4.1 Amplificadores operacionales
Al igual que otros componentes, el amplificador operacional comenzó como una serie de elementos formados por tubos de vacío, los cuales podían realizar una buena cantidad de operaciones (de ahí su nombre), pero su uso se volvió más común con la llegada de los semiconductores y el encapsulamiento del mismo en un circuito integrado.
Los amplificadores operacionales son circuitos integrados principalmente por transistores en arreglos que a primera vista reflejan una gran complejidad, sin embargo no es necesario conocer a detalle su comportamiento, sino las características principales y algunas de las configuraciones más importantes dadas las propiedades que presentan como las ganancias altas y la retroalimentación.
Como verás más adelante, algunos de los convertidores parten de las comparaciones de diferentes tipos de señales, por lo que es necesario inicialmente generar las señales que van a necesitarse, para esto se utiliza una configuración llamada oscilador aestable como la que se muestra en la figura 1.
Fuente: Franco, S. (2002). Design with operational amplifiers and analog integrated circuits (3ª ed.). Estados Unidos: McGraw-Hill
El principio de operación de este componente radica en la carga y descarga del capacitor con una corriente constante. Esta estructura puede verse por separado, la parte derecha es un amplificador con retroalimentación positiva o disparador Schmitt no invertido, donde lo que se desea obtener es un pulso cada vez que el pulso de entrada cruza por un nivel deseado, pero siempre manteniendo la misma frecuencia.
En la parte de la izquierda se tiene un convertidor de voltaje a corriente con carga flotada, donde esta última es el capacitor. El principio sucede cuando al iniciarse, el disparador Schmitt toma un valor alto, el cual lo recibe el convertidor V-I y lo convierte en una corriente que entra al capacitor por la izquierda, por lo que la señal triangular comienza a descender hasta que llega al límite inferior, cuando llega ahí el disparador cambia a un valor alto y el convertidor nuevamente lo convierte en corriente de la misma magnitud pero en sentido opuesto, que provoca que la señal triangular aumente, y así sucesivamente.
La ecuación más importante en esta configuración es la que determina la frecuencia de las señales, la cual está prevista por la siguiente ecuación.
Donde R1 corresponde a la resistencia de la entrada del disparador, R2 a la resistencia en retroalimentación positiva y R a la entrada del convertidor VI.
Ya que realizaste la generación de las señales es posible realizar la comparación de las mismas, pero antes de continuar se describirá un elemento que presenta notables ventajas en este tipo de aplicaciones.
Como comparador de voltaje, el circuito integrado trabaja bien cuando la velocidad no es crítica, sin embargo en las aplicaciones necesarias en electrónica de potencia es importante que las comparaciones tengan la mayor fidelidad en el resultado. Por esto es más recomendado el uso de componentes con un enfoque especifico en comparación, como lo es el componente LM311.
En estas aplicaciones no se utiliza una retroalimentación ya que normalmente se trabaja con señales que no presentan mucho ruido y no se necesita ir cambiando su referencia con gran velocidad. En la figura 2 se observa una de las estructuras más útiles para los circuitos de control.
En esta estructura se comparan dos señales para tener como respuesta los puntos en los que estos cruzan, un ejemplo muy común es su uso para obtener una señal PWM, que generalmente se obtiene al realizar la comparación entre una señal en alta frecuencia (mejor conocida como portadora) y una señal en baja frecuencia que sería la fundamental (conocida como referencia).
Dentro de su configuración contiene un transistor y la configuración que presenta se conoce como colector abierto, de esta manera se pueden seleccionar diferentes niveles de voltaje de salida dependiendo del tipo de circuito al que se vaya a alimentar. Se observa que cuando se activa el transistor se tiene un valor bajo en la salida ya que la corriente circula a la referencia, mientras que cuando se tiene un circuito abierto la corriente llega a la siguiente parte del circuito, el valor de la resistencia dependerá solamente de la corriente necesaria.
Las capacidades de los amplificadores son tan amplias que las compañías que las producen se encuentran continuamente desarrollando nuevas aplicaciones y publicando sus resultados en diferentes revistas.
