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miércoles, 21 de diciembre de 2016

El PALO de la verdad. Circuitos Útiles 17



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Índice

1. La idea, el invento
2. La clave de todo esto: El diodo zener
3. La batería: Cinco tensiones, cinco estados, cinco zener
4. Esquema
5. Otro esquema (el bueno)
6. No hay dos componentes idénticos que se parezcan.
7. Lista de materiales
8. Montaje
      8.1. Hacer la carátula
      8.2. Cortar PCB a la medida de la carátula
      8.3. Hacer 4 taladros a 4 mm diámetro en esquinas PCB
       8.4. Con sacabocados taladrar en carátula la salida de los 5 LED
      8.5. Marcar PCB a través de carátula la posición terminales de LED
      8.6. Marcar en madera frontal a través de carátula la posición de los LED
      8.7. Marcar las 4 esquinas en madera frontal a través de PCB
      8.8. Taladrar en madera frontal los LED y esquinas. Avellanar esquinas
      8.9. Marcar/taladrar en madera trasera los agujeros de las 4 esquinas
       8.10. Montar/soldar componentes en PCB incluyendo cables con pinzas
      8.11. Pasar los tornillos y ensamblar todo
      8.12. Poner la carátula sobre frontal con pegamento o cola
      8.13. Opcional:  Poner algún tipo de cubierta en los  laterales.
9. Prueba
10. El vídeo
11. Otros vídeos que pueden interesarte
12. Toda mi colección de vídeos de Youtube



1. La idea, el invento


Tanto si eres electrónico como si no, seguramente eres usuario de alguna batería de 12v: Automóvil, alarmas, energías renovables, etc. Y si te gusta la electrónica, pues con más razón, te las verás a menudo con baterías.

Una forma clásica de medir la tensión de una batería para saber si está bien cargada es con un polímetro, pero debe ser un polímetro fiable, pues para medir la carga de una batería hay que medir con una precisión de décimas de voltio. Y eso vale un buen dinero.

Yo propongo este montaje que con muy poco dinero nos va a decir con mucha precisión el estado de una batería, y además nos lo va a decir de una forma más clara e intuitiva que un buen polímetro gracias a la presentación de la información, muy visual, que consiste en una hilera de cinco diodos LED de alto brillo, muy visibles, con un consumo reducido. 

Además, una carátula con indicaciones cualitativas (color) y cuantitativas (texto indicando el estado y la tensión de la batería).


Fig 1.  Carátula con la escala del nivel de batería



2. La clave de todo esto: El diodo zener

¿Como vamos a encender cada LED según el estado de la batería?
¿Circuitos operacionales? ¿Electrónica digital? ¿Conceptos avanzados?

Nada de eso.

Vamos a usar electrónica analógica y de lo más clásico: Diodos zener, con un circuito de diseño sencillo al alcance de todos. No por sencillo este método será impreciso o dudoso. Conseguiremos una gran precisión que nada tendrá que envidiar a sistemas digitales mucho más avanzados.


Fig 2. Diodos zener
Sabemos que un diodo zener, polarizado inversamente, no conducirá corriente hasta que no se sobrepase su tensión de zener. ¿Y cuál es la tensión de zener? Pues aquí está lo bueno: Hay diodos zener para muchísimas tensiones, desde 2.2 voltios hasta más de 200 voltios, en escalones de muy poco a poco, especialmente para valores bajos de voltaje en donde los intervalos son muy cercanos.




En cuanto a los diodos zener, puedes conseguir un gran lote de 26 valores distintos, 10 zeners de cada valor, en total 260 diodos, por unos cinco euros en este enlace de Banggood  



3. La batería: Cinco tensiones, cinco estados, cinco zener

Este medidor o tester hace cinco divisiones o estados de la batería, según su tension, que podéis ver en la figura 1, de peor a mejor: Dead, Poor, Fair, Good y Full.

Para encender cada uno de los cinco LEDs que representan esos cinco estados vamos a utilizar un diodo zener de una tensión determinada. Así, sólo cuando dicha tensión de zener sea superada por la batería que estamos midiendo, lucirá ese LED.

Nos van a hacer falta cinco diodos zener con las siguientes tensiones zener:

11V -> Para encender el LED de FULL, indicando que hay más de 13v
10V -> Para encender el LED de GOOD, indicando que hay más de 12v
9v1 -> Para encender el LED de FAIR, indicando que hay más de 11v
8v2 -> Para encender el LED de POOR, indicando que hay más de 10.5v
7v5 -> Para encender el LED de DEAD, indicando que hay menos de 10.5v

Después de ver la lista anterior, nos podemos hacer la pregunta:
¿No es un poco raro usar un zener de 11V para decir que hay más de 13V?
¿No sería más lógico usar un zener de 13V para decir que hay más de 13V?
...Y lo mismo con los otros cuatro valores

Buena observación. En el punto siguiente "Esquema", veremos que en el circuito, cada diodo zener lleva asociado (en serie) un diodo LED, y los diodos LED de alto brillo necesitan mas o menos 2 voltios para empezar a lucir. Si sumáis los dos voltios del LED a los 11 voltios del zener tenemos... 13 V

Misterio resuelto.



4. Esquema

No intentes reproducir el siguiente esquema porque no funciona.

Este esquema no es el definitivo y sólo sirve para mostrar en qué está basado este proyecto. El verdadero y definitivo esquema, en el punto siguiente 5.


Fig 3. Esquema  "TEÓRICO" del medidor de carga de baterías

A la izquierda, la batería a medir.

Un fusible de 0.5 a 0.7A protegerá al circuito (y también a la batería) de cualquier cortocircuito. A continuación, una resistencia de 680 ohm en 1/2W, que son valores correctos para usar de 1 a 5 LED, en paralelo, a mas o menos 12 voltios y evitar que éstos se rompan.

A la derecha, hay cinco ramas con una pareja Zener-LED cada una.

Cuando la tensión de la batería a probar (La del dibujo anterior a la izquierda) supera la tensión de uno de los cinco diodos zener, dicho zener comienza a conducir... y el diodo LED asociado a ese zener se debería encender, pero no lo va a hacer por una razón que hemos pasado por alto:

Además de vencer la tensión de zener, hay que vencer la tensión del mismo diodo LED, que es de unos 2 voltios para que comience  a lucir.

Esa es la razón de porqué hemos elegido un zener de 11 voltios (y no de 13 voltios) para encender el LED correspondiente a 13 voltios (Full, batería llena). Si sumamos a los 11 voltios del zener los 2 voltios del LED tenemos... 13 voltios.

Hacemos lo mismo para las cuatro restantes ramas. Para detectar una determinada tensión, usaremos un zener de dos voltios menos.

Veamos un ejemplo práctico:

Aplicamos 12.5 voltios de batería, lo que corresponde a una batería que está "bien (good)". Si a esos 12.5 voltios restamos los 2 voltios de necesita un LED para funcionar, tenemos que la tensión en cada zener será de 10.5 voltios.

Así que conducirán todos los zener (Y sus LED correspondientes) excepto el de batería "Full" que necesita 11 voltios para conducir. Lucirán los cuatro primeros LED de la izquierda. El estado de la batería es el del LED más a la derecha que se encienda, en este caso, el LED en la cuarta posición (empezando por la izquierda) correspondiente a "GOOD". Y ese es precisamente el estado de la batería si tiene 12.5 voltios: Good (Bueno).

¿Y porqué no funciona este circuito?

El zener DZ1 con la tensón de zener más baja, de 7v5, va a estabilizar la tensión (esa es precisamente su función: Estabilizar) y va a impedir que entren en conducción las ramas de los cuatro restantes zener. Aunque apliquemos 14 voltios sólo lucirá LED1 (DEAD) y ningún otro.

Esto nos obliga a tomar una decisión: O remodelamos completamente el circuito o, si queremos conservar este circuito, tendremos que usar algún truco para evitar el inconveniente citado de la estabilización indeseada de tensión. 

