ETAPA DE AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL CON EL SENSOR LM35

Proaño Caiza Maritza Elizabethmarieliza_1894@hotmail.com

Manobanda Guamán Luis Miguelluismanobanda67@yahoo.com

Escuela de Ing. Electrónica en Control y Redes IndustrialesEscuela Superior Politécnica de Chimborazo

Riobamba – Ecuador

Resumen

En este documento se presenta de una forma general el concepto de amplificador operacional para posteriormente aplicarlo en un circuito vinculado con un sensor, con el fin de obtener un voltaje de salida mayor al voltaje de entrada. Para ello se detalla el tipo de configuración de amplificador operacional utilizada, con la cual se podrá hallar la función de transferencia a la que se rige el sistema implementado en protoboard. También se describe los materiales que se debe utilizar en el circuito planteado, y las interconecciones entre estos. Se detallará tambien el funcionamiento del circuito integrado LM324 utilizado en el proceso de amplificación.

Índice.- Amplificador operacional, Función de transferencia, Voltaje.

1. INTRODUCCIÓN

El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40 [1]. La mayor parte del control y medida de los procesos industriales se realiza mediante circuitos electronicos, siendo el amplificador operacional (Op. Amp) un módulo básico de dichos circuitos de control. Aunque cada vez más, el procesado de la información y la toma de decisiones del sistema se realiza con circuitos digitales o sistemas basados en microprocesadores, la conversión de las variables medidas en variables eléctricas: corriente o tension (en los sensores), o la conversión inversa (en los actuadores analógicos), requiere de circuitos analógicos, donde el amplificador operacional juega un papel fundamental [3].

El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f = 0Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante. Además de ello tiene

límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (según las especifaciones del fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 100dB [2].

2. ESTRUCTURA DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Un amplificador operacional es un amplificador diferencial. Desde el punto de vista de una señal y de acuerdo a la Fig 1., el Op. Amp. tiene tres terminales: dos terminales de entrada y un terminal de salida.

Fig 1. Símbolo eléctrico y terminales de un amplificador operacional

En Op. Amp. al ser un dispositivo activo (está formado por transistores, resistencias y algún condensador), requiere una potencia continua para funcionar. Los terminales con +Vcc y –VEE del operacional se conectan a un voltaje positivo y negativo respectivamente, siendo habitual que sean iguales en valor absoluto [3]. Las dos fuentes de alimentación de continua presentan una tierra común. Es interesante observar que el punto tierra de referencia en los Amp. Op. es precisamente el terminal común de las dos fuentes de alimentación; esto es, ningún terminal del Amp. Op. se conecta físicamente a tierra.

3. AMPLIFICADOR OPERACIONAL NO INVERSOR

Se hace referencia específicamente al amplificador no inversor, debido a que se utiliza para el montaje

del circuito este amplificador.

Fig2. Esquema del amplificador no inversor.

Ganancia de voltaje

En un amplificador operacional configurado como amplificador no inversor, la señal a amplificar se aplica al pin no inversor (+) del mismo. Como el nombre lo indica, la señal de salida no está invertida respecto a la entrada

La tensión en R1:

VR 1= R 1R1+R 2

∗Vout

En operación normal la tensión entre las entradas, inversora y no inversora, es prácticamente cero, lo que significa que la entrada Vn es igual a VR1.

Entonces Vn=VR 1, y se reemplaza en la ecuación anterior:

Vn= R 1R 1+R 2

∗Vout

Despejando ganancia de tensión

VnVout

AV=VoutVn

=(R 1+R 2)

R 1=R 1

R 1+ R 2

R 1

Entonces: AV=1+ R 2R 1

De esta fórmula se deduce que la ganancia de tensión en este tipo de amplificador será >= 1. [4]

Impedancia de entrada

La impedancia de entrada. Se puede obtener este valor experimentalmente colocando en la entrada no inversora una resistencia R de valor conocido.

En los terminales de la resistencia R habrá una caída de tensión debido al flujo de una corriente por ella que sale de la fuente de señal y entra en el amplificador operacional. Esta corriente se puede obtener con la ayuda de la ley de ohm:

I=VRR

Donde VR=Vn−V ¿

Para obtener la impedancia de entrada se utiliza la siguiente fórmula: Zin=V ¿¿

Donde- V (+): es la tensión en el terminal de entrada no inversor del amplificador operacional- I: es la corriente anteriormente obtenida

Impedancia de salida

La impedancia de salida se puede obtener experimentalmente, de forma similar a la impedancia de entrada.

Se obtiene la corriente por la carga con la ayuda de la ley de ohm:

I=VRLRL

Finalmente se obtiene la impedancia de salida Zo con la siguiente formula:

Zo=[VCA−VRL ]

I

Dónde:- Vca = tensión de salida del operacional sin carga- RL = resistencia de carga- VRL = tensión de salida del amplificador operacional con carga- I = corriente en la carga. [5]

4. DESCRIPCIÓN DE MATERIALES

En este apartado del documento se detallará los materiales utilizados para la realización de la práctica.

