Arieh Nachum

Electrónica Análoga TPS-3331

O TPS-3371 + KIT-A

Scientific Educational Systems

Arieh Nachum

Electrónica Análoga TPS-3331

O TPS-3371 + KIT-A

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SES

I

Contenido Prefacio ........................................................................................................................................ IV

Capítulo 1 - Diodos ........................................................................................................................ 1

Experimento 1.1 - Diodo estabilizado por cristal piezoeléctrico ............................................... 1

1.1.1 Dispositivos de estado sólido ............................................................................................ 1 1.1.2 Unión P-N ......................................................................................................................... 2 1.1.3 Circuitos de diodos ........................................................................................................... 4 1.1.4 Polarización directa ........................................................................................................... 5 1.1.5 Polarización inversa .......................................................................................................... 5 1.1.6 Preguntas ........................................................................................................................... 6 Experimento 1.2 - Diodo Zener .................................................................................................. 11

1.2.1 Preguntas ......................................................................................................................... 14 Capítulo 2 - El transistor ............................................................................................................ 17

Experimento 2.1 - Características del transistor bipolar ........................................................ 17

2.1.1 El transistor bipolar ......................................................................................................... 17 2.1.2 La característica de transición ......................................................................................... 19 2.1.3 Un transistor plano de silicio .......................................................................................... 21 2.1.4 Línea de carga y punto operativo .................................................................................... 22 2.1.5 Circuito de polarización fija ........................................................................................... 24 2.1.6 Circuito de auto polarización .......................................................................................... 26 2.1.7 Preguntas ......................................................................................................................... 31 Experimento 2.2 - El amplificador de transistor bipolar ........................................................ 35

2.2.1 Amplificador lineal ......................................................................................................... 35 2.2.2 Parámetros del transistor bipolar h ................................................................................. 36 2.2.3 Amplificador de emisor común ...................................................................................... 38 2.2.4 Amplificador de seguidor de emisor ............................................................................... 46 2.2.5 Amplificador de base común .......................................................................................... 48 2.2.6 Cómo medir parámetros de amplificador ....................................................................... 49 Experimento 2.3 - Características del Transistor de Efecto de Campo ................................. 57

2.3.1 Transistor de efecto de campo ........................................................................................ 57 2.3.2 JFET – Transistor de Efecto de Campo de Juntura ........................................................ 58 2.3.3 MOSFET ......................................................................................................................... 61 2.3.4 La característica de transición ......................................................................................... 65 2.3.5 Polarización del MOSFET de CC ................................................................................... 66 Experimento 2.4 - El Amplificador de Transistor FET ........................................................... 72

2.4.1 El amplificador FET ....................................................................................................... 72 2.4.2 Amplificador de fuente común ....................................................................................... 74 2.4.3 Amplificador seguidor de fuente .................................................................................... 76

SES

II

Experimento 2.5 – Amplificador de Dos Etapas ...................................................................... 80

Experimento 2.6 – Oscilador a Transistor ................................................................................ 88

Capítulo 3 - Amplificadores Operacionales .............................................................................. 96

Experimento 3.1 - Amplificador Inversor ................................................................................. 96

3.1.1 El amplificador operacional ............................................................................................ 96 3.1.2 El amplificador inversor ................................................................................................ 98 3.1.3 Amplificador Logarítmico .............................................................................................. 99 3.1.4 Cómo medir los parámetros del amplificador ............................................................... 100 3.1.5 Preguntas ....................................................................................................................... 101 Experimento 3.2 - Amplificador Seguidor y No Inversor ..................................................... 105

3.2.1 Amplificador no inversor .............................................................................................. 105 3.2.2 Amplificador seguidor (amplificador de unidad, amplificador de almacenamiento

intermedio) .................................................................................................................... 106 3.2.3 Preguntas ....................................................................................................................... 107 Experimento 3.3 - Amplificadores de Suma y Diferencia ..................................................... 113

3.3.1 Amplificador sumador .................................................................................................. 113 3.3.2 Amplificador de diferencia ........................................................................................... 114 Experimento 3.4 - Comparador y Comparador Schmitt Trigger ........................................ 119

3.4.1 Un comparador Schmitt trigger .................................................................................... 120 Experimento 3.5 - Amplificadores Integrador y Diferenciador ........................................... 126

3.5.1 Amplificador integrador ............................................................................................... 126 3.5.2 Amplificador diferenciador ........................................................................................... 128 Experimento 3.6 - Osciladores ................................................................................................. 132

3.6.1 Oscilador de puente de Wein ........................................................................................ 132 3.6.2 Un Oscilador de onda cuadrada .................................................................................... 135 3.6.3 Oscilador de onda triangular ......................................................................................... 136 Experimento 3.7 – El Filtro Pasa Banda ................................................................................. 142

Experimento 3.8 - Transmisor y Receptor Óptico ................................................................. 152

3.8.1 Transmisor óptico ......................................................................................................... 152 3.8.2 Receptor óptico ............................................................................................................. 154 Capítulo 4 - Amplificadores de potencia ................................................................................. 160

Experimento 4.1 - Amplificador de potencia de transistor ................................................... 160

4.1.1 Introducción .................................................................................................................. 160 4.1.2 Amplificador de acoplamiento de Capacitor ................................................................ 162 4.1.3 Amplificador de acoplamiento de transformador ......................................................... 164 4.1.4 Distorsión armónica ...................................................................................................... 167 4.1.5 Amplificador equilibrado Clase A ................................................................................ 168 4.1.6 Amplificador equilibrado Clase B y clase AB .............................................................. 170 4.1.7 Distorsiones cruzadas y Amplificador clase AB .......................................................... 172

SES

III

4.1.8 Un amplificador de simetría complementario .............................................................. 173 4.1.9 Amplificador complementario verdadero ..................................................................... 174 4.1.10 Amplificadores de potencia monolíticos ...................................................................... 176 Experimento 4.2 - Amplificador de audio monolítico ............................................................ 180

Capítulo 5 - Fuentes de poder .................................................................................................. 182

5.1 Introducción .................................................................................................................. 182 Experimento 5.1 - Rectificadores de voltaje ........................................................................... 189

5.1.1 Rectificador de media onda .......................................................................................... 189 5.1.2 Rectificador de onda completa con transformador de derivación central .................... 191 5.1.3 Rectificador de onda completa con puente de diodos ................................................... 192 Experimento 5.2 - Filtros de voltaje ........................................................................................ 196

Experimento 5.3 - Reguladores de voltaje lineales ................................................................. 203

5.3.1 Regulación de diodo Zener ........................................................................................... 204 5.3.2 Diodo Zener con amplificador de corriente .................................................................. 207 5.3.3 Regulador de voltaje monolítico ................................................................................... 207 Experimento 5.4 - Regulador Conmutante Paso-Bajo .......................................................... 213

Experimento 5.5 - Regulador Conmutante Paso-Arriba ....................................................... 217

Experimento 5.6 - Regulador conmutante de inversión ........................................................ 220

SES

IV

Prefacio Los experimentos de laboratorio se deben ejecutar en el SES entrenador análogo TPS-3331. El entrenador está divido en módulos, que cubren los siguientes temas: • Diodos y circuitos de diodos. • Transistores FET y bipolares. • Amplificadores operacionales. • Amplificadores de potencia. • Suministros de energía. El área de experimentos incluye puntos de prueba y entradas y salidas periféricas. Los experimentos se realizan conectando componentes mediante cables de conexión y utilizando el osciloscopio y el multímetro para realizar mediciones. El TPS-3331 recibe su energía de una fuente de poder externa. Los experimentos también se pueden realizar utilizando el entrenador TPS-3371 con componentes discretos que se conectan al montaje provisional enchufable TPS-3371 y completando las conexiones mediante el cableado. El TPS-3371 incluye: • Dos tableros de conexión sin soldadura. • Una sonda lógica. • Un ohmímetro. • 2 osciladores. • 8 interruptores. • 8 LEDs. • Dos pantallas de 7-SEG. con decodificadores. • Un generador de funciones. • 2 potenciómetros. • 1 fuente de voltaje variable. • 1 zumbador.

SES

V

Los reportes de experimento: Antes de comenzar a trabajar en el experimento de laboratorio es necesario elaborar un reporte de estudio preliminar. El "reporte preliminar" debe incluir la siguiente información: Nombre y número de experimento. Propósito del experimento/s. Planos eléctricos. Tablas de Datos/Resultados (que será completada al realizar el experimento). En particular, poner atención a los siguientes puntos: El(los) propósito(s) del experimento tienen que estar bien definidos y ser claros tanto para la persona que realiza el experimento como para el Instructor que leerá el reporte posteriormente (cuando sea presentado). El redactor no debe asumir que el lector está familiarizado con el experimento. El reporte preliminar debe clarificar si pretendemos probar una regla o ecuación en particular, o examinar una solución a un problema o, nuevamente, realizar un juego de mediciones. El plano presenta el circuito lógico que será construido y estudiado. Es habitual utilizar símbolos comunes de los componentes, tal como aparecen en el área de Diagrama Lógico de las hojas de datos del fabricante. También es habitual mantener la dirección de IZQUIERDA ª DERECHA para el flujo de señales. Por lo tanto, las entradas deben estar del lado izquierdo y las salidas del lado derecho. Resultados de las tablas de experimento: Estas tablas se deben preparar por adelantado y se deben llenar durante la ejecución del experimento. Si el resultado se puede visualizar por adelantado, se prepara una columna extra, donde escribimos el resultado esperado (el cual posteriormente compararemos con el resultado obtenido en el laboratorio). Por lo tanto, durante el proceso experimental, podemos ver si los resultados son buenos o no. En caso contrario, aún podemos localizar la fuente de error y posiblemente corregir el procedimiento. Un error descubierto una vez que el experimento ha sido concluido no se puede corregir y su fuente no se puede determinar. Al terminar el experimento, las conclusiones y observaciones se deben añadir al reporte de laboratorio, proporcionando el "Reporte final". Si algunos de los resultados son erróneos, se debe tratar de explicar la fuente del error o la falta de exactitud. En el equipo requerido para cada experimento, también se encuentran los componentes discretos necesarios para utilizar el experimento con el TPS-3371. No son necesarios los componentes discretos al utilizar el entrenador TPS-3331. El TPS-3371 se puede utilizar para realizar experimentos especiales para probar la capacidad del estudiante.

SES

VI

Instalación del software de SESCOPE: El software de SESCOPE es un ' instrumento virtual ' (un instrumento del laboratorio que cambia su panel y la función según el instrumento deseado), que funciona con la unidad de SESLAB. El software está dirigido para funcionar con diversas consolas y adapta la ventana del panel al sistema de entrenamiento conectado. El SESCOPE es un programa de uso bajo WINDOWS. No tiene ninguna protección y solamente su copiado hace la instalación. 1) Encienda la PC. 2) Copie el subdirectorio de SESSCOPE del disquete al disco duro. 3) Cree un acceso directo con SESSCOPE.exe. 4) Coloque este acceso directo en la ventana de escritorio. Para hacer funcionar el software de SESSCOPE usted tiene que hacer clic en el icono de este acceso directo. Uso manual del SESLAB: Cambiando a Manual usando el interruptor de Manual/Auto, la consola ignora la comunicación con la PC. Alternativamente toma la medición de los dos potenciómetros (frecuencia y amplitud) en el panel y los cambia correspondientemente. De esta forma podemos usar el generador en la consola con un osciloscopio externo sin el programa de SESCOPE. En los experimentos no hacemos referencia al tipo de instrumento. El usuario tiene que adaptarse de acuerdo al instrumental que posee.

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VII

Cómo utilizar el SESLAB: Paso 1: Conectar la consola con la fuente de poder. Paso 2: Conectar la fuente de poder a la red. Paso 3: Encender el interruptor principal de la consola. Paso 4: Cerciorarse de que la consola esté conectada en el puerto de comunicación serial de la

PC. El cable de comunicación incluye de un lado, un zócalo para el auricular (debe ser conectado con el enchufe del auricular en el panel trasero de la consola) y del otro un zócalo D9 (se debe conectar a COM1 o COM2 de la PC).

Seleccionar Auto en el interruptor de Manual/Auto en el módulo de SESLAB.

Paso 6: Ejecutar el programa de SESCOPE.

Aparecerá la siguiente pantalla. Paso 6: Fijar el número en el campo de COM según el número del canal de comunicaciones en

la PC.

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VIII

Paso 7: Hacer clic en el botón OPEN COM.

La PC abrirá el canal de comunicaciones, y solicitará el tipo de consola. Si la comunicación se completa correctamente, aparecerá en el título de la pantalla el nombre de la consola y la versión de SESLAB. La pantalla se adapta al tipo de consola.

Paso 8: Si la comunicación no se completa, hacer clic en el botón de la consola.

Si se establece la comunicación, la pantalla se actualizará consecutivamente. En cada comunicación con la consola, aparecen mensajes de éxito o falla en el lado izquierdo inferior de la ventana.

Paso 9: Si la comunicación falla:

Comprobar que la consola está encendida. Comprobar que el interruptor de Manual/Auto está en Auto. Comprobar que el zócalo del auricular está enchufado correctamente. Comprobar que el cable está conectado correctamente a la PC. Comprobar que el canal de comunicaciones en la PC está en orden y no está ocupado por otro programa.

Paso 10: Si es necesario, mueva el cable a otro canal de comunicaciones en la PC.

De ser asi, usted debe salir del programa de SESCOPE y ejecutarlo nuevamente.

Paso 11: El programa recuerda el canal de comunicaciones anterior que fue abierto.

Si usted no necesita cambiar el canal de comunicaciones, haga clic en el botón OPEN COM.

Paso 12: La unidad de SESLAB incluye dos entradas análogas para el osciloscopio (IN1 e IN2) y

una salida análoga para el generador de señal (OUT).

En el estado Auto, los potenciómetros en la consola no afectan la frecuencia y energía del generador. La frecuencia y la energía son fijadas por las barras en la pantalla de la PC. Identifique las barras en la pantalla.

Paso 13: Conectar la salida del generador con las dos entradas del osciloscopio (usando 2 cables)

del SESLAB. Paso 14: Seleccionar Low en el interruptor High/Low.

Esto determina las frecuencias del generador a 6KHz-90KHz.

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IX

Paso 15: Seleccionar Sine en el interruptor Triangle/Sine. Paso 16: Seleccionar Const en el interruptor Sweep/Const. Paso 17: La pantalla de SESCOPE incluye campos y botones para cambiar la base del tiempo, el

tipo de disparador y el nivel del disparador.

Fijar la base del tiempo a 30µs/cm. Paso 18: El programa muestra el canal 1 (CH1), canal 2 (CH2) o ambos.

La selección se hace haciendo clic en el canal requerido. Hacerlo otra vez para la cancelación.

Seleccionar ambos canales.

La pantalla puede también exhibir el análisis espectral de la señal muestreada en el canal 1 (SPC CH1). Seleccionando esta función cancela CH2.

Paso 19: El muestreo de las señales y exhibirlas se puede hacer de dos maneras – En un ciclo o

en funcionamiento libre.

En un ciclo, la PC pide que la consola realice un ciclo de la muestra y la transmita. SESCOPE exhibirá la información sobre la pantalla.

En funcionamiento libre, la PC pide que la consola realice un ciclo de la muestra y la transmita. Después que recibe la información, el SESCOPE la exhibe en la pantalla y pide otro ciclo de la muestra de la consola.

En cada petición del ciclo de la muestra, la PC transmite la velocidad requerida de la muestra a la consola (según la base del tiempo) y el nivel del disparador.

La PC también informa si se muestrean dos canales o un canal.

Nota:

La cantidad de muestras en cada ciclo de la muestra es 100. Se puede hacer el muestreo de dos maneras - Chopper (Chop.) o Alternate (Alt)

En el estado Chopper, el regulador del SESLAB muestrea los dos canales simultáneamente. En este caso, el regulador da 50 muestras a cada canal. La velocidad de la muestra para un canal es también más pequeña por la mitad. La calidad del muestreo y la exhibición no son tan buenos, pero muestran cómo las señales reaccionan uno con otra en el eje del tiempo.

La sincronización se hace en el canal 1 (CH1).

SES

X

En el estado Alternate, el regulador sincroniza en el canal 1, lo muestrea y lo transmite. Luego, el regulador sincroniza otra vez en el canal 1, canal 2 de la muestra y lo transmite.

La señal, en este caso está en calidad máxima. Si las dos señales son cíclicas, también serán sincronizados una con la otra. Las ondas en frecuencia baja pueden ser muestreadas en el estado Chopper y conseguir una calidad razonable, sólo si no hay más de uno o dos ciclos exhibidos en la pantalla.

Paso 20: Fijar el funcionamiento a Free Run y se podrán observar las señales en la pantalla.

Fijar el osciloscopio a un ciclo. Se conseguirá un cuadro congelado de la ultima muestra.

Nota:

Cuando se desea analizar los datos sobre la pantalla, es mejor utilizar una muestra de un ciclo.

Paso 21: El programa permite la medición de las señales muestreadas.

Para hacer esto, se debe activar dos líneas del marcador en la ventana.

Localizar el botón y hacer clic sobre él.

Dos líneas, verde y amarilla del marcador, aparecerán en la pantalla. Paso 22: Usted puede mover cada línea por separado a la derecha o la izquierda con los botones

de las flechas.

Mueva las líneas y compruébelas. El software calcula el tiempo entre las dos líneas y la frecuencia según T

1f = .

El software también indica los valores del voltaje de cada canal para cada línea y calcula la diferencia del voltaje.

Paso 23: Cambiar las reglas de la frecuencia y de la energía del generador y observar la reacción

de la pantalla.

Medir la frecuencia mínima de la señal y la amplitud máxima.

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XI

Paso 24: Seleccionar Triangle en el interruptor Triangle/Sine. La señal debe cambiar a una onda triángular.

Cambiar la amplitud y frecuencia y observar las señales.

Paso 25: Seleccionar nuevamente Sine en el interruptor Triangle/Sine. Paso 26: Cambiar a análisis espectral. Paso 27: Cambiar las frecuencias y comprobar su efecto sobre las señales. Paso 28: Cambiar la señal a una onda triangular. Paso 29: Comprobar el análisis espectral de la señal. Paso 30: Seleccionar Sweep en el interruptor Sweep/Const.

En este estado, el generador cambia la frecuencia independientemente, de frecuencia mínima a frecuencia máxima.

Comprobar cómo afecta a la señal.

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XII

SES

1

Capítulo 1 - Diodos Experimento 1.1 - Diodo estabilizado por cristal piezoeléctrico Objetivos: • Características de los diodos. • Rectificador de diodo. • Circuitos de diodos. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Un Multímetro • Cables de conexión • Diodo de silicio 1N914, diodo de germanio 1N270 y resistores 1KΩ, 100Ω Discusión: 1.1.1 Dispositivos de estado sólido Los dispositivos de estado sólido también se denominan semiconductores. Como implica el nombre, un material semiconductor tiene una conductividad menos eficiente (más resistencia al flujo de corriente) que un conductor pero mejor conductividad que un aislante. Los materiales utilizados más frecuentemente en dispositivos semiconductores son el germanio y el silicio. El germanio se utiliza en varios diodos y transistores de poder medio y bajo. El silicio es más apropiado para dispositivos de poder más alto, debido, entre otras cosas, a que puede utilizarse a temperaturas mucho más altas. El silicio también tiene características especiales que el germanio no tiene, que permiten la producción en masa y la fabricación de circuitos integrados (se describe posteriormente). El germanio y el silicio puro son aislantes. Sus cuatro electrones de la esfera externa de cada átomo están atados en su lugar. Cada átomo esta atado a sus vecinos mediante una unión covalente compartiendo sus electrones. 8 electrones – los cuatro propios y otros cuatro electrones rodean a cada átomo de sus cuatro vecinos. Los electrones están atados a su lugar y no están libres para moverse.

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2

Añadiendo pequeñas cantidades de elementos conocidos como "adulterantes" o "impurezas", el germanio y el silicio se convierten en semiconductores. El boro se puede utilizar como adulterante. Tiene 5 electrones en la esfera externa. Cuatro de estos están compartidos con átomos vecinos y el quinto se vuelve un "electrón libre". Este material se denomina material tipo n. El aluminio también se puede utilizar como adulterante. Tiene 3 electrones en la esfera externa. Estos están compartidos con 3 átomos vecinos. El faltante crea un "hueco". Este hueco permite que los electrones lo llenen y se crea otro hueco. Los huecos se pueden mover como "cargas positivas libres" en el material. Este material se denomina material tipo p. Debemos recordar que el número de electrones es igual al número de protones en cada material (conductores, aislantes y semiconductores). Al conectar un conductor o semiconductor a una fuente de voltaje, el terminal positivo absorbe electrones de un lado del conductor mientras que el terminal negativo suministra los electrones. Esto sucede únicamente cuando hay "electrones libres" en el material. El flujo de electrones es desde el polo negativo al positivo. En el material tipo p, los huecos fluyen del polo positivo al negativo, debido a la dirección contraria del flujo de electrones. 1.1.2 Unión P-N Cuando se forma una unión de materiales tipo N y P, tal como aparece en la figura 1-1, algunos de los electrones libres del material tipo N se difunden a través de la unión y se combinan con los huecos en el material tipo P.

Figura 1-1 Los huecos combinados se vuelven negativos debido al exceso de electrones y el área de electrones faltante en el material tipo N se vuelve positiva. Esta interacción crea una pequeña región de carga de espacio (frecuentemente denominada región de transición o capa de transición) cerca de la unión. Cuando se conecta una fuente de voltaje externa a través de la unión P-N, su comportamiento es completamente diferente dependiendo de la polaridad de la conexión.

P N + -

- -

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3

En la figura 1-2 la unión P-N está conectada en polarización inversa.

Figura 1-2 Debido a la fuente de voltaje, más electrones se difunden del material N al material P. La capa de transición se expande. El voltaje de la región de carga de espacio se vuelve igual a la fuente de voltaje y la corriente no fluye. Los electrones no pueden fluir del material tipo P al material tipo N. En la figura 1-3 la unión P-N está conectada en polarización directa.

Figura 1-3 La región de carga de espacio se torna más angosta. El polo negativo de voltaje fuente impulsa electrones al material tipo N, el exceso de electrones se difunde al material tipo P y fluye a través de los huecos al polo positivo de la fuente de voltaje. La unión P-N es un diodo semiconductor. Su símbolo es:

Figura 1-4

Cátodo Anodo

P N +

+

- -

V

- - V

P N +

- + N

- -

- -

+

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4

La corriente puede fluir a través del diodo únicamente en una dirección: desde el ánodo al cátodo. La siguiente figura describe la característica corriente-voltaje.

Figura 1-5 Cuando se aplica polarización directa (el ánodo es positivo con respecto al cátodo) y la corriente directa se encuentra sobre cierto valor (0.5V para diodos de silicio y 0.1V para diodos de germanio), el diodo conduce y actúa como un resistor muy bajo. La caída de voltaje directo en el diodo permanece sustancialmente constante siempre que la corriente promedio se encuentre dentro del valor básico del rectificador. Por encima del valor básico, el rectificador puede dañarse. Bajo condiciones de polarización inversa normales, el rectificador limita el flujo de corriente a unos cuantos micro amperes. Si la polarización inversa excede el Voltaje de Régimen Invertido Pico (PRV), la corriente inversa se incrementa muy rápidamente. Generalmente, un voltaje sobre PRV está prohibido y puede dañar el diodo. Hay diodos que tienen el propósito de operarse dentro del rango PRV y se les denominan Diodos Zener. 1.1.3 Circuitos de diodos El diodo es un componente muy popular en circuitos electrónicos y tiene muchas aplicaciones. Para analizar un circuito de diodo utilizamos la característica óptima del diodo:

Figura 1-6 Primero, verificamos si el diodo está bajo polarización directa o polarización inversa.

