Prácticas de Electrónica, Séptima Edición [Paul B Zbar Albert P Malvino Michael A Miller]

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Prácticas de Electrónica



rácticas e ectrónica 78 Edición

Paul B. lbar • Albert P. Malvino • Michael A. Miller

A. Alfaomega http://gratislibrospdf.com/

Traducción al español: Ing. Raúl Bautista Gutiérrez

Ing. Francisco José Rodríguez Ramírez Inge niero Mecánico Electricista, Facultad de Ingeniería, UNAM Coordinador del Departamento de Dinámica de Sistemas Físicos Miembro de la Asociación Mexicana de Control Automático Revisión técnica: Ing. Lilián Mercedes Fernández Reyna Ingeniera Mecánica Electricista, Facultad de Ingeniería, UNAM Miembro de AIUME

Diagramación electrónica: Mass Imagen

Séptima edición: México, septiembre 2001 Tercera reimpresión: México, julio 2006

Versión en español de la obra titulada en inglés: Basic ELectronics, A Text-Lab Manual , 7a. ed. por P. B. Zbar, A. P. Malvino y M. A. Miller, publicada originalmente por © Glencoe/McGraw-Hill , Inc. © 2001 ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03 lOO, México, D. F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Internet: http://www.alfaomega.com.mx Email: [email protected] Derechos l·eservados. Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. ISBN 970-15-0676-6 ISBN 0-02-801887-7, versión original de Glencoe/McGraw-Hill , Ine. Impreso en México - Printed in Mexico


CONTENIDO

ix xi xiii

PREFACIO SEGURIDAD SIMBOLOGíA MEDIANTE LETRAS

NOTA SOBRE EL CONTENIDO. DE CADA EXPERIMENTO ~

1

EXPERIMENTOS

1

Características del diodo de unión Semiconductores. Materiales semiconductores e impurezas. Funcionamiento de un diodo de unión semiconductor. Característica de voltaje y corriente en directa. Método para probar un diodo semiconductor con un óhmetro. Cómo identificar el ánodo y el cátodo de un diodo. Función ohms de bajo voltaje de un óhmetro.

1

2

Características del diodo Zener Funcionamiento del diodo Zener. Especificaciones. Aplicaciones.

11

3

Localización de fallas en un regulador Zener Circuito regulador Zener. Condiciones iniciales. Análisis de los problemas de un circuito.

17

4

Dispositivos optoelectrónicos LED. Configuraciones de LED. Fotodiodos. Optoacopladores.

23

5

Limitador de diodo y fijador de nivel de diodo 29 Limitadores de diodos en serie. Limitadores de diodos en paralelo. Limitadores en paralelo polarizados; limitación parcial. Limitadores de doble diodo polarizados. Fijador de nivel mediante diodo. Fijador de nivel positivo. Fijador de nivel negativo. Fijador de nivel polarizado. http://gratislibrospdf.com/

.....................••....... Cada uno .de los experimentos aquí descritos está organizado de' la siguiente manera: OBJETIVOS 'Los objetivos sé establecen con claridad. INFORMACiÓN BÁSICA La teoría y los principios básicos involucrados en el experimentó son establecidos claramente. RESUMEN Se presenta un resumen de los principales puntos. AUTOEVALUACION Es una evaluación que se basa en el material de la sección "información básica". que permite al estudiante verificar su comprensión de la teoría tratada. antes de realizar el experimento. La autoevaluación ' se deberá realizar antes del experimento y las respuestas deberán revisarse antes de realizar el experimento: las respuestas se presentan al final del libro. PROCEDIMIENTO Se establece un procedimiento paso a paso para realizar el experimento. MATERIAL NECESARIO Se listan todos los materiales necesarios incluyendo el equipo de prueba y las componentes. PREGUNTAS Las conclusiones que logre el estudiante se sacan de una serie de preguntas. .

vi

6

7 111

CONTENIDO

Rectificación de media onda y de onda completa Rectificador de silicio. Especificaciones del rectificador de silicio. Rectificación de media onda. Rectificación de onda completa. Rectificadores de media onda y onda completa alimentados por transformador. Fuente de alimentación y filtro con transformador Filtro de entrada mediante capacitor. Regulación de voltaje.

derivación del emisor. Polarización mediante divisor de voltaje. Ganancia de voltaje.

37 15

45

9

10

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I

13

14

Localización de fallas en fuentes de alimentación Fuente de alimentación positiva y negativa. Análisis de voltaje, rizo y resistencia de una fuente de alimentación. Resistencia. Localización de faHas en una fuente de alimentación. Sin voltaje V+ ni V- . Voltajes V+ o V-, rizo grande.

Localización de fallas en un amplificador en EC 105 Prueba dinámica de un amplificador en EC. Normas del voltaje en cd. Mediciones del voltaje en cd. Inferencias a partir de mediciones de voltaje en cd. Mediciones de resistencia.

17

Emisor-seguidor (amplificador en colector común) Emisor-seguidor. Relaciones de fase. Impedancia y ganancia.

53

Rectificador en puente Teoría y funcionamiento

61

Familiarización con los transistores Transistor: dispositivo formado por tres elementos. Transistores de unión. lceo Y el embalamiento térmico.

67

Ganancia de corriente (Il) de una configuración en emisor común Configuraciones de los circuitos de transistores. Ganancia de corriente en los transistores. Alfa (a). Beta (13). Datos de un transistor y curvas características del colector de la conexión en emisor común Datos de un transistor. Características promedio del colector para la configuración en Ee. Circuitos de prueba para determinar las características promedio del colector (VeE respecto de le). Método punta a punta. Graficador de curvas. Cómo probar diodos de estado sólido y transistores Cómo probar un diodo con un óhmetro. Cómo probar un transistor con un óhmetro. Cómo revisar transistores y diodos con un probador de transistores. Polarización y ganancia del amplificador en emisor común El transistor como amplificador de ea. Métodos de polarización y estabilización. Capacitor de

Análisis de la línea de carga de un amplificador de transistores 119 Curvas de disipación del colector. Línea de carga en cd. Cómo predecir el funcionamiento del amplificador desde la línea de carga.

19

Amplificador con transistores en cascada 125 Métodos de acoplamiento. Acoplamiento mediante transformador. Acoplamiento de Re. Acoplamiento directo. Funcionamiento lineal.

20

Amplificador en contrafase Operación en clase B. Amplificador fase.

133 en contra-

21 Amplificador

en contrafase en simetría complementaria 139 Simetría complementaria (dos fuentes de alimentación). Simetría complementaria (una fuente de alimentación).

22

Respuesta en frecuencia de un amplificador de audio 145 Respuesta en frecuencia. Cómo ampliar la respuesta en frecuencia de un amplificador de transistores mediante realimentación negativa.

23

Transistor de efecto de campo de unión (JFET): Familiarización y 151 curvas características Operación del JFET. Características del drenaje de un JFET. Característica de transferencia.

85

91

113

18

75

79

99

16

111

8

Impedancia, potencia y relaciones de fase en un amplificador en emisor común Impedancia de entrada. Impedancia de salida. Ganancia de potencia. Relaciones de fase.


CONTENIDO

24

25

26

Amplificador MOSFET con alimentación común 157 MOSFET de tipo enriquecimiento. MOSFET de tipo empobrecimiento. Polarización de los JFET. Polarización mediante divisor de voltaje. Autopolarización. Polarización del MOSFET. Circuito y funcionamiento de un amplificador con MOSFET y su alimentación común. Amplificador diferencial (AD) 165 Amplificador diferencial sencillo. Entrada sencilla. Entrada en modo diferencial (funcionamiento en modo no común). Entrada en modo común (funcionamiento en modo común). Relación de rechazo en modo común (CMRR). Efecto de un resistor de emisor sin derivación, RE' en el funcionamiento del AD. Símbolo del circuito del AD. Circuitos integrados: El amplificador lineal 175 Características físicas y eléctricas de un CI. Configuración de los CI. CI lineal de un amplificador de potencia para audio.

27

Amplificador operacional (amp op) 183 Amplificadores operacionales en CI. Control mediante realimentación negativa. Sumador con amp op. Especificaciones de un amp op.

28

Características del amp op 191 Etapa de entrada. Segunda y tercera etapas. Etapa de salida. Cargado activo. Corriente de polarización de entrada. Corriente offset de entrada. Voltaje offset de entrada. Rapidez de respuesta. Ancho de banda. Intercambio.

29

30

Realimentación negativa 199 Idea básica. Ganancia de voltaje con realimentación negativa. Ganancia en lazo abierto y en lazo cerrado. Impedancias de entrada y de salida. El amplificador operacional como un amplificador no inversor. Frecuencia superior de corte. Producto ganancia por ancho de banda constante. Frecuencia a ganancia unitaria. Un resumen visual. Circuitos básicos con 207 amplificadores operacionales Amplificador de voltaje. Convertidor de voltaje a corriente. Convertidor de corriente a voltaje. Amplificador de corriente.

vii

31

Circuitos no lineales con amplificadores operacionales 213 Comparador. Rectificador de media onda activo. Detector de pico activo. Limitador positivo activo. Sujetador activo.

32

Filtros activos 219 Filtros pasivos. Decibeles. Filtro pasabajas activo. Filtro pasabajas de segundo orden. Filtro pasaaltas de segundo orden.

33

Localización de fallas en circuitos con amplificadores operacionales 225 Problemas del circuito en el CI. Etapas de entrada. Filtros activos. Rectificadores de media onda.

34

Regulación de voltaje 231 Regulador con diodo Zener. Diodo Zener y emisor-seguidor. Realimentación negativa. Limitación de corriente.

35

Reguladores de tres terminales en CI 237 Primeros reguladores en CI. Regulador de tres terminales en CI. Regulador sencillo. Regulador ajustable en CI. Regulador de corriente.

36

Oscilador Hartley 243 Circuito "tanque" oscilatorio. Compensación de las pérdidas en un circuito tanque oscilatorio. Oscilador con inductor de reacción. Oscilador Hartley alimentado en serie. Oscilador Hartley alimentado en paralelo o derivación. Verificación de la frecuencia del oscilador.

37

Oscilador por desplazamiento de fase 249 Realimentación por desplazamiento de fase. Oscilador por desplazamiento de fase transistorizado. Medición de la fase con osciloscopio.

38

Osciladores con amplificador operacional 255 Red de adelanto-atraso. Oscilador de puente de Wien. Filtro de doble T. Oscilador de doble T.

39

Generador de diente de sierra (función rampa) 261 Onda de diente de sierra. Generación de una onda de diente de sierra. Integrador con amplificador operacional.

40

Schmitt trigger 267 Schmitt trigger. Schmitt trigger con amplificador operacional. Generación de ondas cuadradas. Oscilador de relajación.


viii

eoN

41

Temporizador 555 273 Flip-flop RS. Concepto básico de temporización. Diagrama de bloques del 555. Operación como monoestable. Operación como astable. Oscilador controlado por voltaje. Generador de diente de sierra.

42

Circuitos integrados digitales: Compuertas ANO y OR 283 Circuitos lógicos. Compuerta AND. Tabla de verdad para una compuerta AND de dos entradas. Tabla de verdad de la compuerta OR. Compuertas AND y OR combinadas. Compuertas en CI. Ecuaciones booleanas. CI digitales: inversor, compuerta NOR y compuerta NANO 291 Bloques funcionales lógicos. Negación (NOT) lógica. Compuerta NOR y su tabla de verdad. Compuerta NAND y su tabla de verdad. Chips lógicos TIL. Teorema de De Morgan.

1111

1111

T E N 1D

o

47

Mezcladores, moduladores y demoduladores 323 Mezclador. Modulación de amplitud. Porcentaje de modulación. Frecuencias laterales. Detector de envolvente.

48

Malla de fase encadenada (Phase-Locked Loop) 331 Detector de fase. VCO (oscilador controlado por voltaje). Malla de fase encadenada. Modo de funcionamiento libre. Captura y enganche. Salida de FM. El 565.

49

Rectificador controlado de silicio (SCR) 339 Característica voltaje-corriente. Control de compuerta del voltaje de transición conductiva en directa. Valores nominales del SCR. SCR usado como rectificador.

50

349 Transistor de unijuntura (UJT) Características del UJT. UJT conectado como oscilador de relajación. SCR disparado mediante un oscilador de relajación a base de un UJT.

51

Características de un tubo de rayos catódicos (CRT) 359 Construcción. Cañón de electrones. Deflexión electrostática. Divisor de voltaje del CRT. Def1exión magnética. Trazo del CRT.

111

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11, 111

43

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44

45

l'

46

CI digitales: Adición binaria y sumador completo 299 Números binarios. Compuerta OR exclusiva. Medio sumador binario y su tabla de verdad. Sumador binario completo y su tabla de verdad. CI digitales: Flip-flop 307 Flip-f1op RS. Latches NOR. Latches NAND. Disparado por reloj (clocking). Latches D. Flipflop D disparado por flanco. PREFIJADO y LIMPIADO. Símbolo lógico. Flip-flop toggle (cola de rata). Flip-flop JK disparado por flanco.

APÉNDICE:

Requerimientos

Respuestas

a las autoevaluaciones

CI digitales: contadores 317 Contadores binarios. Conteo hacia abajo. Contadores de anillo. Contador Johnson.


de partes

371 374

PREFACIO

La séptima edición de Prácticas de Electrónica proporciona un programa de laboratorio en semiconductores y circuitos integrados recomendado por la industria y aprobado por las escuelas. El uso del libro es adecuado para escuelas técnicas y vocacionales, centros docentes profesionales y programas de entrenamiento industrial. Los experimentos se han escrito en forma realista de modo que los estudiantes puedan comprender los conceptos fundamentales, y los procedimientos experimentales de manera que el estudiante debe pensar y tomar decisiones . Los resúmenes, autoevaluaciones y preguntas están ubicados estratégicamente. Las preguntas requieren opiniones y análisis y están seguidas de ejercicios de laboratorio que demandan la atención del estudiante en la realización de la actividad sólo para completarla. Cuando es posible, cada experimento se respalda a sí mismo, lo que requiere cierta interacción con otros ejercicios. También se ha procurado que cada experimento sea lo más completo posible para permitir que el manual se use en el estudio independiente cuando se requiera. En los ejercicios se usan materiales actuales y se hace énfasis en el uso de equipo de última línea. Los autores agradecen a los miembros del Service Education Subcommittee de la Consumer Electronics Group of Electronic Industries Association su orientación y ayuda en la revisión del manuscrito, así como los comentarios de los revisores, Neil A. Wertley y Jack Moore (de Hickok Teaching Systems). Por último, expresan su reconocimiento por permitir el uso de fotografías del equipo y las hojas de datos de las componentes a B & K Company; CBS; Fairchild Semiconductor Co.; GTE Sylvania; Hickok Teaching Systems, Inc.; Litronix Co. ; Minneapolis-Honeywell Regulator Co.; Motorola Semiconductor Products, Inc. ; Phillips Consumer Electronics Co.; Symphonic Radio Electronic Corp.; Tektronix Co.; Thompson Consumer Electronics, Inc.

Paul B. Zbar

Albert P. Malvino

Michael A. Miller



SEGURIDAD

Los técnicos en electrónica trabajan con electricidad, dispositivos electrónicos, motores y otra maquinaria rotatoria. Con frecuencia necesitan usar herramientas manuales y mecánicas para construir prototipos de nuevos dispositivos o realizar experimentos. También emplean instrumentos de prueba para medir las características eléctricas de las componentes, dispositivos y sistemas electrónicos. De ahí que están involucrados en una docena de tareas diferentes. Estas tareas son interesantes y representan un reto, pero involucran cierto riesgo si los técnicos no tienen cuidado en sus hábitos de trabajo. Es, por lo tanto, esencial que los estudiantes técnicos aprendan los principios de seguridad al iniciar sus carreras y los pongan en práctica. El trabajo seguro requiere un enfoque cuidadoso y consciente para cada una de las tareas. Antes de emprender un trabajo, los técnicos deben entender qué hacer y cómo hacerlo. Deben planear el trabajo, disponiendo sobre el banco de trabajo, de manera ordenada, herramientas, equipo e instrumentos. Todos los objetos extraños se deben quitar del banco de trabajo y los cables se deben sujetar en forma segura. Cuando se trabaja en o cerca de maquinaria rotatoria, la ropa holgada se debe sujetar de algún modo y mantener aseguradas las corbatas. Los voltajes de alimentación (potencia) se deben aislar de la tierra mediante un transformador de aislamiento. Los voltajes de la línea de alimentación pueden causar la muerte de manera que no se debe hacer contacto con las manos o el cuerpo. Los cables y cordones de alimentación se deben verificar antes de usarse. Si el aislamiento de los cordones de alimentación está a punto de romperse o está roto, no se deben usar. PARA EL ESTUDIANTE: evite el contacto directo con cualquier fuente de voltaje. Mida los voltajes con una mano en la bolsa del pantalón. Use zapatos de goma o hule o permanezca sobre un tapete de hule cuando trabaje en el banco de experimentos. Asegúrese de que sus manos están-secas y que no está parado sobre un piso húmedo cuando haga pruebas y mediciones en un circuito


xii

SEGURIDAD

energizado. Desenergice antes de conectar instrumentos de prueba en un circuito energizado. Verifique que los cordones de alimentación de las herramientas de potencia y el equipo no aislado tengan clavijas de seguridad (clavijas de tres terminales polarizadas). No menosprecie la seguridad de estas clavijas usando adaptadores no aterrizados. No sustituya los dispositivos de seguridad, como fusibles o interruptores termomagnéticos de seguridad, mediante el puenteo de los mismos o el uso de fusibles de mayor capacidad que la que especifica el fabricante. El propósito de los dispositivos de seguridad es proteger a usted y al equipo. Maneje las herramientas en forma apropiada y con cuidado. No permita juegos o bromas en el laboratorio. Cuando se usan herramientas de potencia, asegure su trabajo en un tomillo de banco o con pinzas de sujeción. Use guantes y anteojos cuando se requieran. Tenga un buen comportamiento y sentido común, y su vida en el laboratorio estará asegurada.

Algunas sugerencias de primeros auxilios se plantean aquí como una guía sencilla. Mantenga acostada a la persona accidentada hasta que llegue la ayuda médica, y procure abrigarla para mantener su temperatura corporal, y así evitar un shock. No intente darle agua u otros líquidos si la persona está inconsciente y asegúrese de que nada pueda causar heridas adicionales.

Respiración artificial ............................ . Los choques eléctricos severos pueden causar que una persona deje de respirar. Esté preparado para iniciar respiración artificial tan pronto la persona deje de respirar. Las dos recomendaciones técnicas son: 1.

2.

Primeros auxilios ................................. . En caso de accidente, suspenda de inmediato el suministro de energía. Reporte el accidente a su instructor. Podría ser necesario que usted tenga que proporcionar cuidados de emergencia antes de que el médico llegue, de manera que deberá conocer los principios de primeros auxilios, que puede aprender tomando un curso en la Cruz Roja.

Respiración boca a boca, considerada más efectiva. Método de Schaeffer.

Estas técnicas se describen en los libros de primeros auxilios; usted debe dominar una u otra de modo que si surge la necesidad sea capaz de salvar la vida de alguien mediante respiración artificial. Estas instrucciones de seguridad no deberán alarmarlo; por el contrario, su propósito es que sea consciente de los riesgos que corre un técnico en electrónica, pues riesgos hay en todos los trabajos. Por lo tanto, debe usar el sentido común y el buen juicio, así como mantener la seguridad en sus hábitos de trabajo, como en cualquier otro trabajo.


SIMBOLOGíA MEDIANTE LETRAS

Como se observa en el prefacio de los autores, el énfasis primordial de este manual está en dispositivos semiconductores (estado sólido) y circuitos. Sin embargo, también se tratan los tubos al vacío y sus circuitos asociados, lo que hace conveniente el uso de símbolos mediante letras que en el texto tienen el mismo significado para ambos circuitos: de estado sólido y de tubos al vacío. De acuerdo con el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), la simbología mediante letras para dispositivos semiconductores (Estándar IEEE #255) se usaron con modificaciones para los tubos al vacío. El siguiente resumen de símbolos para cantidades eléctricas intenta aclarar su uso en el texto.

Simbología de cantidades .................................... . 1.

2.

Los valores instantáneos de corriente, voltaje y potencia, que varían con el tiempo, se representan mediante letras minúsculas del propio símbolo. Ejemplos: i, v, p. Máximo (pico), promedio (corriente directa) y el valor medio cuadrático (rms) de corriente, voltaje y potencia se representan con letras mayúsculas del símbolo apropiado. Ejemplos: 1, V, P.


xiv

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O G Í A

Subíndices para símbolos de cantidades '1'

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.

Los valores de corriente directa y valores instantáneos totales se indican mediante subíndices con letras mayúsculas. Ejemplos: ic, le. VEB, VEB, Pe. Pc. 2. Los valores de la componente de alterna se indican con subíndices con letras minúsculas. Ejemplos: i., le' Veb' Veb, Pe' r; 3. Símbolos que se usan como subíndices: E, e terminal del emisor B, b terminal de la base e, e terminal del colector A, a terminal del ánodo K, k terminal del cátodo G, g terminal de la rejilla P, P terminal de la placa M, m valor máximo Mín, mín valor mínimo

Ejemplos: lE

le ie 4.

5.

corriente de emisor en corriente directa (no es la componente de alterna) valor rms de la componente de alterna de la corriente de emisor valor instantáneo de la componente de alterna de la corriente de emisor Los voltajes de alimentación se pueden indicar repitiendo el sub índice de la terminal. Ejemplos: VEE, Vcc, VBB, Vpp, VGG• La única excepción es el uso ocasional de V + para el voltaje de alimentación de la placa de un tubo. Observe que V + reemplaza a B + que es más usual. El primer subíndice designa la terminal en la que se mide el voltaje o la corriente con respecto a la terminal de referencia, la cual se designa mediante el segundo subíndice.

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EXPERIMENTO

~

CARACTERíSTICAS DEL DIODO DE UNiÓN

INFORMACiÓN BÁSICA

Semiconductores ................................................ . Los semiconductores son sólidos cuya resistividad está entre la de los conductores eléctricos y la de los aislantes eléctricos. Los transistores, los diodos de unión, los diodos Zener, los diodos de túnel, los circuitos integrados y los rectificadores metálicos son ejemplos de semiconductores. Éstos se emplean en computadoras, receptores de radio, aparatos de televisión, videograbadoras y otros aparatos electrónicos. Mediante dispositivos semiconductores se llevan a cabo diversas funciones de control. Pueden utilizarse como rectificadores, amplificadores, detectores, osciladores y elementos de conmutación. Algunas características propias de los semiconductores que los convierten en uno de los miembros favoritos de la familia electrónica son las siguientes. 1. Los semiconductores son sólidos. Por ello, es muy poco probable que vibren. 2. Los semiconductores consumen poca energía e irradian poco calor. No requieren tiempo de calentamiento y empiezan a funcionar en cuanto se les suministra energía. 3. Los semiconductores son fuertes y se pueden configurar para que permanezcan herméticos ante las condiciones del medio externo. Junto con su tamaño reducido (figura 1-1), estas características permiten que grandes circuitos ocupen un espacio mínimo.


