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Practica 1. Configuraciones Bsicas Reyes Das G.*, Hernndez Prez G.*, Villafuerte Pereyra J.M.*

*Facultad de Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Resumen- Se presentaran los resultados y observaciones hechas por el equipo al aplicar distintas configuraciones bsicas de amplificadores operacionales para aplicarlos al control de los motores de un robot hexpodo controlado por luz. El control de movimiento se realiza mediante tres configuraciones diferentes de amplificador operacional, el primero es un sistema de control de lazo abierto, el segundo es sistema restador y por ltimo un sistema integrador.

I. INTRODUCCION

Tal como se ha visto en clase, en aplicaciones de ingeniera los amplificadores operacionales se encuentran conectados en cadenas de ganancias, los cuales se resumen en un sistema de elementos electrnicos puestos a disposicin para un fin comn, en este caso el control de un hexpodo. Como podr observarse a lo largo de los experimentos y observaciones descritas, las combinaciones de las distintas configuraciones dan como resultado diferentes formas de comportamiento del sistema a una misma seal de entrada. Para esta prctica, se usaron las siguientes configuraciones bsicas del Amplificador Operacional:

Amplificador Inversor: La ganancia en este amplificador est definida segn la resistencia de referencia Rf y la resistencia R de la siguiente manera:

= ...(1) Es decir tendremos una amplificacin o reduccin en funcin de los valores de resistencia antes mencionados.

Amplificador Seguidor: Aqu la ganancia obtenida es unitaria, pero el fin de este amplificador es el de ser un acoplo de impedancias, esto con el objetivo de que si existe algn corto circuito en la etapa de potencia o bien en las etapas anteriores a este amplificador, el seguidor cumpla con la funcin de fusible y se dae este en lugar de todos los componentes que conforman al circuito. La ganancia en esta configuracin es:

= 1...(2)

Amplificador Restador: Este tipo de configuracin sirve para realizar una resta de los voltajes de entrada adems de pasar por una etapa de amplificacin posterior en la cual la salida es la resta promedio de los voltajes de entrada para luego someterse a una etapa de amplificacin inversora.

Amplificador Integrador: La ganancia de este tipo:

= 1 () + (3)

II. METODOLOGA 1. Se identificaron los tres ejercicios a realizar junto

con las configuraciones de cada uno. 2. Se simularon los circuitos en Proteus ISIS para ver

su funcionamiento y evaluar que el diseo alambrado corresponde a lo que se busca.

3. Se hizo el anlisis de seales y el anlisis numrico para dos de los tres circuitos.

4. Se implementaron los circuitos en protoboard. 5. Se probaron los circuitos y se calibraron para

permitir que el cambio en la intensidad luminosa accionara el motor del hexpodo.

6. Se visualizaron las seales de entrada y salida en el osciloscopio.

7. Se obtuvieron resultados y conclusiones del comportamiento de las diferentes configuraciones bsicas.

Para esta prctica se nos proporcion a cada integrante los diagramas de los circuitos a implementar, los cuales nombramos como circuitos con comparacin de lazo abierto, circuito con restador y circuito con integrador. Adems, no solo se trat de observar la forma en que se presentan los corrimientos debido al voltaje de desfasamiento en los amplificadores operacionales, esto mediante una sencilla prueba realizada en un amplificador modelo LM741 y LM324.

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Figura 1. Diagrama de conexin para prueba de Voltaje de desfasamiento en el LM741

Figura 2.Diagrama de conexin para prueba de voltaje de desfasamiento en el LM324

III. RESULTADOS Se obtuvieron resultados esperados en la primera parte, para la comprobacin del Input Offset Voltage tuvimos un corrimiento de 0.82 [V], lo que es mucho ms de los que las hojas de especificaciones nos indican. Para la parte que comprende la cadena de ganancias, realmente fue muy sencillo, despus de que se regulaba la sensibilidad del comparador con el potencimetro, cuando la foto resistencia ya no reciba la cantidad de luz suficiente el amplificador entraba en saturacin, llevando el voltaje a 9[V], pasaba al seguidor y despus a la base del transistor saturndola, lo que nos proporciona un tipo de control on-off y hacia funcionar el motor.