I

V

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5

1.1.4 Polarización directa En la polarización directa sobre la tensión umbral, podemos asumir que la caída de voltaje de diodo constituye la tensión umbral (0.7V para diodo de silicio y 0.1V para diodo de germanio). La corriente se determina mediante un circuito electrónico. Ejemplo a):

Figura 1-7

III RD ==

DDR VRIVVV +⋅=+= V7.0VD =

DVVRI −=⋅

mA3.111K0.712

RVVI D =

−=

−=

1.1.5 Polarización inversa En la polarización inversa podemos asumir que la corriente de diodo es cero (si no se trata de un diodo Zener). El voltaje de diodo se determina mediante un circuito electrónico. Ejemplo b):

Figura 1-8

12VVVV0VRIVVV

0III

D

DDDR

RD

==

+=+⋅=+=

===

I R

VD V + -

1K

12V

I R

VD V + -

1K

12V

SES

6

Ejemplo c):

Figura 1-9 El diodo se encuentra bajo polarización directa.

mA8.21m5.1m3.11IIIIII

mA5.14700.7

RVI

VRI

mA3.111K0.721

RVVI

VRIVVV

0.7VVV

2D

D2

2

D2

D22

1

D

D1DR

DR

1

2

=−=−=

+=

===

=⋅

=−

=−

=

+⋅=+=

==

1.1.6 Preguntas 1) Repita los tres ejemplos, calcule con una fuente de poder de 5V. 2) ¿Cuál es la corriente de R2 en el ejemplo C, cuando el voltaje de la fuente es 12V y

cuando es 5V? Explique por qué. 3) Si invertimos el diodo en el circuito del ejemplo C, ¿cuáles serán los voltajes del diodo

y los resistores?

I2

2K

R2 VD

V + -

ID

R1

4K

I

SES

7

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y conectar la fuente de poder a la

red de distribución. Paso 2: Identificar los componentes del panel del entrenador e implementar el siguiente circuito. (R = R48, D = D4) Paso 3: Encender la fuente de poder. Paso 4: Utilizar la salida Vvar (±12V DC) como Vs. Cambiar Vs conforme a la siguiente tabla y

registrar los valores medidos de VR y VD.

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 VS VR VD IR

Paso 5: Calcular IR para cada columna en la tabla. Paso 6: Trazar los resultados en la siguiente gráfica.

IR

VD 0 0

VS VD

R I

1K

GND

±12V DC

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8

Paso 7: Implementar el siguiente circuito. (R = R43, D = D4) Paso 8: Medir VR y VD. Paso 9: Calcular IR. Paso 10: Comparar los resultados de medición con los resultados de cálculo del ejemplo a). Paso 11: Sacar conclusiones. Paso 12: Cambiar el voltaje fuente a 5V. Paso 13: Calcular VR, VD y IR. Paso 14: Medir VR y VD. Paso 15: Calcular IR. Paso 16: Comparar los resultados de medición con los resultados de cálculo. Paso 17: Sacar conclusiones. Paso 18: Implementar el siguiente circuito. (R = R43, D = D4) Paso 19: Medir VR y VD. Paso 20: Calcular IR.

I

V

R

VD + -

1K

12V

+12V

GND

I

V

R

VD + -

1K

12V

+12V

GND

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9

Paso 21: Comparar los resultados de medición con los resultados de cálculo del ejemplo b). Paso 22: Sacar conclusiones. Paso 23: Cambiar el voltaje fuente a 5V. Paso 24: Calcular VR, VD y IR. Paso 25: Medir VR y VD. Paso 26: Calcular IR. Paso 27: Comparar los resultados de medición con los resultados de cálculo. Paso 28: Sacar conclusiones. Paso 29: Implementar el siguiente circuito. (R1 = R43, R2 = R69, D = D4) Paso 30: Medir VR1, VR2 y VD. Paso 31: Calcular IR1 y IR2. Paso 32: Comparar los resultados de medición con los resultados de cálculo del ejemplo c). Paso 33: Sacar conclusiones. Paso 34: Cambiar el voltaje fuente a 5V. Paso 35: Calcular VR1, VR2, VD, IR1 y IR2. Paso 36: Medir VR1, VR2 y VD. Paso 37: Calcular IR1 y IR2. Paso 38: Comparar los resultados de medición con los resultados de cálculo. Paso 39: Sacar conclusiones.

I

V

R1

ID

VD

+ -

1K

I2

R2 100

12V

+12V

GND

SES

10

Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

SES

11

Experimento 1.2 - Diodo Zener Objetivos: • Características del Diodo Zener. • Circuitos Zener. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Cables de conexión • Diodo Zener 1N4733 (5.1V) • Resistores 2 x 1KΩ Discusión: El diodo Zener es el componente básico en circuitos de regulación. El diodo Zener es un diodo con el propósito de operar en voltaje de ruptura invertido. Existen varios diodos Zener con diversos voltajes de ruptura. El propósito del regulador es el de suministrar un voltaje directo fijo, que no dependa de cambios en el voltaje de entrada o en el consumo de corriente. Los parámetros de regulador importantes son: a) El coeficiente de la corriente de carga de regulación que se denomina resistencia de

salida o output:

ILVR o

o Δ

Δ=

b) El coeficiente del voltaje de entrada de regulación:

i

oV V

VSΔ

Δ=

Cada regulador tiene un voltaje de entrada mínimo, que es necesario para mantener el voltaje de salida requerido.

SES

12

El voltaje de ruptura Zener se denomina VZ. El símbolo del diodo Zener es:

Figura 1-10 Las características del Zener son las siguientes:

Figura 1-11 En la polarización directa, el diodo Zener actúa como un diodo ordinario. En el voltaje de polarización inversa por encima del voltaje Zener, la ruptura del diodo y los cambios en la corriente prácticamente no afectan el voltaje Zener. El gradiente de la línea de área Zener determina la resistencia dinámica Zener Rd. El siguiente circuito es un circuito de regulación Zener.

Figura 1-12 Asumiendo que Vi > VZ y también VRL > VZ (Si no hay diodo Zener) entonces VD = VZ. La R acepta la diferencia de voltaje entre Vi y VZ. Aún cuando Vi cambia, el voltaje en RL es fijo e igual a VZ.

I

V VZ

A C

Vi RL

R

VZ

Vo

SES

13

Cada diodo Zener tiene la más alta clasificación de disipasión de potencia. Esta clasificación determina la corriente máxima del Zener. Tratamos de operar el Zener al 10-20% de su corriente máxima. De esta forma, el diodo se encontrará en la parte lineal del rango de ruptura y con una potencia menor que la clasificación de potencia máxima. Ejercicio: Diseñar un circuito Zener para los siguientes valores: Vin = 12 ± 2V VZ = 6V PZmax = 3W RL = 1000Ω Rd = 5Ω Vamos a calcular R y ΔVL .

A006.010006

RVI

A05.0I1.0I

A5.063

VPI

L

z2

maxzz

z

maxzmaxz

===

=⋅=

===

A056.0006.005.0III LZR =+=+=

R

zin

IVVR −

=

Para determinar el valor de R utilizamos el valor mínimo de Vi, para no salir del rango Zener.

d

d

i

OV

i

OV

d

diLO

RRR

VVS

065.0426.0

VVS

V26.057154

RRRVVV

71056.0610R

+=

Δ

Δ=

==Δ

Δ=

=+⋅

=+

⋅Δ=Δ=Δ

Ω=−

=

SES

14

Si duplicamos la corriente de carga (RL = 500Ω), obtendremos:

RVVI

A012.05006I

ZiR

L

−=

==

IR es constante por lo tanto IZ será reducido por 0.006A. Vo cambiará conforme a ΔVZ.

do

L

OIo

ddZo

RR

506.003.0

IVSR

V03.05006.0RIVV

=

⇓

Ω==Δ

Δ==

=∗=⋅Δ=Δ=Δ

1.2.1 Preguntas 1) Si VZ = 5.1V y R = 1KΩ, calcule la corriente I, VR y VZ del circuito, para:

Vi = 5V Vi = 12V

2) Al circuito de arriba agréguele RL = 1KΩ. Calcule I, VR y VZ para:

Vi = 5V Vi = 12V

R

Vi VD

VZ

SES

15

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Implementar el siguiente circuito. (R = R43, D = D9)

(With TPS-3371 reverse the diode for the negative voltages). Paso 3: Encender la fuente de poder. Paso 4: Cambiar VS conforme a la siguiente tabla y registrar los valores medidos de VR y VD.

16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 VS VR VD IR

(With TPS-3371 reverse the diode for the negative voltages).

Paso 5: Calcular IR para cada columna en la tabla. Paso 6: Trazar los resultados en el siguiente gráfico.

VS D

R I

1K ±12V

GND

0 0

IR

VD

SES

16

Paso 7: Implementar el siguiente circuito en el tablero de enchufe principal. Paso 8: Calcular VR, VZ, IR y IL. Paso 9: Medir VR y VZ. Paso 10: Calcular IR y IL. Paso 11: Comparar los resultados de medición con los resultados de cálculo. Paso 12: Sacar conclusiones. Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

1KΩ

R

12V VZ RL

I

+ -

1KΩ ±12V

GND

SES

17

Capítulo 2 - El transistor Experimento 2.1 - Características del transistor bipolar Objetivos: • El transistor bipolar. • Características del transistor bipolar. • Línea y punto operativo. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Cables de conexión • Transistor NPN 2N2222 • Resistores 100Ω, 1KΩ, 15KΩ, 91KΩ Discusión: 2.1.1 El transistor bipolar El transistor bipolar se puede ver como dos uniones p-n conectados espalda con espalda. Existen dos tipos de transistores bipolares tal como aparece en la figura 2-1

Figura 2-1 El transistor cuenta con tres terminales: C - Colector B - Base E - Emisor

NPN

C N P

B

N E

PNP

C P N

B

P E

SES

18

Sus símbolos son:

Figura 2-2 Explicaremos la operación del transistor con el transistor NPN. El transistor PNP funciona de la misma manera, únicamente en flujo de corriente contrario y voltaje medio. El transistor está conectado en dos circuitos eléctricos. Uno utilizando la unión CE y la fuente de voltaje VCC. El segundo utilizando la unión BE y la fuente de voltaje VBB tal como aparece en la siguiente figura.

Figura 2-3 La unión CE vista con dos diodos de espaldas el uno al otro:

Figura 2-4 Si el circuito BE no se activa, la resistencia CE es muy alta y la corriente muy baja. En el circuito BE la unión BE se encuentra en polarización directa y los electrones fluyen de E a B. Debido a que la base es muy delgada, más electrones pasan la unión BE de los que pueden ser absorbidos por la base. La base es llenada por electrones libres, que son jalados por el potencial positivo de la terminal C (colector). Esa es la razón por la cual obtenemos corriente a través del colector y por lo cual no podemos implementar un transistor con dos diodos separados.

NPN PNP

B

C

E

B

C

E

VBB

RB

VCC RC

B N

P

N

E

C

SES

19

La corriente a través del emisor (IE) está dividida en dos corriente, la corriente base (IB) y la corriente de colector (IC). IE = IC + IB Debido a la delgada capa de la base, IB es mucho más pequeño que IC. La relación entre IC y IB es fija y uno de los parámetros de transistor - β.

B

C

IIβ =

2.1.2 La característica de transición La característica de transición del transistor describe la relación entre IC e IB que aparece en la siguiente figura: La base del transistor es significativamente más delgada que su colector y su emisor. Un cambio en la corriente base afecta significativamente la corriente del colector. Podemos observar esto en la siguiente gráfica.

Figura 2-5 Esta gráfica tiene 3 regiones: 1) La región de CORTE. En este rango VBE < 0.5V y IB y IC son muy pequeños. 2) La región LINEAL. En este rango, el transistor actúa como un amplificador de

corriente lineal y BC IβI ⋅= . β es uno de los parámetros del transistor, dependiendo del ancho de la base. Los valores típicos se encuentran dentro del rango 50 - 200 pero puede ser tan alto como 800. Dentro del rango lineal VBE = 0.6 - 0.7V.

3) La región de SATURACIÓN. En esta región, cambios en IB no afectan la corriente IC.

Dentro de este rango VBE = 0.7 - 0.8V.

IC

1 3 2

IB

SES

20

4) Otra característica importante es la característica de salida, que describe la relación entre IC y VCE para un IB en particular.

Figura 2-6 En la característica de salida, podemos encontrar dos regiones. 1) La región de SATURACIÓN. Dentro de este rango VCE < 0.2V (VCE sat) y la relación

entre IC y IB no es BC IβI ⋅= . 2) La región LINEAL. Dentro de este rango, IC es constante y depende de IB únicamente y

no en VCE. Si cambiamos IB, obtendremos otra característica de salida. Las diferentes características de salida se pueden dibujar en un gráfica para mostrar la relación entre IC, IB y VCE tal como aparece en la figura 2-7:

Figura 2-7

IC

1 2

VCE VCE sat

IB = 50µA

IC

VCE

1

3

IB = 50µA IB = 40µA IB = 30µA

IB = 20µA

IB = 10µA

2

SES

21

Podemos ver cómo IC depende de IB y VCE. En esta gráfica podemos encontrar tres regiones: 1) La región de SATURACIÓN. En este rango VCE < 0.2V (VCE sat) y BC IβI ⋅= . 2) La región LINEAL. En este rango IC no depende de VCE, sino de IB conforme a la

formula BC IβI ⋅= . 3) La región de CORTE. Dentro de este rango, IB e IC son muy pequeñas. 2.1.3 Un transistor plano de silicio Anteriormente, el transistor bipolar se producía mediante la inyección de impurezas al material semiconductor en ambos lados.

Figura 2-8 Es muy difícil obtener resultados precisos y la producción es complicada. Los transistores de germanio aún se fabrican de esta manera. El silicio tiene una característica que el germanio carece. Cuando el aire caliente fluye sobre el silicio, una delgada capa de óxido de silicio (SiO2) lo cubre. El óxido de silicio es un muy buen aislante y es completamente impenetrable. La producción de semiconductores se basa en esta característica. Una rebanada de silicio se cubre con óxido de silicio. Se crean huecos en lugares donde las impurezas se deben difundir. Las rebanadas se colocan dentro de un horno con gas de impurezas el cual se difunde a través de los hoyos. Posteriormente aire caliente se fluye nuevamente sobre la rebanada y se cubre nuevamente con óxido de silicio.

E

B

C

SES

22

Un transistor plano de silicio se ve como:

Figura 2-9 Miles de transistores se producen en una rebanada de silicio y posteriormente son cortados y empaquetados. Los IC (Circuitos Integrados) son transistores, diodos, resistores, y capacitores que son elaborados de esta forma sobre un chip de silicio, conectados mediante conductores sobre la capa y cortados como un circuito completo que puede tener miles de componentes en un solo chip. 2.1.4 Línea de carga y punto operativo La idea es determinar el punto operativo del transistor en la región lineal. De esta forma, pequeños cambios en IB crearán grandes cambios en IC. En los siguientes circuitos, mostraremos circuitos NPN y PNP en paralelo. Los cálculos son los mismos. Posteriormente utilizaremos el NPN únicamente debido a que es más popular en circuitos. También utilizaremos los parámetros de silicio. El circuito de polarización básico es el siguiente:

Figura 2-10

P

C B E

N P N

VBB VCC

RC

E

C

IE

IC

B IB RB VCE

VBE

VCC

VBB

RC

RB B IB

Q C

E

IE

IC

VCE

VBE

SES

23

VCC = 12V RC = 2KΩ RB = 40KΩ VBB = 3V β = 50 Por ejemplo, para encontrar el punto operativo (generalmente denominado el punto Q) significa calcular o medir IC y VCE. IC y VCE son parámetros en un circuito denominado el circuito de salida y su ecuación es:

CECCCC VRIV +⋅=

CCCCCE RIVV ⋅−=⇑ Está es una ecuación lineal, que describe la dependencia entre IC y VCE. RC se denomina la carga de circuito y es por esto que esta línea se llama la línea de carga. Cuando IC = 0, entonces: VCE = VCC Cuando VCE = 0, entonces:

C

CCC R

VI =

Figura 2-11 La solución comienza con la ecuación de circuito de entrada:

BEBBBB VRIV +⋅=

Q

VCC VCE

C

CC

C

R

V

I

SES

24

Podemos asumir que VBE = 0.7V para silicio y 0.1V para germanio.

V25.6K2m875.212RIVVmA875.20575.050II

mA0575.0K407.03

RVVI

CCCCCE

BC

B

BEBBB

=⋅−=⋅−=

=⋅=β=

=−

=−

=

Observación: Si por ejemplo RC es igual a 4KΩ entonces:

V11K4m75.512VCE −=⋅−= VCE no puede ser negativo. Esto significa que el transistor se encuentra en la región de saturación e IC no es igual a BIβ ⋅ . En una región de saturación: VCE = 0.2V

2.95mA4K

0.212R

satVVIC

CECCC

=

−=

−=⇑

2.1.5 Circuito de polarización fija En el circuito anterior, utilizamos dos fuentes de voltaje, lo que es inusual en el circuito de transistor. En lugar de esto, podemos conectar RB a VCC y utilizar VCC como VBB.

Figura 2-12

RC

IB

IC

IE

VCC

RB

RC

VCC

IC

VBE

VCE

RB

IB

SES

25

Observar la forma utilizada para indicar las terminales de fuente de poder. La ecuación de circuito de entrada es:

B

BECCB

BEBBCC

RVVI

VRIV−

=

+⋅=

Lo demás es igual a lo anterior.

CCCCCE

BC

RIVVIβI

−=

=

Diseñaremos el sistema y calcularemos RB. RC es el resistor de carga determinado conforme a la impedancia de salida y la ganancia del amplificador que deseamos obtener (descrito en el siguiente capítulo). Generalmente es 1K-2KΩ. Asumamos que RC es 2KΩ como anteriormente. Generalmente queremos que el punto Q se encuentre en medio de la línea de carga, por lo tanto:

6V2VV CC

CE ==

3mA2K612

RVVIC

CECCC =

−=

−=

0.06mA503m

βII C

B ===

La ecuación de circuito de entrada es:

188KΩ0.06m

0.712I

VVR VRIVBB

BECCBBFBBCC ≅

−=

−=⇒+⋅=

Requerimos una resistencia más grande que antes para lograr el mismo punto operativo. Este circuito se denomina de polarización fija porque IB tiene un valor constante.

B

BECCB R

VVI −=

El problema es que IC depende de β y VCE depende de IC.

CCCCCE

BC

RIVVII

⋅−=

β=

SES

26

Eso significa que el punto operativo depende de β. Cuando utilizamos un transistor bipolar no podemos conocer su β. β tiene un rango muy amplio (puede alcanzar 50-400 ó 100-800). También, si tenemos un circuito que funciona apropiadamente y debemos reemplazar el transistor, el punto operativo puede cambiar significativamente. Si duplicamos β de 50 a 100 IC se duplicará y el transistor entrará en modalidad de saturación. Verificar esto. Utilizamos la polarización fija cuando utilizamos el transistor como interruptor (descrito en el experimento 2.6). En esta aplicación el transistor se aplica en dos estados únicamente, el estado de corte y el estado de saturación. 2.1.6 Circuito de auto polarización Al utilizar el transistor como amplificador, que amplifica pequeños cambios en el circuito de entrada a cambios grandes de VCE e IC en el circuito de salida, es muy importante que el punto operativo esté en el centro de la línea de carga. Para resolver el problema de polarización fija añadimos el resistor RE al emisor.

Figura 2-13 RC = 2KΩ RE = 500Ω RB = ? β = 50

RC

IB

IC

IE

VCC

RB

RE

RC

VCC

IC

VBE

VCE

RB

IB

IE

RE

SES

27

La ecuación de circuito de entrada es

EB

BECCB

EBBEBBCC

BBBCBE

EEBEBBCC

R)1(RVVI

R)1(IVRIVI)1(IIIII

RIVRIV

+β+

−=

⋅+β++⋅=⇒

+β=⋅β+=+=

⋅++⋅=

Podemos ver que si β se incrementa, IB disminuye y viceversa.

EB

BECCBC 1)R(βR

)Vβ(VIβI++

−=⋅=

Si RB << (β + 1) RE podemos asumir:

E

BECC

E

BECCC R

VV1)R(β

)Vβ(VI −≈

+−

≅

IC ya no depende de β al igual que el punto operativo.

)RR(IVVII

RIRIVV

ECCCCCE

CE

EECCCCCE

+−=

≈

⋅−⋅−=

Para obtener:

K210m048.02.17.012

IR)1(IVVR

R)1(IRIV

mA048.050m4.2II

mA4.2K5.2612

RRVVI

6V2VV

B

EBBECCB

EBBBCC

CB

EC

CECCC

CCCE

=−−

=+β−−

=

+β+⋅=

==β

=

=Ω

−=

+

−=

==

Dupliquemos β de 50 a 100.

SES

28

V25.1K5.2m3.412)RR(IVVmA3.4II

mA043.0K5.0101K210

7.012R)1(R

VVI

ECCCCCE

BC

EB

BECEB

=∗−=+−=

=⋅β=

=∗+

−=

+β+

−=

El cambio fue menor que sin RE pero aún hay un cambio. Para incrementar la estabilidad del circuito debemos reducir la resistencia RB. Podemos realizarlo utilizando VBB ó un divisor de voltaje tal como aparece en la siguiente figura.

Figura 2-14 Para alcanzar el mismo punto operativo VCE = 6V e IC = 2.4mA debemos realizar los siguientes pasos:

mA48.0504.2II

V9.12.17.0VVVV2.1K5.04.2RIV

CB

REBEB

ECRE

==β

=

=+=+=

=⋅=⋅≅

Si IB << I2 entonces cambios en IB no afectarán el voltaje en R2(VR2) por lo tanto VR2 = VB = constante.

R1

R2

VCC

RC 2KΩ

RE 500Ω

SES

29

Podemos optar por:

Ω=−

=−

=

=+=+=

Ω===

==

K19m53.09.112

IVVR

m53.0m048.0m48.0III

K4m48.09.1

IVR

mA48.0I10I

1

BCC1

B21

2

B2

B2

Podemos verificar la reacción del circuito utilizando la transformación de Thevenin de R1, R2, y VCC.

Figura 2-15

EB

21

21B

21

2CCBB

R)1(R

K3.3K23K4K19

RRRR

R

V1.2K23K412

RRRV

V

+β<<

=⋅

=+

⋅=

=⋅

=+

⋅=

Verifiquemos el nuevo punto operativo:

V6K5.2m4.212)RR(IVVmA4.2II

mA048.0K5.051K3.3

7.01.2R)1(R

VVI

ECCCCCE

BC

B

BEBB

EB

=⋅−=+−=

=β=

=⋅+

−=

+β+

−=

VCC

RC

IC

IE

RE

VBB

IB RB

SES

30

Al igual que anteriormente. Dupliquemos ahora β a 100.

V5.5K5.2m6.212)RR(IVVmA6.2m026.0100II

mA026.0K5.0101K3.3

7.01.2R)1(R

VVI

ECCCCCE

BC

B

BEBB

EB

=⋅−=+−=

=⋅=β=

=⋅+

−=

+β+

−=

El punto operativo cambia muy poco a pesar de haber duplicado β. El circuito de transistor bipolar es el siguiente:

Figura 2-16 El equivalente Thevenin de este circuito es el siguiente:

Figura 2-17

R2

R1

+12V

RC

VC

VB

VE

RE

1K 91K

2N2222

100R 10K

12V

1K

100 1.2V

9K

SES

31

A26K195.0

100101K97.02.1

R)1(RVVI

EB

BEBBB µ==

⋅+−

=+β+

−=

Calcular IC, VRC, VRE y VCE Asumiendo que β = 100. 2.1.7 Preguntas 1) Repita el cálculo de los tres ejemplos con VCC = 5V.

SES

32

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Implementar el siguiente circuito utilizando el amplificador de transistor bipolar.

Utilizar Vvar como VS. Paso 3: Encender el entrenador. Paso 4: Cambiar VS conforme a la siguiente tabla y registrar los valores medidos de VB, VC y

VE. VB es en realidad equivalente a VS.

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 VS VB VC VE VBE VCE IE IC

Paso 5: Calcular VCE para cada columna conforme a la siguiente fórmula: ECCE VVV −= Paso 6: Calcular VBE para cada columna conforme a la siguiente fórmula: EBBE VVV −=

1K

+12V

VC

IC

VE

100

IE

VB

15K

VS

91K

Vvar (±12V)

SES

33

Paso 7: Calcular IE para cada valor de VE conforme a la siguiente fórmula:

E

EE R

VI =

Paso 8: Calcular IC para cada valor de VC conforme a la siguiente fórmula:

IC = (VCC – VC )/RC Paso 9: Trazar los resultados en la siguiente gráfica. Paso 10: Marcar las tres regiones en la gráfica:

A) La región de corte. B) La región lineal. C) La región de saturación.

Paso 11: Desconectar VS del circuito. Obtendremos el siguiente circuito. Paso 12: Medir VB, VC y VCE.

