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 que nos permita conectar correctamente 2 dispositivos que operan a tensiones diferentes, sin sufrir daños empleando amplificadores operacionales 😉
El objetivo de esta práctica es lograr reducir proporcionalmente una tensión de 0v- 9v a un rango de 0v a 5v para ser manejada con seguridad por un microcontrolador que tenga ese nivel lógico de operación en tarjetas de desarrollo como el Atmega 328p, arduino uno, etc.
Materiales
- Pilas cuadradas de 9 V x1
- Alambre para protoboard 1 m
- Potenciómetro 3 pines lineal 1 k Ω x1
- LM741 DIP-8 x2
- Resistencias 10 kΩ ¼ W x2
- Resistencia 15 kΩ ¼ W x1
- Resistencia 8.2 kΩ ¼ W x1
- Multímetro x1
- Protoboard x1
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 LM741 en una configuración de amplificador inversor, cuya conexión se muestra a continuación:
Usaremos la siguiente fórmula que describe su voltaje de salida respecto de su voltaje de entrada:
Analizando la 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 a Vout es igual a 5V, Vin igual a 9v y proponemos una resistencia R1 de 15 kΩ, el cálculo se reduce a despejar R2 y sustituir los datos como ahora se detalla
Sustituyendo valores nos queda:
Con R2 = 8.2 kΩ y R1 = 15 kΩ lograremos -5v a la salida si a la entrada tenemos +9v. Hasta este punto solo hemos obtenido -5V, pero no nos ayuda para usarlo en algún pin analógico (en tarjetas de desarrollo) 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 solución? … 🤔
¡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 = 10 kΩ y el circuito completo nos queda de la siguiente manera:
Observa que alimentamos el circuito con 2 baterías de 9v en serie usando el nodo central como GND (o punto de referencia) a partir del cual tenemos +9v y -9v
Nos apoyaremos de un potenciómetro para simular la salida analógica de un sensor (entrada del acoplador) dándonos entre 0 V a +9 V
⚠️ Las resistencias que le coloques a un amplificador operacional en configuración de amplificador inversor no deben ser menores a 5 kΩ, 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 2 amplificadores operacionales 741:
- El primer opamp 741 (conexión de izquierda a derecha): reduce la tensión máxima de 9 V a -5v
- El segundo opamp 741: convierte esos -5V a +5V, 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.
