INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Nombre:

Arteaga Tlallisco Genaro

Bautista Covarrubias Daniel

Blasco Ramírez José Eduardo

Diego Esteban Ana Cristina

Orozco Portilla Lezly Monserrath

Villanueva García Minerva

Docente:

Sosa Méndez Deira

Módulo:

Electrónica Analógica

Trabajo:

Práctica 4: Controladores analógicos usando

OPAMs

POZA RICA DE HGO., VER. 30 De abril Del 2020

INTRODUCCIÓN.
Actualmente, el término amplificador operacional se refiere a un circuito integrado que

se emplea en una gran variedad de aplicaciones diferentes. Sin embargo, este tipo de

amplificador se originó en los circuitos de los computadores analógicos, en los que se utilizaba

para realizar operaciones como la integración o suma de señales: de ahí el nombre de

amplificador operacional.

El primer OA fue desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild. En 1968 se introdujo el famoso

OA 741 que desbancó a sus rivales de la época con una técnica de compensación interna muy

relevante y de interés incluso en nuestros días. El amplificador operacional (A.O.) se puede

considerar como un amplificador universal debido a su gran versatilidad y a la forma simple en

que puede reemplazar (funcionalmente) a una gran variedad de configuraciones discretas. El uso

intensivo de los amplificadores operacionales se desarrolla con la aparición de los circuitos

integrados, tecnología que permite lograr pequeños tamaños, bajo costo y excelentes

características funcionales.

Estos amplificadores son básicamente de corriente directa con dos entradas diferenciales y

una salida que tiene ganancia muy alta en circuito abierto (condición de retroalimentación sin

señal) así como elevada impedancia de entrada y baja impedancia de salida. El amplificador

operacional ideal responde sólo a la diferencia de voltaje entre las dos terminales de entrada.

Estos están diseñados para emplearse con redes externas de retroalimentación. Esto es una parte

de la señal de salida del amplificador operacional se retroalimenta o se regresa a su entrada a

través de varias trayectorias dependiendo de la función específica.

MARCO TEÓRICO.

MEDIDAS DE SEGURIDAD EN CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES

OPERACIONALES.

• Protección de las entradas de señal.

Los amplificadores operacionales son considerados actualmente los circuitos integrados más

importantes debido a la gran cantidad y diversidad de sus aplicaciones.

Es conocido el hecho de que cualquier componente eléctrico tiene unos valores máximos para

sus especificaciones eléctricas cómo tensión, corriente, potencia, etcétera. Si por algún motivo se

sobrepasa alguna de estas características el dispositivo podría sufrir daños irreparables.

La etapa diferencial de entrada de un amplificador operacional puede dañarse si la tensión

aplicada excede la máxima tensión. Para el amplificador operacional 741 esta tensión es del

orden de ±30 v.

Existen varias formas de proteger las entradas del amplificador operacional la más habitual

consiste en conectar dos diodos en antiparalelo entre sus terminales de entrada.

• Protección de la salida.

En la actualidad la mayoría de los amplificadores operacionales tienen protección interna

contra un cortocircuito en la salida tal es el caso del amplificador 741 cuya corriente

cortocircuito de salida es de 25 mA según los datos ofrecidos por el fabricante el cual garantiza

la efectividad de la protección aunque el cortocircuito dura un período de tiempo ilimitado

siempre que no se exceda la capacidad de disipación térmica del componente (310 mW para el

encapsulamiento plástico de 8 patillas y 500mW para el metálico).

El fabricante recomienda la colocación de una resistencia externa para esta finalidad.

• Protección de las entradas de alimentación.

Esta es una de las técnicas más importantes de protección de los amplificadores operacionales

ya que si se invertía se la polaridad de las tensiones de alimentación el dispositivo quedaría

dañado irremediablemente de hecho esta inversión significaría polarizar incorrectamente casi

todos los componentes que forman parte del amplificador lo que provocaría la aparición de

tensiones y corrientes internas en desacuerdo con el circuito causando su destrucción.

• Protección contra ruidos y oscilaciones de la fuente de alimentación.