IC

0 0 VCE

R2

R1

+12V

RC

VC

VB

VE

RE

1K 91K

2N2222

100R 15K

SES

34

Paso 13: Calcular IC = (VCC - VC) / RC. Paso 14: Marcar el punto operativo en el gráfico que trazaste en el paso 9. Paso 15: Haz un corto circuito en el resistor RE con los cables de conexión. Obtendremos el

siguiente circuito. Paso 16: Medir VB, VC y VCE. Paso 17: Calcular IC = (VCC - VC) / RC. Paso 18: Marcar el punto operativo en el gráfico que trazaste en el paso 9. Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

R2

R1

+12V

RC

VC

VB

VE

1K 91K

2N2222

15K

SES

35

Experimento 2.2 - El amplificador de transistor bipolar Objetivos:

• Medición de la ganancia de amplificador. • Medición de la impedancia de Entrada. • Medición de la impedancia de salida. • Medición del cambio de fase.

Equipo requerido:

• Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Cables de conexión • Un transistor 2N2222 • Resistores 2 x 100Ω, 2 x 1KΩ, 15KΩ, 91KΩ • Capacitors 10µF, 100µF

Discusión:

2.2.1 Amplificador lineal Una de las aplicaciones más importantes del transistor es en la forma de amplificador. Suministramos una pequeña señal AC a su entrada y obtenemos una señal amplificada (voltaje o corriente) en su salida. Para distinguir entre un parámetro DC y un parámetro AC (voltaje o corriente) utilizamos la letra mayúscula para DC y letra minúscula para AC. Describimos un amplificador de la siguiente manera:

Figura 2-18

Vi Vo ii io Ro

SES

36

Los parámetros del amplificador son AV, Ai, Ri, Ro. AV es la ganancia de voltaje:

i

oV V

VA =

Ai es la ganancia de corriente:

i

oi iiA =

AV y Ai no tienen unidades de medición. Ri es la impedancia de entrada:

i

ii iVR =

Ro es la impedancia de salida del amplificador. Actúa como resistencia serial ubicada en la salida del amplificador. 2.2.2 Parámetros del transistor bipolar h Para entender el comportamiento de las partes internas del transistor a señales AC, se desarrolló un modelo de parámetro h. Este modelo aparece en la siguiente figura:

Figura 2-19

B hie

C

hoe

1

E

+

-

ib ic

ie

CEVHre ⋅ biHfe ⋅

SES

37

hie es una resistencia de entrada. Su valor típico es 1-2KΩ. hie depende del punto operativo conforme a la siguiente fórmula:

)mA(I26hie

E

⋅β=

hoe representa la resistencia de salida pero el valor del parámetro muestra su continuidad.

Preferimos utilizar resistencia y por lo tanto utilizamos hoe

1 . El valor típico de hoe

1 es 40KΩ.

Generalmente, encontramos en la hoja de datos del transistor el parámetro hFE que es β. La señal en la entrada del transistor afecta la salida. Podemos ver una fuente de corriente con el valor bihfe ⋅ en la rama de salida. Esta es la ganancia de corriente AC del transistor. El valor típico de hfe es 50-200. La salida también afecta la entrada. Podemos verlo como una fuente de voltaje en la rama de entrada con el valor CEVhre ⋅ . El valor típico de hre es 4102.5 −⋅ . Es tan pequeño que generalmente lo ignoramos. Generalmente utilizamos el siguiente modelo de parámetros h.

Figura 2-20

B

hie

C

hoe

1

E

ib ic

ie

biHfe ⋅

SES

38

Si RC es menor de 4KΩ podemos ignorar también la resistencia hoe

1 . Obtendremos el siguiente

modelo, el cual es fácil de calcular y es bastante certero.

Figura 2-21 Utilizaremos este modelo para el siguiente ejemplo. En AC así como en DC: Ie = ib + ic 2.2.3 Amplificador de emisor común En el amplificador de emisor común (CE), la señal de entrada se suministra a la base y la señal de salida es recibida en el colector.

Figura 2-22 En el modelo de parámetro h, nos referimos a un Capacitor y una fuente de voltaje como corto circuito. De esta forma R1 y R2 están conectados en paralelo en AC.

VCC

R1

RC

Vi

Vo

R2

B ib

hie

ic

ie

C

E

biHfe ⋅

SES

39

El modelo de parámetro h del circuito anterior es el siguiente.

Figura 2-23 Reemplazaremos R1 en paralelo a R2 con el resistor equivalente RB.

21

21B RR

RRR+

⋅=

Figura 2-24 Si utilizamos el resistor RE para auto polarización pero no queremos afectar AC, lo saltamos con un Capacitor.

Figura 2-25

R1 CC

CB1

CE

VCC

RC

Vi

Vo

R2 RF

b ib c ic Vi Vo

RC

e

hie R2 R1 biHfe ⋅

Ri Ri’

b ib c ic Vi Vo

RC e

hie

ii

iL

RB biHfe ⋅

SES

40

Como dijimos anteriormente, nos referimos a un Capacitor como un corto circuito en corriente alterna. La forma para seleccionar capacitores tales como CB, CC y CE se describe en el experimento 2.5. Av Ganancia de voltaje:

Cbo

bCL

CLo

bi

i

OV

RihfeV

ihfeiIRIVhieiVVVA

⋅⋅−=⇑

⋅−=−=

⋅=

⋅=

=

A pesar de que estamos tratando con corriente y voltaje AC, utilizamos polaridad. Es importante ya que de esta forma podemos ver que la señal de salida se encuentra en la misma fase de la señal de entrada o invertida. Está en dirección opuesta a ic.

hieRhfe

hieiRihfe

VVA C

b

Cb

i

oV

⋅−=

⋅

⋅⋅−==

La meta es tener una fórmula sin variables (como ib, Vi, Vo) y únicamente con parámetros h y resistores. El signo negativo indica que este amplificador está invertido. La señal de salida se movió 180º en relación con la señal de entrada.

iBi

b

bi

bi

b

ii

RRR

hieihieiR

hieiViVR

ʹ′=

=⋅

=ʹ′

⋅=

=ʹ′

SES

41

AI Ganancia de corriente:

i

oi iiA =

La forma sencilla de calcular es utilizando Av y Ri para calcular AI.

L

iVI

L

i

i

o

i

i

L

o

i

oI

i

ii

L

oo

iii2oo

RRAA

RR

VV

RVRV

iiA

RVi

RVi

RiVRiV

−=

⋅−=

−

==

=−=

⋅=⋅−=

SES

42

Avs Ganancia de voltaje fuente: Si una fuente de voltaje VS se conecta al amplificador a través del resistor RS.

Figura 2-26

Si

iVVS

Si

i

i

oVS

i

Sii

o

S

o

S

oVS

i

SiiS

Si

iSi

S

oVS

RRRAA

RRR

VVA

RRRV

VVV

VVA

R)RR(VV

RRRVV

VVA

+⋅=

+⋅=

+===

+−=

+

⋅−=

=

RS

VS RL

Ri

~ Vi

SES

43

RO impedancia de output: La impedancia de salida es una resistencia imaginaria, que está en serie con la línea de salida. Nuestra salida está compuesta de una fuente de corriente bihfe ⋅ y un resistor paralelo RC.

Figura 2-27 Con el transformador Norton, podemos transformarlo en fuente de voltaje y un resistor en serie de la siguiente manera:

Figura 2-28 Aquí es fácil ver que: Ro = RC Emisor común con amplificador RE (CE+RE): Dos problemas que tenemos en el amplificador CE:

hieRhfeA C

V⋅

=

Al igual que β no podemos saber exactamente los valores hfe y es diferente en cada transistor, incluso del mismo tipo. Ri = RB || hie Generalmente hie es muy pequeño por lo tanto Ri ≅ hie. En el amplificador de voltaje, preferimos una impedancia de entrada alta.

Vo

RC biHfe ⋅

Vo RC

~ Cb Rihfe ⋅⋅

SES

44

El amplificador CE+RE resuelve estos dos problemas.

Figura 2-29 El modelo de parámetros h es el siguiente:

Figura 2-30

VCC

R1 RC

Vi

Vo

R2 RE

ii ib ic Vo

Ri Ri’

iL

RC ie

RE

RB

hie biHfe ⋅

SES

45

[ ]

[ ]

E

CV

E

CV

E

E

C

Eb

Cb

i

oV

Ebo

CLo

Ebi

Ebbi

Ebbbi

Eebi

V

RRA

R)1hfe(RhfeA

R)1hfe(hieR)1hfe(hie

RhfeR)1hfe(hiei

RhieiVVA

RhieiVRiV

R)1hfe(hieiVR)1hfe(ihieiVR)ihfei(hieiV

RihieiV

A

−≅

+

⋅≅

+<<

++

⋅−=

++

⋅⋅−==

⋅⋅−=

⋅=

++=

++⋅=

⋅++⋅=

⋅+⋅=

La ganancia ya no depende de hfe o hie. Con RC y RE podemos determinar la ganancia de amplificador.

[ ]

i2i

Ei

b

Eb

b

ii

i

RRRR)1hfe(hieRi

R)1hfe(hieiiVR

R

ʹ′

ʹ′

ʹ′

=

++=

++==

Ahora debemos seleccionar R1 y R2 con resistencia alta ya que tiene una impedancia de entrada alta. Hay un conflicto con el requerimiento de resistencia RB baja para la estabilidad del punto operativo DC. Como todo en la vida, debemos hacer ajustes.

Co

o

Si

iVVS

VS

I

iVI

I

RR

RRR

RAA

ARRAA

A

=

+=

−=

SES

46

2.2.4 Amplificador de seguidor de emisor Este circuito también se denomina amplificador de colector común (CC).

Figura 2-31 El modelo de parámetro h es el siguiente:

Figura 2-32

VCC

R1 RC

Vi

Voo

R2 RE

Ri Ri’

ib ic Voo

RC

ii

iL

RB RE

Vi

RS hie

~ VS

o

biHfe ⋅

SES

47

[ ]

[ ]

1R)1hfe(hie

R)1hfe(A

R)1hfe(hieiR)1hfe(i

VVA

R)1hfe(iRiRiVR)1hfe(hieiVR)1hfe(ihieiV

RihieiV

A

E

EV

Eb

Eb

i

oV

EbLeLLo

Ebi

Ebbi

Eebi

V

≅++

+=

++

+⋅==

⋅=⋅=⋅=

++=

⋅+⋅=

⋅+⋅=

Las señales de entrada y salida son casi iguales y con la misma fase. Por eso se denomina seguidor de emisor. El emisor sigue la base. Utilizamos este circuito como un regulador. Tiene impedancia de entrada alta e impedancia de salida baja.

[ ]

Si

iVS

VS

E

iI

I

iBi

Eb

ii

Ebi

i

RRRAVA

ARRAVA

ARRR

R)1hfe(hieiVR

R)1hfe(hieiV

R

+=

−=

=

++==

++=

ʹ′

ʹ′

Para poder calcular Ro debemos hacer que esté en corto circuito VS. La rama de entrada entonces se compone por RS || RB+hie. La corriente a través de esta rama es ib. Esta rama está en paralelo con RE que tiene la corriente ib(hfe+1) . Si convertimos la fuente de corriente en una fuente de voltaje, su Ro será:

EBS R1hfehieRR

+

+

Esta es una impedancia muy baja.

SES

48

2.2.5 Amplificador de base común En el amplificador de base común (CB), la señal de entrada es suministrada al emisor y la señal de salida se recibe en el colector.

Figura 2-33 Este circuito era común, anteriormente, en amplificadores de frecuencia alta. Hoy en día, la respuesta de frecuencia del transistor es mucho mejor, por lo tanto, este circuito es menos popular. Su Ri es bajo y su Ro es alto (lo opuesto de características de un amplificador bueno). El modelo del parámetro h es el siguiente:

Figura 2-34

VCC

R1 RC

Vi R2 RE

Voo

Ri Ro

c Vo

RC

ie

iL

hie

Vi

RS

~ VS

o

biHfe ⋅

SES

49

Analizar el circuito y probar:

Co

CV

i

i

RRhieRhfeA

hfe1hieR

hfe1hfeA

≈

⋅=

+=

+=

2.2.6 Cómo medir parámetros de amplificador Para medir los parámetros de un amplificador, lo conectamos a una fuente de voltaje alterna VS a través de una resistencia en serie RS y su salida a una resistencia de carga RL de la siguiente manera:

Figura 2-35 El valor absoluto de io es equivale a iL que equivale:

L

LL R

Vi =

ii es equivalente a la corriente a través de RS:

S

RSi

SRS

RVi

:VVV

=

−=

VS VL

ii Ro RS

RL

iL Vi

Vo

SES

50

Para calcular Ro medimos VL sin RL (Vo) y con RL (VL). Ro se determina conforme a la siguiente fórmula:

LL

Loo

LoL

Lo

LoLo

RVVVR

VRRVV

VRIV

⋅−

=

=⋅−

=⋅−

SES

51

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Implementar el siguiente circuito. (RS = R43, RC = R69, C2 = C43)

No conectar fuente de voltaje alguna al punto VS. Paso 3: Encender la fuente de poder. Paso 4: Medir VB, VC, VCE y VE. Paso 5: Calcular IC: IC = (VCC - VC)/RC = (12 - VC)/1000 Paso 6: Trazar la línea operativa y el punto operativo en el gráfico.

IC

EC

CC

RR

V

+

VC

VCC VCE

+12V

R1 91K

RC 1K

R2 15K2

RE 100

VS RS

VCE

VC

1K

Vo C1

C2

10µF

10µF

SES

52

Para calcular los parámetros de los amplificadores, no importa si usamos Vpico o VP-P o un voltaje efectivo, mientras seamos constantes. Para anotar parámetros de CA usamos letras pequeñas. Usamos el resistor de 1K como resistencia RS.

Amplificador CE:

Paso 7: Conectar la sonda de salida OUT/10 del generador de funciones al punto VS. Ajustar el

generador de funciones para generar una onda senoidal de 1VP-P 1KHz (VOUT/10 = 0.1VP-P).

Paso 8: Conectar un capacitor de by-pass de 100µF (C41) paralelo a RE haciendo corto circuito

en los voltajes AC de RE. No hacemos corto circuito en RE para no cambiar su punto operativo DC.

Paso 9: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme al modelo de parámetro h. Paso 10: Conectar la sonda CH2 al punto Vo. Paso 11: Medir los voltajes VC (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 12: Conectar un resistor 1K entre el colector del transistor y la tierra. Este resistor actúa

como RL. Medir VL. Paso 13: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme a tus mediciones al paragrofo 2.2.6.

+12V

R1 91K

RC 1K

R2 15K2

RE 100

VS RS

VCE

VC

1K

Vo C1

C2

10µF

10µF

CE

SES

53

Paso 14: Comparar las características de cálculo del amplificador y las características de medición.

Paso 15: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 16: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador?

Amplificador CE con RE: Paso 17: Desconectar el Capacitor by-pass de RE. Paso 18: Conectar la sonda de salida OUT del generador de funciones al punto VS. Ajustar el

generador de funciones para generar una onda senoidal de 1VP-P 1KHz. Paso 19: Calcular y anotar el AV, AI, Ri, Ro conforme al modelo de parámetro h. Paso 20: Medir los voltajes VC (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 21: Conectar el resistor 1K resistor entre el colector del transistor y la tierra. Esta resistencia

se utiliza como RL. Medir VL. Paso 22: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme a las mediciones al paragrofo 2.2.6. Paso 23: Comparar las características de cálculo y las características de medición.

t

VCH1

t

VCH2

SES

54

Paso 24: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 25: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador?

Amplificador de seguidor de emisor: Paso 26: Implementar el siguiente circuito. Paso 27: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme al modelo de parámetro h. Paso 28: Medir los voltajes VE (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 29: Conectar el resistor 1K entre el emisor del transistor y la tierra. Esta resistencia se

utiliza como RL. Medir VL.

+12V

R1 91K

RC 1K

R2 15K2

RE 100

VS RS

VCE

VC

1K

10µF

Vo 10µF

t

VCH1

t

VCH2

SES

55

Paso 30: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme a las mediciones al paragrofo 2.2.6. Paso 31: Comparar las características de cálculo del amplificador y las características de

medición. Paso 32: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 33: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador?

Amplificador CB: Paso 34: Implementar el siguiente circuito. Paso 35: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme al modelo de parámetro h. Paso 36: Ajustar el generador de funciones para generar una onda senoidal de 1VP-P 1KHz.

+12V

R1 91K

RC 1K

R2 15K2

RE 100

VCE

VC

VS VE RS

1KΩ

10µF VO

100µF

t

VCH1

t

VCH2

SES

56

Paso 37: Medir los voltajes VC (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 38: Conectar el resistor 1K entre el colector del transistor y la tierra. Esta resistencia se

utiliza como RL. Medir VL. Paso 39: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme a las mediciones al paragrofo 2.2.6. Paso 40: Comparar las características de cálculo de amplificador y las características de

medición.

Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

SES

57

Experimento 2.3 - Características del Transistor de Efecto de Campo Objetivos: • El transistor FET. • Las características de CC del FET. • Línea de operación y punto de operación. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Alambres de conexión • Transistor FET 2N5457 • Resistores 1KΩ, 5.1KΩ, 1MΩ Discusión: 2.3.1 Transistor de efecto de campo En el transistor bipolar, la corriente del circuito de entrada afecta el punto de operación del circuito de salida. El Transistor de Efecto de Campo (FET) trabaja diferente. Un campo eléctrico en el circuito de entrada afecta el circuito de salida. No hay corriente en su terminal de control. Hay dos tipos de FET. Uno se llama JFET (FET de Juntura) y el otro se llama MOSFET (Metal Oxide Silicon FET). Los dos tipos son transistores de 3-piernas. Las piernas son D (Drenaje/Drain), S (Fuente/Source) y G (Puerta/Gate). El campo eléctrico del JFET es uno que existe en una juntura inversa PN. La puerta es la juntura inversa PN. La puerta del MOSFET es una puerta de metal aislada del dren y la fuente, con óxido de silicio.

SES

58

2.3.2 JFET – Transistor de Efecto de Campo de Juntura Hay dos clases de JFET – de canal N y de canal P. Son construidos como sigue:

Figura 2-36 Sus símbolos son como sigue:

Figura 2-37 Describiremos el canal N, que es el más común. El canal P trabaja igual con los voltajes opuestos. Cuando no hay voltaje en la puerta, el JFET conduce. El material N incluye tres electrones, así la corriente puede fluir de D a S y de S a D. Generalmente, D es positivo con respecto a S y la corriente fluye de D a S.

Figura 2-38

G

D S

P

N

P

G

Canal N

G

D S

N

P

N

G

Canal P

G D

S

Canal N

G D

S

Canal P

G – Gate D – Drain S – Source

G

+D S

G

IS ID

P

P

SES

59

Cuando la puerta del canal N tiene voltaje negativo se remite a los voltajes de S y D, las áreas de agotamiento están rodeando al material P (los electrones libres consiguen un camino libre a la puerta) como sigue:

Figura 2-39 D es positiva se remite a S, así es más positiva se remite a G. Esta es la razón por la cual el área de agotamiento es más ancha en el lado de D que en el lado de S. ID es igual a IS. Cuando el voltaje VDS aumenta, ID aumenta, pero las áreas de agotamiento cerca al lado D se expanden, hasta que chocan unas con otras. Este voltaje se llama Vp (Voltaje de Perforación).

Figura 2-40

G

+D S

G

IS ID

P

P

-

-

0V

Depletion

Free Electrons

G

+D S

G

-

-

P

P

SES

60

En este punto, el aumento de VDs no afecta a ID e ID llega a ser constante. Si VDs es muy alto (sobre la valoración máxima), el transistor pica y la corriente se eleva inmediatamente. La característica de salida del transistor es como sigue:

Figura 2-41 De ahora en adelante, desatendemos el VA, porque ésta es el área de ruptura y generalmente daña el transistor. El área entre VP y VA se llama el área lineal y todos los cálculos del FET se relacionan con esta área. Las características del JFET dependen del voltaje VGS. Cuanto más alto es el voltaje (más negativo) crea una perforación más rápida. Para valores diferentes de VGS conseguimos las características de salida siguientes:

Figura 2-42 Para un cierto voltaje de VGS, ID es muy pequeña, llamamos a esta área, el área de corte.

VDS VA VP

ID VGS = -1V

ID

VDS

VGS = -1V VGS = -2V

VGS = -3V

VGS= -4V

SES

61

2.3.3 MOSFET El segundo tipo de FET es el MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor de Óxido de Metal). Este transistor se puede hacer de silicio solamente, porque se basa en las características del óxido de silicio. El MOSFET tiene 3 terminales el Dren, la Fuente y la Puerta. La puerta está aislada del material del semiconductor por el óxido de silicio, según lo mostrado en la figura siguiente:

Figura 2-43 Cuando no hay voltaje en la fuente, no hay corriente entre D (Dren) y S (Fuente). El sustrato P tiene huecos como portador de carga, pero sólo unos pocos electrones libres como portador de carga menor. Cuando aplicamos un voltaje positivo en la puerta (entre la puerta y los electrodos S y B (Substrato-Grueso), los portadores de menor carga (los electrones libres) del substrato-P son atraídos a la puerta. Se acumulan cerca de la puerta y crean un canal de tipo-n y el FET conduce.

Figura 2-44 El voltaje entre la puerta y la fuente se llama VGS. Cuanto más alto es VGS, más ancho es el canal tipo-n y más grande es ID.

G

B

S D

Silicon oxide Metal s

D – Drain G – Gate S – Source

N P N

-

- - - - - -

G

B

S D

Silicon oxide Metal s

D – Drain G – Gate S – Source

-

- - - - - -

N N P

- + +

SES

62

Hay otra clase de MOSFET llamado MOSFET de canal-P.

Figura 2-45 En este transistor, los huecos son los portadores de carga. El MOSFET se llama MOSFET de realce y sus símbolos son:

Figura 2-46 La característica de salida del MOSFET es como sigue:

Figura 2-47

G

B

S

P N P

D

Silicon oxide Metal s

D – Drain G – Gate S – Source

ID

VGS = 4V

VDS

D

G

S

G

S

D

P – Channel Enhancement MOSFET

N – Channel Enhancement MOSFET

SES

63

Hasta cierto valor de VDS ID aumenta y viceversa. Después de que alcanza este valor, ID permanece constante y no depende de VDS. Depende solamente del ancho del canal, que depende de VGS. Para valores diferentes de VGS conseguimos las características de salida siguiente.

Figura 2-48 El MOSFET antedicho es un FET de tipo mejorado. Se realza el canal dependiendo de VGS. Otra clase de MOSFET es el MOSFET de agotamiento/mejoramiento. En este tipo de MOSFET, un canal de tipo-n se inyecta entre D y S.

Figura 2-49 Cuando VGS=0V, el FET conduce. Cuando VGS aumenta, la conductancia aumenta, debido a la acumulación de electrones en el material tipo-P cerca al canal-n. Si proveemos un VGS negativo, los electrones libres en el canal-n son rechazados bajo la puerta y conseguimos un área de agotamiento, que disminuye la corriente y la conductancia.

ID

VDS

VGS = 4A

VGS = 3A

VGS = 2A

VGS= 1A

S G D

N N

N

P

SES

64

Los símbolos de este tipo de MOSFET son:

Figura 2-50 El MOSFET de agotamiento/mejoramiento se llama en forma corta MOSFET de agotamiento. Las características de salida son como sigue:

Figura 2-51 El valor de VDS donde la ID se hace constante y no depende de VDS, se llama VP (V de perforación). Para cada valor de VGS, VP es ligeramente diferente. En las características de salida, podemos ver como ID depende de VGS y VDS. Podemos hallar 3 regiones: 1) La región de SATURACIÓN – En este rango VDS < VP e IB depende de VDS. 2) La región LINEAL – En este rango VDS > VP e ID depende sólo de VGS y no de VDS. 3) La región de CORTE – En este rango VGS < VPO (VGS APAGADO). En esta región, ID

es muy pequeño. La ventaja principal del MOSFET es su puerta aislada. Crea una impedancia de entrada muy alta.

ID

VDS

VGS = 2A VGS = 1A

VGS = 0A

VGS= -1A

VGS= -2A

P – Channel depletion/enhancement MOSFET

N – Channel depletion/enhancement MOSFET

G

S

D D

G

S

SES

65

Esta puerta aislada crea dos problemas. Uno es que actúa como condensador y disminuye la velocidad de los transistores del componente. El otro problema es que la puerta acumula cargas estáticas eléctricas cuando está abierta. Ello significa que antes de poner el componente en un circuito, su puerta puede tener un muy alto voltaje que la rompa y dañe el componente. Esta es la razón por la cual el MOSFET se embala en paquetes de materiales antiestáticos. La mayoría de los componentes MOSFET de hoy son de puerta protegida por diodos.

