Práctica 2.

 “Amplificador monoetapa con polarización en divisor de voltaje en emisor común con carga acoplada”

• Introducción teórica
• Desarrollo de la práctica
• Cuestionario
• Conclusiones

Introducción teórica[₃]

Para los amplificadores de voltaje, existen diferentes parámetros tales como la ganancia de voltaje, que se define como la relación entre el voltaje de salida entre el voltaje de entrada. Esta ganancia se ve afectada por diversos factores tales como la beta del transistor y además de los distintos valores que se tengan en la resistencia de emisor y en la carga.

La figura siguiente muestra un amplificador con polarización por divisor de tensión (PDT). Para calcular las tensiones y corrientes continuas se abren mentalmente todos los condensadores con el fin de calcular su respuesta en estado de reposo.

Como antes, usamos un condensador de acoplo entre la fuente y la base, y otro condensador de acoplo entre colector y la resistencia  de carga. También necesitamos usar un condensador de desacoplo entre el emisor y tierra.

Sin este condensador, la corriente alterna de la base podría ser mucho más pequeña; pero con el condensador de desacoplo obtendremos una ganancia de tensión mucho mayor.

En la figura anterior, la tensión de la fuente se acopla a la base. A causa del condensador de desacoplo, toda esta tensión alterna aparece en el diodo BE. La corriente alterna de la base produce entonces una tensión alterna de colector amplificada, como se describió previamente.

La tensión de la fuente de señal  es una tensión sinusoidal con un valor medio de cero. La tensión de la base es una tensión alterna superpuesta a una tensión continua. La tensión de colector es la tensión alterna amplificada e invertida superpuesta a la tensión continua de colector. La tensión en la carga es la misma que la tensión de colector, excepto que tiene un valor medio de cero.

No hay tensión alterna en el emisor por que éste es una tierra para señal, resultado directo del empleo de un condensador de desacoplo. Es importante recordarlo, por que es útil para detectar averías. Si el condensador de desacoplo estuviera abierto, podría aparecer una tensión alterna entre el emisor y tierra. Este síntoma apuntaría inmediatamente al condensador de desacoplo abierto como única avería.

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Desarrollo de la práctica

Material y equipo a emplear

• Resistencias de 100, 400, 500, 1K, 2.2K.
• Potenciómetro de 25K.
• Capacitares de 0.1 F y 4.7 F.
• Generador de funciones.
• Fuente de voltaje a 15 V.
• Osciloscopio.
• Cables para conexión.
• Multímetro en modalidad de medidor de corriente y de voltaje.
• Protoboard.
• Puntas.

1. Monte el circuito de la siguiente figura:

2. Sustituir el transistor por otro del mismo tipo, y medir el punto Q.

Antes que nada, se midió el punto Q (siguiente punto) pero al cambiar el transistor, se tiene un Q[6.02V, 11.5 mA], la beta del dispositivo fue de 180.

3. En base a la configuración anterior, medir el punto Q en reposo (sin señal aplicada entre la base y tierra. Si el punto Q no es el indicado, variar el potenciómetro de R2 hasta ajustar y anotar los nuevos valores.

4. Aplicar una señal senoidal de 1 KHz de frecuencia entre base y tierra, usando como acoplador al capacitor C1 del diagrama. Conectar el osciloscopio a la entrada y salida. Aumentar la amplitud de la señal del generador de funciones hasta antes de que se distorsiones la señal de salida. Medir el voltaje de entrada y de salida para calcular la ganancia de voltaje.

Para una señal total sin distorsión obtuvimos los siguientes valores:

 La gráfica de las señales de entrada y salida es:

La señal azul es la señal de entrada, la señal roja es la señal de salida. En el resto de los procedimientos, lo único que cambia es la señal de salida, mientras la ganancia es menor o es más pequeña, la amplitud de la señal de salida es menor que la que se tiene a máxima ganancia de voltaje.

Para MES se necesitaba un voltaje de salida de 7.938 V. Las condiciones del osciloscopio fueron Factor de sensibilidad vertical de entrada de 1V por división, el factor de sensibilidad de salida igual que el de entrada, el factor de sensiblidad horizontal de 0.2 ms por división y la frecuencia de trabajo a 1KHz.

5. Para máxima excursión de salida sin distorsión, mida el voltaje de salida, de entrada y calcule la ganancia

6. Cambiar la resistencia de carga R_L = 2 KΩ, medir el voltaje de salida y calcular la ganancia. (Se tuvieron las mismas condiciones en el osciloscopio).

7. Cambiar la resistencia de carga R_L = 500 Ω, medir el voltaje de salida y calcular la ganancia. (Se tuvieron las mismas condiciones en el osciloscopio).