Anlisis de cargas cuando LDR = 1[M] / R2=50k Vi=

()()

= 0.81 Vb=

()(/)

= 4.5 Comparador: V01=Vi-Vb=0.81-4.5=-3.68V .: Se satura en nivel Bajo = 0V Seguidor: V02=V01 V02=0V .:No hay seal del transistor y no enciende el motor.

Anlisis de cargas cuando LDR = 15[k] / R2=50k Vi=

()()

= 7.82 Vb=

()(/)

= 4.5 Comparador: V01=Vi-Vb=7.82-4.5=3.32V .: Se satura en nivel Alto = 9V Seguidor: V02=V01 V02=9V .:Hay seal del transistor y por lo tanto enciende el motor.

En el osciloscopio se observaba el cambio sbito de voltaje, se observaba sin luz unos pocos milivolts, y cuando reciba luz la salida estaba 9 [V], cuando se bloqueaba el motor, se observaba una cada sbita de voltaje debido a la relativa gran demanda de corriente del motor al amplificador. Imagen 1. Circuito creado para lazo abierto

CIRCUITO CON RESTADOR:

1) Tericamente el corrimiento provocado por el VIO y VIIO para el amplificador LM324 es de 0.452mV, comprubalo, conectado el Amplificador Operacional LM324 en forma diferencial como se muestra en la figura y anota el valor obtenido en la prctica.

Para comprobar el corrimiento provocado por el VIO y VIIO para el amplificador LM324 el cual es tericamente de 0.452mV se hizo una simulacin en ISIS se puede apreciar que obtenemos 10.9 V al simularlo. Sin embargo, al conectar

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el modelo fsico en la protoboard pudimos observar un voltaje de 10.83V

Figura 3.Simulacion del amplificador LM324

2) Realizar el anlisis de seal, anlisis numrico de la cadena de ganancias e implementar el sistema.

Anlisis de seal y cadena de ganancias cuando el potenciometro se encuentra a 100k = 9 = 100 + 120100 100200 (9) 120100 (9) = 220100 100200 (9) 120100 (9) = (2.2)[0.5](9) [1.2](9) = 9.9 10.8 = 0.9 = = 0.9

3) Calibra el restador para censar a una distancia de 3cm del sensor. Empleando nuevamente Proteus ISIS se puede tener una aproximacin de lo que suceder con el modelo fsico.

Analizando la cadena de ganancias se puede observar que el voltaje que sale del seguidor uno vara dependiendo de la calibracin del sensor pero entrega el mismo voltaje que recibe, posteriormente en restador realiza la diferencia entre sus entrada para finalmente amplificar la seal para pasar al ltimo seguidor, el problema que se presento es que el transistor no se satura por lo tanto los motores jams se detienen para ello habra que cambiar la calibracin de la resistencia variable, se puede observar que entre la Imagen 2.6 y la Imagen 2.7 el voltaje de salida del segundo seguidor cambia debido a que al variar el potencimetro la salida del restador puede ser negativa y en ese caso le salida del segundo seguidor se estanca en 1.5 V aproximadamente para cualquier valor negativo que le entrega el restador.

4) Elimina R9, observa el desempeo del sistema en el osciloscopio y con el hexpodo; argumenta su utilidad y desempeo.

Si no se tuviera la resistencia 9 el voltaje que saldra del restador sera un voltaje positivo que finalmente producira un aumento de velocidad en los motores.

Imagen 2. Circuito creado para el restador

CIRCUITO CON INTEGRADOR: Al observar el comportamiento del sistema de control primero se observ la desventaja del uso de capacitores electroltico, ya que por no conectarse la ganancia de manera correcta el sistema no funciono como se esperaba. Una vez corregido este error, se observ que el sistema reaccionaba de una mejor manera en condiciones similares al del circuito con comparador de lazo abierto, ya que a la presencia de las pequeas perturbaciones que paraban al motor en el circuito de comparador de lazo abierto, el circuito con integrador no mostraba ser susceptible. Pero, una vez que se modific el valor del capacitor, la respuesta a estas pequeas perturbaciones era an mejor, aunque cuando se llegaba a los valores en los cuales el motor deba de parar, este cambio tardaba en llegar. Esto se debe al tiempo de carga y descarga del capacitor segn con la resistencia que este tiene conectado en paralelo, ya que al aumentar la capacitancia, este aumento de tiempo de carga del capacitor es lo que lo hace menos vulnerable a los ruidos presentes por el medio ambiente, ya que estos no se presentan con la duracin suficiente como para afectar el valor del sistema, pero es este mismo efecto el cual es culpable de que el sistema tenga un tiempo de respuesta total mayor.