2.3.4 La característica de transición La relación entre ID (la corriente de Dren) y VGS se describe en la característica de transición siguiente.

Figura 2-52 El FET no tiene corriente IG. (IG=0) así ID=IS siempre. En el transistor bipolar, necesitamos solamente un parámetro (β) para la relación entre IC e IB. Aquí necesitamos dos parámetros (IDSS e VPO) para la relación entre ID y VGS.

2

PO

GSDSSD V

V1II ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Como podemos ver es la ecuación de una parábola. IDSS es el valor de ID cuando VGS=0 VPO es el valor de VGS para ID=0. Se llama VGS APAGADO. Generalmente VPO es negativo. No hay conexión entre VP (V de Perforación), que relaciona a VDS y VPO (que es VGS APAGADO).

ID

VPO

IDSS

VGS

ID

VPO

IDSS

VGS

ID

VPO

IDSS

VGS

JFET MOSFET Enhancement MOSFET Depletion/Enhancement

SES

66

2.3.5 Polarización del MOSFET de CC

Figura 2-53 Si usamos un divisor de voltaje como en el circuito de la izquierda, entonces:

DDDDDS

2

PO

GSDSSD

SD

21

2DD1RGS

RIVVVV1II

IIRRRVVV

⋅−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

=

+

⋅==

La línea de carga y el punto de operación son similares al transistor bipolar.

Figura 2-54

ID

Q

VDS VDD

D

DS

RV

VDD

RD

ID

D

IS

G RG

VGG S

VDD

RD

ID

D

S

IS

R1

R2

G

SES

67

Cuando usamos una polarización del MOSFET de agotamiento/mejoramiento podemos entregar en R1, VGS=0V e ID=IDSS que no es pequeño en este tipo de transistor. Usamos resistores de resistencia alta para la polarización del MOSFET para no estropear su alta impedancia de entrada (descrita en el capítulo siguiente). Podemos agregar un resistor RS para la estabilidad del punto de operación.

Figura 2-55

2

PO

GSDSSD

SDGGSSGGGS

SD

SSGSSSGSGGGG

21

21G

21

2DD1RGG

G

VV1II

RIVRIVVII

RIVRIVRIVRRRRR

RRRVVV

0I

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

⋅−=⋅−=

=

⋅+=⋅++⋅=

+

⋅=

+

⋅==

=

2

PO

SDGGDSSD V

RIV1II ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅−−=⇒

VGG

VDD

RD

ID

IS

VDD

RD

ID

IS

R1

R2 RS

â RG IG

RS

SES

68

Obtenemos una ecuación de segundo grado que tenemos que resolver para calcular ID.

)RR(IVVRIVRIV

SDDDDDS

SSDSDDDD

+−=

⋅++⋅=

Como en el transistor bipolar, intentamos conseguir:

2VV DD

DS =

La adición de RS permite crear VGS negativo, que se requiere para JFET. Un JFET (y también en algún MOSFET de agotamiento), el circuito común es el siguiente:

Figura 2-56

2

PO

SDDSSD

2

PO

GSDSSD

SDGS

GG

SD

VRI1II

VV1II

RIVV0RI

II

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

⋅−=

=⋅

=

Debemos recordar que en un JFET y en un MOSFET de agotamiento VPO es negativo.

VDD

RG

Vo

RS

RD

SES

69

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red. Paso 2: Implemente el circuito siguiente: Paso 3: Encienda la fuente de poder. Paso 4: Cambie VGG según la tabla siguiente y mida y registre los valores de VG, VD y VS.

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 VGG [V] VG [V] VD [V] VS [V] VGS [V] ID [mA] IS [mA] VDS [V]

Paso 5: Calcule VGS para cada valor de VGG según las fórmulas siguientes:

SGGS

GGG

VVVVV

−=

=

Paso 6: Calcule ID para cada valor de VD e IS para cada valor de VS según las fórmulas

siguientes:

ID = (VDD - VD)/RD IS = VS / RS

5.1K

+12V

VD

1K

VS

VG

1M

VGG

SES

70

Paso 7: Calcule VPO e IDSS del componente. Paso 8: Trace sus resultados en el gráfico siguiente: Paso 9: Marque las tres regiones en el gráfico:

A) La región de corte. B) La región lineal. C) La región de saturación.

Paso 10: Calcule VDS para cada VD y VS según la fórmula siguiente:

VDS = VD - VS Paso 11: Trace sus resultados en el gráfico siguiente:

ID

0 0

VGS

ID

0 0

VDS

SES

71

Paso 12: Desconecte VGG del circuito: Paso 13: Mida VGS, VD y VS. Paso 14: Calcule ID = (VDD - VD) / RD. Paso 15: Marque el punto de operación en el gráfico que usted trazo en el paso 11. Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

5.1K

+12V

VD

1K

VS

VG

1M

SES

72

Experimento 2.4 - El Amplificador de Transistor FET Objetivos: • Medida de la ganancia del amplificador. • Medida de la impedancia de entrada. • Medida de la impedancia de salida. • Medida del desplazamiento de fase. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • Transistor FET 2N5457 • Resistores 100Ω, 1KΩ, 5.1KΩ, 1MΩ • Capacitors 10µF, 100µF Discusión: 2.4.1 El amplificador FET El transistor FET tiene un modelo similar al modelo bipolar de parámetro h. Se llama modelo del parámetro g.

Figura 2-57

G D

S

rGS rDS gmVGS

SES

73

rDS tiene alta resistencia así que podemos despreciarla y conseguir el modelo siguiente del parámetro g.

Figura 2-58 rGS también tiene alta resistencia y también está en paralelo con los resistores de polarización. La resistencia de entrada equivalente generalmente es la resistencia de polarización. gm se llama la conductancia de transición.

GS

dm

GSmd

Vig

Vgi

=

=

gm depende del punto de operación.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

PO

GSmm V

V1ogg

gmo es el gm cuando VGS=0 y es dado por el fabricante.

gmo es la gradiente de la función 2

POV

GSV1DSSIDI ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= en el punto VGS=0.

gmo también nos permite calcular VPO (que no siempre es dado por el fabricante).

ogI2Vm

DDSPO −=

id G D

S

rGS gmVGS

SES

74

2.4.2 Amplificador de fuente común

Figura 2-59 El modelo del parámetro g es como sigue:

Figura 2-60

VDn

R1 RD

Vi

Voo

R2

VDn

RD

RG RS CE

MOSFET JFET

Voo

Vi

Ri Ri’

C D Vi Vo

gm VGS RD

S

rGS RG

SES

75

Do

o

Si

iVVS

VS

D

iVI

I

iEi

GSi

i

DmV

GS

DGSmV

GSi

DGSmo

V

RR

R

RRRAA

A

RRAA

A

RRRrR

R

RgAV

RVgA

VVRVgV

A

=

+=

−=

=

=

−=

⋅⋅−=

=

⋅⋅−=

ʹ′

ʹ′

Si agregamos la resistencia RS, AV será cambiado a S

D

RR

.

Compruebe esto.

SES

76

2.4.3 Amplificador seguidor de fuente

Figura 2-61 El modelo de parámetro g:

Figura 2-62

1)Rg1(V

RVgVVA

RVgVVRVogV

A

SmGS

SGSm

i

oV

SGSmGSi

SGSmo

V

≅⋅+

⋅⋅==

⋅⋅+=

⋅⋅=

G S Vi Vo

gm VGS RS RG

RD

D

VDn

R1 RD

Vi

R2 Voo

MOSFET

VDn

RD

RG RS

JFET

Voo

Vi

RS

SES

77

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red. Paso 2: Implemente el circuito siguiente. (R1 = R43, C2 = C43) Paso 3: Encienda el entrenador. Paso 4: Mida los voltajes de CC en los puntos de prueba VG, VD y VRS. Paso 5: Calcule ID: ID = (VDD - VD)/RD = (12 - VD)/5100 Paso 6: Trace la línea de operación y el punto de operación en el gráfico.

ID

VD

VDD VDS

SD

DD

RR

V

+

VDD

RD 5.1K

R1 Voo

RG 1M

RS 1K

VS 1K

C1

10µF

C2

10µF

SES

78

Para calcular los parámetros de los amplificadores, no importa si usamos Vpico o VP-P o un voltaje efectivo, mientras seamos constantes. Para anotar parámetros de CA usamos letras pequeñas. Usamos el resistor de 1K como resistencia RS.

Amplificador CS con RS:

Paso 7: Conecte la punta de la salida OUT del generador de función al punto VS. Ajuste el

generador de función para generar una onda sinusoidal de 1VP-P 1KHz. Paso 8: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida del generador de función y

la punta de prueba CH2 al punto VD. Paso 9: Medir los voltajes VD (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 10: Conectar el resistor 1K resistor entre el colector del transistor y la tierra. Esta resistencia

se utiliza como RL.

Medir VL. Paso 11: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro al paragrofo 2.2.6. Paso 12: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 13: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador?

t

VCH1

t

VCH2

SES

79

Amplificador seguidor de fuente: Paso 14: Implemente el circuito siguiente. Paso 15: Medir los voltajes VS (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 16: Conectar el resistor 1K resistor entre el colector del transistor y la tierra. Esta

resistencia se utiliza como RL. Medir VL. Paso 17: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro al paragrofo 2.2.6. Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

VDD

5.1K RD

1K

Vo RG 1M

RS 1K

VS 10µ

10µ

SES

80

Experimento 2.5 – Amplificador de Dos Etapas Objetivos: • Medida de la ganancia del amplificador. • Medida de la impedancia de entrada. • Medida de la impedancia de salida. • Medida del desplazamiento de fase. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • Transistors 2N2222, 2N5457 • Resistors 100Ω, 3 x 1K, 5.1K, 15K, 91K, 1M • Capacitors 3 x 10µF, 100µF Discusión: Cuando necesitamos un amplificador de alta ganancia, conectamos en cascada varias etapas que amplifican como sigue:

Figura 2-63 El voltaje de salida Vo es de hecho igual a Vo2. La corriente de entrada ii es de hecho igual a ii1. La resistencia de entrada es Ri = Ri1. La resistencia de salida es Ro = Ro2.

VS

RS ii2 ii1 iL

Vi1

VL RL Vo1

Vi1 Vo2

Ro1 Ro2

SES

81

La ganancia total AV es:

1V2V

VVA

i

o

i

oV ==

Ahora multiplicamos y dividimos AV por Vo1, que es igual a Vi2

2A1AA2V2V

1V1V

1V2V

1V1V

1V1V

1V2VA

VVV

i

o

i

o

o

o

i

o

o

o

i

oV

⋅=⇒

⋅=⋅=⋅=

De la misma manera obtenemos:

2A1AA III ⋅= El acoplamiento entre las etapas es generalmente hecho por el capacitor, que se llama capacitor de acoplamiento. El valor de la capacitancia depende de la Ro de la primera etapa y de la Ri de la segunda etapa.

Figura 2-64 La impedancia del capacitor depende de la frecuencia de la señal.

C1XC ω

=

Mientras más baja es la frecuencia, Vi2 se hace más bajo. Para determinar Cb, primero comprobamos cuál es la frecuencia más baja que el amplificador debe amplificar. Esta frecuencia está marcada como f1 o 1�. Cuando XC es igual a Ro + Ri2, la mitad de la potencia máxima que puede venir de Vo1 será desarrollada en los resistores. Esta es la condición para determinar Cb. esta es la razón por la que f1 se llama frecuencia de potencia media.

Ro1 Cb Vi2

Vo1 ~ Ri2

SES

82

)2R1R(f21

)2R1R(1C

2R1RC1

io1io1b

iob1

+Π=

+ω=

+=ω

para un amplificador de audio usamos f1 como 50Hz o 100Hz como la frecuencia más baja a ser amplificada. Usamos reglas similares para calcular el capacitor de by-pass CE o CS. Nuevamente usamos la frecuencia f1.

S1S

SCS

E1E

ECE

Rf21C

RX

Rf21C

RX

Π=

=

Π=

=

Combinaremos el amplificador bipolar del transistor y el amplificador FET en el amplificador de dos etapas. Acoplamos las dos etapas con el capacitor a fin de prevenir la etapa de salida del primer amplificador para afectar la polarización y el punto de operación del segundo amplificador. Hay otros métodos de acoplamiento – acoplamiento directo y acoplamiento por transformador. Estos métodos están explicados en el capítulo del amplificador de potencia.

SES

83

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red.

Amplificadores CS + CE con RE: Paso 2: Implemente el circuito siguiente. Paso 3: Encienda el entrenador. Paso 4: Conecte la punta de prueba de la salida OUT/10 del generador de función al punto VS.

Ajuste el generador de función para generar una onda sinusoidal de 2VP-P 1KHz (VOUT/10 = 0.2VP-P).

Paso 5: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida OUT del generador de

función y la punta de prueba CH2 al punto Vd.

Para calcular los parámetros del amplificador, no importa si utilizamos Vpico o VP-P o un voltaje eficaz, mientras seamos constantes.

Usamos el resistor de 1K como la resistencia RS. Paso 6: Mida los voltaje de CA VD (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA.

R2 10K

Vi

Vo

RE 100

RG 1M

RS 1K

RL 1K

5.1K

RC 1K

R1 91K

+12V

R1

1K

10µF

10µF

Q2

Q1

10µF

SES

84

Paso 7: Conecte el resistor de 1K entre el Vo y tierra. Esta resistencia se usa como RL. Mida VL. Paso 8: Calcule y registre AV, AI, Ri, Ro. Paso 9: Compare sus resultados con los resultados de los experimentos previos. Compruebe si:

2OO

1ii

2I1II

2V1VV

RRRR

AAAAAA

=

=

⋅=

⋅=

Paso 10: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 11: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador?

t

VCH1

t

VCH2

SES

85

Amplificadores CS + CE: Paso 12: Conecte el capacitor en by-pass de 100µF paralelo a RE, esto pone en corto circuito los

voltajes de CA en RE. No corto circuitamos RE para no afectar su punto de operación en CC.

Paso 13: Mida los voltajes VD (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 14: Conecte el resistor de 1K entre Vo. Esta resistencia se usa como RL. Paso 15: Calcule y registre AV, AI, Ri, Ro. Paso 16: Compare sus resultados con los resultados de los experimentos previos. Compruebe si:

2OO

1ii

2I1II

2V1VV

RRRR

AAAAAA

=

=

⋅=

⋅=

R2 15K

Vs

Vo

RE 100

RG 1M

RS 1K

5.1K

RC 1K

R1 91K

+12V

R1

100µF

1K

10µF

10µF

10µF

SES

86

Paso 17: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 18: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador?

Amplificadores Seguidor Emisor + CS: Paso 19: Implemente el circuito siguiente: Paso 20: Mida los voltajes VD (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 21: Conecte el resistor de 1K entre Vo. Esta resistencia se usa como RL. Paso 22: Calcule y registre AV, AI, Ri, Ro.

t

VCH1

t

VCH2

R2 15K

Vs

Vo

RE 100

RG 1M

RS 1K

5.1K

RC 1K

R1 91K

+12V

R1

1K

10µF

10µF

10µF

SES

87

Paso 23: Compare sus resultados con los resultados de los experimentos previos. Compruebe si:

2OO

1ii

2I1II

2V1VV

RRRR

AAAAAA

=

=

⋅=

⋅=

Paso 24: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 25: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador? Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

t

VCH1

t

VCH2

SES

88

Experimento 2.6 – Oscilador a Transistor Objetivos: • El oscilador Hartley. • El oscilador Colpietz. • Oscilador a cristal. Equipo requerido: • Entrenador análogo • Fuente de poder • Un multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • 2N2222 • Resistors 100Ω, 15K, 11K • Capacitors 10n, 3 x 0.1µ • Coils 47µ, 390µ Discusión: Cuando tenemos una realimentación positiva de la etapa de salida de un amplificador a su etapa de entrada, el amplificador puede oscilar. Las condiciones de la oscilación se describen en el experimento 3.6. El oscilador a transistor se utiliza principalmente como oscilador de alta frecuencia, especialmente en circuitos de RF (Frecuencia de Radio). El Oscilador Local es un oscilador de onda sinusoidal de frecuencia variable. El oscilador más común en receptores de RF es el oscilador Hartley. En este circuito existe una realimentación positiva entre el colector y el emisor. Un capacitor está conectado en paralelo con uno de los resistores de polarización, para regular el voltaje VB. Esta regulación causa cambios de voltaje en el emisor al cambio del VBE y éste afecta el voltaje de colector y de nuevo al emisor.

SES

89

El circuito siguiente es un oscilador Hartley:

Figura 2-65 Oscilador Hartley El voltaje de realimentación es aceptado por el divisor de voltaje, basado en dos bobinas. Los cambios de corriente a través de ellas crean los cambios del voltaje que se transfieren al emisor.

VCC

R1

R2 C1

C2

R3

Q1

L1

L2

SES

90

Para determinar la frecuencia requerida de las oscilaciones, se conecta un capacitor o un capacitor variable (si se requiere un oscilador variable) en paralelo a las bobinas.

Figura 2-66 Oscilador Hartley Variable

VCC

R1

R2 C1

C2

R3

Q1

C

L1

L2

SES

91

Otra posibilidad es utilizar un diodo VVC (Capacitor Variable de Voltaje) que cambie su frecuencia según la caída de voltaje sobre ella.

Figura 2-67 Oscilador Hartley Variable VVC

VCC

R1

R2 C1

C2

R3

Q1

L1

L2 C3

VVC

P1

SES

92

Un oscilador similar se llama oscilador Colpietz. Este oscilador se basa en dos capacitores como divisor de voltaje con una bobina en paralelo.

Figura 2-68 Oscilador Colpietz La razón por la que este oscilador no es común es la dificultad para fabricar una bobina variable confiable para sintonizar la frecuencia deseada. Cuando necesitamos un oscilador de frecuencia fija y exacto, utilizamos el oscilador de cristal. Un oscilador de cristal a transistor se basa en un circuito a transistor con una realimentación positiva, que se alcanza con un capacitor entre el emisor y la base. La realimentación positiva hace oscilar al transistor en una frecuencia determinada por las capacidades internas en el transistor. Esta frecuencia es muy alta.

VCC

R1

R2 C1

C2

R3

Q1

L

C4

C3

SES

93

Para hacer oscilar al transistor en una frecuencia determinada, conectamos un cristal con la base, que fuerza al transistor a oscilar en la frecuencia del cristal, como sigue:

Figura 2-69 El capacitor C1 es el capacitor de realimentación. El capacitor C2 no es un capacitor de desviación (de otra manera no habríamos conseguido una señal en la salida). Su función es crear el desplazamiento de fase para conseguir la realimentación positiva. Este capacitor es de 200pF.

VCC

R

C2

C1 Vo

SES

94

Procedimiento: Paso 1: Conecte el Entrenador Análogo a la fuente de poder. Paso 2: Conecte la fuente de poder a la red y ENCIÉNDALA. Paso 3: Implemente un oscilador Hartley usando un transistor bipolar. Paso 4: Conecte la punta de prueba del osciloscopio CH1 al emisor del transistor. Usted debe ver una onda sinusoidal. Paso 5: Mida la frecuencia de la señal.

VCC

R1

R2 C1

C2

R3

Q1

L1

L2 91K

15K

100Ω

390µ

0.1µ

47µ

0.1µ

SES

95

Paso 6: Implemente un oscilador Colpietz usando un transistor bipolar. Paso 7: Conecte la punta de prueba del osciloscopio CH1 al emisor del transistor. Usted debe ver una onda sinusoidal. Paso 8: Mida la frecuencia de la señal. Reporte del Experimento: 1) Recolecta todas las mediciones y los resultados de los experimentos. Sobre cada

resultado en la tabla escribe el nombre del experimento y dibuja el circuito del experimento.

2) Compara el valor medido con el valor escrito.

VCC

R1

R2

C1

C2

R3

Q1

L

C4

C3

91K

15K

100Ω

0.1µ

0.1µ

0.1µ

10n

47µ

SES

96

Capítulo 3 - Amplificadores Operacionales Experimento 3.1 - Amplificador Inversor Objetivos: • El amplificador operacional. • Construir un amplificador inversor. • Medir los parámetros del amplificador. Equipo requerido: • Entrenador análogo • Fuente de poder • Multímetro • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Resistors 2 x 1K, 4.7K, 10K Discusión:

3.1.1 El amplificador operacional El amplificador operacional es un amplificador con las características casi ideales del amplificador, para implementar su uso, tanto como sea posible. El amplificador operacional ideal tiene los parámetros siguientes: Ri = ∞ Ro = 0 AV = ∞ BW = ∞ De hacho, no hay amplificador ideal. Cuando diseñamos un circuito, elegimos un amplificador operacional según el parámetro más importante que necesitamos. Para muchas aplicaciones, un amplificador operacional puede ser suficiente. Esta clase de amplificadores tienen: Ri ≈ 10MΩ R0 = 25Ω AV = 50,000 – 100,000 BW = 20KHz – 100KHz

SES

97

La mayoría de los usos del amplificador se basan en una realimentación. Una señal que se toma de la salida del amplificador y se alimenta a su entrada. El amplificador operacional básico es un componente electrónico, que tiene dos entradas (inversora y no inversora) y una salida. Tiene una entrada diferencial para facilitar la implementación de una realimentación positiva o negativa. El amplificador operacional ideal es un amplificador con ganancia infinita y resistencia de entrada infinita con el símbolo y los principios siguientes.

Figura 3-1 En una realimentación negativa, la señal de entrada se suministra a la línea de entrada (+) y la señal de realimentación se suministra a la línea de entrada (-). En una realimentación positiva, la señal de entrada se suministra a la línea de entrada (-) y la señal de realimentación se suministra a la línea de entrada (+). En un rango abierto (sin ninguna realimentación), la ganancia del amplificador tiende al infinito.

∞=−−+

=)V()V(

VA outV

Debido a la alta polarización de entrada del amplificador, las corrientes de polarización son muy bajas y podemos asumir que tienden a cero. I(+) = I(-) = 0 El voltaje de salida es igual a la diferencia de los dos voltajes de entrada multiplicados infinitamente. La ganancia real no es infinita, pero es muy alta y puede encontrarse en la hoja de datos del amplificador operacional. Las corrientes de entrada son muy pequeñas y se pueden despreciar.

-

+

V1

V2 Vo

+V

-V

SES

98

Figura 3-2 Si V1 < V2, entonces Vo = +V. Si V1 > V2, entonces Vo = -V. De esta manera, podemos crear un sistema que compare entre dos valores o entre una señal y un cierto voltaje de referencia. Además del amplificador comparador, la mayoría de las aplicaciones del amplificador operacional incluyen realimentación negativa. Hay también algunos circuitos con realimentación positiva. En una aplicación con realimentación negativa, un componente (generalmente una resistencia) conecta la salida del amplificador con su entrada negativa (V-). El análisis del amplificador depende de sus características básicas - ganancia infinita e impedancia de entrada infinita. 3.1.2 El amplificador inversor

Figura 3-3 En este amplificador V+ = 0V. Debido a la realimentación negativa y a la ganancia infinita, V- = V+ = 0V. V- se llama "Tierra Virtual".

Vo

+V

-V

0 V2 – V1

Vo

Vi

R2

R1

+

- IR1

IR2

SES

99

Si V- es mayor que V+, entonces Vo se hace negativo y baja el voltaje a cero. Si V+ es mayor que V-, entonces Vo se hace positivo y sube el voltaje a cero. Debido a la resistencia de entrada infinita, las corrientes de entrada son iguales a cero y luego: IR1 = IR2 Porque V- = 0 entonces:

1

2

i

oV

1

io

21R22R2Ro

1

i1R

i1R

RR

VVA

RVV

RIRIV0VRVI

VV

−==

=

⋅−=⋅−=−=

=

=

3.1.3 Amplificador Logarítmico Al sustituir R2 por un componente de función especial cambia la reacción de la ganancia. El diodo tiene una curva exponencial de reacción, así que al sustituir R2 por un diodo crea un amplificador logarítmico como sigue:

Figura 3-4 La corriente del diodo depende del voltaje del diodo según la fórmula siguiente:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1

VVIIT

FO

Cuando el diodo conduce y VF > 0.2V el VF >> ηVT.

