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• Benito camela

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CFGS Mantenimiento electrónico

Mantenimiento de equipos de audio

Tema 3: El transistor BJT como amplificador.

Configuraciones de trabajo. ●

Base común (BC): entrada en emisor, salida en colector.

●

Emisor común (EC): entrada en base, salida en colector.

●

Colector común (CC): entrada en base, salida en emisor.

Curvas características. ●

Base común:

Curvas características. ●

Emisor común:

Las ecuaciones fundamentales de los transistores BJT.

V CE =V CB +V BE I E =I C + I B I C = β CC⋅I B +( β + 1)⋅I CO

( β CC =h FE ) ICO es la corriente inversa de la unión colector-base. hFE es la ganancia en corriente en EC.

Corte y saturación. ●

●

Corte: IC = 0, por ser IB = 0. Transistor como interruptor abierto entre colector y emisor. Saturación: IC = IC máx , por ser IB lo suficientemente grande (IB > IC máx / βCC). Equivalentemente, VCE = 0. Transistor como interruptor cerrado entre colector y emisor.

Recta de carga. ●

●

Línea (en las curvas de salida) sobre la que se encuentra situado el punto de trabajo, Q, del transistor. Dicho punto solo puede desplazarse a lo largo de esta línea. En un transistor en EC: La recta de carga depende de la resistencia total presente en la malla de colector del transistor. ➔ La posición de Q sobre la recta de carga depende de la corriente de base del transistor. ➔

Polarización (I). ●

Polarización fija por resistencia de base:

V CC −V BE V CC −I B⋅Rb −V BE=0 ⇒ I b = Rb IC β CC =h FE = ⇒ I C = β CC⋅I b Ib V CC −I C⋅R c −V CE =0 ⇒V CE =V CC −I C⋅R c

Polarización (II). La recta de carga se calcula a partir de los puntos de corte y saturación: ➔

Corte, IC = 0: V CE =V CC −I C⋅Rc ⇒V CE =V CC

➔

Saturación, VCE = 0 :

V CC V CE =V CC −I C⋅Rc ⇒V CC =I C⋅Rc ⇒ I C máx = Rc

Polarización (III). Ejercicio 1: polarizar un transistor BC548 con Q = (5V, 20mA), sabiendo que VCC = 12 V. Dibujar la recta de carga sobre las curvas de salida en la configuración emisor común. Por último, simular la solución encontrada y comprobar su validez. Solución:

¿ ?

Efecto de la temperatura en los transistores BJT ●

●

●

Aumento de ICO al aumentar la temperatura, lo que se traduce en aumento de IC y disminución de VCE (ver recta de carga). ICO se duplica por cada 10 ºC de aumento de la temperatura. Aumento de hFE al aumentar la temperatura, lo que también se traduce en aumento de IC y disminución de VCE. (Además, hFE puede variar mucho de un transistor a otro del mismo tipo -dispersión de los valores de h FE- ). Disminución de VBE al aumentar la temperatura. Nuevamente esto provoca el aumento de IC y la disminución de VCE. VBE disminuye 2,5 mV por cada ºC.

Polarización (IV). La polarización fija no puede evitar que el punto Q varíe su posición sobre la recta de carga cuando varía la temperatura. Para evitar que tal ocurra se usan técnicas de estabilización y de compensación: –

Técnicas de estabilización: circuitos de polarización con resistencias diseñados para evitar los efectos de la temperatura.

–

Técnicas de compensación o regulación: los circuitos de polarización incluyen, además de resistencias, elementos que permiten compensar los efectos de la variación de temperatura, tales como otros transistores, diodos, NTCs, etc.

Polarización (V). ●

Polarización fija con resistencia de emisor: estabiliza en cierto grado las variaciones de Q respecto los cambios de temperatura. Esta técnica de estabilización es poco efectiva. V CC −I B⋅R B−V BE −I E⋅R E=0 V CC −I C⋅R C −V CE − I E⋅R E=0

Además, I E =I C + I B = β CC⋅I B + I B =( β CC +1)⋅I B

Aunque lo normal es considerar que: I E ≃I C

Polarización (VI). Ejercicio 2: polarizar un transistor BC548 con Q = (5V, 20mA), sabiendo que VCC = 12 V y RE = 10% de RE+RC. Dibujar la recta de carga sobre las curvas de salida en la configuración emisor común. Por último, simular la solución encontrada y comprobar su validez. Solución:

¿ ?

Polarización (VII). ●

Polarización por realimentación de colector: este tipo de polarización es más efectiva en la estabilización de Q que la anterior. V CC −I B⋅R B−V BE −I E⋅RC =0 V CC −I E⋅RC −V CE =0

Es habitual considerar que: I E ≃I C

Polarización (VIII). Ejercicio 3: polarizar un transistor BC548 con Q = (5V, 20mA), sabiendo que VCC = 12 V. Dibujar la recta de carga sobre las curvas de salida en la configuración emisor común. Por último, simular la solución encontrada y comprobar su validez. Solución:

¿ ?

Polarización (IX). ●

Polarización universal: este tipo de polarización es de las más efectivas en la estabilización de Q, siendo la más usada en la práctica. En estos circuitos de polarización suele usarse la siguiente regla práctica: I R =10⋅I B 2

Entonces, con I E ≃I C , tendríamos que: V CC −I C⋅(RC + R E )−V CE =0 V CC −11⋅I B⋅R 1−V BE−I C⋅R E=0 V R −V BE −I C⋅R E =0 2

Polarización (X). Ejercicio 4: polarizar un transistor BC548 con Q = (5V, 20mA), sabiendo que VCC = 12 V y RE = 10% de RE+RC. Dibujar la recta de carga sobre las curvas de salida en la configuración emisor común. Por último, simular la solución encontrada y comprobar su validez. Solución:

¿ ?

