Integrador

PIEZAS Y MATERIALES

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

Casi cualquier modelo de amplificador operacional funcionará bien para este experimento de integrador, pero estoy especificando el modelo 1458 sobre el 353 porque el 1458 tiene corrientes de polarización de entrada mucho más altas. Normalmente, una alta corriente de polarización de entrada es una mala característica para un amplificador operacional en un circuito amplificador de CC de precisión (¡y especialmente en un circuito integrador!). Sin embargo, quiero que la corriente de sesgo sea alta para que sus efectos negativos sean exagerados y para que aprenda un método para contrarrestar sus efectos.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionales"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para mostrar un método para limitar la amplitud de un potenciómetro
• Para determinar el propósito de un circuito integrador
• Para ilustrar cómo compensar la corriente de polarización del amplificador operacional

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

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 rango del potenciómetro para que el movimiento completo produzca un rango bastante pequeño de voltajes de entrada para que opere el amplificador operacional.

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 limpiador del potenciómetro. En el otro extremo del 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 cambiar 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 el voltaje de salida tasa de cambio en el tiempo . Esto es precisamente lo opuesto a la diferenciación , donde la derivada de una señal o función es su tasa instantánea de cambio.

Si tiene dos voltímetros, puede ver fácilmente esta relación entre el voltaje de entrada y la tasa de cambio de voltaje de salida. midiendo el voltaje del limpiaparabrisas (entre el limpiador del potenciómetro y tierra) con un medidor y el voltaje de salida (entre el terminal de salida del amplificador operacional y tierra) con el otro.

Ajustar el potenciómetro para dar cero voltios debería resultar en la tasa de cambio de voltaje de salida más baja. Por el contrario, cuanto más voltaje ingrese 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 circuito de retroalimentación del amplificador operacional. ¿Qué efecto tiene esto en la tasa de integración del circuito para cualquier posición del potenciómetro dada?

Intente conectar otra resistencia de 1 MΩ en paralelo con la resistencia de entrada (la resistencia que conecta el limpiador del potenciómetro al terminal inversor del amplificador operacional). Esto reducirá 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, summers y potenciómetros (divisores), se puede modelar casi cualquier ecuación diferencial y se pueden obtener soluciones midiendo los 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 del advenimiento de las computadoras digitales modernas, los ingenieros usaban computadoras analógicas para simular procesos como la vibración de la maquinaria, la trayectoria del cohete y la respuesta del sistema de control. Aunque las computadoras analógicas se consideran obsoletas según los estándares modernos, sus componentes constitutivos aún funcionan bien como herramientas de aprendizaje para conceptos de cálculo.

Mueva el potenciómetro hasta que el voltaje de salida del amplificador operacional esté tan cerca de cero como pueda, y mueva lo más lento que pueda. Desconecte la entrada del integrador del terminal del limpiaparabrisas del potenciómetro y conéctelo a tierra, así:

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

Con la entrada del integrador aún en cortocircuito a tierra, pase 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, por lo que al hacer un cortocircuito, veremos qué función proporciona en este real circuito de amplificador operacional:

Tan pronto como la " puesta a tierra "Si la resistencia está en cortocircuito con un cable de puente, el voltaje de salida del amplificador operacional comenzará a cambiar o desviarse. Idealmente, esto no debería suceder, porque el circuito integrador todavía 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 reducirán el voltaje a través de cualquier resistencia en su camino.

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 en sus terminales debido a la corriente de polarización, por lo tanto, " compensación ”La cantidad de voltaje de señal que se ve en el terminal inversor del amplificador operacional. Si la otra entrada (no inversora) está conectada directamente a tierra como lo hemos hecho aquí, este " desplazamiento ”El voltaje incurrido 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 " puesta a tierra ”La resistencia se conoce mejor como 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 del amplificador operacional son aproximadamente iguales entre sí, una cantidad igual de resistencia colocada en la ruta de cada corriente de polarización producirá aproximadamente la misma caída de voltaje. Las caídas de voltaje iguales observadas en las entradas complementarias de un amplificador operacional se cancelan entre sí, anulando así el error inducido por la corriente de polarización.

Retire el cable de puente que hace un cortocircuito más allá de la resistencia de compensación y observe cómo la salida del amplificador operacional vuelve a un estado relativamente estable. Es posible que aún se desvíe un poco, probablemente debido al voltaje de polarización error en el amplificador operacional en sí, ¡pero ese es otro tema!

SIMULACIÓN DE COMPUTADORA

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (haga un archivo de texto que contenga el siguiente texto, literalmente):

 Integrador de CC vinput 1 0 dc 0.05 r1 1 2 1meg c1 2 3 0.1u ic =0 e1 3 0 0 2 999k .tran 1 30 uic .plot tran v (1,0) v (3,0) .end 

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