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. El nombre de amplificador operacional deriva
del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una
entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas
características de operación estaban determinadas por los elementos de
realimentación utilizados.
Cambiando los tipos y disposición de los
elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones
analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban
determinadas solo por estos elementos de realimentación. De
esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y
el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al
surgimiento de una nueva era en los conceptos de diseñó de circuitos.
El conocimiento a nivel básico del
amplificador operacional proporciona al diseñador una herramienta de valor
incalculable. Partir del amplificador operacional sin siquiera conocer el
funcionamiento del transistor podría parecer un error.
Esta consideración pierde
importancia si tenemos en cuenta que en la actualidad el transistor como
componente discreto ha quedado relegado a usos muy puntuales, siendo su coste
similar al de un amplificador operacional. Ante esta situación, la respuesta
correcta es disponer en primer lugar de los conocimientos necesarios para
operar con amplificadores operacionales y posteriormente abordar la teoría
clásica de transistor, por ser esta última más compleja.
1)
CIRCUITOS
CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES EN INSTRUMENTACIÓN.
El
amplificador de instrumentación es un amplificador
diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy
precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia
especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los
sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece
características funcionales propias e independientes de los restantes elementos
con los que interacciona. Para ello, se le requiere:
·
Tengan unas características funcionales
que sean precisas y estables.
·
Sus características no se modifiquen
cuando se ensambla con otros elementos.
Características
de un Amplificador de Instrumentación.
·
Son amplificadores con una ganancia
diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000.
·
Su ganancia diferencial se controlada
mediante un único elemento analógicos (potenciómetro resistivo) o digital
(conmutadores) lo que facilita su ajuste.
·
Su ganancia en modo común debe ser muy
baja respecto de la ganancia diferencial.
·
Una impedancia muy alta para que su
ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.
·
Una impedancia de salida muy baja para
que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.
·
Una anchura de banda ajustada a la que
se necesita en el diseño.
Especificación
de un Amplificador de Instrumentación.
Los amplificadores de instrumentación
han sido desarrollados para ser utilizados en sistemas de instrumentación en
los que las características de operación son críticas. Las características de
los amplificadores de instrumentación pueden optimizarse si se diseñan como
circuitos integrados, ya que en este caso, el fabricante puede garantizar el
diseño de los elementos críticos, haciendo que tengan valores precisos y que
las relaciones entre las características de elementos emparejados tengan
razones muy exactas, justo tal como se requiere en su diseño.
Aplicación
de un Amplificador Operacional de Instrumentación.
·
Se usa para acondicionar la salida de un
Puente de Wheatstone[1]
·
Es usado para amplificar señales
eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas).
·
Como parte de circuitos para
proporcionar alimentación a corriente constante.
·
En fuentes de alimentación.
·
en aplicaciones en las que se requiere
gran precisión y estabilidad a corto y largo plazo.
[1]
Un puente de Wheatstone es
un circuito eléctrico que se utiliza para medir resistencias desconocidas
mediante el equilibrio de los brazos del puente
2)
AMPLIFICADOR
MONOLÍTICO.
Es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en
corriente continua que tiene dos entradas y
una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente,
de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus
entradas
El primer amplificador operacional monolítico
construido como circuito integrado, fue desarrollado en 1964 en la
empresa Fairchild Semiconductor por el ingeniero electricista estadounidense Robert
John Widlar y llevó el número de modelo μA702. A éste le siguió el μA709
(1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde
sería sustituido por el popular μA741 (1968), desarrollado por David Fullagar,
y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar, el cual se
convirtió en estándar de la industria electrónica.
Amplificadores Operacionales: Es un elemento activo que posee una ganancia muy alta. Son capaces de
realizar una gran cantidad de funciones dentro de un circuito electrónico ,
dependiendo de cómo se coloque dentro del mismo. Realizan operaciones
matemáticas, como por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores o
comparadores. 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. Son elementos muy usados en la electrónica analógica.