La proximidad de fuentes de ruidos o interferencias a los circuitos con amplificadores

operacionales puedo alterar el nivel de tensión continua de alimentación del integrado la cual

debe ser estabilizada y de bajísimo “ripple” (ondulación).

Esta alteración puede perjudicar la respuesta del circuito y dependiendo de la aplicación y de

los niveles de las señales procesadas provocar errores peligrosos para el sistema.

A fin de proteger el amplificador operacional de los ruidos y oscilaciones de la fuente de

alimentación suele colocarse un condensador de aproximadamente 0.1 microfaradio entre tierra y

cada uno de los terminales de alimentación.

 • Otras medidas de seguridad.

Aunque se hayan expuesto los procedimientos normales de detección y protección de averías

mencionamos otros de aplicación inmediata lo que servirá antes de proceder a un análisis más

minucioso del amplificador operacional.

1. Verificar la alimentación.

2. Comprobar las conexiones de todos los pines.

3. En caso de que el amplificador esté muy caliente, ver si la salida está en

cortocircuito o la carga es demasiado alta.

4. Si la salida de un amplificador (inversor o no) estuviera saturada, comprobar si el

lazo de realimentación está abierto o si la resistencia de entrada está en cortocircuito.

5. Cerciorarse de que la señal de entrada y el amplificador operacional comparten la

misma masa.

6. Verificar si la impedancia de entrada del circuito no es muy baja en relación a la

impedancia de salida de la fuente de señal.

7. En caso de que el amplificador operacional no posea protección interna contra

LATCH-UP, comprobar la externa.

8. Verificar el retorno a tierra de las corrientes continuas de polarización de las

entradas.

9. Confirmar la continuidad de los conductores.

10. Asegurarse de que las pistas y pines metalizadas del circuito impreso no estén

abiertas o cortocircuitadas.
 GENERALIDADES.

El Amplificador Operacional también llamado OpAmp, es un circuito integrado. Su principal

función es amplificar el voltaje con una entrada de tipo diferencial para tener una salida

amplificada y con referencia a tierra.

El amplificador operacional tiene muchas características importantes para los diseñadores

pero el modelo ideal del amplificador tiene sólo dos propiedades: las corrientes en ambas

terminales de entrada son cero y que el voltaje entre las terminales de entrada es cero.

SIMBOLOGÍA.

El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

FIGURA 1. Símbolo representativo de un amplificador operacional.

Los terminales son:

· V+: entrada no inversora

· V-: entrada inversora

· VOUT: salida

· VS+: alimentación positiva

· VS-: alimentación negativa

 COMPOSICIÓN.

Los OAs integrados están constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que

dependen de sus prestaciones y de la habilidad del diseñador a la hora de combinarlas.

Tradicionalmente, un OA está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en

cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de

nivel y etapa de salida. Estos bloques están polarizados con fuentes de corrientes, circuitos

estabilizadores, adaptadores y desplazadores de nivel.

MODELO IDEAL.

FIGURA 2. Ejemplo A.O ideal.

El dispositivo consta de dos entradas y una salida (además cuenta con terminales para

polarización y, en algunos casos, para compensaciones; éstos no se incluyen para mantener una

visión simplificada).

Las características funcionales que describen su comportamiento son:

1. Dispositivo analógico lineal.

2. Ganancia (de tensión) prácticamente infinita.

3. Una entrada inversora, produce en el terminal de salida una señal en contratase (180º)

respecto de la señal aplicada a la entrada.

 4. Una entrada no-inversora, produce en la salida una señal en fase con aquella aplicada en la

entrada.

5. Impedancia de salida casi nula (cero).

6. Impedancias de entrada infinitas.

TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

Inversor: Un amplificador operacional inversor es un amplificador en el cual la polaridad de

salida o fase es opuesta a la polaridad de entrada es decir se la entrada es una señal de corriente

directa la salida es una señal de corriente directa amplificada pero de polaridad contraria si la

entrada es una señal de corriente alterna la salida es una señal de corriente alterna amplificada

desfasada 180 grados con respecto a la señal de entrada.

No inversor: Como su nombre lo indica el voltaje de salida de un amplificador operacional

no inversor tiene la misma polaridad de voltaje de entrada. el amplificador operacional en

configuración no inversora trabaja como multiplicador de ganancia constante.