2

EXPERIMENTO

1

p

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¡pulgada

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Figura 1-1. Un transistor.

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Materiales semiconductores e impurezas

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l'

El silicio y, en menor grado, el germanio, son los materiales con los que actualmente se construyen los dispositivos semiconductores. Predomina el silicio, por ser menos sensible al calor. Antes de fabricar con ellos materiales semiconductores eficientes, el germanio y el silicio deben someterse a un proceso de alta purificación. En su estado original, la conductividad de estos semiconductores es muy baja; es decir, su resistividad es elevada. Para aumentar la conductividad del germanio y del silicio se añaden cantidades minúsculas de ciertas "impurezas". La adición de diversas cantidades y variedades de impurezas, o contaminación, modifica la estructura del enlace electrónico de los átomos de estos elementos, y les proporcionan portadores de corriente que aumentan su conductividad. . Impurezas tales como el arsénico y el antimonio aumentan la conductividad del silicio al incrementar la cantidad de portadores (electrones libres) de carga negativos (N). Debido a lo anterior, el silicio contaminado con arsénico o con antimonio se co.noce como tipo N. El silicio. tipo N contiene algunas cargas positivas (huecos), pero son la minoría y se les conoce como portadores minoritarios. Se puede considerar que el flujo de corriente en el silicio tipo N se porta por los electrones libres, que son los portadores mayoritarios. Impurezas tales como el indio. y el galio elevan la conductividad del silicio mediante el incremento del número. de portadores de carga positivos (P, huecos). El silicio. contaminado. con indio. o. con galio se conoce como tipo P. El silicio. tipo. P contiene algunos electrones libres, pero se trata deportadores minoritarios, Se puede considerar que el flujo. de la corriente en el silicio. tipo. P se lleva a cabo mediante huecos, que son portadores'mayoritarios, Los huecos sienten atracción por los electrones libres. Cuando. se llegan a "encontrar" un electrón libre y un hueco, el primero "llena" el hueco. y neutraliza su carga. Se dice que el electrón libre se ha combinado con el hueco, Durante este proceso, tanto el hueco. como. el electrón libre se pierden como portadores de corriente. Mientras sucede lo. anterior, también se están formando nuevos portadores de corriente en otras partes del semiconductor, El movimiento de los portadores.de corriente se puede controlar aplicando. un voltaje de una batería externa, VAA'

+

:'1 -

Figura 1-2. Movimiento de electrones libres y huecos en un material tipo P.

en el semiconductor (figura 1-2). La terminal positiva de VAA repele a los huecos del silicio. tipo. P que se desplazan hacia la terminal negativa. Los electrones libres entran al silicio. procedentes de la terminal negativa de VAA Y se desplazan hacia los huecos. Se llevan a cabo combinaciones de electrones libres y huecos. Al tiempo que se forman estas combinaciones, se liberan más electrones y huecos móviles en el silicio, a partir de un par electrón-hueco. Los electrones liberados se desplazan hacia la terminal positiva de la batería y los hueco.s hacia la terminal negativa de la batería. Continúan las recombinaciones y liberaciones; de esta manera se mantiene un flujo. de corriente constante en el circuito. externo.

Funcionamiento de un diodo de unión semiconductor Cuando se unen silicios tipo. P y tipo N como se muestra en la figura 1-3, se forma un diodo de unión. Este dispositivo. de dos elementos tiene una característica única: la capacidad para permitir el paso. de la corriente sólo. en una dirección. Al conectar la terminal negativa de la batería al silicio. tipo. N y la terminal positiva al silicio. tipo. P el resultado. es un flujo. de corriente que se conoce como polarización directa. Los electrones y los hueco.s se desplazan, al ser repe-

P

Figura 1-3. Diodo de unión.


N

CARACTERÍSTICAS

P

.....

•

el

h

I

DEL

DIODO

DE

UNIÓN

3

N

...

I le

e

I

f

60

t

- 11:+
inversa en un diodo de unión.

20 MATERIAL TIPO N

MATERIAL TIPO P

CÁTODO

ÁNODO

o Figura 1-5. Símbolo del circuito que representa ductor.

0.2

0.4

0.6

un diodo semicon-

Figura 1-6. Características volt-ampers un diodo de unión de silicio.

lidos, en dirección a la unión PN, en donde se recombinan para formar cargas neutrales y son reemplazados por los electrones libres (cargas negativas) de la batería. Este movimiento de cargas mantiene una elevada corriente directa a través del diodo en forma de electrones libres que pasan del material N, por la unión y el material P, a la terminal positiva de la batería. Dado que hay flujo de corriente a través de esta conexión, se dice que el diodo tiene resistencia directa baja. La conexión para la polarización inversa se muestra en la figura 1-4. La terminal positiva de la batería atrae a los electrones libres del silicio tipo N, Ylos saca de la unión PN. La terminal negativa de la batería atrae a los huecos del silicio tipo P, Y los saca de la unión PN. Por lo tanto, no existe la combinación de electrones libres y huecos. Entonces, los portadores de corriente mayoritarios del diodo no producen un flujo de corriente. En el caso de esta conexión de polarización inversa, existe una corriente minúscula en el diodo. Esta corriente se debe a los portadores minoritarios, es decir, los huecos del tipo N y los electrones del tipo P. En el caso de los portadores minoritarios, la polaridad de la batería es correcta y permite el flujo de corriente. Como resultado de los portadores minoritarios, sólo se obtiene un flujo de unos microampers. Lo anterior se indica mediante las flechas punteadas de la figura 1-4. La conexión de polarización inversa produce una resistencia inversa elevada en el diodo. La figura 1-5 es el símbolo de circuito de un diodo de semiconductor. La terminal marcada como "ánodo" (representada por la punta de flecha) está conectada con el material tipo P, y la que está señalada como "cátodo" está conectada al material tipo N. Para que haya flujo de corrien-

0.8

V(V)

en polarización

directa de

te en este diodo, la terminal positiva de la batería debe estar en el ánodo y la terminal negativa en el cátodo en una configuración de polarización directa.

Característica en directa

de voltaje y corriente

La característica de voltaje y corriente (características voltamper) se representa en una gráfica que muestra la variación de la corriente en dicho diodo en relación con el voltaje aplicado. Para determinar lo anterior de manera experimental, se mide la corriente de diodo correspondiente a una cantidad sucesiva de voltajes cada vez mayores y se traza una gráfica de la corriente en función del voltaje. El estudiante observará que hay muy poco flujo de corriente en el diodo cuando el nivel de voltaje aplicado es bajo. Por lo tanto, para una polarización directa menor a los 0.7 volts (V), el diodo de silicio atrae poca corriente. En el caso de voltajes de polarización directa iguales o mayores que 0.7 V, el diodo se activa y permite el flujo de la. corriente. Asimismo, para valores mayores de 0.7 V, un pequeño aumento del voltaje de polarización 'directa da por resultado un incremento considerable en la corriente del diodo. En la figura 1-6 se muestra la característica volt-corriente en polarización directa típicas de un diodo de silicio.


.

4

EXPER IM ENTO

I

Cómo identificar el ánodo y el cátodo de un diodo M

ÓHMETRO

+ A

B

Por lo general, el cátodo de un diodo se indica mediante una banda circular. Si el diodo no está marcado, es sencillo determinar cuál es el ánodo y cuál es el cátodo con una verificación en la resistencia. Primero se determina la polaridad de las puntas de conexión del óhmetro co n un voltímetro conectado a las terminales del óhmetro. A continuación se determina la posic ión de las puntas de conexión del óhmetro que mide la resistencia directa del diodo. En esta posición, la punta de conexión positiva del óhmetro se conecta con el ánodo y la negativa con el cátodo.

Figura 1-7. Polaridad de las puntas de conexión de un óhmetro.

El voltaje de activación en polarización directa de los diodos de s ili cio tiene un valor característico de 0.7 V. En el caso de los di odos de germanio es de 0.3 V. Cuando el diodo tiene polarización inversa, la pequeña corrie nte producida por los portadores minoritarios permanece relativam ente constante, es decir, independiente del voltaje de polarización, hasta que se llega a cierto valor de vo ltaj e. Después de este ni vel seguro de polarización inversa se produce un fenómeno conocido como "ruptura de avalancha", cuando se presenta una corriente de sobrecarga fuerte, la cual puede destruir el diodo. Por ello, es necesario que éste funcione dentro de límites seguros, normalmente especificados por el fabricante como voltaje directo máximo (VFM ) y vo ltaje in verso máximo (VRM ). También se especifi ca la corriente directa pico (lFM).

Método para probar un diodo semiconductor con un óhmetro

La verificación de resistencia es un método algo burdo para probar el funcionamiento de un diodo semiconductor. Como se recordará, la polaridad de las terminales de la batería de un óhmetro aparece en las puntas de conexión. E n la figura 1-7, la punta A es positiv a y la punta B es negativa. Al probar con un óhmetro un diodo cuyo fun cionamiento es norm al se e ncuentra que la res istencia directa de dicho diodo es baja y que la resistencia in versa es elevada. Por lo tanto, si la punta de conexión positiva del óhmetro (A en la figura 1-7) se conecta al ánodo del diodo y la punta de co nexión negativa (B) al cátodo, el di odo estará polarizado directamente. La corriente fluirá y el diodo medirá una resistencia baja. Por otra parte, si se invierten las puntas de conexión del óhmetro, el di odo estará polarizado inversamente. F luye poca corriente y el valor de la res istenc ia del diodo es elevado. Si un di odo se mic o nd~ ctor presenta una resistencia directa muy baja y una resistenci a inversa baja, es probable que esté dañado (fundido). Por otra parte, una resistenci a directa extraordinariamente alta o infinita, indica que el di odo está abierto.

Función ohms de bajo voltaje de un óhmetro ............................. ~ ................ . La batería de un óhmetro no electróni co, como el de la figura 1-7, es de 1.5 Vo más. Por lo tanto, es capaz de polarizar directamente un diodo de unión de silicio con un valor mayor que los 0 .7 V necesarios para la conducción. De manera simil ar, puede polarizar un diodo de unión de germani o a más de los 0.3 V necesarios para la conducc ión. Por esto es posible llevar a cabo pruebas en diodos semico nductores con un óhmetro . Sin embargo, e n la localización de fallas de algunos circuitos semiconductores se utili zan óhmetros electrónicos de baja potencia (LP), e n los cuales el voltaje de punta de conexión es menor a 0.7, e incluso 0.3 V. La función correspondiente a ohms de baja potencia (LPD) de este tipo de óhmetro no sirve para medir la res istencia directa de un diodo, ni puede identificar el ánodo O el cátodo de un diodo. Por fortuna , el fabrica nte proporciona , además de la función ohms de baja potencia, una función para ohm s normales. Las pruebas de resistencia de un diodo semiconductor se ll evan a cabo mediante la función ohms normales del óhmetro.

Primera aproximación ... ....................... . ¿Qué hace un diodo? Conduce bien la corriente en dirección directa y mal en la dirección inversa. E n esencia, idealmente un diodo funciona como co nductor perfecto (voltaje cero) cuando tiene polarización directa y como un ais lante perfecto (corriente cero) si ti ene polarización in versa (figura 1-8). A esta primera aprox imación de un diodo se le conoce como diodo ideal. Representa una manera sencill a y rápida de analizar los circuitos de diodos. Por ejemplo, el diodo de la figura 1-9a) tiene polarizaci ón directa. E n una primera aprox imación actúa co mo un corto circuito. Por lo tanto, la corri ente que pasa por el diodo es


CARACTERÍSTICAS

POLARIZACIÓN EN DIRECTA

VOLTAJE DIRECTO CERO

DIODO

(b)

5

UNIÓN

ABIERTO

~o-o

o>----II.~I--o

~

(a)

DE

POLAR IZACIÓN EN INVERSA

CERRADO

o>--....~I--o

v

CORRIENTE INVERSA CERO

DEL

(e)

Figura 1-8. Diodo ideal: a) gráfica; b) polarización directa; e) polarización inversa.

2kn

2kn

10V ~

+ (a)

(b)

Figura 1-9. Primera aproximación: a) 1 = 5 mA; b) 1=0 mA.

1 = 10 V

2kfl

= 5 mA

(1.1)

Por otra parte, el diodo de la figura 1-9b) tiene polarización inversa. Idealmente se trata de un circuito abierto, por lo que la corriente que circula por él es de O.

Segunda aproximación ......................... . Para que un diodo de silicio conduzca realmente bien es necesario que haya por lo menos 0.7 V. Cuando la fuente de voltaje es grande, 0.7 V es una cantidad muy pequeña como para tener algún efecto. Pero si la fuente de voltaje no es tan grande, entonces hay que tomar en cuenta los 0.7 V. En la figura l-lOa) se muestra la gráfica correspondiente a la segunda aproximación. Se puede observar que la co-

rriente no fluye sino hasta que aparecen 0.7 V en el diodo. A partir de este momento el diodo se activa. Sin importar la corriente directa, sólo se permite una caída de voltaje de 0.7 V en el diodo de silicio. (Para los diodos de germanio, utilice un valor de 0.3 V.) Por cierto, el valor de 0.7 V se conoce como voltaje de barrera o de "codo". La figura l-lOb) es el circuito equivalente de la segunda aproximación. En este caso el diodo debe considerarse como un interruptor conectado en serie con una batería de 0.7 V. Si el voltaje fuente que alimenta al diodo rebasa al voltaje de contratensión, se cierra el interruptor y el voltaje del diodo es igual a 0.7 V. Como ejemplo se utilizará la segunda aproxi mación para el caso del diodo de la figura 1-9a) . El voltaje de la fuente es suficiente para rebasar el voltaje de codo. Por lo tanto, el diodo tiene polarización directa y la corriente es igual a 1 = 10 ~ ~~.7V

= 4.65

v

o

(l.2)

Si la polarización del diodo es inversa, como en la figura l-9b), la segunda aproximación sigue dando un valor de corriente igual a cero.

Resistencia másica

Para valores superiores al voltaje de codo, la corriente del diodo aumenta con rapidez; un pequeño aumento del voltaje del diodo provoca un aumento considerable en la corriente del diodo. Una vez superado el voltaje de contratensión,

SEGUNDA . APROXIMACION 0.7

mA

.1

o (b)

(a)

Figura 1-10. Segunda aproximación: a) gráfica; b) circuito equivalente de la polarización directa.


6

EXPERIMENTO

1

IF

o

I

+

o

I

0.7

(a)

V

(b)

Figura 1-11. a) Resistencia másica; b) corriente directa correspondiente a 1 V.

~

Vs

TERCERA APROXIMACiÓN

10V

1

J

U-

0------1.~1-~O

r:

7.5 S7.

V

(a)

Vo 7V

(e)

(b)

Figura 1-12. Tercera aproximación: a) gráfica; b) equivalente en polarización directa; e) ejemplo.

lo único que se opone a la corriente del diodo es la resistencia de las regiones P y N, representadas por rp y rN en la figura 1-11. La suma de estas resistencias se llama resistencia másiea del diodo. Usando literales (l.3)

El valor característico de rB varía entre 1 y 25 ohms (O). El cálculo de la resistencia másica de un diodo de silicio se realiza de la siguiente manera. En la hoja de especificaciones del fabricante por lo general se indica el valor de la corriente directa IF correspondiente a 1 V. En el caso de un diodo de silicio los primeros 0.7 V son necesarios para rebasar el voltaje de barrera; los 0.3 volts restantes se consumen en la resistencia másica del diodo. Por lo tanto, para calcular la resistencia másica se tiene 0.3 V r =-8 IF

(1.4)

donde 1F es la corriente directa para 1 V. Por ejemplo, el 1N456 es un diodo de silicio cuya IF es igual a 40 mA a 1 V. Su resistencia másica es igual a

r = 0.3 V = 7.50 B 40 mA

(1.5)

Tercera aproximación ........................... . En la lefCéra-aproximación de un diodo se incluye la resistencia másica, rB' E"n la figura 1-12a) se muestra el efecto de rB' Una vez activado el diodQ de silicio, la corriente produce un voltaje en rB' Cuanto mayor sea la corriente, mayor será el voltaje. El circuito equivalente de la tercera aproximación es un interruptor conectado en serie con una batería de 0.7 V Y una resistencia de valor r B (figura 1-12b). Una vez que en el circuito externo se rebasa el potencial de contratensión, se obliga el paso de la corriente a través de la resistencia másica. Como ejemplo de la tercera aproximación suponga que se usa un 1N456 como el de la figura 1-9a). Dado que tiene una resistencia másica de 7.5 O, el equivalente de la figura l-9a) puede ser la figura l-12e). En este circuito la corriente es 1 = . 10 V - 0.7 V 2 kO + 7.5 O

9.3 V 2007.5 O

(1.6)

Se ha analizado el mismo circuito (figura l-9a) utilizando tres aproximaciones del diodo. Los resultados obtenidos son 1 =5 mA 1 = 4.65 1 = 4.63


(ideal) (segunda) (tercera)

(1.7)

CARACTERÍSTICAS

¿Cuál de estas aproximaciones debe utilizar usted? Ello dependerá del circuito en particular que se analice y del propósito del análisis. Si se trata de un análisis preliminar, empiece por la aproximación del diodo ideal. Ésta dará una idea rápida del funcionamiento del circuito. Si el valor de 0.7 V es significativo en relación con el voltaje de la fuente, utilice la segunda aproximación. Y si la resistencia másica es significativa en relación con la resistencia del circuito, use la tercera aproximación.

RESUMEN

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

En electrónica se prefiere utilizar semiconductores para controlar la corriente debido a su reducido tamaño y a su mínimo consumo de energía y porque permiten lograr la microminiaturización de dispositivos y circuitos electrónicos. Los materiales básicos semiconductores son el silicio y el germanio, que en su estado puro son aislantes. Estos materiales se contaminan con impurezas para disminuir su resistividad y aumentar su conductividad. Cuando se unen una pieza de semiconductor tipo N (portadores de corriente negativos, electrones) y una tipo P (portadores positivos, huecos) - lo cual está determinado por el material de contaminación- se forma un diodo de unión. Un diodo de unión tiene características de corriente unidireccional; es decir, permite el flujo de la corriente en una dirección (cuando tiene polarización directa) , pero no en la contraria (cuando tiene polarización inversa). Existe un límite para el voltaje máximo directu (terminal negativa de una fuente de alimentación conectada con el material N) y el voltaje máximo inverso (terminal negativa conectada con el material P) que se aplican a un diodo de unión . El voltaje de activación o umbral de un diodo de unión de silicio es 0 .7 V Y 0.3 V para un diodo de germanio. Una vez que este voltaje se aplica al diodo, éste conducirá de manera apreciable. Un aumento del voltaje de polarización directo provoca un aumento de la corriente en el diodo . Un diodo de unión se puede probar con un óhmetro. Éste mide la corriente que pasa por el dispositivo en función del voltaje que se aplica con el medidor. Con la aplicación eléctrica de la ley de Ohm, la lectura de la corriente se convierte en una lectura de resistencia . Cuando las puntas del óhmetro se conectan al diodo de manera que quede polarizado directamente el flujo de corriente es elevado, lo que indica una baja resistencia. Al invertir las puntas de conexión del óhmetro

DEL

DIODO

DE

UNIÓN

7

se polariza inversamente al diodo, con lo que se impide el flujo de la mayor parte de la corriente y en consecuencia el valor leído de la resistencia es alto. Debido al comportamiento unidireccional del diodo, podría considerarse de manera ideal como un corto circuito cuando tiene polarización directa y como un circuito abierto cuando tiene polarización inversa. Esto se conoce como aproximación de diodo ideal. La segunda aproximación de un diodo tiene en cuenta el voltaje de umbral. Es decir, el comportamiento en polarización directa del diodo se considera como un corto circuito conectado en serie con una batería de 0.7 V. En la tercera aproximación de las características de un diodo, la resistencia másica, responsable de un consumo adicional del potencial de voltaje, se tiene en cuenta en el circuito de diodo .

AUTO EVALUACiÓN

.........................•....•.... Responda a las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje. l. 2. 3.

El material semiconductor más común es _ _ _ __ El germanio y el silicio, en forma pura, son _ _ __ (conductores, aisladores) En el silicio contaminado con impurezas como el arsénico hay una cantidad mayor de portadores de carga _____ (positivos, negativos) y el material es tipo _ _ __ (N,P)

4.

El diodo de unión puede compararse con una resistencia ya que permite el flujo de la corriente en ambas di(verdadero,falso) recciones. 5. Para polarizar directamente un diodo de unión, conecte (positiva, negativa) de una batería la punta con la terminal tipo P del diodo y la punta _ _ _ __ (positiva, negativa) con la terminal tipo N. 6. El voltaje de polarización directa de un diodo de silicio V para que el debe ser igualo mayor que diodo pueda conducir de manera apreciable. 7. La característica voltaje-corriente de un diodo de unión es la gráfica de en función de _ _ _ __ 8. Una vez que se activa un diodo, al aumentar el voltaje (mayor, meen el diodo se produce una nor) circulación de corriente en el diodo. 9. La resistencia directa de un diodo de silicio es _ _ _ _ ; la resistencia inversa _ _ _ __ 10. La resistencia directa de un diodo se puede verificar, de manera aproximada, utilizando _ _ _ __ 11 . La primera aproximación de un diodo, conocida también como el diodo , sirve cuando se quiere


8

12.

13.

EXPERIMENTO

I

realizar un análisis preliminar. De acuerdo con ella, el diodo es un perfecto o un aislante perfecto. Un diodo ideal se comporta como un interruptor _____ cuando tiene polarización directa y como un interruptor cuando tiene polarización inversa. El voltaje de barrera de un diodo de silicio es de

14.

En la segunda aproximación, en el circuito externo se para que el debe aplicar por lo menos diodo de silicio se active. Entonces, sin importar la cantidad de corriente presente, la caída en el diodo es

15 .

La resistencia es la resistencia de las regiones P y N. Esto impide que haya corriente una vez rebasado el voltaje de contratensión. En la tercera aproximación de un diodo de silicio, se considera que hay un conectado en serie con una batería de 0.7 V Y una resistencia _ _ _ __

16.


CARACTERÍSTICAS

DEL

DIODO

DE

UNiÓN

9

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

TABLA 1-1. Mediciones

Fuente de alimentación: fuente de cd de alta corriente, voltaje bajo, variable y regulada. Equipo: multímetro digital, VOM, 20 000 [!IV; trazador de curvas. Resistores: 250 fl a 2 W. Diodo de silicio: lN41S4 (otras opciones: lN914 o casi todos los diodos de silicio para señal pequeña). Diodo de germanio: lN34A (otras opciones: lN44S4 o casi todos los diodos de germanio para señal pequeña). Otros: interruptor de un polo un tiro.

Paso

VAK

2

0.7 V

l.

2.

3.

.

Identifique los extremos del ánodo y cátodo de un diodo de silicio lN41S4 y arme el circuito mostrado en la figura 1-13, estando el diodo en polarización directa. ¿Cuál de los extremos del diodo conectaría más cerca de la terminal negativa para lograr la polarización directa? Ajuste la salida de la fuente de cd variable de manera que el voltaje en el diodo (VAK) mida 0.7 V. Mida y anote, en la tabla 1-1, la corriente del diodo (ID)' ¿Cuál sería la corriente del diodo si éste estuviera invertido? Invierta el diodo y mida ID' Anote los resultados en la tabla 1-1. Los resultados deberán confirmar la predicción hecha en la pregunta 2.