4.1. SENSOR LM35

Fig3. Esquema de LM35

El LM35 es un sensor de temperatura con una

precisión calibrada de 1ºC y un rango que abarca

desde -55º a +150ºC.

El LM35 funciona en el rango de alimentación

comprendido entre 4 y 30 voltios.

Podemos conectarlo a un conversor

Analógico/Digital y tratar la medida digitalmente,

almacenarla o procesarla con un μ Controlador o

similar.

El sensor de temperatura puede usarse para

compensar un dispositivo de medida sensible a la

temperatura ambiente. [6] y [7]

4.2. LM324

Fig4. Datasheet de LM324

Es un amplificador operacional cuádruple con entradas diferenciales verdaderas. Está compuesto por cuatro amplificadores operacionales de alta ganancia, diseñados para trabajar con fuente de alimentación simple. Sin embargo, también son capaces de funcionar con una fuente de alimentación doble.

Tiene ventajas sobre los amplificadores operacionales convencionales en aplicaciones de fuente sencilla de alimentación y puede trabajar con voltajes de alimentación desde 3V hasta 32V. Es de bajo consumo de energía.

Trabajando en la zona lineal, el rango de tensión de

entrada en modo común incluye masa. Y la tensión

de salida también puede aproximarse a masa, incluso

cuando se trabaja con alimentación simple. La

ganancia de frecuencia unitaria está compensada con

la temperatura. La intensidad de polarización de

entrada (Input bias current) está también compensada

con la temperatura. [8]

5. PROCEDIMIENTO

El circuito que se va a implementar utiliza un amplificador operacional no inversor. Para realizar la implementación se necesitarán los siguientes:

- 1 resistencia de 330Ω- 1 resistencia de 1kΩ- 1 resistencia de 10kΩ- 1 LM35- 1 LM324- 1 Diodo LED- Multímetro

Realizamos la simulación del circuito en Prtoteus para verificar su correcto funcionamiento, para posteriormente implementarlo en protoboard.

Como se observa, se realiza la configuración del amplificador operacional no inversor al conectar la

resistencia de 10kΩ de la salida del amplificador a la entrada inversora.

Luego de ello, se realiza la simulación variando la temperatura en el LM35 de 0 a 60°C para observar claramente la variación del voltaje.

Luego de observar que el circuito funcione correctamente, se procede con la implementación en protoboard.

Al tener todo el circuito implementado, se analiza la funcion de tranferencia que lo rige.

FUNCION DE TRANSFERENCIA

Donde:

R 1=1kΩ R 2=10 kΩ

Vi= R 1R 1+R 2

Vo

Vi ( R 1+R 2 )=R 1Vo

Vo=Vi(R 1+R 2)

R 1

Vo=Vi(1+ R 2R 1

)

En este caso:

VoVi

=1+ R 2R 1

VoVi

=1+10 kΩ1 kΩ

VoVi

=1+1 0

VoVi

=11

En este circuito la ganancia es de 11.

6. CONCLUSIONES

Para el modelado matemático de sistemas eléctricos, es importante también tener en cuenta que la representación en variables de estado solo se las realiza a sistemas lineales e invariantes en el tiempo (SLIT).

A la hora de hacer un modelado matemático de un sistema electrico en este caso, el calculo de la función de transferencia por medio de la Transformada de Laplace, es el método más utilizado, pero en ciertos casos, será mucho más conveniente realizar el análisis por medio de la representación de variables de estados.

Para obtener la función de transferencia del sistema es necesario definir el tipo de configuración de amplificador operacional a utilizarse.

En el mercado existe diversos amplificadores, con diversas utilidades, pero al momento del montaje del circuito el usuario debe elegir correctamente el amplificador que abarque las necesidades de cada caso y ayude a cumplir con el objetivo requerido.

LM35 es un sensor de temperatura que no necesita circuitos extras que lo haga funcionar, lo cual hace que se facilite su implementación y manipulación.

Referencias

[1]http://www.monografias.com/trabajos45/amplificadores-operacionales/amplificadores-operacionales.shtml

[2]http://www.pablin.com.ar/electron/cursos/introao1/quees.html

[3]http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-6-teoria.pdf

[4] http://unicrom.com/Tut_OpAmpNoInversor.asp

[5]http://www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADOR-NO-INVERSOR.php

[6]http://www.elai.upm.es/webantigua/spain/Asignaturas/Servos/Apuntes/4_Modelado.pdf

[7]http://pcexpertos.com/2009/10/el-sensor-de-temperatura-lm35.html

[8]http://www.ecured.cu/index.php/Circuito_integrado_LM324