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Cuaderno de ejercicios del estudiante

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CUARTA EDICIÓN

Primera Impresión, septiembre 2003

Copyright septiembre 2003 Lab-Volt Systems, Inc.

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6. Registro. Lab-Volt puede de vez en cuando actualizar el CD-ROM. Las actualizaciones pueden estar disponibles para usted únicamente si la tarjeta de registro de propiedad firmada está archivada en Lab-Volt o donde un beneficiario autorizado de tarjeta de registro. 7. Varios. Este acuerdo está regido por las leyes del estado de New Jersey.

Garantía limitada y descargo de responsabilidad Este CD-ROM software ha sido diseñado para asegurar la correcta operación cuando se utilice en la manera y dentro de los límites descritos en la guía del módulo. Como producto software altamente avanzado, es bastante complejo, por tanto, es posible que si es utilizado en configuraciones hardware con características distintas a aquellas especificadas en la guía del profesor o en ambientes con otros productos software no especificados, inusuales o extensivos, el usuario puede encontrar problemas. En tales casos, Lab-Volt hará esfuerzos razonables para asistir al usuario para operar correctamente el CD-ROM pero sin garantizar su funcionamiento correcto en cualquier hardware o ambiente software distinto que el descrito en la guía del módulo. Este CD-ROM software está garantizado conforme a las descripciones y sus funciones como lo especifica la guía del profesor. Después de una notificación apropiada y dentro de un período de tiempo de un año desde la fecha de instalación y/o aceptación del cliente, Lab-Volt, a su única y exclusiva disposición, reparará cualquier inconformidad o reemplazará cualquier disco compacto defectuoso sin ningún costo. Cualquier revisión substancial de este producto, hecha para propósitos de corrección de las diferencias del software dentro del período de garantía, estará disponible para los propietarios registrados y sin costo, teniendo como base la licencia. El soporte de garantía para este producto es limitado, en todos los casos, a errores de software. Los errores producidos por mal funcionamiento del hardware o la utilización de hardware no especificado u otro software no están cubiertos. EL LICENCIADOR NO HACE NINGÚN TIPO DE OTRAS GARANTÍAS CONCERNIENTES A ESTE PRODUCTO, INCLUYENDO GARANTÍAS O COMERCIABILIDAD O DE APTITUD PARA UN PROPÓSITO EN PARTICULAR, EL LICENCIADOR NIEGA RESPONSABILIDAD EN TODAS LAS OBLIGACIONES O RESPONSABILIDADES DE PARTE DEL LICENCIADOR POR DAÑOS, INCLUYENDO PERO NO LIMITADO A DAÑOS CON-SECUENTES O ESPECIALES QUE SURGEN DE O EN CONEXIÓN A LA UTILIZACIÓN DE ESTE PRODUCTO SOFTWARE LICENCIADO BAJO ESTE ACUERDO Preguntas concernientes a este acuerdo y a la garantía y todas las peticiones para la reparación del producto deben ser dirigidas al respectivo representante de Lab-Volt en su área. LAB-VOLT SYSTEMS, INC. P.O. Box 686 Farmingdale, NJ 07727 Atención: Desarrollo de programa Teléfono: (732) 938-2000 ó (800) LAB-VOLT Fax: (732) 774-8573 Soporte técnico: (800) 522-4436 E-mail de soporte técnico: [email protected]

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Contenido

Unidad 1 – Introducción al tablero de circuitos..........................................................................1 Ejercicio 1 – Ubicación e identificación de componentes ..........................................................4 Ejercicio 2 – Manejo del tablero de circuitos..............................................................................6

Unidad 2 – Integración y diferenciación......................................................................................9 Ejercicio 1 – El integrador ........................................................................................................15 Ejercicio 2 – El diferenciador ...................................................................................................17

Unidad 3 – Filtros paso bajo .......................................................................................................19 Ejercicio 1 – Respuesta en frecuencia del filtro paso bajo........................................................23 Ejercicio 2 – Respuesta transitoria y fase del F.B.P. ................................................................25

Unidad 4 – Filtros paso alto ........................................................................................................27 Ejercicio 1 – Respuesta en frecuencia del filtro paso alto ........................................................31 Ejercicio 2 – Respuesta y fase transitoria del FPA ...................................................................33

Unidad 5 – Filtros paso banda ....................................................................................................35 Ejercicio 1 – Respuesta de frecuencia de filtro paso banda ......................................................38 Ejercicio 2 – Respuesta en fase del filtro paso banda ...............................................................40

Unidad 6 – Conversion de rectificador puente de o.c. ..............................................................43 Ejercicio 1 – Conversión voltaje a corriente con op amp. ........................................................46 Ejercicio 2 – Convertidor de onda completa rms y prom. ........................................................48

Apéndice A – Seguridad ........................................................................................................... A-1

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Introducción

Este cuaderno de ejercicios del estudiante brinda un esquema unidad por unidad del currículo de Circuitos de fallas asistidas para la enseñanza técnica de la electrónica FACET (de las siglas en inglés Fault Assisted Circuits for Electronics Training, FACET). La sección del curso incluye la siguiente información y espacio para tomar notas a medida que usted avanza a lo largo del currículo. ♦ El objetivo de la unidad ♦ Fundamentos de la unidad ♦ Una lista de los nuevos términos y palabras para la unidad ♦ El equipo requerido en la unidad ♦ Los objetivos del ejercicio ♦ La discusión del ejercicio ♦ Notas del ejercicio El Apéndice incluye información acerca de la seguridad.

