El efecto termoiónico III. El triodo

Triodo y su homólogo moderno, el transistor.

Se vio con anterioridad cual era el uso y cómo funciona un diodo termoiónico, sin embargo si a este le añadimos un nuevo electrodo a los dos que ya posee tenemos lo que se conoce como triodo termoiónico.

Este nuevo electrodo se llama rejilla quedando colocado entre el cátodo y la placa, siendo comúnmente un hilo metálico que va enrollado dispuesto en forma de espiral alrededor del cátodo.

En la siguiente imagen podemos ver en detalle la rejilla alrededor del cátodo de un triodo.

Detalle ampliado de la rejilla alrededor del cátodo.

A simple vista podemos imaginarnos que este nuevo elemento debe de actuar como una especie de barrera para los electrones que circulan desde el cátodo a la placa, y de hecho así es.

A continuación vamos a insertar un triodo en un circuito para poder estudiar cómo se comporta este tipo de válvula.

Como podemos observar tenemos tres circuitos, el circuito A con la batería A que es la que se encarga de calentar el filamento para que emita electrones, el circuito B cuya batería B suministra tensión al circuito formado por el cátodo y placa, y por último tenemos el circuito C, cuya batería cierra el circuito entre el cátodo y la rejilla.

Ejemplo 1.

Veamos que pasa en el primer caso, la rejilla en este momento está conectada al cátodo por lo que la diferencia de potencial entre la propia rejilla y el cátodo será de 0 voltios, es decir, tienen el mismo potencial, esto supone que cuando los electrones emitidos por el cátodo y que se dirigen a la placa atraviesan la barrera que forma la rejilla no van a encontrar ningún impedimento por parte de esta, ya que la rejilla no tiene ni mayor ni menor potencial con respecto al cátodo. Podríamos decir que en este supuesto el triodo responde como un diodo.

Ejemplo 2.

Pero que pasaría si comenzamos a aplicar una tensión cada vez más negativa a la rejilla (ejemplo 2), ocurrirá que, los electrones que parten del cátodo cuando se acerquen a la rejilla se van a encontrar con que esta ahora tiene una carga negativa, y como los propios electrones también tiene carga negativa, una parte de ellos van a ser repelidos (cargas de igual signo se repelen) nuevamente hacia el cátodo, por lo que ahora no todos los electrones que parten del cátodo va a lograr llegar a la placa como lo hacían antes.

Ejemplo 3.

Si progresivamente vamos comunicando un potencial cada vez más negativo a la rejilla (ejemplo 3) llegará un momento en que ningún electrón consiga llegar a la placa, y por lo tanto el miliamperímetro no registrará ninguna corriente. Esta tensión que se aplica a la rejilla a la cual se produce este fenómeno se denomina tensión de corte de rejilla.

Ahora vamos a ir un poco más allá, si observamos con detenimiento la imagen del triodo abierto vemos que la distancia entre la rejilla y el cátodo es mucho menor que entre la rejilla y la placa, esto es fundamental para comprender la aplicación por excelencia de los triodos.

Placa destapada para apreciar la rejilla y el cátodo.

Disposición de los elementos dentro del triodo.

Partiendo de la Ley de Coulomb que en esencia dice que cuanto menor sea la distancia entre dos cargas más van a interaccionar entre ellas sus fuerzas, tenemos que los electrones cuando partan del cátodo se va encontrar con una fuerza de atracción por parte de la placa y una fuerza de repulsión por parte de la rejilla, pero, y aquí está la clave, como la distancia entre cátodo y rejilla es menor que entre cátodo y placa, la propia rejilla aún con menos tensión que la propia placa va a poder influenciar más a los electrones que la placa, precisamente por estar más cerca.

Pongamos un ejemplo, supongamos que para tener una corriente por el circuito B de digamos 50 mA se necesita una diferencia de potencial de 150 voltios entre placa y cátodo, y, teniendo la rejilla conectada al cátodo como en el primer ejemplo, a su vez, si queremos que por este mismo circuito no pase ninguna corriente necesitamos aplicarle una tensión negativa a la rejilla 10 voltios (tensión de corte de rejilla).