Vo

Vi R

+

-

SES

100

RVlnVV

IIlnVV

VVII

iTO

OTF

T

FO

η−=⇒

η=⇒

η=⇒

3.1.4 Cómo medir los parámetros del amplificador Para medir los parámetros del amplificador, lo conectamos con una fuente de voltaje alterna VS a través de una resistencia en serie RS y su salida a una resistencia de carga RL como sigue:

Figura 3-5 VL es realmente Vo. El valor absoluto de io es equivalente a iL que es igual a:

L

LL R

Vi =

Es equivalente a la corriente a través de RS:

S

RSi RVi =

Para calcular Ro medimos VL sin RL (Vo) y con RL (VL).

VS

RS IL

VL RL Vi

ii Ro

SES

101

Ro se determina conforme a la siguiente fórmula:

LL

Loo

LoL

Lo

LoLo

RVVVR

VRRVV

VRIV

⋅−

=

=⋅−

=⋅−

3.1.5 Preguntas 1) Diseñe un amplificador inversor con una impedancia de entrada de 5KΩ y una ganancia

de 2. 2) Mejore el amplificador anterior a un amplificador de ganancia variable de 1-10 usando

un potenciómetro. 3) Dibuje el circuito y explique qué clase de potenciómetro usted utilizó y ¿por qué?

SES

102

Procedimiento: Paso 1: Conecte el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red.

Amplificador Inversor: Paso 2: Implemente el circuito siguiente: Circuito para fuento de alimentacion unica: Paso 3: Conecte Vi a la fuente de voltaje variable, cambie el voltaje de entrada Vi, mida el

voltaje de salida Vo y llene la tabla siguiente.

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 Vi Vo AV

+12V

-12V

Vo

Vi

10K

4.7K

+

-

+12V

Vo

Vi

10K

4.7K

+

- +12V

1K

1K

SES

103

Paso 4: Trace sus resultados en el gráfico siguiente. Paso 5: Conecte el terminal Vi del amplificador operacional al terminal de salida OUT del

generador de función. Ajustar el generador de función a una onda sinusoidal de 1VP-P 1KHz.

Paso 6: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida del oscilador y la punta de

prueba CH2 a la salida del amplificador. Paso 7: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 8: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador?

Vo

Vi

t

VCH1

t

VCH2

SES

104

Paso 9: Implemente el circuito siguiente: Circuito para fuento de alimentacion unica: Paso 10: Medir los voltajes VC (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 11: Conectar un resistor 1K entre el colector del transistor y la tierra. Este resistor actúa

como RL. Medir VL. Paso 12: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme a tus mediciones al paragrofo 3.1.4. Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

+12V

-12V

Vo

VS

10K

4.7K

+

- 1K

RS

R2

Vi

+12V

Vo

+

- +12V

1K

1K

VS 4.7K 1K

RS R1 10K

R2

Vi

SES

105

Experimento 3.2 - Amplificador Seguidor y No Inversor Objetivos: • Construcción y medición de un amplificador comparador. • Construcción y medición de un amplificador no inversor. Equipo requerido: • Entrenador análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Resistors 1K, 4.7K, 10K Discusión: 3.2.1 Amplificador no inversor

Figura 3-6 En este amplificador, la señal es suministrada directamente a V+, de tal manera que la impedancia de entrada de este amplificador es muy alta. Debido a la realimentación negativa,

i1Ri VVVVV =⇒=+=−

Vi Vo

+

-

R1

R2

SES

106

Debido a que la corriente en la entrada inversora (-) es insignificante, entonces la corriente que fluye a través de R1, fluye a través de R2, así:

1

2

1

21

i

oV

1

21i21

1

1Ro

211Ro

RR1

RRR

VVA

R)RR(V)RR(

RVV

)RR(IV

+=+

==

+=+⋅=

+⋅=

La corriente en R2 depende de Vi pero no es afectada por la misma R2. Si R2 es nuestra carga, conseguimos un convertidor de corriente a voltaje para una carga virtual. 3.2.2 Amplificador seguidor (amplificador de unidad,

amplificador de almacenamiento intermedio)

Figura 3-7 Aquí también la señal se provee directamente a la entrada de V+, de modo que la impedancia de entrada de este amplificador sea muy alta. Debido a la realimentación negativa, V- = V+ = Vi. Debido a que V- está conectado a la salida del amplificador, obtenemos Vo = Vi, que significa AV = 1. Este amplificador se usa como amplificador de almacenamiento intermedio (buffer), lo que nos permite transferir una señal a cualquier carga sin afectar la fuente de señal.

Vi Vo

-

+

SES

107

En el entrenador análogo y digital TPS-3337, usamos esta clase de almacenador intermedio en la salida del potenciómetro más a la izquierda. Los terminales del potenciómetro están conectados con la fuente de alimentación y de esta manera, conseguimos una fuente de poder variable, que no es afectada por la carga conectada con ella.

Figura 3-8 3.2.3 Preguntas 1) Diseñe un amplificador no inversor con ganancia de 1.5. 2) Mejore el amplificador anterior por un amplificador de ganancia variable de 1-10

usando un potenciómetro. 3) Dibuje el circuito y explique qué tipo de potenciómetro usted usó y ¿por qué?

Vo -

+

+12V

SES

108

Procedimiento: Paso 1: Conecte el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red.

Amplificador no inversor: Paso 2: Implemente el circuito siguiente: Paso 3: Conecte Vi a la fuente de voltaje variable, cambie el voltaje de entrada Vi, mida el

voltaje de salida Vo y llene la tabla siguiente.

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 Vi Vo AV

Paso 4: Trace sus resultados en el gráfico siguiente. Paso 5: Conecte el terminal Vi del amplificador operacional al terminal de salida del generador

de función. Ajuste el generador de función a una onda sinusoidal de 10VP-P 1KHz. Paso 6: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida del oscilador y la punta de

prueba CH2 a la salida del amplificador. Ajuste los potenciómetros del oscilador hasta que usted forme ondas sinusoidales lisas en ambos canales.

Vo

Vi

Vi Vo

+

-

R1 10K

R2 4.7K

+12V

-12V

SES

109

Paso 7: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 8: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador? Paso 9: Suministre 6V a la entrada Vi. Paso 10: Mida el voltaje en R2 (4.7K) y calcule su corriente. Paso 11: Cambie R2 a 1K. Paso 12: Mida el voltaje en R2 y calcule su corriente. El cambio de valor de R2 ¿afecta a su corriente? Paso 13: Cambie el voltaje Vi a 3V. Paso 14: Mida el voltaje en R2 y calcule su corriente. Paso 15: Dibuje sus conclusiones. Paso 16: Implemente el circuito siguiente:

t

VCH1

t

VCH2

VS Vo

+

-

R1 10K

R2 4.7K

+12V

-12V

RS

1K

Vi

SES

110

Paso 17: Medir los voltajes VC (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 18: Conectar un resistor 1K entre el colector del transistor y la tierra. Este resistor actúa

como RL. Medir VL. Paso 19: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme a tus mediciones al paragrofo 3.1.4.

Amplificador seguidor: Paso 20: Implemente el circuito siguiente: Paso 21: Conecte Vi a la fuente de voltaje variable, cambie el voltaje de entrada Vi, mida el

voltaje de salida Vo y llene la tabla siguiente.

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 Vi Vo AV

Paso 22: Trace sus resultados en el gráfico siguiente. Paso 23: Conecte el terminal Vi del amplificador operacional al terminal de salida del generador

de función. Ajuste el generador de función a una onda sinusoidal de 1VP-P 1KHz. Paso 24: Conecte la punta CH1 del osciloscopio a la salida del oscilador y la punta CH2 a la

salida del amplificador.

Vo

Vi

+12V

-12V

Vi Vo

-

+

SES

111

Paso 25: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente: Paso 26: ¿Cuál es el desplazamiento de fase del amplificador? Paso 27: Implemente el circuito siguiente: Paso 28: Medir los voltajes VC (Vo), VRS y Vi. Haz la medicior de voltaje usando el multimetero en CA. Paso 29: Conectar un resistor 1K entre el colector del transistor y la tierra. Este resistor actúa

como RL. Medir VL. Paso 30: Calcular y anotar AV, AI, Ri, Ro conforme a tus mediciones al paragrofo 3.1.4.

Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos.

t

VCH1

t

VCH2

+12V

-12V

Vo -

+ VS RS

1K

Vi

SES

112

3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

SES

113

Experimento 3.3 - Amplificadores de Suma y Diferencia Objetivos: • Construcción y medición de un amplificador sumador. • Construcción y medición de un amplificador de diferencia. Equipo requerido: • Entrenador análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Resistors 2 x 1K, 4.7K, 2 x 10K, 100K Discusión: 3.3.1 Amplificador sumador Un amplificador sumador es de hecho un amplificador inversor con varias entradas de señal.

Figura 3-9 Debido a la realimentación negativa: V- = V+ =0V

R1 V1

Rf

V2

V3 Vo

-

+

R2

R3

SES

114

Debido a la alta impedancia de entrada:

ff RIV0VV ⋅−⇑=+=−

3

3

2

2

1

1321f R

VRV

RVIIII ++=++=

Por lo tanto:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=

3

f3

2

f2

1

f1o R

RVRRV

RRVV

Si: Rf = R1 = R2 = R3 Obtendremos: Vo = -(V1 + V2 + V3) 3.3.2 Amplificador de diferencia Un amplificador de diferencia es un amplificador con una señal de entrada para V+ y una señal de entrada V- como sigue:

Figura 3-10 El voltaje de salida se comporta según la ecuación siguiente:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+−

++

=42

42

31

31

2

42o RR

RVRR

RVRRRV

V1

R4

V2

Vo

-

+

R2

R1

R3

SES

115

Si: R1 = R2 = R3 = R4 Entonces obtendremos: Vo = V1 - V2 El amplificador de diferencia se usa también para rechazar una señal común. Un amplificador de una entrada amplifica la señal que el tiene en su entrada.

Figura 3-11 Si hay diferencia entre las tierras de los dos amplificadores, el amplificador A2 la amplificará como una señal de CC (a veces no podemos usar un capacitor de acoplamiento). Si un ruido eléctrico es inducido a la línea de señal, también será amplificado. El amplificador de diferencia soluciona estos dos problemas.

Figura 3-12 La señal común (el nivel de CC en el ruido) aparecerá en ambas líneas. El amplificador de diferencia amplifica la diferencia entre las líneas y rechaza la señal común.

A1 A2 Vi2

A1 Vi2

A2

SES

116

Procedimiento: Paso 1: Conecte el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red.

Amplificador Sumador: Paso 2: Implemente el circuito siguiente en el tablero principal de conexión. Circuito para fuento de alimentacion unica: Paso 3: Encienda la fuente de poder. Paso 4: Conecte V2 al terminal +12V. Paso 5: Conecte V1 a la fuente de voltaje variable. Paso 6: Cambie el voltaje de entrada V1 y mida el voltaje de salida Vo y llene la tabla siguiente.

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 V1 Vo

4.7K V1

10K

V2 Vo

-

+

100K +12V

-12V

4.7K V1

10K

V2 Vo

-

+

100K +12V

1K 1K

+12V

SES

117

Paso 7: Dibuje sus conclusiones. Paso 8: Conecte el terminal V1 del amplificador operacional al terminal de salida del generador

de función. Ajuste el generador de función a una señal sinusoidal de 3VP-P 1KHz. Paso 9: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida OUT del oscilador y la

punta de prueba CH2 a la salida del amplificador. Paso 10: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente:

Amplificador de diferencia: Paso 11: Implemente el circuito siguiente: Paso 12: Conecte V2 al terminal +12V. Paso 13: Conecte V1 a la fuente de voltaje variable.

V1

V2

-

+

10K

10K

4.7K

4.7K

t

VCH1

t

VCH2

SES

118

Paso 14: Cambie el voltaje de entrada V1 y mida el voltaje de salida Vo y llene la tabla siguiente.

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 V1 Vo

Paso 15: Dibuje sus conclusiones. Paso 16: Conecte el terminal V1 del amplificador operacional al terminar de salida del generador

de función. Ajuste el generador de función a una onda sinusoidal de 8VP-P 1KHz. Paso 17: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida del oscilador y la punta de

prueba CH2 a la salida del amplificador. Paso 18: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente:

Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

t

VCH1

t

VCH2

SES

119

Experimento 3.4 - Comparador y Comparador Schmitt Trigger Objetivos: • Construcción y medición de un amplificador comparador. • Construcción y medición de un amplificador comparador Schmitt Trigger. Equipo requerido: • Entrenador análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Resistors 2 x 1K, 4.7K, 10K Discusión: El amplificador operacional básico es un componente electrónico, que tiene dos entradas (inversora y no inversora) y una salida. Tiene una entrada diferenciada para facilitar la ejecución de una realimentación positiva o negativa. El amplificador operacional ideal es un amplificador con ganancia infinita y resistencia infinita de entrada, con el símbolo y los principios siguientes

Figura 3-13 En una realimentación negativa, la señal de entrada se suministra a la línea de entrada (+) y la señal de realimentación se suministra a la línea de entrada (-). En una realimentación positiva, la señal de entrada se suministra a la línea de entrada (-) y la señal de realimentación se suministra a la línea de entrada (+).

V1

V2 Vo

+V

-V

-

+

SES

120

En un rango abierto (sin ninguna realimentación), la ganancia del amplificador tiende al infinito.

∞=−−+

=)V()V(

VA outV

Debido a la alta polarización de entrada del amplificador, las corrientes de polarización son muy bajas y podemos asumir que tienden a cero. I(+) = I(-) = 0 El voltaje de salida es igual a la diferencia de los dos voltajes de entrada multiplicados infinitamente. La ganancia real no es infinita, pero es muy alta y se puede encontrar en la hoja de datos del amplificador operacional. Las corrientes de entrada son muy pequeñas y pueden ser despreciadas.

Figura 3-14 Si V1 < V2, entonces Vo = +V. Si V1 > V2, entonces Vo = -V. De esta manera, podemos crear un sistema que compare entre dos valores o entre una señal y una cierta referencia de voltaje. 3.4.1 Un comparador Schmitt trigger Cuando un voltaje de entrada del comparador es igual a la referencia, el voltaje de salida del comparador puede saltar y oscilar entre +V y –V. Podemos ver este problema cuando el voltaje de entrada cambia lentamente.

Vo

+V

-V

0 V2 – V1

SES

121

Para superar este problema, agregamos una regeneración positiva.

Figura 3-15 Cuando Vo = +V entonces:

21

2A RR

RVV+

+=

Cuando Vi excede ligeramente a VA, Vo cambia a –V y:

21

2A RR

RVV+

−=

Ahora Vi va debajo de un voltaje negativo para cambiar la salida del comparador. No tendremos ningún salto ni oscilaciones.

Vi Vo

-

+

R1

R2

SES

122

Procedimiento: Paso 1: Conecte el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red.

Amplificador Comparador: Paso 2: Implemente el circuito siguiente en el tablero principal de conexión. Circuito para fuento de alimentacion unica: Paso 3: Encienda la fuente de poder. Paso 4: Cambie el voltaje de entrada V1 y mida el voltaje de salida Vo y llene la tabla siguiente.

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No. 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 Vi Vo

Vi Vo

+

-

+12V

-12V

Vi Vo

+

-

+12V

1K

1K

+12V

SES

123

Paso 5: Trace sus resultados en el gráfico siguiente. Paso 6: Conecte el terminal V1 del amplificador operacional al terminal de salida del generador

de función. Ajuste el generador de función a una señal sinusoidal de 8VP-P 1KHz. Paso 7: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida del generador y la punta de

prueba CH2 a la salida del amplificador. Paso 8: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente:

Vo

Vi

t

VCH1

t

VCH2

SES

124

Comparador Schmitt Trigger: Paso 9: Implemente el circuito siguiente: Circuito para fuento de alimentacion unica: Paso 10: Conecte el terminal Vi del amplificador operacional al terminal de salida del generador

de función. Paso 11: Conecte la punta CH1 del osciloscopio a la salida OUT del generador y la punta CH2 a

la salida del amplificador.

Vi Vo

-

+

R1

R2

4.7K

10K

+12V

Vi Vo

-

+

R1

R2

4.7K

10K

4.7K

+12V

SES

125

Paso 12: Trace la figura del osciloscopio en el gráfico siguiente:

Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

t

VCH1

t

VCH2

SES

126

Experimento 3.5 - Amplificadores Integrador y Diferenciador Objetivos: • Construcción y medición de un amplificador integrador. • Construcción y medición de un amplificador diferenciador. Equipo requerido: • Entrenador análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Resistors 1K, 10K • Capacitors 2 x 0.1µ Discusión: 3.5.1 Amplificador integrador En un amplificador integrador el componente de la realimentación es un capacitor.

Figura 3-16 Debido a la realimentación negativa: V- = V+ = 0V

Vo

Vi

C

R

+

-

SES

127

Así: VR = Vi Por lo tanto:

RVi i

R =

Debido a la alta impedancia: iC = iR Por otro lado:

∫ ⋅−=−= dtiC1VV CCo

Por lo tanto:

∫ ⋅=

∫=

dtVR1V

dtRV

C1V

iC

o

io

El voltaje de salida es una integral del voltaje de entrada. Una señal de entrada de onda cuadrada creará una señal de salida de onda triangular. ¿Por qué? ¿Qué clase de señales de salida conseguiremos de una onda triangular y de una onda sinusoidal?

SES

128

3.5.2 Amplificador diferenciador En un amplificador diferenciador, el componente de realimentación es un resistor y el componente de entrada es un capacitor.

Figura 3-17 Debido a la realimentación negativa:

V- = V+ = 0V Así:

VC = Vi Debido a la alta impedancia:

iC = iR Por otro lado:

RiV ro ⋅−= Por lo tanto:

dtdviRCV

dtdviC

dtdvcCi

o

C

−=

==

El voltaje de salida es un diferencial del voltaje de entrada. Una señal de entrada de onda triangular creará una señal de salida de onda cuadrada. ¿Por qué? ¿Qué clase de señales de salida conseguiremos de una onda cuadrada y de una onda sinusoidal?

Vo

Vi

R

C

+

-

SES

129

Procedimiento: Paso 1: Conecte el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red.

Amplificador integrador: Paso 2: Implemente el circuito siguiente en el tablero principal de conexión. Paso 3: Encienda el entrenador. Paso 4: Conecte el terminal Vi de la salida de un generador de onda sinusoidal de 1KHz y 4VP-P. Paso 5: Conecte la punta CH1 del osciloscopio a la salida OUT del generador y la punta CH2 a

la salida del amplificador. Paso 6: Trace la figura del osciloscopio. Paso 7: Cambie la señal de entrada a onda triangular de 1KHz 1VP-P y trace las señales de

salida. Paso 8: Explique los resultados.

t

VCH1

t

VCH2

Vo

Vi

0.1µF

1K

+

-

+12V

-12V

SES

130

Amplificador diferenciador: Paso 9: Implemente el circuito siguiente: Paso 10: Conecte el terminal Vi de la salida de un generador de onda sinusoidal de 700Hz 8VP-P. Paso 11: Conecte la punta CH1 del osciloscopio a la salida OUT del generador y la punta CH2 a

la salida del amplificador. Paso 12: Trace la figura del osciloscopio. Paso 13: Cambie la señal de entrada a onda triangular de 3.5KHz 12VP-P y trace las señales de

salida. Paso 14: Explique los resultados.

t

VCH1

t

VCH2

+12V

-12V

Vo

Vi

1K

0.1µF

+

-

0.1µF 10K

SES

131

Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

SES

132

Experimento 3.6 - Osciladores Objetivos: • Un amplificador con realimentación positiva. • Construcción y medición de un oscilador de puente de Wein. • Construcción y medición de un oscilador de onda cuadrada. • Construcción y medición de un oscilador de onda triangular. Equipo requerido: • Entrenador análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Resistors 2 x 1K, 4.7K, 10K, 2 x 100K • Capacitors 2 x 0.1µF • Potentiometer 10K • Coils 2 x 47µHy Discusión: 3.6.1 Oscilador de puente de Wein Un Oscilador de Puente de Wein es un circuito especial, que incluye un amplificador con realimentación positiva. Un amplificador con realimentación positiva se ve como el que sigue:

Figura 3-18

Vi Vo

-

+

β

A

SES

133

β es el factor de realimentación, que indica qué parte de la salida retorna y se agrega a la entrada. La realimentación positiva conduce al amplificador a uno de sus puntos extremos (+V o –V). Hay un caso especial donde el voltaje de realimentación es la señal de entrada del amplificador.

Figura 3-19 En este amplificador: Vo = AβVo Hay tres casos: Aβ < 1. En este caso, el voltaje de salida se limitará a 0. Aβ > 1. En este caso, la salida será limitada a uno de los voltajes extremos. Aβ = 1. En este caso, el amplificador actúa como un oscilador. Un oscilador de puente de Wein es el amplificador siguiente:

Figura 3-20

Vo

β

A

R4

Z2 C2

Z1 C1

Vo

R3

+

-

R3

R1

SES

134

Si consideramos la entrada V+ como la entrada del amplificador, podemos tratar al amplificador como un amplificador no inversor:

4

34

4

3V R

RRRR1A +

=+=

La señal de realimentación es igual a:

21

2o

ZZZVV

+

⋅+

Por lo tanto:

21

2

ZZZ+

=β

Para que el amplificador oscile debemos tener:

1ZZRZ

RRRA

21

42

4

43 =+

+⋅

+=β

Αβ Puede ser descrito como sigue:

2

14

3

ZZ1

1RR1A

+⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=β

La condición oscilante se aplica solamente a una frecuencia específica. Para calcular esta frecuencia, es suficiente hallar la condición en que el desplazamiento de fase de

21ZZ es igual a cero.

2jwc1R

1jwc1R

ZZ

2

1

2

1

+=

En nuestro circuito: R3 = R1 = R C1 = C2 = C

SES

135

Obtendremos:

CR21fΠ

=

Compruebe esto. Calcule la frecuencia del oscilador según los valores de los componentes en los valores siguientes: R1 = 4.7KΩ R2 = 4.7KΩ R3 = 1KΩ R4 = 1KΩ C1 = 0.1µF C2 = 0.1µF 3.6.2 Un Oscilador de onda cuadrada El circuito siguiente es un generador de onda cuadrada.

Figura 3-21 Vo tiene sólo dos estados debido a la realimentación positiva - +V y –V del amplificador operacional. Cuando Vo = +V entonces:

21

2B RR

RVV+

+=

VA

C Vo

R

+

-

R2

R1

VB

SES

136

El capacitor C se carga y VA aumenta. Cuando VA excede ligeramente a VB, Vo cambia a –V y:

21

2B RR

RVV+

−=

Ahora, el capacitor C se carga y se descarga a un valor negativo. Cuando VA es más bajo que VB, Vo cambia a +V y viceversa. La siguiente es la onda de salida de la aplicación antes mencionada.

Figura 3-22 El capacitor C se carga exponencialmente según los valores de RC. 3.6.3 Oscilador de onda triangular Para conseguir una onda triangular necesitamos cargar el capacitor con una fuente de corriente. Para esto utilizamos un circuito integrador. El circuito siguiente es un generador de onda triangular.

Figura 3-23 VB tiene solamente dos estados debido a la realimentación positiva - +V y –V del amplificador operacional.

+V

-V

R3

R1

VA

Vo

C

+

-

R2

+

-

A1 A2 VB

SES

137

Cuando VB es igual a +V entonces el capacitor se carga en la dirección negativa de Vo (Vo será negativo). El proceso termina cuando VA = 0.

0VRRR)VV(V o21

2oA =+

+

−=

Después de extraer Vo, conseguiremos:

1

2o R

RVV ⋅=

Ahora el capacitor se carga a la otra dirección, hasta:

1

2o R

RVV ⋅=

Vo es el voltaje del capacitor. En un período de carga su cambio de voltaje es:

CRR4R

t1f

RCRR4t2T

RCRR2t

V

CRRV2R

VCVR

RVCV

ICVt

RRVV

RRV2V

32

1

1

32

1

32

1

23

3

3

1

2o

1

2

⋅⋅⋅==

⋅⋅⋅==

⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅

=⋅Δ⋅

=⋅Δ

=⋅Δ

=

⋅=

⋅=Δ

SES

138

Figura 3-24

t

Vo

VB

+V

-V

SES

139

Procedimiento: Paso 1: Conecte el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red.