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Aplicaciones del amplificadores operacionales Unidad 1 – Introducción al tablero de circuitos

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UNIDAD 1 – INTRODUCCIÓN AL TABLERO DE CIRCUITOS

OBJETIVO DE LA UNIDAD Después de finalizar esta unidad, usted conseguirá la capacidad para ubicar e identificar la mayoría de los componentes del tablero de circuitos APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL.

FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD El bloque de circuitos Aplicaciones del amplificador operacional consta de seis bloques de circuitos didácticos: • Integrador • Diferenciador • Filtro paso bajo • Filtro paso alto • Filtro paso banda • Conversión rectificador tipo puente de onda completa

Cada bloque de circuitos fue diseñado a partir de un amplificador operacional con circuito integrado LF441. El símbolo esquemático del op amp se muestra en la figura. Cada op amp está instalado en un enchufe de conexión tipo DIP. Esto facilita el reemplazo del op amp en caso de que se dañe.

El tablero de circuitos tiene un bloque de circuitos Atenuador para usar con señales de entrada, cuya amplitud es muy grande en circuitos de prueba. La Atenuación es una reducción de la amplitud de la señal. En este circuito el factor de atenuación es 11:1, en base a la relación de resistencia de 470Ω a 47Ω.


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Este símbolo representa al generador de señal conectado a las entradas de cada uno de los bloques de circuitos. Las líneas punteadas indican que no están embobinadas permanentemente en el circuito y que usted debe de realizar las conexiones.

Los conectores de dos postes son empleados para poder cambiar la configuración del circuito.

NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS atenuador - es la reducción en la amplitud de la señal. atenuación - es un circuito que reduce la amplitud de la señal. desacople - se refiere a los capacitores usados en la polarización (produciendo un camino de baja impedancia para las señales de CA al común del circuito) en las líneas de la fuente de poder de un amplificador.

EQUIPO REQUERIDO Unidad de base FACET Tablero de circuitos APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Multímetro Osciloscopio de doble señal Generador de onda senoidal


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Ejercicio 1 – Ubicación e identificación de componentes

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando llegue al final del ejercicio, usted logrará ubicar la mayoría de los bloques de circuitos del tablero de circuitos APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Verificará los resultados al identificar correctamente estos circuitos y gran parte de sus componentes.

DISCUSIÓN • Cada op amp es un circuito integrado de 8 pins (CI) instalado en una conexión tipo DIP. • El CI del op amp tiene un pequeño "orificio" en la esquina superior izquierda, la cual

identifica al pin 1. Los números de los pins son contados en forma consecutiva, en el sentido contrario de las manecillas del reloj (CCW), iniciando en el "orificio".

• Los capacitores de paso están localizados abajo de cada op amp. • El desacoplamiento proporciona un camino de baja impedancia de CA local a tierra. Esto

mejora la estabilidad de los amplificadores. • Los componentes adicionales electrónicos están presentes para permitir a cada bloque de

circuitos ser configurado para las aplicaciones específicas. • La mayoría de las aplicaciones op amp tienen resistencias de carga de salida. La excepción es

el bloque de circuitos FUIL-WAVE BRIDGE DRIVER/CONVERSION.


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Ejercicio 2 – Manejo del tablero de circuitos

OBJETIVO DEL EJERCICIO Luego de completar el ejercicio, usted conocerá la forma de conectar el GENERADOR DE SEÑALES para conseguir que funcionen varios bloques de circuitos. Podrá definir la función del circuito, usando el osciloscopio para analizar formas de onda de entrada y salida.

DISCUSIÓN • Tres bloques de circuitos son circuitos filtro. Dichos filtros son: FILTROS PASO ALTO,

FILTRO PASO BAJO y FILTRO PASO BANDA. • Los filtros son utilizados para permitir el paso de señales de entrada para determinadas

frecuencias y para rechazar (eliminar o bloquear) señales de entrada de otras frecuencias. • La configuración de las resistencias y capacitores de los circuitos determinan la aplicación

del filtro. • El valor de las resistencias y capacitores determinan las frecuencias que serán filtradas o

pasadas. • En el Filtro Paso Alto las señales de entrada de alta frecuencia pasan a la salida y son

rechazadas (atenuadas) las de entrada de baja frecuencia. • En el Filtro Paso Bajo, las de baja frecuencia pasan a la salida y rechazan (atenúan) las

señales de alta frecuencia. • En el Filtro Paso Banda, sólo pasa un rango de frecuencias. Las señales de entrada que

presentan frecuencia dentro de la banda de paso transitan hacia la salida. Las frecuencias por abajo o por encima del rango del filtro son rechazadas.


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Aplicaciones del amplificadores operacionales Unidad 2 – Integración y diferenciación

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UNIDAD 2 – INTEGRACIÓN Y DIFERENCIACIÓN

OBJETIVO DE LA UNIDAD Luego de finalizar la presente unidad, usted logrará determinar los efectos de un INTEGRADOR ACTIVO y un CIRCUITO DIFERENCIADOR en una SEÑAL DE ENTRADA. Verificará los resultados con un osciloscopio.

FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD

Los integradores y los diferenciadores son circuitos que condicionan la señal que cambia la forma de una onda de entrada. La señal de la salida modificada puede usarse para cumplir diferentes funciones.