De esto podemos deducir que con 0 voltios (con respecto a cátodo) en la rejilla el miliamperímetro registra 50 mA y que si aplicamos 10 voltios a la rejilla el miliamperímetro marcará 0 mA, es decir, que con una tensión aplicada a la rejilla que es 15 veces más pequeña (150/10) que la tensión del circuito B, podemos controlar la corriente total del propio circuito B, o dicho de otra forma, la tensión aplicada a la rejilla produce cambios proporcionales en la corriente que pasa por el circuito B con una relación de 1:15, así que, estamos consiguiendo una amplificación.

Esta es precisamente la aplicación más potente que tienen los triodos termoiónicos, la de su uso como amplificadores, pudiendo usarse como amplificadores de señal en radiofrecuencia, amplificadores de sonido..., y que en la actualidad su homologo sería el transistor.

La siguiente imagen muestra el interior de una válvula ECC82, una válvula de doble triodo.

Detalle de los dos triodos.

Efecto termoiónico II. El diodo de vacío

Válvula de vacío rectificadora PY88 junto a un diodo de cristal moderno

La última vez hablamos del principio del efecto termoiónico, pero ahora vamos tratar de una aplicación de este efecto en la electrónica, el diodo termoiónico o diodo de vacío. 

El diodo termoiónico no es más que una ampolla de vidrio a la que se le ha practicado un vacío parcial, en cuyo interior se alojan dos elementos fundamentales, un filamento metálico y una placa metálica con una conexión al exterior. 

Otra cosa muy importante es que este elemento al igual que un diodo convencional de la actualidad solo permite que la corriente eléctrica circule en un solo sentido. En este caso la corriente de electrones solo puede circular del filamento a la placa. 

Si nos fijamos en la explicación del efecto termoiónico con una bombilla incandescente recubierta con una malla metálica, podemos ver las similitudes entre esta y el diodo termoiónico, el filamento de la bombilla convencional actúa de la misma manera que el del diodo, y la malla que recubre la bombilla actúa como la placa, solo que esta última se encuentra dentro de la propia ampolla de vidrio, esto hace que se incremente notablemente el número de electrones que pueden circular entre el filamento y la placa, ya que ahora estos electrones solo tiene que circular a través del vacío de la ampolla y no a través del cristal de la bombilla y las moléculas de aire que hay entre el cristal y la malla. 

Pero, ¿por qué la corriente solo puede circular del filamento a la placa y no al contrario?, bueno, veamos unos circuitos y haber si nos aclaran un poco la respuesta. 

Sentido de la circulación de electrones

En el circuito de la derecha podemos ver que el filamento está alimentado con un generador de corriente continua lo cual hace que el filamento se torne incandescente y comience a emitir electrones, claro, si emite electrones, este filamento va a pasar a tener un defecto de electrones y va a tratar de volver a recuperarlos, y como está conectado al polo negativo de la batería que casualmente por ser el polo negativo va a tener un exceso de electrones, pues, se los puede coger sin problemas. 

Por otra parte la placa como está conectada al polo positivo de la batería que casualmente por se positivo tiene un defecto de electrones, la propia batería va a tratar de recuperar los electrones que le faltan y como solo puede cogerlos del único elemento al que está conectado, en este caso la placa, pues se los quitará de la placa haciendo que esta pase a tener también un defecto de electrones, y aquí viene la clave de todo, llegados a este punto tenemos un filamento que por un lado emite electrones al vacío y por el otro lado cogiendo electrones del polo negativo de la batería, y por otra parte, tenemos ahora una placa con defecto de electrones que va a tratar de recuperarlos como sea, y como filamento y placa está próximos, si uno está dando electrones y el otro los quiere coger, se establecerá entonces una circulación de electrones en el vacío de la ampolla de vidrio creándose una corriente de electrones desde el filamento a la placa, y registrándose dicha circulación en el miliamperímetro a través del circuito exterior. 

¡Vale!, pero... todavía no me has explicado porqué solo puede circular la corriente en un solo sentido. 

Sin circulación de corriente.

Sí, sí… ahora vamos a ello. 

Supongamos que invertimos la polaridad de la batería y el filamento lo conectamos al positivo en vez de al negativo y la placa al negativo en vez del positivo y a continuación le metemos tensión al filamento, este va a comenzar como siempre a emitir electrones, pero ahora como la placa está conectada al polo negativo de la batería se va a volver negativa con un exceso de electrones y como cargas de igual signo se repelen, los electrones que emita el filamento van a ser repelidos por la placa que también es negativa, así que no podrá establecerse una corriente de electrones entre el filamento y la placa. 