Oscilador de puente de Wein: Paso 2: Implemente el circuito siguiente en el tablero principal de conexión. Use los valores siguientes: R1 = Potenciómetro de 10KΩ R2 = 4.7KΩ R3 = 1KΩ R4 = 1KΩ C1 = 0.1µF C2 = 0.1µF Paso 3: Encienda el entrenador. Paso 4: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida del oscilador. Paso 5: Ajuste el potenciómetro del oscilador hasta que usted forme ondas sinusoidales lisas a la

salida del oscilador. Paso 6: Mida la frecuencia de la señal. Compare el valor medido con el valor calculado.

R2

Z2 C2

Z1 C1

Vo

R1

+

-

R4

R3 -12V

+12V 2

3

8

4

1

SES

140

Oscilador de onda cuadrada: Paso 7: Implemente el circuito siguiente en el tablero principal de conexión. Use los valores siguientes: R1 = 100KΩ R2 = 4.7KΩ R3 = 100KΩ C = 0.1µF Paso 8: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida del oscilador. Paso 9: Mida la frecuencia de la señal. Compare el valor medido con el valor calculado. Paso 10: Conecte CH2 al VA. Observe la señal en ella.

VA

C Vo

R

+

-

R2

R1

VB

+12V

-12V

SES

141

Oscilador de onda triangular: Paso 11: Implemente el circuito siguiente en el tablero principal de conexión. Use los valores siguientes: R1 = 100KΩ R2 = 10KΩ R3 = 4.7K C = 0.1µF Paso 12: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la salida (Vo) del oscilador. Paso 13: Mida la frecuencia de la señal. Compare el valor medido con el valor calculado. Paso 14: Conecte CH2 al terminal VB. Observe la señal en ella.

Reporte del experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos de los

experimentos. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

+12V

-12V

47µH

R3

R1

Vo

C

+

-

+

-

A1 A2

VB

+12V

-12V

47µH

R2

SES

142

Experimento 3.7 – El Filtro Pasa Banda Objetivos: • Transmisión de señales en diferentes frecuencias a través de un filtro pasa banda. • Cálculo y medición del filtro de banda ancha. • Análisis espectral de la curva de respuesta. Equipo requrido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Resistors 100Ω, 1K, 4.7K • Capacitors 2 x 0.1µF Discusión: Un amplificador pasa banda es un amplificador de banda angosta que transfiere una gama dada de frecuencias. Requerimos tal amplificador para filtrar y recibir únicamente la onda portadora en la que estamos interesados. Filtrado usando el método de realimentación múltiple: Un método común para construir diversos tipos de filtros se basa en la realimentación múltiple. La figura 3-25 ilustra un circuito con dos realimentaciones:

Figura 3-25 Filtro de Realimentación Múltiple

+ - Vin

Vout V1

Y1

Y2

Y3

Y4 Y5

SES

143

Por la opción correcta de las admitancias Y1 a Y5, es posible obtener un filtro pasa bajo, un filtro pasa alto, un filtro de bloqueo de banda o un filtro pasa banda. El análisis del circuito se realiza según las admitancias y no a las impedancias, porque se utilizan capacitores y no inductores, y es más conveniente describir el comportamiento del circuito de acuerdo a la admitancia de los capacitores (jωC) y no a su impedancia (1/jωC). Si asumimos que el voltaje de entrada es sinusoidal con frecuencia ω obtenemos las relaciones siguientes entre los fasores Vin, Vout y V1. La suma de corrientes en el punto V1 is 0: Y1(Vin – V1) + Y4(Vout - V1) – Y2V1 – Y3V1 = 0 La entrada negativa (-) del amplificador constituye una tierra virtual; por lo tanto la corriente a través de Y3 pasa a Y5. Y3V1 = Y5Vout De las dos ecuaciones, obtenemos la relación:

)YYY(YYYYYY

VV

4321543

31

in

out

++++=

Cuando Y2 e Y5 son capacitores y el resto son resistores, obtenemos un filtro pasa bajo. Cuando Y2 e Y5 son resistores y el resto son capacitores, obtenemos un filtro pasa alto. Cuando Y3 e Y4 son capacitores, obtenemos un filtro pasa banda como se ilustra en la figura 3-26:

Figura 3-26 Filtro Pasa Banda La respuesta de este filtro a una señal sinusoidal es:

( )2155

43R1

R1

R1

R)CC(

432

13

in

out

jCCR/Cj

VV

++ω+ω−

ω−=

+

+

- Vin Vout

R1

R2 C3

C4

R5

SES

144

Esta formula también se puede escribir como sigue:

4352R1

1R1

43543

CCRCCRCC2

41

in

out

j

CR/jVV

++ +ω+ω−

ω−=

La forma general de tal ecuación es:

2oo

2o

in

out

jHj

VV

ω+αωω+ω−

αωω−=

La máxima amplificación se obtiene cuando la parte imaginaria de la ecuación es igual a 0.

]R1

R1[

CCC1

21543

2o +=ω⇒

Entonces:

]R1

R1[

RCC1

215430 +=ω

[ ] ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+==α

3

4

4

3

R1

R1

5 CC

CC

R1

Q1

21

43

34

21215

CC

CC

RRRRR

1Q+

=α

=

Si C3=C4, obtenemos:

21

215

RRRRR

21Q

+=

( )34

51

CC

RR 1

1H+

=

Esto es, si C3 = C4:

1

5

R2RH =

SES

145

La amplificación en la frecuencia central es (ω0): A0 = H Los dos puntos de media potencia denotan el ancho de banda Δf del filtro, y mantienen las relaciones:

π

ω=2

f 00

ffQ 0

Δ=

Qff 0=Δ

Si Q es 10 o menos, entonces f0 y Q no son tan sensibles a cambios en los valores del capacitor y del resistor. Preferimos ajustar un filtro usando pocos componentes y es mejor si estos son resistores. Planear un filtro en el método de realimentación múltiple: Cuando conocemos f0, Q y A0 (o H), tenemos que cerciorarnos que la ganancia del filtro en la frecuencia f0 sea por lo menos 100 veces más pequeña que la ganancia del amplificador operacional en lazo abierto. Esto asegura incluso que si la ganancia en lazo abierto cambia dos veces la ganancia en lazo cerrado cambia solamente en el 1%. Se eligen C3 y C4 de tal forma que sean idénticos y con un valor razonable. C3 = C4 = C Ahora podemos calcular los resistores de acuerdo a:

CQ2R0

5 ω=

)HQ2(2R

C)HQ2(QR 2

5

022 −

=ω−

=

H2R

CHQR 5

01 =

ω=

El resistor R5 determina el voltaje OFFSET en la salida. Debido a la corriente de POLARIZACION negativa de entrada, su valor está limitado por la conexión:

B

)out(OS5 IV

R <

SES

146

Si el resultado de R5 es muy grande, usted debe tomar un valor más grande para C y realizar nuevamente el cálculo. Sintonizar un filtro con componentes diferentes: Cambiar los componentes Y1 – Y5, puede cambiar las características del filtro tales como f0 y Q. Usualmente es muy difícil cambiar capacitores, así intentamos diseñar los filtros, para que los resistores determinen sus características. La situación ideal es alcanzar un estado en el cual un resistor determine f0, un resistor determine Q, y un resistor determine A0, etc. En el filtro, que se describe en la figura 2-2, podemos cambiar la frecuencia central f0 cambiando R5, R1, o R2. Como generalmente R1 > > R2, podemos utilizar R1 para la sintonía fina de la frecuencia y R2 para una sintonía más gruesa. El cambio de R1 y R2 en la misma medida (en porcentaje) nos permite cambiar f0 sin influenciar en Q. En este experimento, usamos un filtro que incluye los valores siguientes: R1 = 1KΩ R2 = 100Ω R5 = 4.7K C3 = 0.1µF C4 = 0.1µF

Figura 3-27 Filtro Pasa Banda Calcule la frecuencia central, el factor de calidad Q y el ancho de banda del filtro en el equipo. En este experimento, examinamos la curva de respuesta, el factor de calidad y el ancho de banda del filtro y los comparamos con los valores calculados.

+12V

So Si

C4

0.1µ

C3

0.1µ

R1

1K

R2 100

R5 4.7K

-12V

+

-

SES

147

Filtro Pasa Bajo: El filtro pasa bajo de primer grado se puede alcanzar por el circuito siguiente:

Figura 3-28 La frecuencia de corte es:

RC21fO π

=

El amplificador es un amplificador de ganancia 1 que se usa como una memoria intermedia entre el filtro y la carga. La reacción de frecuencia de este circuito es como sigue:

Figura 3-29

Filtro Pasa Alto: El filtro pasa alto de primer grado se puede obtener por el circuito siguiente:

Figura 3-30

Vo Vi

R

-

+

C

Vo

fo f

decadedb20

Vo Vi

-

+ C

R

SES

148

La frecuencia de corte es también:

RC21fO π

=

La reacción de frecuencia de este circuito es como sigue::

Figura 3-31

Vo

fo f

SES

149

Procedimiento: Paso 1: Conecte el equipo a la fuente de poder. Paso 2: Conecte la fuente de poder a la red y ENCIÉNDALA. Paso 3: Implemente el filtro pasa banda siguiente. Paso 4: Fije el interruptor High/Low a la posición LOW. Esta posición fija el rango de frecuencia del generador de función a 600Hz – 8KHz. Paso 5: Fije el interruptor Triangle/Sine a la posición Sine. Paso 6: Fije el interruptor Sweep/Const a la posición Const. Paso 7: Conecte la salida del generador de función (OUT) a la entrada del filtro pasa banda. Paso 8: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la entrada del filtro.

+12V

So Si

C4

0.1µ

C3

0.1µ

R1

1K

R2 100

+

-

R5 4.7K

-12V

SES

150

Paso 9: Conecte la punta CH2 del osciloscopio a la salida del filtro. Paso 10: Aumente la frecuencia en el generador hasta que obtenga una onda sinusoidal de

amplitud máxima a la salida del filtro.

Mida esta amplitud y regístrela. Registre también la amplitud del voltaje de entrada al filtro.

Paso 11: Registre la frecuencia de la señal en este estado. La frecuencia debe ser

aproximadamente 2.3KHz. Paso 12: Aumente la frecuencia hasta que usted reciba una señal con una amplitud de 0.7Vmax.

Cerciórese de que el voltaje de entrada permanezca sin cambio.

Registre la frecuencia de la señal recibida. Paso 13: Baje la frecuencia de modo que se aumente la intensidad de la señal en la salida y luego

disminuya hasta que obtengamos otra vez una amplitud de 0.7Vmax.

Cerciórese de que el voltaje de entrada permanezca sin cambio.

Registre la frecuencia de la señal recibida. Paso 14: Calcule y registre el ancho de banda del filtro. Paso 15: Calcule el factor de calidad del filtro:

ffQ 0

Δ=

Signal Generator

BPF

Sin Sout

CH1

CH2

Scope

SES

151

Paso 16: Complete la tabla siguiente: Vin = 2VP-P

F(KHz) 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 Voutp-p

Con cada medición , compruebe que la amplitud del voltaje de entrada permanence igual.

Paso 17: Dibuje la curva de respuesta del filtro. Paso 18: Marque las frecuencias de los puntos de potencia media en la curva de respuesta. Paso 19: Implemente un filtro pasa bajo siguiente. R= 1K C= 0.1µF Paso 20: Repita los pasos 7-18 con este filtro y registre la frecuencia de paso. Paso 21: Implemente un filtro pasa alto siguiente. R= 1K C= 0.1µF Paso 22: Repita los pasos 4-14 con este filtro y registre la frecuencia de paso.

Reporte del Experimento: 1) Recolecta todas las mediciones y los resultados de los experimentos. Sobre cada

resultado en la tabla escribe el nombre del experimento y dibuja el circuito del experimento.

2) Compara el valor medido con el valor escrito.

Vo Vi

R

-

+

C

Vo Vi

-

+ C

R

SES

152

Experimento 3.8 - Transmisor y Receptor Óptico Objetivos: • Implementación de un sistema de comunicación óptico. • Linealidad de un sistema de comunicación óptico. Equipo Requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Generador de señal • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • LM358 or 741 • Red LED and phototransistor • Infra red LED and Infra red photodiode • Resistors 2 x 1K, 4.7K, 2 x 10K Discusión: 3.8.1 Transmisor óptico El Entrenador Análogo incluye los componentes opto-electrónicos siguientes: LED rojo de 3mm contra foto-transistor de luz visible. LED infra rojo de 5mm contra foto diodo infra rojo Usaremos estos componentes para aplicaciones de transmisión y recepción ópticas. El LED es un diodo. Su símbolo es:

Figura 3-32 La corriente puede fluir a través del diodo solamente en una dirección - del ánodo al cátodo como en un diodo ordinario. La característica voltaje-corriente del LED es similar a la del diodo.

A

C

SES

153

Hay dos diferencias principales entre el LED y un diodo ordinario: a) El LED se basa en los elementos Ga (Galio) y As (Arsénico) y el diodo se basa en el

Germanio o el Silicio. b) El LED tiene un paquete transparente y cuando la corriente lo atraviesa, se enciende. El

color de la luz depende de sus impurezas. Los colores comunes del LED son rojo, Amarillo y verde. Hay también LED azul. Generalmente, la cubierta del LED tiene el mismo color de la luz del LED, para indicar el color del LED. Hay LED con luz invisible, que se llaman LED infrarrojos. Solamente los sensores de luz infrarrojos especiales pueden detectar la luz de estos LED. El análisis de los circuitos de LED es similar a los circuitos de diodo. Generalmente, porque utilizamos el LED como una pantalla o lámpara indicadora, agregamos un elemento de conmutación en el circuito. Este elemento interrumpe la corriente conducida por intervalos. La intensidad de luz del LED lineal depende de la corriente del LED. Por ejemplo, si duplicamos la corriente a través del LED, la intensidad de luz se duplicará. El valor común de la corriente del LED para la luz visible que está entre 2mA a 10mA, depende de las características del LED. La polarización directa del LED es más alta que el LED ordinario. Está entre 1V a 1.8V. Para transmitir en forma óptica señales análogas y digitales de una manera lineal, utilizamos un circuito de fuente de corriente como sigue:

Figura 3-33 El voltaje Vin aparece en la entrada no inversora. Debido a la realimentación negativa y la alta ganancia, el voltaje en la entrada no inversora es igual al voltaje de la salida.

-

+ Sin TL072

2

3

1

4

8

U38A

LED1

+12V

R1 5.1K

R2 91K

SES

154

El resultado es que el voltaje en R1 iguala el voltaje de la fuente y la corriente en este resistor es:

1

iR R

VI =

Debido a la alta impedancia de entrada del amplificador operacional, la corriente del LED iguala a la corriente que fluye a través de R1. Así, ID es también dependiente en una manera lineal del voltaje de salida.

1

iRD R

VII ==

El voltaje de salida recuerda e iguala el voltaje de entrada más el voltaje del LED que fluye en la corriente deseada. 3.8.2 Receptor óptico El receptor óptico se basa en un fototransistor. El fototransistor es un transistor NPN sin el pin de la base. En lugar de éste, el componente está en una envoltura plástica transparente, que permite que la luz alcance su base.

Figura 3-34 El circuito de conversión es simple. Todo lo que usted tiene que hacer es conectar un resistor (en conexión serie) con el componente. El voltaje, que caerá en el resistor de conversión, será la función de la luz que cae en el sensor.

N

N

P

C

E

SES

155

Podemos utilizar un potenciómetro para cambiar la sensibilidad del sistema. Mientras la resistencia a la conversión sea más pequeña, la sensibilidad del sistema será más pequeña.

Figura 3-35 Receptor Óptico El problema en este circuito es el cambio de la caída de voltaje en el fototransistor (entre el receptor y el emisor). Mientras la intensidad de luz es más fuerte, la corriente en el resistor es más grande y el voltaje se hace más grande, el voltaje de VCE se hace más pequeño y viceversa. Este comportamiento es similar al comportamiento del resistor en carga y descarga. Si la luz que llega, es una señal alterna, sobre puesta al componente de CC., entonces la componente de CC. afectará la ganancia del receptor óptico. Si comprobamos la respuesta óptica del receptor a la frecuencia, veremos que la ganancia cae mientras que la frecuencia crece. Para solucionar este problema, utilizamos un circuito, que se llama Trans Impedancia.

Figura 3-36

Sout

+12V

P6 Pot-100K

R581K

Q5 Photo NPN

-

+ Vo

P2

+12V

+12V

10K

2K

SES

156

La entrada no inversora consigue el voltaje de referencia de 10V. Debido a la realimentación negativa, este voltaje también aparece en la entrada no inversora. Esto determina un voltaje de 2V en el fototransistor independiente de la corriente que la atraviesa. El cambio de la luz, que cae en el fototransistor causa cambios en la corriente. Esta corriente atraviesa el potenciómetro de realimentación (debido a la polarización de entrada del amplificador operacional). El voltaje de salida cambia dependiendo de la luz y del potenciómetro. El potenciómetro determina la ganancia del sistema, pero no influye en la curva de respuesta del receptor.

SES

157

Procedimiento: Paso 1: Conecte el Entrenador Análogo a la fuente de poder. Paso 2: Conecte la fuente de poder a la red. Paso 3: Encienda el entrenador. Paso 4: Implemente el circuito siguiente con un LED rojo de 3mm. Paso 5: Conecte Vvar al LED (LED2). Paso 6: Cambie el voltaje de Vvar y observe los cambios de intensidad de la luz en el LED. El

LED es el LED1. Paso 7: Implemente el circuito siguiente con el fototransistor de luz visible. Paso 8: Cambie Vvar (Vin) y mida el voltaje de Vo con multimetro. Paso 9: Repita el proceso y llene la tabla siguiente:

Vin 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Vout

12V

Vvar

1K

Vout

+12V

R6610K

Q5 Photo NPN

SES

158

Comprobación lineal del sistema: Paso 10: Conecte el generador de señal del entrenador a la entrada del transmisor óptico. Paso 11: Fije el generador a una señal sinusoidal en frecuencia de 1KHz en la potencia máxima. Paso 12: Conecte la punta de prueba CH1 del osciloscopio a la entrada del transmisor óptico. Paso 13: Conecte la punta de prueba CH2 del osciloscopio a la salida del transmisor óptico. Paso 14: Dibuje las dos señales que usted consiguió en la pantalla del osciloscopio. Paso 15: Cambie la señal del generador a una onda triangular. Paso 16: Compruebe la linealidad del sistema de transmisión y recepción.

Comprobación del ancho de banda: Paso 17: Cambie la señal del generador a una señal sinusoidal. Paso 18: Cambie la frecuencia del generador y compruebe la intensidad de la señal a la salida del

receptor en frecuencias diferentes.

Después de cada cambio de frecuencia, compruebe que el voltaje de salida del generador se mantiene igual. Vmax es en frecuencia debajo.

Registre la frecuencia que Vo = 0.7Vmax f2 = ____ Hz Paso 19: Implemente una trans impedancia con un amplificador operacional como se describe en

el circuito siguiente.

-

+ Vi

10K

+12V

+12V

10K

4.7K

1K

+12V 1K

Vo

SES

159

Paso 20: Repita los pasos 10-18 con el receptor de trans impedancia. f2 = ____ Hz

Sistema de comunicación Infra Roja: Paso 21: Reemplace el LED rojo del transmisor óptico con el LED Infra Red (LED3). Paso 22: El sensor Infra Rojo es un foto diodo. Puede ser utilizado solamente en un amplificador

de trans impedancia. Implemente el circuito siguiente con el foto diodo. Paso 23: Repita los pasos 23-33 con el sistema de comunicación Infra Red. f2 = ____ Hz Reporte del Experimento: 1) Escriba el nombre de cada experimento y dibuje debajo el circuito electrónico. 2) Para cada circuito incluya las mediciones, los resultados y los gráficos del experimento. 3) Compare entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados medidos.

+12V

-

+ Vo

10K

+12V

+12V

10K

4.7K

Vi

+12V

1K

1K

IR

SES

160

Capítulo 4 - Amplificadores de potencia Experimento 4.1 - Amplificador de potencia de transistor Objetivos: • El amplificador de audio • Medición y cálculo de voltaje y ganancia de potencia. • Diversos amplificadores de potencia Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión • 2 x 2N2222 • BC307 • Resistors 2 x 10Ω, 2 x 100Ω, 2K, 10K, 100K • Capacitors 10µ, 220µ • Diode 1N914 Discusión: 4.1.1 Introducción Los amplificadores descritos en los capítulos 2 y 3 se denominan amplificadores de pequeña señal. En pequeña señal asumimos que el amplificador es lineal y que no tenemos problemas de potencia. Si se debe obtener una potencia de salida apreciable, se requiere de señales de entrada grandes al transistor. Las características dinámicas no son lineales para variaciones de voltaje tan amplias, por lo tanto, no se pueden utilizar métodos de análisis de circuito equivalentes. El amplificador de potencia generalmente es la última etapa del amplificador. Está impulsado por una señal de las etapas previas. Generalmente, estas etapas amplifican la variación total de voltaje. El amplificador de potencia se requiere para suministrar una variación total de voltaje grande y una variación de corriente grande en una carga de impedancia baja.

SES

161

El área operativa del transistor está limitada por 3 parámetros: ICmax - La corriente máxima momentánea IC. VCEmax - El voltaje máximo momentáneo VCE. Pcmax - La disipación de potencia máxima del transistor. Estos parámetros se pueden dibujar en la característica de salida del transistor de la siguiente manera:

Figura 4-1 La línea PCmax describe todo punto donde IC * VCE es equivalente a PCmax (que es constante). Esta es una función de hipérbola. Los amplificadores de potencia están clasificados de acuerdo a su punto operativo. Amplificador clase A - En estos amplificadores, el punto operativo del transistor se encuentra

en el centro de la línea operativa. Amplificador clase B - En estos amplificadores, el punto operativo del transistor se encuentra

en el área de corte. Amplificador clase AB - En estos amplificadores, el punto operativo es el área umbral lineal. El amplificador de potencia obtiene su energía de la fuente de poder (VCC ó VDD). Parte de la potencia es dirigida a la carga y otra parte se disipa en los transistores de potencia. El índice entre la potencia, que se transfiere a la carga y la potencia suministrada por la fuente de poder, describe la eficiencia del amplificador de potencia.

( ) 100 P P%

Source

Load ⋅=η

IC

VCE

ICmax

VCEmax

PCmax

SES

162

4.1.2 Amplificador de acoplamiento de Capacitor El acoplamiento de Capacitor es una forma para transferir una señal a una carga.

Figura 4-2 En el amplificador de potencia tratamos de obtener la variación total máxima posible de señal (corriente y voltaje). Por esto, utilizaremos el amplificador en modalidad de clase A, lo que significa que el punto operativo se encuentra en el centro de la línea operativa.

Figura 4-3 Esta es la línea operativa estática (sin afectar RL). Su gradiente es RC

CRVCC RVtgCCC

==α

VCC

R1

1

RC

Vi

R2

2

RL

IC

VCE VCC

Q

α CCCRV

2VCC

SES

163

Cuando añadimos RL, afecta la gradiente de la línea y las variaciones totales de señal. La gradiente (tgα) es RC || RL.

LC

2CCCCmaxCE RR

RV2VV

+

⋅+=

Figura 4-4 En amplificadores de potencia la resistencia de carga (generalmente la resistencia pico) es muy baja (4-8Ω) y obtendremos una variación total de voltaje muy pequeña. Este es un amplificador clase A. La potencia suministrada por la fuente de poder equivale al voltaje de la fuente de poder multiplicado por la corriente promedio.

C

2CC

C

CCCCCCCS R2

VR2VVIVP =⋅=⋅=

Si la línea AC se superpone a la línea DC, entonces:

C

2CCR2

V2V

maxmaxL

C

CCmax

CCmax

R8V

22IVP

R2VIc

2VV

CCCCC

=⋅

=⋅

=⇒

=

=

IC

VCE VCC

AC line

CCCRV

2VCC

IC DC line

SES

164

La eficiencia máxima del amplificador es:

%25100PP

C

2CC

C

2CC

R2V

R8V

S

L ==⋅=η

Esta es la eficiencia máxima que podemos obtener de un amplificador de acoplamiento de Capacitor. Generalmente es mucho menos que eso. 4.1.3 Amplificador de acoplamiento de transformador Utilizamos el transformador para incrementar la variación total de voltaje y para cambiar la gradiente de línea AX. El transformador adapta la impedancia de la bobina a la impedancia requerida para obtener variaciones totales máximas de voltaje y de corriente (gradiente de 45°)

Figura 4-5 El amplificador percibe una impedancia imaginaria R'L que equivale a:

1

1L I

VR =ʹ′

Las fórmulas de conversión de transformación son:

1

2

2

1

2

1

II

VV

NNn ===

2LL

2

2

2

nI2

1

1L

2211

21

nRR

nIVnV

IVR

IVIVPP

2

⋅=ʹ′

⋅=⋅

==ʹ′

⋅=⋅

=

R'L es mucho más alto que RL.