5.

M

7.

+ 8.

SI

Figura 1-13. Circuito para pruebas del experimento

1.

Resistencia

5

X

X

Directa: Inversa:

12

X

X

rB:

del diodo

Mida VAK con el diodo en polarización inversa. Anote la lectura en la tabla 1-1. Calcule y anote la resistencia del diodo (VAK dividido entre ID) para configuraciones de un diodo con polarización directa y con polarización inversa. Quite el diodo del circuito y mida su resistencia. Invierta las puntas de conexión y mida de nuevo la resistencia del diodo. Dado que la batería del medidor empleado para medir la resistencia tiene una polaridad, las puntas de prueba del medidor también estarán polarizadas. Anote ambas lecturas en la tabla 1-1, en donde corresponda.

Características 6.

+

ID

3,4

4.

Polarización del diodo

del diodo

voltaje-corriente

.

Cambie la posición del diodo en el circuito de manera que tenga polarización directa. Ajuste la fuente de cd variable de acuerdo con los valores de VAK que se muestran en la tabla 1-2. Mida y anote la corriente ID para cada valor de VAK. Invierta la posición del diodo de manera que tenga polarización inversa. De nuevo fije la fuente de cd variable de acuerdo con los valores indicados en la tabla 1-2. Mida y anote el valor de ID. Esta corriente es pequeña y quizá requiera un amperímetro o un multímetro que lean corrientes del orden de microampers. Trace la curva característica de un diodo en papel cuadriculado; para ello, grafique VAK en el eje x e ID en el eje y. Tome nota de que los valores de polarización directa de VAK se consideran positivos y los valores de polarización inversa se consideran negativos. La corriente de polarización directa que pasa por el diodo se considera de valores positivos dado que la corriente fluye del cátodo al ánodo. Los valores de la co-


10

E X P E R 1M E N T O

TABLA 1-2. Características

Paso 6 VAK• V

Polarización directa ID' mA

1

voltaje-corriente

Paso 7 VAK• V

O

O

0.1

-5

0.2

-10

0.3

-15

0.4

-20

0.5

-25

0.6

-30

0.7

-35

0.8

-40

Polarización inversa ID. J.LA

9.

inversa. De esta manera se obtendrá una gráfica que cuente con dos escalas por cada eje y con el cambio de escala en O. Si dispone de un trazador de curvas, consulte el manual para el usuario y calibre los controles para observar la curva característica de su diodo. Inserte el diodo y observe la curva en la pantalla del tubo de rayos catódicos (CRT). ¿La curva obtenida en este trazador se asemeja a la que obtuvo en el paso 7'1 Explique la razón de cualquier diferencia significativa que encuentre.

Aproximaciones 10.

11. rriente producidos por la polarización inversa del diodo se deben a corrientes de fuga y fluyen en dirección opuesta a la de los valores de la corriente directa. Así, hay números "negativos" en el eje y. Calcule sus escalas numéricas de manera que en el eje x positivo se representen voltajes entre O y 3 V Y en el eje x negativo aparezcan voltajes entre O y 50 V. A su vez, la escala del eje y deberá servir para todo el intervalo de corrientes correspondientes a la polarización directa e

.

En la gráfica que obtuvo en el paso 8, dibuje con varios colores, las curvas de la primera, segunda y tercera aproximaciones para su diodo. Calcule la resistencia másica (rB) de su diodo mediante dos puntos localizados en la parte lineal de la porción de polarización directa de la curva obtenida para los valores VAK y ID. Sustituya estos valores en la fórmula V r =--.!2!S... B

ID

(1.8)

despeje rB. Anote en la tabla 1-1 el valor de "e-

PREGUNTAS 1. 2. 3.

4.

En el paso 5, ¿cómo decidió qué valor de resistencia era la resistencia directa y la resistencia inversa? Compare las resistencias medidas en el paso 5 con las calculadas en el paso 4. ¿En qué condiciones se activa un diodo de unión? Explique. Consulte las mediciones realizadas y anotadas en la tabla 1-2.. ¿Hay mucha variación en las corrientes inversas de la tabla 1-2? Comente qué dio lugar a los resultados obtenidos.

5.

6. 7.

¿Cuáles son las limitaciones, en caso de haberlas, de: a) la polarización directa y b) la polarización inversa? ¿En este experimento se rebasaron las limitaciones? Haga referencia a las mediciones para apoyar su respuesta. ¿Cómo podría identificar el ánodo de un diodo que no esté marcado? ¿Cómo podría determinar cuál es la punta de conexión positiva de un óhmetro no eléctrico y cuál es la negativa?


EXPERIMENTO

~

l'

CARACTERISTICAS DEL DIODO ZENER


OBJETIVOS

Funcionamiento del diodo Zener ........................... .

Medir los efectos de -las polarizaciones directa e inversa en un diodo Zener.

Las características de un diodo de estado sólido dependen del material semiconductor del cual está hecho el diodo, del tipo y grado de "contaminación" de dicho material y de la construcción física y dimensiones del dispositivo. El diodo semiconductor que estudió en el experimento 1 funciona dentro de los valores característicos de su polarización directa . Existe otro tipo de diodos conocidos como diodos Zeller, cuyas características especiales de corriente y voltaje en polari zación inversa se utilizan en aplicaciones del todo diferentes de las del diodo de cristal. En la figura 2-1 se muestra el símbolo de un diodo Zener. La figura 2-2 es la gráfica de las características de voltaje-corriente de un diodo Zener. Cuando el diodo tiene polarización directa se comporta como un interruptor cerrado y la corriente directa se incrementa al aumentar el voltaje . La corriente directa está limitada por los parámetros del circuito. Cuando el diodo tiene polarización inversa, circula una pequeña corriente

CÁTODO

Q

ÁNODO

o------~~~~~-------o

Figura 2-1. Simbolo de un diodo Zener.


Determinar y graficar las características de voltaje-corriente de un diodo Zener.

Construir un regulador de voltaje, Zener y determinar, de manera experimental, el intervalo dentro del cual el diodo ZenE?r'1lroduce un voltaje constante . .

12

E X P E R 1M EN T O

2

A

+I I I

+

25

20

Vz (V)

15

10

SUMINISTRO DECD

5 0.5

. I

-

I

I

+

0.1

8

Figura 2-3. Diodo Zener utilizado como regulador de voltaje en paralelo.

E

Figura 2-2. Características de un diodo Zener.

inversa, Is. llamada corriente de saturación. Is es relativamente constante aunque aumente el valor de la polarización inversa, hasta llegar a la región de disrupción Zener, cercana al voltaje Zener, Vz. Alrededor de esta región la corriente inversa empieza a aumentar con rapidez debido al efecto de avalancha. Por último se produce la disrupción Zener (un súbito aumento de la corriente) cuando se alcanza el valor de voltaje Zener, Vz. En esta región una pequeña variación del voltaje produce un enorme cambio en la corriente. Es obvio que, en esta región, tienen lugar cambios notables en la resistencia efectiva de la unión PN. La disrupción Zener no necesariamente provoca la destrucción del diodo. En tanto la corriente que circula por el diodo esté limitada por el circuito externo a un nivel dentro de su capacidad de potencia admisible, el diodo funcionará con normalidad. Además, al reducir la polarización inversa a valores inferiores al del voltaje Zener, el diodo sale de su nivel de disrupción y regresa a su nivel de corriente de saturación. Este proceso de alternar al diodo entre sus estados de corriente Zener y de corriente no Zener se puede repetir una y otra vez sin dañar al diodo. Sin embargo, se debe recordar que cuando el diodo cambia de un estado a otro hay cierto retraso llamado tiempo de recuperación.

Especificaciones

Los fabricantes de diodos proporcionan una hoja de especificaciones para cada tipo de diodo Zener. Éstas incluyen el

voltaje Zener, el intervalo de tolerancia del voltaje Zener, los límites de corriente Zener, la disipación máxima de potencia, la temperatura de operación máxima, la impedancia Zener máxima en ohms, el factor de corrección térmica en mili vatios por grado Celsius CC) (antes centígrados) y la corriente de fuga inversa. También se indican el tipo de material utilizado en el diodo (por ejemplo, silicio) y las posibles aplicaciones de dicho diodo. El valor del voltaje de ruptura de un diodo depende del material y de su construcción. Los diodos Zener se diseñaron para producir voltajes Zener entre uno y varios cientos de volts. El diseñador de circuitos dispone de una gran variedad de diodos para elegir los que por sus características más se aproximen a las necesidades del circuito.

Aplicaciones

Los diodos Zener se utilizan como reguladores de voltaje y como patrones de referencia de voltaje. La figura 2-3 muestra el circuito de un diodo empleado como regulador en paralelo. El diodo está en paralelo con un resistor de carga R¿, y su función es mantener un voltaje constante en la carga, dentro de los límites requeridos, cuando cambie ya sea el suministro de cd o la resistencia de carga y, por ende, la corriente. A partir de los valores requeridos para un circuito se calcula el valor del resistor Iimitador de corriente en serie (R s) Y el tipo de diodo Zener. Suponga que se requiere un voltaje de salida, Vs• l , constante de 10 V (± 0.7 V) para una resistencia cuya corriente I L varía entre 5 y 20 mA. El circuito se alimenta mediante una fuente de cd constante de 20 V Ypara lograrlo se propone el diseño de un circuito regulador. Suponga que el circuito regulador de la figura 2-3 satisface las especificaciones del problema. Se selecciona un diodo regulador Zener cuyo Vz = 10 V. Suponga que existe un diodo que permite una corriente reguladora Iz de manera que la corriente de circuito total I T sea constante a 30 mA por arriba del rango de variación de carga-corriente. De acuerdo con la ley d~ voltaje de Kirchhoff


eA

(2.1)

R A

6.

y

(2.2)

Vsal

7.

Al sustituir en la ecuación (2.2) los valores VAA = 20 , -3 . = 10 e IT = 30 X 10 A, se obtiene que: R =

s

20 - 10 30 X 10- 3

e TER Í s TIC

A

s oE

L

o 1o o o

Z E N E R

13

Un regulador de voltaje en paralelo bien diseñado (figura 2-3) mantiene un voltaje de salida constante Vz en el diodo, sin importar las variaciones especificadas en el voltaje de entrada o los cambios especificados en la corriente de carga. En el regulador en paralelo de la figura 2-3, con los valores de VAA , IT Y Vsal se calcula el valor de Rs mediante la ecuación

3330

Para calcular el vataje de Rs, note que en esta resistencia hay una caída de voltaje de 10 V. Por lo tanto

AUTOEVALUACIÓN

.....................•.............

,

(2 .3) Las buenas prácticas de ingeniería recomiendan sobredimensionar el resistor. Por lo tanto, se utilizará un resistor de 330 O :±: 5% a 1 W. El vataje del diodo se calcula a partir de la corriente máxima, Iz, que requiere el circuito. En nuestro problema el valor máximo de Iz = 25 mA (cuando IL = 5 mA). Por lo tanto, el vataje mínimo Wz es

Wz = V X Iz = 10 X 25 X 10- 3

Responda las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje. l.

Cuando un diodo Zener se utiliza como regulador de voltaje debe tener polarización (directa,

2.

Si las especificaciones del fabricante indican que el voltaje de salida de cierto diodo Zener es de 10 V :±: 10% de tolerancia, el Vz de dicho diodo está entre

inversa) .

____ V Y

(2.4)

3.

= 250 mW

4. De nuevo una buena práctica de ingeniería recomienda sobredimensionar el diodo, por lo que bastará un diodo de 500 mW. 5.

La corriente de un diodo Zener de 1 W y 10 V debe limitarse a un valor máximo de A. Un diodo Zener de 20 Val W conectado como regulador de voltaje en el circuito de la figura 2-3 produce en la carga un voltaje de salida de V (aproximadamente). En el circuito de la pregunta 4 , VAA es igual a 30 V, I T vale 0.05 A, y el valor de Rs que permite el funcionamiento como regulador es de O.

RESUMEN

1.

2.

3.

4. 5.

V.

Un diodo Zener mantiene un voltaje constante Vz en su salida si está inversamente polarizado y funciona según sus características especificadas. Cuando el diodo funciona en su voltaje Zener, V z, los cambios mínimos de voltaje en el diodo producen cambios de corriente más o menos grandes , Iz, en el diodo. Las especificaciones de los diodos Zener incluyen: a) voltaje Zener, Vz, b) intervalo de tolerancia del Vz, c) límites de la corriente Zener, d) máxima disipación de energía y e) máxima temperatura de operación. Hay diodos Zener que producen voltajes entre uno y varios cientos de volts. Los diodos Zener se utilizan como reguladores de voltaje y también como patrón de referencia de voltaje.


14


2

PROCEDIMIENTO

............................................................................................................................. MATERIAL

TABLA 2-1. Polarización

NECESARIO

Fuente de alimentación: fuente de cd regulada variable. Equipo: multímetro digital; multímetro; miliamperímetro; trazador de curvas para la pregunta de los puntos adicionales. Resistores: 3 300 n a llz W; 500 n a 5 W; resistores para el procedimiento de puntos adicionales. Semiconductores: lN3020 (otra opción: cualquier diodo Zener de 10 V Y 1 W). Otros: interruptor de un polo un tiro; caja con diez resistores para la pregunta de los puntos adicionales.

Paso

VAS

2

0.0

6

5

3

2.0

6

10

4

6.0

6

20

4

7.0

6

30

4

8.0

6

40

6

50

,"

,

~

",'

Características voltaje-corrriente: polarización inversa 1.

'M!¡

,

.

2. 3.

4.

.

Arme el circuito de la figura 2-4. El interruptor S está abierto. VAA es una fuente de alimentación regulada, calibrada a O V. M es un multímetro de 20 000 n/V calibrado en el rango de la corriente más baja. Cierre S. Mida la corriente del diodo I, si la hay, con un VAA calibrado a O V. Anote los resultados en la tabla 2-1. Ajuste la salida de V AA de manera que el voltaje VAS medido en el diodo sea de 2.0 V. Mida la corriente del diodo. Anote los resultados en la tabla 2-1. Repita el paso 3 por cada valor de VAS que aparezca en la tabla 2-1. Cambie el intervalo de M según se requiera. Calcule la resistencia Rz del diodo (Rz = VAS/!) y anote los resultados obtenidos en la tabla 2-1.

6.

7.

,., 500

n

A

9.

(5 W)

+

10V 1W

DMM

VAS

1, mA

Rz

Ajuste el valor de VAA de manera que la corriente del diodo I sea de 2 mA. Mida el voltaje VAS del diodo y anótelo en la tabla 2-1. Calcule Rz y anote su valor en la tabla 2-1. Repita el paso 5 para todos los valores de corriente y anote los valores respectivos de VAS y Rz en la tabla 2-1.

.

Abra S interrumpiendo la alimentación al circuito. Ponga la salida de la fuente de alimentación en O V. Invierta la posición del diodo en el circuito. Cierre S. Mida y anote en la tabla 2-2 la corriente directa del diodo para cada nivel de voltaje VAS en la tabla. Calcule la resistencia directa RF = VAs/I k. Anote los resultados en la tabla 2-2. Con base en los resultados de las tablas 2-1 y 2-2, trace en papel cuadriculado una gráfica de: a) La corriente del diodo (eje vertical) en función del voltaje del diodo. b) Dibuje una gráfica amplificada de la corriente del diodo en función del voltaje dentro de la región Zener.

Paso 8

B ,

2.0

TABLA 2-2. Polarización

+

Paso

Rz

Características voltaje-corriente: polarización directa

8.

R

1, mA

5

5.

,

inversa

VAS:

M ,.

1, mA Figura 2-4. Circuito experimental para observar el efecto de la polarización inversa en un diodo Zener.


RF

O

directa

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

e

A R A

e

TER

Í

s TIC

TABLA 2-3. Regulación R

A

A

s o

E L

o 1o o o

Z EN E R

Iz, mA

IT' mA

15

de voltaje

VAB

Paso

VAA

500 (5 W)

11

20

VAB

10 V

lW

RL 3.3kn

DMM

12

VAB

+ 0.1

12

VAB

-

0.1

s


del diseño de un regulador de voltaje

Figura 2-5. Circuito del regulador de voltaje del experimento.

VAB

Rs

Iz, mA

RL

Vsal

10

e) Dibuje la gráfica de la resistencia del diodo en función del voltaje, tanto para la configuración de polarización inversa como la de polarización directa.

20 30

Puntos adicionales (opcional) El diodo Zener como regulador de voltaje 10.

11.

12.

.

Arme el circuito de la figura 2-5. El interruptor S está abierto. La salida de la fuente de alimentación VAA es igual a O V. M es el mili amperímetro calibrado para el intervalo de 100 mA. Cierre S. Aumente poco a poco el voltaje de alimentación VAA hasta que la corriente l z del diodo dé una lectura de 20 mA. Mida el voltaje de alimentación VAA y el voltaje VAB en la carga. Anote los resultados en la tabla 2-3. Mida la corriente total IT. Anote los resultados en la tabla 2-3. Calcule el intervalo de variación de VAB en el cual VAB es constante dentro de ± 0.1 V de su valor en el paso 1l. Mida la variación de lz e IT dentro de este intervalo; anote los resultados en la tabla 2-3.

13.

14.

15.

Diseñe un circuito regulador con una fuente de voltaje constante, VAA, y un diodo Zener cuyas características voltaje-corriente haya determinado de manera experimental. Se necesita que el regulador mantenga un voltaje de salida constante, Vsal' dentro de 0.2 V del valor promedio Vsal' y para corrientes de carga en un intervalo de 10 a 30 mA. Dibuje un circuito que muestre los valores de todos los componentes y voltajes. Explique cómo obtuvo estos valores. Pruebe el circuito y anote las mediciones en la tabla 2-4. Como carga variable utilice una caja de diez resistencias. .----Con un trazador de curvas observe las características de voltaje-corriente del diodo Zener. Fotografíe o dibuje la curva en el mismo papel cuadriculado del paso 9.


.

16


2

PREGUNTAS Compare la polarización de un diodo de unión (experimento 1) con la de un diodo Zener en una aplicación normal. 2. Compare la característica de voltaje-corriente de la gráfica del diodo Zener del paso 9a) de este experimento con la de la figura 2-2. Explique las diferencias. 3. ¿Qué p.arte de las características de un diodo Zener es la más útil en las aplicaciones de regulación de voltaje? ¿Por qué? 1.

4.

5. 6.

a) ¿Cuál es la importancia de la gráfica del paso 9b)? b) ¿Cómo se utiliza la gráfica del paso 9b) en el di-

seño de un regulador que emplea un diodo Zener de 10 V? Con base en la tabla 2-3 explique cómo funciona este circuito regulador. ¿El circuito regulador de la figura 2-5 permite compensar los cambios en el voltaje de entrada, VAA ' así como los de la corriente de carga, I L ? Explique.


EXPERIMENTO

~

LOCALIZACiÓN DE FALLAS EN UN REGULADOR ZENER


Existen métodos para ayudar al técnico a detectar problemas en un circuito electrónico que siguen uno de dos procesos básicos. Los dos procedimientos requieren conocimientos previos de qué se espera de un circuito. Sólo conociendo los parámetros del funcionamiento correcto de un circuito se puede determinar si hay un problema y, de ser así, en qué consiste. Un procedimiento para localizar fallas, conocido como seguimiento de seíiales, consiste en inyectar una señalo voltaje en la entrada y medir las señales, voltajes o corrientes del circuito de la entrada a la salida, hasta encontrar un valor incorrecto. El problema se reduce a una componente o parte situadas entre el último valor correcto y el valor incorrecto. Otro procedimiento también consiste en aplicar una señalo voltaje de entrada; sin embargo, en este caso las mediciones se realizan desde la salida, y se retrocede hacia la entrada hasta encontrar el primer valor correcto. El problema se localiza entre la última lectura incorrecta y el primer valor correcto.

Circuito regulador Zener ....................................... . La figura 3-1 muestra un circuito con diodo Zener que se utiliza para mostrar los dos métodos de localización de fallas. Este circuito consiste en un voltaje fuente de entrada VAA conectado entre una línea de referencia común o tierra GND, y un diodo rectificador de sil icio, D /. El resistor Rs es un re-


18


A

VAA

0,

8

3

Rs

-=-

e

°2

10 V

R,

t Vsal

!

Figura 3-1. Circuito del diodo Zener.

sistor limitador en serie que absorbe la diferencia de voltaje entre el ánodo de DI' Y el voltaje generado en la combinación en paralelo del diodo Zener D2 y la resistencia de carga Rv El diodo Zener regula el voltaje de RL en 10 V. Con una fuente de voltaje de 25 V, la diferencia de 15 V que hay entre VAA Y Vsal se aplica en DI y Rs. Los puntos de voltaje A, B Y e se miden en los puntos señalados en el circuito respecto aGND .

¡a;jPI

!"

"

1:

., .

Condiciones iniciales

.

'~

,

Para establecer si hay algún problema en este circuito es necesario conocer los valores correctos de voltaje y corriente del circuito. Una vez determinados, se pueden comparar con lecturas futuras y detectar diferencias para resolver problemas en el circuito. Los valores iniciales de Rs Y de RL son ambos 10 kil, y V AA se establece en 25 V. VA' el voltaje que está en el voltaje fuente vale 25 V, como era de esperarse. También, como se esperaba, el voltaje que se mide en el punto e (Ve, voltaje a través de RL) es 10 V, dado que D2 tiene que mantener el voltaje de la carga en ese valor. Observe que los dos voltajes medidos en los puntos A y e ocasionan que la polarización de DI sea directa puesto que el voltaje VA es más positivo que Ve' Para calcular el voltaje de VB utilice la segunda aproximación de un diodo (0.7 V) 'VA - 0.7 V

=

VB

25 - 0.7

=

24.3 V

Para resumir, los puntos de los voltajes críticos del circuito son: VA = 25 V, VB = 24.3 V y Ve = 10 V

ta. En este análisis, s, es igual a 100 kil Y RL a 1 kil. La primera vez que se activa el circuito el voltaje en Vsal mide menos que medio volt, lo cual indica que hay un problema en el circuito. Si se usa el método de seguimiento de señales, primero se mide el voltaje VA" Se lee 25 V, que es correcto. A continuación se lee el voltaje en VB' cuyo valor es de 24.3 V, también correcto. Por último, se mide Ve, cuyo valor es de 0.24 V. La última lectura cuyo valor fue correcto es en VB y el primer valor incorrecto es el de Ve. Esto indica que es muy probable que el problema esté entre VB y Ve- Note que la dificultad también podría originarse por efecto del circuito de carga (RL en este caso). Una vez aislada el área del circuito en donde se localiza el problema, deben realizarse otras pruebas para determinar cuál es el problema real. Con la fuente de alimentación apagada, se conecta un óhmetro para medir Rs y determinar si su valor es incorrecto (lo que ocurre en este ejemplo). Rs se cambia a 10 kil y se vuelve a probar el circuito verificando Vsal' Esta vez, la lectura de Vsal es 2.2 V. En las mediciones anteriores se determinó que los valores de VA y VB eran correctos antes de cambiar Rs. Es recomendable volver a verificar que la última lectura que se sabe que es correcta, todavía lo sea. Esto confirmará que el reemplazo de Rs se hizo bien y que no creó un nuevo problema. VB de nuevo 24.3 V. Dado que Rs es la única componente que hay entre VB y Ve- el problema debe localizarse en las componentes conectadas en el punto C. Para revisar rápido D2' se quita RL y se deja D2 conectado sólo al punto C. Como D2 es un diodo Zener de 10 V, si todo está bien, la salida deberá aumentar de inmediato a 10 V. De no ser así, la lectura será un valor diferente. La medición de Vsal después de quitar RL produce 10 V, lo que indica que D2 está bien. Al medir RL con un óhmetro se ve que RL vale 1 kil en vez de 10 kil. Al cambiar RL por 10 kil por fin se obtiene el valor correcto de Vs•I' Al invertir el proceso anterior, es decir, empezar por Ve y tomar lecturas en orden inverso, se llega a la misma área del circuito que tenía problemas. El tipo de procedimiento utilizado dependerá de la complejidad del circuito. De cualquier manera, habrá un flujo de señal en el circuito, que puede seguirse desde la entrada o la salida para tomar las mediciones en dirección al extremo opuesto.

