6.6: Integrador

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Amplificador operacional, modelo 1458 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-038)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Dos capacitores, 0.1 µF cada uno, no polarizados (Radio Shack catálogo # 272-135)
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Tres resistencias de 1 MΩ

Casi cualquier modelo de amplificador operacional funcionará bien para este experimento integrador, pero estoy especificando el modelo 1458 sobre el 353 porque el 1458 tiene corrientes de polarización de entrada mucho más altas. Normalmente, la corriente de polarización de entrada alta es una mala característica para que un amplificador operacional tenga en un circuito amplificador de CC de precisión (¡y especialmente en un circuito integrador!). No obstante, quiero que la corriente de sesgo sea alta para que sus malos efectos puedan ser exagerados, y para que aprendas un método para contrarrestar sus efectos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Método para limitar el alcance de un potenciómetro
• Propósito de un circuito integrador
• Cómo compensar la corriente de polarización de amplificador operacional

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Como puede ver en el diagrama esquemático, el potenciómetro está conectado a los “rieles” de la fuente de alimentación a través de resistencias de 100 kΩ, una en cada extremo. Esto es para limitar el alcance del potenciómetro de modo que el movimiento completo produzca un rango bastante pequeño de voltajes de entrada para que el amplificador operacional funcione. En un extremo del movimiento del potenciómetro, se producirá un voltaje de aproximadamente 0.5 voltios (con respecto al punto de tierra en el medio de la cadena de baterías en serie) en el limpiaparabrisas del potenciómetro. En el otro extremo de movimiento, se producirá un voltaje de aproximadamente -0.5 voltios. Cuando el potenciómetro se coloca en el punto muerto, el voltaje del limpiaparabrisas debe medir cero voltios.

Conecte un voltímetro entre el terminal de salida del amplificador operacional y el punto de tierra del circuito. Mueva lentamente el control del potenciómetro mientras monitorea el voltaje de salida. El voltaje de salida debe estar cambiando a una velocidad establecida por la desviación del potenciómetro desde la posición cero (centro). Para usar términos de cálculo, diríamos que el voltaje de salida representa la integral (con respecto al tiempo) de la función de voltaje de entrada. Es decir, el nivel de voltaje de entrada establece la tasa de cambio de voltaje de salida a lo largo del tiempo. Esto es precisamente lo contrario de la diferenciación, donde la derivada de una señal o función es su velocidad instantánea de cambio.

Si tiene dos voltímetros, es posible que vea fácilmente esta relación entre el voltaje de entrada y la tasa de cambio de voltaje de salida midiendo el voltaje del limpiaparabrisas (entre el limpiaparabrisas del potenciómetro y tierra) con un metro y el voltaje de salida (entre el terminal de salida de amplificador operacional y tierra) con el otro. Ajustar el potenciómetro para dar cero voltios debería dar como resultado la tasa de cambio de voltaje de salida más baja. Por el contrario, cuanto mayor sea la entrada de voltaje a este circuito, más rápido cambiará su voltaje de salida, o “rampa”.

Intente conectar el segundo condensador de 0.1 µF en paralelo con el primero. Esto duplicará la cantidad de capacitancia en el bucle de retroalimentación del amplificador operacional. ¿Qué efecto tiene esto en la tasa de integración del circuito para cualquier posición de potenciómetro dada?

Intente conectar otra resistencia de 1 MΩ en paralelo con la resistencia de entrada (la resistencia que conecta el limpiaparabrisas del potenciómetro al terminal inversor del amplificador operacional). Esto hará que la mitad de la resistencia de entrada del integrador. ¿Qué efecto tiene esto en la tasa de integración del circuito?

Los circuitos integradores son una de las funciones fundamentales de “bloque de construcción” de una computadora analógica. Al conectar circuitos integradores con amplificadores, veranos y potenciómetros (divisores), se podría modelar casi cualquier ecuación diferencial y obtener soluciones mediante la medición de voltajes producidos en varios puntos de la red de circuitos. Debido a que las ecuaciones diferenciales describen tantos procesos físicos, las computadoras analógicas se utilizan como simuladores. Antes de la llegada de las computadoras digitales modernas, los ingenieros utilizaron computadoras analógicas para simular procesos como la vibración de la maquinaria, la trayectoria del cohete y la respuesta del sistema de control. A pesar de que las computadoras analógicas se consideran obsoletas según los estándares modernos, sus componentes constituyentes aún funcionan bien como herramientas de aprendizaje para conceptos de cálculo.

Mueva el potenciómetro hasta que el voltaje de salida del amplificador operacional esté lo más cerca de cero que pueda obtenerlo, y moviéndose tan lentamente como pueda hacerlo. Desconecte la entrada del integrador del terminal del limpiaparabrisas del potenciómetro y conéctela en su lugar a tierra, así:

La aplicación de voltaje exactamente cero a la entrada de un circuito integrador debería, idealmente, hacer que la tasa de cambio de voltaje de salida sea cero. Cuando realice este cambio en el circuito, debe notar que el voltaje de salida permanece en un nivel constante o cambiando muy lentamente.

Con la entrada del integrador aún cortocircuitada a tierra, corto más allá de la resistencia de 1 MΩ que conecta la entrada no inversora (+) del amplificador operacional a tierra. No debería haber necesidad de esta resistencia en un circuito de amplificador operacional ideal, así que al cortocircuitarlo, veremos qué función proporciona en este circuito de amplificador operacional muy real:

Tan pronto como la resistencia de “puesta a tierra” se cortocircule con un cable puente, el voltaje de salida del amplificador operacional comenzará a cambiar o a la deriva. Idealmente, esto no debería suceder, porque el circuito integrador aún tiene una señal de entrada de cero voltios. Sin embargo, los amplificadores operacionales reales tienen una cantidad muy pequeña de corriente que ingresa a cada terminal de entrada llamada corriente de polarización. Estas corrientes de polarización caerán voltaje a través de cualquier resistencia en su trayectoria. Dado que la resistencia de entrada de 1 MΩ conduce cierta cantidad de corriente de polarización independientemente de la magnitud de la señal de entrada, caerá voltaje a través de sus terminales debido a la corriente de polarización, “compensando” la cantidad de voltaje de señal visto en el terminal inversor del amplificador operacional. Si la otra entrada (no inversora) está conectada directamente a tierra como lo hemos hecho aquí, esta tensión de “compensación” incurrida por la caída de voltaje generada por la corriente de polarización hará que el circuito integrador se “integre” lentamente como si estuviera recibiendo una señal de entrada muy pequeña.

La resistencia de “puesta a tierra” es mejor conocida como una resistencia de compensación porque actúa para compensar los errores de voltaje creados por la corriente de polarización. Dado que las corrientes de polarización a través de cada terminal de entrada de amplificador operacional son aproximadamente iguales entre sí, una cantidad igual de resistencia colocada en la trayectoria de cada corriente de polarización producirá aproximadamente la misma caída de voltaje. Las caídas de voltaje iguales vistas en las entradas complementarias de un amplificador operacional se cancelan entre sí, anulando así el error inducido por la corriente de polarización.

Retire el cortocircuito del cable puente más allá de la resistencia de compensación y observe cómo la salida del amplificador operacional vuelve a un estado relativamente estable. Todavía puede derivar algo, muy probablemente debido a un error de voltaje de polarización en el amplificador operacional en sí, ¡pero ese es otro tema del todo!

SIMULACIÓN COMPU

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (hacer un archivo de texto que contenga el siguiente texto, textualmente):