Aplicación industriales para amplificadores operacionales de tipo Rail to Rail

 

Introducción

Actualmente el procesamiento de señales se realiza de forma digital, dada la facilidad con la que puede programarse un microcontrolador para tal fin, utilizando una fracción de espacio de lo que utilizaría un circuito analógico convencional que utiliza resistencias, capacitores, amplificadores operacionales y otros componentes.

Suele suceder, que aunque se realice un procesamiento que amplifique o atenúe una señal eléctrica, las tensiones de salida de un microcontrolador pueda que no tenga la magnitud suficiente de acuerdo a los requerimientos de diseño. En algunos casos la salida del microcontrolador tendrá máximos de +5V o +3.3V y, cuando éstos son acoplados a sistemas industriales que típicamente operan con +24V, es necesario entonces que este acoplador cumpla con la relación Vi=[0, 3.3], Vo=[0,24].

Se tiene el caso en que las fuentes de alimentación disponibles tienen +24 voltios en su salida y la tensión de salida requerida en los operacionales también es de +24 voltios por lo que componentes tradicionales como el LM741 se saturan cuando se requiere una tensión de salida muy cercana a la fuente de alimentación, obteniéndose finalmente un máximo del 85% del valor de la fuente; es decir 20.4V aproximadamente.

 

OpAmps saturado en su salida

El circuito siguiente muestra el caso del LM741, que satura la tensión en su salida, obteniendo un máximo del 90% de la tensión de alimentación :

 

Figura 1. LM741 un amplificador operacional que satura su salida. a) Diagrama esquemático. b) Tensión de entrada y tensión de salida para un amplificador no inversor. c) Parámetro eléctrico Output Voltage Swing para el LM741.

Tal como puede verse en el circuito de la figura anterior, se dispone de un amplificador no inversor en la figura 1a cuyo componente principal es el LM741 cuya alimentación es de ±12V, un dispositivo presente en el mercado por varias décadas. En la figura 1b, se muestra que la tensión de salida tiene como valores máximo ±10.8V en lugar de las tensiones límite proporcionadas por la fuente de alimentación. En la figura 1c el fabricante especifica las tensiones máxima que pueden obtenerse a la salida del Amplificador Operacional, las cuales tienen una diferencia entre ±1V y ±5V.

OpAmp del tipo Rail to Rail 

Para lograr tensiones de salida cercanas a la fuente de alimentación, deben utilizarse Amplificadores Operacionales del tipo “Rail to Rail” ya que permiten obtener tensiones muy cercanas a la fuente de alimentación en sus salidas. Cabe mencionar que esta condición también se cumple en sus entradas, evitando la saturación y facilitando su operación linean en un mayor rango de tensiones.

En la figura 2 se muestra el Amplificador Operacional AD8027, fabricado por Analog Devices. Mientras que el diagrama esquemático muestra un amplificador no inversor con el operacional alimentado por ±12V, las curvas en la figura 2b demuestran que la tensión de salida no se satura y logra obtener las tensiones entregadas por la fuente de alimentación.

 

Figura 2. AD8027 un amplificador operacional del tipo Rail to Rail en su salida. a) Diagrama esquemático de amplificador no inversor. b) Tensión de entrada y tensión de salida. c) Parámetro eléctrico Output Voltage Swing para el AD8027.

A diferencia del Amplificador Operacional anterior, se puede observar en la figura 2c que las tensiones de salida máximas, poseen diferencias muy pequeñas respecto de la fuente de alimentación, presentando máximos de 0.1V.

 

Recomendación

Por tanto, se recomienda para aquellas aplicaciones donde el valor de la tensión de la fuente disponible y la máxima tensión provista por Amplificadores Operacionales, utilizar del tipo Rail to Rail en su salida y evitar saturaciones que reduzcan drásticamente la linealidad de un circuito amplificador. En la figura 3 se observa, como parte de la descripción, la característica “Rail to Rail” del AD8027, tanto en su entrada como en su salida.

 

Figura 3. Presentación del componente AD8027 en la página de www.alldatasheet.com

 Considerando la disponibilidad de los Amplificadores Operacionales del tipo Rail to Rail, 

• ¿En cuáles aplicaciones industriales ha visto la necesidad de utilizarlos?
• ¿Con cuánta frecuencia los utiliza?
  
• ¿Ha sido difícil de obtenerlos en el mercado local de componentes electrónicos?