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