UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA IEO – IEO – 211 211 LABORATORIO DE CIRCUITOS I
GUÍA DE LA PRÁCTICA N° 4A ENCENDIDO DE LUZ MEDIANTE APLAUSO: USO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO COMPARADOR Y COMO AMPLIFICADOR
1. MARCO TEÓRICO RESUMIDO El objetivo de esta práctica será el de montar un circuito capaz de detectar el sonido de un aplauso y, partiendo de él, prender o apagar algún dispositivo. En este caso, para hacer más simple la práctica, simplemente apagaremos o encenderemos un led. Sin embargo, este mismo circuito podría usarse para encender y apagar otro tipo de dispositivos, haciéndole pequeñas modificaciones.
Figura 1. Utilidad del circuito a montar en esta práctica.
Funcionamiento general del circuito Lo primero que hay que tener en cuenta es que para detectar el sonido del aplauso, usaremos un micrófono electret, el cual es un tipo de micrófono sencillo y económico que será útil para el propósito de esta práctica.
Usando el micrófono, tendremos un voltaje que varía en el tiempo según el sonido, algo como lo que se ve en la figura 2, donde el pico más alto en cierto punto indica el momento en el que ocurrió el aplauso.
Figura 2. Señal generada por el micrófono
Ahora, teniendo esta señal, sabiendo que el voltaje del micrófono crece cuando hay un sonido fuerte como el del aplauso y conociendo la utilidad del amplificador operacional como comparador, podríamos pensar en comparar este voltaje del micrófono con un valor determinado, de tal manera que cuando el aplauso ocurre, el voltaje supera el de comparación y obtenemos una salida en el comparador alta que podremos usar para encender el led, como se muestra en la figura 3.
Señal que se usará para encender el led
Señal de sonido
Figura 3. Comparación de las señales.
Sin embargo, existen varios problemas con este circuito, los cuales analizaremos uno por unoa continuación.
a. Necesidad de amplificación: La señal que genera el micrófono es muy pequeña. Los niveles de voltaje son del orden de los milivoltios. Por este motivo, para poder trabajar más cómodamente, lo primero que debemos hacer es amplificar la señal, es decir, multiplicarla por una ganancia para que los voltajes sean más grandes, como se ve en la figura 4.
Salida Entrada
Figura 4. Amplificador.
Para realizar esta amplificación podemos utilizar un amplificador operacional, el cual, así como lo indica su nombre, puede ser usado para amplificar una señal cualquiera, tal como se explica a continuación. Observe el siguiente circuito:
Figura 5. Amplificador operacional usado como amplificador de voltaje.
En este caso, al amplificador operacional está sirviendo para amplificar el voltaje que llega a la entrada no inversora (Vin), entregando a la salida un voltaje más alto (Vout), de la siguiente manera:
Por ejemplo, si R1/R2= 2, entonces Vout= 3*Vin, es decir el voltaje a la salida será 3 veces el que haya a la entrada o, lo que es lo mismo, el amplificador tiene una ganancia de 3. Otra posible configuración para amplificar es la del amplificador inversor, para el cual se conecta el amplificador de la siguiente manera.
Figura 6. Amplificador operacional usado como amplificador inversor de voltaje.
Y en este caso se obtiene una ganancia negativa de la siguiente forma:
Entonces, para la primera parte del circuito podemos usar el siguiente esquema, donde el capacitor c1 es necesario para el correcto funcionamiento del micrófono y las resistencias R2 y R3 manejarán la ganancia del amplificador.
Figura 7. Circuito de micrófono con amplificador.
Entonces, adicionando esto al comparador, tendremos el siguiente circuito:
Figura 8. Circuito con amplificador mas comparador. Donde el primer amplificador operacional está amplificando y el segundo está comparando. El potenciómetro se está utilizando como divisor de voltaje para establecer el voltaje de comparación. b. Conservar el estado de encendido Aún después de haberse amplificado, la forma de la señal es la misma, simplemente es más grande. El problema con esto es que, dado que el aplauso dura un tiempo corto, el estado alto a la salida del amplificador operacional será momentáneo como se ve en la figura 8, y como lo que queremos es que el led se quede encendido después del aplauso y que sólo se apague si llega a suceder otro aplauso, entonces necesitamos algún otro dispositivo electrónico que nos ayude a hacer esto.
Encendido
Apagado
Apagado
Figura 9. Estado activo del amplificador operacional. Es decir, lo que queremos es obtener lo que se ve en la figura 9.
Figura 10. Respuesta deseada en el circuito
En este caso, para lograr el efecto deseado, utilizaremos un Flip-flop tipo D (referencia 74ls74), el cual es un dispositivo con memoria, que es capaz de retener un determinado estado. En este caso, lo usaremos conectado en una configuración conocida como toggle o biestable, cuyo funcionamiento se describe a continuación y su conexión se muestra en la figura 8. En el flip-flop tenderemos dos salidas, una salida Q y una salida negada. Además se tendrá una entrada T y una entrada de reloj C.
