El amplificador operacional como comparador, esa fumada

amplificador operacional como comparador¡Holii! ¿cómo va la pelea con Arduino? El otro día te dejé pegándote con las hojas de especificaciones. Duro, ¿eh? Allí estuve hablando del LM358N pero no expliqué que es eso de amplificador operacional. Así que vamos a verlo.

Te acordarás que el integrado LM38N tiene dos amplificadores operacionales, u operacionales cómo los llamamos en la jerga. Pues nada, cada operacional tiene una entrada no inversora (que tenía un voltaje V+) y una no-inversora (la cuál se conoce como V-). Por la salida de cada uno de estos triángulos lo que sale es el resultado de restar estos dos voltajes y multiplicarlos por un número. Este número es lo que llamamos ganancia.

¿A qué viene lo de inversora y no inversora? Se llama entrada no inversora porque V+ está en concordancia con la salida. ¡Madre mía que fumada¡ Mira esta fórmula:

 V_S=A . (V_+ - V_-)

Si Vs es la salida, al aumentar V+ la salida aumenta ya que no se resta. Pero luego viene la cabrona de V- y hace lo contrario, invierte el resultado. De ahí le viene el nombre, qué ganas de complicar algo solo con nombres que asustan. Si estás  un poco avispado ya habrás visto que A es la famosa ganancia. Esta ganancia en un ambiente ideal (todo es de rosa, no hay pérdidas, y todo trabaja sin límites de temperatura ni nada) es infinita. Claro, se le llama ideal por no llamarla imposible. La situación real es que la tensión de salida dará como máximo el voltaje de alimentación del integrado (acuérdate que lo conectábamos a 5 Voltios y GND en el último post) y el mínimo al GND que hayamos conectado (dile GND dile el voltaje al que has conectado ese pin).

Los comparadores

Ahora tengo que parar. Digamos que los operacionales son un mundo. Y cuando te digo un mundo es que sale una guía y todo. Es por eso que, después de pensar mucho, he decidido que me voy a saltar todo eso: ni seguidores de tensión, ni amplificadores diferenciales ni amplificadores de tensión. Voy a empezar por lo que creo más sencillo de comprender: los comparadores.

De hecho creo que es algo que siempre viene bien cuando se une a algún sensor. Te pongo un ejemplo. Supongamos que tengo un circuito con un sensor magnético. Esto es que su tensión varía según tenga más o menos cerca un campo magnético. Y un campo magnético en tu casa y en la mía es un imán de los chinos: 5 a 1.5€.

Vale, tenemos el sensor y le acercamos un imán. La tensión cambia (Tiene 3 patitas y por una aparece una tensión que varía según por dónde llegue el imán, polo norte o sur). Pero ahora va y quiero que eso sea un aviso para mi, cuando llegue a una tensión determinada quiero que Arduino encienda un led. Y sólo en esa tensión determinada.

¿Qué pasaría si conecto el sensor directamente a Arduino? Piénsalo unos segundos…¿ya? Lo que pasa es que la luz se enciende cuando detecta esa tensión. Ya está. Ahora en serio, ¿Vas a utilizar tu Arduino solamente para eso? ¿Vas a tenerlo en bucle toda la vida midiendo una señal? En serio, ¿Tú no tienes corazón o qué te pasa?

Una solución ‘más elegante’ (ya sabes que yo no soy nada elegante pero últimamente me estoy refinando) sería utilizar las famosas interrupciones de las que a bien tuve hablarte en el pasado. Lo que hacían las interrupciones era vigilar y al detectar lo que vigilan se ponen las pilas. De esta manera evitamos bucles infinitos utilizando a los vigilantes más importantes de la electrónica.

¿Qué pasa? Que las interrupciones solo funcionan con valores digitales, y nuestro sensor es de todo menos digital, ¡Si va loco! ¡A cada segundo marca un valor! Es aquí dónde actúan los comparadores (¿Pensabas que me había olvidado? Poco ha faltado).

¿Y para qué sirve un comparador?

Te he dicho antes que los amplificadores operacionales funcionan restando las dos entradas. Si consigo que sean iguales y se resten..¡Bum! Eso da cero y cero por la ganancia dichosa es cero y cero es un número que le encanta a mi Arduino recibir. Bueno, esto no es exactamente así. Para que esto se dé debería ser tan exacto que no existe. Pero si que sabes que idealmente la ganancia es infinito. Por muy poca que sea la diferencia de tensiones, el valor que multiplica es tan grande que hace que sature. Esto quiere decir que se va al tope. Entonces cuando la resta es positiva se va hasta el máximo, nuestros 5 Voltios de siempre, y cuando la resta es negativa se va al mínimo, GND.

Fíjate que no es el máximo y el mínimo de las entradas, sino que es de lo que puede llegar el amplificador, que antes te he dicho que era la alimentación del integrado (o caja negra con seis patas).

Con todo lo que te he dicho ponemos en la patilla inversora la referencia. Y en la patilla no-inversora o positiva añadimos la tensión del sensor. Si la tensión del sensor es mayor que la de la referencia lo que pasa es que:

V_+ - V_->0

Al ser la resta positiva, satura dando como resultado 5 Voltios. Cuando V+ es menor que la referencia la resta sale negativa, satura y el resultado que nosotros vemos son 0 Voltios. Así que ya tenemos a nuestro chivato. Ahora según la tensión típica que nos dé el sensor (si suele estar por encima de la referencia o por debajo) tenemos que programar para que nos avise de si sube a 5 Voltios o de si baja a 0 Voltios.

Ahora no te voy a enseñar a programar esto porque aún no hemos visto en serio las interrupciones. Pero si que puedo enseñarte como quedaría el circuito.

La intensidad en los amplificadores operacionales

Para la tensión de referencia creo que ya sabes cómo generarla y sino es que no me has estudiado lo suficiente. Claro, lo suyo es añadir resistencias que cambien la tensión. El problema está en que idealmente la intensidad que entra por la entrada del operacional es cero. Entonces se complica un poco la cosa. Así que imagina que tienes una pila que saca directamente el voltaje de referencia que queremos y que encima no da ninguna intensidad. Quedaría así:

Opt In Image

Bueno, en algún momento tiene uno que parar…

Así que lo dejamos aquí y te espero en el próximo post para darle números a todo este rollazo que te he soltado. ¡No me falles!

Mientras tanto, puedes dejarme algún que otro comentario ahí abajo, si no te has mareado antes de llegar hasta aquí claro está. ¡Nos vemos por las redes sociales!

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  1. f

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  2. Jose M. Escrich

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  3. Israel duran

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