Amplificadores Operacionales y su uso en la electrónica

En esta entrada escribiremos acerca de los amplificadores operacionales y el uso que se les da en la electrónica mediante sus diferentes configuraciones. Estas permiten realizar funciones  especiales dentro de circuitos electrónicos, y por supuesto, en combinación con Arduino

En esta ocasión les traigo un post acerca de los amplificadores operacionales, los cuales son muy importantes en el mundo de la electrónica. De hecho muchos dispositivos electrónicos avanzados (como Arduino por ejemplo) están basados en amplificadores operacionales. Los circuitos integrados de hoy día poseen miles y millones de componentes en su interior, entre los cuales destaca el amplificador operacional.

¿Qué es un amplificador operacional?

Los amplificadores operacionales, también llamados Op Amp por sus siglas en inglés, son dispositivos electrónicos capaces de realizar una gran cantidad de funciones dentro de un circuito electrónico , dependiendo de la como se coloque dentro del mismo.

El amplificador operacional posee 5 patas, las cuales poseen distintas funciones:

En los amplificadores operacionales se cumplen algunas condiciones:

• La impedancia entre las entradas inversora y no inversora es infinita, por lo que no hay corriente de entrada.
• La diferencia de potencial entre las terminales inversora y no inversora es, o debe ser nula.
• No hay corriente entrando o saliendo de las patas inversora y no inversora.

Con dichas condiciones basta para conocer el funcionamiento de los amplificadores operacionales. El símbolo del amplificador operacional es el de un triángulo en cuya base de colocan las patas inversora y no inversora. En el vértice superior se coloca la salida. En los lados del triángulo se colocan las entradas del voltaje que se necesita para hacer efectiva la amplificación.

Usos del Amplificador Operacional

Como su nombre lo indica, el amplificador operacional es un dispositivo que puede aumentar cualquier tipo de señal, sea de voltaje o de corriente, de corriente alterna o de corriente directa.

Ahora vamos a ver como es que se da este proceso y las diferentes configuraciones con las que puede trabajar este dispositivo.

El Amplificador Operacional como comparador

Una de las funciones principales del amplificador operacional es la de comparador. Una de las condiciones que se debe cumplir para utilizar el amplificador operacional es que el voltaje entre la entrada inversora y no inversora debe ser cero.

Si establecemos un voltaje fijo en la terminal inversora, pero en la pata no inversora tenemos un voltaje menor a dicho potencial, la salida del amplificador será nula, es decir, no habrá voltaje en la salida.

Si igualamos el voltaje en las terminales inversora y no inversora, la salida de voltaje será efectiva.

Esta función es utilizada en los comparadores lógicos que conforman los conversores de Análogo a Digital.

Los voltímetros y por extensión la mayoría de los instrumentos de medición digitales están basados en comparadores lógicos y conversores de análogo a digital.También pueden ser utilizados para comparar niveles de voltajes o en protecciones contra sobre corriente. Los usos que le podamos dar al comparador los podremos estudiar a profundidad en futuros aportes.

El Amplificador Operacional no inversor

Esta configuración permite aumentar el nivel del voltaje en una señal de entrada de tal forma que la señal que entra en la pata no inversora sale amplificada del dispositivo. Pero, ¿cómo sucede esto? Hagamos un análisis sencillo… Si el voltaje en las terminales inversora y no inversora es el mismo, entonces podemos suponer que el voltaje entre R1 y R2 es el mismo que el voltaje de entrada.

Según la Ley de Ohm la corriente es igual al voltaje entre la resistencia. La Ley de Las Corrientes de Kirchhoff establece que la corriente que entra a un nodo es la misma corriente que sale del mismo. Basados en estos dos conceptos, podemos analizar las corrientes que entran al Nodo a analizar que es el que se forma entre las resistencias R1 y R2.

La corriente que entra al nodo es resultado de dividir voltaje entre resistencia, donde el voltaje será la diferencia entre voltaje de salida y voltaje de entrada. Se supone que la corriente va del mayor potencial al menor potencial y se asume que el voltaje de salida es mayor que el de entrada. De ahí se asume el sentido de las corrientes.

Luego la corriente de salida será igual al voltaje de entrada menos el voltaje en tierra (0 voltios) entre la resistencia. Si reducimos la expresión obtendremos la siguiente ecuación:

Podemos hacer una prueba con el simulador. Si queremos obtener el doble de un voltaje de entrada, los valores de R2 y de R1 deben ser idénticos.  Usaremos como voltaje de entrada 3 voltios.

Ahora en el simulador:

Con esto se comprueba que la ecuación del amplificador no inversor se cumple. Cabe destacar que los valores de R1 y R2 los podemos escoger siempre y cuando sean iguales. Todo va a depender de cuanta corriente queremos que halla en la salida.

El Amplificador Operacional como inversor

El amplificador operacional inversor logra invertir un voltaje de entrada a la vez que lo amplifica. El análisis es simple. Una vez más el voltaje en la para inversora y en la no inversora es el mismo. Como en la terminal no inversora el voltaje es cero (GND), entonces hacemos un análisis en el nodo que se forma entre R1 y R2.

Si hacemos un análisis en el nodo que se señala en la figura obtenemos lo siguiente:

La corriente que entra es el resultado de dividir el voltaje de entrada menos el voltaje en las terminales inversoras y no inversoras (es el mismo) entre la resistencia R1. Recordemos que no entra ni sale ninguna corriente entre las terminales inversora y no inversora. Esto quiere decir que la corriente que entra será igual a la que sale. La corriente que sale es el resultado de dividir la diferencia en el voltaje en las terminales inversora y no inversora menos el voltaje de salida entre la resistencia.

Si llevamos todo a una expresión final en donde el voltaje de salida quede expresado en función del voltaje de entrada, obtenemos:

Si utilizamos los valores que aparecer en la figura de arriba obtenemos:

Vsalida = -(5)(1k/1k)=-5 voltios

Como podemos observar, la simulación coincide con nuestros cálculos. Si queremos duplicar el voltaje a la vez que lo invertimos, el valor de R2 debe ser el doble del de R1, para que el V de entrada sea duplicado.

Las relaciones entre las resistencias R1 y R3 son las que indican el factor multiplicador del voltaje de entrada el cual siempre tendrá signo inverso.

El Amplificador Operacional como sumador inversor

El amplificador operacional sumador permite al usuario sumar varios niveles de voltaje a la vez que se invierte el signo del voltaje.

El análisis de esta configuración es el siguiente:

Utilizando la Ley de las Corrientes de Kirchhoff se obtiene:

Cabe destacar que a esta expresión se le pueden agregar más fases, por lo tanto más voltajes. Una vez más todo dependerá de las relaciones en las resistencias. El resultado es el siguiente:

La salida es la suma de todos los voltajes (2+3+4=9) pero con signo invertido. Esta configuración es muy utilizada en los convertidores de digital a análogo para transformar señales digitales a niveles de voltaje análogo.

Existen otras configuraciones como el restador de voltaje, el integrador ideal, el diferenciador ideal y la función exponencial y logarítmica, sin embargo por el momento no vamos a utilizar dichas configuraciones para nuestros diseños, los cuales están enfocados en proyectos basados en Arduino.

Espero que el material presentado sea de mucha utilidad para todos ustedes. Saludos.