Modelización del transistor (I). ●

Modelo Ebers-Moll simplificado o modelo T : –

En DC:

–

En CA:

Modelización del transistor (II). ●

Modelo π: –

En DC:

–

En CA:

Amplificador en EC (I). ● ●

Entrada de señal en base, salida en colector. Se usan condensadores en la entrada y en la salida para bloquear las tensiones continuas de polarización (condensadores de paso). 25 mV 25 mV re = ≃ I E (mA ) I C (mA) Z o≃R C Z i ≃R1∥R2∥( r e + R E )⋅β CA ( β CA =h fe ) RC Av≃− re + R E

Amplificador en EC (II). ●

Amplifica tensión y corriente.

●

Cálculo de los condensadores de paso:

C1 =

10 2⋅π ⋅F mín⋅Zi

C 2=

10 2⋅π ⋅F mín⋅Z o

con F mín =20 Hz para audio.

Circuitos equivalentes de DC y AC (I). ●

Se aplica, a la inversa, el principio de superposición.

●

Circuito equivalente de DC: –

Eliminar los condensadores.

–

Cortocircuitar las bobinas.

–

Sustituir las fuentes de tensión y corriente alterna por sus resistencias internas.

Circuitos equivalentes de DC y AC (II). ●

Circuito equivalente de AC: –

Eliminar las bobinas.

–

Cortocircuitar los condensadores.

–

Sustituir las fuentes de tensión y corriente continua por sus resistencias internas.

Amplificador en EC (III). ●

Circuito equivalente de DC del amplificador en EC:

●

Circuito equivalente de AC del amplificador en EC:

Amplificador en EC (IV). Ejercicio 5: dibujar los circuitos equivalentes de DC y AC del amplificador en EC sustituyendo en cada caso el transistor por sus modelos T y π. Deducir a partir de los circuitos equivalentes de AC con ambos modelos las expresiones de la impedancia de entrada y de salida, así como la expresión de la ganancia de tensión.

Solución:

¿ ?

La recta de carga en AC (I). ●

●

●

Cuando se conecta una resistencia de carga a un circuito amplificador aparece una segunda recta de carga: la recta de carga para AC. El punto Q deja de desplazarse sobre la recta de carga original (a partir de ahora recta de carga en DC) y pasa a hacerlo sobre la recta de carga AC. La rectas de carga DC y AC tienen un solo punto en común: el punto Q de polarización del transistor.

La recta de carga en AC (II). ●

En los montajes EC y BC la carga conectada queda en paralelo con la resistencia de colector del transistor. ●

Ecuación de la recta de carga AC: i c⋅RT +v ce =0 ,

donde RT =R E + ( R C∥R load ) . Además, i c = Δ I C =I C −I CQ

y

v ce = Δ V CE =V CE −V CEQ

Por lo que finalmente, V CEQ V CE I C =I CQ + − RT RT

La recta de carga en AC (III).

●

Punto de corte en AC, IC corte=0 : V CEQ V CE corte I C corte =0=I CQ + − ⇒ V CE corte=I CQ⋅R T +V CEQ RT RT

●

Punto de saturación en AC, VCE saturación=0 : V CEQ I C saturación =I CQ + RT

Amplificador en BC (I). ● ●

●

Entrada de señal en emisor, salida en colector. En lo que respecta a AC, la base se conecta a GND a través de un condensador de desacoplo. Amplifica tensión, no amplifica corriente. Z o≃R C Z i ≃r e RC Av≃ re C 3=

10 2⋅π⋅Fmín⋅(R1∥R2 )

Amplificador en BC (II). Ejercicio 6: dibujar los circuitos equivalentes de DC y AC del amplificador en BC. Deducir a partir del circuito equivalente de AC las expresiones de la impedancia de entrada y de salida, así como la expresión de la ganancia de tensión. Solución:

¿ ?

Amplificador en CC (I). ●

Llamado también seguidor de emisor.

●

Entrada de señal en base, salida en emisor.

●

Amplifica corriente, no amplifica tensión.

Amplificador en CC (II). Ejercicio 7: dibujar los circuitos equivalentes de DC y AC del amplificador en CC. Deducir a partir del circuito equivalente de AC las expresiones de la impedancia de entrada y de salida, así como la expresión de la ganancia de tensión. Solución:

¿ ?

El montaje Darlington. ●

Aumenta considerablemente la β, tanto en DC como en AC.

β TOTAL= β 1+ β 2 + β 1⋅β 2 ≃ β 1⋅β 2

El montaje Sziklai. ●

También llamado Darlington complementario y CFP (Complementary Feedback Pair).

β TOTAL= β 1+ β 1⋅β 2≃ β 1⋅β 2

El amplificador diferencial. ●

Usado como etapas de entrada en los amplificadores operacionales y en algunas etapas de potencia de audio. ●

Si ambas entradas tienen la misma tensión: I C 1=I C 2 ⇒ V out =0V

●

Si tienen tensiones diferentes: I C 1≠I C 2 ⇒ V out ≠0V

y la polaridad de Vout depende de cuál es la tensión de entrada mayor.