Vamos a hacer lo segundo: Un truco. Lo vemos en el siguiente punto 5




5. Otro esquema (el bueno)


Fig 4. Esquema definitivo para el BATT METER

En el esquema anterior (Fig 4) vemos la solución al problema: Seguimos manteniendo el mismo esquema básico de la matriz de diodos zener-LED que tan bien funcionaba independientemente uno a uno en las pruebas.

Ahora, en vez de alimentar los cinco LED al mismo tiempo directamente con la tensión de la batería de prueba, se van a alimentar uno a uno de forma secuencial a través de un CD4017. Así no ocurrirá el problema de que el zener con la tensión más baja nos estabilice la tensión en los restantes zener.

Se ha añadido un circuito integrado CD4017 que es un contador de décadas. Lo que va a hacer este integrado es encender secuencialmente cada uno de los cinco LED y no todos al mismo tiempo.

A la izquierda en el esquema hay un integrado: IC1, un 555 configurado como oscilador. Con los valores de C1, R1 y R2 nos aseguramos que la frecuencia sea relativamente elevada (ya veremos para qué esa frecuencia elevada). A la salida de IC1 en el pin 3 tenemos una señal de onda cuadrada. No hay mucho más que ver en IC1

Esa señal de onda cuadrada de IC1 se lleva al pin 14 de IC2, que es la entrada de "Clock" o "señal de reloj".

Veamos cómo está configurado IC2

En primer lugar, los pines de alimentación: El 16 para el positivo, y el 8 para el negativo.

El pin 12 es el de "carry out", acarreo o "me llevo una". 
Aquí no lo utilizaremos y lo dejaremos al aire.

El pin 13 es "clock enable", sirve para activar/desactivar al chip
Lo llevaremos a negativo para que esté activo siempre.

En cuanto al pin 14, es la entrada de clock (reloj): Cada vez que le llega un ciclo proveniente de la señal cuadrada de IC1, el IC2 activará secuencialmente cada una de sus diez salidas. Ojo, porque las diez salidas no son correspondientes al número de pin del chip. Están organizadas así:

Primera salida en activarse: Pin 3, activará LED1 DEAD
Segunda salida en activarse: Pin 2, activará LED2 POOR
Tercera salida en activarse: Pin 4, activará LED3 FAIR
Cuarta salida en activarse: Pin 7, activará LED4 GOOD
Quinta salida en activarse: Pin 10, activará LED5 FULL

Las cinco restantes salidas del CD4017 no se usan en este montaje, se dejan al aire, sin conectar.

Una cuestión que nos podemos hacer: En el esquema "malo", el de la figura 3, las parejas zener-LED se alimentaban con la tensión de la batería a probar. En este nuevo esquema de la figura 4 ahora lo hacen con la tensión que les suministra IC2. Pues bien, no hay de que preocuparse: La tensión que suministra IC2 en los pines de salida será la misma que la de alimentación... o sea, la de la batería a probar.

En un párrafo anterior dije que la frecuencia de salida en el pin 3 de IC1 debía ser "suficientemente elevada". El motivo es claro: Los LED se van a encender secuencialmente, pero no queremos ver una especie de movimiento de los LED en plan "coche fantástico". Queremos que esa sucesión sea tan rápida que nuestra inercia visual nos engañe y nos haga ver que todos están encendidos al mismo tiempo. Eso se consigue haciendo que la señal de clock sea, como mínimo, de varias decenas de Hz, y esto está asegurado como ya dije antes, con los valores de C1, R1 y R2 mostrados en el esquema de fig.4.

Otro recurso que he usado en este montaje: El CD4017 es para diez salidas, pero en este proyecto sólo usamos cinco. Hay una forma de "decirle" esto al CD4017: Tomaremos la primera salida que no vamos a usar (la salida 6, que es el pin 1) y la llevaremos al terminal 15 que es el "reset". 

Así, cuando le toca el turno a la salida 6 (pin 1), lo que hacemos es enviar un "reset" al CD4017, y empezará la cuenta de nuevo. Así evitamos la dilación de las últimas cinco salidas no usadas, que produciría un parpadeo en los LED.

El chip 4017 aguanta hasta 15 voltios en su alimentación, lo que le garantiza aguantar la tensión de cualquier batería de 12 voltios por muy bien cargada que esté. El chip 555 aguanta aún un poco más.

Una consideración: Según IC2 va secuenciando las cinco salidas, los LED conectados a ellas se encenderán o no, dependiendo de la tensión suministrada a este circuito que es precisamente la de la batería que vamos a probar. Por ejemplo, si suministramos 11.5 voltios, el circuito funcionará encendiendo con esos 11.5 voltios los LED1, LED2 y LED3, pero las salidas en los pines 7 y 10 no conseguirán encender a LED4 y LED5, que necesitan como mínimo 12 y 13 voltios respectivamente.




6. No hay dos componentes "idénticos" que se parezcan


Aquí nos topamos con las Leyes de Murphy, esas que dicen: "Si algo puede ir mal, irá mal", y la siguiente va dedicada a este montaje en particular, y a la ingeniería en general:


No hay dos componentes idénticos que se parezcan

Y esto es debido a que en el proceso de fabricación, por mucho cuidado que se tenga, hay tolerancias o variaciones que hacen que ese producto final no sea perfectamente homogéneo. Siempre hay pequeñas diferencias entre componentes aunque sean "iguales".

Esas pequeñas diferencias, en la mayor parte de las aplicaciones no tienen ninguna importancia y no se notan. Pero en el presente proyecto sí se hacen de notar. Y mucho. Pero esta vez, en lugar de ser un inconveniente, las vamos a poner a trabajar a nuestro favor.

Me refiero a la tensión de zener de un diodo zener determinado. Por ejemplo, el zener de 11 voltios que vamos a usar, comienza a conducir a partir de 11 voltios. Pero... 11 voltios... ¿Exactos? 

Pues no...

Lo puede hacer a 11.0 voltios exactos...
y también algo por encima, a 11.1 voltios o incluso a 11.2 voltios
o por debajo, a 10.9 o incluso a 10.8 voltios

Esto, como digo, no tiene importancia, por ejemplo, para hacer fuentes de alimentación y similares, que es para lo que se suelen utilizan los diodos zener, pero en esta ocasión, en este proyecto, estamos haciendo un instrumento de medida, y la precisión es una condición de primer orden.

Haciendo pruebas en el protoboard, con la tensión del LED correspondiente a FULL, es decir, 13 voltios o más, me dí cuenta de que dicho LED comenzaba a lucir con 13.6 voltios (Voltaje demasiado alto para una batería incluso a plena carga). Lo ideal es que lo hiciera a partir de 13 voltios exactos. Por intuición me dio por cambiar el zener de 11 voltios por otro igual también de 11 voltios, y mis sospechas se confirmaron: Ahora el Led comenzaba a funcionar con 13.0 voltios en vez de con 13.6 voltios.

Por lo tanto, MUY IMPORTANTE: Para conseguir precisión en nuestro probador de baterías, debemos jugar con varios zener y acercarnos lo más posible a la escala deseada. Esto es un mal menor: En lugar de comprar UN solo zener de cada tensión, compraremos 3 ó 4 para cada una de las cinco tensiones, y así poder probar cuál es el mejor. A fin de cuentas, un zener cuesta apenas quince céntimos de euro, y conseguiremos a cambio una gran precisión. Los zener que no utilicemos nos servirán, tarde o temprano, para otros proyectos.

Una vez conseguido un funcionamiento mas o menos satisfactorio, también se me ocurrió cambiar el LED por uno exactamente igual (travieso que es uno). Y ocurrió de nuevo: Para una tensión determinada, los distintos LED lucían con pequeñas -pero apreciables- diferencias en la luminosidad.

Estupendo. Combinaremos esta jugada de cambiar de LED junto con cambiar el zener para conseguir que ese LED comience a lucir con la tensión de umbral de cada una de las cinco medidas de este tester.