De ahí que este elemento reciba el nombre de diodo termoiónico, ya que actúa igual que el diodo convencional permitiendo solo el paso de la corriente en un solo sentido, y bloqueándolo en el otro. 

Válvula PY88

Vamos a ver ahora como es un diodo termoiónico real por dentro, en la siguiente imagen podemos ver una válvula PY88 la cual se empleaba frecuentemente como rectificadora en las antiguas televisiones. 

Esta válvula es de caldeo indirecto, esto quiere decir que el filamento no es el que emite directamente los electrones (caldeo directo) sino que al filamento se le recubre con un cilindro metálico llamado también cátodo que se calienta con el filamento actuando este únicamente como elemento calefactor y es este cilindro el que emite los electrones. 

De este modo se consigue un doble objetivo, separar eléctricamente el circuito del cátodo del circuito del filamento, y además, como el poder emisor de electrones depende del material (por mucho que calentemos un metal existe un límite de emisión) debido a que hay pocos metales que se puedan emplear como filamento soportando altas temperaturas, al envolver este con un tubo de otro material se puede usar otro metal que emita más electrones al calentarse y se le puede recubrir con sustancias que aumenten este poder emisor aún más, como el óxido de bario. 

Aquí podemos ver en detalle el filamento y el cátodo que envuelve el filamento.

Detalle del filamento y el cátodo de la PY88

La placa en esta válvula es la lámina que aparece en color gris oscuro y que se puede ver en la fotografía que envuelve a su vez al cátodo.

Detalle del interior de la PY88

A continuación vamos a ver otro ejemplo de cátodo, en este caso de un triodo en el que podemos ver más en detalle el propio cátodo y su recubrimiento de óxido de bario.

Detalle del cátodo y su recubrimiento

Este es el detalle de la placa, el cátodo y el filamento de la válvula rectificadora doble EAA91.

El efecto termoiónico (I)

En anteriores ocasiones ya hablamos sobre la ionización mediante campos eléctricos muy intensos e incluso mediante la aplicación de calor con una llama, a este último fenómeno se le conoce como efecto termoiónico y vamos a ver más en profundidad cómo es ese proceso de ionización y en qué consiste. 

Los metales están compuestos por átomos en los que a su alrededor circulan sus electrones describiendo órbitas entorno a su núcleo. 

La distancia que separa las diferentes órbitas que recorren los electrones alrededor del núcleo del átomo van en función de la propia energía que poseen dichos electrones, de tal manera que cuanta mayor energía tienen, mayor capacidad albergan para alejarse del núcleo, esto es porque los electrones tienen carga negativa y los protones que forman parte del núcleo tiene carga positiva, así que como cargas de distinto signo se atraen, el núcleo ejerce una fuerte atracción sobre el electrón, de este modo para que pueda alejarse, tendrá que poseer más energía y así podrá distanciarse aún más. 

Desplazamiento de electrones libres en un metal

De tal modo que se puede afirmar que el electrón más alejado del núcleo es el que tiene mayor energía propia, de hecho estos electrones están tan alejados que la fuerza de atracción con respecto al núcleo es tan débil que a veces pueden escaparse del átomo convirtiéndose en un electrón libre, cuando esto ocurre, el átomo que se ha quedado con un electrón de menos pasa a convertirse en un ion positivo ya que ahora posee más protones que electrones, y la carga resultante del átomo será entonces positiva. 

Pero ahora este ion positivo al tener una carga total positiva va a tratar de volver a un estado neutro y para ello tiene que obtener como sea otro electrón, y como resulta que los átomos que tiene a su alrededor también poseen electrones muy alejados del núcleo y ahora nuestro ion positivo tiene una carga positiva, va a ejercer una fuerte atracción sobre cualquier otro electrón que se acerque, y se lo quitará del átomo más próximo, (o de cualquier otro electrón libre que se acerque demasiado), ahora este nuevo átomo que se ha quedado sin un electrón intentará volverse neutro como el anterior, repitiéndose así una y otra vez el mismo proceso. 

Dicho de otra manera, dentro del metal tendremos un movimiento continuo de electrones libres circulando y chocando de un lado a otro, pero siempre se mantienen dentro del metal porque aunque un electrón libre posee más energía que cuando está ligado a un átomo no es lo suficientemente fuerte, y siempre se verá atraído por esos iones positivos que otros electrones han creado al abandonar los átomos. 

