denomina Realimentación:

Captura

 

Esta configuración esta claramente en lazo cerrado, ya que el voltaje que obtenemos en la entrada inversora(Vi) es directamente el voltaje obtenido en la salida(V0).

Realimentación positiva: Es aquella realimentación que genera un proceso cíclico en el que el voltaje de salida genera un aumento en el voltaje de entrada y por ende nuevamente un aumento en el voltaje en la salida, y así hasta que el sistema sature, este fenómeno se conoce también como sistema inestable.  En los AO tendremos una realimentación positiva cuando el voltaje de salida tenga influencia sobre la entrada no inversora:

Captura

 

Se puede ver como hay una realimentación desde la salida,  a la entrada no inversora. Al amplificar la señal hasta la saturación en la salida siempre tendremos Vcc o -Vcc, de manera que esta es una configuración comparadora, a continuación explicaremos las ventajas de esta configuración a la hora de hacer un comparador.

Realimentación negativa: Es aquella realimentación que produce una disminución en la ganancia del amplificador. En los AO la realimentación negativa se dará cuando la realimentación vaya a la entrada inversora, un ejemplo sería la ya conocida configuración de seguidor de tensión en la que la ganancia pasa a ser unitaria.

Circuitos comparadores con AO

Un circuito comparador es aquel circuito que compara dos voltajes, uno que normalmente estará fijo y llamaremos voltaje de referencia y uno que variará a razón de un sensor generalmente. Dependiendo cual de los dos voltajes sea mayor en la salida tendremos Vcc o -Vcc:

Captura

Este circuito que ya vimos anteriormente sería la forma mas simple de comparador su funcionamiento es el siguiente, cuando el voltaje en la entrada inversora(Vd), formado por el divisor de tensión, es mayor el introducido por la entrada no inversora(Vi), la salida Vo es -Vcc. Por el contrario si el voltaje introducido por la entrada no inversora(Vi) es mayor que el voltaje introducido por la entrada inversora(Vd), la salida Vo es Vcc. Dicho matemáticamente:

Captura

Esta configuración tiene un gran inconveniente con sistemas en los que Vi varíe lentamente, ya que en el intervalo de cambio de un estado a otro se pueden producir un gran número de falsos cambios de estado a consecuencia del ruido, esto puede repercutir negativamente para el usuario, por ejemplo si se trata de luces ya que puede resultar desagradable ver como una luz se enciende y se apaga continuamente y para el resto de componentes que se pueden deteriorar o estropear por dichas oscilaciones.

Para evitar dicho problema se usan comparadores regenerativosschmitt trigger que introducen una histéresis al cambio de estado para que no se vea afectado por el ruido y aparezcan falsos cambios de estado.

¿Qué es la histéresis?

La histéresis es un fenómeno no lineal que en ocasiones puede parecer abstracto. En el caso de los AO tenemos un comparador con un voltaje de referencia en su entrada no inversora de 2.5v y en la entrada inversora que teníamos 2v, se produce una elevación del voltaje hasta 2.51, de manera que cambia el estado de la salida a -Vcc, el efecto que da ahora la histéresis es que para volver a cambiar de estado ahora el voltaje no va a tener que disminuir por debajo de 2.5v si no que por ejemplo tendrá que ser menor de 2.3v, de manera análoga sucedería en el cambio de estado contrario.

Este efecto de histéresis se consigue en un circuito con realimentación positiva como vimos antes, y dichos margenes de histéresis se controlan con las resistencias R1 y R2:

Captura

 

Para no hacer muy engorroso este tutorial no mostraremos el desarrollo para obtener las siguientes fórmulas:

Captura

Para finalizar haremos un ejemplo de un comparador simple:

En primer lugar debemos seleccionar el AO con el que trabajaremos, en mi caso será el UA741, un AO de propósito general y muy barato, consta de 8 pines distribuidos de la siguiente manera:

Captura

 

Para mas información  sobre el componente consultar su datasheet pinchando aquí.

El circuito que haremos, será un comparador donde tendremos un voltaje de referencia de 2.5v en la entrada inversora y un pulsador conectado a la entrada no inversora, de manera que cuando no este pulsado dará 0v y cuando se pulse dará 5v, activando se la salida del AO encendiendo un led:

Haciendo uso de la imagen anterior para ver la configuración de los pines el circuito quedará así:

 

Captura

 

Las resistencias R1 y R2 formarán el divisor de tensión  que de el voltaje de referencia, el voltaje de referencia es 2.5v, que podemos obtener si ambas resistencias son iguales. Por otro lado hemos colocado la resistencia R3, la necesidad de esta resistencia surge de que cuando el pulsador no este pulsado la entrada no este al aire actuando como una antena, con dicha resistencia puesta a tierra se mantendrá el voltaje a cero cuando el botón no este pulsado. La resistencia R4 controlará la intensidad de salida para no quemar el leds y el AO.

 

Be the first to comment on "El Amplificador Operacional II: El Comparador"

Deja un comentario.

Tu dirección de correo no será publicada.


*


*