Imagen 3.Circuito creado para el integrador

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IV. DISCUSIN Y ACLARACIONES DE INTERES CIRCUITO CON COMPARADOR DE LAZO ABIERTO: Para el circuito de comparador de lazo abierto, en el primer inciso pudimos observar que el corrimiento de voltaje Input Offset Voltage esperado, que es el proporcionado por las hojas de datos del fabricante, en sentido estricto es errneo para nuestro experimento, debido a que ese dato se obtuvo mediante unas condiciones controladas que tambin vienen especificadas en estas hojas de datos, pero que no se cumplieron a la hora de realizar la prctica. Ahora realizando la cadena de ganancias solicitadas para el control de encendido del motor, tenemos que cualquier perturbacin externa en la foto resistencia, podra causar un activacin o desactivacin no deseada del motor, ya que el comparador de lazo abierto es bastante inestable y no es capaz de solventar por s mismo todo el ruido electrnico que el ambiente le proporciona. Con el sistema sin seguidor y sin transistor, se puede observar una cada de voltaje, ya que el amplificador no entrega por excelencia una cantidad considerable de corriente, lo que provoca la cada de tensin y por lo tanto no logra un funcionamiento pleno del motor, ya que el transistor nos sirve como acoplo de impedancias, o de manera ms especfica un acoplo entre el control y la etapa de potencia, pero aclarando que el tener una cadena de ganancias aumentara el corrimiento en el sistema, por lo tanto la configuracin solo con el comparador tendr un menor corrimiento, pero en esta aplicacin no nos funciona.

Figura 4.Simulacion de la parte 1

Figura 5.Simulacion de la parte 2

En el caso del circuito integrador, ocurrieron dos situaciones a las cuales no se les puede pasar por alto. La primera es que se sabe que el LM741 cuenta con dos pines de referencia, los cuales segn la hoja de datos del chip se encuentran en los pines 1 y 5, y que se recomienda se encuentren conectados a tierra, ya que de no hacerse esta accin, podra existir un corrimiento mayor debido a que nuestra el amplificador operacional no cuenta con una referencia fija y al observar nuestra seal dentro del osciloscopio no se encuentre en una referencia deseada, causando conflictos al momento de realizar las mediciones. Lo extrao de esto es que cuando se realiz esta accin y el circuito se conectaba con las fuentes simtricas, al ponerse en funcionamiento el chip del LM741 comenzaba a aumentar su temperatura hasta que llegaba un momento en que al dejarse operando en estas condiciones ocasionaba un corto en la fuente de alimentacin, lo cual no es algo deseado. Esto se solucion al desconectar dichos pines de la conexin a tierra, lo cual es un hecho que a nuestro parecer no debe de ocurrir. El segundo hecho es que es difcil de conseguir capacitores de 1F o 10 F que no sean del tipo electroltico. Por esta razn, ocurri el error de conexin en que el capacitor se conect en polaridad inversa en el circuito integrador, por lo cual al tener una resistencia

Seguidor Comparador

Seguidor 1 Restador Seguidor 2

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conectada en paralelo, dejaba de realizar la accin de integracin y se converta en un amplificador operacional en configuracin inversora con ganancia de 12 veces el voltaje de entrada, el cual regularmente rebasaba el valor de los voltajes de saturacin tanto positivos como negativos y daba como resultado el que este circuito trabajara como un circuito de control de comparacin de lazo abierto. Figura 6.Simulacion de la parte 3

V. CONCLUSIN Reyes Das Gabriel: El Sistema comparador-seguidor es muy fcil de integrar, y puede ser practico cuando las restricciones no son tantas, aunque es susceptible a las variaciones de seal producidas por la luz ambiente (ruido), y no se puede variar la distancia de censado sin tener que variar necesariamente una de las referencias.