Emisión de electrones por calentamiento del metal

Todo esto sucede a temperatura ambiente, pero si aportamos calor al metal estamos aplicando una energía extra a esos electrones, por lo que estos electrones libres aumentarán su velocidad de desplazamiento, y ocurre que, cuando se calienta lo suficiente, estos electrones libres pueden alcanzar tal energía que su velocidad sea tan elevada como para contrarrestar la fuerza de atracción de esos iones positivos y escapar por completo de la estructura metálica. 

Esto quiere decir que cuando un electrón consigue escaparse fuera del átomo obtenemos un ion positivo y si además también consigue escapar de la estructura metálica, como resultado obtendremos un metal cargado positivamente. 

Pero como no vamos a creernos esto porque si, vamos a demostrarlo con el siguiente experimento, que consiste en una bombilla recubierta con una malla metálica, en este caso el metal que vamos a calentar va a ser el filamento haciendo circular una corriente eléctrica a través de él para que se ponga incandescente, esto producirá una emisión de electrones por parte de este, por lo que el filamento se quedará cargado positivamente al tener un defecto de electrones, y esos electrones los recogeremos con la malla metálica que recubre la bombilla.

Vista del montaje para el experimento

Para demostrarlo conectaremos la punta de prueba de un polímetro a un extremo de la conexión del filamento y la otra punta a la malla, comprobando que en el lado del filamento al emitir este electrones quedará cargado positivamente (punta de prueba roja) y se convertirá en este caso en el polo positivo.

A su vez, como el filamento está conectado a la malla exteriormente a través del polímetro, el propio filamento al quedar cargado positivamente va comenzar a coger electrones de todo aquello a lo que esté unido eléctricamente, en este caso la malla, por lo que esta se volverá positiva precisamente por carecer ahora de electrones y que también tratará de recuperar esos electrones que le faltan.

De este modo, algunos de los electrones emitidos al vacío por el filamento, se verán atraídos por esta malla que es positiva y en la que parte de los electrones tenderán a acumularse ya que no todos pueden volver al filamento a través del cable exterior debido a la alta resistencia que ofrece el polímetro, y por tanto, tendrá  poco a poco un exceso de electrones y la malla se convertirá en el polo negativo (punta de prueba negra). 

Como se observa en la siguiente imagen se produce una diferencia de potencial, entre filamento y malla, y el polímetro registra esa tensión.

Esquema del montaje

También podemos ver que si invertimos la conexión de las puntas de prueba la lectura aparece con un valor negativo, por lo que, aunque el filamento está alimentado con una corriente alterna, se está generando una tensión continua entre filamento y malla, es decir una tensión que posee polaridad. 

Inversión de la polaridad de las puntas de prueba

Emisión de electrones desde el filamento

Y otra cosa muy importante, los electrones solo pueden circular del filamento a la malla y no en sentido contrario. Más adelante veremos la importancia que tiene este fenómeno. 

En el siguiente vídeo podemos ver cómo se desarrolló el experimento y ver que la diferencia de potencial es proporcional a la intensidad luminosa de la bombilla, es decir, que cuanto más caliente esté el filamento, la emisión de electrones será mayor y mayor será la diferencia de potencial.

Al desconectar una punta, la tensión es nula aún cunado la otra punta está conectada a la fase

Detalle de la separación total de la malla a cualquier otro elemento conductor

Construcción de un circuito para un vúmetro analógico con el amplificador operacional LM358P

Montaje del circuito para el vúmetro analógico.

Un vúmetro es un instrumento de medida que permite obtener una representación gráfica más o menos objetiva de la señal de sonido con la que se está trabajando respecto a la sensación que tiene el oído humano en referente a ese sonido.

Escala del vúmetro.

Como se puede apreciar en la imagen de arriba la escala del vúmetro (en unidades de volumen) va de -20 a 0, y de 0 a +5. Sin entrar en muchos detalles se puede decir que lo recomendable es que la señal que se está midiendo no sobrepase el 0, si la lectura se encuentra por debajo de este, el nivel de la señal es bueno, pero si está muy por debajo del 0 podemos tener problemas con el ruido de la propia señal. 

Si está por encima del 0 la señal comienza a tener un volumen muy alto y pueden producirse distorsiones en la señal. 