Otro fenómeno que comprobé respecto de los LED es que, si tomas LED recién comprados y LED que ya tienes cierto tiempo (Y por tanto serán de distintos lotes de fabricación) su comportamiento se torna más dispar aún. Y se supone que son iguales...

Aprovecharemos estas diferencias tanto en los zener como en los LED para afinar el punto en que los LED comienzan a lucir según las tensiones expresadas en la carátula.

Un consejo para evitar dolores de cabeza: Una vez hayáis determinado en protoboard qué par de zener-LED funcionan bien para cada una de las cinco tensiones, ponedlos aparte para no confundirlos con el resto de componentes que tengáis en stock.

A la hora de montar un circuito, en muchas ocasiones puedes saltarte el paso de probar en protoboard. Pero en esa ocasión el test en protoboard no es opcional, es obligado: Dada la naturaleza de este circuito y el hecho de que "no hay dos componentes idénticos que se parezcan", debes ensayar por tu cuenta en protoboard varias parejas zener-LED y elegir aquélla que más se aproxime al comportamiento esperado.




7. Lista de materiales

Fig 5. Materiales a usar

Esta lista puede parecer abultada, pero son materiales de bajo coste y muchos de ellos pueden obtenerse reciclando cosas.

PARA LA CAJA O ESTUCHE: - Opcional pero recomendado: Una carátula en cartulina plastificada (ver 9.1) con medidas de 53 x 213 mm. Puedes omitir la carátula y dibujar la escala directamente en la madera frontal.
- Madera frontal, grosor 3 mm, medidas 53 x 213 mm
- Madera trasera, iguales medidas 53 x 213 y grosor 3 mm
- PCB de topos (puntos), mismas medidas 53 x 213 mm

Los cuatro componentes anteriores tienen las mismas medidas (53 x 213) porque irán acoplados como un sandwich

- 4 tornillos cabeza cónica M3 largo 30 mm
- 4 arandelas para M4
- 4 tuercas para M4
- 4 tubitos separadores, largo 12 mm, diámetro interno 4-5 mm
- Otros 4 tubitos separadores, largo 6 mm, diámetro interno 4-5 mm

PARA EL CIRCUITO
- F1 Fusible de entre 0.5A y 0,7A. 
- Opcional (recomendado), un portafusibles
- LED 1, 2, 3, 4 y 5: Diodos LED de alto brillo, color blanco, de 10 mm
- 4 Diodos zener 11v
- 4 Diodos zener 10v
- 4 Diodos zener 9v1 v
- 4 Diodos zener 8v2 v
- 4 Diodos zener 7v5 v
En realidad sólo hará falta UN sólo zener de cada valor para hacer el montaje.
La razón de necesitar cuatro ejemplares de cada la tenéis en el punto 6 anterior: "No hay dos componentes idénticos que se parezcan". Lo mismo para los LED, sólo hacen falta cinco LED, pero quizás sea necesario probar con varios para ajustar la precisión (Asunto tratado también en el punto 6)

- IC1 Integrado 555
- IC2 Integrado CD4017
- Zócalo de 8 pines para IC1
- Zócalo de 16 pines para IC2
- R1 Resistencia de 10 Ohm 1/4W
- R2 Resistencia de 1K 1/4W
- C1 Condensador electrolítico 1µF 25V
- C2 Condensador poliester 10nF

PARA LAS PUNTAS DE PRUEBA
- Un trozo de cable negro de unos 20 cm
- Un trozo de cable rojo de unos 20 cm
- Dos pinzas de cocodrilo medianas-grandes, una negra, otra roja.



8. Montaje

Una vez determinadas las parejas zener-LED para cada una de las cinco tensiones, montaremos el dispositivo en los siguientes catorce pasos. Parecen muchos pasos, pero no te preocupes: Muchos de estos pasos son triviales, he preferido desglosar bien el montaje porque el orden en que se hacen las cosas es fundamental para conseguir alinear los LED en los tres sitios en donde hacen presencia, que son: 

- El PCB, en donde irán sujetos (soldados)
- el frontal de madera, por donde deben pasar hacia el exterior
- y la carátula, por la cual también deben pasar para asomar al exterior

Si todo no está bien alineado, resultará una chapuza...



8.1. Hacer la carátula

Esto es muy personal, depende del nivel de acabado que se desee. Lo mismo sirve la que os propongo, o quizás preferís hacer vuestro propio diseño, y también vale la opción de ningún diseño, ninguna carátula: Sobre la madera que servirá como frontal, a mano, escribir directamente el texto.

Por si alguien quiere usar la misma carátula que yo, aquí la tenéis en un fichero en formato JPG:


Fig 6. Carátulas para imprimir. Van cinco: Imprimirlas te va a costar lo mismo que una...



La foto anterior la podéis cargar en un pendrive, y en una papelería os la imprimen, después se recorta cada una de las cinco tiras, y finalmente, recomiendo plastificarlas para evitar que se ensucien con el uso o al menos hacerlas lavables. A la hora de imprimir esta foto os recomiendo que antes le deis un poco de zoom para ajustar al ancho de un papel A4. Es suficiente con dejar un margen de 4-5 mm a derecha e izquierda.

Yo las imprimí en cartulina blanca de 50 grs. Mejor que el papel normal. El servicio de impresión a color, el corte y el plastificado me costaron 2 euros y me salieron 10 carátulas.

Una vez terminadas, las carátulas quedan así:


Fig 7. Mejor hacer  varias carátulas por si cometemos un fallo y rompemos alguna (a  mí me pasó: Rompí dos)

En mi caso, las medidas de la carátula son 53 mm x 213 mm. Esta medida va a determinar el tamaño de otros componentes: El circuito impreso, la distancia entre los LED, frontal de madera...

Si vuestra carátula tiene un tamaño ligeramente distinto, no hay problema, simplemente adaptad la construcción a vuestra carátula.

Mas adelante fijaremos esta carátula a la madera frontal con pegamento o cola y, opcionalmente, con cuatro tornillos.





8.2. Cortar PCB a la medida de la carátula

Sencillo: De una plancha de PCB de topos (puntos) cortaremos un trozo del mismo tamaño que la carátula: 53 x 213 mm.


8.3. Hacer 4 taladros a 4 mm diámetro en esquinas PCB

En cada una de las esquinas del PCB, como es costumbre, haremos un taladro de 4 mm diámetro para luego poder fijar dicho PCB con tornillos.

Recomiendo fijar el centro de ese taladro a 7 mm de cada borde

Mejor usaremos un sacabocados que se adapta muy bien a estos materiales.

Un sacabocados en una herramienta muy útil, y se venden sueltos o como un juego de múltiples sacabocados de distinto diámetro. Yo compré uno suelto, para 10 mm. 


8.4. Con un sacabocados taladrar en la carátula la salida de los cinco LED

En la carátula tenemos que hacer cinco taladros a 10 mm diámetro (el de los LED) para que éstos asomen al exterior. Sin embargo, materiales como la cartulina, el papel, plástico fino, etc, no son materiales adecuados para usar broca. El agujero queda muy mal.

Mejor usaremos un sacabocados que se adapta muy bien a estos materiales.

Un sacabocados en una herramienta muy útil, y se venden sueltos o como un juego de múltiples sacabocados de distinto diámetro. Yo compré uno suelto, para 10 mm. 

Fig 8. Sacabocados. Para hacer taladros en materiales blandos.

Ponemos la carátula sobre una superficie relativamente blanda (madera que no nos sirva). Así trabajará mejor el sacabocados y no perderá filo. Hacemos los cinco taladros apoyando el sacabocados en el sitio reservado para los LED y golpeándolo con un martillo pequeño-mediano.

Así debería quedar la carátula:


Fig 9. La carátula con los taladros hechos (con el sacabocados de 10 mm)


8.5. Marcar en PCB a través de carátula la posición terminales de LED

Situamos la carátula sobre el PCB, bien centrado todo. Recuerdo que ambas piezas deben tener las mismas dimensiones. Con un rotulador, guiándonos en los agujeros de la carátula, marcamos en el PCB un círculo que nos dirá dónde deben ir los LED. Los terminales de esos LED deberán ir dentro de cada círculo.