RESUMEN

l. Análisis de los problemas de un circuito

2.

Para ejemplificar la aplicación del método de seguimiento de señales a fin de localizar fallas de este circuito, suponga que los valores de Rs Y RL se eligieron de manera incorrec-

Es necesario conocer el desempeño de un circuito para determinar si su funcionamiento es correcto. El seguimiento de señales es un procedimiento para localizar fallas y consiste en aplicar una señal de entrada adecuada y probar diversos puntos de un circuito hasta determinar en dónde está el problema.


L

3.

4.

oeA

L 1 Z A CIÓ N

oE

FA L L A S

Las áreas en donde puede haber problema se reducen a la porción e!1tre la última medición correcta y la primera incorrecta, o a un circuito o componente conectado con el punto donde se obtuvo la primera medición incorrecta. Una vez localizada el área del problema, se requieren más pruebas hasta descubrir el problema real, o la componente defectuosa.

AUTOEVALUACIÓN

....•.•.••......................... Evalúe su aprendizaje respondiendo a las siguientes preguntas. ¿Cuál de las componentes de la figura 3-1 tiene mayor probabilidad de estar si el valor del voltaje VB es O V Y el de VA es 25 V? 2. El voltaje Vsal es de un poco más de 12 V. El voltaje de V B es correcto y el voltaje de Ve es 12.2 V. ¿En qué consiste el problema? 3. El valor de VA' V B y Ve es de 24 V cada uno. Tanto Rs como R¿ miden 10 kW. ¿Cuál es el problema? 4. El valor de VA es 25 V, VB vale 15 V Y Ve vale 0.7 V. ¿Qué está mal en este circuito? 1.


E N

U N

RE G U L A

oo

R

Z E N E R

:> 19

20

EXPERIMENTO

3

PRG~EDIMIENTO ........ ................................................................ .......................................... ....... . ~ ~

~

Efectos de los cambios en la resistencia de carga ............................................. .

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación; fuente de cd regulada y variable Equipo: multímetro digital. Resistores: dos cajas de diez resistores. Semiconductores: un diodo rectificador de silicio 1N34A; un diodo Zener de 10 V, 1 W, 1N3020. Diversos: un interruptor de un polo y un tiro.

4.

5.

Parámetros del circuito ........................ . l.

Arme el circuito mostrado en la figura 3-2. El valor de

6.

Rs Y de R L es de 10 ka.

2.

3.

Ponga la fuente de voltaje VAA a 25 V. Calcule los valores esperados para el voltaje en los puntos A, B Y C. Anote los resultados de estos cálculos en la tabla 3-1, en la hoja de datos que está al final de este experimento. Mida y anote los voltajes VA' VB y Ve en la tabla 3-l. Explique la razón de las discrepancias entre lo que calculó en el paso 2 y las mediciones obtenidas en el paso 3.

Los diodos Zener están diseñados para mantener un voltaje independientemente de los cambios en las condiciones de la carga que se conecta en paralelo con ellos. Disminuya el valor de R L hasta que el voltaje V sal sea igual a 9.5 V (5 % del valor del voltaje nominal de D 2 ). Anote el valor de R L en la tabla 3-2. ¿Qué sucedería con V sal si R L se abriera? Desconecte uno de los extremos de R L , mida VA' VB y Ve y anote los valores. Explique los resultados de este paso. Con base en éstos, ¿cómo podría detectar el problema del circuito abierto? ¿Cómo detectaría la presencia de un corto circuito en la salida con base en los resultados del paso 5? El voltaje Ve debe ser O debido al corto circuito (Ve y GND tienen el mismo potencial). Vuelva a conectar R L y haga en él un corto circuito. Mida la corriente en el corto circuito. Anote el valor en la tabla 3-2. Mida la corriente en D 2 y anote el valor. Utilice la ley de Ohm para explicar las dos lecturas de corriente obtenidas en este paso.

Efectos de los problemas en D1 Y Rs ........................................... . D, A

lN34A

8

PRECAUCIÓN: Cuando trabaje esta sección, cerciórese de que el voltaje en VAA (25 V) no se aplique directamente a D 2 . ¿Qué pasaría con D 2 si se hiciera caso omiso de esta advertencia y todo el valor de VAA se aplicara a D 2 ?

e

D2 lN3020 10V. l W

Figura 3-2. Circuito del experimento con el diodo Zener.

TABLA 3-1 . Parámetros del circuito

Paso

2

2.5

Elimine el corto circuito que hay en RL • Invierta la posición de DI en el circuito. Mida el valor de VA' VB y Ve y anótelos en la tabla 3-2. Explique cómo se utilizan estas lecturas para decidir si el problema es, tá en DI' 8. Haga corto circuito sólo en DI' Mida VA ' VB y Ve y anótelos en la tabla 3-2. Explique cómo se utilizan estas lecturas para saber si DI está en corto circuito. 9 . Elimine el corto circuito e invierta la posición de DI para que el circuito vuelva a su condición original. 10. Aumente el valor de Rs hasta que el voltaje del punto e disminuya a 9.5 V (de nuevo 5% del voltaje regulado nominal). Anote el valor de la resistencia Rs en la tabla 3-2. 7.


L

TABLA 3-2. Resultados

Paso

de las características

Problema

VA. V

4

RL cambia

5

RL se abre

6

RL en corto circuito 25

7 8

25

VB

oe

A L 1Z A

e

1Ó N

del problema

kn kn

9.5

10

X

X

10

X

X

10

DI invertido

10

10

X

X

DI en corto circuito

10

10

X

X

X

X

Rs aumenta

25

12

Rs disminuye

25

14

VAA disminuye

15

VAA aumenta

9.5

10 10

5

9.5

10

10

X

X

10.5

10

10

X

X

l3.

14.

15.

16.

11.

12.

E N

U N

R E G U L A D

o

R

Z EN E R

21

.

102

O

10

O

Rs. 1L

FA L L A S

Efectos de las variaciones en la fuente de alimentación

Vo V

Rú

D E

Si Rs se abre, no llega corriente a RL ni a D2 y el voltaje Vsal es igual a O. ¿Qué sucede si se cortocircuita Rs? No haga corto circuito con Rs: ¡recuerde la nota de PRECAUCIÓN! Conforme Rs disminuye, D2 intentará mantener el voltaje Vsal igual a 10 V. ¿Qué ocurre con el valor de la corriente que circula en RL y D2 al diminuir el valor de Rs? Reduzca el valor de Rs a 5 k!1. Mida el valor de VA' VB y Ve, Y la corriente que pasa por RL (lL) y D2 (lD2) y anótelos en la tabla 3-2.

Otro problema posible de este circuito es la variación de los valores de la fuente de alimentación que se detectan midiendo el voltaje en el punto A. Algunos problemas son obvios, y otros no. La interrupción total del suministro de la fuente produce O Ven los tres puntos de voltaje. Suponga que Rs es igual a 10 k!1. Disminuya VAA hasta que el voltaje de Vsal sea 9.5 V. Anote el valor de VA en la tabla 3-2. Mediante la ley de Ohm explique por qué el voltaje de VAA produjo 9.5 Ven Vsal' Aumente poco a poco VAA hasta que el voltaje Vsal sea igual a 10.5 V. Mida el valor de VA y anótelo en la tabla 3-2. Reduzca de inmediato VAA a 25 V después de esta lectura. ¿Qué ocurriría con D2 si se aumentara aún más el valor del voltaje de la fuente? Regrese el circuito a su condición original. Pida a ayuda para introducir a propósito un problema en el circuito. Mida los tres voltajes de A, By C. Anótelos en la tabla 3-3. Compare estos valores con los que anotó en las tablas 3-1 y 3-2. A partir de estos valores, determine cuál es la falla en su circuito. Explique su evaluación y corrija el circuito.

TABLA 3-3. Problema

del circuito

PREGUNTAS 1. 2.

En el circuito de prueba, ¿cómo se detecta un problema relacionado con un circuito abierto? Use la ley de Ohm para explicar las dos lecturas de corriente del paso 6. ¿Cómo creó el corto estas dos corrientes?

3. 4.

¿Qué ocurre con el valor de la corriente. que pasa por RL y por D2 durante la prueba al disminuir el valor de Rs? ¿Qué sucederá con el tiempo al diodo Zener del circuito de prueba si VAA aumenta demasiado? ¿Cuál de las especificaciones del Zener es la que se rebasa?



EXPERIMENTO

~

DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS


El sentido de la vista es el que más utilizamos. Por ello, cuando se mencionan dispositivos capaces de transformar la luz en electricidad, nuestra imaginación remonta el vuelo. La optoelectrónica es una tecnología que combina la óptica y la electrónica. A este interesante campo pertenecen los diodos emisores de luz (LED, light emitting diode), las pantallas o displays de LED y los optoacopladores.

LED El diodo emisor de luz (LED) es una fuente luminosa de estado sólido. Los LED han reemplazado a los focos en diversas aplicaciones debido a las siguientes ventajas: 1. Consumen poco voltaje 2. Su vida útil es muy larga (más de 20 años) 3. Su tiempo de conmutación es muy breve (nanosegundos, ns)

En los diodos rectificadores de polarización directa, los electrones libres y los huecos se recombinan en la unión. Cuando un electrón libre cae en un hueco, desciende de un nivel de energía mayor a uno menor. Conforme esto sucede, el electrón radia energía en forma de calor y luz. Como el silicio es opaco (no es transparente), no existe la posibilidad de que la luz irradie al exterior.


24

EXPERIMENTO

4

A

+

~ , ••.111'1

FI_G /8

+5 V

100 í2

/

le

El

ÁNODO

o

~

(al

G

(bl

CÁTODO

= Figura 4-1. LED polarizado

Figura 4-3. a) lndicador mático.

de siete segmentos;

b) diagrama

esque-

directamente.

Configuraciones de LED

I~

t .t"il ~;; !p'líl

El caso del LED es diferente. En primer lugar, al fabricarlo se utilizan materiales semi transparentes en vez de silicio y en un LED con polarización directa, se irradia calor y luz cuando los electrones libres y los huecos se recombinan en la unión. Como el material es semi transparente, parte de la luz se irradia al medio externo. El símbolo esquemático de un LED se muestra en la figura 4-1. Mediante elementos tales como el galio, el arsénico y el fósforo, se producen LED que radian luz roja, verde, amarilla, ámbar o infrarroja (invisible). Los LED que producen radiación visible se utilizan en pantallas de instrumentos, calculadoras y relojes digitales. El LED infrarrojo se utiliza en sistemas contra robo y en otras áreas que requieren radiación invisible. La caída de voltaje característica de los LED es de 1.5 a 2.5 V para corrientes entre 10 y 40 mA. La caída de voltaje exacta dependerá del color, tolerancia y otros factores. Para realizar un análisis y diseño preliminares recurriremos a la segunda aproximación de un diodo con una tensión mínima de acti vación de 2 V. El valor de la especificación del voltaje inverso es baja; por ejemplo, el TIL221 (un LED rojo que se utilizará en este experimento) tiene un valor de voltaje inverso máximo de 3 V. Es decir, si por accidente se aplica un voltaje inverso mayor a 3 V se podrían destruir o degradar las características del LED. Una manera de proteger un LED es conectar en paralelo un diodo rectificador, como el de la figura 4-2. El voltaje de barrera del diodo rectificador de 0.7 V evita que el voltaje inverso del LED rebase este valor.

+5 V !I

L

1_1.

Figura 4-2. Protección

de un LED contra polarización

inversa.

Una configuración de LED es un grupo de LED que despliega números, letras y otros símbolos; la más común es la pantalla de siete segmentos de la figura 4-3a). La pantalla tiene siete LED rectangulares (de la A a la G) y cada uno de se llama segmento porque forma parte del carácter presentado en la pantalla. La figura 4-3b) muestra el diagrama esquemático, donde un voltaje positivo alimenta todos los ánodos. Al aterrizar con una resistencia limitadora de corriente uno o varios cátodos se pueden formar dígitos de O a 9, así como la mayoría de las letras del alfabeto y algunos signos de puntuación. Por ejemplo, si se aterrizan los cátodos de A, B YC, aparece un 7 en la figura 4-3a). O bien, si se aterrizan los cátodos de A, B, C, D Y G, se obtiene un 3. También hay arreglos de siete segmentos que tienen configuración de cátodo común, en la cual se utilizan voltajes de ánodo para activar los segmentos.

Fotodiodos

.

La corriente de un diodo con polarización inversa es pequeña debido a sus portadores minoritarios. La cantidad de éstos dependerá de la temperatura y de la luz que incida en la unión. Cuando la base de un diodo es opaca, la luz externa no llega a la unión; por lo tanto, no se detecta ningún efecto fotoeléctrico (transformación de la luz en electricidad). En cambio, si la base del diodo es de vidrio, la luz que entra modifica la cantidad de corriente inversa. Los fotodiodos son óptimos por su sensibilidad a la luz. En estos diodos, una ventana de vidrio permite que la luz pase a través de la base y llegue a la unión. La luz incidente produce electrones libres y huecos; es decir, la luz aumenta la cantidad de portadores minoritarios. Cuanto más intensa sea la luz, mayor será la cantidad de portadores minoritarios producidos. En la figura 4-4 se muestra el símbolo esquemático de un fotodiodo; las flechas que entran representan la luz que incide. Observe también que la polarización del fotodiodo es inversa. De esta manera, si la intensidad luminosa au-


o 1S P O S 1T 1V O S

OP TO ELE

e T R Ó N 1e O S

25

RESUMEN

l.

Figura 4-4. Fotodiodo con polarización inversa.

menta, la corriente inversa se incrementa. Ésta es pequeña, en general, unas decenas de microampers. El fotodiodo es un ejemplo de fotodetector, dispositivo capaz de convertir la luz que incide en electricidad. (Otros foto detectores son las fotorresistencias, los fototransistores y los foto-Darlingtons .)

Optoacopladores ................................. . Un optoacoplador combina, en una misma base, un LED y un fotodetector. La figura 4-5 muestra un acoplador formado por un LED y un fotodiodo: el primero está a la izquierda y el segundo, a la derecha. El voltaje que alimenta al LED fuerza la circulación de la corriente a través del LED. La luz que éste emite incide en el fotodiodo y crea una corriente inversa que pasa por el resistor R 2 . El voltaje del fotodiodo es

En un LED los electrones libres y los huecos se recombinan en la unión, para producir calor y luz. Como se utilizan materiales semitransparentes, parte de la luz irradia al exterior. 2. Con el uso de diversos materiales, un fabricante puede producir LED que emiten luz roja, verde, amarilla e infrarroja. 3. El voltaje típico en un LED es de 1.5 a 2.5 V, con corrientes de 10 a 40 mA. 4. Las ventajas de los LED son bajo voltaje, larga duración y rápida conmutación entre el encendido y el apagado. 5. La configuración más común de LED es el indicador de siete segmentos, pues permite desplegar números de O a 9, así como algunas letras del alfabeto. 6. Un fotodiodo se optimiza por su sensibilidad a la luz. En este tipo de diodo, la luz pasa por la unión y donde produce electrones libres y huecos . Cuanto mayor sea la intensidad luminosa, mayor será la corriente inversa. 7. Un optoacoplador c
(4.1)

Este voltaje de salida dependerá de la magnitud de la corriente inversa. Si se modifica el voltaje que alimenta al LED, varían la intensidad luminosa, la corriente del fotodiodo y, en consecuencia, V,al. Si la corriente del LED tiene una variación de ca, V,al tendrá la misma variación de ca. La principal ventaja del optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre el circuito del LED y el circuito del fotodiodo; es común que la resistencia entre el circuito de entrada y el de salida sea mayor a los 10 10 fl. Por ello, el optoacoplador también se conoce como "optoaislador"; el único contacto entre los circuitos de entrada y de salida es el haz luminoso.

+

-=- vss

AUTOEVALUACIÓN

....................••••••..••.•.•• Responda las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje. En un LED polarizado directamente, se irradia luz cuando los electrones libres y los huecos se _ _ _ __ en la unión. Es característico que la caída de voltaje de los LED sea de 1.5 a 2.5 V para una corriente de lOa _ __ _ _ mA. 3. La configuración más común del LED es el indicador de _ _ __ _ 4. El fotodiodo se optimiza por su sensibilidad a _ _ ___ . Debe polarizarse _ _ _ __ 5. Un optoacoplado: conjunta un y un fotodetector. 6. La principal ventaja del optoacoplador es su _ _ ___ eléctrico. 1.

Figura 4-5. Circuito optoacoplador.


26


4

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

TABLA 4-1. Datos del LEO

NECESARIO

l, mA

Dos fuentes de alimentación: una de 15 V Y otra ajustable, de 1 a 15 V por lo menos. Equipo: multímetro digital, multímetro. Resistores: dos de 270 n a 1 W. Diodo: 1N914 (o un diodo de pequeña señal equivalente). LED rojo: TIL221 (otras opciones: Litronix RL-2000, o cualquier otro LED rojo capaz de soportar hasta 40 mA). LED verde: TIL222 (otras opciones: cualquier LED verde capaz de soportar hasta 50 mA). Pantalla de siete segmentos: TIL312 (o su equivalente más cercano). Optoacoplador: 4N26 (o su equivalente más cercano).

Vrojo

V

Vverde

V

10 20 30 40

Datos para un LED verde 5.

..

Datos para el LED rojo

-"

6. 1.

,

.

"

2. '~I

3.

4.

Revise el LED rojo. Observe que un lado de la base tiene un extremo plano. Aquí se encuentra el cátodo. (En muchos LED la conexión del cátodo es ligeramente más corta que la del ánodo. Ésta es otra manera de identificar al cátodo.) Arme el circuito de la figura 4-6 utilizando un LED rojo. El multímetro se conecta como amperímetro para medir la corriente del LED. El voltímetro mide ~I voltaje del LED. El IN914 protege al LED contra la aplicación accidental de un voltaje inverso. Ajuste el voltaje de la fuente, Vs, de manera que haya 10 mA en el LED. Anote la lectura del voltaje del LED en la tabla 4-1. Ajuste el voltaje de la fuente hasta obtener las corrientes restantes de la tabla 4-1. Anote cada voltaje de los LED.

8.

9. 10.

2700.

+

'1 '

11.

~ lN914

TIL221

En el circuito de la figura 4-6, cambie el LED rojo por el verde. Repita los pasos 3 y 4 para el LED verde.

Uso de una pantalla de siete segmentos 7.

.

.

La figura 4-7a) muestra las conexiones de la pantalla de siete segmentos que se utiliza en este experimento (vista superior). Cuenta con punto decimal a la izquierda (LDP, left decimal point) y punto decimal a la derecha (RDP, right decimal point). Arme el circuito de la figura 4-7b). La figura 4-7c) muestra el diagrama esquemático de TIL312. (Si emplea un componente distinto, su instructor le proporcionará un diagrama con los números de conexión correctos.) Aterrice las conexiones 1, 10 Y 13. Si el circuito trabaja correctamente, aparecerá el dígito 7. Desconecte la tierra de las conexiones 1, 10 Y 13. Observe las figuras 4-7a) y c). ¿Qué conexiones hay que aterrizar para que aparezca un O? Aterrice estas conexiones y si el circuito funciona correctamente, anote los números en la tabla 4-2. Repita el paso 10 para los dígitos que faltan, de 1 a 9, y para los puntos decimales.

1"

Figura 4-6. Circuito para los datos de un LEO.


D 1S P O S 1T 1 V O S

1

O P T O E L E

eT

R Ó N 1e O S

27

14

A

2

13

270n

3

+ 5V

11

10 6

9

7

8 (a)

(b)

3

A

LDP 6

B

e

13

10

D

E

2

7

8

F

G

11

RDP 9

(e)

Figura 4-7. a) Terminales

del TIL312; b) circuito del TIL312; e) diagrama

esquemático.

TABLA 4-2. Indicador de siete segmentos

Pantalla

Terminales aterrizadas

270 n

5

270n

O 4N26

lN914

1

2

2

4

(a)

3 4 5 6 7 8

(b)

9 Figura 4-8. a) Circuito de un optoacoplador; senoidal.

LOP

b) circuito con fuente

ROP

Gráfica de la transferencia optoacoplador 12.

de un .

Arme el circuito de la figura 4-8a). Ajuste la fuente de voltaje a 2 V. Mida y anote el voltaje de salida (tabla 4-4).

13. 14.

Repita el paso 12 para los voltajes de la fuente de alimentación indicados en la tabla 4-3. Trace la gráfica de transferencia, Vsal' en función de Vs, del optoacoplador con los datos de la tabla 4-3 en la gráfica 4-1.


28

EXPERIMENTO

4

TABLA 4-3. Optoacoplador

Vs, V

VSa],

V 14

2 12

4

10

6 8 4

10

2

12 14

Vsal (V)

Gráfica

4-1. Optoacoplador.

PREGUNTAS 1. 2. I

~ ,••

3.

4.

5.

¿Cuál es la caída de voltaje en el LED rojo cuando la corriente es de 30 mA? Comente cualquier cambio en la brillantez del LED conforme varía la corriente que pasa por él. Suponga que invierte el voltaje de la fuente de la figura 4-6. Si Vs = -15 V, ¿aproximadamente qué voltaje está presente en el LED? Explique de qué manera protege el diodo de silicio al LED. ¿Cuál es la caída de voltaje en el LED verde cuando la corriente es 30 mA? Compárela con el voltaje del LED rojo para la misma corriente. Suponga que en la figura 4-7b) se trata de desplegar un 8. Si la caída de voltaje entre la terminal 3 y la tierra es de 1.6 V, ¿cuánta corriente hay en el resistor de 270n?

6. 7.

8. 9. 10. 11. 12.