Sistema seguidor-restador-seguidor es un tanto ms robusto al anterior, ya que integra un par de seguidores, uno al inicio y otro al final, estos aslan las seales de entrada y de salida del sistema de control, el cual est formado por un restador, el cual permite variar la distancia de censado, aunque an sigue siendo susceptible a variaciones de luz ambiente.

Sistema integrador-inversor-seguidor es el ms robusto de los tres, pero esto tiene grandes ventajas como lo son; la resistencia a variaciones de luz ambiente, por lo que lo convierte en un sistema ms confiable, aunque la necesidad de tener una fuente con voltaje negativo y un inversor lo podran hacer menos prctico para aplicaciones porttiles o portables, por ejemplo.

Hernndez Prez Gabriel

En esta prctica observamos tres diferentes configuraciones bsicas del amplificador operacional,

para controlar un motor por medio de un sensor de luz. Observamos que en el primer caso, con el comparador y el seguidor se tienen un circuito sencillo que funciona bien a corta distancia, utiliza solo una fuente pero por lo mismo no es robusto a variaciones de la luz ambiente. En el segundo caso tenemos un restador con dos seguidores de voltaje, uno antes y uno despus del restador, es un poco ms robusto a cambios de luz pero el ruido ambiental aun le afecta y la calibracin con el potencimetro no es muy buena. Aunque utiliza solo una fuente. El tercer circuito con el amplificador integrador es mucho ms robusto ante cambios en la luz ambiental, la parte integradora hace un promedio de la seal del sensor y permite una mejor calibracin, aunque su desventaja es que utiliza ms componentes y una fuente de energa extra, para la parte negativa, ya que el integrador invierte la seal y se tiene que invertir nuevamente para poder compararla con la referencia del potencimetro. Dependiendo de nuestros requerimientos podemos usar uno u otro circuito, pero en esta ocasin analizamos las ventajas y desventajas de tres posibilidades, un circuito ms robusto a la luz ambiental es ms complicado porque lleva ms componentes.

Villafuerte Pereyra Jorge

Al realizar la parte correspondiente al integrante 2 que contiene dos seguidores y un restador obtuve algunas complicaciones en cuanto al correcto funcionamiento pero me di cuenta que en la resistencia que va a la fotorresistencia de 330 [K] no era igual a la que ponan mis otros dos compaeros que era de 100 [K], al cambiarla pude comprobar cmo funcionaba correctamente, tambin me di cuenta que este sistema si se puede variar la distancia del censado de la fotorresistencia aunque no con mucha precisin. Con respecto al resto de la prctica y al observar el desempeo de mi equipo comprob que, el correcto uso de los amplificadores operacionales nos puede brindar un control y una lectura de nuestra seal ms aproximado a lo deseado, que un comparador de lazo abierto nunca ser lo ideal para aplicaciones crticas, que los errores por corrimientos siempre existirn pero se pueden tratar y mejorar, que un amplificador operacional siempre est en la etapa de control y no debe usarse para demandar corriente y que existen infinidad de usos de un amplificador para el control preciso de tu sistema siempre y cuando los uses adecuadamente.

V5

12

LDR1TORCH_LDR

R1100k

R2

10k

3

26

74 1 5

U1

741

C11uF

R3120k

R4

10k

3

26

74 1 5

U2

741

R5

10k

3

26

74 1 5

U3

741

R6

10kQ1TIP122

100%

RV1

1k

V19V

V29V Integrador

Inversor Comparador

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BIBLIOGRAFA

[1] Sistemas de Control para ingeniera, Norman S. Nise, Patria [2] Electrnica: teora de circuitos, Boylestad, Pearson [3] Ing. Jos Manuel Glez. Rojas

http://iniciativapopular.udg.mx/muralmta/mrojas/cursos/elect/apuntesdefinitivos/UNIDAD3/3.1.pdf

[4] http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-6-teoria.pdf