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Amplificadores Operacionales


Enviado por   •  10 de Agosto de 2014  •  3.382 Palabras (14 Páginas)  •  267 Visitas

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Práctica 2. Circuitos comparadores

1. Objetivos • Conocer el funcionamiento de circuitos comparadores empleando Amplificadores Operacionales. • Conocer el funcionamiento de elementos auxiliares como el NTC y LDR. • Saber diseñar el circuito comparador mediante el cálculo de todos los componentes necesarios.

2. Circuito comparador simple no inversor. El primer circuito a realizar en esta segunda práctica de laboratorio se trata de un circuito comparador simple no inversor utilizando un amplificador operacional. También se empleará un transistor NPN para disparar un LED dependiendo de la comparación realizada en el amplificador a partir de la temperatura tomada en un NTC. Este circuito a montar en el laboratorio se muestra en la siguiente imagen (Figura 1):

Figura 1. Circuito comparador mediante un amplificador operacional y un transistor NPN

El circuito realiza una comparación de los niveles de tensión que el amplificador operacional posee en sus entradas y hará que el transistor Q conduzca o no (encendiendo el LED o apagándolo) dependiendo de la salida. El amplificador dará una salida alternante entre los valores de aproximadamente 11V y -11V (VCC y VEE con un error de ±1V) no invertida dependiendo si el valor de referencia (entrada + o no inversora del amplificador) es mayor o menor, respectivamente, del valor proporcionado en la entrada de comparación (entrada – o inversora del amplificador). El valor de la entrada + se encuentra fijado por los valores de resistencias R2 y R3, pero el de la entrada – se halla conectado a un sensor resistivo de temperatura NTC (Negative Temperature Coefficient). Como se vio en la práctica de simulación, un sensor NTC reduce su resistencia al aumentar su temperatura y viceversa (véase el manual de la práctica de simulación para más información del elemento NTC). Por lo tanto, dependiendo de la temperatura que detecte el NTC, aumentará o disminuirá su resistencia, haciendo que cambie la tensión en la entrada –, y que la comparación del amplificador conmute entre los valores ±12V. El diodo conducirá o no, haciendo que al transistor Q le llegue o no una corriente de base para que conduzca (modo saturación) o no (modo corte). Al conducir, el LED se encenderá.

Laboratorio Integrado de Ingeniería Industrial Práctica 2

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2.1 Diseño del circuito. En el diseño del circuito se calculan los valores de cada uno de los componentes. En este caso, se deberá calcular el valor de R1, R2, R3, R4, R5 y R6. Como datos, se tienen los datasheets de los componentes siguientes: amplificador operacional, transistor, LED y NTC. A continuación se muestra una lista de la referencia comercial de los componentes a utilizar y los parámetros más importantes para el diseño del circuito: - Amplificador operacional: LM741CN. - Transistor NPN: BC547C. - LED: L53SGD (difuso verde). - NTC: ND03 NTC Thermistor. - Diodo: 1N4148. Seguidamente se va a mostrar cómo se realiza el diseño del circuito para obtener el valor de las resistencias R1 a R6. Se va a comenzar con el cálculo de R6 a partir de los valores proporcionados en el datasheet del LED (referencia comercial L53SGD) para que conduzca y se ilumine. Esta situación ocurrirá cuando el transistor Q entre en saturación y conduzca. Según el datasheet del transistor BC547C, su tensión VCE en saturación (VCEsat) varía entre 0,09V y 0,6V en función del valor establecido para IC. Para este caso, se va a suponer que existe una caída de VCE = 0,2V, que es lo típico. El datasheet del LED informa sobre un valor máximo de 2,3V para la tensión directa (VF), para un valor de 25mA de intensidad de corriente directa máxima (IFmax). Considerando unos valores para el LED de tensión directa de 2,2V e intensidad de corriente de 15mA se puede realizar el siguiente cálculo:

Ya resuelto el valor de la primera resistencia, y sabiendo que la corriente que se ha utilizado para la activación del LED es la corriente de colector del transistor Q (IC), se van a calcular las resistencias R4 y R5 a partir de la corriente de base IB. Previamente, es necesario calcular la corriente de base IB, suponiendo que el transistor va a funcionar en modo saturación. Observando el datasheet del transistor utilizado (BC547C), se determina que la ganancia β varía entre 270 y 520 en función e IC. Para el cálculo de IB se considerará β=300, y se tomará IB diez veces mayor para asegurar la saturación.

Con el valor de IB, es posible calcular los valores de R4 y R5. Para ello, se plantea una corriente de salida del amplificador operacional de 10·IB, regla típica de diseño utilizada para circuitos con transistores NPN con un divisor de tensión (R4 y R5). Por lo tanto, el valor de IS (véase cálculos siguientes), se plantea con este valor para el diseño del circuito. A partir del valor de IS, se calcula el valor de IR5, ya que

mAmAmAII mAIIII BB C BBc ,50500,05100, ,050 300 1510 3 ⋅=→=> = ⋅ >=⋅→< − β β

⋅ −−

=

⋅++⋅= =+⋅+= − − 640 1510 ,2202,126 ,2601510,2122 61512 3 3 R R ImARUVI CECLEDC

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se sabe el valor de IB. Teniendo el valor de esta corriente, y sabiendo que el valor de UBE en el transistor NPN en saturación es aproximadamente de 0,7V (véase el valor VBEsat del datasheet del BC547C), es posible calcular el valor de R5. Además, el valor de R4 se puede computar sabiendo que la salida del amplificador, cuando el diodo conduce, es aproximadamente de +11V y que en el diodo hay una tensión VD=1V según su datasheet. A continuación, se muestran los cálculos de R4 y R5 comentados en este párrafo:

Con los cálculos vistos hasta el momento, se ha calculado la parte de la salida del amplificador. Ahora se va a mostrar los cálculos de la parte de la entrada, donde se encuentra el elemento de referencia NTC. En primer lugar, se va a plantear un valor de VREF en el nodo positivo de +6V, que es la mitad de el valor proporcionado de +12V. Para ello, tan sólo es necesario que R2 y R3 tengan un mismo valor, por ejemplo de 1KΩ cada una, ya que por la entrada + del operacional no circula corriente.

Finalmente, se van a realizar los cálculos pertinentes con la NTC, suponiendo que se desea que el circuito comparador detecte los cambios cuando la resistencia esté a 50ºC o a 25ºC. El cambio en la resistencia hará que la entrada – del amplificador tenga

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