Es un amplificador lineal de alta ganancia que recibió el nombre de "operacional" porque sus primeras aplicaciones fueron las operaciones aritméticas. Actualmente ya no se utilizan calculadores analógicos pero sigue teniendo multitud de aplicaciones, principalmente en regulación de procesos. La impedancia de entrada en un operacional es muy elevada y la de salida muy baja. Esto significa que apenas consume corriente del circuito al que se conecta. Por ejemplo, la señal de salida de un filtro RC (un retardo de primer orden con una resistencia y un condensador) puede ser amplificada con un operacional (actuando como bloque proporcional) sin que se altere la señal de salida del filtro.
En la siguiente figura podemos ver el símbolo de un amplificador operacional y la distribución de sus patillas según el tipo de cápsula. El integrado 741 es uno de los más utilizados por sus amplios márgenes de funcionamiento y economía. Su tensión máxima de alimentación entre las patillas V+ y V- es de 36 voltios (18V en V+ y -18V en V-), siendo la alimentación más habitual de 15V y -15V. La diferencia de potencial máxima entre las entradas es de 30V. Las patillas de offset se utilizan para ajustar a cero la señal de salida, como por ejemplo en el esquema representado a la derecha, pero solo se necesita cuando es importante anular el error en la tensión de salida, que es mucho menor del exigible en la mayor parte de las aplicaciones.
La tensión de salida (V6) del operacional es proporcional a la diferencia de tensiones entre las patillas 3 y 2, es decir: V6 = K·(V3-V2), siendo K muy grande. Por esta razón, una mínima diferencia de tensión entre las patillas 3 y 2, es suficiente para que el resultado de calcular V6 supere la tensión de alimentación del operacional. En la práctica, la tensión V6 no puede sobrepasar la tensión de alimentación, de modo que si V3 es mayor que V2, la salida V6 se pone a nivel alto (igual a la tensión de alimentación positiva de la patilla 7) y, al contrario, si V3 es menor que V2, la salida V6 se pone a nivel bajo (igual a la tensión de alimentación negativa en patilla 4). Los signos que aparecen en las entradas no significan que la tensión aplicada deba ser positiva o negativa, sino que identifican la entrada cuya señal se suma (entrada de no inversión) y la entrada cuya señal se resta (entrada de inversión).
Generalmente, los operacionales se alimentan con fuente de doble vía, aplicando tensión positiva respecto de 0V en la entrada V+ y tensión negativa respecto de 0V en la entrada V-, esto hace posible que trabaje indistintamente con corriente continua o alterna. En la figura vemos una fuente de doble vía que alimenta un 741 con tensiones de 9V y -9V. Básicamente, la fuente se compone de un transformador que convierte la tensión alterna de alimentación de 220V en 24V, un puente de diodos que convierte la corriente en continua (aunque pulsatoria), dos condensadores (de 1000 microfaradios) que hacen más constante la tensión, dos reguladores de tensión (el 7809 y el 7909) que regulan 9V y -9V, y dos condensadores (de 2.2 microfaradios) que ayudan a reducir las corrientes parásitas de alta frecuencia. Los integrados del tipo 78XX son reguladores de tensión, siendo XX el valor de la tensión que regulan. Los de la gama 79XX son idénticos pero regulan tensiones inversas.
Si no se utiliza fuente de doble vía (con patilla V- conectada a 0V en lugar de tensión negativa), la tensión de salida más pequeña posible no bajará hasta los cero voltios, ya que su linealidad se pierde cuando se acerca a los límites de la alimentación en las patillas V+ y V-. Un operacional que salva este problema es por ejemplo el CA3140, respondiendo bien desde los cero voltios aunque la fuente de alimentación no sea de doble vía. La tensión de alimentación en el CA3140 puede llegar a los 38V. Como inconveniente, el CA3140 es bastante más caro que el 741. En la figura anterior podemos ver una fuente de simple vía alimentando un CA3140.