Detalle del circuito

Para la realización de este montaje se ha empleado el amplificador operacional LM358P al que vamos a hacerle trabajar como amplificador no inversor de corriente alterna con realimentación negativa. Aunque en un principio pueda sonar un poco complicado vamos a ver que significa todo esto estudiando el circuito por partes. 

Como elemento principal del circuito se encuentra el amplificador operacional al cual le inyectamos la señal con la que queremos trabajar por la entrada positiva no inversora (3), en cuanto a la entrada negativa (2) va conectada a la salida (1) a través del potenciómetro R5 con el que se puede controlar la ganancia total del circuito y la realimentación. 

Los condensadores C2 y C4 se emplean para bloquear la componente de corriente continua de la señal y así poder hacer trabajar al amplificador operacional en corriente alterna. R3 se usa para poner en parte a masa la entrada positiva y así hacer más estable la amplificación y evitar que la salida pueda llegar a saturarse. 

Toda señal de sonido que entra por el terminal 3 será amplificada por el LM358P y el resultado de dicha amplificación saldrá por el terminal 1. 

Ahora esa señal del terminal 1 se elevará nuevamente gracias al doblador de tensión de media onda que forman el conjunto de los condensadores C4 y C5 y los diodos D1 y D2, a su vez la señal saldrá de aquí rectificada. 

R6 y R7 forman un divisor de tensión haciendo que parte de la señal se derive a masa a través del diodo D3 y lo restante se envía al vúmetro, el cual no es más que un microamperímetro cuya escala está graduada en unidades Vu o unidades de volumen. 

Para este montaje se ha empleado un vúmetro de 500 uA, es decir, que su escala de fondo se alcanza cuando por él circula una intensidad de 500 uA o lo que es lo mismo 500^10^-6 A. 

Con el potenciómetro R5 podemos ajustar la amplificación del circuito y ajustar así el alcance máximo de la aguja sobre la escala. 

(Actualización 4/1/15), esta es una lista detallada de los componentes utilizados:

-C1 condensador electrolítico 220 microfaradios, 16 voltios.
-C2 condensador electrolítico 1 microfaradio, 10 voltios.
-C3 condensador electrolítico 1 microfaradio, 10 voltios.
-C4 condensador (no polarizado) 10 microfaradios de poliester.
-C5 condensador electrolítico 1 microfaradio, 10 voltios.
-R1 resistencia 100 ohmios.
-R2 y R3 resistencias de 47 K ohmios.
-R4 resistencia 1 K ohmios.
-R5 potenciómetro lineal de 47 K ohmios.
-R6 resistencia 4,7 K ohmios.
-R7 resistencia 1,8 K ohmios.
-D1, D2 y D3 diodos 1N914.
-Amplificador operacional LM358.
-El vúmetro es un micro amperímetro con una escala máxima de 500 micro amperios.

Actualización (03/09/17)

Cómo calcular el valor de la resistencia R7 para que se adapte a cualquier vúmetro que tengamos.
 
Si ocurre que queremos construir este circuito y reutilizar un vúmetro pero tiene características que son distintas a las que este circuito requiere (500 microamperios), habrá entonces que cambiar el valor de R7 para que la aguja del vúmetro ni se pase ni se quede corta. 

Para ello con la siguiente fórmula se podrá calcular fácilmente: 

R7´ = 0,9 voltios / Intensidad del nuevo vúmetro (en amperios)

Y ese 0.9 es la tensión que el vúmetro recibe cuando la aguja está al final de la escala y para ello se calcula teniendo en cuenta que para que la propia aguja del vúmetro esté al fondo de la escala tiene que pasar por él una intensidad de 500 microamperios y como está en serie con la resistencia R7 también por esta pasará esa intensidad y a su vez, como el vúmetro es básicamente un amperímetro con una resistencia despreciable podemos calcular la caída de tensión en R7.

 Así que si aplicamos la ley de Ohm (V=I*R) en R7, y la caída de tensión será de:

V = Intensidad máxima del vúmetro en amperios * R7 en ohmios;
 V = 500x10^-6 A * 1800 Ω = 0,9 voltios 

De este modo sabemos que la máxima tensión de salida del amplificador operacional será de 0,9 voltios, así que solo queda calcular R7 para limitar la intensidad y que el nuevo vúmetro no se quede corto o se quede todo el tiempo al final de la escala. 

Pero, ¿y si no sabemos nada de nada del vúmetro?, entonces una manera de averiguar algo es mediante la construcción de un pequeño circuito para tomar medidas con un polímetro y de forma indirecta calcular el valor en amperios del vúmetro del que no sabemos nada.