La salida de un integrador es un voltaje igual al área bajo la forma de entrada, sobre un período de tiempo específico.


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Esta red integradora pasiva, se llama "pasiva" porque no incluye ningún elemento activo con capacidad de amplificación, tal como un transistor o un op amp.

Usted puede pensar en el integrador pasivo como un divisor de voltaje con la salida tomada a través del capacitor. Incrementando la frecuencia de la señal de entrada de un integrador se produce una disminución en la salida.

La primera de las formas de onda de este grupo representa un pulso de entrada al integrador pasivo. Las siguientes ondas representan la salida con diferente relación entre el ancho del pulso (PW) y la constante de tiempo RC. En la primera salida, la constante de tiempo RC es mayor que el ancho del pulso. El pulso de entrada termina antes de que el capacitor se cargue completamente. En la segunda salida, la constante de tiempo RC es aproximadamente igual al ancho del pulso. La forma ligeramente curva en la parte superior se debe a la naturaleza exponencial de la acción de carga del capacitor.


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En la tercera salida, la constante de tiempo RC es mucho menor que el ancho el pulso. La carga del capacitor es relativamente rápida y termina la carga mucho antes de que termine el pulso de entrada. En la práctica, una aplicación común del integrador es producir una forma de onda de rampa lineal a partir de la onda cuadrada.

La red de integración es formada por el capacitor de retroalimentación (CF) y la resistencia de entrada (RIN). Para bajas frecuencias y CD, el CF puede ser ignorado y el circuito se comporta como un amplificador inversor lineal.

La salida del circuito diferenciador es un voltaje proporcional al cambio en la pendiente de la onda de entrada. El ejemplo muestra una onda rampa de entrada en comparación con una onda cuadrada de salida. La parte de subida de la onda de entrada representa una pendiente constante. Puesto que no hay cambio en la pendiente, la parte perteneciente a la salida del diferenciador es una línea horizontal. Cuando la pendiente de la entrada va a negativo, la transición en la salida es positiva debido a la configuración inversora del amplificador.


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Por el contrario, si la pendiente de entrada va a positivo, la transición en la salida es negativa.

Incrementando la frecuencia de la entrada del diferenciador, aumenta la amplitud de salida.

La primera onda de este grupo representa un pulso de entrada a un diferenciador pásivo. Las subsecuentes formas de onda representan la salida, que es el resultado para diferentes relaciones entre el ancho del pulso (PW) y la constante de tiempo RC. Para la primera salida, RC es mucho más pequeño que el ancho del pulso. Aquí es producida una carga relativamente rápida y también una descarga rápida a través de la resistencia, como se puede ver por lo angosto del pulso. Para la segunda salida, RC es aproximadamente igual al ancho del pulso. El pulso de salida se ensancha cuando aumenta el tiempo para descarga del capacitor. La tercera salida, muestra el efecto de una constante de tiempo mucho más grande que el ancho del pulso. El pulso de salida llega al punto donde el capacitor no puede descargarse completamente, mientras el pulso de entrada ha llegado al final. En la práctica el uso frecuente del diferenciador produce un pequeño pulso, a partir de un pulso más grande.


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En este circuito diferenciador activo, el componente activo es el op amp. La red de diferenciación la componen la resistencia de retroalimentación (RF) y el capacitor de entrada (CIN). Para las frecuencias de entrada altas, la reactancia de CIN es de aproximadamente cero. Una resistencia de entrada (RIN) se coloca en serie para limitar la ganancia de voltaje en lazo cerrado para las altas frecuencias.

NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS integradores - son los circuitos donde el voltaje de salida en cualquier instante es igual a la razón de cambio del voltaje en ese instante. diferenciadores - son los circuitos donde el voltaje de salida es igual al área bajo la onda de entrada en un período específico de tiempo. punto de ruptura - es la frecuencia donde un integrador o un derivador tiene la red con la resistencia y la capacitancía reactiva iguales.

EQUIPO REQUERIDO Unidad de base FACET Tablero de circuitos aplicaciones del amplificador operacional Multímetro Osciloscopio de doble señal Generador de onda senoidal


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Ejercicio 1 – El Integrador

OBJETIVO DEL EJERCICIO Luego de estudiar este ejercicio, usted sabrá determinar los EFECTOS de un INTEGRADOR ACTIVO en una ONDA DE ENTRADA. Podrá verificar los resultados con el osciloscopio.

DISCUSIÓN • Este es un circuito integrador activo. El op amp (U1) es el componente activo. • La red de integración está formada por R1 y C1. • La resistencia de retroalimentación R3 no se necesita en el integrador ideal. En la práctica,

R3 estabiliza la CD y la ganancia de baja frecuencia del op amp. La resistencia de retroalimentación, también, previene la saturación debido a los voltajes de desbalance de entrada.

• El op amp actúa como un amplificador inversor. • R2 reduce los efectos de las corrientes de desbalance de entrada. • La resistencia de carga es R4. • El integrador tiene un bajo desplazamiento de frecuencia de fase de 180°. En frecuencias más

altas la fase de desplazamiento diminuye de 180° debido a la reactancia de retroalimentación del capacitor.

• Dentro de cierto rango de frecuencias, el integrador activo tiene las características básicas de un filtro paso bajo: las frecuencias bajas pasan a la salida en alta ganancia y las frecuencias altas son atenuadas.