I1

V1 V21

N1 N2

I2

RL

SES

165

El amplificador de acoplamiento de transformador es de la siguiente manera:

Figura 4-6 En condición DC la resistencia de la bobina es muy pequeña (unos cuantos ohms). En condición AC la impedancia de la bobina es la impendacia R'L reflejada. Las líneas operativas son las siguientes:

Figura 4-7 En la condición DC el VCE se encuentra muy cerca de Vcc (la disminución de voltaje en la bobina es muy pequeña). Si R'L cambia, la línea operativa a 45°, el voltaje máximo VCE es 2Vcc. IC es determinado por el circuito de polarización.

BC II β=

VCC

R1

1

Vi

R2

2

N1 N2 RL

IC

VCE 2VCC

DC line

IC AC line

VCC

LRCCV2

CI2 ʹ′=

SES

166

La amplitud de corriente máxima es:

%50100IV

100PP

IcVP2IV

2IVP

VVII

CCC

2IV

S

L

CCS

CCCmaxmaxL

CCmax

CmaxC

CCC

=⋅⋅

=⋅=η

⋅=

⋅=

⋅=

=

=

⋅

Obtenemos 50% de eficiencia con variaciones totales máximas de voltaje y corriente. Si reducimos las variaciones totales, PL disminuye pero PS permanece igual. Ejemplo: ¿Cuál es el índice de transformación (n) requerido para un amplificador de 2W con PL=8Ω y Vcc=10V?

5.225.6n

25.6850

RRn

50m200

10IVR

mA200102

VPI

V10VW2P

L

L2

C

CCL

CC

SC

CC

S

==

==ʹ′

=

Ω===ʹ′

===

=

=

SES

167

Algunas veces utilizamos el acoplamiento con transformador también en la entrada del amplificador de la siguiente manera:

Figura 4-8 Vi’ aparece entre la base del transistor y VR2.

4.1.4 Distorsión armónica En el análisis de AC del amplificador, asumimos que bC ihfei ⋅= y en el análisis de DC, que IC = βIB. Esto es verdadero para señales pequeñas únicamente, pero no para señales grandes tales como las que tenemos en los amplificadores de potencia.

Figura 4-9

VCC

R1

1

R2

2

RL

Vi Vi'

IB

IC

SES

168

La relación real entre IB e IC es:

…+⋅β+⋅β+⋅β= 3B3

2B2B1C IIII

Los parámetros β se tornan más y más pequeñas. Podemos ignorar β3 y los demás. IB

2 crea una distorsión armónica. Suponer que ib es una onda cosenoidal

t2cosI21I

21i

2t2cos

21Ii

2t2cos1tcos

tcosIi

tcosIi

2B

2B

2b

2B

2b

2

22B

2b

Bb

ω+=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ω+=⇒

ω+=ω

ω=⇒

ω⋅=

La variable ib

2 crea un componente DC y una señal de doble frecuencia (2ω). Esta es la principal distorsión en un amplificador de gran señal. 4.1.5 Amplificador equilibrado Clase A Para resolver el problema armónico utilizamos dos transistores en configuración especial que se denomina Amplificador equilibrado. Este amplificador está basado en dos condiciones: Una condición es que en todo momento el transistor empuja la corriente a la carga y en el otro la atrae. La corriente iL equivale:

)ii(Ki 2C1CL −= La segunda condición es que las corrientes ib están invertidas (tienen cambio de fase de 180° entre ellas).

2b1b ii −=

SES

169

Verifiquemos si las dos condiciones existen en iL.

( ) ( )

( )

1B1L

2C1CL

21B21B11C

21B21B12C

21B21B12C

1B2B

22B22B12C

21B21B11C

IK2I

IIKI

III

III

III

IIIII

III

⋅β=⇒

−=

⋅β+⋅β=

⋅β+⋅β−=

−β+−β=⇒

−=

⋅β+⋅β=

⋅β+⋅β=

La distorsión armónica desaparece. El siguiente circuito es un amplificador equilibrado de acoplamiento de transformador clase A

Figura 4-10 Este amplificador está compuesto de dos amplificadores con acoplamiento de transformador (Q1 y Q2) que comparten los mismos resistores de polarización (R1 y R2). Debido al transformador de salida, existe la primera condición de amplificador equilibrado:

( )21L icicni −=

Vi RL VCC

iC1

iC2

ib2

ib1

R1

R2

Q2

Q1

SES

170

Debido al transformador de entrada, existe la segunda condición:

2b1b ii −= De esta forma no encontraremos distorsión armónica aún en señales grandes. La eficiencia máxima de este circuito es de 50%. 4.1.6 Amplificador equilibrado Clase B y clase AB El problema del amplificador clase A es que el consumo de potencia es constante y es muy alto. Si, por ejemplo, requerimos un amplificador 5W y utilizamos un amplificador con eficiencia máxima de 50%, entonces la fuente (buscar eficiencia) suministra 10W. En la variación total máxima de señal, la mitad de la potencia se desarrolla en la carga y la mitad se disipa en los transistores del amplificador. El problema se incrementa cuando no hay señal. Entonces toda la potencia de 10W se disipa en los transistores y debemos considerar esto. En un amplificador de potencia de un solo dispositivo, no podemos hacer nada. Este amplificador debería ser un amplificador clase A para poder tener variaciones totales máximas de señal. En un Amplificador equilibrado podemos cambiar el punto operativo al área de corte de la siguiente manera:

Figura 4-11 En condición DC las bases de los transistores están en corto circuito a tierra mediante las bobinas L1 y los transistores se encuentran en condición de corte.

Vi R2 VCC

iC1

iL2

ib2

ib1

Q2

Q1

L2 L1

SES

171

iC1 y iC2 están invertidos de manera que iC1 mostrará la parte positiva de la señal de entrada, e iC2 mostrará la parte negativa. iL está compuesta por las dos partes y mostrará la señal completa.

Figura 4-12 VCEmax de cada transistor es equivalente a VCC. La corriente de la fuente de poder es una corriente de posición de la siguiente manera:

Figura 4-13

t

iC1

t

iC2

t

iL

t

iL = n(iC1 - iC2)

Vi

iC

t

imax

SES

172

El valor promedio de dicha corriente es:

%5.78

1004

100100PP

I2VP

I2I

max

IV22IV

S

Lmax

maxCCS

maxav

maxCC

maxCC

=η

⋅Π

=⋅=⋅=η

Π⋅=

Π=

Π⋅

⋅

Esta es una eficiencia muy buena.

4.1.7 Distorsiones cruzadas y Amplificador clase AB Las señales de salida anteriores no son certeras. Debido a que los transistores se encuentran en condición de corte, toma cierto tiempo hasta que Vi pasa el voltaje umbral y comienzan a conducir. Las señales de salida reales son las siguientes:

Figura 4-14

Vi

t

iC1

t

iC2

t

iL

t

iL = n(iC1 - iC2)

SES

173

Estas distorsiones se denominan "Distorsiones cruzadas". Para sobrepasar este problema regresamos a los resistores de polarización pero los diseñamos de tal forma que la condición DC del transistor se encuentre en el umbral del área lineal (VBE=0.5V). Este amplificador se denomina amplificador equilibrado clase AB. 4.1.8 Un amplificador de simetría complementario La respuesta de frecuencia de los transformadores es muy mala para la frecuencia baja, y no es lineal. Tampoco podemos utilizarlos en circuitos integrados. Dicho amplificador equilibrado sin transformadores es el amplificador de simetría complementario. Para responder a condiciones de equilibrio utilizamos un transistor PNP y un transistor NPN con parámetros similares.

Figura 4-15 Para obtener variaciones totales de voltaje simétricas, la fuente de voltaje VS debe tener un nivel DC de manera que:

2VV CC

A =

Cuando VS aumenta, Q1 conduce y Q2 se encuentra en posición de corte y VA aumenta. Cuando Vs disminuye, Q2 conduce y Q1 se encuentra en posición de corte y VA disminuye. La variación total máxima de VA es entre Vcc y OV. El Capacitor C se utiliza como fuente de voltaje para RL. Transfiere la señal AC a RL. Su valor es muy alto (miles de µF). En condición DC el voltaje en C es 2

VCC .

VCC

A iL

ib2

ib1

~ Q2

Q1

C

VS

RL

SES

174

Los transistores están conectados en el circuito de seguidor de emisor. La ganancia es menos de 1. Amplifica únicamente la corriente. En la condición DC el voltaje VBE de los dos transistores se encuentra en posición de corte. Este es un amplificador clase B.

%391008

100100PP

IV2P

4IV

2IVP

2VV

maxCC

maxCC

max

IV24IV

S

Lmax

maxCCS

maxCCmaxmaxL

CCmax

=⋅Π

=⋅=⋅=η

Π

⋅=

⋅=

⋅=

=

Π⋅

⋅

4.1.9 Amplificador complementario verdadero Tal como se indicó, el amplificador es un amplificador seguidor de emisor con ganancia de voltaje menor de 1. Para poder obtener una ganancia de voltaje más alta de 1 y el nivel DC requerido, utilizamos un amplificador de colector común. El amplificador completo es de la siguiente manera.

Figura 4-16 Tal como se indicó anteriormente, VA debe ser 2

VCC en condición DC.

VCC

A

Q3

Q2

B

Vi

R6

R7

R3

R1

R2

R5

R4

SES

175

Añadimos R4 para poder fijar los transistores en la posición de conductancia para el amplificador clase AB. Si Vγ es el voltaje umbral VBE, entonces:

γ−≈γ−−= VVVVVV A7RAB

γ≈ V2V 4R (aproximadamente 1V). Este es un acoplamiento directo entre las dos etapas del amplificador. La primera etapa también determina el punto de operación de la segunda etapa. R1 y R2 son los resistores de polarización del amplificador. Están diseñados para fijar:

2VV CC

A =

Q2 y Q3 son amplificadores de corriente y Q1 es amplificador de voltaje. Las cargas de Q1 son R4 y R5. R6 y R7 son resistores de emisor diseñados para la estabilidad del punto operativo. Su valor es de aproximadamente 1-2Ω. Podemos renunciar a ellos. En lugar de R4 podemos utilizar un diodo o 2 diodos en serie para fijar el voltaje umbral del amplificador clase AB. Si ponemos en corto circuito R4, obtenemos un amplificador clase B. Los transistores del amplificador de potencia se calientan y sus parámetros cambian de acuerdo a la temperatura. Utilizar un diodo es mejor que utilizar un resistor debido a que los parámetros dependen de la temperatura de manera similar al comportamiento del transistor.

SES

176

4.1.10 Amplificadores de potencia monolíticos Para poder obtener una ganancia más alta, utilizamos transistores Darlington. Obtener transistores Darlington con ganancia de potencia alta, con parámetros similares es difícil. En lugar de transistores Darlington complementarios, utilizamos una configuración diferente, la cual se denomina amplificador cuasi complementario, de la siguiente manera:

Figura 4-17 Q2 y Q4 están en etapa Darlington con dos transistores NPN. Q3 y Q5 se encuentran en etapa cuasi Darlington, debido a que Q5 es transistor NPN y Q3 es transistor PNP. Si verificamos el comportamiento de etapa Q3 y Q5, podemos encontrar fácilmente que es similar al comportamiento Darlington y que:

1b

1

2b

2

ii

ii

≈

Esta es la última etapa de muchos amplificadores monolíticos. Podemos encontrar muchos y diversos amplificadores de potencia monolíticos de 1W a 40W y demás.

VCC

Q5

Q4

Vi

R2

R1

R3

Q1

Q2

Q3

SES

177

Un amplificador de potencia comprende cuando menos dos etapas. Una es un amplificador de voltaje, que amplifica la amplitud del voltaje de señal. La segunda etapa es un amplificador de corriente que generalmente no amplifica la amplitud de voltaje sino que amplifica la magnitud de corriente. La primera etapa se construye como amplificador de emisor común (transistor Q4) y la segunda etapa como amplificador equilibrado (seguidores de emisor Q5 y Q6). La clase de amplificador (A, B ó AB) se determina conforme a la configuración en la cual las bases del transistor estén conectadas.

SES

178

Procedimiento: Paso 1: Conectar el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Conectar la sonda de pantalla CH1 a la salida del generador de funciones. Paso 3: Fijar el generador de funciones en la onda senoidal de salida de 1000Hz. Paso 4: Conectar la salida del generador de funciones a la entrada del potenciómetro de

volumen con un alambre de conexión. Paso 5: Conectar la salida del potenciómetro de volumen a la entrada del amplificador de audio

con un alambre de conexión. Paso 6: Verificar que el selector de puente en el amplificador esté ubicado contra R52 (JP3) y

conectar la bobina a la salida del amplificador. Paso 7: Cambiar el potenciómetro de volumen y el volumen de sonido debe cambiar. Paso 8: Conectar la sonda de pantalla CH2 a la salida del amplificador. Se debe observar una onda senoidal. Paso 9: Fijar el selector de puente contra el resistor de 100 ohm, contra el diodo D2 y contra el

corto circuito. Observar las formas de señal. Explicar las diferencias entre estas conexiones y el tipo de amplificadores que

obtenemos.

SES

179

Paso 10: Conectar el resistor 10Ω a la salida del amplificar de audio en lugar del altavoz. Paso 11: Fijar el generador de funciones en la onda senoidal de 1000Hz 0.7VP-P. Paso 12: Medir el voltaje en el resistor 10Ω. Paso 13: Bajo la asunción de que la resistencia de entrada es 1000Ω, calcular la ganancia de

potencia del amplificador. Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

SES

180

Experimento 4.2 - Amplificador de audio monolítico Objetivos: • El amplificador de audio monolítico. • Medición y cálculo de ganancia de amplificador. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión Discusión: El amplificador de audio monolítico está basado en un circuito IC. En el TPS-3331 y en el TPS-3371 está basado en el LM386. Este es un amplificador de potencia con fuente de suministro de voltaje única.

SES

181

Procedimiento: Paso 1: Conectar el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Conectar la sonda de osciloscopio CH1 a la salida del generador de funciones. Paso 3: Fijar el generador de funciones en la onda senoidal de salida de 1000Hz. Paso 4: Conectar la salida del generador de funciones a la entrada del potenciómetro de

volumen con un alambre de conexión. Paso 5: Conectar la salida del potenciómetro de volumen a la entrada de amplificador de audio

con un alambre de conexión. Paso 6: Conectar el altavoz a la salida del amplificador de audio monolítico. Paso 7: Cambiar el potenciómetro de volumen y el volumen de sonido debe cambiar. Paso 8: Conectar el resistor de 10Ω al amplificador monolítico en lugar del altavoz. Paso 9: Conectar la sonda de pantalla CH2 al terminal del resistor.

Se debe observar una onda senoidal. Paso 10: Fijar el generador de funciones en la onda senoidal de 1000Hz 0.2VP-P. Paso 11: Medir el voltaje en el resistor de 10Ω. Paso 12: Bajo la asunción de que la resistencia de entrada es de 100KΩ, calcular la ganancia de

potencia del amplificador. Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

SES

182

Capítulo 5 - Fuentes de poder 5.1 Introducción El voltaje de la red de distribución es un voltaje AC (corriente altera) y es muy alto. El voltaje eficaz es de 220V ó 110V (depende del país) y la frecuencia es de 50Hz ó 60Hz acordemente. El voltaje de la red de distribución es AC debido a que se puede cambiar fácilmente (incrementar o disminuir) mediante un transformador. Las compañías de electricidad prefieren que la corriente en los cables conductores entre las ciudades sea lo más baja posible para poder reducir la pérdida de poder de los cables. El voltaje en estas líneas se eleva a miles de voltios mediante un transformador elevador. El voltaje se transforma a 220V (ó 110V), mediante un transformador reductor en cada calle o bloque de edificios. En los sistemas electrónicos requerimos una fuente de poder de bajo voltaje DC (corriente directa) El voltaje debe ser estable y que no cambie debido a cambios en la corriente de carga o el voltaje de entrada AC. La fuente de poder incluye cuatro componentes:

Figura 5-1 El transformador convierte el voltaje AC alto en voltaje AC bajo y viceversa. Está compuesto por cuando menos dos bobinas envueltas en el mismo núcleo magnético hecho de material ferromagnético (generalmente hierro). Una bobina está conectada a la fuente de voltaje AC y se denomina la bobina primaria. Los cambios de corriente en esta bobina, crean cambios en el flujo magnético en el núcleo magnético de la bobina, conforme a la ley de Faraday:

)t(VN1

std

11

=φ

V1 - El voltaje en la bobina primaria. N1 - El número de vueltas de la bobina primaria. Otra bobina está envuelta en esta bobina, la cual se denomina bobina secundaria. Esta percibe el flujo magnético del núcleo, creado por la corriente en la bobina primaria. Los cambios en este flujo inducen un voltaje en la bobina secundaria conforme a la siguiente fórmula:

stdN)t(V 22φ

=

Transformador Rectificador Filtro Regulador Voltaje red Vo

SES

183

V2 - El voltaje en la bobina secundaria. N2 - El número de vueltas de la bobina secundaria.

Debido a que en las dos bobinas y en las dos ecuaciones existe dt

dφ obtendremos:

nNN

VV

VN1NV

1

2

1

2

11

22

==⇒

=

n es la relación del número de vueltas entre las dos bobinas. El campo magnético H que se crea, depende del número de vueltas de la bobina, de la potencia de la corriente alterna y de la longitud de la líneas de integración, según la fórmula:

lNH i=

La línea de integración es la longitud promedio de las líneas de flujo magnético. Para disminuir esta línea, generalmente arrollamos, la bobina sobre el núcleo de hierro en la forma siguiente:

Figura 5-2 El núcleo de hierro hace que el flujo magnético fluya por el camino más corto posible (trayecto del núcleo). Recibiremos un campo magnético máximo, que creará un flujo magnético máximo de acuerdo con la fórmula:

lAN AH i ⋅µ=⋅µ=φ

φ - flujo magnético. A - área en corte del núcleo. µ - constante que depende de la calidad del núcleo. Una parte del flujo magnético se pierde y crea pérdidas en el paso de la bobina primaria a la bobina secundaria. Por lo tanto, cuanto mayor es el flujo la pérdida relativa es menor.

SES

184

Esta es la razón por la que aspiramos a aumentar el número de arrollamientos y el área del núcleo y disminuir la longitud del núcleo. La corriente se da de acuerdo al circuito eléctrico como veremos a continuación. Existe aquí una contradicción específica. Cuanto más aumentemos el número de vueltas, mayor será el tamaño y por lo tanto, tendremos que aumentar la longitud del núcleo. El aumento en el número de arrollamientos aumentará también los costos. Por otra razón, tampoco podemos aumentar el número de arrollamientos. El flujo magnético entra en un grado de saturación de iN ⋅ . El comportamiento ideal del flujo en el núcleo (sin el efecto de histéresis como se demostrará a continuación), se muestra en el siguiente gráfico:

Figura 5-3 Cuando el núcleo se satura, los cambios de corriente no crean cambios en el flujo magnético y se sobreentiende que no influyen en la bobina secundaria. Por lo tanto, se adecua el número de arrollamientos de tal manera que se cree un flujo magnético máximo, pero donde el núcleo no se sature por la corriente máxima que se ha diseñado para el transformador.

φ

N * i

SES

185

Otras pérdidas se dan como consecuencia de otro fenómeno. El núcleo tiene un fenómeno de magnetismo remanente, que se llama histéresis. El significado de este magnetismo remanente es que queda un flujo magnético después que la fuerza magnética que lo creó, desaparece.

Figura 5-4 Para poder cambiar la dirección del flujo magnético, hay que entregar una fuerza magnética en sentido contrario hasta que el flujo magnético se anule y entonces comienza a crecer el flujo magnético con el aumento de la fuerza magnética en sentido contrario. Otra fuerza magnética que entregamos, crea pérdidas de energía, llamadas pérdidas en el hierro. Cuanto más angosto es el magnetismo remanente (el residuo magnético es menor) menores serán las pérdidas en el hierro. Esta es la razón por la que el núcleo se hace de un hierro liviano, cuya característica es dejar un menor residuo magnético. Debido a la tensión regulada, en el núcleo queda un potencial de corriente eléctrica. Estas corrientes se llaman corrientes de drenaje. Para reducir la resistencia del núcleo a estas corrientes y para reducir estas corrientes y las pérdidas de energía que se crean por las pérdidas de corriente, se construye el núcleo del transformador a base de placas bañadas en barniz. Si el núcleo fuera construido de una sola pieza habría una resistencia eléctrica pequeña. Otras pérdidas de energía que existen en el transformador son las pérdidas en los cables de cobre, como consecuencia de la resistencia óhmica de estos. Estas pérdidas se llaman pérdidas en el cobre. Esta es la razón por la que cuando el transformador está hecho para corrientes más altas, los cables tienen que ser más gruesos para disminuir las pérdidas en el cobre. Este mismo principio se aplica para la bobina. A pesar de lo mencionado, es posible acercar en forma razonable las bobinas, de tal forma que las pérdidas de energía sean pequeñas en relación con la misma energía que pasa de la bobina primaria a la secundaria. El suministro entregado a la bobina primaria es aproximadamente igual al suministro recibido por la bobina secundaria.

φ

F

F = N1 * I1 – N2 * I2

SES

186

nNN

II

VV

IVIV

1

2

2

1

1

2

2211

===⇒

⋅=⋅

La relación entre las corrientes es opuesta a la relación entre los voltajes y la relación del número de vueltas. Si el transformador reduce el voltaje (V2 < V1, N2 < N1, n < 1), entonces la corriente secundaria es más alta que la corriente primaria por el índice de transformación. En este tipo de transformador, los cables secundarios son más anchos que los cables primarios. El transformador se dibuja esquemáticamente de la siguiente manera:

Figura 5-5 Las dos líneas entre las bobinas representan el núcleo de hierro. Cuando no existe carga en la bobina secundaria (vacío), entonces la corriente en la bobina primaria está desfasada.

1

11 ZVi =

De cualquier modo, aparece un voltaje en la bobina secundaria.

111

22 VnVNV ⋅=⋅

η=

Cuando conectamos una carga RL a la bobina secundaria, fluye una corriente en la bobina secundaria que es:

2

22 R

Vi =

N1 V1

i1 i2

V2 N2

SES

187

Y esto aumenta la corriente en la bobina primaria hasta el punto en que se pueda despreciar la corriente que se creó a partir del desfasaje en la bobina. En este caso:

221

21 iniNNi ⋅=⋅=

En las fuentes de poder, el transformador se usa para disminuir la tensión de la red a la tensión requerida. Cuanto mejor diseñado está el transformador, las pérdidas de energía son menores. Éstas pérdidas se manifiestan con el calentamiento del transformador. Un transformador sin pérdidas de energía no se calentaría en absoluto. Otros usos del transformador son: coordinaciones de desfase (como se muestra en el capítulo 4), unión y traspaso de señales entre rangos diferentes y al mismo tiempo aislar los componentes de CC. El fabricante indica los valores nominales del transformador. Estos valores generalmente son el índice de transformación y la corriente máxima secundaria. Por ejemplo: 220V / 12V 0.5A Se sobre entiende, que si conectamos a la bobina primaria otra tensión, recibiremos en el secundario una tensión V2 correspondiente. Por ejemplo, si conectamos a este transformador una tensión de 110V, recibiremos en su bobina secundaria una tensión de 6V. La corriente antes mencionada es la corriente máxima permitida en el secundario. La acción de la corriente en el secundario se fija por medio de un circuito eléctrico conectado a él. El transformador es un componente bidireccional. Si proveemos una tensión alterna a la bobina secundaria, recibiremos en la bobina primaria una alta tensión en la misma relación. Por ejemplo, si proveemos a la bobina secundaria del transformador con una tensión de 12V, recibiremos en la bobina primaria del transformador una tensión de 220V. Existen transformadores que incluyen más de una bobina secundaria. No necesariamente todos están hechos para la misma tensión secundaria. Por ejemplo:

Figura 5-6

220V / 2 x 12V 0.25A

SES

188

Convertidor de CC a CA: En los experimentos siguientes aprenderemos cómo convertir voltaje de CA en voltaje de CC. Utilizamos el transformador para reducir el voltaje de la red. A veces necesitamos convertir voltaje de CC. a voltaje de CA. Por ejemplo, cuando necesitamos proveer energía en casa desde las baterías, cuando hay una falla de energía. En este caso, utilizamos osciladores de 50Hz o 60Hz con amplificadores de potencia como etapa de salida para crear voltaje de CA. Alimentamos este voltaje a un transformador, cuya bobina primaria tiene menos vueltas que su bobina secundaria.