Si en todos los LED de la pregunta 5 circula la misma corriente, ¿cuánta corriente utiliza un solo LED? ¿Qué letras de la palabra "CATNAP" no aparecen correctamente? Suponga que tanto las letras mayúsculas como las minúsculas son aceptables El indicador de siete segmentos despliega ell con más brillo que el 8. Explique la razón. ¿Cómo se puede rediseñar el circuito de manera que el 1 yel 8 tengan el mismo brillo? ¿Por qué se utiliza el lN914 en la figura 4-8a)? ¿Cuánto varía el voltaje de salida en la figura 4-8a) cuando la fuente de alimentación cambia de 4 a 6 V? Suponga que la fuente senoidal de la figura 4-8b) tiene un valor pico a pico de 4 V. Describa el voltaje de salida, Vsal'

.,'


EXPERIMENTO

~

LIMITADOR DE DIODO Y FIJADOR DE NIVEL DE DIODO


OBJETIVOS

En el campo de la electrónica es frecuente la necesidad de cuadrar los extremos de una señal de ca o de limitar un voltaje en ca dentro de ciertos niveles predeterminados. El dispositivo electrónico utilizado para esto se conoce como "Iimitador". Con su ayuda se puede transformar una onda senoidal en una onda rectangular; también se puede limitar el semicic10 negativo o positivo de un voltaje en ca, o ambos, y también se pueden realizar otras útiles funciones de conformación de onda.

Determinar la relación entre una entrada tipo onda senoidal y la salida en forma de onda de los limitadores de diodo conectados en serie y en paralelo.

Limitadores de diodos en serie ............................. . El comportamiento unidireccional de la corriente de algunos diodos semiconductores permite que los diodos en serie sirvan como limitadores. Considere el circuito de la figura 5-la). Con un generador de ca se alimenta un voltaje senoidal, Vent , a un diodo conectado en serie con un resistor R. En la figura 5- lb), el voltaje de entrada, Vent> Y el voltaje de salida, vsal ' se muestran con la fase de tiempo adecuada. Durante el semicic10 positivo, el cátodo del diodo es positivo en relación con su ánodo; es decir, el diodo está polarizado inversamente. Por lo tanto, no hay flujo de corriente en el circuito y la salida Vsal en R es O. Durante el semicic10 negativo, el diodo está polarizado directamente y funciona como un interruptor cerrado que permite el paso de la corriente en R. El voltaje en R es igual al semicic10 negativo, menos la caída de voltaje directo del diodo.


Observar el efecto en la onda de salida de los limitadores de diodo con polarización directa e inversa. Observar el efecto en la on.da de salida de los fijadores de nivel por diodo negativo y positivo.

30


5

01 R

A

01

+ B

Figura 5-1. Diodo semiconductor positivo de una señal de ea.

¡ •~

(a)

(b)

(a)

utilizado para limitar el semiciclo

Este sencillo circuito constituye un limitador en serie positivo; es "positivo" debido a que el semiciclo positivo está limitado o fue eliminado de la salida. Se llama "limitador en serie" porque la salida obtenida en el resistor de carga R está en serie con el diodo. La figura 5-2a) muestra que el diodo conectado en serie también se puede usar como limitador negativo si se invierte la polaridad del diodo en el circuito. Las ondas de la figura 5-2b) muestrari que durante el semiciclo positivo el diodo tiene polarización directa, y permite que la corriente fluya en R. El voltaje presente en R es positivo, y sigue a los semiciclos de entrada. De nuevo hay una caída de voltaje en el diodo. Durante el semiciclo negativo el diodo tiene polarización negativa. No hay corriente. Por lo tanto, tampoco hay voltaje en R. Es decir, el diodo conectado en serie de la figura 5-2 es un limitador negativo.

(b)

Figura 5-3. Diodo conectado semiciclo negativo.

en paralelo que se usa para limitar el

Durante el semiciclo positivo, la polarización del diodo DI es inversa y tiene una elevada resistencia inversa, RR' R YRR forman un divisor de voltaje. Si R es mucho menor que RR, prácticamente todo el semiciclo positivo aparece como voltaje de salida, v,al, en el diodo (figura 5-3b), Durante el semiciclo negativo, DI está polarizado directamente. El diodo se comporta como un interruptor cerrado. Es decir, el diodo conductor se comporta de manera ideal como si fuera un corto circuito, Por lo tanto, en el diodo no aparece ningún voltaje, como en la figura 5-3b). Puesto que el semiciclo negativo fue eliminado (limitado) de la salida, la figura 5-3a) es un ejemplo de un limitador negativo. Invirtiendo la polaridad del diodo, el limitador de diodo en paralelo de la figura 5-4 sirve para eliminar el semi ciclo positivo.

'~, Limitadores en paralelo polarizados: limitación parcial '1'

Limitadores de diodos en paralelo .....•.... El circuito de la figura 5-3a) es un ejemplo de un limitador de diodo conectado en paralelo. Se llama limitador en paralelo dado que la salida está en paralelo con el diodo.

El circuito de la figura 5-5 logra un límite parcial de los semiciclos negativo y positivo respectivos de una onda senoidal de entrada. El diodo DI de la figura 5-5 está polarizado inversamente con la batería VAA' la cual mantiene el voltaje del ánodo

A

+

Vent

+ rv ~ 1.1

R

R

,.~~

Vsal

rv

+TS

Vent

"

Vsal

B

(a)

(b)

Figura 5-2. Diodo conectado en serie que se usa para limitar el semiciclo negativo de una señal de ea.

,

VsaJ

Vsal

"

1

02

Vent

(a)

-

Figura 5-4. Diodo conectado semiciclo positivo.


V (b)

en paralelo que se usa para limitar el

L 1M 1TA D O R

DE

DIO D O

Y F 1J A D O R

D E

N 1V E L

D E

DIO D O

31

negativo que el ánodo, el diodo conduce, y limita la parte del semi ciclo negativo que se encuentra entre - VAA y el pico de -VM .

R

D,

Limitadores de doble diodo polarizados VAA

-=-

+

(a)

(b)

Figura 5-5. Diodo en paralelo polarizado que limita parcialmente el semiciclo negativo.

VAA negativo respecto a su cátodo. Durante el semiciclo positivo del voltaje de entrada, Ven!' el cátodo de D¡ se mantiene positivo. El diodo actúa como interruptor abierto y el semiciclo positivo aparece en la salida (figura 5-5b) . Durante el semiciclo negativo el cátodo se vuelve negativo; sin embargo, el diodo no conduce sino hasta que Ven! es más negativo que el voltaje .de polarización, VAA , el cual mantiene negativo el voltaje del ánodo, VAA- Por lo tanto, la parte del semiciclo negativo que es menos negativa que VAA aparece a la salida. Cuando el semi ciclo negativo de Ven! alcanza el nivel donde es más negativo que VAA , el cátodo se vuelve más

En la figura 5-6a) se muestran dos limitadores de diodo polarizados conectados (en paralelo) de manera que el circuito se comporta como limitador parcial, tanto del semiciclo positivo como del negativo. El diodo D¡ conduce cuando el voltaje Ven! alcanza un valor negativo mayor que VKK ¡, Y limita el semiciclo negativo al valor de VKK ¡. El diodo D2 conduce cuando Ven! alcanza un valor positivo mayor que VAA2' con lo cual limita el semi ciclo positivo al valor VAA2' Puede observarse en la onda de la figura 5-6b) que el circuito de la figura 5-6a) convirtió una onda seno id al en una onda que se aproxima bastante a una onda cuadrada; es decir, se cuadraron los extremos de la onda senoidal.

Fijador de nivel mediante diodo ............. . Ellimitador de diodo o recortador (como se le conoce también) modifica la onda de entrada limitando o "recortando" parte de la onda. Otros circuitos de diodo, conocidos como ¡imitadores (o restauradores de cd) no modifican la forma de la onda de entrada, sino que le añaden un nivel de cd. Existen fijadores de nivel positivos, negativos y polarizados.

R

Fijador de nivel positivo

(a)

El efecto de un fijador de nivel positivo en una forma de onda de ca O V como su eje se puede observar en la figura 5-7. El fijador de nivel agregó +5 V de cd a la onda de 10 V pp (pico a pico). El resultado es que la forma de onda de entrada, que varió entre + 5 Y - 5 V, aparece a la salida del circuito como una señal que varía entre O y + 10 V, Y su eje está en +5 V de cd. La onda de salida se comporta como si se hubiera conectado una batería de +5 Ven

(b)

Figura 5-6. Limitador de doble diodo polarizado.

+5f\A

"v

0----

- 5

R

D

ENTRADA

Figura 5-7. Diagrama del circuito de un fijador de nivel positivo.


32

E X P E R1M E N T O

5

+1:0_ 6 _ -15

. . -V- -\j

rv

R

D

ENTRADA

SALIDA

-1:~ "'-V-"\} -30

Figura 5-8. El fijador de nivel negativo añade un eje -cd a la onda.

+1:6 _D_ -10 ....

::~~

-V-V

-17V ....

-V-V

Figura 5-9. Fijador de nivel con polarización negativa.

serie con la entrada. El circuito funciona como sigue: durante el semiciclo negativo de la onda senoidal de entrada de 10 V pp, el cátodo del diodo D tiene un valor negativo respecto de su ánodo; por lo tanto, D conduce y carga a e a través de la resistencia de valor bajo del diodo con polarización directa. El capacitor e se carga hasta el valor pico del semiciclo negativo, S V, con la polaridad mostrada en la figura S-7. Durante el semiciclo positivo D está en corte puesto que su cátodo es positivo respecto al ánodo. Cuando se corta D, el capacitor e trata de descargarse a través de R. Sin embargo, si la constante de tiempo Re es grande en comparación con el periodo de la onda senoidal, el capacitor perderá muy poca cargz y mantendrá los S V. En consecuencia, cuando llega el semiciclo negativo del segundo ciclo, el voltaje positivo de e cancela el voltaje negativo de entrada y el diodo D no conduce. NOTA: se considera que una constante de tiempo, Re, es grande cuando es igualo mayor que diez veces el periodo, t, de

la onda de entrada. Es decir Re;? lOt

(S.I)

y

1

t=-

F

(S .2)

donde t está en segundos (s) y F es la frecuencia.de la onda senoidal medida en hertz (Hz). Un ejemplo numérico servirá para ilustrar esta afirmación. Si la frecuencia de la onda de entrada es 1 000 Hz, entonces t

= 1 O~O = 1 X 10- 3 segundos (s)

(S.3)

Por lo tanto, el producto Re debe ser igualo mayor que 10 X 10- 3 s. La explicación anterior del circuito debe modificarse para reflejar el hecho de que en e se pierde un pequeño porcentaje de carga durante el semiciclo positivo. En consecuencia, el voltaje neto de e no es +S V, sino un poco menor. Esta pérdida se compensa, durante los picos del semiciclo negativo, cuando el cátodo de D es suficientemente negativo para activar el diodo D, y recargar e hasta su nivel de +S V.

Fijador de nivel negativo

Un fijador de nivel negativo suma un nivel de cd negativo a una señal de ca. Esto se logra al invertir la polaridad del diodo, como en el circuito de la figura S-8. En este circuito, e se carga durante el semiciclo positivo de la señal de entrada. Si la señal de entrada varía entre + 15 y -ISV, el efecto neto es cargar e hasta -lS V. La onda de salida ahora varía entre O y - 30 V; un multÍmetro calibrado en volts de cd indicará que en la salida hay -lS V.


L 1M 1TA D O R

DE

Fijador de nivel polarizado

12.

La figura 5-9 muestra un fijador de nivel negativo polarizado. En este caso, una batería de 3 V polariza el cátodo a + 3 V. Como D no puede conducir hasta que su ánodo sea positivo en relación con el cátodo, el diodo debe esperar hasta que el semicicJo positivo de la entrada aumente a más de + 3 V en el ánodo. Entonces el diodo conduce entre los niveles de +3 V Y + 10 V de la señal de entrada de la figura 5-9. En consecuencia, el capacitor C se carga hasta - 7 V. Después de esta carga inicial, el comportamiento del circuito es similar al de la figura 5-8. El nivel de la onda de salida se fija abajo de + 3 V (figura 5-9) y varía entre + 3 Y -17 V. Es posible hacer otras configuraciones de fijadores de nivel, por ejemplo, los fijadores con polarización positiva. Su funcionamiento se analiza en la misma forma que la del fijador de nivel de la figura 5-9.

RESUMEN

1.

2. 3. 4.

5.

6. 7.

8.

9.

10.

11.

DIO D O

Un limitador de diodo en serie es un circuito en el cual la salida está conectada en serie con el diodo. Un limitador de diodo en paralelo es aquél en el cual la salida está conectada en paralelo con el diodo. Un limitador positivo elimina o limita el semiciclo positivo de una onda de salida. Cuando se limita o se elimina el semicicJo negativo de una onda de salida, el circuito que lo logra se llama limitador negativo. La limitación con diodos es posible debido a la baja resistencia directa y la elevada resistencia inversa de un diodo . Ellimitador positivo en paralelo presenta una resistencia infinita durante el semicicJo negativo de una onda. Un limitador de diodo polarizado es aquél en el cual se conecta una fuente de polarización externa, al ánodo o al cátodo del limitador de diodo, como se muestra en la figura 5-5. El circuito de la figura 5-5 es un limitador en paralelo con polarización negativa, que limita parte del semi ciclo negativo. En esa parte, que es más negativa que - VAA , el voltaje polarizado queda excluido de la salida. El circuito de la figura 5-5 funciona de la misma manera que el limitador en paralelo, excepto que la acción limitadora se retrasa hasta que se alcanza el voltaje de polarización. El fijador de nivel de diodo no modifica la forma de la señal de entrada, sólo añade un nivel de cd a una onda de ca. Un fijador de nivel positivo añade un nivel de voltaje positivo a la señal; un fijador negativo añade un nivel de voltaje negativo.

Y F 1J A D O R

D E

N 1V E L

D E

DIO D O

33

La polaridad del diodo determina si el circuito es un fijador de nivel positivo (figura 5-7) o un fijador de nivel negativo (figura 5-8).

AUTOEVALUACIÓN

••..............••••............... Responda a las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje. La entrada senoidal del circuito de la figura 5-1 tiene un valor pico positivo de +9 V Y un valor pico negativo de -9 V. La onda de salida, V sal ' se _ _ _ __ a V (aproximadamente). 2. El voltaje pico a pico de la onda senoidal de la figura 5-3 es de 20 V. Es decir, los límites pico positivo y negativo respectivos son de + 10 Y -10 V. El voltaje de salida varía entre y V (aproximadamente). Esta salida está en fase en el tiempo con el semiciclo de la onda de entrada. 3. En la figura 5-4, la onda de salida está en _ _ _ __ con el diodo D z. 4. En la figura 5-2, el diodo Dz actúa como un interruptor durante el semicicJo negativo. 5. En la figura 5-3 el diodo DI actúa como un interruptor durante el semiciclo negativo. 6. La onda senoidal de entrada del circuito de la figura 5-5 varía entre los valores pico + 15 Y -15, Y si VAA = 7 V, vsal variará entre los límites de _ _ _ __ y V. 7. En el circuito de la figura 5-6 el voltaje de entrada varía entre +9 y - 9 V pp. La salida varía entre +6 y -5 V. Si se considera que tanto DI como Dz son interruptores ideales (resistencia cero al conducir), entonces VKKI = V Y VAAZ = V. 8. En el circuito de la figura 5-7 , la onda varía entre + 12 Y -12 V. El nivel de cd de la salida medirá V. La onda de salida variará entre 1.

_____ y _ _ _ _

9.

v.

La frecuencia de la onda de entrada de la figura 5-8 es de 60 Hz. Para que el circuito actúe como un fijador _____ el valor de RC ~ s.


34


5

PROCEDIMIENTO

.....................•.••••••••...•..••........•..•.•.••••...•....•••••..............•••.....•••••••.••......................

.11

J

1

,~

11.. 111 II

II

11 •.

,11

MATERIAL

NECESARIO

l'

1

Fuente de alimentación: fuente de cd variable y regulada; fuente senoidal de 18 V pp derivada y aislada de la línea. Equipo: osciloscopio, EVM. Resistores: 120000 n a lh W. Semiconductores: dos lN5625. Otros: dos interruptores de un polo un tiro; un potenciómetro de 2500 n a 2 W; las componentes necesarias para el paso 16 de los puntos adicionales.

Limitador en serie l.

2.

.

, '

.~,

3. I;I~

y

X'---r~--+---'---~--~~-+--~+----X

.

Si la calibración del osciloscopio que va a emplear es vertical, establezca los controles del osciloscopio para la ganancia vertical en una sensibilidad de 5 V por cada división grande. Arme el circuito de la figura 5-la). DI es un diodo lN5625. R = 120 000 n. El voltaje de entrada, Vent, aislado de la línea, es de 18 V pp Y 60 Hz. Conecte la entrada vertical del osciloscopio en Vent Y utilice este voltaje para la activación o sincronización externa del osciloscopio, como en la figura 5-10, o utilice la activaciónlsincronización por línea (sincronización). Ajuste los controles de Tiempo/div. (barrido) y activación (sincronización) para dos o tres ciclos. Centre éstos respecto a los ejes x y y, como en la figura 5-11. El ciclo indicado por MN (figura 5-ll y la tabla 5-1) actúa como onda de entrada de referencia, Vent, durante las mediciones de fase.

y' Figura

5-11. Onda senoidal centrada

en los ejes

x y y.

Si cuenta con un osciloscopio de doble trazo, podrá realizar las mediciones de fase directamente. Utilice vent para la activación externa, como en el paso 2. Aplique Vent' la señal de referencia, a la entrada del canal vertical 1 y vsa!' la señal de salida, al canal vertical 2. Ajuste el control Tiempo/div. a dos o tres ondas, como hizo antes. NOTA:

TABLA 5-1. Limitador en serie

V Paso

pp

Onda

+9V

,

o

1.1

1.

3 SINCR. EXT.

Vent

AISLADO DE LÍNEA DE 18 V pp

-9 +9

v

l'

4

TIERRA

del osciloscopio

O -9 +9

5 Figura 5-10. Conexión miento del circuito.

O

O

para observar el funciona-

-9


V M

<,

r-, /N

L 1 M 1 T A DaR

4.

D E

DIO

Conecte la entrada vertical del osciloscopio en R. Observe y mida la amplitud. Anote en la tabla 5-1 el V,al de la onda de salida en fase temporal con el voltaje de entrada. Invierta el diodo de manera que esté conectado como D2 en la figura 5-2a). Cerciórese de que la onda de entrada siga centrada como en el paso 1. Observe y mida la onda de salida. Dibuje esta onda en la tabla 5-l.

5.

D O

Y

F 1J A D O R

D E

N 1V E L

D E

DIO

D O

35

Limitador de doble diodo polarizado 8.

Conecte el circuito de la figura 5-12. Los interruptores SI y S2 están abiertos. Ponga la salida de la fuente de alimentación de cd regulada, VAA, a 10 V, dejando el brazo variable del potenciómetro, el punto B, en el centro de su intervalo. Es decir, el brazo se coloca de manera que el voltaje en cd medido entre F y B (V F8) sea igual al voltaje en cd medido entre B y G (V8Ú Por lo tanto VF8 = V8G = 5 V

PRECAUCIÓN:

Limitación en paralelo

0

••••••••••

0

••••••

Arme el circuito de la figura 5-3a). Use el mismo DI y los valores de R y de Vcnt anteriores. Observe y mida la onda de voltaje de salida, V,al' como lo hizo en los pasos 1 y 2. Dibuje esta forma de onda en la tabla 5-2. Invierta DI como en la figura 5-4a). Observe y mida la salida de voltaje en forma de onda Vsal' Registre esta forma en la tabla 5-2.

6.

7.

la fuente de alimentación

no debe estar ate-

rrizada.

9.

El voltaje VAA debe medirse entre las terminales positiva y negativa, con esta última "flotando". Observe Vent en el osciloscopio para verificar que la onda de referencia siga centrada, como en la tabla 5-2. Conecte el osciloscopio con las terminales de salida AB. Cierre SI' Observe y mida la onda de salida, vsal' Dibújela en la tabla 5-2.

TABLA 5-2. Limitador en paralelo

v Paso

V

pp

Onda

+9V Vent

O

-9 6

+9 V

'-

./

O -9 12

O

O

-9

-9

+9

+9 13

-9

+9

+9 14

-9

+9

+9 15

O -9

+9

.

O

-9

-9

11

O

-9

O

10

Onda

+9

O

9

<,

pp

+9

O

7

r

Paso

O -9


V <, <, ./

.

36

~,

IL

E X P E R I M E N T O

5

120 kn

,11

A

13.

1

RI

~I

DI

I II !I.. ,,1

14. SI

l'

VAA

t--+-I AISLADO DE lÍNEA 18 V pp

1\ 1-------'

15.

10V

2.5 kn F

Disminuya el voltaje de VAA hasta 10 V. Con el osciloscopio conectado en la salida, observe el efecto en Vsai de la variación de R2 hacia ambos lados de su posición central. Establezca R2 de manera que la polarización medida en D, sea de +3 V Y en D2 de -7 V. Dibuje esta forma de onda en la tabla 5-2. Defina R2 de manera que la polarización en D, sea de +7 Vy en D2 de -3 V. Observe y mida Vs." Dibuje la onda en la tabla 5-2.

G

B

I

Ilffl-11

i illl,llij

Figura 5-12. Circuito del experimento larizado).

10. 11. 12.

''',,,1 --:

(Iimitador de doble diodo po-

Fijador de nivel (puntos adicionales)

.

16.

Verifique de manera experimental el funcionamiento de un fijador de nivel positivo y negativo. Explique con detalle los circuitos que utilizó, incluya todos los valores del circuito, la fuente de señal y el tipo de mediciones. Anote sus resultados en forma de tabla. (SUGERENCIA: emplee un osciloscopio de cd para comparar la variación entre las señales de entrada y salida y para medir el ni vel de cd de la salida).

4.

Calcule la corriente máxima que puede fluir por el potenciómetro de 2500 n, R2, de la figura 5-12. Muestre los cálculos respectivos. ¿En qué paso del experimento se necesita que la corriente en el potenciómetro R2 sea máxima? ¿Cuánto de esta corriente máxima está en R2? Muestre los cálculos respectivos.

Abra S,. Cierre S2' Observe y mida la onda de salida, Vsal' Regístrela en la tabla 5-2. Cierre S, y S2' Observe y mida la onda de salida Vsal' Dibújela en la tabla 5-2. Aumente en forma gradual el voltaje VAA hasta llegar a 18 V. Observe y mida Vs•l' Dibuje esta forma de onda en la tabla 5-2.

'~, PREGUNTAS 1.

2.

3.

,1

¿En un limitador polarizado existe alguna relación entre la amplitud de la onda de salida y el voltaje de polarización VAA? Justifique su respuesta con base en los datos de la tabla 5-2. En relación con las tablas 5-1 y 5-2 compare la amplitud y la forma de onda de las salidas de un limitador positivo en paralelo y en serie. En un limitador de diodo doble polarizado, ¿cuál es la relación, en caso de haberla, entre la amplitud de la onda de salida y los voltajes de polarización?