• La frecuencia de corte (fC) es la frecuencia en la cual la atenuación empieza. • La frecuencia de punto de ruptura es también la frecuencia a la cual la reactancia del

capacitor de retroalimentación es igual a la resistencia de retroalimentación (RF = XCF). • La integración ocurre sólo por encima de la frecuencia del punto de ruptura. Por debajo de la

misma, la alta reactancia capacitiva causa que el circuito se comporte como un simple amplificador inversor.

• La frecuencia de corte (fC) es calculada utilizando esta ecuación: fC = 1/(2π x R3 x C1)


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Ejercicio 2 – El Diferenciador

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando haya efectuado este ejercicio, usted sabrá DETERMINAR LOS EFECTOS de un DIFERENCIADOR ACTIVO para una onda específica de entrada. Usted podrá verificar los resultados con el osciloscopio.

DISCUSIÓN • Este es un circuito diferenciador activo. El op amp (U1) es un componente activo. • La red diferenciadota es fomada por R2 y C1. • El op amp actúa como un amplificador inverso. • R1 limita la ganancia para altas frecuencias del circuito. • La resistencia de carga es R3. • Guando las ondas de entrada cuadradas son aplicadas, la salida diferenciada es invertida con

respecto a la entrada. • Las formas de onda de entrada triangulares son diferenciadas de las ondas cuadradas. • Las señales de entrada senoidales de baja frecuencia son diferenciadas en onda senoidal

desplazada por 90°. • El desplazamiento de fase se acerca a los 180° cuando la frecuencia se incrementa hasta el

punto de ruptura. • La amplitud de la señal de salida aumenta al incrementar la amplitud. Por ello, para entradas,

el diferenciador activo tiende a pasar las altas frecuencias. • La frecuencia de punto de ruptura es la frecuencia a la cual la reactancia de a

retroalimentación del capacitor es igual a la resistencia (R1 = XC1). • El diferenciador activo tiene dos regiones operacionales distintas, las cuales pueden ser

apreciadas observando la ganancia contra la curva de la frecuencia. • La diferenciación ocurre en las frecuencias por debajo del punto de ruptura y la ganancia se

incrementa cuando se incrementa la frecuencia. Dentro y por encima del punto de ruptura de la frecuencia, la señal es pasada con una ganancia máxima.

• Un diferenciador practico, selecciona una frecuencia de corte relativamente alta para usar la región del diferenciador lo más ancho posible.


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Aplicaciones del amplificadores operacionales Unidad 3 – Filtros paso bajo

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UNIDAD 3 – FILTROS PASO BAJO

OBJETIVO DE LA UNIDAD Al término de la unidad, usted sabrá determinar las características de funcionamiento del FILTRO PASO BAJO, analizando la operación de un CIRCUITO FILTRO CON OP AMP DE POLO SIMPLE O DOBLE. Podrá verificar sus resultados con el osciloscopio.


Un filtro paso bajo es un circuito que deja pasar las señales de entrada menores a cierta frecuencia y no permite el paso de señales de frecuencia superior. La ganancia contra las características de frecuencia de un filtro paso bajo ideal se muestra en la figura. El punto en el cual el filtro deja de pasar y empieza a bloquear las señales de entrada es la frecuencia de corte (fc). El rango de las frecuencias que deja pasar el filtro es la banda de paso. El rango inferior al punto de corte es la elimina banda.

Las características de un filtro paso bajo muestran mayor transición gradual, de la banda de paso a la elimina banda. Más adelante será discutida la forma de modificar el circuito para lograr que las características se aproximen a la respuesta del filtro ideal.


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La frecuencia de corte es también llamada frecuencia de esquina o frecuencia de rompimiento y es el punto donde el voltaje de salida es el 70.7 % del nivel de la banda de paso. Este punto corresponde a una atenuación de –3dB y es conocido como el punto de 3dB por debajo. La razón en la cual la ganancia, disminuye más allá de fc, es la atenuación progresiva o del filtro.

Los filtros pasos bajo tienen una propiedad llamada orden. El número de orden corresponde al número de polos que tiene el filtro. Este número de polos es también el número de redes de atraso. Cuando se aumenta el orden (número de polos) de un filtro, éste experimenta una atenuación progresiva aguda y su curva de respuesta se aproxima a la del filtro paso bajo ideal. Los diferentes tipos de filtros pasos bajo tienen distintas características de atenuación progresiva. Por ejemplo, las respuestas del filtro Butterworth exhiben una razón de atenuación de n x (–20) dB por década ("n" es el número de polos).

Estas curvas de respuesta muestra las razones de atenuación para filtros paso bajo, tipo Butterworth de primero, segundo y tercer orden.