Figura 1: Al observar la imagen nos damos cuenta
que el amplificador operacional cuenta con 5 pines, Los que se encuentran a la
base del triángulo son las dos entradas, la superior es la entrada Inversora, y
la inferior es la entrada no inversora. (s/a)
El voltaje entre la entrada inversora y no
inversora debe ser cero. En la parte superior e inferior al costado del
triángulo el Amplificador cuenta con los dos pines de alimentación, los cuales
se pueden alimentar con tensión sencilla o con tensión simétrica. si en la
salida queremos obtener tensiones positivas y negativas tendremos que usar la
alimentación simétrica, si solo queremos obtener tensiones positivas podemos
usar alimentación simple. A la punta del triángulo se tiene el pin de salida.
El amplificador operacional posee 5 patas, las cuales poseen distintas
funciones:
·
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 se 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.
3)
AMPLIFICADOR
DIFERENCIAL DE PRESIÓN.
Se llama Amplificador Diferencial a un
dispositivo que amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada, pero que
suprime cualquier voltaje común a dichas entradas.Es un circuito
analógico con dos entradas denominadas entrada inversora y entrada no inversora y una sola salida la cual es
idealmente proporcional a la diferencia entre los dos voltajes donde el factor de
proporcionalidad es la ganancia
diferencial del amplificador.
Un amplificador
diferencial produce una salida que es proporcional a la diferencia entre el
voltaje aplicado a las dos terminales de entrada. Como un amplificador
operacional, tiene un par de entradas diferenciales, por lo que éste puede ser
conectarse fácilmente para usarse como amplificador diferencial.
El amplificador diferencial o el par
diferencial suele construirse con dos transistores que comparten la misma conexión de emisor, por la que se inyecta una corriente de polarización.
Las bases de los transistores son
las entradas (I+ e I-), mientras
que los colectores son las
salidas. Si se terminan en resistencias, se tiene una salida también diferencial.
Se puede duplicar la ganancia del
par con un espejo de corriente entre
los dos colectores. Aunque esta descripción se basa en transistores
de unión bipolar, lo mismo se puede hacer en
tecnología MOS o CMOS.
El par diferencial es una base fundamental para
la electrónica analógica. Los amplificadores
operacionales y comparadores de tensión se basan en él. Así
mismo, los multiplicadores analógicos, empleados en calculadoras
analógicas y en mezcladores, están basados en pares diferenciales.
Los amplificadores de
transconductancia también, básicamente, son pares diferenciales. En Electrónica
digital, la tecnología ECL se basa en un par diferencial. Muchos
circuitos de interfaz y cambiadores de nivel se basan en pares diferenciales.
El sensor de presión diferencial tiene la misma
configuración que los sensores de presión relativa y absoluta, donde las
presiones de referencia son la presión atmosférica y la presión cero absolutos.
Para el caso del sensor de presión diferencial, la presión de referencia se
sustituye por un nuevo valor de presión.
El funcionamiento de los sensores de presión diferencial
está basado en dos reglas generales. La primera de estas reglas establece la
máxima presión diferencial Pmax la cual se define por las
características físicas del sensor de presión (2). Esta regla se representa por
las ecuaciones 1 y 2.
La segunda regla está relacionada con la resistencia del
encapsulado del sensor a una presión aplicada de forma simultánea en los dos
puertos de entrada del sensor. Esto significa que ni P1 ni P2 pueden
exceder un cierto valor de presión, como se muestra en la ecuación 3,
donde el parámetro PSystem representa la máxima presión del
sistema o la máxima presión de línea.
En algunos casos, la salida del sensor de presión no es
solamente proporcional a la presión diferencial, sino también (en menor medida)
a la presión de línea. Este último efecto es denominado como sensibilidad del
sensor a la presión de línea.
Métodos de Medidas de Presión: Existen tres métodos
para medir presión: absoluta, manométrica y diferencial. La presión
absoluta está relacionada con la presión en forma aislada, en tanto que
las presiones manométrica y diferencial están relacionadas con otra
presión como atmosférica ambiental o la presión en un contenedor adyacente.