El circuito consiste en colocar en serie con el vúmetro un potenciómetro y conectarlo a una pila de 1,5 voltios, es importante primero poner el potenciómetro regulado a valor de máxima resistencia, y poco a poco y regulando hasta que el vúmetro llegue al final de la escala.

Circuito de pruebas.

Después el potenciómetro lo desconectamos del circuito y lo conectamos al polímetro para medir la resistencia que tiene tras haberlo ajustado, a su vez medimos la tensión de la pila que hemos usado para saber exactamente la tensión que tiene en ese momento, y con esos dos datos ya sabemos que tensión le hemos aplicado al potenciómetro (la resistencia del vúmetro es muy baja así que la despreciamos) y que valor de resistencia tiene, de este modo aplicamos nuevamente la ley de Ohm y calcularemos que intensidad ha pasado por ella y como esta en serie con el vúmetro también sabremos que intensidad tiene que pasar por el vúmetro para que llegue al fondo de la escala empleando la siguiente fórmula:

Intensidad del vúmetro (en amperios)=Tensión de la pila / Valor de resistencia del potenciómetro 

Con el valor de intensidad calculado lo llevamos a la formula para calcular R7 y ya tenemos también el valor de resistencia para nuestro vúmetro desconocido.

Resumen de fórmulas

Cuadro resumen de fórmulas.

Pongamos un ejemplo, tenemos un vúmetro del que no sabemos nada de él, se construye el circuito de pruebas, y obtenemos los siguientes valores:

-Resistencia medida del potenciómetro con la aguja al fondo de escala: 9537 ohmios.
-Tensión de la pila en el momento de la prueba: 1,27 voltios .

Pasamos estos datos a la primera fórmula del cuadro resumen y obtenemos:

1,27 voltios / 9537 ohmios = 133x10^-6 amperios, (o lo que es lo mismo 133 microamperios).

Con este último valor vamos a la segunda fórmula y calculamos R7:

R7 = 0,9 voltios / 133x10^-6 amperios = 6766 ohmios.

Como este valor no es comercial, nos vamos al valor más cercano que es 6,8 KOhmios.

Qué es y cómo funciona un amplificador operacional integrado

Amplificador operacional integrado LM358P

Empezando un poco por el principio se puede decir que como su propio nombre indica el amplificador operacional se diseño para realizar operaciones matemáticas como sumar, restar, integrar..., no obstante también tiene otros muchos usos como amplificadores de señal, osciladores, rectificadores de alta precisión...

Primer amplificador operacional comercial no integrado GAP/R K2-W (1952). Imagen de philbrickarchive.org

Desde el punto de vista de sus conexiones principales nos encontramos que el amplificador operacional también llamado para abreviar op-amp, dispone de dos entradas, una negativa y otra positiva, y una salida, a su vez, este dispositivo requiere de una alimentación externa simétrica cuyo punto medio se conecta a una masa común, esto hace posible que la salida pueda volverse positiva o negativa.
 

 

Ejemplo de conexión a una fuente de alimentación simétrica

También los op-amps disponen de otras entradas para el ajuste del centrado, compensado de frecuencia de entrada..., pero por ahora no nos vamos a meter con ello.

Lo primero es entender cómo funcionan y qué ocurre en su salida cuando actuamos de diferentes formas en sus entradas, para ello nada mejor que unos ejemplos:

 

Formas de usar un op-amp

En la imagen de arriba podemos ver tres ejemplos del funcionamiento del amplificador operacional, veamos que pasa en cada uno de ellos.

En el primero se aplica una tensión positiva a la entrada negativa teniendo a masa la otra entrada, y como resultado la salida será negativa, es decir, estará invertida.

En el segundo caso se aplica una tensión positiva a la entrada positiva manteniendo a masa la otra entrada y la salida resultará positiva, es decir, sin invertir.

En el tercer caso si se aplica la misma tensión a ambas entradas el resultado en la salida será de cero ya que la función diferencial del op-amp es compensar ambas entradas. Esto en la práctica no suele ser así y más adelante veremos el porqué.

Con estos ejemplos podemos ir intuyendo un poco como funciona el amplificador operacional, pero de momento este dispositivo no está haciendo honor a su nombre ya que no parece que amplifique nada.