Nota: En la siguiente foto estoy usando como plantilla el frontal en vez de la carátula, porque ya la había mecanizado previamente. No es un error.


Fig 10. El PCB está bajo la madera frontal. Le marcaremos circunferencias para determinar posición de los LEDs


8.6. Marcar en madera frontal a través de carátula la posición de los LED

Fig 11. Marcamos en el FRONTAL el área en donde iran los LEDs

Vamos a repetir la operación anterior, usando la carátula como referencia, pero esta vez marcaremos la madera frontal por la cual deben asomar los cinco LED. Ponemos sobre el frontal la carátula y marcamos los cinco círculos de los cinco LED.

OJO: Debemos respetar durante todo el montaje la posición izquierda-derecha y arriba-abajo de los tres componentes: PCB, frontal y carátula. Si cambiamos la posición de alguno de estos tres componentes mientras hacemos el montaje, luego no estará alineado!! Haced marcas si es necesario para tener identificada la posición.


8.7. Marcar las 4 esquinas en madera frontal a través de PCB

Marcamos la posición de los cuatro taladros de las esquinas en la madera frontal. Podemos hacerlo usando el PCB que ya los tiene hechos. Otra manera sería medir a 7 mm de cada borde y marcar el centro del taladro. Deberían coincidir los taladros en PCB y frontal.


8.8. Hacer en frontal taladros para los LED y esquinas. Avellanar esquinas

Ahora, taladramos en la madera frontal las marcas recién hechas.

Los cinco LED, a 11 mm (y no a 10, para que tengan holgura)
Las cuatro esquinas, a 3-4 mm según diámetro de los tornillos elegidos

Fig 12. FRONTAL mecanizado. Taladros avellanados que permiten alojar tornillos de cabeza cónica


8.9. Marcar y taladrar en madera trasera los agujeros de las 4 esquinas

Igual que hicimos con el frontal, marcamos la posición de los cuatro taladros de las esquinas y taladramos, con broca de 3-4 mm, según tornillos a usar.


8.10. Montar/soldar componentes en PCB incluyendo cables con pinzas

Montamos en el PCB los componentes y los soldamos. Cuidado con las polaridades de los diodos tanto los zener como los LED. Igual para los integrados IC1 e IC2, así como la polaridad del condensador C1.


Fig 13. Polaridad de los diodos LED y zener


Por si sirve de ayuda, ahí va ese croquis con el montaje mostrando tanto los componentes como las conexiones que se hacen por abajo del PCB. El dibujo es visto desde arriba, lado componentes:


Fig 14. Croquis con la disposición de los componentes y sus conexiones


Hay que soldar en el lado derecho del PCB los cables para medir las baterías.
Un cable será negro y el otro rojo, que serán respectivamente el negativo y el positivo. A cada cable le soldaremos en el extremo libre una pinza o el utensilio que deseemos para aplicar a los bornes de la batería y hacer la medida.

Fig 15. Detalle de cómo van soldados los cables de prueba, con sus pinzas


8.11. Pasar los tornillos y ensamblar todo

Con tornillos de largo adecuado (en mi caso 30 mm) y diámetro 3-4 mm (yo elegí 3 mm) unimos todas las piezas armando un sandwich:

- Primero, el frontal, le pasamos los 4 tornillos mirando hacia abajo la rosca. Un detalle importante acerca de estos tornillos: Si los usas con cabeza cónica puedes hacer un avellanado en los taladros de las esquinas del frontal, de modo que los tornillos quedarán a nivel del frontal, sin sobresalir. Esto nos vendrá muy bien a la hora de poner la carátula sobre el frontal. Si por contra usas tornillos de cabeza cuadrada convencional también habrá que hacer los pertinentes taladros en las esquinas de la carátula para permitir la salida de dichas cabezas, o la carátula no asentará bien en el frontal.

- Ponemos en cada rosca que asoma un separador de 12 mm de largo para que los componentes del PCB no presionen contra el frontal al tiempo que permitiremos a los cinco LED asomar por la madera frontal. Si no asoman, al menos que estén a ras de dicho frontal.

- Pasamos por los tornillos el PCB, los LED deben asomar (o quedar a ras) por la madera frontal

- Ponemos en los tornillos otros separadores, esta vez más cortos que los anteriores, su finalidad es que la tapa trasera no presione contra las soldaduras del PCB

- Colocamos la tapa trasera y afianzamos con arandela-tuerca.

Ahora todo está hecho un bloque, una pieza.

Fig 16. Todas las piezas conforman una especie de sandwich

8.12. Poner la carátula sobre frontal con pegamento o cola

Ponemos la carátula sobre el frontal. Aconsejo fijarla con un poco de cola o pegamento. Los cinco LED deben asomar por los orificios de la carátula. No hace falta que sobresalgan mucho, de hecho puede ser buena idea que no asomen y estén a ras de la superficie de la carátula o incluso, que queden un poco ocultos y así quedarán más protegidos, al tiempo que serán más visibles cuando se enciendan, especialmente en ambientes luminosos.

Esto último debe considerarse a la hora de soldar los LED en el PCB. Según cuánto insertes los terminales de los LED en el PCB, asomarán más o menos.

Fig 17. Detalle de los LEDs asomando


8.13. Opcional:  Poner algún tipo de cubierta en los  laterales.

En mi caso no lo voy a hacer, pero si lo prefieres, puedes poner algún tipo de cubierta en los laterales para cerrar completamente el tester.



9. Prueba

Tanto usando una tensión desde una fuente de alimentación regulable como desde baterías reales con distinto grado de carga, este tester ha demostrado una gran precisión.


Fig 18. Probando la batería de mi coche. Da "Buena". Tenía algo más de 12.5 voltios

Finalmente, debo decir que este circuito, tal y como está en el esquema de la figura 4 (el definitivo), aparentemente no tiene protección contra inversión de polaridad, y los integrados IC1 e IC2 se pueden destruir si nos equivocamos. 

Pero esto se puede solucionar fácilmente poniendo un diodo tipo 1N4148 o similar en paralelo con la entrada de alimentación, es decir, en paralelo con la batería que vamos a medir, pero el cátodo del diodo siempre irá DESPUÉS del fusible según se mira desde la batería. El diodo debe estar polarizado de forma que cuando midamos bien, éste no conduce, y no ocurre nada. Es decir, cátodo al positivo y ánodo al negativo. 

Y si polarizamos al revés las puntas de prueba del tester, entonces este diodo conduce como un cortocircuito, cayendo la tensión casi a cero, pero el fusible (de 0.5 a 0.7 amperios) se fundirá antes de que el diodo -literalmente- estalle. Al interrumpirse el fusible, los integrados quedan protegidos.

En vez de poner el diodo de protección en paralelo con la alimentación, se podría poner en serie, para evitar el inconveniente de tener que reponer diodo y fusible si nos equivocamos. Pero en este caso, el diodo introducirá una caída de tensión y al circuito le llegaría una tensión menor que la de la batería que estamos midiendo, caída que dependerá del tipo de diodo, siendo lo normal de 0.3 a 0.7 voltios, y esto falsearía las lecturas. Opción no aceptable.

Al momento de escribir esas líneas aún no he hecho la prueba, pero es posible que estos dos integrados, 555 y CD4017 aguanten polaridad invertida sin romperse por tratarse de sólo 12 voltios. Pocos semiconductores se rompen polarizándolos inversamente con una tensión tan baja. Haré la prueba antes del montaje definitivo, y si no se rompen, nos ahorramos poner ninguna protección ya que no hará falta.

El resultado de lo anterior: Si, sometí a este tester de baterías a 13.30 voltios de polaridad invertida durante unos segundos, y después lo probé con polaridad correcta, 

y no funcionó. 

No se rompió ningún chip ni ningún otro componente... excepto el fusible, el cual reemplacé por otro igual y... funcionando.

