Solo describiremos aquello que se relaciona con la regulación. Un operacional es un amplificador lineal de alta ganancia con muchas aplicaciones en sistemas de regulación analógicos. La figura muestra dos tipos de cápsulas frecuentes y la numeración de sus patillas, el símbolo empleado en esquemas, las formas de alimentación y la función a la que responde su salida en la patilla 6.
Un operacional muy utilizado es el 741 por sus amplios márgenes de funcionamiento, con una alimentación habitual de +15 voltios y -15 voltios (con fuente de doble vía). Si no se utiliza fuente de doble vía (patilla 4 conectada a masa), la tensión más baja en la patilla 6 no llegará hasta los cero voltios ya que su linealidad se pierde cuando se acerca a los límites de la alimentación en las patillas 4 y 7. Un operacional que salva este problema es por ejemplo el CA3140, respondiendo bien desde los cero voltios cuando esta misma tensión se aplica en la patilla 4.
Como habremos visto en la figura, la salida de este curioso componente es proporcional a la diferencia de las señales de entrada aplicadas en las patillas 2 y 3, siempre y cuando no resulte un valor superior a la tensión de alimentación (positiva o negativa), a partir de cuyo momento es encontrará saturado. Dependiendo de cuál de las entradas es mayor, la salida podrá ser positiva o negativa respecto de la tensión de referencia o masa (en el caso de alimentación de doble vía). El problema que surge en principio, es que la constante es del orden de cien mil, de modo que una mínima diferencia entre las señales de entrada produce la saturación del operacional, apareciendo en su salida una tensión +V o -V (o cero voltios si no es de doble vía). La posibilidad de detectar diferencias mínimas en las señales de entrada ofrece muchas aplicaciones, pero no resulta nada indicado en regulación. Este problema se salva fácilmente si le hacemos trabajar en lazo cerrado (realimentando la salida hacia una de las entradas, que normalmente es la patilla 2 por cuestiones de su funcionamiento interno).
El hecho de que la ganancia K sea tan elevada es en realidad una ventaja muy importante al ser usado con realimentación. Si en la fórmula de la figura pasamos el valor K dividiendo a la tensión de salida V6, el resultado será prácticamente cero, de lo cual se deduce que el operacional siempre tenderá a igualar las dos tensiones de entrada ya que su diferencia será casi cero. Seguidamente veremos unas cuantas posibilidades de los operacionales.
Si el operacional tiende a igualar las dos entradas y la salida está conectada con una de ellas (una realimentación directa como en el primer caso de la siguiente figura), entonces la salida Vs siempre tenderá a igualarse a la entrada Ve. Una característica de los operacionales de gran valor práctico es que su impedancia de entrada es elevadísima y la de su salida es muy baja, de esta forma se puede alimentar una carga (en la salida Vs) sin que modifique para nada el comportamiento del divisor de tensión (el cociente entre las dos resistencias es igual al cociente entre las dos tensiones que soportan). Recuérdese que cuando se conectan varios elementos y uno de ellos supone una carga para el anterior, su comportamiento varía y no puede ser estudiado por separado, complicándose su estudio. La finalidad mostrada en el primer caso de la siguiente figura es por lo tanto la de adaptar impedancias con el propósito de que un componente o circuito no cargue a otro. Un operacional con una realimentación directa recibe el nombre de seguidor de tensión.
En el segundo caso de la figura anterior vemos su aplicación como amplificador inversor, con una ganancia ajustable si la resistencia Rs es variable. Aunque se pueden conectar dos de ellos en serie para conseguir un amplificador no inversor, esto mismo se consigue con un solo operacional (tercer caso de la figura). No es un imperativo que el amplificador sea inversor o no inversor sino que puede ser este un factor también ajustable (primer caso de la siguiente figura). Como cabe suponer, estos montajes pueden desempeñar perfectamente la función de un regulador proporcional. Las fórmulas de la ganancia mostradas se pueden deducir con facilidad considerando iguales las dos tensiones de entrada.
En el segundo caso de la figura anterior podemos ver un montaje para restar dos señales y aplicar a la vez una ganancia al resultado (por sí solo engloba un comparador y un regulador proporcional, siendo V2 la señal de consigna y V1 la de realimentación). Si solo se desea usar como restador bastará con que R1 y R2 sean iguales. Cuando sea necesario hacer la suma de señales, como por ejemplo para sumar dos o varias acciones de un regulador, podremos utilizar un sumador inversor (primer caso de la siguiente figura) o un sumador no inversor (segundo caso). En el último caso vemos cómo pueden sumarse varias señales y restar finalmente los resultados.
Las acciones integral y derivativa las podemos obtener como en la figura siguiente. La resistencia en paralelo con el condensador (primer caso) no tiene ninguna función en cuanto a la señal obtenida en la salida sino que simplemente mejora el funcionamiento interno del operacional. La misma consideración hacemos con el condensador de pequeña capacidad en el segundo caso.
El siguiente ejemplo es un regulador PID completo pero muy simplificado, que presentaría algunos problemas de ajuste de parámetros y sería más apropiado para una aplicación concreta con parámetros fijos. Sin embargo si tenemos en cuenta las posibilidades que se han descrito no encontraremos mucha dificultad en el diseño de un regulador ajustable.
Completamos este apartado mostrando un sencillo amplificador de potencia (segundo caso de la figura anterior) para la alimentación de pequeñas cargas (pequeños motores, lámparas...). Como puede suponerse, un operacional no puede (normalmente) alimentar directamente una carga. La salida de control es solamente una señal que aporta una información, debiendo ser amplificada en potencia (y en tensión normalmente).
Mario Dominguez Zambrano
EES
Sección: 02
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