Figura 2. Diagramas de Sensor de
Presión para Métodos de Medidas Diferenciales (s/a)
Presión Absoluta: El método de medida absoluta es relativo a 0
Pa, la presión estática en forma aislada. La presión medida ha sido puesta en
práctica por la presión atmosférica además de la presión de interés. Por
consiguiente, la medida de la presión absoluta incluye los efectos de la
presión atmosférica. Este tipo de medida es ideal para
presiones atmosféricas como aquellas usadas en altímetros o presiones al vacío.
Presión Manométrica: Los métodos de medida manométrica y diferencial están
relacionados con otras presiones dinámicas. En el método manométrico, la
referencia es la presión atmosférica ambiental. Esto significa que la
referencia y la presión de interés son puestas en práctica por las presiones
atmosféricas. Por consiguiente, la medida de la presión manométrica incluye los
efectos de la presión atmosférica. Estos tipos de medidas son fáciles de
identificar en ejemplos como medidas de presión de neumáticos y presión
arterial.,
Presión Diferencial: La presión diferencial es muy similar a la presión manométrica, sin
embargo, la referencia es otro punto de presión en el sistema más que la
presión ambiental. Puede usar este método para mantener una presión relativa
entre dos contenedores como tanque de compresor y línea de transmisión asociada
Figura 3. Tipos de Sensor de
Presión. Autor: Chen (2017)
Principio de funcionamiento.
El amplificador diferencial
básico tiene 2 entradas V1 y V2. Si la tensión de V1 aumenta, la corriente
del emisor del transistor Q1 aumenta (acordarse que IE = BxIB), causando una
caída de tensión en Re.
Si la tensión de V2 se mantiene constante,
la tensión entre base y emisor del transistor Q2 disminuye,
reduciéndose también la corriente de emisor del mismo transistor. Esto
causa que la tensión de colector de Q2 (Vout+) aumente.
La entrada V1 es la entrada no inversora de
un amplificado operacional.
|
Figura
4: Amplificador diferencial. Autor EcuRed (s/f)
 |
Del mismo modo cuando la tensión en V2
aumenta, también aumenta la la corriente de colector del transistor Q2,
causando que la tensión de colector del mismo transistor disminuya, (Vout+)
disminuye. La entrada V2 es la entrada inversora del amplificador operacional.
Si el valor de la resistencia RE fuera muy grande, obligaría a la
suma de las corrientes de emisor de los transistor Q1 y Q2, a mantenerse
constante, comportándose como una fuente de corriente. Entonces, al
aumentar la corriente de colector de un transistor, disminuirá la corriente de
colector del otro transistor. Por eso cuando la tensión V1 crece, la tensión en
V2 decrece.
Presión diferencial: Es la diferencia de presión entre
dos presiones aplicadas. Estos sensores son muy útiles para determinar la
diferencia de presión entre dos sitios o sistemas y son usados frecuentemente
en la calculación de flujos, filtración, niveles de fluidos, densidad y
viscosidad.
Figura 5: Manómetro digital Additel 681 DP con la bomba
Additel 901. Autor: Additel Corporation (2015)
4)
AMPLIFICADOR
DIFERENCIAL DE NIVEL.
Trasladador de nivel o cambiador de
nivel: Sin necesidad de usar capacitores (si el
amplificador operacional está operando hasta DC.), esto es necesario para
cambiar el voltaje de reposo de una etapa antes de aplicar la salida a la etapa
siguiente.
El
cambio de nivel también se requiere para que la salida sea cercana a cero en el
estado de reposo (sin señal de entrada).
La
resistencia de entrada de la etapa cambiadora de nivel podría ser elevada para
evitar cargar la etapa de ganancia anterior. Similarmente, es deseable que la
resistencia de salida sea baja para impulsar efectivamente una etapa de salida.
Un
seguidor emisor puede servir como separado simultáneamente, como un cambiador
de voltaje.
