Rectificadores con Amplificadores Operacionales

Resumen

Existen diversas configuraciones para diseñar rectificadores activos, usando amplificadores operacionales. Sin embargo, la mayoría de ellas son configuraciones de muchos componentes o con Operacionales en cascada (uno después de otro), que requieren más componentes e incrementan el tiempo de respuesta del circuito .

En este artículo propongo una configuración sencilla de rectificador de onda completa, con pocos componentes y sin usar Operacionales en cascada.

Descripción

Una de las ventajas de los rectificadores con amplificadores operacionales, es que se reduce casi a cero, la tensión umbral; que en rectificadores discretos está en 0.3V para el germanio o 0.6V para el silicio. Esto los hace apropiados para instrumentación, ya que permiten obtener muy buena linealidad a bajos voltajes.

Como desventaja, se puede indicar que se reduce el ancho de banda de la rectificación, ya que entra en juego los retardos de los propios operacionales.

Un circuito que si es bastante conocido es el rectificador con un amplificador operacional, que es el que se muestra en la figura, y tiene muy buena respuesta a bajos voltajes, y no ofrece problemas de construcción. Una observación importante es que el circuito, tal y como se muestra, no tiene una referencia de voltaje, así que es conveniente referenciarlo a un potencial antes de pretender trabajar con él o nos encontraremos con problemas inesperados. Esto se logra con la inclusión de una resistencia de carga conectada precisamente al punto de referencia. Así si el potencial de entrada es más alto que esta referencia entonces, se tendrá a la salida un voltaje muy similar. Si por el contrario, el voltaje de entrada tiene un potencial por debajo de la referencia, se tendrá un voltaje bastante bajo (depende de la corriente de fuga del diodo semiconductor), que para nuestros fines es considerado como cero, siempre con respecto al voltaje de referencia. Este voltaje de referencia es lo que podríamos llamar «tierra artificial».

Sin embargo, el circuito es sólo un rectificador de media onda. Lo que se requiere es un sistema similar pero con la capacidad de rectificar en ambos sentidos. La curva de respuesta[1] es clara, sólo se tiene la parte positiva a la salida con pendiente 1 y desde luego la respuesta es mucho mejor que la de un diodo semiconductor cuya curva es más exponencial. La capacidad de carga la proporciona el operacional (por lo tanto no debe abusarse con Rc) y la impedancia de entrada es tan alta como lo permita el mismo, por lo tanto conviene cuando se rectifican señales débiles.

Para conseguir la otra parte de la curva es conveniente adecuar otro circuito que puede rectificar la parte negativa. Para ello tomamos una configuración que nos permite obtener el efecto contrario. Es la que se muestra en la figura. Quizá pudo parecer que sólo bastaba con invertir el sentido del diodo para obtener el resultado buscado pero desgraciadamente no es así (Es un buen ejercicio analizar el comportamiento de esta nueva disposición). Hay que ensayar una nueva disposición.

Se basa en la configuración del amplificador inversor unida al principio del rectificador. La curva es la misma que su opuesto pero funciona con la parte negativa. La pendiente es nuevamente 1, es decir que no hay atenuación ni amplificación si R1 y R2 son iguales. Pero existe la posibilidad de darle amplificación adicional. Aunque la respuesta es la misma. Hay una diferencia que vale la pena destacar, la impedancia de entrada de esta configuración es ahora R1, y no la de entrada del operacional. Así que hay que considerar este nuevo parámetro en los diseños.

También se debe hacer notar que la pendiente de la salida en la parte negativa no es exactamente cero sino que se trata de una aproximación. En realidad se acerca bastante cuando Rc<<R1+R2. Más adelante se muestra el mismo rectificador pero en un caso crítico (Rectificador de onda completa 3). De todas maneras este efecto desaparece cuando se ensamblan los dos rectificadores, pero no se debe despreciar cuando se trabaja con solamente este rectificador negativo en un circuito. Otra forma de obtener una rectificación negativa sería invirtiendo la entrada y enviarla a un rectificador positivo, pero esta configuración, aunque fácil de implementar, requiere el uso de dos operacionales.