8. Cambiar la resistencia de emisor R_E = 400 Ω, medir el voltaje de salida y calcular la ganancia. Después coloque un condensador de 4.7 µF en paralelo con la resistencia de emisor, mida el voltaje de salida y calcule la ganancia. (Factor de sensibilidad tanto de entrada como de salida a 0.5 V por división, el factor de sensibilidad horizontal de 0.2 ms por divisón).

La C indica que se ha puesto un capacitor de 4.7 µF en paralelo con el emisor

9. Cambiar la resistencia de emisor R_E = 1 KΩ, medir el voltaje de salida y calcular la ganancia.

Cuestionario

1.   ¿En qué se diferencia el punto Q de cd al punto Q de ca? Al punto Q de cd lo colocamos donde la recta de carga cd se intersecta con alguna curva característica del transistor, representa la cantidad de voltaje y corriente que dará el circuito de transistor al ser polarizado con cd con respecto a la configuración a la que se encuentre conectado y el valor de sus elementos. Por otro lado, el punto de operación Q de ca tiene una característica muy parecida a su contraparte de cd, sin embargo, los datos que nos entrega dicho punto no son de los valores en cd, sino los obtenidos cuando al amplificador le es ya alimentado con la señal de entrada, y cuando entra en juego la impedancia de carga.

2.   ¿Qué se entiende por recta de carga de ca y recta de carga de cd? La recta de carga de cd es la obtenida por la resistencia de colector (y emisor, si es el caso) y nos proporciona el punto de operación en el cual el amplificador va a moverse “por default”, es decir, cuando es polarizado, sin tomar en cuenta la señal de entrada a ser amplificada. Por otro lado, la recta de carga de ca, además de tomar dichas resistencias de salida, también toma en cuenta la impedancia de carga del generador, puesto que ésta recta nos proporciona el punto de operación obtenido cuando al amplificador le es inyectada la señal de entrada.

3.   ¿Por qué, a pesar de haber diseñado un amplificador para que tenga un punto de operación a la mitad de la recta de carga (de cd), tenemos que dudar que tenga máxima eficiencia? Porque, al considerar los factores de la señal de entrada, este punto de operación se ve modificado, por lo que puede recorrerse de la (preferentemente zona media de la) región lineal hacia uno de los extremos de ésta, acercándose hacia la zona de corte o la de saturación, provocando una distorsión en la señal.

4.   ¿Qué se entiende por MES y MESSD? Al hablar de MES (Máxima Excursión de Salida) nos referimos a la máxima amplitud pico a pico (sobre todo de voltaje) que puede tomar la señal amplificada (preferentemente sin una distorsión a la salida) obtenida del amplificador. Por otro lado cuando tenemos una MESSD (Máxima Excursión de Salida Sin Distorsión) estamos asegurando que esta distorsión de la señal no se derá, puesto que se ha eliminado de la región de funcionamiento aquellas zonas de frontera entre la región lineal y las regiones de corte y saturación, esto se logra considerando el valor de la amplitud como un 90% de la MES.

5.   ¿Qué factores pueden propiciar que no se tenga una MESSD? Que el punto de operación Q no se encuentre lo más cerca posible del centro de la zona de operación del amplificador, o que dentro de dicha zona estén integradas las  zonas de frontera entre la región lineal y las regiones de corte y saturación, propiciando una posible distorsión de la señal.

6.   ¿Qué es la ganancia de voltaje y cómo se calcula? La ganancia de voltaje es una representación numérica del número de veces en que la señal de entrada es amplificada por dicho amplificador, y ésto se calcula dividiendo el voltaje de salida V_sal entre el voltaje de entrada V_ent.

7.   ¿Por qué es importante procurar que la impedancia de carga sea lo más parecida a la impedancia del colector (hablando en términos generales)? Puesto que al considerar la resistencia de ca indicamos el paralelo de la resistencia de colector con la de carga, es obvio entender que si tenemos los mismos valores en estas resistencias, tendremos el máximo valor posible del paralelo de ambas y por lo tanto, el máximo valor posible de amplificación.

8.   ¿Qué relación existe entre la resistencia de emisor y la ganancia? La ganancia disminuirá cuando se coloque una resistencia de emisor debido a que esta resistencia representa una caída de potencial más, y hay que recordar que la ganancia es la relación de voltaje de salida con el voltaje de entrada, así que esta caída de potencial en la resistencia de emisor, representa una pérdida para el voltaje de salida.