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NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS filtro paso bajo - es un circuito que deja pasar las señales de entrada que son menores a ciertas frecuencias y atenúa las frecuencias superiores a ésta. frecuencia de corte - es la frecuencia en la cual un filtro comienza a pasar o atenuar. banda de paso - es el rango de frecuencias que permita pasar un filtro. banda de atenuación - es la banda de frecuencias que son bloqueadas o atenuadas por un filtro. punto descendente de3 dB - es el punto donde el filtro tiene una salida que está 3 dB por debajo del valor máximo. atenuación progresiva - es un aumento gradual en la atenuación. gráfica semilogarítmica - es la gráfica que tiene un eje escalado logarítmica mente. décadas - es el intervalo entre cualquiera dos cantidades, en una relación de 10:1. respuesta transitoria - es la capacidad de un circuito para responder a un cambio rápido en la señal de entrada. sobre impulso - es la cantidad en la que la señal excede al valor final. subimpulso - es la cantidad por la cual una señal excede su valor final, en dirección opuesta a la transición original. resonancia - en la oscilación amortiguada en la salida de un circuito que se produce por un cambio súbito en la señal de entrada. tiempo de establecimiento - es el tiempo requerido para que la resonancia disminuya a un nivel específico. amortiguamiento - es la reducción de amplitud en oscilaciones. sobre amortiguado - es el amortiguamiento más allá del nivel de amortiguamiento crítico. amortiguado críticamente - es la condición de un filtro, en la cual el nivel de amortiguamiento lo propicia.

EQUIPO REQUERIDO Unidad de base FACET Tablero de circuitos APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Osciloscopio de doble señal Generador de onda senoidal


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Ejercicio 1 – Respuesta en frecuencia del filtro paso bajo

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando haya terminado este ejercicio, usted será capaz de determinar las características de frecuencia de un filtro de paso bajo activo con el uso de un osciloscopio para analizar las formas de onda de entrada y de salida.

DISCUSIÓN • Los filtros pasos bajo pueden ser diseñados para diferentes tipos de respuesta en frecuencia.

La relación de los componentes entre los componentes del circuito definen el tipo de respuesta de frecuencia.

• Chebyshev, Butterworth y Bessel son tres tipos de filtros pasos bajo activos comunes. • El filtro Chebyshev tiene características de banda de atenuación que son semejantes a las de

un filtro paso bajo ideal. • El filtro Butterworth presenta características del paso banda que son semejantes a aquellas de

un filtro ideal. • Las curvas de respuesta del filtro se trazan en el papel de gráfica logarítmica para de forma

clara ilustrar las características de atenuación del filtro. El voltaje de salida (o ganancia dB) son asignados a los ejes verticales (y). Los ejes horizontales (x) son escalados de forma logarítmica.

• Una década de frecuencia es definida como un factor de 10, i.e.: 100, 1k, 10k.


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Ejercicio 2 – Respuesta transitoria y fase del FBP

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando haya completado este ejercicio, usted será capaz de determinar las características y la respuesta de un filtro paso bajo, analizando la entrada del circuito y las señales de oscilación transitoria de salida. Verificará sus resultados con un osciloscopio.

DISCUSIÓN • Dependiendo del diseño del circuito, los filtros pasos bajo han variado las características del

desplazamiento de fase. • El tipo de respuesta de frecuencia, el número de polos y la frecuencia de entrada determinan

el desplazamiento de fase del filtro. • La respuesta transitoria de un filtro paso bajo es su capacidad para reaccionar a los cambios

relativamente rápidos de una señal de entrada. Las señales de entrada pueden producir sobre impulso, subimpulso y repique.

• Las oscilaciones por debajo y por arriba del nivel de voltaje ideal definen el repique. El repique disminuye progresivamente hasta que el voltaje de salida se establece en un nivel ideal. El tiempo requerido para que el repique desaparezca es limado tiempo de establecimiento.

• El amortiguamiento minimiza el sobre impulso, subimpulso y el repique en filtros de paso bajo. El amortiguamiento retarda severamente la respuesta del circuito en las transiciones positivas y negativas de la señal de entrada.


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Aplicaciones del amplificadores operacionales Unidad 4 – Filtros paso alto

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UNIDAD 4 – FILTROS PASO ALTO

OBJETIVO DE LA UNIDAD Cuando termine esta unidad, usted sabrá determinar las características de funcionamiento de un FILTRO PASO ALTO, analizando CIRCUITOS FILTRO DE PRIMER Y SEGUNDO ORDEN con AMPLIFICADORES OPERACIONALES. Podrá verificar los resultados con el osciloscopio.


Un filtro paso alto pasa todas aquellas frecuencias superiores a un límite específico y atenúa toda frecuencia por debajo del mismo. Para las características del filtro paso alto ideal mostrado, el punto en el cual las señales de entrada comienzan a pasar, es conocido como frecuencia de esquina (fc). El rango de frecuencias que pasan por el filtro (por encima de fc) es la banda de paso. El rango de frecuencias bloqueado por el filtro es la elimina banda.

La curva de respuesta de un filtro paso alto práctico muestra una transición gradual mayor entre la banda de rechazo y la elimina banda.


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La frecuencia de esquina (fc) es el punto donde el voltaje de salida es 70.7% del nivel de la banda de paso, que corresponde a la atenuación de –3 dB. Este punto también se llama punto a 3 dB por debajo.

Un filtro paso alto práctico diseñado con un op amp tiene además una frecuencia de corte alto, debido a las limitaciones de ancho de banda del op amp. El punto de corte de alta frecuencia, depende de las especificaciones particulares del op amp. Los filtros paso alto se clasifican por el número de orden, que corresponde al número de redes de adelanto en el circuito.

Este filtro paso alto tiene dos redes de adelanto: R2 y C2, y R1 y C1.

La atenuación en el filtro de paso alto en la elimina banda aumenta si se incrementa el número de orden, como se observa en estas curvas de respuesta Butterworth.


