A continuación presentamos la explicación del circuito utilizado en una entrada previa donde fue necesario para manejar con seguridad el sensor EMG junto con Arduino uno.
Introducción
En la siguiente entrada del blog se detalla el proceso de Diseño de acopladores con OPAMPs para la implementación de un circuito interfaz que nos permita conectar correctamente dos dispositivos que operan a tensiones diferentes sin sufrir daños empleando amplificadores operacionales 😉
Materiales
- Pilas cuadradas de 9V x1
- Alambre para protoboard 1m
- Potenciómetro 3 pines lineal 1k Ω x1
- LM741 DIP-8 x2
- Resistencias 10kΩ ¼ W x2
- Resistencia 15kΩ ¼ W x1
- Resistencia 8.2kΩ ¼ W x1
- Multímetro x1
- Protoboard x1
El objetivo de esta práctica es lograr reducir proporcionalmente una tensión de 0v a 9v a un rango menor de 0v a 5v para ser manejada con seguridad por un microcontrolador que tenga ese nivel lógico de operación como el Atmega 328p del arduino uno.
Proceso de diseño
La premisa del circuito es reducir un voltaje máximo de 9v a uno de 5v y para ello utilizamos el amplificador operacional en su configuración de amplificador inversor, cuya conexión se muestra a continuación, además de la fórmula que describe su voltaje de salida respecto de su voltaje de entrada.
Respecto a esta fórmula nos percatamos que la tensión de salida depende de la relación que existe entre los valores de resistencia de R2 y R1 y si tenemos que el Vout es igual a 5v, el Vin igual a 9v y proponemos una resistencia R1 de 15kΩ el cálculo se reduce a despejar R2 y sustituir los datos como ahora se detalla
Despejando R2 tenemos:
Sustituyendo valores nos queda:
Con R2 = 8.2kΩ y R1 = 15kΩ lograremos -5v a la salida si a la entrada tenemos +9v los cuales se obtienen debido a que usamos un amplificador inversor y, por lo tanto, entrega una tensión a la salida de polaridad opuesta a la que tenga en su entrada y en este punto te darás cuenta de que los voltajes negativos igualmente no nos sirven para conectarlos a un pin analógico de casi cualquier microcontrolador por lo que ahora debemos volver a invertir la polaridad de esos -5V para que sean +5v por ello necesitamos un circuito que no amplifique ni atenúa, únicamente que invierta esos -5v
¿La solucion? … 🤔
¡De nuevo un amplificador inversor pero con R1 = R2 😄!
Verás, un opamp conectado en la configuración de amplificador inversor presenta los siguientes comportamientos según la relación que tengan sus resistencias R1 y R2
¿Bueno y de que nos sirve que no amplifique ni atenúe? Debido a su comportamiento como inversor, esta configuración nos sirve para cambiarle la polaridad a la señal que tengamos, esto lo podemos observar en el signo negativo que tiene la fórmula matemática que antes vimos.
Elegimos R1 = R2 = 10kΩ y el circuito completo nos queda de la siguiente manera:
Observa que alimentamos el circuito con dos pilas de 9v cuya conexión en serie nos da el nodo central como GND (o punto de referencia) a partir del cual tenemos +9v y -9v
Por otra parte, simulamos la salida analógica de un sensor, que a su vez es la entrada del acoplador, usando un potenciómetro que nos da valores de 0 a +9v
⚠️ Las resistencias que le coloques a un amplificador operacional en configuración de amplificador inversor no deben ser menores a 5kΩ, ya que pueden “tirar” tu señal de entrada ⚠️
Diagramas de conexiones
Para el desarrollo de la práctica se propone el siguiente circuito donde hacemos uso de dos amplificadores operacionales modelo 741 donde el primero, viendo de izquierda a derecha, es el que reduce la tensión máxima de 9V (que podría dar un sensor) a -5v y el segundo convierte esos cinco volts negativos en cinco volts positivos, justo lo que necesitamos 🙂
Por otro lado, tenemos tres puntos de medición y uno común a todos ellos (GND, representado por cable verde que sale del borne COM de los multímetros) donde podrás medir 9v en el pin central del potenciómetro, -5v en la salida del primer opamp y +5v en la salida del segundo opamp.
Para facilitar la medición te mostramos como deberás conectar tu multímetro en el protoboard en los tres puntos de lectura que comprueban el funcionamiento.
En este, el diagrama esquemático observamos lo anteriormente descrito
Conclusión
Un OPAMP en configuración de amplificador inversor puede actuar como amplificador, como atenuador y como un inversor de polaridad de una señal de entrada según la relación que guarden las cantidades de sus resistencias donde
En esta práctica vimos la aplicación de esta teoría al atenuar una tensión de 9v que entrega el sensor EMG a +5v que como máximo puede leer el Atmega328p de un Arduino uno.
Lo anterior lo logramos manipulando la expresión matemática que define la tensión de salida en función de la tensión de entrada (función de transferencia) de un amplificador inversor, proponiendo el valor de R1 de 15kΩ y obteniendo R2 de 8.2kΩ.