Seguidor: La configuración para este tipo de aplicaciones debido a que voltaje de salida es

igual en signo y magnitud al voltaje de entrada. La función de este circuito es aislar la salida de

entrada del dispositivo en consecuencia la impedancia de entrada puede ser muy alta y la

impedancia de salida muy baja. El voltaje de entrada es igual al voltaje de salida en polaridad y

magnitud es decir V0=V1.

 Sumador y restador: Un amplificador operacional puede conectarse para que efectué la

operación matemática de suma y resta. Es decir puede sumar o restar dos o más voltajes de

corriente directa o corriente alterna. Cuando está conectado para efectuar esta función el circuito

se denomina un circuito sumador y/o restador. Es probable que el más útil de los amplificadores

operacionales utilizados en computadoras analógicas se está configuración.

Diferenciador: Un amplificador operacional también puede realizar operaciones matemáticas

más avanzadas como lo es la diferenciación una configuración de un amplificador operacional

qué se le denomina diferenciador es un circuito cuya salida es proporcional a qué tan

rápidamente es la entrada.

Integrador: Una configuración de un amplificador operacional que se le denomina integrador

es un circuito cuya salida es proporcional al tiempo que ha estado presente la entrada.

Logarítmico: Una configuración de un amplificador operacional que se le denomina

logarítmico es un circuito en cuya salida se obtiene un voltaje proporcional al logaritmo del

voltaje de entrada.

Comparador: Podemos utilizar un amplificador operacional para determinar cuál de las dos

señales de entrada es mayor. Con que una de las dos señales sea ligeramente superior para que se

produzca la salida máxima en el amplificador, sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat).

 ESPECIFICACIONES.

1. Prefijo de letras. El código de prefijos consiste de dos a tres letras mediante las

que se identifica el fabricante:

PREFIJO LATERAL FABRICANTE

AD/OP Analog Devices

CA/HA Harris

LM Nacional Semiconductor

LT Linear Technology

MAX Maxim

MC Motorola

OPA Burr-Brown

TL Texas Instruments

UA Fairchild

Tabla 1. Prefijo de letras y fabricante al que le relaciona.

2. Numero de circuito. Consta de 3 a 7 números y letras que identifican el tipo de

amplificador operacional y su intervalo de temperatura.

Por ejemplo:

324C

• 324: Numero de parte

• C: Designa los límites de temperatura comercial.

 3. Sufijo de letras: El sufijo de una y dos letras identifica el tipo de encapsulado que

contiene al microcircuito del amplificador operacional.

CÓDIGO DE DESCRIPCIÓN

ENCAPSULADO

D De plástico, doble en línea para montaje en la superficie de

una tarjeta de circuito impreso.

J De cerámica doble en línea.

N, P De plástico, doble línea para montarse en una base.

Tabla 2. Sufijo de letras de amplificadores operaciones comunes.

4. Código de especificación militar. Solo se emplea cuando la parte se utiliza en

aplicaciones de alta confiabilidad.

CARACTERISTICAS PARTICULARES DE CADA CONFIGURACIÓN

Inversor

La ganancia en tensión del amplificador inversor se obtiene analizando el circuito y aplicando

las características del OA ideal. Si las corrientes a través de las líneas de entrada son nulas. El

término inversor es debido al signo negativo de esta expresión que indica un desfase de 180º

entre la entrada y salida. La impedancia de entrada de este circuito es R1.

FIGURA 4. Ejemplo A.O inversor.

FIGURA 3. Ejemplo A.O inversor.

Calculamos la ganancia del mismo:

Ecuación del amplificador operacional:

Si (valor nominal de la ganancia).

No inversor:

FIGURA 4. Ejemplo A.O no inversor.

 Si (valor nominal de la ganancia).

Integrador

El integrador es un dispositivo que en su salida realiza la operación matemática de

integración. Un integrador electrónico es una forma de filtro pasa bajo de primer orden que se

basa en una red resistencia-condensador, conectados a través de un amplificador operacional.

Los hay de dos tipos: el integrador de tensión el cual realiza una integración de una tensión

eléctrica, midiendo así un flujo eléctrico total y el integrador de corriente que realiza la

integración en el tiempo de una corriente eléctrica, midiendo así una carga eléctrica total.