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NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS filtro paso alto - es un circuito que deja pasar las frecuencias superiores a cierto límite y atenúa las frecuencias inferiores a dicho límite. frecuencia de corte alta - es el punto superior de operación del definido por el ancho de banda del elemento activo del circuito filtro. redes de conducción - son las redes RC que producen que la señal de salida se adelante en fase a la señal de entrada.

EQUIPO REQUERIDO Unidad de Base FACET Tablero de Circuitos APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Multímetro Osciloscopio de doble señal Generador de onda senoidal


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Ejercicio 1 – Respuesta en frecuencia del filtro paso alto

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando haya resuelto el ejercicio, usted sabrá determinar las CARACTERISTICAS EN FRECUENCIA de un FILTRO PASO ALTO al examinar las SEÑALES DE ENTRADA Y DE SALIDA. Podrá verificar los resultados con el osciloscopio.

DISCUSIÓN • Los filtros paso alto activos se pueden configurar con diferentes tipos de respuesta en

frecuencia. La respuesta se define por la relación entre los diferentes componentes del circuito.

• Los tres tipos comunes de filtros de paso alto son Chebyshev, Butterworth, y Bessel. • Chebyshev tiene características de un elimina banda semejantes a la respuesta ideal. • Los filtros de paso alto Bessel tiene características de la banda de paso semejantes a la

respuesta ideal. • El Op amp (U1) es configurado como amplificador de ganancia unitaria. La ganancia es 1 en

la banda de paso. • R1 y C1 componen la red de adelanto, la cual transforma al circuito en un filtro Butterworth

de segundo orden.


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Ejercicio 2 – Respuesta y fase transitoria del FPA

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando termine este ejercicio, usted sabrá determinar la FASE Y LAS CARACTERISTICAS DE RESPUESTA TRANSITORIA de un FILTRO PASO ALTO, analizando las FORMAS ONDA DE ENTRADA Y DE SALIDA. Podrá verificar los resultados con el osciloscopio.

DISCUSIÓN • Los filtros paso alto tienen desplazamiento de fase entre las señales de entrada y salida. Las

características del desplazamiento de fase dependen del tipo de respuesta (Butterworth, Bessel, o Chebyshev, por ejemplo).

• El desplazamiento de fase disminuye si la frecuencia aumenta. • El desplazamiento de fase aumenta si el número de orden aumenta. • La respuesta transitoria de un filtro paso alto es la capacidad que éste tiene de reaccionar a

cambios en la señal de entrada. • La señal transitoria de entrada puede producir en un filtro paso alto distorsiones en la salida,

por ejemplo: sobrimpulso, subimpulos y repique. • El amortiguamiento es utilizado para reducir o eliminar el sobrimpulso, subimpulos y

repique. • Una cantidad grande de amortiguamiento puede producir una salida sobreamortiguada, que

puede lograr retrasar considerablemente la respuesta del filtro en señales de entrada escalonadas.


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________

Aplicaciones del amplificadores operacionales Unidad 5 – Filtros paso banda

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UNIDAD 5 – FILTROS PASO BANDA

OBJETIVO DE LA UNIDAD Cuando finalice de estudiar la unidad, podrá determinar las CARACTERISITICAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN FILTRO ACTIVO PASO BANDA, mediante el análisis de las SEÑALES DE ENTRADA Y DE SALIDA.

FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD Un filtro paso banda es un filtro que deja pasar las frecuencias dentro de un cierto rango o banda. Las frecuencias superiores o inferiores a esta banda son atenuadas.

Para la respuesta de frecuencia ideal, el rango de frecuencias que el filtro deja pasar es la banda de paso. Los 2 rangos de frecuencias que son atenuados por el filtro son las elimina bandas superior e inferior. El punto medio de la banda d paso es la frecuencia central (f0). La frecuencia de esquina en el borde principal de la banda de paso es la frecuencia de corte inferior (f1).


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Estas son las curvas de respuesta de los filtros paso banda, paso bajo y paso alto ideales. En la práctica, un filtro paso banda a veces está diseñado, usando un filtro paso bajo en combinación con un filtro paso alto.

NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS filtro paso banda - es un filtro que permite pasar las frecuencias sobre un rango o banda específica. frecuencia central (f0) - es la frecuencia en el punto medio de la banda de paso. frecuencia de corte inferior (f1) - es la frecuencia de corte que está al inicio de la banda de paso. punto debajo de 3 dB inferior - es el punto por debajo de 3 dB inferior a f0. frecuencia de corte superior (f2) - es la frecuencia de corte que está al inicio de la banda. punto por debajo de3 dB superior - es el punto por debajo de 3 dB superior a f0. filtros paso banda estrecho - es un filtro que tiene como mínimo un Q de 10. filtros paso banda amplio - filtros paso banda con un Q menor que 10. selectividad - es la capacidad de un filtro paso banda para seleccionar un rango específico de frecuencia. factor-Q - es una medición de la selectividad del filtro paso banda, definido por el rango.

EQUIPO REQUERIDO Unidad de Base FACET Tablero de Circuitos APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Multímetro Osciloscopio de doble señal Generador de onda senoidal


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Ejercicio 1 – Respuesta de frecuencia de filtro paso banda

OBJETIVO DEL EJERCICIO Luego de completar este ejercicio, logrará determinar las CARACTERISTICAS DE LA RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN FILTRO PASO ALTO ACTIVO al analizar las SEÑALES DE ENTRADA Y DE SALIDA. Verificará sus resultados con el osciloscopio.