El 741 de la figura anterior funciona como un comparador. La tensión en la patilla 2 será 0.82 V, ya que se aplican 9V en el divisor de tensión formado por las resistencias de 10 y 1 Kilo ohmios. En la patilla 3, la tensión depende igualmente de un divisor de tensión, pero, en este caso, las resistencias no son fijas, siendo una de 10 K variable y otra una resistencia dependiente de la luz (ORP12). El ajuste de la resistencia variable permite variar la tensión en la patilla 3, fijando así una determinada intensidad de luz con la que la salida del operacional cambiará de estado. A medida que oscurece, el ORP12 aumenta su resistencia y hace aumentar igualmente la tensión en la patilla 3. Cuando llega a superar mínimamente los 0.82 V, la tensión de salida en su patilla 6 cambia de -9 V a 9 V, el transistor BC108 conduce y el relé que tiene como carga se conecta, por ejemplo, para cerrar un circuito eléctrico de alumbrado. El diodo 1N4001 bloquea el paso de cargas positivas en sentido descendente (está polarizado inversamente), de modo que cuando el transistor deja pasar la corriente, ésta pasa por el relé, no por el diodo. Cuando el transistor corte el paso de corriente (cuando haya luz de nuevo), el relé, como toda bobina, se opone a la variación de corriente y genera una tensión opuesta a la de alimentación (positivo en la parte inferior, segun figura), como si fuera un generador. Como la corriente creada por el relé tiene polaridad opuesta a la de alimentación, ésta puede circular por el diodo y el relé, hasta desaparecer por disipación de energía en forma de calor. Sin el diodo, el pico de tensión, generado por el relé al ser desconectado, destruiría el transistor.
AMPLIFICADOR INVERSOR.
Según el ejemplo que se ha descrito, que es un detector de luz ajustable y de gran sensibilidad, los operacionales ya ofrecen muchas posibilidades como comparadores, pero su mayor aplicación está en regulación, y se utiliza en lazo cerrado con una realimentación de la salida (V6) hacia la entrada V2 o entrada de inversión. En la siguiente figura se trata el caso de una realimentación mediante una resistencia Rs: Por simplificar, no se ha dibujado la alimentación del operacional, pero hay que entender que existe. Sabiendo que la constante K de un operacional es muy grande, se deduce que las tensiones de entrada (Va y Vb) tenderán a igualarse. Como además la entrada de no inversión (b) está conectada a masa (0V), resulta que las dos entradas tienden a 0V.
Sabiendo que la impedancia de entrada en un operacional es muy grande, la corriente "Ia", marcada en la figura, será muy pequeña y se puede considerar igual a 0. Aplicando la ley de Ohm se determinan las corrientes Ir e Is, cuya suma es aproximadamente 0, ya que debe ser igual que "Ia". De ello se deduce la relación entre las tensiones de salida y entrada, que representa la ganancia G. El signo menos indica que la tensión de salida será inversa de la tensión de entrada, de modo que si se aplica como entrada una señal senoidal, saldrá otra señal senoidal, amplificada, y desfasada 180º respecto de la entrada. Si una de las resistencias es variable, la ganancia del amplificador será regulable.
En la práctica, la impedancia de entrada no es infinito y existen unas pequeñas corrientes en las entradas, cuyo valor es despreciable, porque suponen muy poco error comparado con la imprecisión de las resistencias. No obstante, si se quiere compensar, puede añadirse en la entrada de no inversión una resistencia cuyo valor sea igual que el equivalente de Rs y Re en paralelo.
APLICACIÓN DE IMPEDANCIAS COMPLEJAS EN CIRCUITOS CON OPERACIONALES.
Ya conocemos el procedimiento de las impedancias complejas y su aplicación para constituir retardos de primero y segundo orden, como a continuación se representa:
El mismo procedimiento se aplica, a continuación, en un circuito con operacional. Basta con tener en cuenta que la corriente en las entradas del operacional se considera cero, de modo que la intensidad de entrada será la misma que circula por la rama de realimentación del operacional. Puesto que la entrada de no inversión está conectada a 0 voltios y el operacional tiende a igualar la tensión en las dos entradas, la tensión en la entrada de inversión también será 0 voltios. Aplicado al ejemplo (parte derecha de la figura), se deduce que el circuito se comporta como un retardo de primer orden.
APLICACIONES DE LOS OPERACIONALES EN REGULACIÓN.