FIGURA 5. Ejemplo A.O integrador

 CONTROLES ANALÓGICOS.

• Control Proporcional.

La función de transferencia entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t) es:

Donde KP se denomina ganancia proporcional.

FIGURA 5. Diagrama de bloque Control P.

FIGURA 6. Diagrama de bloques Control P.

• Control Proporcional – Integral.

El valor de salida del controlador proporcional varía en razón proporcional al tiempo en que

ha permanecido el error y la magnitud del mismo, su función de transferencia es:

Donde KP es la ganancia proporcional y TN se denomina tiempo de acción integral. Ambos

valores son ajustables. El tiempo integral regula la velocidad de acción de control, mientras que

una modificación en KP afecta tanto a la parte integral como a la parte proporcional de la acción

de control.
 FIGURA 7. Diagrama de bloques Control PI.

• Control Proporcional – Derivativo.

Por lo general, una gran pendiente en e(t) en un sistema lineal correspondiente a una entrada

escalón considerable produce un gran sobre impulso en la variable controlada. El control

derivativo mide la pendiente instantánea de e(t), prediciendo que tan grande será el sobre

impulso aplicando las correcciones apropiadas antes de que se presente ese sobre impulso. La

función de transferencia del control PD es:

Donde TV se denomina duración predicha.

FIGURA 8. Diagrama de bloques Control PD.

 • Control Proporcional – Integral – Derivativo.

Esta combinación tiene la ventaja de que cada una de las tres acciones de control son

individuales. La función de transferencia es:

FIGURA 9. Diagrama de bloques Control PID.

 PRACTICA.

Objetivo.

• Realizar el diseño de controladores analógicos P, PI, PD y PID usando amplificadores

operacional.

Material.

• Fuente de alimentación de corriente directa y puntas.

• Generador de funciones y puntas.

• Osciloscopio y puntas.

• Multímetro.

• Placa de pruebas (protoboard).

• Resistores (resistencias) diferentes valores y potencias.

• Circuito integrado: semiconductor 741C o similar para amplificador operacional.

Nota: se deben conocer las especificaciones técnicas del circuito integrado del amplificador

operacional (datasheet).

Procedimiento.

1. Conocer el funcionamiento del amplificador operacional.

2. Realizar los diagramas eléctricos de los circuitos a implementar: configuraciones

del amplificador operacional.

3. Realizar los cálculos matemáticos necesarios para tener ganancias con los

siguientes valores:

• Controlador proporcional (P), kp= 0-100

 • Controlador Proporcional-integral (PI): kp=0-50 y ki=0-100

• Controlador Proporcional-derivativo (PD): kp=0-50 y kd=0-50

• Controlador Proporcional-integral-derivativo (PID): kp=0-100, ki=0-50 y kd=0-50

4. Realizar y verificar las simulaciones de los diagramas eléctricos en un software de

simulación y registrar resultados.

5. Realizar las conexiones electrónicas de cada uno de los circuitos en el protoboard.

6. Realizar las mediciones correspondientes en el circuito físico y registrar los

resultados.

7. Realizar una tabla comparativa de los resultados analíticos, simulados y reales.

8. Obtener conclusiones y resultados.

DIAGRAMAS.

Controlador P (Proporcional)

FIGURA 10. Diagrama esquemático de un control proporcional.

En esta imagen lo que se puede observar es el diagrama de un control proporcional, su

principal función es controlar y/o regular el giro de un motor, tanto la dirección como su

velocidad, esto se hace por medio de dos potenciómetro, con la ayuda de 3 amplificadores

(LM741) que se encuentran retroalimentados en serie y dos transistores (TIP 41 y TIP 42).

Este tipo de control, busca solucionar los problemas actuales que puede llegar a tener el

circuito.
 Controlador PI (Proporcional-Integral)

FIGURA 11. Diagrama esquemático de un control Proporcional - Integral.

La introducción de un control proporcional - integral es la forma más simple de eliminar el

error en régimen permanente. Uno de los casos en el que se puede utilizar la estructura PI es

cuando el desfase que introduce el proceso es moderado. También se recomienda la utilización

de este cuando hay retardos en el proceso, ya que un control PD no resulta apropiado.