Así que no necesitamos añadir ninguna protección en especial. Si nos equivocamos de polaridad y vemos que no funciona, reemplazamos el fusible y listo.



10. El vídeo







11. Otros vídeos que pueden interesarte


Para este trabajo ha sido de gran ayuda contar con una fuente de alimentación regulable de 0 a 30 voltios con la que simular las distintas tensiones que ofrece una batería según su nivel de carga.

Además, esta fuente es cortocircuitable, ofrece hasta 4 amperios de forma continua, refrigerada con ventilador (que sólo se pone en marcha si se le exige el máximo consumo), y puede limitarse la intensidad máxima, de modo que cualquier cortocircuito no tiene consecuencias, ni para la fuente, ni para el circuito conectado a ella. Ya he dicho en alguna ocasión que esta fuente es algo puñetera de montar, lo reconozco, porque de hecho, me pasó a mí: Tuve dificultades para montarla, al final, todo se debía a una conexión que omití (Al más mínimo error de montaje los transistores se van al Limbo), pero una vez bien montada, sin errores de conexión, no se rompe ni a la de tres. 
Mas dura que las viejas botas de un buscador de oro...
Un auténtico caramelo.
Basada en la mítica fuente de Sales Kit modelo 112 (Mejorada por un servidor de Ustedes).






Circuitos relacionados con baterías... que mejor que un buen inversor.
Aquí tenéis un par de vídeos, paso a paso, para construir, desde cero, un inversor de 600W (De los de verdad) para convertir la tensión continua de 12 voltios de una o varias baterías en paralelo, a 220 voltios alterna, como en  casa. Ideal para una pequeña residencia que no vaya a tener un gran consumo. Unos paneles solares bastarían para alimentar todo el sistema. El primer vídeo es sobre el transformador (tenemos que hacerlo nosotros), el segundo vídeo trata sobre el circuito y la caja con los accesorios.

PARTE 1: El transformador




PARTE 2: El circuito





12. Toda mi colección de vídeos de Youtube

En Youtube, una "lista de reproducción" es una colección de vídeos, normalmente de una misma temática. A continuación, mis listas de reproducción con las distintas temáticas:










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miércoles, 16 de noviembre de 2016

Tutorial electrónica básica. Cap 21. Amplificadores Operacionales


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Índice

1. Finalidad de un AO (Amplificador Operacional)
2. Símbolo utilizado en los esquemas para un AO
3. AO básico y partes fundamentales
4. AO simple, DUAL Y QUAD
5. El AO ideal, frente al AO real
6. Ejemplo de uso de un AO: Comparador
7. Realimentación en un AO
       7.1. Lazo abierto (Sin realimentación)
       7.2. Lazo cerrado: Con realimentacion (Negativa o positiva)
8. Ejemplos prácticos de uso para un AO
       8.1. Interruptor crepuscular
       8.2. Sistema detector de batería agotada en un inversor
9. AO más utilizados
10. Funciones básicas con un AO
       10.1. Comparador
       10.2. Seguidor de tensión
       10.3. Amplificador no inversor
       10.4. Amplificador inversor
       10.5. Sumador inversor
       10.6. Restador inversor (Amplificador diferencial)
       10.7. Integrador
       10.8. Derivador
       10.9. Amplificador exponencial
       10.10 Amplificador logarítmico
11. Usos de los AO
12. El vídeo
13. Otros vídeos que pueden interesarte
14. Toda mi colección de vídeos de Youtube



1. Finalidad de un AO (Amplificador Operacional)

La finalidad de un amplificador operacional (abreviado AO en adelante) es la de hacer operaciones matemáticas como sumas, restas, divisiones, multiplicaciones y otras. De ahí el nombre de "operacional". Estas operaciones matemáticas no se efectúan de forma digital sino analógica. Lo que no quita que estos circuitos sean utilizados en electrónica digital, y de hecho lo son.


Esta fue la primera finalidad de estos circuitos: Hacer operaciones matemáticas... de forma analógica. Actualmente, y desde hace varias décadas, ya sabéis que las operaciones matemáticas, en electrónica, se hacen con circuitos digitales, que poco tienen que ver con los analógicos. Sin embargo, estos amplificadores operacionales, lejos de quedar en el olvido, mostraron su versatilidad, y en la actualidad se utilizan para un sinfín de funciones no relacionadas con el cálculo: Filtros, conversores, osciladores, amplificadores, adaptación de impedancias...


Fig 1. Operacional µA741
El primer circuito operacional fabricado como circuito integrado fue el µA702 hace ya 52 años por la empresa FairChild Semiconductor; poco más tarde le siguió el circuito µA709 mejorando las prestaciones del 702, y a finales de los años 60 se comenzó a fabricar el modelo µA741 (foto a la izquierda) que se convirtió en uno de los circuitos integrados más utilizados y que aún hoy se usa profusamente.








2. Símbolo utilizado en los esquemas para un AO

El símbolo comúnmente aceptado para un AO es el de la figura 2


Fig 2. Símbolo para un amplificador operacional y disposición de pines en el µA741




3. AO básico y partes fundamentales

Seguimos con la figura 2 anterior. En ella se distinguen:

- Un triángulo que representa -en los esquemas- al AO. En la práctica, 
un AO real tiene forma rectangular, siendo el encapsulado DIL de 4+4 pines muy frecuente.

- Pines de alimentación, como es habitual en un chip, son dos: Positivo y negativo. Una cosa que puede despistar a los iniciados es que en muchos esquemas, por claridad o simplificación, estos pines se omiten, no se muestran, pero se sobreentiende que siempre se han de tener en cuenta. Un AO sin alimentación no funciona. En el chip de la figura 1 los pines de alimentación son el 7 para el positivo y el 4 para el negativo o "ground".

- Dos entradas, una inversora y una no inversora. La entrada marcada con el signo menos es la inversora, y la marcada con signo más es la no inversora. En el símbolo de la figura 1 (que corresponde a un AO modelo 741) estas entradas corresponden a los pines 2 y 3 respectivamente, pero esto puede cambiar si el modelo de AO es otro.

- Una salida: El nivel de salida dependerá de las tensiones en las dos entradas anteriores. Puede variar desde prácticamente cero, hasta el valor máximo positivo de alimentación. En el chip µA741 de la figura 1 la salida corresponde al pin 6.

El coste de uno de estos circuitos es bastante asequible gracias a que se fabrican en masa, por ejemplo, el modelo 741, al momento de escribir estas líneas cuesta, en una tienda convencional de electrónica, unos 0.30 euros.



4. AO Simple, DUAL Y QUAD

No debemos dar por hecho que un circuito integrado contiene un sólo AO. 
Esto dependerá del modelo de circuito integrado.

Es muy común que un integrado contenga un sólo AO, pero hay veces en que un fabricante integra DOS AO en un mismo chip de 4+4 pines, exacto: Dos AO necesitan precisamente ocho pines. En este caso hablamos de un AO DUAL:

- dos entradas + dos entradas = 4 pines
- dos salidas = 2 pines
- dos de alimentación (comunes a ambos) = 2

total = 8 pines

Ejemplo de un AO dual es el chip LM358:


Fig 3. AO dual LM358


E incluso los hay con CUATRO AO en un mismo chip, pero esta vez con 14 pines, y en esta ocasión hablamos de un circuito QUAD:


Fig 4. AO Quad, LM324

Por supuesto, tenemos libertad de usar uno, varios o todos los AO integrados en un chip. Por ejemplo, en un QUAD podemos usar uno sólo de los AO y dejar sin conectar (al aire) los pines de los otros tres AO, es decir, no estamos obligados a usarlos todos, aunque si estamos diseñando nosotros el circuito, lo más lógico sería usar un modelo de chip acorde a lo necesario.




5. El AO ideal, frente al AO real

Los AO se fabrican con la intención de que tengan unas características ideales, pero en la práctica muestran un comportamiento real.

Los principales parámetros son estos:

- Impedancia de entrada: En al AO ideal es infinita. En el AO real es elevada, pero no infinita. Valores típicos rondan el Megaohmio.