SES

189

Experimento 5.1 - Rectificadores de voltaje Objetivos: • Rectificador de media onda. • Rectificador de onda completa. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión Discusión: 5.1.1 Rectificador de media onda Un rectificador de diodo es el rectificador más simple.

Figura 5-7

V1 R2 V2

Vo

SES

190

El diodo conduce corriente únicamente cuando V2 > VD (V2 > 0.7V). Cuando V2 < VD ó V2 < 0, no hay corriente en el circuito secundario y Vo = 0V.

Figura 5-8 El voltaje en el diodo, cuando no conduce, es el voltaje de la bobina secundaria. Generalmente, es un voltaje negativo. El voltaje inverso máximo en el diodo es el voltaje máximo de V2. Tenemos que seleccionar un diodo, que soporte este voltaje. La desventaja de este rectificador es la alta ondulación de la señal de salida y su voltaje promedio bajo. El voltaje promedio es:

maxV1 V1Vπ

=

Debemos recordar que el voltaje de red de distribución indicado y los voltajes del transformador son voltajes efectivos.

Veff2V

V21Veff

max

max

⋅=

=

Por ejemplo, el voltaje de salida máximo de un transformador 12V es 16.9V. Debemos sustraer el voltaje de diodo (0.7 - 1V) para poder calcular el voltaje máximo de salida del rectificador.

V2

Vo

t

t

SES

191

5.1.2 Rectificador de onda completa con transformador de derivación central

Una manera de obtener un rectificador de onda completa es utilizando un transformador con dos bobinas de la siguiente manera:

Figura 5-9 El voltaje VA es equivalente y contrario al voltaje AB. Cuando Vi es positivo, VA es positivo y AB es negativo – el diodo D1 conduce y el diodo D2 se corta. Cuando Vi es negativo, VA es negativo, y AB es positivo - el diodo D2 conduce y el diodo D1 se corta. En estos dos casos, el voltaje en R2 es positivo de la siguiente manera:

Figura 5-10 El voltaje de salida máximo es el voltaje máximo de la bobina secundaria menos el voltaje de diodo. El máximo voltaje inverso de diodo es maxV2 ⋅ . Verificar esto.

Vi

VRL

t

t

A

Vi

B D2

R2

D1

SES

192

La ondulación de la señal de salida es más baja y el valor promedio es dos veces más alto que el rectificador de media onda.

maxav V2Vπ

=

5.1.3 Rectificador de onda completa con puente de diodos El rectificador puente de diodos es un arreglo de 4 diodos, que permite la rectificación de onda completa con un solo transformador de bobina secundaria. El circuito es de la siguiente manera:

Figura 5-11 En la parte positiva de Vi - VA es positivo y VB negativo. La corriente fluye de A a B a través de D1, RL y D3. D2 bloquea la corriente que fluye directamente de A a B a través de D1. En la parte negativa de Vi – VB es positivo y VA negativo. La corriente fluye de B a A a través de D2, RL (la misma dirección que anteriormente) y D4. D1 bloquea la corriente que fluye directamente de B a A a través de D2. Obtenemos una onda similar a la de la sección 5.3.2 con una diferencia. El voltaje máximo de salida es el voltaje máximo V2 menos DV2 ⋅ . Se puede implementar un puente de diodos mediante 4 diodos o mediante un componente sencillo de 4 pines. El terminal + está indicado por el punto.

Vi R2

A

D2

D1

B

D3

D4

+

-

SES

193

Procedimiento: Paso 1: Conectar el entrenador análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Implementar el siguiente circuito en el Entrenador Análogo. Paso 3: Utilizar la fuente de poder Vvar (±12V) como fuente de poder AC. Paso 4: Cambiar Vvar y llenar la siguiente tabla:

t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VS -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VO

Paso 5: Utilizar el generador de funciones del entrenador como fuente de poder AC. Ajustar la amplitud máxima y la frecuencia mínima. Paso 6: Conectar la punta CH1 del osciloscopio a VS y la punta CH2 a los puntos Vo.

VS R 1K

D1 Vo

~

SES

194

Paso 7: Trazar los resultados en los siguientes gráficos. Paso 8: Implementar el siguiente circuito en el Entrenador Análogo. Paso 9: Utilizar la fuente de poder Vvar (±12V) como fuente de poder AC. Paso 10: Cambiar Vvar y llenar la siguiente tabla:

t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VS -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VO Paso 11: Utilizar el generador de funciones del entrenador como fuente de poder AC. Ajustar la amplitud máxima y la frecuencia mínima. Paso 12: Conectar la punta CH1 del osciloscopio a VS y la punta CH2 a los puntos Vo.

VS

t

Vo

t

VS R 1K

D1 Vo

~

SES

195

Paso 13: Trazar los resultados en los siguientes gráficos. Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

VS

t

Vo

t

SES

196

Experimento 5.2 - Filtros de voltaje Objetivos: • Filtros de voltaje con Capacitor. • Cálculos de capacitancia Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión Discusión: El voltaje de salida del transformador es voltaje AC. En sistemas electrónicos, necesitamos un voltaje directo fijo. El diodo se utiliza como rectificador. La señal de salida del rectificador es una onda positiva pero con ondulación muy alta, que cambia de 0V a Vmax. Utilizamos un filtro para obtener un voltaje promedio más alto y una ondulación baja. Generalmente el filtro está compuesto por un solo Capacitor.

Figura 5-12

Vi

RL

C V2 Rectifier

Vo

SES

197

Figura 5-13 Cuando el rectificador conduce, el Capacitor está cargado conforme a V2 hasta Vmax. Cuando V2 disminuye, el rectificador no puede descargar el Capacitor ya que solamente conduce en una dirección. El Capacitor se descarga conforme al consumo de corriente de la carga RL. Se descarga hasta que el voltaje de salida del rectificador es más alto que el voltaje del Capacitor. Cuando la I2 es más alta, el ΔV es más grande, la descarga es más lenta y la onda es más baja (ΔV más pequeño). El cálculo del Capacitor requerido se realiza conforme a la corriente promedio de carga y al ΔV requerido. Podemos asumir carga y descarga lineal a la vez, de la siguiente manera:

Figura 5-14

F21T

21t ==

La corriente promedio de carga se denomina IDC.

With No filter

With filter Vo

Vo

ΔV

V T

t

t

ΔV

SES

198

El cambio en el cambio de Capacitor es:

F2IT

21ItIV DC

DCDC =⋅=⋅=Δ

FC2I

CQV DC=

Δ=Δ

VF2IC DC

Δ∗=

Ejercicio: Diseñar una fuente de poder, que indique un transformador, un puente de diodos y un Capacitor sin filtro para un voltaje de salida de 14 ± 1.5V con una corriente de carga de 0.5A. El voltaje de la red de distribución es 220V/50Hz. Solución: El voltaje máximo de salida es 15.5V. El voltaje máximo en el secundario del transformador es: V2max – V0max +2VD = 15.5 + 1.4 = 16.9V El voltaje efectivo secundario debe ser:

V122

VVeff max ==

El valor nominal del transformador requerido es: 220V / 12V 0.5A F = 50Hz ΔV = 3V

F16663005.0

35025.0

VF2IC DC µ==

⋅⋅=

Δ=

Seleccionaremos un Capacitor de 2000µF.

SES

199

Tenemos cuatro opciones para reducir la ondulación del voltaje de salida: a) Incrementar la capacitancia del Capacitor. b) Añadir un filtro RC.

Figura 5-15

Este filtro reduce la ondulación, pero debemos considerar la disminución del voltaje en la resistencia.

c) Utilizar un filtro LC.

Figura 5-16

Este es un filtro menor con disminución de voltaje mínimo. El problema es utilizar una bobina adecuada para la corriente de carga.

d) Utilizar un regulador de voltaje.

Este es el método aceptado y se describe en la siguiente sección.

R

Vo Vi C2 C1

C

L

Vi

SES

200

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Implementar el siguiente circuito en el Entrenador Análogo. Paso 3: Utilizar el generador de funciones del entrenador como fuente de poder AC. Ajustar la amplitud máxima y la frecuencia mínima. Paso 4: Conectar la punta CH1 del osciloscopio a VS y la punta CH2 a los puntos Vo. Paso 5: Trazar los resultados en los siguientes gráficos. Paso 6: Medir ΔV. Paso 7: Reemplazar el Capacitor con un Capacitor de 100µF.

VS

t

Vo

t

VS R 1K

D1 Vo

~ + C

0.1µF

SES

201

Paso 8: Medir ΔV. Paso 9: Implementar el siguiente circuito en el Entrenador Análogo. Paso 10: Utilizar el generador de funciones del entrenador como fuente de poder AC. Ajustar la amplitud máxima y la frecuencia mínima. Paso 11: Conectar la punta CH1 del osciloscopio a VS y la punta CH2 a los puntos Vo. Paso 12: Trazar los resultados en los siguientes gráficos. Paso 13: Medir ΔV. Paso 14: Reemplazar el Capacitor con un Capacitor de 100µF. Paso 15: Medir ΔV.

VS R 1K

D1 Vo

~ + C

0.1µF

VS

t

Vo

t

SES

202

Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

SES

203

Experimento 5.3 - Reguladores de voltaje lineales Objetivos: • Fuentes de poder. • Mediciones en reguladores de voltaje lineales. • Diversos reguladores de voltaje monolíticos. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión Discusión: El propósito de un regulador es el de suministrar un voltaje directo fijo, que no depende de cambios en su voltaje de entrada o en el consumo de corriente. Los parámetros importantes del regulador son: a) El coeficiente de corriente de carga de regulación, el cual se denomina resistencia de

salida:

L

Out0 I

VRΔ

Δ=

b) El coeficiente de voltaje de entrada de regulación:

In

OutV V

VSΔΔ

=

Todos los reguladores tienen un voltaje de entrada mínimo, que es necesario, para mantener el voltaje de salida requerido.

SES

204

5.3.1 Regulación de diodo Zener El diodo Zener es el componente básico en los circuitos de regulación. El diodo Zener es un diodo para operar en su voltaje de ruptura invertido. Hay muchos diodos Zener con diversos voltaje de rupturas. El voltaje de ruptura Zener se denomina VZ. El símbolo del diodo Zener es:

Figura 5-17 La característica Zener es de la siguiente manera:

Figura 5-18 En polarización negativa frontal, el diodo Zener actúa como un diodo ordinario. En voltaje de polarización inversa por encima del voltaje Zener, la ruptura del diodo y cambios en su corriente prácticamente no afectan el voltaje Zener. La gradiente de la línea de área Zener determina la resistencia dinámica Zener Rd.

A K

VZ V

I

SES

205

El siguiente circuito es un circuito de regulación Zener.

Figura 5-19 Asumiendo Vi > VZ y también VRL > VZ (si no hay diodo Zener) entonces Vo = VZ . La R acepta la diferencia de voltaje entre Vi y VZ. Aún si Vi cambia, el voltaje en RL es fijo e igual a VZ. Cada diodo Zener tiene un valor nominal de disipación de potencia máxima. Este valor nominal determina la corriente máxima Zener. Tratamos de operar el Zener a 10-20% de su corriente máxima. De esta forma, el diodo se encontrará en la parte lineal del rango de ruptura y con una potencia menor que la potencia nominal máxima. Ejercicio: Diseñar un circuito Zener de la siguiente manera: Vi = 12 ± 2V VZ = 6V Pzmax = 3W RL = 1000Ω Rd = 5Ω Calculemos R y ΔVL.

A006.010006

RVI

A05.0I1.0I

A5.063

VPI

L

z2

maxzz

z

maxzmaxz

===

=⋅=

===

IR = Iz + IL = 0.05 + 0.006 = 0.056A

R

Zin

IVVR −

=

VZ RL Vi

R

Vo

SES

206

Para determinar el valor de R utilizamos el valor mínimo de Vi, para no salir del rango Zener.

Ω=−

= 71056.0610R

V26.057154

RRRVVVd

diLO =

+⋅

=+

⋅Δ=Δ=Δ

065.0426.0

VVSi

OV ==

Δ

Δ=

d

d

i

OV RR

RVVS

+=

Δ

Δ=

Si duplicamos la corriente de carga (RL = 500Ω), obtendremos:

A012.05006IL ==

RVVI Zi

R−

=

IR es constante, por lo tanto IZ se reducirá por 0.006A. Vo se cambiará conforme al ΔVZ.

dO

L

OIO

ddZO

RR

506.003.0

IVSR

V03.05006.0RIVV

=

⇓

Ω==Δ

Δ==

=⋅=⋅Δ=Δ=Δ

SES

207

5.3.2 Diodo Zener con amplificador de corriente Regulamos el voltaje con diodo Zener para consumidores que no consumen mucha corriente. Lo utilizamos principalmente como referencia de voltaje. Podemos mejorar el circuito Zener para suministrar corriente alta con cambios pequeños en la corriente Zener. Lo logramos añadiendo un transistor en serie de la siguiente manera:

Figura 5-20 La corriente de carga que el Zener percibe es IB.

1II L

B +β=

Debido a que IB es mucho más pequeño que IL, podemos determinar una R más grande. Lo que mejora SV:

d

dV RR

RS+

=

Los cambios en IZ también son más pequeños por β+1, que los cambios en IL por lo tanto:

1RR d

O +β=

5.3.3 Regulador de voltaje monolítico Cuando requerimos un voltaje regulado fijo, utilizamos un regulador monolítico. Este es un circuito integrado, que incluye el circuito regulado, el amplificador de corriente y el limitador de corriente. Algunas veces también cuenta con protección terminal. Los reguladores de voltaje más populares son los de serie 78XX. Los últimos dos dígitos indican el voltaje del regulador. Por ejemplo, 7805 es un regulador para 5V. 7812 es un regulador para 12V y así sucesivamente.

Vi = V ± ΔV

IL

IR

RL

IB

SES

208

Una serie paralela es la serie 79XX, utilizada para la regulación de voltaje negativo. El circuito de regulación es de la siguiente manera:

Figura 5-21 C1 es el Capacitor del filtro. Lo determinamos conforme a Vi e IL. Debemos cuidar que Vimin no caiga por debajo de 7V en cualquier momento. Añadimos otro Capacitor C2 a la salida del regulador para prevenir que los cambios de corriente de consumo rápidos afecten el voltaje de salida antes de que el regulador reaccione. A pesar de que el regulador esté diseñado para suministrar 5V regulados, lo podemos utilizar para crear cualquier voltaje regulado más alto. Añadiendo un divisor de voltaje en la salida, de la siguiente manera, se logra esto:

Figura 5-22 Un voltaje de 5V se desarrolla en R2. La corriente en R2 fluye través de R1 e incrementa el voltaje de salida. Al calcular el voltaje de salida, debemos considerar el flujo de corriente a través de R1 desde el regulador.

C1

V1

C2

7805 V2

C2 R1

+Vo +

C1

R2

7805

Vi

SES

209

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Implementar el siguiente circuito. Paso 3: Conectar Vi a la salida Vvar. Paso 4: Cambiar Vvar y llenar la siguiente tabla:

T 1 2 3 4 Vi 7 8 9 10 Vo ΔVo SV

Paso 5: Calcular ΔVo para cada caso. ΔVo(t) = Vo(t + 1) – Vo(t) Paso 6: Calcular el coeficiente de voltaje de entrada de regulación para cada caso:

In

OV V

VSΔ

Δ=

Paso 7: Sacar las conclusiones, con qué Vin tenemos el SV más pequeño. Paso 8: Ajustar Vi a 10V. Paso 9: Conectar RL registro de carga de 1KΩ (R45) a Vo.

VZ

R2 Vo Vi 1KΩ

VZ

Vo Vi R2

1KΩ

RL 10K

SES

210

Paso 10: Medir Vo y Calcular IL. Paso 11: Cambiar RL a 100Ω. Paso 12: Medir Vo y Calcular IL. Paso 13: Calcular el coeficiente de corriente de carga:

L

OO I

VRΔ

Δ=

Paso 14: Implementar el siguiente circuito. Paso 15: Ajustar Vi a 10V. Paso 16: Conectar RL registro de carga de 1KΩ a Vo. Paso 17: Medir Vo y Calcular IL. Paso 18: Cambiar RL a 100Ω. Paso 19: Medir Vo y Calcular IL. Paso 20: Calcular el coeficiente de corriente de carga:

L

OO I

VRΔ

Δ=

Paso 21: Implementar el siguiente circuito.

Vi Vo 7805

Vi = V ± ΔV

IL

IR RL 10K

IB R2

1K

SES

211

Paso 22: Cambiar Vvar y llenar la siguiente tabla:

T 1 2 3 4 Vi 7 8 9 10 Vo ΔVo SV

Paso 23: Calcular ΔVo para cada caso. ΔVo(t) = Vo(t + 1) – Vo(t) Paso 24: Calcular el coeficiente de voltaje de entrada de regulación para cada caso:

In

OV V

VSΔ

Δ=

Paso 25: Sacar conclusiones, con qué Vi tenemos el SV más pequeño. Paso 26: Ajustar Vi a 10V. Paso 27: Conectar RL registro de carga de 1KΩ a Vo. Paso 28: Medir Vo y Calcular IL. Paso 29: Cambiar RL a 100Ω. Paso 30: Medir Vo y Calcular IL. Paso 31: Calcular el coeficiente de corriente de carga:

L

OO I

VRΔ

Δ=

Paso 32: Implementar el siguiente circuito. Paso 33: Medir Vo, VR1 y VR2.

VS

Vo

~

7805

R2 100

R1 1K

SES

212

Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

SES

213

Experimento 5.4 - Regulador Conmutante Paso-Bajo Objetivos: • Fuentes de poder alternas. • Mediciones en reguladores de voltaje paso abajo. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión Discusión: El regulador lineal es muy fácil de utilizar e implementar. Su desventaja yace en el consumo de potencia. Este regulador está conectado en serie con la carga y disipa el complemento de potencia que no llegue a la carga. Supongamos que utilizamos un regulador de 5V y nuestro voltaje de entrada es de 12V (como en el entrenador).

Figura 5-23 El voltaje de carga es de 5V a manera que el voltaje que cae en el regulador es de 7V. Si la corriente de carga es 0.5A, entonces la potencia de carga es de 2.5W y la disipación de potencia del regulador es de 3.5W. Debido a la fluctuación de voltaje de entrada, tenemos que utilizar un voltaje de entrada de nivel DC alto.

12V RL

7805

SES

214

Un regulador conmutante opera de forma completamente diferente. Esta basado en un Capacitor de reserva grande y una bobina inductora de carga.

Figura 5-24 El regulador incluye un circuito comparador que compara el voltaje de salida con el voltaje requerido. Si el voltaje de salida es más bajo que el voltaje requerido, entonces el regulador carga el Capacitor a través de la bobina L, con pulsos de corriente. En cada pausa de pulsación, la bobina mantiene la corriente (conforme a la ley de Lenz) a través de un diodo Schottky conectado al mismo. Este tipo de carga nos permite suministrar al regulador voltajes de entrada diferentes, incluso algunos muy altos. El regulador disipa muy poca potencia. En el Entrenador Análogo utilizamos el regulador 34166. El circuito es para un regulador paso abajo y uno paso arriba, descrito posteriormente.

S

+

R

+ -

Vin

+ Cin

ILimit

+ C0

Vo R1 +

-

+ -

Reference

Comparator

+

CF

Thermal

+ -

Oscillator

+

L

PWM

R2

SES

215

El cambio de función lo realizan los alambres de conexión.

Figura 5-25 R1 y R2 determinan la parte de Vo que alcanza la entrada de retroalimentación (FDBK). Al cambiarlos, cambia el voltaje Vo.

SW4

SW5

SW6

SES

216

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Colocar un alambre de conexión en SW4. Paso 3: Mover a la derecha el interruptor SW6.

R1 = 6.8KΩ R2 = 47KΩ

Paso 4: Medir el voltaje de salida. Debe ser 5.77V. Paso 5: Medir los voltajes de R1 y de R2. Paso 6: Explicar porqué y cómo afectan los resistores el voltaje de salida. Paso 7: Conectar la sonda de osciloscopio CH1 a la salida SWOUT del regulador. Paso 8: Conectar el resistor de carga de 100Ω a la salida del regulador.

¿Cómo afecta el resistor a los pulsos del regulador? Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

SW4

SW5

SW6

SES

217

Experimento 5.5 - Regulador Conmutante Paso-Arriba Objetivos:

• Mediciones en reguladores de voltaje conmutantes paso-arriba.

Equipo requerido:

• Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión

Discusión: Con reguladores conmutantes podemos crear un voltaje de salida que sea más alto que el voltaje de entrada. El principio combina los reguladores paso abajo e invertidor.

Figura 5-26

S

+

R

+ -

Vin

+ Cin

ILimit

+ C0

Vo + -

+ -

Reference

Comparator

+

CF

Thermal

+ -

Oscillator

+

L PWM

R2

R1

SES

218

El regulador paso arriba incluye un transistor conmutante. En el estado de pulsación de carga, el transistor conecta la bobina a tierra e impulsa corriente a través de ella. En el estado de "pausa", la bobina está desconectada de tierra y la corriente fluye al Capacitor y lo carga con voltaje positivo. La carga del Capacitor no depende del voltaje de entrada, incluso si es un voltaje más bajo, debido al diodo schottky entre el Capacitor y la bobina.

SES

219

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Paso 2: Colocar un alambre de conexión en SW5. Paso 3: Mover a la izquierda el interruptor SW6.

R1 = 6.8KΩ R2 = 2.2KΩ

Paso 4: Medir el voltaje de salida. Debe ser 20.6V. Paso 5: Medir los voltajes de R1 y de R2. Paso 6: Explicar porqué y cómo afectan los resistores el voltaje de salida. Paso 7: Conectar la sonda de osciloscopio CH1 a la salida SWOUT del regulador. Paso 8: Conectar el resistor de carga de 1KΩ a la salida del regulador.

¿Cómo afecta el resistor a los pulsos de regulador? Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

R1

R2

SES

220

Experimento 5.6 - Regulador conmutante de inversión Objetivos: • Fuentes de poder conmutantes. • Mediciones en reguladores de voltaje conmutante. Equipo requerido: • Entrenador Análogo • Fuente de poder • Multímetro • Un osciloscopio o PC con SESCOPE • Alambres de conexión Discusión: En el circuito invertidor, en lugar de cargar la bobina en la dirección del Capacitor, la cargamos en la dirección a tierra. Cuando se detiene la carga (en la pausa de la pulsación), la bobina continúa jalando corriente del Capacitor y el Capacitor se carga con voltaje negativo.

SES

221

Observar el siguiente circuito regulador invertidor y analizarlo.

Figura 5-27 El circuito invertidor Entrenador Análogo es un módulo diferente tal como se describe posteriormente.

S

+

R

+ -

Vin

+ Cin

ILimit

+ C0

Vo R1 +

-

+ -

Reference

Comparator

+

CF

R2

Thermal

+ -

Oscillator

+

L

PWM

Q1 Q

SES

222

Procedimiento: Paso 1: Conectar el Entrenador Análogo a la fuente de poder y la fuente de poder a la red de

distribución. Step 2: Observe the inverter circuit. Paso 3: Escribir los valores de R1 y R2. Paso 4: Medir el voltaje de salida. Debe ser –12.6V. Paso 5: Medir los voltajes de R1 y de R2. Paso 6: Explicar porqué y cómo afectan los resistores el voltaje de output. Paso 7: Conectar la sonda de osciloscopio CH1 a la salida SWOUT del regulador. Paso 8: Conectar el resistor de carga de 1KΩ a la salida del regulador.

¿Cómo afecta el resistor a los pulsos de regulador? Reporte de Experimento: 1) Escribir el nombre de cada experimento y dibujar a continuación el circuito electrónico. 2) Incluir las mediciones, resultados y gráficos del experimento para cada experimento. 3) Comparar entre las preguntas preliminares y los ejemplos con los resultados de

medición.

R1

R2

SES

223