Laboratorio de Integrador Op-Amp de Precisión: Compensación de Corriente de Polarización y Computación Analógica

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Amplificador operacional (modelo 1458, Radio Shack catálogo #276‑038)
• Potenciómetro lineal de 10 kΩ (Radio Shack #271‑1715)
• Dos capacitores no polarizados de 0.1 µF (Radio Shack #272‑135)
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Tres resistencias de 1 MΩ

Cualquier op-amp moderno ejecutará este integrador, pero el LM1458 se elige aquí porque su alta corriente de polarización de entrada magnifica los efectos que aprenderás a contrarrestar. Aunque las altas corrientes de polarización son generalmente indeseables en circuitos de precisión, sirven un propósito educativo en esta demostración.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lessons in Electric Circuits, Volumen 3, Capítulo 8: "Amplificadores Operacionales".

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Demostrar una técnica para limitar el rango efectivo de un potenciómetro.
• Explicar el papel funcional de un integrador en el procesamiento de señales.
• Ilustrar cómo compensar las corrientes de polarización del op-amp.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

El esquema muestra el potenciómetro conectado a los rieles de alimentación a través de dos resistencias de 100 kΩ. Esta configuración limita el rango de salida del potenciómetro, asegurando que una vuelta completa de la rueda produzca solo un modesto swing de ±0.5 V relativo a la referencia de medio riel.

Cuando el cursor está a la extrema izquierda, el voltaje de salida es aproximadamente +0.5 V; a la extrema derecha, es ≈ –0.5 V. Un cursor centrado da una referencia de cero voltios.

Conecta un voltímetro entre la salida del op-amp y la tierra del circuito. Barre lentamente el potenciómetro mientras observas el voltaje de salida. La salida debería cambiar a una tasa establecida por la desviación del cursor desde el centro —efectivamente integrando la señal de entrada en el tiempo.

Con un segundo medidor, puedes mostrar simultáneamente el voltaje del cursor (entrada) y el voltaje de salida, haciendo visible la relación entrada-tasa.

Configurar el potenciómetro para producir cero voltios debería minimizar la tasa de cambio de la salida. Alejarte del punto cero aumenta la pendiente de la rampa.

Intenta agregar el segundo capacitor de 0.1 µF en paralelo con el primero. Duplicar la capacitancia en el bucle de realimentación ralentiza la tasa de integración, alargando la rampa para una posición dada del cursor.

Agregar una cuarta resistencia de 1 MΩ en paralelo con la resistencia de entrada reduce a la mitad la resistencia de entrada efectiva, acelerando la integración. Estas variaciones ayudan a ilustrar cómo los valores de los componentes influyen en la constante de tiempo del integrador.

Los integradores son elementos fundamentales de las computadoras analógicas. Cuando se combinan con amplificadores, nodos de suma y divisores variables, pueden modelar casi cualquier ecuación diferencial lineal, permitiendo a los ingenieros resolver ecuaciones observando niveles de voltaje.

Históricamente, las computadoras analógicas simulaban fenómenos complejos como dinámica de vehículos, trayectorias de cohetes y respuestas de sistemas de control antes de que surgieran los sistemas digitales. Aunque han sido en gran medida superadas, los circuitos constituyentes siguen siendo valiosas herramientas educativas para visualizar conceptos de cálculo.

A continuación, mueve el potenciómetro hasta que el voltaje de salida esté lo más cerca posible de cero, luego desconecta la entrada y cortocircuita el terminal inversor a tierra como se muestra:

Con una entrada exactamente cero, la salida del integrador debería idealmente permanecer constante. En la práctica, notarás que la salida deriva lentamente porque los op-amps reales poseen minúsculas corrientes de polarización que fluyen hacia cada entrada.

Cortocircuita la resistencia de 1 MΩ que pone a tierra la entrada no inversora. Esta "resistencia compensadora" iguala el camino de corriente de polarización en ambas entradas, cancelando el voltaje de offset que de otro modo se integraría. Cuando se puentea la resistencia, la salida comienza a derivar; al reconectarla se restaura la estabilidad.

Después de restaurar la resistencia compensadora, la salida aún puede derivar ligeramente debido al error de voltaje de polarización del op-amp, un tema avanzado más allá de este laboratorio.

SIMULACIÓN POR COMPUTADORA

Esquemático SPICE con números de nodo

Netlist (copia el texto de abajo en un archivo .cir):

 DC integrator
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 

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS

• Hoja de Trabajo de Circuitos Op-Amp con Realimentación Negativa AC
• Hoja de Trabajo de Circuitos Computacionales Lineales