DISCUSIÓN • La frecuencia central está a la mitad de la banda de paso. • La frecuencia de corte inferior está en el punto por debajo de la frecuencia central, en la cual

la salida es de 3 dB por debajo de la ganancia máxima. • La frecuencia de corte superior es el punto por encima de la frecuencia central, en la cual la

salida es de 3 dB por debajo de la ganancia máxima. • La banda de paso es el rango de frecuencia entre la frecuencia de corte inferior y la

frecuencia de corte superior. • El ancho de banda del paso banda es determinada, empleando esta ecuación:

BW = f2 – f1 • Los filtros paso banda son clasificados como una banda estrecha o una banda amplia. Si el

ancho de banda es menor o igual al 10% de la frecuencia central, el filtro es de tipo banda estrecha. Si el ancho de banda es mayor al 10% de la frecuencia central, el filtro es de tipo banda amplia.

• Los filtros paso banda seleccionan un rango de frecuencias de un espectro de frecuencias relativamente amplio. Esta selectividad es expresada por el factor de calidad el filtro paso banda o factor Q.

• El factor Q es definido por la ecuación Q = f0/BW • Un filtro de alta Q tiene un mínimo de 10. Un filtro de baja Q tiene una Q por debajo de 10.


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Ejercicio 2 – Respuesta en fase del filtro paso banda

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando haya terminado este ejercicio, podrá determinar la respuesta de fase de un circuito op amp filtro paso banda. Verificará sus resultados con un osciloscopio.

DISCUSIÓN • La respuesta de fase de un filtro paso banda es una combinación de las respuestas de fase de

los filtros paso bajo y paso bajo. • Es desplazamiento de fase está cerca de – 45° en la frecuencia angular del filtro paso alto o la

frecuencia de corte más baja del filtro paso banda. El desplazamiento de fase aumenta hacia – 90°, conforme la frecuencia disminuye.

• El desplazamiento de fase está cerca de + 45° en la frecuencia angular del filtro paso bajo en la frecuencia de corte superior del filtro paso banda. El desplazamiento de fase aumenta hacia + 90° conforme la frecuencia se incrementa.

• En la frecuencia central el filtro paso banda tiene un desplazamiento de fase neto de cerca de 0°.

• El filtro paso banda empleado en esta unidad tiene un desplazamiento de fase ocasionado por el op amp de inversión. El desplazamiento de fase adicional es – 180° y es creado por los componentes reactivos en la retroalimentación del op amp y el circuito de entrada.

• El desplazamiento de fase completo del circuito del filtro paso banda es una combinación de la inversión del op amp inversor y los desplazamientos de fase del capacitor individual.


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Aplicaciones del amplificadores operacionales Unidad 6 – Conversion de rectificador Puente de o.c.

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UNIDAD 6 – CONVERSION DE RECTIFICADOR PUENTE DE O.C.

OBJETIVO DE LA UNIDAD Al término de la unidad, usted sabrá determinar las CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO de un CONVERTIDOR DE VOLTAJE A CORRIENTE CON OP AMP, aplicando VOLTAJE DE ENTRADA DE CA Y CD. Verificará los resultados, midiendo la corriente en la salida de los circuitos.


Un op amp puede ser configurado para convertir un voltaje de entrad en una corriente de salida proporcional. La figura muestra un convertidor no inversor de voltaje a corriente típico. El op amp está configurado como un seguidor de voltaje no inversor. Su salida cambia continuamente para mantener en cero el voltaje diferencial entre sus entradas + y –. Como el medidor está en el lazo de retroalimentación, su caída de voltaje es compensada por el op amp. Puede determinar la corriente de salida, dividiendo V2 entre R2 (IO = V2/R2).


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Al agregar un rectificador de onda completa con puente (FWB) como en la figura, este circuito continúa siendo un convertidor de voltaje a corriente, pero puede ajustar R2 para calibrar la corriente de salida para el pico, rms o valor promedio del voltaje de salida senoidal. Una señal de CA a la entrada produce una señal de CA de salida que es rectificada por el puente de onda completa, antes de que llegue al miliamperímetro. Este circuito también puede aceptar señales de CD de cualquier polaridad. El rectificador de onda completa garantiza que siempre aparezca un voltaje positivo en el terminal + del medidor.

NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS convertidor de voltaje a corriente - es un circuito cuya salida es una corriente proporcional a su voltaje de entrada. factor de conversión - es un número que establece la relación de la corriente de salida.

EQUIPO REQUERIDO Unidad de base FACET Miliamperímetro Tablero de Circuitos APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Multímetro Osciloscopio de doble señal Generador de onda senoidal


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Ejercicio 1 – Conversión voltaje a corriente con op amp

OBJETIVO DEL EJERCICIO Al completar este ejercicio, será capaz de determinar las características de operación de un convertidor de amplificador operacional de voltaje a corriente, aplicando un voltaje de entrada a CD. Verificará sus resultados midiendo la corriente directa de salida.

DISCUSIÓN • El op amp (U1) está configurado como un amplificador no inversor, tiene una ganancia alta y

una impedancia de entrada muy alta. • El voltaje de salida del op amp se mueve hacia arriba o hacia abajo para provocar que el

voltaje caiga a través de R1 (V1) sea igual al voltaje de entrada (Vi). La corriente es generada a través de la línea de retroalimentación.

