Principios de análisis instrumental

58 Capítulo 3 Amplificadores operacionales en los instrumentos químicos <« Entrada :::. ¿ :2 ~ o "' "O E Salida e: " " "O " ·a o > 5Y Pendiente = velocidad de respuesta -- Tiempo de subida = 0.33 JlS Tiempo FIGURA 3.9 Respuesta de un amplificador operacional a un cam– bio brusco en el vo ltaje de entrada. La pendiente de la parte que se modifica de la se ñal de salida es la velocidad de respuesta, y el tiempo que se necesita para que la salida pase de 10 a 90% del cambio tota l es el tiempo de su bida. La velocidad de respuesta es la razón máxima de variación de la salida de un amplificador en respuesta al cambio en escalón de la entrada. Los valores representativos de la velocidad de res– puesta son del orden de unos cuantos voltios por microsegundo, pero se pueden conseguir amplificadores operacionales especiales con velocidades de respuesta de hasta varios cientos de voltios por microsegundo. 3C AMPLIFICACIÓN Y MEDICIÓN DE LAS SENALES DE LOS TRANSDUCTORES Los amplificadores operacionales se utilizan para amplificar y medir las señales eléctricas de los transductores. Estos pueden generar salidas de voltaje, salidas de corriente o salidas de carga. Con frecuencia , las señales provenientes de los transductores se relacionan con la concentración. En esta sección se trata las apli– caciones básicas de los amplificadores operacionales en la medi– ción de cada tipo de señal. 3C.l Medición de corriente Es importante medir con exactitud intensidades de corriente pequeñas en métodos analíticos como: voltamperometría, cou– lombimetría y cromatografía. Como se señala en el capítulo 2, una preocupación que surge en todas las mediciones físicas, sin olvi– dar las de corriente, es si el mero proceso de medición alterará en forma importante la señal que se desea medir y llevará a un error de carga. Es inevitable que cualquier proceso de medición perturbe al sistema en estudio, de tal manera que la cantidad que se cuanti– fica en realidad difiere del valor original antes de la medición. Por tanto, es necesario tener la seguridad de que la perturbación sea pequeña. En el caso de la medición de corriente, esta consideración requiere que la resistencia interna de los medidores sea mínima, de modo que no modifique la corriente de manera significativa. Fuente 1•, de luz 1 \ 1 \ <=> 1 1 1 1 W Muestra t t 1 1 = 90V T FIGURA 3.10 Aplicación de un amp lifi cador operacional seguidor de corriente para medir una pequeña corriente fotoeléctrica, Ix. El seguidor de corriente que se estudia en la sección 3B.3 es, de manera muy cercana, el dispositivo ideal para medir la corriente. Un ejemplo de un seguidor de corriente que se utiliza para medir una corriente fotoeléctrica pequeña es el de la figura 3.10. El transductor es un fototubo que transforma la intensidad de la luz en una intensidad de corriente, Ix· La radiación que impacta en el fo tocátodo ocasiona una emisión de electrones desde su superficie. Si el ánodo se mantiene con un potencial que es posi– tivo respecto al cátodo (cátodo negativo respecto al ánodo), los fotoelectrones emitidos son atraídos, dando lugar a una corriente fotoeléctrica proporcional a la potencia del haz incidente. A partir de la ecuación 3.4, el voltaje de salida V 0 se puede expresar como e Ix = - V 0 /R¡ = kV 0 Entonces, al medir V 0 se obtiene la corriente Ix siempre que se conozca R¡. Es posible medir corrientes en nanoamperes con un alto grado de exactitud si Rr tiene un valor grande. Como se muestra en el ejemplo 3.1, un amplificador opera– cional seguidor de corriente puede ocasionar errores mínimos de perturbación al medir corriente. · EJEMPLO 3.1 ·. . • • ' • • u Suponga que la Rr en la figura 3.1Oes de 1 Mfl, la resistencia interna de los fototubos es de 5.0 X 10 4 fl, y que la ganancia en lazo abierto del amplificador es de 1.0 X lOs. Calcule el error relativo al medir la corriente que resulta de la presencia del cir– cuito de medición. Solución De acuerdo con la ecuación 3.5, la resistencia de entrada del seguidor de corriente R¡ es Rr R-= - 1 A 10 fl