Hasta ahora no se ha considerado la zona de trabajo del operacional, sino tan sólo el caso ideal. Pero es importante notar que la curva de salida puede saturarse si es que se sobrepasa el voltaje de trabajo del operacional, y esto es válido para ambas configuraciones. La curva en este caso tomara forma aplanada, pero si se sigue aumentando el voltaje de entrada, la salida puede tomar valores inesperados y se tendrá una curva irregular. Siempre se debe mantener la entrada por debajo de la zona peligrosa. Como referencia puede asumirse que mientras el valor de las entradas no sobrepase al valor más alto de la alimentación, ni sea inferior al valor más bajo, no se tendrá distorsión. El voltaje a partir del cual empieza a aplanarse la respuesta, es el máximo valor que puede tomar la salida del operacional, menos la caída del diodo interno, que es en valor absoluto como 1.5 voltios para un operacional típico como el TL081. Por ejemplo si el operacional se alimenta con 0 y 12V. Con referencia de 6 voltios, entonces la salida no llega por encima de 10.5 voltios ni baja a menos de 1.5 voltios.

Uniendo todo

La unión de las dos configuraciones anteriores nos da lo que buscamos: El rectificador activo de onda completa. La curva de respuesta está bastante definida y los efectos capacitivos no son muy graves. La impedancia de entrada aunque no es alta puede ser configurada con cierta libertad.

La unión de estas dos configuraciones se hace directamente aprovechando la característica de que cuando uno de ellos presenta baja impedancia de salida (es decir cuando está rectificando) , el otro se encuentra en alta impedancia, por lo tanto no se va a producir un conflicto de salidas. Así también se logra que la salida de uno «dirija» a la otra, cuando sea necesario, y así se evita la falta de precisión en la rectificación negativa (Ver comentario más atrás sobre el rectificador negativo).

La resistencia de carga genera la referencia y determinará, como siempre, los niveles máximos que puede lograr la salida en voltaje, además de darle mayor estabilidad. Si es de un valor muy alto, el ruido puede ser perjudicial, y si es de un valor muy bajo, puede que los operacionales no sean capaces de controlarlo y el voltaje de saturación caiga demasiado. En casos de alta confiabilidad, es recomendable verificar el comportamiento de estas etapas, independientemente, antes de incluirlas en el circuito general.

Este vendría a ser un diseño más simple de rectificador de onda completa, que los que he visto que se usan en muchos circuitos de instrumentación.

En mi experiencia, debo decir que este circuito es bastante estable y confiable ya que lo he probado en diversos equipos con muchos años de funcionamiento continuo sin reportar fallas.

Otras configuraciones

Otra configuración capaz de lograr el mismo efecto es la que se muestra:

La idea aquí era usar también, un solo operacional pero, requería de un rectificador adicional, el positivo, aunque es fácil reemplazar aquí y en el otro circuito, un rectificador por un simple diodo, obteniendo una curva lineal por un lado y exponencial por el otro.

Se puede intentar otras configuraciones rectificadoras de onda completa con un solo operacional, pero con algunas restricciones:

Este rectificador por ejemplo produce la rectificación de onda completa pero con pendiente diferente para la parte positiva. Esto es porque no existe amplificación positiva sino sólo un divisor de voltaje que en este caso es de un tercio cuando R1, R2 y Rc son iguales. Es en esencia un simple rectificador negativo. El símbolo  de tierra, representa realmente al voltaje de referencia o la «tierra artificial».

Simplemente a modo experimental se presenta otro circuito. La explicación se deja como ejercicio mental.

[1] Esta curva se ha obtenido usando un osciloscopio y un generador de señales con amplitudes de hasta 10 Vp-p. La frecuencia de barrido en X fue baja (10 Hz más o menos) para evitar observar los efectos de capacidad en los elementos activos.