Figura 6:
Si el voltaje de salida V0 se toma en el emisor, entonces, el cambio de nivel
es Vo-Vi=VBE = -0,7 V. Si este cambio no es suficiente,
la salida podría ser tomada en la unión de dos resistencias en la pierna del
emisor, como se ve en (a). Autor:
Jaramillo (2012).
La caída de voltaje se
incrementa entonces por la caída a través de R1. La desventaja con este arreglo
es que el voltaje de la señal sufre atenuación de
Esta dificulta se obvia
reemplazando R2 por una fuente de corriente I0 como se muestra en (b). El
cambiador de nivel es ahora V0-Vi=-(VBE+I0.R1), y no hay atenuación en la señal
de AC, por la muy alta resistencia de la fuente de corriente.
Otro trasladador de
voltaje es indicado en (c), donde el Diodo
Zener[2] es usado. Entonces V0-Vi=-(VBE+Vz).
Un número de diodos PN
polarizados directamente podrían ser usados en lugar del diodo zener.
Si la resistencia
dinámica del diodo zener (o de la cadena de diodos) pequeña comparada con R2, la atenuación de la
señal podría ser despreciable
[2]
El diodo Zener es un diodo de silicio fuertemente dopado que se ha
construido para que funcione en las zonas de rupturas.
5)
AMPLIFICACIÓN
DE INSTRUMENTACIÓN PARA MEDIR PH.
El medidor de pH[3]
es un instrumento utilizado para medir la acidez o la alcalinidad de una
solución, también llamado de pH. El pH es la unidad de medida que describe el
grado de acidez o alcalinidad y es medido en una escala que va de 0 a 14.
Las informaciones cuantitativas dadas por el valor del
pH expresan el grado de acidez de un ácido o de una base en términos de la
actividad de los iones de hidrógeno. El valor del pH en determinadas sustancia
está directamente relacionado a la proporción de las concentraciones de los iones
de hidrógeno [H+] e hidroxilo [OH-].
Si la concentración de H+ es mayor que la de OH-, el
material es ácido; el valor del pH es menor que 7. Si la concentración de OH-
es mayor que la de H+, el material es básico, con un pH con valor mayor que 7.
Si las cantidades de H+ y de OH- son las mismas, el material es neutral y su pH
es 7.
Medición de
pH.
Una indicación aproximada del pH puede ser obtenida
usando indicadores o cintas de pH, que cambian de color en función de la
variación del nivel de pH. Esos indicadores presentan limitaciones en términos
de exactitud y pueden ser difíciles de interpretar correctamente en muestras
oscuras o coloridas.
Mediciones
más exactas son obtenidas usando un medidor de pH. El sistema de medición es
formado por tres partes: un electrodo de medición de pH, un electrodo de
referencia y un medidor de alta impedancia de entrada.
¿Por qué medimos el pH?
·
Para obtener productos con
propiedades definidas
·
Para obtener productos con menor costo
·
Para evitar daños a las personas,
materiales y medio ambiente
·
Para cumplir reglamentos y legislaciones
·
Para adquirir nuevos
conocimientos
El valor del pH
en el agua, es utilizado también cuando nos interesa conocer su tendencia
corrosiva o incrustante, y en las plantas de tratamiento de agua. Un pH muy ácido o muy alcalino, puede ser
indicio de una contaminación industrial.
¿Para qué se
utiliza un medidor el pH?
El medidor de pH se usa en todos
aquellos ámbitos donde es importante detectar este valor. Estos ámbitos son
laboratorios, instalaciones industriales y piscinas. Sobre todo en piscinas
privadas, situadas al exterior, es necesario controlar el valor pH. Este valor
indica cuan ácida o alcalina está el agua
Además, un valor de pH que se desvíe
mucho puede causar daño a materiales y el cuerpo humano. Si el valor es
demasiado bajo, puede causar daños en fugas o corrosión en metales. Si el valor
es demasiado alto puede provocar picores en la piel, pues se está dañando la
capa protectora de nuestra piel.