Son pocos los tipos de circuitos necesarios para componer un regulador: Los amplificadores constituyen elementos proporcionales, los sumadores hacen la función de unir en paralelo otros circuitos, los restadores pueden unir en paralelo invirtiendo una de las señales o servir como cierre de lazos de realimentación, los integradores y circuitos derivativos cumplen las funciones de factores integrales y derivativos. No se necesita nada más, ya que otros tipos de factores en una función de transferencia se componen a partir de los que se acaban de mencionar. Por ejemplo, los factores de primero y segundo orden son una composición de sumas, factores proporcionales y factores derivativos. Los retardos de primero y segundo orden se consiguen solamente con bobinas, resistencias y condensadores, ya visto anteriormente.
Se incluye de nuevo los retardos de primero y segundo orden porque, aunque no tienen operacionales, también pueden formar parte de funciones de transferencia.
El caso del seguidor de tensión equivale a un amplificador de ganancia igual a 1 y por su simplicidad, puede utilizarse como enlace entre dos circuitos, de forma que el segundo no suponga una carga para el primero, gracias a la elevada impedancia de entrada del operacional. El caso de los retardos de primero y segundo orden es un ejemplo, ya que al estar formados por circuitos LRC o RC, su comportamiento se altera si se conecta a ellos un circuito que consume corriente por su entrada. En la figura, el divisor de tensión (R1 y R2) permite ajustar una tensión Vs que no será alterada por el circuito que se conecte.
El circuito de la derecha corresponde a un retardo de primer orden con ganancia 10 (100/10 = 10), con una frecuencia de cruce igual a 1/R·C, de forma que si R·C es muy grande, la frecuencia de cruce será muy pequeña y el polo estará muy cerca del origen, comportándose en la práctica como un integrador. La señal de salida está invertida, de modo que algún otro factor también deberá tener inversión, o bien añadir un amplificador inversor.
El esquema de la derecha comprende 3 factores: Uno proporcional, otro derivativo y un retardo de primer orden. Sin embargo, la pequeña capacidad de C2 hace que la frecuencia de cruce del retardo de primer orden sea muy elevada, ya que será igual a 100000 rad/seg y en la práctica será irrelevante porque equivale a un polo muy alejado del origen. Por lo tanto, el resultado es similar a un factor derivativo y un factor proporcional.
Ya sabemos que los operacionales necesitan una alimentación estabilizada (regulada) de simple o doble vía. También sabemos que pueden reproducir los diferentes comportamientos de los reguladores. Pero todavía puede ser necesario amplificar la señal final si el control del actuador consume más potencia de la que puede aportar un operacional. En otros casos, puede tratarse de un actuador pequeño (sin entrada de control) como una lámpara o un pequeño motor de corriente continua. Si el regulador tiene salida de potencia, es posible que pueda alimentar directamente estos pequeños actuadores y no se necesite nada más para su control. En la siguiente figura se propone un sencillo amplificador que utiliza un operacional para controlar un transistor de potencia (TIP122). Este transistor no funciona en conmutación, sino que regula la corriente y la tensión que se transmite a una carga o actuador por la salida Vs. Si el transistor dejara pasar una corriente excesiva, la tensión en la patilla 2 del operacional aumentaría y la tensión de su salida (patilla 6) disminuiría. Como esta tensión controla la base del transistor, éste aumentará su resistencia y dejará pasar menor corriente. Al contrario, si la corriente fuera menor, habrá una corrección opuesta que obligará a conducir más corriente.
La resistencia variable de 25 K sirve de ajuste. El diodo, con polarización inversa, no tiene efecto si la corriente se mantiene o aumenta, pero con bajadas de corriente rápidas y carga inductiva, evitará los picos de tensión generados por la carga, tal como sucede en las desconexiones de bobinas. Nótese que la alimentación del operacional no es de doble vía, de modo que se necesita un operacional capaz de mantener su linealidad con tensiones muy proximas a 0 voltios, como es el caso del operacional CA3140.
Ejemplos de reguladores.
Las figuras muestran, en primer lugar, un regulador que puede funcionar en adelanto si el coeficiente alfa es menor de 1, o en atraso si alfa es mayor de 1. Este regulador se define mediante un cero y un polo, de modo que si el cero queda más cerca del origen compensa en adelanto y si es el polo el más cercano al origen, compensa en atraso. En segundo lugar podemos ver un regulador PD, un regulador PI y un regulador PID. Las funciones de transferencia de cada regulador se pueden determinar por el método de las impedancias complejas, que no desarrollamos.