- Corriente de entrada: Como consecuencia de lo anterior, en un AO ideal la corriente de entrada debería ser nula. No hay consumo, lo que permite que el circuito que suministra la tensión de entrada no experimente la menor variación. El AO real tiene en sus entradas una corriente muy reducida, del orden de unos nanoamperios, pero no cero.

- Ganancia en tensión: Para un AO ideal es infinita. Para uno real puede llegar a ser de más de 1.000.000 lo que realmente es mucho.

- Resistencia de salida: Se espera de un AO ideal que sea cero, lo que permitiría una gran entrega de corriente. En la práctica, con un AO real la resistencia de salida no es cero, pero sí razonablemente baja: Decenas de ohmios.

- Ancho de banda: Infinito para un AO ideal. Esto significa que respondería igual de bien a cualquier frecuencia. En un AO real lógicamente no es así, y tiene un ancho de banda de uno a varios MHz.

- Tiempo de conmutación: Es el tiempo que transcurre entre un cambio en alguna entrada y la correspondiente reacción a la salida. En un AO ideal este tiempo sería nulo, lo que significa que ese AO tendría velocidad infinita. En un AO real hay un tiempo de transición entre un cambio en la entrada y la reacción a la salida, tiempo que puede ser tan breve como unos cuantos nanosegundos, pero esto ya supone que la velocidad es limitada, finita.

- Tensión de offset: Es la diferencia de tensión entre ambas entradas para conseguir que la salida sea cero. En un AO ideal esta tensión de offset es cero. En uno real no es cero, sino de unos pocos milivoltios. Algunos modelos permiten regular esta tensión y ponerla a cero, por ejemplo, es el caso del operacional µA741 y sus pines 1 y 5 destinados a tal fin, que por cierto, en la mayoría de aplicaciones no suelen utilizarse.



6 Ejemplo de uso de un AO: Comparador

Un uso muy frecuente para los AO es el de comparador. 
En la figura 5 tenemos un ejemplo. 
Las entradas "+" y "-" tienen una tensión continua aplicada.

La salida será nivel alto (el valor de alimentación) si la tensión de entrada no inversora "+" es más positiva que la tensión de entrada inversora "-". 

De la misma forma, haciendo menos negativa la entrada inversora "-" hasta conseguir que sea menos positiva que la entrada no inversora "+" también provocaremos que la salida sea nivel alto.

La salida permanecerá a nivel bajo si la entrada no inversora "+" tiene un potencial menor (menos positivo) que la entrada inversora "-".

El cambio de estado en la salida no es gradual aunque lo sea la variación de las tensiones en las entradas. El cambio de estado en la salida es brusco y repentino: Pasa del valor de alimentación (-) al valor de alimentación (+) y viceversa. No hay estados intermedios. Se comporta como un conmutador: Todo o nada.

Un uso típico del comparador es como conmutador electrónico.

También el comparador puede trabajar, por ejemplo, como convertidor analógico-digital. Convierte magnitudes cambiantes en magnitudes tipo si/no (digital).

En el vídeo, en un protoboard, se prueba esto con un AO 741


Fig 5. El amplificador operacional como comparador.



7. Realimentación en un AO
       
La realimentación en un circuito electrónico es un concepto ya conocido en este tutorial y se ha utilizado más de una vez en algún circuito práctico de la serie "Circuitos Útiles". Consiste en tomar una parte de la señal de salida de un circuito para aplicarla a la entrada. De esta forma, el circuito reacciona a su propio funcionamiento, cambiando el comportamiento.

En los AO la realimentación es un concepto importante.

Hay dos formas de realimentación en los AO, 
- En lazo abierto, es decir, sin realimentación
- En lazo cerrado, con realimentación, que puede ser positiva o negativa

Lo vemos con un poco más de detalle en los dos puntos siguientes:


7.1. Lazo abierto (Sin realimentación)

Aquí no aplicamos la señal de salida a la entrada. En este caso el AO se comporta muy distinto respecto de haber realimentación. La característica mas notable es que la salida sólo tiene dos estados estables: 

- Prácticamente cero voltios
- Prácticamente el valor de voltaje de la alimentación positiva

Cuando cambiamos el valor de las dos entradas (inversora y no inversora) no hay manera de conseguir un valor intermedio de voltaje a la salida. O es alta, o es baja, el cambio es abrupto, lo que viene bien cuando se desea un comportamiento tipo digital, tipo si/no, asemejando un conmutador, relé, etc.

La curva de respuesta de un AO trabajando en lazo abierto se ve en el gráfico bajo estas líneas (Fig. 6, parte izquierda).


Fig 6. Izquierda: Lazo abierto. Centro: Realimentación positiva. Derecha: Realmientación negativa

Podemos ver en ese gráfico que el cambio de la tensión de salida (Vout) es prácticamente vertical, como el flanco ascendente de una onda cuadrada. No hay prácticamente estado intermedio. Esto se debe a la gran ganancia del AO con esta configuración de lazo abierto.


Un ejemplo de AO trabajando en estas condiciones, en lazo abierto, es un comparador, circuito que acabamos de ver en el punto anterior 6 (Fig.5) en donde se puede ver que las entradas no reciben ninguna señal proveniente de la salida.

7.2. Lazo cerrado: Con realimentación (Negativa o positiva)

Se dice que un AO trabajaen lazo cerrado cuando hay realimentación: Se toma una parte de la señal de salida y se re-inyecta a la entrada para modificar el comportamiento del AO.

A su vez, la realimentación puede ser de dos tipos:

NEGATIVA


Fig 7. Ejemplo de realimentación negativa
Es la más común. La señal de salida se lleva a la entrada inversora, la marcada con el signo menos "-". De este modo, el AO tiene menos ganancia, pero a cambio su comportamiento es más estable y mejora su ancho de banda. 

Un esquema tipo de realimentación negativa es el mostrado en la figura 7 que corresponde a un amplificador inversor: Amplifica la señal, y además la invierte 180º



POSITIVA

La señal de salida se lleva al terminal no inversor, el marcado como "+". 
El AO tiene entonces una ganancia muy alta aunque ahora se vuelve muy inestable.

Esta  modalidad produce auto-oscilaciones a la salida incluso aunque no apliquemos una señal a la entrada, debido a la alta ganancia, algo indeseable en la mayoría de las aplicaciones, por ejemplo, las de amplificación.


Fig 8. Ejemplo de realimentación positiva
Sin embargo, esta configuración es útil cuando nos interesa generar una oscilación, como una señal patrón de reloj. En la figura 8, un esquema básico de un oscilador conocido como schmitt trigger o "disparador schmitt". En el vídeo, se hace una práctica real con este circuito y se comprueba con osciloscopio su salida, que entrega una señal. 




En ese circuito, las resistencias de realimentación R1 y R2 determinan su funcionamiento.

La diferencia de este circuito con respecto al anterior de realimentación negativa es que dicha realimentación se aplica al terminal no inversor "+", todo lo demás es igual en ambos circuitos.




8. Ejemplos prácticos de uso para un AO

Son muchísimos los casos en que puede utilizarse un AO para una tarea, y he recurrido a ellos en más de una ocasión en la serie "circuitos útiles".

Por ejemplo:

8.1. Interruptor crepuscular

Es un circuito que enciende o apaga las luces según sea de noche o de día. Su funcionamiento se basa en comparar dos tensiones: 

- Una tensión fija (regulable, para determinar el grado de penumbra para encender/apagar las luces)

- Otra tensión variable, proveniente de una LDR (Resistencia dependiente de la luz) que cambia su resistencia en función de la luz presente.

Ambas tensiones se introducen, por separado, a cada una de las dos entradas de un AO, en lazo abierto, configurado como comparador. Es el circuito rotulado como IC1 en el esquema de la figura 9.