5.

l' 1< I

¡, I


EXPERIMENTO

~

RECTIFICACiÓN DE MEDIA ONDA Y DE ONDA COMPLETA


Los voltajes y corrientes en cd y ca sirven para alimentar a una gran variedad de dispositivos electrónicos. Dado que la energía eléctrica de ca es más eficiente y su transmisión es más económica, en general, es la que transmiten y entregan las empresas de suministro de energía eléctrica. Es necesario rectificar (modificar) esta energía de ca, cambiándola a voltajes y corrientes en cd. Este experimento maneja los medios electrónicos que permiten lograr la rectificación. La corriente directa es una corriente que fluye sólo en una dirección. Un diodo con características de corriente unidireccional se presta en forma admirable para realizar la rectificación, ya que sólo permite el flujo de la corriente en una dirección. Los rectificadores de silicio, selenio, germanio y óxido de cobre son dispositivos de estado sólido que se utilizan como rectificadores de alimentación. Se utilizará un rectificador de silicio, que es el tipo con más amplio uso en la electrónica actual.

Rectificador de silicio ......................................... .. Un rectificador ideal se comporta como un interruptor cerrado de resistencia cero cuando tiene polarización directa y como un interruptor abierto de resistencia infinita cuando tiene polarización inversa. Es decir, está ENCENDIDO cuando su ánodo es positivo respecto del cátodo, APAGADO cuando el ánodo es negativo respecto del cátodo. Si bien esta situación ideal


38

EX PER I M EN T O

6

1.4 1.2 1.0 0.8

AMPERE S

0.6 0.4

POLARIZACiÓN EN INVERSA VOLTS

500

400 300

200

(a)

(b)

(e)

0.2

Figura 6-2. Tipos de rectificadores de silicio.

100 0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

2

Especificaciones del rectificador de silicio 4

MICROAMPERES

Las características de un rectificador que por lo común proporciona el fabricante incluyen:

6 8

NOTA: SE CAMBiÓ LA ESCALA DE LA 10 POLARIZACiÓN EN INVERSA

Figura 6-1. Característica volt-amper de un rectificador de silicio.

nunca ocurre en realidad, el rectificador de silicio se aproxima mucho a ella. La figura 6-1 muestra la característica volt-amper de un rectificador de silicio. Cuando está polarizado directamente, el rectificador tiene una resistencia directa en extremo baja, RF . En la gráfica se observa que cuando hay 0.6 V en el diodo, éste permite el paso de una corriente de 0.2 A a través de una resistencia directa RF = 0.6/0.2 = 3 n . Cuando hay 0.8 V en la resistencia, la corriente es de 0.8 A si RF = 0.8/0.8 = 1 n . La resistencia directa disminuye cuando la corriente en el diodo aumenta. La característica de polarización inversa también es interesante. Ahora el eje de la corriente está en microampers y el eje de polarización inversa está en la escala de 100 V. A 300 V la corriente es alrededor de 0.4 f.LA, correspondiente a una resistencia inversa de R R -

0.4

300 X 10- 6

=

7S0Mn

500 10- 6

=

62.5 Mn

ASOOV

RR =

8

X

1.

El voltaje inverso pico (PIV), es decir, la polarización inversa máxima que es posible aplicar a un rectificador sin provocar su ruptura. 2. Entrada de voltaje senoidal máximo (rms). 3. Corriente directa rectificada de media onda promedio con carga resistiva, a una temperatura determinada. 4. Corriente directa recurrente pico, a una temperatura determinada. 5. Voltaje directo máximo a valores especificados de corriente y temperatura. 6. Corriente inversa máxima a voltaje inverso máximo. 7. Temperaturas de operación y almacenamiento. 8. Un factor de corrección para determinar la cantidad de corriente que pasa por un rectificador a una temperatura dada. Las características del rectificador de silicio, por ejemplo la corriente máxima que puede manejar, la polarización inversa máxima (PIV) y el voltaje de entrada máximo (rms), dependen de su construcción y tamaño. Existe una gran variedad de rectificadores de silicio con los cuales se obtienen desde 200 mA a 1 000 A y cuyas especificaciones de PIV varían de 100 V a más de 1000 V. Los rectificadores de silicio tienen formas y tamaños diversos, que incluyen uno tipo pequeño sin rebordes con dos conectores axiales (como los diodos de germaOlo) (figura 6-2a), el que remata en un reborde (figura 6-2b) y la montura con talón (figura 6-2c). Los tipos a) y b) se conectan en un circuito como un resistor o un capacitor. El tipo c se atornilla en un chasis metálico, que sirve como disipador de calor del rectificador.


R E

e

T 1 F 1

e

A

e

1

ó

N

D E

M E D 1A

o

N D A

Y

D E

o

N D A

eo

M P L E T A

39

en RL es un semiciclo positivo, igual que el voltaje de entrada Venl' pero menor que éste. El procedimiento según el cual el diodo conduce durante uno de los semi ciclos del ciclo de entrada se llama rectificación de media onda.

Figura 6-3. Rectificador

Rectificación de onda completa

de diodo.

Rectificación de media onda

.

Considere el circuito de la figura 6-3. Se aplica un voltaje senoidal de 6.3 V rms (18 V pp) a un diodo DI conectado en serie y al resistor de carga RL. El voltaje de entrada Venl es un voltaje en ea que cambia de polaridad cada 1/120 s. Durante el semiciclo positivo el ánodo es positivo respecto al cátodo y la corriente fluye. Durante el semiciclo negativo no hay corriente ya que el ánodo es negativo respecto al cátodo. Es evidente que la corriente que pasa por el diodo producirá una caída de voltaje en R¿, el resistor de carga conectado en serie. Además, dado que la variación de la corriente reflejará las variaciones del voltaje de entrada, el voltaje de salida Vsal en RL deberá reflejar el semi ciclo positivo, que produce la corriente. En la figura 6-4 se muestran las formas de onda de Venl Y Vsal' Debe notarse que Vsal no es un voltaje en ea, sino un voltaje en cd pulsante. La resistencia directa interna RF del diodo rectificador es muy pequeña para producir la salida máxima, vsal' en RL. La resistencia dependerá del tipo de diodo que se utilice. Cuanto mayor sea el valor especificado para la corriente en el diodo de estado sólido, menor será la resistencia interna (RF) del diodo rectificador. La caída de voltaje en el rectificador por lo común se limita 0.7 V. Entonces, el voltaje Vsal

T 1

.

Para rectificar los dos semiciclos del voltaje de entrada se utilizan dos diodos en la configuración del circuito de la figura 6-5. Suponga que se aplica un voltaje de 6.4 V rms (18 V pp) al circuito. Suponga también que se conectan dos resistores en serie del mismo valor R en paralelo con la fuente de ea. El voltaje de 18 V pp aparece en los dos resistores conectados entre los puntos AC y el punto C es el punto medio eléctrico entre A y B. Por lo tanto, en cada resistor aparece un voltaje de 9 V pp. En algún momento durante un ciclo de Venl' si el punto A es positivo respecto a C, ~I punto B es negativo respecto a C. Cuando A es negativo respecto a C, el punto B es positivo respecto a C. El voltaje efectivo en la fase de tiempo correspondiente que cada uno de los diodos 've' se muestra en la figura 6-6. El voltaje aplicado al ánodo de cada diodo es igual, pero de polaridad opuesta, en todo momento. Cuando A es positivo respecto a C, el ánodo de DI es positivo respecto a su cátodo. Por lo tanto, DI conduce, pero no D2. Durante el segundo semiciclo, B es positivo respecto a C. Por lo tanto, el ánodo de D2 es positivo respecto a su cátodo y D2 conduce, en tanto que DI está desconectado. Durante el ciclo total del voltaje de entrada siempre hay conducción, ya sea a través de DI, o de D2. Como ambos diodos tienen un resistor de carga de cátodo común, R¿, el voltaje de salida de RL es consecuencia de la conducción alterna a través de DI y D2. La onda de sali-

A

18 V

I

I

I

I I

I

I I

T 9V

~

~ ~

I

I

o, p

Ven!

~

6.3\Jrms

I

h

o,

~

Figura 6-4. Formas de onda del rectificador.

8



de onda completa.

40


6

de la mitad del voltaje de salida pico obtenido en la rectificación de media onda.

Rectificadores de media onda y de onda completa alimentados por transformador ................................ .

Figura 6-6. Formas de onda de rectificador de onda completa.

Figura 6-7. Transformador reductor de potencia con derivación central secundaria.

da v oal a través de R L en la figura 6-6 no tiene espacios vacíos, como sucede en el caso del rectificador de media onda. La salida de un rectificador de media onda también es una corriente directa pulsante. En el diagrama de la figura 6-5 los dos resistores iguales conectados al voltaje de entrada son necesarios como punto medio de voltaje, C, para la conexión del circuito y como referencia cero. Note que el resistor de carga R L se conecta desde los cátodos hasta este centro de referencia e. Conviene señalar que la onda de salida v,al no tiene una amplitud pico de 9 V, como en el caso de un rectificador de media onda que utiliza la mi sma fuente de alimentación , sino menor que 4 ~ V. La razón es que el voltaje positivo pico de A respecto de C es 4 ~ V, no 9 V Y parte de los 4 ~ V se pierde al pasar por R. Si bien el rectificador de onda completa de la figura 6-5 llena los espacios vacíos de la conducción, produce menos

La figura 6-5 no es un circuito rectificador de fuente de alimentación de onda completa debido a que usa dos resistores R de derivación en la parte central. La caída de voltaje a través de R, cuando su diodo respectivo conduce, se resta del voltaje V,al Y reduce el voltaje de salida. Los transformadores de potencia contienen un devanado primario y uno o varios devanados secundarios aislados. El devanado primario se alimenta en la línea directa; es decir, funciona con la alimentación de línea de 120 V Y 60 Hz. Los devanados secundarios son devanados para amplificación, o bien para reducción de voltaje. La figura 6-7 es un diagrama del transformador TI que se utilizará en este experimento. Contiene un devanado primario de 120 V Y uno secundario con derivación central de 26 V. El devanado secundario tiene calibración de 1 A. Ésta es la corriente máxima que se puede obtener del secundario. Se verá que la conexión de la derivación central del secundario elimina la necesidad de los dos resistores de derivación central R de la figura 6-5, y con esto se logra un circuito rectificador de alimentación práctico. El circuito de la figura 6-8 muestra cómo está conectado TI en un circuito rectificador de onda completa. Los ánodos de los diodos rectificadores DI y D 2 se alimentan con los voltajes secundarios respectivos AC y Se. La polaridad de los voltajes siempre es opuesta. Dado que C es la derivación central, ambos ánodos del diodo reciben 13 V rms . El resistor de carga, Rv se conecta de la unión de los cátodos D¡ y D 2 , punto D, a la derivación central del devanado secundario, punto e. El voltaje de salida aparece en R L . Cuando se aplica voltaje al devanado primario de T¡, Y los interruptores S2 y S3 están cerrados, DI y D 2 funcionan como rectificadores de onda completa. Cada uno de estos diodos "ven" só lo la mitad del voltaje presente en el secundario; estos diod0s conducen de manera alterna. Cuando el interruptor S2 está cerrado y el S3 abierto, DI funciona como rectificador de media onda. Cuando S3 está cerrado y S2 abierto, D2 funciona como rectificador de media onda. Desde luego, los interruptores S2 y S3 se incluyen en este circuito experimental con objeto de mostrar la rectificación de media onda y de onda completa. El circuito de un rectificador industrial no cuenta con estos interruptores La fuente de alimentación con transformador tiene una ventaja en relación con un circuito sin transformador. E l voltaje de salida, v,al' de una fuente alimentada con transformador está aislado de la línea ya que no existe conexión directa entre el devanado primario (línea) y el secundari o.


R E

e

T 1F 1e A

e

1Ó N

D E

M E D 1A

o

N D A

Y

D E

o

N D A

eo

M P L E TA

41

s, ~ 120V/60Hz

T,

S2

D,

S3

D2

A

e B

RL


de voltaje experimental,

de onda completa,

alimentado

RESUMEN

1.

2.

3. 4.

5.

6.

7.

8.

Las compamas de sumirustro eléctrico distribuyen energía eléctrica de ea porque este método de distribución es más eficiente y económico que la distribución de cd. Como el funcionamiento de los dispositivos electrónicos requiere voltaje y corriente en cd, es necesario convertir la ea en cd mediante un procedimiento llamado rectificación. Los rectificadores de silicio se utilizan en electrónica más que cualquier otro rectificador de estado sólido. Los rectificadores de alimentación de silicio se usan más por el voltaje inverso pico (PIV), los voltajes directo e inverso pico que pueden soportar, la corriente directa promedio y la corriente directa recurrente pico que producen a una temperatura dada, las temperaturas de operación y de almacenamiento, y la entrada de voltaje senoidal máxima (rms) que pueden tolerar. Existe una gran variedad de rectificadores de alimentación de silicio, que cumplen con demandas de corriente de carga entre 200 mA y 1000 A. Un solo diodo rectificador, conectado como se muestra en la figura 6-3, funciona como rectificador de media onda, en cuyo caso sólo uno de los semiciclos de la onda de ea se aplica a la carga. Cuando se utilizan dos diodos rectificadores, como en la figura 6-8, se obtiene una rectificación de onda completa. En este caso, los dos semiciclos de la onda senoidal de entrada se procesan de manera alterna mediante los diodos D¡ y D2. La salida rectificada que produce un rectificador de media onda consiste en impulsos de corriente unidireccionales (figura 6-4). La salida rectificada de un rectificador de onda completa también consiste en impulsos de corriente unidireccionales (figura 6-6), pero

9.

10.

11.

Vsal

con transformador.

en este caso se obtienen dos impulsos por cada onda senoidal de entrada. Los rectificadores transforman la onda de ea en cd pulsante. Cuando conduce, un rectificador no se comporta como interruptor perfecto; tiene cierta resistencia interna (RF). Debido a esta resistencia se produce una pérdida de voltaje (caída) en cada diodo. En general, los circuitos rectificadores de alimentación de onda completa utilizan transformadores de alimentación con devanados secundarios con derivación central. El hecho de que el devanado secundario del transformador que alimenta los rectificadores (figura 6-8) sea un devanado para amplificación, o para reducción de voltaje, depende de lo que requiera el dispositivo electrónico para el que se usa la fuente de alimentación. Cuando se usan transformadores para circuitos rectificadores de alimentación, la resistencia del devanado secundario es baja a fin de reducir las pérdidas de potencia en la salida.

AUTOEVALUACIÓN .............•...••.•••••........•.

F

Responda a las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje. 1.

2. 3.

Debido a que la energía eléctrica de cd se utiliza principalmente en electrónica, las empresas que suministran la energía eléctrica distribuyen energía de cd. _______ (verdadero o falso). es el procedimiento mediante el cual la ea se convierte en cd. Un rectificador de media onda, como el de la figura 6-3, recibe una entrada de 60 V pp. La onda de salida en


42

4.

5.

6.


6

Rv punto D respecto al punto e, es: a) . (positiva o negativa). b) En fase con el semiciclo (positivo, negativo) del voltaje de entrada. V pp. e) Alrededor de Para invertir la polaridad de la onda de salida en un rectificador de media onda es necesario invertir el ______ del circuito. En el rectificador de onda completa de la figura 6-8, el diodo DI conduce cuando se corta y VIceversa (suponga que tanto S2 como S3 están cerrados). Si la frecuencia de la fuente de la que el transformador TI en la figura 6-8 recibe su alimentación es 60 Hz, la frecuencia de la onda de salida es _ _ _ _ __ Hz. (S2 y S3 están cerrados) .

7.

En la figura 6-8 el interruptor S2 está abierto y S3 está cerrado. El circuito funciona como un rectificador

8.

Para las mismas condiciones que en la pregunta 7, se produce un pulso de salida por cada semiciclo de onda senoidal de entrada. (verdadero O falso). 9. En la figura 6-8, cuando los interruptores S2 y S3 están (verdaabiertos , no hay salida en R L . dero ofalso) . 10. Las relaciones de fase entre las ondas de entrada y de salida de la figura 6-8 se pueden observar mediante sincronización , o activación del osciloscopio o mediante sincronización o activación del osciloscopio.


R E

eT

1 F 1e A C I Ó N

D E

M E D 1A

oN

D A

Y

D E

oN

D A

eo

M P L E T A

43

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO Equipo: osciloscopio; EVM (voltímetro electrónico). Resistores: 10000 n a 1- W. Diodos de estado sólido: dos lN5625. Otros: tres interruptores de un polo un tiro; transformador de 117 V en devanado primario y 26 V en devanado secundario con derivación central de 1 A (Triad F40X, o equivalente); cable conector con fusible. l.

Arme el circuito de la figura 6-8 y establezca el osc iloscopio en la funci ón sync de línea o activación. Antes

6. 7.

8.

de continuar COIl el experimento, pida al instructor que revise el circu ito. 2.

3.

4.

5.

Co necte la punta de entrada vertical del osc iloscopio al ánodo de DI' la punta de tierra en el punto e. Cierre el interruptor SI' Encienda. Cierre el intelTuptor S2, pero mantenga S3 abierto. Ajuste los controles de la escala vertical, la ganancia horizontal, e l barrido y de sincronía/activación para observar la onda de referencia VAC ' La o nda que aparece debe ser idé ntica a la onda de referencia de la tabla 6-1. Mida con el osciloscopio el voltaje pico a pico de VAC' Anote los resultados correspondientes en la tabla 6-1. Con un EVM mida el voltaje en cd, si lo hay, entre los puntos Ae. A note los resultados en la tabla 6-1. Abra S2' Conecte la punta de entrada vertical del osciloscopio con el ánodo de D 2 . Cierre S3' E n la tabla 6-1, dibuje V sc , en la fo rma de onda observada, con la fa-

9.

se de tiempo adecuada en relación con la onda de referencia. Mida y anote el valor del voltaje pico a pico y el voltaje en cd, de haberlo, en Be. Abra S3' Conecte la punta de entrada vertical del osciloscopio al punto D (a través de R L ). Cierre S2' Dibuje la o nda "sal que observe en Rv con la fase que le corresponda en relación con la onda de referencia. Mida el voltaje pico a pico y el voltaje en cd, si lo hay, en RL . Anote los resultados obtenidos en la tabla 6-1. Abra S2' Cierre S3' Dibuje la onda de salida "sal observada en Rv como en el punto anterior. Mida la amplitud pico a pico de la onda y el voltaje cd, de haberlo, en R L . Anote los resultados en la tabl a 6-1 . Cierre S2' Ahora todos los interruptores están cerrados. Dibuje la o nda de salida Vsal ' Mida la amplitud pico a pico de la onda y el voltaje en cd, si lo hay, en RL . Anote los resultados en la tabla 6-1.

Punto adicional .................................... . 10.

Ex plique con detalle un procedimiento experimental que utili zaría para calcular la resistencia directa de los rectificadores del circuito de la figura 6-8. Aplique el procedimiento anteri or. Mida (o calcule) la resistencia de DI y D 2 . Anote los resul tados en la tabla 6-1

PREGUNTAS 1. 2. 3. 4.

5.

E n e l paso 2, ¿q ué tipo de rectifi cac ión se obtie ne? ¿En qué difieren e l resultado del paso 8 y e l del paso 5? ¿Por qué se produce esta diferencia? ¿Qué tipo de rectificación se obtiene en e l paso 9? Compare e n relación con la frecuencia de entrada la frecuencia del voltaje de sa lida de: a) un rect ificador de media o nda , b) un rectificador de onda completa. (Tome como referencia las ondas de la tabla 6-1.) A partir de los datos obtenidos, ¿.qué concluye acerca de la relación entre el voltaje en cd en R[. y el voltaje de entrada pico en a) un rectificador de media onda;

b) un rectificador de onda completa? S i es posible, dé

6.

7.

una exp res ió n matemática para esta relación. Según s us datos explique e l funcionamiento de un a) rectificador de medi a onda; b) un rec tificador de onda compl eta. Expl ique de qué manera puede aprovecharse e l proced imi ento de este experimento para loca li zar fallas en un rect ificador de onda completa. ¿.Q ué tipos de problemas pone en ev idenc ia la apertura y el cierre de SI y S2?


44


6

TABLA 6-1. J,

Forma de onda

vent (A

a C)

vent (B

a C)

V

<,

<;

./

»:

.r

<,

r-;

./

vsal (DI)

vsal

(D2)

vsal

(onda completa)

Resistencia directa (O)

DI:

I~

"1.' 11.,

"


D2:

V

CD,

pp

V

EXPERIMENTO

~ ,

FUENTE DE ALIMENTACION y FILTRO CON TRANSFORMADOR


OBdETIVOS

Para rectificar una corriente alterna transformándola en una corriente directa pulsante se utiliza el circuito de la figura 7-1. Los pulsos se suavizan mediante circuitos de filtrado. En el experimento 6 se estudió el rectificador de onda completa. En este experimento se observará el efecto producido por el filtrado en el voltaje rectificado. Los capacitores, inductores y resistores son elementos de filtrado. La efectividad de un capacitor como un filtro está en función de su capacitancia y de su reactancia. Las capacitancias mayores tienen mejor acción de filtrado. El filtrado de un inductor está en función de su inductancia.

Medir los efectos de elementos de filtrado en el voltaje y rizo del voltaje de salida en cd.

Probar y comparar la efectividad de: a) un filtro de capacitor; b) un filtro tipo'Tr.

Filtro de entrada mediante capacitar ..................... . Observe el circuito de la figura 7-2a). Se ha conectado en paralelo un capacitor electrolítico el con el resistor de carga R del circuito anterior. el se carga de manera alternada a través de cada sección del diodo conforme los diodos conducen durante los semiciclos cuando sus ánodos son positivos respecto al cátodo común. La polaridad del voltaje que se genera en el' el cual se carga hasta un valor correspondiente al pico del voltaje de entrada, carga positivamente al cátodo respecto de la tierra . La trayectoria a través de la cual el capacitor se descarga es la resistencia de carga conectada en paralelo, que por lo común es muy alta comparada con la resistencia de los diodos. Por lo tanto, el mantiene un voltaje en cd positivo elevado que po-


Medir y comparar la regulación de fuentes de ·alimentación de media onda y onda completa de transformador.

46


7

T,

120~

o,

60:~

i I I

Vsal SALIDA SIN FILTRAR

Figura 7-1. Salida sin filtrar de un rectificador de onda completa.

S,

12oC]

T,

O,

60 Hz

I

Vsal I

FUSIBLE

Ov----------

G

(b)

(a)

Figura 7-2. Efecto del capacitar de filtrado en la salida del rectificador de onda completa.

lariza los dos rectificadores hasta el corto. Los diodos rectificadores sólo conducen durante los picos de los semiciclos positivos del voltaje en ca de entrada y reemplazan la pequeña carga que el pierde durante el intervalo de descarga. Si se conecta un osciloscopio en el se observa un voltaje en cd relativamente constante con un poco de rizo, como se muestra en la figura 7-2b). Si se conecta un voltímetro en el se mide un voltaje en cd un poco menor que el valor pico del voltaje de entrada de cada rectificador. En el caso de aplicaciones con una corriente de carga baja, el filtro capacitivo de la figura 7-2a) es suficiente para mantener un nivel de cd más o menos constante. En el caso de corrientes de carga mayores, se necesita un filtro más efectivo si se desea un voltaje de salida sin rizo. Un filtro más eficaz es el llamado filtro 7T por su parecido esquemático con la letra griega 7T mostrado en la figura 73. Se conectan con el el devanado de una inductancia L y otro capacitor electrolítico e2 . Ahora se aplica en R el voltaje en cd de salida, Vs• I , a través de e2 , denominado VPG ' El efecto de el' L y e2es mejorar el filtrado al aumentar la carga almacenada en estas componentes reactivas. La corriente de carga que se obtiene en esta fuente de alimentación genera menos rizo en la salida que la que generaría una carga equivalente en la salida de la figura 7-2a).