Figura 11. Conexión del flip-flop como toggle. En la configuración biestable, la salida cambiará de estado ("toggle" en inglés) cada vez que la entrada de reloj tenga un flanco de subida, es decir, pase de 0V a 5V. De esta manera tendremos lo siguiente:
Cuando al terminal c (clock) del flip-flop llegue un primer pulso de entrada proveniente del comparador (la parte del circuito que ya vimos), su salida pasara de 0 V a 5V, pudiendo usarse para encender un led. Cuando al terminal c (clock) del flip-flop llegue un segundo pulso de entrada proveniente del comparador (la parte del circuito que ya vimos), su salida pasara de 5V a 0V, apagando el led.
De esta forma tendremos el comportamiento que estábamos buscado en el que con un aplauso de enciende el led y con otro se apaga. Entonces, resumiendo lo que llevamos hasta el momento, el circuito quedaría como se ve en la figura 12.
Figura 12. Circuito con micrófono, amplificador, comparador y flip-flop.
c. Rebote de señal Por último analizaremos un problema que es típico de muchos circuitos y se conoce como rebote. Para ilustrar lo que es el rebote, veamos más de cerca una señal producida por un micrófono. La figura 13 muestra una señal de sonido típica de un aplauso donde se ve que no se genera un único pico alto de voltaje, sino que son una serie de variaciones rápidas generadas con cada aplauso. Al comparar esta señal con un voltaje fijo usando el amplificador como comprador, vemos que a la salida tendríamos un tren de pulsos en lugar de un solo pulso, haciendo que el circuito empezara a prender y apagar el led repetidamente en lugar de obtener lo deseado (se enciende con un aplauso, se apaga con otro).
Figura 13. Rebote de señal y salida del circuito antirebote. Para evitar esto y obtener un solo pulso por cada señal sonora (cada aplauso) se puede utilizar lo que se conoce como un circuito antirrebote. Para esto se puede usar el integrado LM555 en configuración monoestable, conectado como se muestra en la figura 14.
Figura 14. Anti rebote con 555
Donde la fuente V está representando la señal que nos ha generado la parte del circuito compuesta por el micrófono, el amplificador y el comparador (el flip-flop vendría después de esta parte.) En este circuito, la entrada sería por el terminal llamado trigger (pin 2) y la salida seria el pin 3. A la salida tendremos un único pulso por cada aplauso. Observe que para un correcto funcionamiento, el circuito antirrebote debe ponerse ANTES del circuito con el flip-flop que se mostró anteriormente.
d. Circuito completo Teniendo en cuenta todo lo anterior, el circuito total de esta práctica quedará de la siguiente forma.
Figura 15. Circuito completo
Para terminar, a la salida del circuito conectaremos un Led de la salida hasta tierra, por su puesto adicionándole una resistencia de 220 0 330 ohmios para manejar la corriente.
2. PREINFORME Para esta práctica, no es necesario realizar un preinforme como trabajo escrito. El trabajo previo al laboratorio consiste en llevar el circuito montado y en consultar todo aquello que considere necesario para llevar a cabo el montaje del circuito que se describe en esta guía. Tenga en cuenta los siguientes puntos:
LEA DETENIDAMENTE LA GUÍA DEL LABORATORIO. Y asegúrese de entender lo que se pide en cada parte del circuito.
El montaje de este circuito puede resultar más largo que los realizados hasta el momento. Se recomienda llevar el circuito montado al laboratorio, pues en las dos horas que hay disponibles no habrá tiempo suficiente para todo. En esta práctica se trabajará con elementos que no se ha visto teóricamente aún. Aunque no es necesario conocer a fondo el funcionamiento del lm555 y del flip-flop, si será importante saber qué papel cumplen dentro de este circuito y como lo hacen. Por este motivo se recomienda consultar sobre estos dispositivos, pues en el informe que se hará en el laboratorio pueden hacerse preguntas sobre ellos. Consulte la hoja de datos de todos los dispositivos a usar en la práctica y llévela el día del laboratorio. En ella está la información que se necesita para saber cómo se monta el dispositivo y será muy útil a la hora de revisar el circuito. En los esquemas se muestra el circuito usando un amplificador operacional lm324. Si decide usar este amplificador operacional, recuerde que a diferencia del lm339 (que se usó en la práctica pasada) este amplificador se alimenta tanto con voltajes positivos (en este caso 5 V) como negativos (-5 V). También puede usarse otro amplificador operacional que usted tenga disponible. Si decide usar otra referencia, asegúrese de cuáles son los voltajes de alimentación que requiere, se recomienda que la alimentación sea dual (positiva y negativa) por las características del circuito. Consulte detalladamente la hoja de datos. Por último recuerde que en el informe que se debe elaborar en el laboratorio se harán algunas preguntas sobre el comportamiento del circuito y de los dispositivos que lo conforman. Si tiene dudas, por favor consúltelas con tiempo o diríjase a su profesor para asesoría.