La tensión fija aplicada al pin 3 de IC1 sirve como referencia.
Pero la tensión de la LDR (variable según el nivel de luz) aplicada al pin 2 de IC1 produce que la salida del AO (pin 6) cambie de un estado (cero voltios) a otro estado (máxima tensión de alimentación), provocando con ello el encendido/apagado de las luces.


Fig 9. Esquema del interruptor crepuscular, con un amplificador operacional configurado como comparador


8.2. Sistema detector de batería agotada en un inversor

Una batería de plomo de las utilizadas en automoción no conviene descargarla más allá de un 50% de su capacidad, pues existe el riesgo de sulfatarla, con lo cual su capacidad queda muy mermada, o incluso puede quedar inutilizada.

Pero una batería de este tipo te entregará corriente mucho más allá de ese 50%, por lo que es nuestra responsabilidad evitar que esto ocurra. Hay muchas maneras de hacerlo: De forma manual o con nuestra supervisión, por ejemplo, vigilar que el voltaje no decaiga por debajo de 10.5 voltios.

Hay una mejor forma: Hacerlo automáticamente, sin que nosotros tengamos que supervisar ni estar pendientes de nada.

El inversor de 600W para 12V que convierte a 220V tiene esta medida de protección para la batería y está basado en un simple AO también configurado como comparador. El esquema, en la figura 10. La parte que ahora nos interesa en ese esquema está abajo a la izquierda.

Una de las dos entradas del AO rotulado como IC2, la entrada no inversora (pin 3), toma una tensión (fija, de referencia, obtenida mediante un diodo zener (DZ1) de 3.3 voltios) que es una fracción de la tensión de batería. 

Aunque la batería esté totalmente descargada se asegura que esta tensión de referencia siempre será estable (gracias al zener DZ1) ya que la batería nunca va a decaer a un valor tan bajo como esos 3.3 voltios.

En la otra entrada, la inversora (pin 2), se aplica una fracción tomada de la tensión de batería, esta vez sin zener. Es decir, esta tensión SÍ disminuirá según vaya gastándose la batería. Mediante el ajuste correspondiente (potenciómetro P5) se consigue que la salida del AO (pin 6) cambie o bascule a nivel alto justo cuando la batería desciende de 10.5 voltios, lo que provoca la detención del IC1 en su pin 10. IC1 es un integrado tipo SG3525, el verdadero "motor" del inversor, y con ello el inversor deja de funcionar y de gastar batería... salvando a la batería de una sulfatación segura.


Fig 10. Otro ejemplo de uso para un AO. Evitar la destrucción de la batería


9. AO más utilizados: 

Hay innumerables tipos de AO, y de entre los más utilizados, aquí tenéis una pequeña selección:

µA741, sin duda, el más popular, económico y presente en muchos circuitos. También es uno de los más antiguos. Es un operacional de propósito general, monolítico, protegido contra cortocircuito...
Aquí, el datasheet para este AO por si quieres más información.

LF351 Este también es, como el anterior, un tipo de propósito general, pero es de diseño más moderno, con mejores prestaciones. Puedes verlo en el datasheet, donde se citan prestaciones que no tiene el µ741
Datasheet para el AO LF351


LM358, Este operacional es DUAL, van DOS operacionales en un mismo chip.
Aquí está el datasheet de este AO.

LM324, Operacional QUAD, es decir, van cuatro operacionales dentro de un mismo chip. Este es el enlace al Datasheet de este circuito

CA3140, Este modelo vuelve a ser simple, es decir, un sólo operacional en un chip de 4+4 pines, y tiene como característica especial su muy alta impedancia de entrada, y trabajar con frecuencias relativamente altas.
Enlace al datasheet del CA3140

OPA227 y OPA228, Este modelo es de alta precisión y bajo ruido. En realidad bajo este nombre se engloban seis modelos de integrado que tienen uno, dos ó cuatro operacionales en un mismo chip. Los 227 son para hasta 8 Mhz, y los 228 para hasta 33 Mhz. En el Datasheet tenéis más información.

OP77, Operacional de alta precisión y una ganancia excepcionalmente alta, con un valor de más de 10.000.000 según el datasheet.



10. Funciones básicas con un AO

A continuación vamos a ver una serie de usos típicos en los AO.

En algunos de estos usos se hará la correspondiente práctica en protoboard en el vídeo.


10.1. Comparador

El AO configurado como comparador ya lo vimos en el anterior punto 6, por lo que no se va a repetir aquí, sólo he incluido el comparador en este punto para recordar que existe esta configuración.



10.2. Seguidor de tensión

El diagrama para este circuito (Fig 11)


Fig 11. Amplificador operacional configurado como "seguidor de tensión"

Este circuito deja intacta la señal de entrada a la salida, no la modifica, ni la invierte de polaridad, ni la amplifica. Como su nombre deja ver, la tensión de salida "sigue" a la de entrada. 

Entonces ¿Para qué sirve esto?

Recordemos las cualidades ideales de un AO que son razonablemente parecidas a las de un AO real. Tenemos una impedancia muy grande a la entrada, y una impedancia muy reducida a la salida. 

Muy bien, aprovechándonos de estas dos cualidades, este circuito servirá para adaptar impedancias, desde una alta a una baja. Por ejemplo, tenemos a la entrada unas tensiones que hacen circular tan sólo 3 mA. Esta intensidad no puede comandar la base de un transistor (o la puerta de un triac) de potencia, que necesitan, pongamos por caso, 50 mA o más.

Intercalando este seguidor de tensión entre esas intensidades de sólo 3 mA y ese transistor de potencia conseguiremos esos 50 mA ya que un AO puede dar esa intensidad a la salida.

Resumiendo, hemos dejado el voltaje de entrada sin variar (no queríamos variarlo), pero dotándole de mayor intensidad. 


10.3. Amplificador no inversor

Con esta configuración podemos amplificar las señales sin invertir su fase.


Fig 12. Amplificador operacional NO inversor.

En la entrada no inversora se aplica la señal de entrada, mientras que en la inversora hay una realimentación desde la salida a través de las resistencias R1 y R2. La ganancia en esta configuración ya no depende del propio AO sino de los valores de R1 y R2, según esta fórmula:


Ganancia = 1 + (R2 / R1)

De la fórmula anterior se deduce que la ganancia mínima es la unidad, o lo que es lo mismo, no sirve para atenuar la señal (ganancia < 1), pero sí sirve para amplificarla, con ganancia desde 1 hasta (teóricamente), infinito, con el límite que impone un AO real, con una ganancia que puede ser > 100.000.

Por ejemplo, si a R1 y a R2 se les da un valor de 1K y 2K respectivamente, la ganancia será 3, pues: 


Ganancia = 1 + (2 / 1)  = 3

En este caso, si aplicamos 2 voltios a la entrada, deberíamos tener la salida seis voltios (ganancia x3). Esto se somete a prueba en el vídeo en un protoboard.


10.4. Amplificador inversor

Este circuito se comporta parecido al amplificador no inversor con dos excepciones: 

1) Invierte a la salida la señal de entrada. Cuando la entrada es nivel alto, la salida es bajo, y viceversa.

2) Puede atenuar la señal, no sólo amplificarla

Igualmente hay una realimentación negativa con R1 y R2

En este amplificador inversor, la entrada no inversora (+) está conectada a masa, negativo. Y la entrada (-) inversora aceptará la señal de entrada. El esquema, en la figura 13.


Fig 13. Amplificador operacional configurado como AMPLIFICADOR INVERSOR




la ganancia en este amplificador es: R2 / R1

En este amplificador sí podemos atenuar en vez de amplificar la señal, por ejemplo, seleccionando un valor de 100 ohm para R2 y un valor de 1000 ohm para R1, la ganancia sería: 100/1000 = 0.1, cosa que NO era posible con el amplificador no inversor, cuya ganancia mínima era 1 según la fórmula en el párrafo anterior 10.3

Resumiendo: Este amplificador inversor puede amplificar o atenuar una señal según el valor del par de resistencias de realimentación R1 y R2. Además, invierte la polaridad de la señal de entrada. Esto último hay que tenerlo en cuenta para circuitos en donde la fase es importante.