Como el primer elemento de filtrado es el capacitor el' se dice que es un filtro de entrada por capacitor. Una de las características de este tipo de filtro es que proporciona una salida de voltaje máxima en la carga. Como se requieren capacitores grandes, el y e2son de tipo electrolítico y se conectan con la polaridad mostrada. Por lo general, el manual del fabricante especifica el valor máximo del capacitor de entrada que un rectificador puede manejar sin riesgo. La resistencia de los devanados del inductor de núcleo de acero L conectado en serie con el resistor R funciona como divisor en voltaje de cd. El voltaje en cd, VPG , que existe entre el punto P y la tierra es menor que el voltaje VAG que hay entre A y la tierra. Qué tanto menor sea depende de la corriente IL que hay entre L y la resistencia R L de L, puesto que la caída de voltaje en cd, VAP , a través de L es igual a hR L . La relación es (7 .1)

En el caso de corrientes de carga elevadas es necesario emplear una inductancia grande cuya resistencia interna sea pequeña. La inductancia del inductor con núcleo de hierro tiene una relación directa con su efectividad como elemento de


F U E N T E

O E

A L 1 M E N T A CIÓ N

y

F 1LT R

o eoN

T R A N S F

o

R M A

ooR

47

5,

120~3T'

D,

60~ R FUSIBLE G

Figura 7-3. Rectificador de onda completa con filtro tipo

7T.

5,

120~3T'

D,

60~ FUSIBLE

G

Figura 7-4. Fuente de alimentación con resistor de drenaje o descarga, Re.

filtrado . Una característica del inductor es oponerse a cambios de corriente, en tanto que los capacitores se oponen a cambios de voltaje. El filtro tiende a promediar los pulsos rectificados recortando los picos y llenando los vacíos de los valles, es decir, proporciona un voltaje más o menos constante a la carga.

Regulación de voltaje ........................... . La regulación de una fuente de voltaje es un Índice que indica cuánto varía el voltaje de salida V cuando se carga. La ecuación del porcentaje de regulación es

Porcentaje de regulación = 100 X

(7.2)

donde Vmáx es el voltaje sin carga y Vmín es el voltaje a carga plena. La regulación mejora con un resistor de drenaje, R8 (figura 7-4). Este resistor produce una corriente de drenado

Figura 7-5. Filtro tipo

7T

con resistor de drenaje.

en todas las condiciones de carga. También R8 descarga con rapidez a C I y C 2 en cuanto se interrumpe la alimentación. Si no fuera así, estos capacitores podrían convertirse en un riesgo de descarga eléctrica al mantener cargas durante lapsos prolongados después de interrumpir la alimentación. Para lograr una buena regulación la corriente de drenado debe ser de 15 al 20% de la corriente total. En la figura 7-5 se muestra la ubicación del registro de drenado en un filtro tipo 7T.


48

EXPERIMENTO

7

RESUMEN

1.

2.

3.

4. 1I

~ 5.

... ' .'"

f'!'

,.,

Los filtros se usan para suavizar la salida de cd pulsante de los rectificadores. Los elementos de los filtros son capacitores, inductores y resistores. Cuánto mayor sea el valor de la capacitancia y la inductacia, mejor será la acción del filtrado de los filtros tipo 7T convencionales Para filtros de alimentación de corriente de repetidores se usan capacitores electrolíticos que proporcionan valores mayores de capacitancia en unidades relativamente pequeñas. La configuración de filtro más popular es la unidad tipo 7T que usa un capacitor de entrada, un inductor o resistor y un capacitor de salida, conectados como en la figura 7-3. La regulación de la alimentación de corriente es un indicador de la variación de la salida de voltaje con la carga. Una variación pequeña entre el voltaje sin carga y el voltaje a carga plena indica una buena regulación. Esta regulación se puede mejorar al agregar resistores de drenaje como en las figuras 7-4 y 7-5 .

AUTOEVALOACIÓN

.................................•.

. ,

Responda a las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje. l. 2. 3. 4. 5.

6. !~¡ .,!

7.

La salida no filtrada del rectificador de onda completa en la figura 7-1 es (positiva, negativa) El voltaje en cd promedio en la salida de la figura 7-1 es alrededor de % de Vrnáx' En la figura 7-2a), la salida de cd pura es aproximadamente igual a _ El filtro en la salida de la figura 7-3 es un filtro El resistor RB en la figura 7-4 obtiene entre 15% y 20% de la corriente total que suministra el rectificador. Este resistor, que está conectado en forma permanente en el circuito, se llama resistor _ Dos funciones que cumple el resistor, RB' en la figura 7-4 son: mejorar , y _ los capacitores CI y C2 cuando se elimina la corriente del circuito. Si en la figura 7-4 se abre el diodo DI' el voltaje de salida V sería (más alto, más bajo, igual) que el voltaje de salida si ambos diodos estuvieran en el circuito.


F U EN T E

.i.

O E

A L 1M E N TA

e

1Ó N

y

F 1LT R

o eo

N

T R A N S F

o

R M A

oo

R

49

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

5.

Fuente de alimentación: para 120 V rms, 60 Hz. Equipo: osciloscopio; EVM o VOM. Resistores: 100 n,2700 n a 1- W; 250 n a 2 W. Capacitores: dos de 100 ¡.LFa 50 V; 25 ¡.LFa 50 V. Rectificadores de estado sólido: dos de 1N5625, o equivalente. Otros: transformador TI' 120 V en primario, 26.8 Val A, en secundario con derivación central; interruptor de un polo un tiro; cable de conexión.

Alimentación por transformador con filtro capacitivo 1.

2.

3.

4.

NOTA: siempre es necesario descargar los capacitores de filtro después de apagar la alimentación cuando el trabajo se hace en una fuente de alimentación.

6.

Sustituya

el

con un capacitor de 25 fLFa 50 V. Cierre

SI' Mida VsalY la forma de onda de rizo. Anote sus re-

sultados en la tabla 7-1. Calcule y anote la corriente de carga Iv

.

Construya el circuito de la figura 7-2a). SI está APAGADO. TI es el mismo transformador de alimentación que se utilizó en el experimento 6. el es un capacitor de 100 ¡.LFa 50 V. R I es un resistor de drenaje de 2700 n a 1- W. Antes de continuar pida al instructor que revise el circuito. Cierre SI' Con un voltímetro mida Vsal' el voltaje de salida de cd a través de RI, observe, mida y anote en la tabla 7-1 la forma de onda de rizo y su amplitud pico a pico. Abra SI' Descargue el capacitor el sujete un pequeño circuito a través de RL. Conecte un resistor de carga (RL) de 250 n a 2 W en paralelo con el resistor de drenaje. El voltímetro y el osciloscopio todavía están conectados a R iCierre SI' Mida VsalY la forma de onda de rizo. Anote los resultados en la tabla 7-1. Calcule la corriente de carga IL en el resistor de 250 n y anote el resultado en la tabla 7-1. Muestre sus cálculos.

Abra SI' Deje pasar un minuto para que RL descargue a el' Con un voltímetro leerá O V en el cuando se haya descargado por completo.

Filtro de entrada tipo capacitar 7.

8.

9. 10. 11. 12.

TT

mediante .

Abra SI' Quite el capacitor el' el drenaje y los resistores de carga y conecte el circuito de la figura 7-4. el y e2 son capacitores de 100 ¡.LFa 50 V; Re es un resistor de 100 n a 1- w. Cierre SI' Mida y anote en la tabla 7-2 el voltaje en cd sin carga a través de el (puntos A a G) y Vsal(puntos P a G). Observe y mida con un osciloscopio y anote la forma de onda de rizo y su voltaje pico a pico A a G y P a G. Abra SI' Conecte el resistor de carga de 250 n a 2 W en paralelo con RB. Cierre SI' Con carga, repita las mediciones en el paso 8 y anótelas en la tabla 7-2. Abra SI. Elimine el del circuito. Deje las otras componentes en el circuito. Repita los pasos 8 y 10. Abra SI' Vuelva a colocar el en el circuito. Quite el y deje las otras componentes en el circuito. Repita los pasos 8 y 10.

TABLA 7-1. Filtro capacitivo

Rizo

Paso

Carga,

n

2

Ninguna

4

250

6

250

Vsal' V

Forma de onda

V pp

IL

(Calcuiada}. X


mA

50


TABLA 7-2. Rectificador

7

de onda completa

con filtro tipo

71'

Sin carga

Carga de 250 Rizo

Paso

Punto

8,10

A-G

8,10

P-G

11

A-G

11

P-G

12

A-G

12

P-G


De, V

Forma de onda

na 2 W

Rizo V pp

DC, V

Forma de onda

V pp

filtro tipo

7T

CI abierto

C2 abierto

de rectificador

de media onda con y sin carga

Carga de 250

Sin carga

na2W Rizo

Rizo

Punto

Condición

DC, V

De, V

V pp

Forma de onda

Forma de onda

V pp

A-G P-G

Regulación del rectificador de media onda 13.

.

Abra SI' Coloque de nuevo e2 en el circuito. Esto restablece el filtro tipo 7T en la figura 7-4. El resistor de drenaje todavía está conectado. Elimine el resistor de carga de 250 n. Elimine D2 del circuito. Ahora se tiene un rectificador de media onda y un filtro tipo 7T sin carga.

14.

15.

Cierre SI' Mida y anote en la tabla 7-3 el voltaje en cd sin carga a través de los puntos A a G y P a G. Observe, mida y anote la forma de onda de rizo y su voltaje pico a pico en los puntos A a G y P a G. Vuelva a colocar el resistor de carga de 250 n en el circuito. Repita las mediciones del paso 14.

.............................................................................................................................


F U EN T E

O E


y

F 1LT R

o eoN

T R A N S F

o

R M A

ooR

51

PREGUNTAS Las siguientes preguntas se refieren a los datos en las tablas 7-1,7-2 Y 7-3. Identifique la tabla y los datos en los que se basa su respuesta.

5.

a) ¿Qué valor de capacitor es más efectivo como elemento de filtrado, más grande o más pequeño? b) ¿Por

6.

1.

2. 3.

4.

qué? ¿En qué punto, de entrada o salida, en un filtro tipo 1T, es más alto el voltaje de rizo? ¿Por qué? En el rectificador de onda completa (figura 7-4), ¿qué capacitor abierto redujo más el voltaje de salida de cd, el o e2? ¿Por qué? En el rectificador de onda completa (figura 7-4), ¿qué capacitor abierto aumenta más el voltaje de salida de cd, el o e2? ¿Por qué?

7.

8.

Compare un filtro capacitivo (figura 7-2) con un filtro tipo 1T, para un rectificador de onda completa con carga, en cuanto a a) la salida de cd, b) el rizo. Explique su respuesta. Compare la alimentación de onda completa y de media onda con un filtro tipo 1T con una carga de 250 0, en cuanto a a) el voltaje en cd en la entrada y en la salida del filtro, b) el voltaje de rizo en la entrada y en la salida del filtro. Explique cualquier diferencia en el voltaje de salida entre los rectificadores de onda completa y de media onda con carga. Explique la diferencia, si la hay, en el voltaje de rizo entre las salidas de los rectificadores de onda completa y de media onda con carga.



EXPERIMENTO

~

LOCALIZACiÓN DE FALLAS EN FUENTES DE ALIMENTACiÓN


Fuente de alimentación positiva y negativa ............ . Con frecuencia es necesario contar con una fuente de alimentación ,con voltajes positivo y negativo, V - Y V + , medidos respecto a un retorno común. Una sencilla modificación en la fuente de alimentación V + de la figura 7-4 logra esto (figura 8-1). El circuito de la figura 8-1 es idéntico al de la figura 7-4, excepto que R B, el resistor de drenaje, se reemplazó por dos resistores, RBl y RB2 , Y se añadieron los capacitores de filtrado C3 y C4 · El punto G, donde se unen RBl y RB2 , se elige como punto de referencia o de "tierra". El punto PI es positivo y P 2 es negativo respecto a G. Entonces, V + se mide desde PI a G y V - se mide de P 2 a G. La razón de la resistencia del divisor R BI y R B2 , junto con las respectivas resistencias de carga de V + Y V -, determina la amplitud del voltaje V + Y V -. Note que el valor total de los voltajes de V + a V - para condiciones similares de carga es el mismo valor de V + a la tierra en el circuito de la figura 7-4. El circuito de la figura 8-1 no aumenta el voltaje de salida de cd total en la fuente de alimentación, reduce el voltaje positivo disponible V + (de PI a G) en la cantidad de voltaje negativo V - (P 2 a G). . C I , C2 , C3 y C4· son capacitores electrolíticos y, por lo tanto, es necesario observar la polaridad adecuada al conectarlos al circuito. Observe que la polaridad de C3 está indicada de manera conveniente, ya que el punto G es positivo respecto a P 2 .


54


8

5,

'20~3T

D,

Ir

v+

60~

e3 +

1A

e2

G

e. vP2

Figura 8-1. Fuente de alimentación que proporciona V + Y V - respecto a un retorno común G.

Análisis del voltaje, rizo y resistencia en una fuente de alimentación .................. . Para localizar fallas en una fuente de alimentación es necesario conocer los valores normales del voltaje en cd, ca, de rizo y de resistencia que debe haber en los puntos de prueba del circuito. Los voltajes y resistencias en cd y ca se miden con un multímetro, o con un multímetro electrónico. El rizo se mide con un osciloscopio.

Voltaje en cd y rizo

Observe el circuito de la figura 7-4. El voltaje en cd medido del punto A al punto G es aproximadamente igual a la mitad del voltaje pico a pico en ca en el devanado secundario de TI. El voltaje en cd de salida (V + ), punto P respecto a G, es menor que el voltaje de A a G. Sin embargo, V + se filtra mucho mejor (su rizo es menor) que el voltaje de A a G. El voltaje de rizo de A y P aumenta con la carga. Sin embargo, V + debe tener un voltaje de rizo muy bajo, incluso a plena carga. La dimensión de los capacitores de filtrado electrolítico depende de la magnitud de la corriente de carga y del nivel del voltaje de rizo que el circuito es capaz de tolerar. Es posible determinar el voltaje V + de la figura 7-4 si se conoce el valor del voltaje en cd VAG , de la corriente total IT tomada en la fuente y el resistor de filtrado Re, ya que

Un capacitor con fuga el o e2reduce el voltaje de salida V + y aumenta el voltaje de rizo. Si el capacitor el o e2 está abierto, el voltaje V + disminuye de manera considerable y causa un aumento grande en el rizo.

Voltaje en ca

En condiciones de funcionamiento normal, el voltaje en línea (120 V/60 Hz de la figura 8-1) está presente en el primario del transformador TI. El voltaje especificado para el secundario del transformador debe medirse en el devanado secundario. El voltaje de línea y los voltajes de uno o varios devanados secundarios de un transformador se especifican en valores rms . Los voltajes medidos desde los ánodos respectivos de DI y D 2 a la derivación central del secundario deben ser casi iguales a la mitad del valor medido en el devanado secundario. El voltaje de ca en una fuente de alimentación con transformador, como la de las figuras 8-1 y 7-4 está limitado por los voltajes del devanado primario (voltaje de línea), los voltajes de los devanados secundarios y los voltajes entre el extremo de un secundario y cualquier derivación de éste.

Resistencia NOTA: antes de medir la resistencia, desconecte la alimentación y descargu e todos los capacitares electrolíticos.

(8.1) Ejemplo. Determine el valor de V + del circuito de la figura 7-4, si el valor del voltaje pico a pico en el secundario de TI es de 50 V, Re = 100 n e IT = 0.1 A . Solución. VAG = 1/2 X 50 (aproximadamente) = 25 V. Por lo tanto V

+ = 25

- 0.1 (lOO)

=

15 V

La medición del valor de la resistencia de la figura 8-8 se realiza de V + a V - para determinar si el o e2están en corto circuito. También se miden otros valores de resistencia para saber si hay continuidad en los devanados del transformador y la resistencia de Re o del inductor, el resistor de drenaje, el interruptor de encendido-apagado y los diodos rectificadores. Cuando por la configuración del circuito sea imposible medir la resistencia de una componente sin medir otra resistencia combinada que esté en paralelo con la


L

oeA

L 1 Z A CIÓ N

oE

FA L LA S

primera, será necesario desconectar del circuito uno de los extremos de la componente y luego medir. Los valores específicos de las resistencias están relacionados con los parámetros del circuito. Los siguientes valores servirán de guía para el circuito de la figura 8-1, en donde el y e 2 son capacitores de 100 J.LF a 50 V, Re = 100 n, RBl y R S2 = 5 000 n, la carga está desconectada y TI es un transformador reductor 4 : 1 cuyo devanado secundario está especificado para 1 A. e 3 y e 4 son capacitores de 25 J.LF a 50 V.

n A a P 2, 10 000 n Re (A a PI), 100 n PI a P2 ,10 000

Resistencia directa (R F ) de DI o D 2

(~

500 n)

Resistencia hacia atrás (RR) de DI o D 2 > 1 Mn Resistencia del devanado secundario de TI

= 0.2 n

Resistencia del devanado primario de TI = 1.2 n Cuando la resistencia de drenaje y la carga no están conectados al circuito, los capacitores el y e 2 dan indicación de estar en carga al conectar un óhmetro del punto PI o del punto A a P 2 . El medidor lee primero una resistencia cercana a cero. Luego, si se dejan conectadas las terminales del medidor, los capacitores se cargarán poco a poco hasta el valor de la fuente de voltaje del óhmetro. La constante de tiempo de la carga es grande debido a que los valores de el ye2 también son grandes. Por lo tanto, la resistencia medida aumentará gradualmente. Al final el valor medido de la resistencia será 1 Mn, o mayor. Una indicación breve de la carga del capacitor es muestra de que el y e 2 no están ni en corto circuito ni abiertos. NOTA 1: la verificación con un óhmetro no es prueba concluyente de que un capacitor tiene fuga, ya que el voltaje del óhmetro es relativamente bajo. El capacitor puede tener una carga al probarlo con un óhmetro, y experimentar una ruptura al aplicar un voltaje nominal. Una prueba dinámica de un capacitor es probar el voltaje en cd en PI y A en relación con P 2 . Si el voltaje es menor que el valor normal y el rizo es excesivo, es posible que uno o ambos capacitores estén defectuosos. Desconecte una de ¡as terminales del capacitor que tiene fuga y reemplácela por una que esté bien. Si el circuito trabaja bien, la falla está en el capacitor original.

2: para medir las resistencias directa y hacia atrás de un diodo rectificador se conectan las puntas del óhmetro en el diodo y se lee la resistencia; después se invierte la posición de las puntas en el diodo y se lee de nuevo la resistencia. La resistencia directa (R F ) debe ser bastante baja y la resistencia hacia atrás (RR) muy alta. Si los valores de RF y de RR son muy parecidos, el diodo está averiado.

NOTA

EN

F U EN T E S

oE

A L 1 M E N T A CiÓ N

55

Localización de fallas en una fuente de alimentación .................................... ~ .. . Al intentar localizar fallas en un dispositivo electrónico, en ocasiones se encuentran en la fuente de alimentación. Por ejemplo, en la figura 8-1, si los voltajes de salida de cd Vp¡G y VP2G son menores que lo normal o el rizo en A, PI Y P2 es mayor que lo normal, quizá el problema se encuentra en la fuente de alimentación, o en la carga, ya que un incremento grande en la corriente de carga puede indicar esto. El primer paso en el proceso de localización de fallas es aislar el problema hasta la carga o la alimentación desconectando la carga de la alimentación. Si ahora las lecturas del voltaje en cd en PI y P2 son mayores que los voltajes dados V + o V - con carga, y si el voltaje de rizo en PI y P 2 es bastante menor que el rizo establecido con carga, el problema se encuentra en el circuito de carga. Sin embargo, si los voltajes Vp¡G o V P2G son bajos aun sin carga, y/o el rizo todavía es más alto que lo normal, el problema se encuentra en la fuente de alimentación. Para localizar una falla en la fuente de alimentación se requiere medir tanto los voltajes en cd como los voltajes de rizo de PI' P 2 Y A respecto de la tierra. Los resultados de estas mediciones servirán de guía para saber en dónde está el problema.

Sin voltaje V + ni V -

Si Vp¡G o V P2G = O V, es posible que el problema se deba a defectos de alguna de las siguientes componentes: a) cable de conexión cortado o clavija defectuosa, b) fusible quemado, e) interruptor abierto, d) devanado del transformador abierto o en corto circuito, e) DI y D 2 averiados,j) el en corto circuito, g) e 2 en corto circuito, h) Re abierta, i) RBl o RS2 en corto circuito (muy poco probable). Entonces, el problema consiste en detectar la componente defectuosa y reem~ plazarla por una que esté bien. Esto puede incluir medir voltajes y resistencias, y reemplazar partes. Si el valor de Vp¡G o V P2G es O V, la siguiente revisión consiste en medir el voltaje en cd V AP2' Si hay voltaje, el problema está en un e 2 con corto circuito o una Re abierta. Si se mide la resistencia de estas componentes se determinará el problema. Si también el valor de V AP2 es O V cd, es posible que el problema sea un el en corto circuito. Pero antes de verificar la resistencia de esta componente debe hacerse otra medición de voltaje. Mida el voltaje de ca en el secundario de TI' Es posible que esta revisión descarte cuatro de las componentes. Si el voltaje de ca del secundario es normal, entonces el cable conector, el fusible, el interruptor y el transformador están bien. Si no hay voltaje de ca en el secundario, quite la clavija del enchufe de ca y mida el voltaje de ca en el enchufe. Si su valor es el normal, haga lo siguiente. Conecte un óhme-


56


8

tro entre las dos terminales de contacto de la clavija. Cierre el interruptor. Si el medidor indica que hay continuidad en el circuito (entre 1 y 2 n) entonces la clavija, el cable de conexión, el interruptor, el fusible y el primario del transformador están bien. Si el medidor indica una resistencia infinita, habrá que revisar la continuidad de la clavija y de todos alambres del cable de conexión, el fusible, el interruptor y el primario de TI. Una de estas componentes estará abierta y debe reemplazarse. Si el fusible está abierto tal vez se deba a una sobrecarga temporal o a un problema en otra componente del circuito. La prueba más sencilla consiste en reemplazar el fusible y conectar el circuito. Si el fusible se funde de nuevo, el problema está en otra parte. Si todas las componentes que están entre el cable conector y el primario de TI están bien, el problema es un secundario abierto de TI. Verifique la continuidad del secundario para poder confirmar esta conclusión. NOTA: el devanado de un transformador con corto circuito también da un voltaje de ca en el secundario de cero o muy bajo, pero en ese caso la corriente de ca aumenta tanto que llega a fundir también al fusible.