La figura 11, nos muestra un circuito de un control proporcional – integral, la función de este

es eliminar los errores pasados que tiene el circuito. Podemos observar que se implementaron 3

amplificadores operacionales, cada uno permaneciendo a diferentes partes. Vemos como la parte

proporcional se encuentra en paralelo con la parte integral.

 Controlador PD (Proporcional – Derivativo).

FIGURA 12. Diagrama esquemático de un control Proporcional - Derivativo.

El control Proporcional - Derivativo tiene como primordial función predecir y prevenir los

errores futuros que pueden llegar a existir en el circuito.

Como se puede observar en el diagrama que se muestra en la figura 12, el control

Proporcional - Derivativo, es similar al control Proporcional – Integral, pero como ya se

mencionó anteriormente su función no es la misma, puesto que mientras el PI se enfoca en los

errores pasados, el PD pendiente de los errores futuros.

Los amplificadores que se implementaron dentro de este circuito, se encuentran en paralelo y

buscan obtener las señales mas claras y precisas, de la misma manera buscan retroalimentar el

circuito.
 Controlador PID ( Proporcional – Integral – Derivativo).

FIGURA 13. Diagrama esquemático de un control Proporcional – Integral – Derivativo.

Un controlador PID es un mecanismo de control por retroalimentación ampliamente usado en

sistemas de control.

El algoritmo del control PID consiste de tres parámetros distintos; el proporcional, el integral

y el derivativo. El valor proporcional depende del error actual, el integral depende de los errores

pasados y el derivativo es una predicción de los errores futuros.

 En el diagrama de la figura 13, podemos observar que la parte proporcional del circuito se

encuentra en paralelo con la parte integral y con la derivativa, cada uno de ellos cumpliendo con

su función de eliminar los errores. De la misma manera, se puede ver que en cada una de las

partes se ha implementado un amplificador operacional, pues este ayuda a amplificar las señales

de errores que se pueden encontrar dentro de este circuito.

CÁLCULOS.

• Controlador proporcional (P), kp= 0-100

• Controlador Proporcional-integral (PI): kp=0-50 y ki=0-100

• Controlador Proporcional-derivativo (PD): kp=0-50 y kd=0-50

• Controlador Proporcional-integral-derivativo (PID): kp=0-100, ki=0-50 y kd=0-50

 CONCLUSIÓN.

El amplificador operacional es un circuito integrado, un componente de gran utilidad dentro

de la electrónica, ya que puede servir para diversas aplicaciones. Como su nombre lo indica este

se encarga de amplificar el voltaje dentro de un circuito. Se caracteriza por tener dos entradas;

una inversora y otra no inversora, y una salida.

Estos, en un principio, fueron diseñados con la finalidad de amplificar la potencia de la

corriente. Sin embargo, también son ampliamente utilizados para otros usos como el del

acondicionamiento de señales, lo cual quiere decir que ayuda a aumentar la potencia y la

intensidad.

Se pueden encontrar varios tipos de amplificadores operacionales, como; integradores,

inversores, seguidores, sumadores, comparadores, entre otros más.

Así mismo, también se puede encontrar una variedad de controladores analógicos, estos se

encargan de eliminar y prevenir los errores que puede haber en un circuito.

Al realizar un controlador analógico, se pueden implementar los amplificadores operaciones,

sin importar si es un control P, PI, PD O PID, su función dentro de ellos es retroalimentar el

circuito.
REFERENCIAS:

• Pertence, A. (2000). Medidas de seguridad. En: Amplificadores

operacionales y filtros activos. Pág. (141-148). México, Mc Graw Hill.

• PDF. (2003). Especificaciones. Aplicaciones del amplificador operacional.

• Plete, G. J. (2009). Amplificadores Operacionales. En: Electrónica

Analógica para ingenieros. Pág (179-189). México, Editorial: Mc Graw Hill.

• PDF. (2018). Controladores analógicos. Teoría del control.

• Kuo, B. (2010) Controladores analógicos. Sistemas de control automático.

Séptima Edición. Prentice Hall. Biblioteca UDB.