Así que vamos a ir un poco más allá estudiando un circuito muy clásico que es el comparador diferencial de tensiones, en el que disponemos de una tensión de referencia que introducimos en el terminal de entrada negativa y que será la que usaremos como tensión para comparar, y una tensión de muestra que introducimos en la entrada positiva y será la que haremos variar su valor.

 

Comparador diferencial de tensiones

Si la tensión de muestra es un poco superior a la de referencia (estamos hablando de décimas de voltio) la salida será positiva y estará en estado de saturación, es decir dará la máxima tensión que pueda.

Por el contrario si la tensión de muestra es un poco inferior a la de referencia ocurrirá lo contrario, la salida será negativa y estará también saturada.

Con esto podemos ver que una pequeña diferencia de tensiones entre las entradas se produce una tensión mucho mayor en la salida como respuesta, y aquí ya se puede ver un poco más claro esa función de amplificación.

Con "independencia" del op-amp que se use la ganancia típica de estos es del orden de 100 000, de ahí que con una pequeña diferencia de tensiones entre sus entradas sea suficiente para que la salida se sature. Supongamos que la tensión de referencia es de 2 voltios y la de muestra 2,01, la diferencia será de 0,01 voltios y partiendo de una ganancia de 100 000 la tensión en la salida tendría que ser igual a:

V salida = A0 x (V muestra - V referencia)

donde A0 es la ganancia en tensión del circuito en bucle abierto.

De este modo aplicando los valores del ejemplo anterior tenemos que: 

 V salida = 100 000 x (2,01 - 2 ) = 1000 voltios.

¡Eso sería imposible!, por lo que el op-amp solo podrá dar como mucho la tensión a la que esté alimentado, de ahí que esté saturado.

Pero, ¿y si pudiéramos controlar la ganancia total del circuito?, pues bien, se puede, pero hay que cambiar la configuración del circuito a algo que se conoce como en bucle cerrado, hasta ahora los ejemplos de arriba estaban en bucle abierto y como tal estábamos a merced de las características propias del op-amp, pero con un circuito en bucle cerrado la cosa cambia.

El amplificador en modo inversor de C.C.

En el siguiente ejemplo de amplificador inversor se puede ver en que consiste el sistema en bucle cerrado o también conocido como realimentación negativa en el que la salida se conecta a su propia entrada negativa a través de una resistencia (R2) y la señal que se introduce a la entrada negativa se hace ahora a través de una resistencia (R1).

 

Circuito inversor de c.c.

En este momento R1 y R2 van a controlar la amplificación total del circuito que vendrá dada por la expresión

A = R2 / R1

donde A es la amplificación total del circuito, a su vez en la salida va a aparecer una tensión no solo amplificada, también invertida.

Esta ganancia que ahora podemos controlar también la podemos hacer variable en todo momento si añadimos al circuito un potenciómetro en serie con la resistencia de realimentación (R2) como podemos ver a continuación:

 

Circuito inversor de c.c. de ganancia variable entre 1 y 101

Si elegimos los mismos valores para R1 y R2 (10 kΩ) y para R3 un valor de 1 MΩ, tenemos que para un ajuste de R3 a un valor de 0 Ω la amplificación total o ganancia en tensión total del circuito será de

A = (R2 + R3) /R1

y sustituyendo valores obtenemos

A mín.= (10 kΩ + 0) / 10 kΩ = 1. 

Y para un ajuste de R3 a un máximo valor obtendremos una ganancia total de

 A máx. = (10 kΩ + 10^3 kΩ) / 10 kΩ = 101.

Como podemos apreciar podemos ajustar la ganancia total entre 1 y 101.

El amplificador en modo no inversor de C.C.

Otra forma de usar el amplificador operacional es en modo no inversor, esto se consigue cambiando la configuración de las entradas, y al igual que veíamos en el segundo ejemplo del principio la señal que queremos amplificar se conecta ahora a la entrada positiva y la otra entrada negativa se conecta a masa pero a través de la toma media de dos resistencias, siendo R1 la resistencia de realimentación y R2 la resistencia a través de la cual la entrada negativa se conecta a masa formando el conjunto de estas dos un divisor de tensión.

 

Circuito amplificador no inversor de c.c.