10.5. Sumador inversor

Este circuito tiene múltiples entradas. Y en cada una se aplica una tensión.
A la salida obtenemos la suma de todas estas entradas.


Fig 14. Amplificador operacional configurado como sumador inversor

La tensión obtenida a la salida (Vout) viene de esta expresión:


Vout = - (R1/R*V1 + R2/R*V2 + R3/R*V3)

Una variante interesante es hacer que las resistencias R1, R2, R3 y R tengan, las cuatro, el mismo valor: La tensión obtenida a la salida será la suma algebraica de las tensiones de entrada, y la formula anterior se simplifica mucho, quedando así:


Vout = - (V1 + V2 + V3)

Los componentes R1, R2, y R3 se presentan como resistencias, pero podrían ser cualquier otro componente, sólo se tendrá en cuenta su valor óhmico.

El signo menos es debido a que hablamos de un sumador... inversor

Con esto también haremos una práctica en protoboard en el vídeo.


10.6. Restador inversor


También se le conoce como "amplificador diferencial".

Este AO está configurado para hacer una resta de tensiones. Su esquema de conexionado es el de la figura siguiente 15:


Fig 15. Restador inversor

...Y la expresión que relaciona el voltaje de salida con el voltaje de entrada, teniendo en cuenta los valores de las cuatro resistencias, es:


Vout = ((R3+R1)*R4/(R4+R2)*R1) - V1(R3/R1)


Si hacemos que todas las resistencias valgan lo mismo, la formula se simplifica hasta el punto que:


Vout = Vent2 - Vent1


10.7. Integrador

Una operación más que podemos emular con un AO es la integración. Se trata de una operación matemática basada en muchas sumas de términos muy pequeños, y utilizada para calcular ÁREAS y volúmenes. 

En electrónica ¿Qué área puede interesar calcular?: La de una señal eléctrica representada en dos ejes: Uno vertical para, por ejemplo tensión, y otro horizontal para representar el tiempo.

Este circuito permite obtener a la salida la integral de la señal de entrada. La realimentación corre ahora a cargo de  un condensador, no una resistencia, así que la corriente de realimentación no será constante ni lineal, tendrá forma de rampa. La tensión de salida resulta afectada por esto y obedece precisamente a la integral de la corriente de entrada.


Fig 16. Amplificador operacional como Integrador. A la derecha, oscilograma entrada - salida.

No hay que olvidar que este circuito, además de integrar la señal, también la invierte. Para una hipotética señal de entrada (Vent) como la mostrada a la derecha en la figura 16, se obtendría la señal de salida etiquetada como Vout.


10.8. Derivador

Otra importante operación matemática que se puede hacer con un AO es la derivada de una tensión. Al igual que la integral (De la cual es su operación complementaria), la derivada es un concepto matemático un tanto avanzado.


Fig 17. El amplificador operacional como derivador.  A la derecha, oscilograma entrada - salida

Para entenderlo mejor, este AO no producirá una tensión de salida alta cuando la tensión de entrada sea alta, sino cuando la VARIACIÓN de tensión de la entrada sea rápida. Es decir, una tensión alta pero continua no producirá salida alguna en un derivador. Pero una tensión cambiante sí la producirá, y la producirá tanto más cuanto más alta sea su frecuencia, o cuanta más inclinación tenga el flanco de subida (y bajada) de la tensión de entrada. La VELOCIDAD, la RAPIDEZ con la cual cambia la tensión de entrada hará que la salida tenga mayor nivel. Se deduce de esto que la onda cuadrada es el tipo de tensión que mayor salida producirá en un derivador ya que sus flancos de ataque y fuga son prácticamente verticales (instantáneos).

En el cronograma, a la derecha en la figura 17, se observa que la tensión de salida (Vout) sale invertida con respecto a la polaridad de la señal de entrada (Vent), y es que este AO está configurado no sólo como derivador, sino también como inversor. Si quisiéramos no invertir la señal podemos utilizar un AO inversor con ganancia 1 para invertirla nuevamente, y ya se sabe: Dos inversiones = ninguna inversión.



10.9. Amplificador exponencial

Una resistencia, cuando es sometida a una tensión variable, es recorrida por una corriente también variable, de una intensidad proporcional a la tensión aplicada. Si se expresa en una gráfica esta relación tensión-intensidad veremos que la "curva" resultante es una recta. A esto se le llama "comportamiento lineal".

Los diodos no tienen un comportamiento lineal, y en una zona de su curva característica manifiestan un comportamiento claramente exponencial, en donde a un pequeño incremento de tensión corresponde un incremento muy grande de intensidad.

Se puede aprovechar este comportamiento no lineal de los diodos para ponerlos en la red de realimentación del AO y así su salida también será exponencial. En lugar de un diodo también se puede usar un transistor que, al igual que el diodo, experimenta un comportamiento exponencial si relacionamos la intensidad emisor-colector respecto de la tensión emisor-base.

El esquema básico del AO exponencial:


Fig 18. Amplificador operacional exponencial, aprovechando la característica exponencial de diodos y transistores


10.10 Amplificador logarítmico

En los anteriores montajes (figuras 16 y 17) en que podíamos hacer funcionar un AO como integrador o como derivador (funciones inversas una respecto de la otra) simplemente cambiando el condensador de sitio, aquí ocurre lo mismo:

Si ponemos el diodo (o el transistor) en la realimentación (En vez de en la entrada), el AO se comportará de forma inversa a la exponencial: Tendrá respuesta logarítmica. En la siguiente figura 19, el esquema y, a la derecha, un ejemplo de curva de respuesta:

Fig 19. Amplificador operacional con respuesta logarítmica



11. Usos de los AO

Casi todos los dispositivos electrónicos, ya sean puramente analógicos, digitales, o mezcla de ambos, son susceptibles de incorporar uno o varios AO para realizar alguna función en ellos:

- Filtros (Para rechazar o seleccionar determinadas frecuencias)
- Amplificación
- Atenuación
- Adaptación de impedancias
- Conversores analógico-digital
- Conversores digital-analógico
- Reguladores
- Inversores
- Osciladores
- Generadores de tipos de onda
- ...Y por supuesto, como calculador (analógico)





12. El vídeo







13. Otros vídeos que pueden interesarte


En el Tutorial de Electrónica Básica hay un capítulo dedicado a los circuitos integrados, tema relacionado con el de los amplificadores operacionales desde el momento en que éstos están basados en... circuitos integrados.





Un ejemplo de uso bien claro para los amplificadores operacionales es un circuito conocido como interruptor de crepúsculo. Este circuito genera dos tensiones: Una fija, de referencia, y otra variable, dependiendo del nivel de luz (captado con una fotoresistencia LDR). Ambas tensiones se introducen a las dos entradas de un operacional configurado como comparador. De este modo, el operacional "sabe" cuándo es de noche, y cuando de día. En consecuencia, en su salida aparecerá una tensión (o no) que enciende y apaga las luces de forma totalmente autónoma, sin nuestra intervención. 

En este vídeo tenéis este proyecto con todo detalle.








Otro ejemplo de uso para un operacional es este inversor casero capaz de suministrar hasta 600W (de los de verdad) a partir de 12 voltios provenientes de una (o varias baterías en paralelo) con el cual puedes dotar de energía eléctrica a 220/120V corriente alterna a una casa de campo sin necesidad de conectarla a la red de distribución eléctrica. Con unos paneles solares sería suficiente para cargar esas baterías.

El operacional aquí se encarga de velar por que la batería no descienda de 10.5 voltios, lo que ya se considera una descarga profunda y puede llevar a la inutilización de la batería por sulfatación en caso de que se le pretenda extraer más corriente.

Todos los detalles de construcción de este inversor en este vídeo:






14. Toda mi colección de vídeos de Youtube


En Youtube, una "lista de reproducción" es una colección de vídeos, normalmente de una misma temática. A continuación tienes mis listas de reproducción con todas las temáticas:











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