9.   Respecto a la pregunta anterior, ¿cómo se puede eliminar el efecto de reducción de ganancia de la resistencia de emisor? La respuesta es tal que podemos colocar un capacitor (siempre y cuando haya una señal de entrada que varíe con el tiempo) en paralelo con dicha resistencia, el capacitor debe ser de un valor grande, esto con el fin de que parezca que existe un corto virtual en la terminal de emisor que lo lleva directamente a tierra, aunque claro, habrá retroalimentación negativa.

10.  Mencionar una característica importante del amplificador monoetapa con polarización en divisor de voltaje en emisor común: Esta polarización de un amplificador resulta ser la más estable de todas (debido principalmente al control que se tiene de la corriente de base por un divisor de voltaje en la malla de entrada), es decir, que el punto de operación Q variará muy poco con respecto a un cambio de condiciones en el circuito (variación de la β del transistor, etc), sin embargo, y como nos indica la relación al respecto a mayor estabilidad, menor ganancia.

Conclusiones

Acosta Valencia Pablo

En base a la práctica elaborada, a los resultados obtenidos y a la mediciones realizadas, podemos concluir que:

1.   La ganancia de voltaje cuando el generador de frecuencia está sobreexcitando al transistor es la máxima ganancia que el dispositivo en su configuración pueda dar, aunque esta ganancia no corresponda a la característica de “sin distorsión”, al menos que se ajuste la amplitud de la señal de entrada para que la salida corresponda al 90% de la señal total amplificada con distorsión.

2.   Como en la práctica anterior, los capacitores de entrada y salida son pequeños con el fin de que su reactancia acople a la impedancia del generador con la del transistor, y no exista onda reflejada en la línea de transmisión y por lo tanto que exista onda transmitida a la fase de salida del arreglo.

3.   El capacitor en paralelo con la resistencia de emisor, necesita ser grande para que su reactancia en paralelo con la resistencia del emisor, de cómo resultado una impedancia menor a la del capacitor y por lo tanto se evite el efecto de la reducción de ganancia.

4.   Cuando se presenta distorsión en la señal de salida, la señal comienza a hacerse “chueca”, es decir a hacerse a un lado aunque después se comienza a cortar en algún o ambos extremos.

Lozano López Jorge Andrés

Las conclusiones que puedo sacar de esta práctica son las siguientes:

1. El circuito amplificador polarizado por divisor de voltaje es el más estable de todos los que podemos encontrar al momento de diseñar un amplificador.

2. Dicho circuito tiene la desventaja que su ganancia de voltaje es menor a la de sus contrapartes de "polarizazción fija" o "autopolarización", pero es el precio que se debe de pagar por la excelente estabilización.

3. Si deseamos obtener la máxima excursión de salida, obviamente debemos de diseñar el amplificador para que su punto de operación (Voltaje colector-emisor y Corriente de colector) esté lo más aproximado al centro del rango de trabajo del transistor (traducido como "el centro de la recta de carga de trabajo del transistor" en la gráfica característica. Sin embargo, aparte de esto, es muy importante que la Resistencia de Colector y la Impedancia de Carga sean de un valor lo más parecido posible entre ellas, de esta forma no demadaremos más corriente de la que pueda entregar el amplificador (en el caso que la Impedancia de carga sea muy pequeña) o que la ganancia de voltaje sea menor (caso que la Impedancia de carga sea mayor).

4. Colocando un capacitor en paralelo con la Resistencia de Emisor, disminuímos la influencia de este elemento en relación con la ganancia de voltaje del amplificador; por lo que sería muy recomendable siempre pensar en introducir dicho elemento, para "ayudar" al amplificador a tener una eficiencia mejor.

5. Que no podemos confiarnos en que, al diseñar un circuito con los parámetros de CD, sea completamente un circuito con su trabajo optimizado, hay que experimentar con él cuando trabaje con la señal de CA, para definir si realmente está o no trabajando óptimamente, aunque claro, es mejor realizar un diseño considerando ambas señales y las resistencias para ambos casos.
   

Ortiz Morales Daniel

Por medio de la práctica pudimos observar que el circuito con polarización por divisor de voltaje, el punto Q es prácticamente inmune a los cambios de transistor, es el circuito más estable de todos los que hemos analizado. El amplificador por divisor de voltaje sacrifica ganancia pero tenemos mayor estabilidad, verificamos como con un capacitor en paralelo podemos minimizar el efecto que tiene R_E sobre el circuito, no existe tensión alterna en el emisor porque el emisor es una tierra para la señal resultado del capacitor que agregamos. Si existiera un voltaje entre emisor y tierra esto nos indicaría una falla en el capacitor. Cuando alimentamos la señal en un frecuencia mas alta vimos como se distorsiona la señal amplificada, esto para fines laborales no es útil. Utilizamos otra vez un acoplamiento de capacitares en la entrada y salida del circuito para tener una onda trasmitida.