Sin embargo para calcular ahora la ganancia total del circuito se emplea la expresión

A = (R1 + R2) / R2

Como antes también podemos hacer en todo momento variable la ganancia total sustituyendo R1 por un potenciómetro, de este modo las ganancias posibles serán de entre

A mín. = (0 kΩ + 1 kΩ) / 1 kΩ = 1, y 

A máx. = (100 kΩ + 1 kΩ ) / 1 kΩ = 100 

por lo que la ganancia total podrá ajustarse entre 1 y 100.

 

Circuito amplificador no inversor de c.c.de ganancia variable entre 1 y 100

El amplificador en modo inversor de C.A.

Hasta ahora hemos hecho trabajar al op-amp con señales de tensión continua pero también puede amplificar señales de corriente alterna, para ello hay que insertar en el circuito un condensador de bloqueo en serie con la entrada y otro a la salida como se ve a continuación:
 

Circuito amplificador inversor de c.a. y ganancia 100

El amplificador en modo no inversor de C.A.

Al igual que antes añadiendo condensadores de bloqueo podemos trabajar con una señal de C.A. pudiendo entregarla amplificada a su salida y sin invertirla como se ve a continuación:

 

Circuito amplificador no inversor de c.a. y una ganancia de 100

También se hace necesario poner a masa la entrada positiva a través de R3 ya que de lo contrario el op-amp se puede volver inestable haciendo que la salida se sature rápidamente.

Uso del centrado en los amplificadores operacionales.

Antes hablábamos que si introducimos una misma tensión a las entradas o si incluso conectamos ambas a masa en la salida el resultado sería cero, eso es lo que dice la teoría, en la práctica no suele pasar, debido a que por las características y las diferencias en las tolerancias de los elementos que constituyen el op-amp pueden aparecer en su interior pequeñas tensiones internas que deriven en sus entradas haciendo que estas ya no tengan la misma tensión entre ellas, y que el amplificador por si solo de una respuesta en su salida diferente a cero o incluso que llegue a saturarse si este está en bucle abierto.

Debido a esto los op-amp disponen de terminales con los que desde el exterior se puede corregir este desequilibrio. En el siguiente ejemplo se puede observar un caso real de como ajustar el centrado para el op-amp LM741, en el que por medio de R3 se puede ajustar el centrado para obtener cero voltios al conectar ambas entradas a masa.

Circuito amplificador no inversor de c.c. con ajuste del centrado y una ganancia de 10

Construcción de una bobinadora casera de "usar y tirar"

Quizás en ocasiones necesitemos reparar un pequeño transformador o motor, y para ello tengamos que reconstruir alguna de sus bobinas, pero claro, para hacerlo bien, necesitamos una bobinadora que nos facilite el trabajo, y que, si no disponemos de ella, el trabajo se puede hacer un tanto pesado. 

Lo que vamos a ver a continuación es una forma rápida de construir una bobinadora de "usar y tirar" hecha con cartón corrugado de doble capa que le dará la suficiente resistencia como para aguantar unos cuantos usos y con la cual podamos salir del paso. 

Su construcción es muy sencilla, tan solo se necesita una caja de cartón, cola de carpintero u otro adhesivo que pegue cartón, y algo para marcar y cortar. 

En los planos se detallan las medidas para una bobinadora que podría construir bobinas de un tamaño para un transformador de unos 100 vatios, en el caso de bobinas de mayor tamaño, tan solo escalaremos las dimensiones de los planos. 

Lo primero que haremos será a partir del tamaño de la bobina que queremos construir, calcular el tamaño de la bobinadora. 

Una vez calculadas las dimensiones dibujamos las medidas en una plancha de cartón y a continuación las recortamos. 

 

Detalle de los orificios de la base

Encolamos los soportes laterales a los refuerzos y cuando esté seco, presentamos el conjunto sobre la base para marcar los orificios donde insertaremos parte de los soportes laterales para dar mayor solidez. 

Placas de cartón

A continuación recortamos unas placas de cartón con el tamaño del orificio interior del carrete que soporte la bobina, estas placas nos servirán para hacer de soporte entre la manivela y el propio carrete, y para que no deslice la manivela con el cartón, soldaremos a esta una pequeña barra perpendicular, y practicaremos en el cartón un orificio del mismo tamaño que esta barra para que entre ellos se haga tope a modo de chaveta y chavetero.

Detalle de la unión entre placas y manivela

Aquí podemos ver el resultado tras rebobinar el primario de un transformador para halógenos de 50 vatios que se había quemado.

Planos de la bobinadora