• La corriente de salida puede ser ajustada, variando R1 conforme la caída de voltaje V1 corresponde al voltaje de entrada Vi.

• Los cuatro diodos del rectificador puente de onda completa. CR2 y CR3 conduce cuando el voltaje de entrada es negativo. CR1 y CR4 conducen cuando el voltaje de entrada es positivo.

• El rectificador puente de qonda completa mantiene un flujo de línea a través del medidor. Esto permite al voltaje de entrada de ca y al voltaje de entrada de CD (de cualquier polaridad) que sea convertido.

• La resistencia de calibración (R1) puede ser usada para ajustar el circuito a cualquier factor voltaje a corriente (dentro de las limitaciones del circuito). El factor de conversión es encontrado, empleando la ecuación: FC = Io/Vi

• La corriente de salida es encontrada, empleando la ecuación: Io = FC x Vi


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Ejercicio 2 – Convertidor de onda completa rms y prom

OBJETIVO DEL EJERCICIO Cuando haya completado este ejercicio, será capaz de determinar las características de operación de un convertidor de voltaje a corriente con amplificador de operación, aplicando un voltaje de entrada senoidal. Verificará sus resultados, midiendo la corriente de salida del circuito.

DISCUSIÓN • Una señal de entrada sinusoidal es convertida a una corriente de CD proporcional, empleando

un circuito que consta de un puente de onda completa y un op amp. • El op amp está configurado como un seguidor de voltaje no inversor. La salida del op amp es

positiva para la mitad del ciclo positivo de la entrada. • La corriente a través del medidor siempre fluye en la misma dirección porque el rectificador

puente de onda completa produce una señal con una polaridad constante. • R1 es empleada para establecer la relación de la corriente de salida con el voltaje de entrada.

Ajustando R1, permite la calibración del medidor para leer los valores pico a pico, promedio o rms de la onda senoidal de entrada.

• El voltaje pico a pico (Vpk-pk) de una onda senoidal es medido entre los picos positivo y negativo.

• El valor pico (Vpk) es medido desde 0V al pico de una de las mitades del ciclo. El valor pico es la mitad del valor pico a pico.

• El valor promedio (Vavg) de una onda senoidal es 0V ya que las porciones de la curva por encima y por debajo de 0V son iguales. El medidor lee el valor de la forma de onda rectificada, por lo tanto el valor promedio no será 0V.

• El valor promedio de la onda senoidal rectificada de onda completa es de 63.6% del valor pico. Vavg = .636 X Vpk

• El valor rms de la onda senoidal rectificada de onda completa es de 70.7% del valor pico. Vrms = .707 X Vpk

• La calibración del medidor es determinada, ajustando la corriente de salida a 1 mA cuando el voltaje de entrada es ajustado para un 1V equivalente apropiado. Por ejemplo: ajuste el voltaje de entrada a 2.83 Vpk-pk (el equivalente de 1 Vrms), ajuste R1 para una salida 1 mA y el medidor es calibrado para visualizar Vrms.


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NOTAS ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________


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Aplicaciones del amplificadores operacionales Apéndice A – Seguridad

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APÉNDICE A – SEGURIDAD

La seguridad es responsabilidad de todos. Todos deben cooperar para crear el ambiente de trabajo lo más seguro posible. A los estudiantes se les debe recordar el daño potencial y darles las reglas de seguridad de sentido común e instrucción de seguir las reglas de seguridad eléctrica. Cualquier ambiente puede ser peligroso cuando no es familiar. El laboratorio basado en computadoras de FACET puede ser un ambiente nuevo para algunos estudiantes. Instruya a los estudiantes en el uso adecuado de los equipos de FACET y explíqueles qué comportamiento se espera de ellos en este laboratorio. Es responsabilidad del profesor proporcionar la introducción necesaria al ambiente de estudio y a los equipos. Esta tarea evitará daños tanto a los estudiantes como a los equipos. El voltaje y corriente utilizados en el laboratorio basado en computadoras FACET son, en sí mismos, inofensivos para una persona sana y normal. Sin embargo, un choque eléctrico que llegue por sorpresa es incómodo y puede causar una reacción que podría crear daño. Se debe asegurar que los estudiantes tengan en cuenta las siguientes reglas de seguridad eléctrica. 1. Apague la alimentación de potencia antes de trabajar en un circuito. 2. Confirme siempre que el circuito está cableado correctamente antes de encenderlo. Si se

requiere, haga que su profesor revise el cableado de su circuito. 3. Desarrolle los experimentos siguiendo las instrucciones: no se desvíe de la documentación. 4. Nunca toque cables “energizados” con sus manos o con herramientas. 5. Siempre sostenga las terminales de prueba por sus sus áreas aisladas. 6. Tenga en cuenta que algunos componentes se pueden calentar mucho durante la operación.

(Sin embargo, esta no es una condición normal para el equipo de su curso F.A.C.E.T.) Permita siempre que los componentes se enfríen antes de proceder a tocarlos o retirarlos del circuito.

7. No trabaje sin supervisión. Asegúrese que hay alguien cerca para cortar la potencia y proveer primeros auxilios en caso de un accidente.

8. Desconecte los cables de potencia por la toma, no halando del cable. Revise que el aislamiento no esté agrietado o roto en el cable.

Aplicaciones del amplificadores operacionales Apéndice A – Seguridad

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