¿Dónde es
medido el pH?
·
Intercambiadores de calor
·
Evaporadores
·
Tratamiento de Efluentes
·
Agua de proceso o potable
·
Líneas del proceso
·
Reactores
·
Calderas
·
Torres de Enfriamiento
·
En cualquier lugar donde se use agua...
[3]
El término pH es derivado de
"p", el símbolo matemático para logaritmo del inverso y
"H", el símbolo del elemento químico "Hidrógeno".
[4] Ingrese directamente al recurso interactivo en: https://www.goconqr.com/es-CL/p/10681632-MEDIDOR-DE-PH-mind_maps
Figura 8:
Mapa Conceptual sobre Tipos de Medidor de pH. Autor: Betancourt 2017
CONCLUSIÓN.
Una vez culminada la investigación podemos decir lo siguiente:
Un amplificador
operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene
capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes. Que pueden
ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional. Y por
medio de Operaciones lógicas básicas.
Si existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos
analógicos ese elemento es sin duda el amplificador operacional. Con él
podremos amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc. Los sistemas de
control analógico encuentran en el amplificador operacional un elemento de
conmutación sumamente simple e incluso años atrás fue empleado para el diseño
de computadoras analógicas (de ahí el nombre de operacionales).
Además,
hoy en día su utilidad
es indispensable, ya que es utilizado para la fabricación de productos
eléctricos. Ya sean electrodomésticos, computadoras, televisores, lavadoras.
Porque se emplean también en cada una de ellas para su diseño, las operaciones
básicas lógicas. Y que sin ellas no tendríamos el avance tecnológico que
tenemos hoy en día y que seguiremos disfrutando.
BIBLIOGRAFIA.
Additel Corporation., (2014). Calibración de sensores de presión
diferencial. [Artículo en Línea]. Consultado el 04/10/2017.
Recuperado de: http://primametrology.com/es/recurso/articulos-de-interes/item/8-calibracion-de-sensores-de-presion-diferencial
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Amplificadores operacionales. [Artículo en Línea]. Consultado el 04/10/2017.
Recuperado de: https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Amplificadores-Operacionales.php
Instrumentación electrónica., (2017). Amplificador de instrumentación
electrónica. [Artículo en Línea]. Consultado el 04/10/2017.
Recuperado de: https://bloginstrukarime.wordpress.com/2013/04/09/amplificador-de-instrumentacion/
Jaramillo M., (2012).
Trasladador o Cambiador de nivel DC.
[Documento en línea]. Consultado el 03/10/2017. Recuperado de: https://es.slideshare.net/ManuelGmoJaramillo/trasladador-o-cambiador-de-nivel-dcclase-9
OMEGA Engineering inc.,
(2017). Medidor de pH
[Base de Datos en Línea]. Consultado el 03/10/2017. Recuperado de: https://www.pce-instruments.com/espanol/instrumento-medida/medidor/medidor-de-ph-kat_70094_1.htm
PCE
Holding GmbH., (2017). Medidores de pH [Artículo en Línea]. Consultado el 03/10/2017.
Recuperado de: https://cl.omega.com/prodinfo/medidores-de-pH.html
Torres
I,. (2013). Amplificadores
operacionales y Aplicaciones. [Documento en línea]. Consultado el 05/10/2017.
Recuperado de: http://www.fim.umich.mx/teach/ifranco/notas/C4-Amplificadores%20operacionales%20y%20aplicaciones_E.pdf
Universidad de
Cantabria., (2017). Amplificadores de instrumentación. [Documento en Línea]. Consultado
el 04/10/2017. Recuperado de: https://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_3.pdf
Vista Satelital., (s/f).
El Amplificadores de Operacional. [Artículo en Línea]. Consultado
el 05/10/2017. Recuperado de: http://www.viasatelital.com/proyectos_electronicos/amplificador_operacional_lab.htm
Créditos:
Rafael
Fuenmayor