Suponga ahora que sí hay voltaje en ca en el devanado secundario, pero que el valor de Vp,G' V P2G y V AG es O V cd. Es posible que el problema esté en un el con corto circuito, o que los rectificadores DI y D 2 estén abiertos. (Observe que si sólo uno de los rectificadores está abierto, habría voltaje en cd en A, PI Y P 2 , aunque este voltaje es menor que el normal.) Otra posibilidad es que una derivación central del secundario del transformador esté abierta, o que el cable entre la derivación central al punto P 2 esté abierto. Para detectar la componente defectuosa, o la conexión que va de la derivación central al punto P2 abierta se realizan mediciones de resistencia. Por último, hay que revisar la continuidad de las conexiones y cableado entre las componentes.

Voltajes V

+ o V - , rizo grande

Un aumento de la corriente de carga, o capacitores electrolíticos con fuga son las causas más comunes de una salida V baja y un rizo grande. Desde luego, como se indicó, este problema también puede deberse a que DI o D 2 estén abiertos. Con el osciloscopio en PIG y P 2 G (figura 8-1) se podrá observar no sólo la amplitud del voltaje de rizo, sino también su frecuencia . Esta frecuencia debe ser de 120 Hz en un rectificador de onda completa. Si fuera de 60 Hz, entonces DI o D 2 están averiados. Esto se puede verificar determinando sus resistencias directas. Una vez reemplazado el rectificador averiado, el voltaje y los niveles de rizo deben ser normales.

La causa más frecuente de que V + o V - tengan valor bajo y rizo grande, es un el o e2abierto, o con fuga. Lo más sencillo es reemplazar estos capacitores, de uno en uno, por capacitores en buen estado, hasta que tanto el voltaje en cd como de rizo regresen a su valor normal.

RESUMEN

Los puntos de prueba de cd en una fuente de alimentación con filtro tipo 7r son la entrada del filtro (punto A de la figura 8-1) y la salida del filtro (punto PI). En todos estos puntos el voltaje en cd se mide respecto al punto P 2 • 2. En una fuente de cd con filtrado, la entrada de cd al filtro (VAP2 de la figura 8-1) es mayor que la salida de cd del filtro, V p ,p2. La relación entre V AP2' V p 'P2 y ella caída de voltaje VAP \ en el resistor Re (o inductor del filtro) es V AP2 = V p \P2 + V AP \. 3. El voltaje de rizo a la salida del filtro en la fuente de alimentación (Vp ,p2 ) es siempre menor que el voltaje de rizo a la entrada de un filtro tipo 7r (VAP2 ). 4. El voltaje de rizo de V + o V - con carga es mayor que el voltaje de rizo de V + o V - sin carga. La fuente de alimentación debe producir un voltaje de rizo relativamente bajo, tanto en el caso de V + o V -, suponiendo que la carga es normal. 5. Los puntos de prueba de ca en una fuente de alimentación con transformador son: a) en el devanado primario y b) en el devanado secundario. El voltaje en ca medido en el primario debe ser igual al voltaje de la línea. El voltaje en ca en el secundario es el valor especificado por el fabricante. 6. El voltaje en cd a la entrada de un filtro tipo 7r en una fuente de alimentación con rectificador de onda completa es casi igual a la mitad del voltaje pico a pico en el secundario del transformador. 7. Para localizar fallas en una fuente de alimentación a veces es necesario medir los voltajes en cd de entrada y salida del filtro , el voltaje de rizo en los puntos anteriores, el voltaje de ca en el primario y secundario del transformador, la resistencia (con la alimentación desconectada) en la salida y la entrada del filtro, la resistencia y la continuidad de las componentes restantes y el cableado del circuito. 8. Al localizar fallas, siempre es deseable aislar el problema en una de las secciones del circuito, para eliminar como "buenas" las componentes de esa sección que pasen las pruebas. Por ejemplo, en el caso del circuito de la figura 8-1 , si el voltaje en cd y el rizo en los puntos AP2 son normales , todas las componentes que están a la izquierda de el' incluso ésta, están bien. Asimismo, si el voltaje de ca en el secundario de TI 1.


L

oeA

L 1 Z A CIÓ N

D E

FA L L A S

E N

es normal, entonces las componentes del circuito de entrada de ca están bien, con la única excepción de la derivación localizada en el secundario del transformador.

. AUTO EVALUACiÓN

...................................

Responda a las siguientes preguntas para avaluar su aprendizaje. En el circuito de la figura 8-1, si R B ¡ = R B2> C3 = C4 y el voltaje de V + (medido entre P ¡ y G) = + 10 V, el voltaje V - (medido entre P2 y G) = V. 2. En el circuito de la figura 8-1, el voltaje en cd VAP, = 57 V. Si Re = 150 il e IT = 0.15 A, entonces VPIP~ = _ _ _ _ _ y. 3. Si en la figura 8-1 el capacitor del filtro C2 se abre, el efecto más notable será un(a) (aumento, disminución) del rizo en la carga. 4. En la figura 8-1, los voltajes V + Y V - cuando hay carga han disminuido, el voltaje de rizo en las cargas aumentó y la frecuencia de rizo es 60 Hz. El problema está en un averiado. 5. Los puntos de prueba de cd del circuito de la figura 8-1 están en y _ _ _ __ 6. Los puntos de prueba del rizo del circuito de la figura 8-1 están en y 1.

7.

8.

9.

En la figura 8-1 , con la carga abierta, el valor de la resistencia en p¡p2 (desconectada la alimentación) es Oil. La causa más probable de falla es _ _ _ _ __ Se mide en el primario de T¡ un voltaje de ca de cero. Suponga que el medidor funciona bien, el problema puede deberse a un abierto, ___________________ o a______ de conexión o a un _ _ _ _ __ muerto. Se ha detectado que la falla en una fuente de alimentación está en uno de los dos rectificadores de silicio. La lectura realizada en uno de ellos con un óhmetro indica que RF = 100 kil, RR = 1 Mil. El rectificador anterior se considera en (buen, mal) estado.


F U E N T E S

D E

A L 1 M E N T A C IÓ N

57

58


8

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

Fuente de alimentación: para 120 V rms, 60 Hz. Equipo: osciloscopio; multímetro electrónico o multímetro. Resistores: 100 n, dos de 1200 n, 2700 n a W; dos de 125 n a 2 W. Capacitores: dos de 100 J.LFa 50 V; dos de 25 J.LFa 50 V. Rectificadores de estado sólido: dos de 1N6525, o equivalente. Otros: transformador TI' 120 V en primario, 26.8 Val A, en secundario con derivación central; interruptor de un polo un tiro; componentes para localización de fallas; cable de conexión.

t

"II'~

.

Arme el circuito de la figura 8-1. CI = C2 = 100 J.LF a 50 V; C3 = C4 = 25 J.LFa 50 V; DI Y D2 son rectificadores de silicio de 1N5625; Re = 100 nl2 W; RBl = RB2 = 1200 n a TI es el transformador utilizado en el experimento 7. Cierre SI' Mida el voltaje en cd sin carga que hay de V + a la tierra, V - a la tierra, V+ a V - Yde A a V -

iw.

2.

TABLA 8-1. Fuente de alimentación

4.

5.

Localización de fallas

Fuente de alimentación de onda completa con V + Y V 1.

3.

y anote los resultados en la tabla 8-1. Observe y mida con un osciloscopio la forma de onda del rizo sin carga, su frecuencia y el voltaje pico a pico del rizo de V + a tierra, V - a tierra, de V + a V - Y de A a V - . Anote los resultados en la tabla 8-1. Conecte dos cargas de 125 n de V+ y V - a G y repita las mediciones del paso 2. Anote sus resultados en la tabla 8-1. Abra SI' Quite la conexión que une el ánodo de DI con el devanado secundario de TI' Se obtiene un circuito rectificador de media onda que suministra V + Y V - . Desconecte las cargas de 125 n. Cierre SI' Repita los pasos 2 y 3 Y anote los resultados en la tabla 8-2.

6.

.

Pida a un ayudante que provoque un problema en la fuente de alimentación de la figura 8-1. Revise el circuito; anote todas las revisiones realizadas, y en el orden seguido. Anote estas revisiones en el informe estándar de localización de fallas (figura 8-2), forma que se usará en todos los procedimientos de localización de fallas. Una vez encontrado el problema, corríjalo.

de onda completa de V+ y V-

Rizo Punto

Carga n

V+aG

No

V+aG

250

V-aG

No

V - aG

250

V+aV-

No

V+aV-

250

A a V-

No

AaV-

250

CD, V

Forma de onda


Frecuencia, Hz

Vpp

L

TABLA 8-2. Fuente de alimentación

oe

A L IZA

e

IÓ N

D E

FA L L A S

E N

F U E N T E S

D E

A L I M E N TA

e

IÓ N

59

de media onda con V+ y V-

Rizo Punto

n

Carga

V+aG

No

V+aG

250

V-aG

No

V -aG

250

V+aV-

No

V+aV-

250

AaV-

No

AaV-

250

CD, V

Forma de onda

INFORME DE LOCALIZACIÓN

Frecuencia, Hz

DE FALLAS

Nombre del estudiante:

Experimento

Grupo:

Fecha:

1.

Describa en qué consiste el problema:

2.

Revisión preliminar: describa qué problemas encontró, si los hay:

3.

Describa el procedimiento

Punto de prueba

Vpp

No.: _ _

_

(enumere los pasos según el orden de ejecución).

Resistencia,

Voltaje, ea o ed

n

Formas de onda y V pp

4.

Describa el problema detectado y haga una lista de las partes utilizadas para la reparación.

5.

¿Fue normal la operación del circuito después de la reparación?

Figura 8-2. Informe estándar de localización

de fallas.


Otros

_

_

60


8

PREGUNTAS 1.

2.

3.

4.

En el caso del circuito de la figura 8-1 , ¿cuál es la relación entre V +, V - , y el voltaje medido de V + a V -? En el circuito de la figura 8-1, compare el rizo sin carga de V + Y V - a tierra con el rizo con carga plena. Si existe alguna diferencia, explique por qué. Compare las salidas de V + Y V - sin carga y el rizo de los rectificadores de onda completa y media onda de la figura 8-1 y explique la diferencia, si la hay. Compare las salidas V + Y V - a plena carga y el rizo de los rectificadores de onda completa y media onda de la figura 8-1 y explique las diferencias.

5.

6.

En la figura 8-1 el voltaje V+ a tierra mide + 30 V; el voltaje V- a tierra es O V. ¿Cuál es la causa más probable del problema? En la figura 8-1 el voltaje de ca medido del ánodo de DI al ánodo de D 2 es 60 V rms. El voltaje de ca medido de cualquiera de los ánodos a la conexión de la derivación central del secundario es O. Las salidas en las fuentes de cd (V+ y V-) son O. ¿Cuál es la falla en este circuito?


EXPERIMENTO

~

RECTIFICADOR EN PUENTE


OBJETIVOS

Teoría y funcionamiento ...................................... ..

Verificar que la conducción en el caso de un rectificador en puente es consecuencia de la conducción · alternada, de dos rectificadores conectados en serie.

La figura 9-1 es el diagrama del circuito de un rectificador en puente alimentado por transformador. El alto voltaje del devanado secundario del transformador T alimenta a cuatro rectificadores de silicio, de DI a D4 . El circuito funciona de la siguiente manera: suponga que durante el semiciclo positivo (semiciclo 1) de la onda senoidal de entrada, el punto C es positivo respecto a D (los voltajes de los extremos opuestos del devanado de un transformador están defasados 180°). En consecuencia, el ánodo de DI es positivo en relación con su cátodo, y DI tiene polarización en directa. Asimismo, el cátodo de D 3 , conectado al punto D, es negativo respecto de su ánodo. Por lo tanto, D3 tiene polarización en directa. También es evidente que tanto D2 como D4 tienen polarización en inversa durante el semiciclo 1. Entonces, en un circuito DI y D3 conducen durante el semiciclo 1 y D2 Y D4 están desconectados. La figura 9-2a) muestra que durante el semiciclo positivo hay un recorrido completo de la corriente para los rectificadores DI y D3 , los cuales están conectados en serie con el resistor de carga R L . La corriente pasa por Rv por DI, por el devanado CD y por D 3 , con la polaridad mostrada. La figura 9-2b) muestra la onda de voltaje positivo producida durante el semiciclo l en R L . Durante el semiciclo negativo (semiciclo 2), DI Y D2 tienen polarización en inversa y se desconectan. Si D2 Y D4 no estuvieran en el circuito, DI y D3 actuarían como un rectificador de media onda. La figura 9-2c) muestra que durante el semiciclo negativo (semiciclo 2), es decir, cuando el punto C es negativo respecto al punto D, el ánodo de D 2 es positivo respecto a su cátodo y el cátodo de D 4 es negativo respecto a su


Observar y medir las formas de onda de entrada y de salida.

Medir los efectos de un cirCtJito filtro en el voltaje de cd de salida y el de rizo.

62


9

.r.,

e

\j

120V 60~

Rl

í\ í\

v:1V\

D

(a)

Figura 9-1. a) Rectificador

La misma configuración de filtros se puede utilizar en el rectificador en puente, lo mismo que en cualquier otro circuito rectificador. En el caso del rectificador en puente la especificación de voltaje de los capacitores del filtro debe ser por lo menos el doble del valor del rectificador de onda completa con el mismo transformador.

RESUMEN

(b)

1.

en puente; b) ondas.

2.

.:. , I

.

.~

., , . :,

ánodo. Por lo tanto, los rectificadores D2 y D4 tienen polarización en directa, en tanto que DI y D3 tienen polarización en inversa. En estas condiciones, D2 y D4 conducen y permiten el paso de corriente por R¿- La polaridad en RL es la misma que en la figura 9-2d). Así, DI conectado en serie con D3 rectifica durante el semiciclo positivo de la entrada, en tanto que D2 conectado en serie con D4 rectifica durante el serniciclo negativo. Entonces, un rectificador en puente es un rectificador de onda completa. La derivación central (CT) del secundario no está conectada en un rectificador en puente. En un rectificador de circuito convencional el CT sirve como retorno común, y el voltaje de los diodos es la mitad del voltaje del transformador. Por lo tanto, si se utiliza el mismo transformador, el voltaje de salida de un rectificador de onda completa convencional es sólo la mitad del de un circuito en puente.

3.

El rectificador en puente de onda completa (figura 9-1) utiliza cuatro diodos rectificadores. De éstos, los pares opuestos (DI y D3 o D2 y D4) conectados en serie con la carga conducen de manera alternada. La salida del rectificador en puente es una cd pulsante (figura 9-1b), idéntica a la salida del rectificador de onda completa de dos diodo s convencionales. Sin embargo, si se utiliza el mismo transformador T en ambos circuitos, la amplitud del voltaje del rectificador en puente es el doble de la amplitud del rectificador de onda completa convencional. El rectificador en puente no emplea un CT secundario. Para alisar la salida producida por un rectificador en puente se utiliza un filtro tipo -tt. Los capacitores se deben calcular de manera que resistan los voltajes mayores que se producen en el rectificador en puente.

AUTOEVALUACIÓN

................................... e

'.

Responda a las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje.

I

+

o,

I #1

VeDo

1.

-1 I

120D 60 Hz

I O2

D,

,~

1 1

(h) I I

: 1 I

+ I

:

:

i

Dz

+

-+--

I

I

I I

I

1

I

I I I

I I

I I

(e)

4.

En la figura 9-1, un rectificador DI abierto dará como resultado una rectificación de __ (media) onda o de onda __ (completa). En la figura 9-1, un D2 produce voltaje en R¿, pero sólo si e es positivo en relación con D. _ (verdadero, falso). Si el voltaje rms del secundario de T es de 50 V, el pico del semiciclo positivo en RL es V (aproximadamente) . ¿Cuál es la frecuencia del rizo presente en RL en la figura 9-1?

¡I\i

M

VRLi

o

3.

#2

I

+

2.

I

- I

F

12~ 60 Hz

i I

I #1 VeD O ,

I I

;

(a)

e

I I

!/\! ~ O

VRL

o

1,

I I

+

1

O ( d)

Figura 9-2. Efecto de un rectificador en puente (a, b) en el semiciclo positivo; (e, dJ en el semiciclo negativo.


R E e T 1 F 1 e A DaR

EN

PU EN T E

63

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

2.

Equipo: osciloscopio, EVM, miliamperímetro de cd de 0-100 mA. Resistores: *2700 o, 5600.0 a W; 100 .o al W; 250.0 a *2 W; 500 .o a 5 W. Capacitores: dos de 100 j.LF a 50 V. Rectificadores de estado sólido: cuatro 1N4525, o equivalente. Otros: transformador de potencia TI' 120 Ven el primario y 26.8 V/1 A en el secundario; cinco interruptores de un polo un tiro; cable de línea con fusible; interruptor de un polo dos tiros.

t

NOTA:los resistores con asterisco (*) se usan en el procedimiento de puntos adicionales.

Funcionamiento del rectificador en puente 1.

.

Arme el circuito de la figura 9-3. Los rectificadores de silicio son DI a D4. T es el mismo transformador empleado en los experimentos anteriores del rectificador. El resistor RL vale 5600 n.

NOTA: cerciórese de que los rectificadores de silicio estén conectados en el circuito con la polaridad adecuada. Los interruptores del SI al Ss están abiertos. Conecte S¿ con X.

e

.:». S

Calibre las escalas verticales del osciloscopio a 15 V/división. Ponga el osciloscopio en line-trigger/sync. Conecte el osciloscopio en CD, el hilo de tensión en C y el hilo de tierra en D. Cierre Ss. 3. Ajuste los controles de base de tiempo hasta que aparezcan dos ciclos en la pantalla. Coloque éstos en posición vertical de manera que los semi ciclos del pico positivo y del pico negativo estén centrados respecto al eje x en la cuadrícula del osciloscopio. Ajuste el control de centrado horizontal hasta que uno de los ciclos sea simétrico respecto al eje y, con el semiciclo positivo a la izquierda. La onda debe ser como la mostrada en la tabla 9-1. Mida y anote en la tabla 9-1 la amplitud del pico positivo y del pico negativo de la onda. Deben ser idénticos. De no ser así, vuelva a centrar la onda en la dirección vertical, hasta que sus valores sean iguales. Ésta es la onda de referencia. No reajuste los controles del osciloscopio hasta que haya realizado los pasos del 4 al 7. Las ondas están relacionadas en el tiempo con la onda de referencia. 4. Conecte las terminales verticales del osciloscopio en Rv el hilo de tensión en F y el hilo de tierra en G. Los interruptores del SI al S4 siguen abiertos. Observe y mida la onda presente en Rv si la hay, en fase temporal con la onda de referencia. Dibuje la forma de onda en la tabla 9-1. 5. Cierre SI. (S2, S3 Y S4 todavía están abiertos.) Observe y mida la onda, si la hay. Dibuje en la tabla 9-1 la onda en fase temporal con la onda de referencia. 6. Cierre S2. (S3 y S4 todavía están abiertos.) Coloque S" en la posición y. Observe y mida la onda en RL. Dibuje en la tabla 9-1 la onda en fase temporal con la onda de referencia. 7. Cierre S3 y S4. Observe y mida la onda en RL. Dibuje en la tabla 9-1 la onda en fase temporal con la onda de referencia.

SI TI

DI F

120V~

S)

S,

O,

D)

R,

o

x

Vsal

G

~----~----------~-+---Ó y


en puente experimental

sin filtro.


64


TABLA 9-1. Funcionamiento

9

del rectificador

en puente: salida sin filtrar

Posición del interruptor

Onda

+ O

-

Paso

4

SI

S2

S3

S4

Abierto

Abierto

Abierto

Abierto

. Cerrado

5

Abierto

Cerrado

6

Cerrado

Cerrado

7

Cerrado

Abierto

S6 x

O

x

O

x

O

x

O

,

Abierto

Abierto

Cerrado

Cerrado

.

v+

F

G

10.

100n/1W

11.

RB 5600 n

12.

+ M

Figura 9-4. Adición de un filtro al rectificador

' I

8.

, :1 • I

I

'j

Puntos adicionales (opcional) .

cerciórese de que los capacitores de filtrado y M estén conectados con la polaridad adecuada.

, "

'1 r ¡ I

13.

Abra Ss' Desconecte del circuito R[- Conecte un filtro tipo 7T entre F y la tierra, remate con un resistor de dren de 5 600 n, RB, como muestra la figura 9-4. Con el miliamperímetro de 100 mA de cd M mida la corriente directa total del circuito. Los interruptores del SI al S4 están cerrados, al igual que en el paso 7.

PRECAUCIÓN:

9.

ve y mida el voltaje de rizo entre F y la tierra y entre V + Y la tierra. Dibuje la onda del voltaje de rizo en la tabla 9-2. Repita las mediciones del paso 9 con un resistor de carga de 500 n a 5 W conectado en RB. Anote los resultados en la columna "Con carga". Pida a alguien que introduzca una falla en el circuito. Mida y anote en la tabla 9-2, los voltajes y ondas correspondientes del circuito. Determine el problema del circuito y corríjalo. Describa el procedimiento utilizado para determinar el problema.

en puente.

Filtrado de la salida de un rectificador en puente , 11

r-, ./

Abierto

j ",

,',

V-r-, Referencia

Voltaje pico

Cierre Ss. Con un multímetro digital, mida el voltaje rms a través de CD. En la tabla 9-2 anote el voltaje. Mida y anote en la columna "Sin carga" el voltaje de cd entre el punto F y la tierra, V + a tierra y la corriente de cd. Con un osciloscopio obser-

14.

.

Determine las características sin carga y con carga (voltaje de cd, corriente de cd y rizo) de un rectificador convencional de silicio de onda completa con dos diodo s utilizando los mismos componentes de filtrado que en el caso del rectificador en puente. El valor del resistor de dren RB es de 2700 n. Use un resistor de carga de 250 n a 2 W. Dibuje el diagrama del circuito; prepare una tabla y anote los datos. Explique paso a paso el procedimiento seguido. Con base en los datos de la tabla 9-2: a) ¿Qué otros datos, de ser el caso, se necesitan para calcular la corriente de cd, si se supone que no se tiene un mili amperímetro? b) Calcule la corriente de cd con carga y sin carga. Muestre los cálculos. e) Compare los valores calculados con los medidos. Explique las discrepancias.


R E

TABLA 9-2. Rectificador

en puente-salida

eT

1F 1e A D

Paso

en CD

Punto

9

F

lO

V+

11

F

11

V+

2.

3.

P U E N T E

Con carga (500 ,O)

CD

CD

mA

V

Rizo Onda

Vpp

X

X

PREGUNTAS 1.

E N

filtrada

Sin carga Volts RMS

oR

¿Cuál es la frecuencia de rizo del rectificador en puente? Para justificar su respuesta, utilice los datos obtenidos. Explique las diferencias que existen entre voltaje de cd y de rizo en Vsal para el rectificador de media onda (paso 5), el rectificador de onda completa (paso 6) y el rectificador en puente (paso 7). Compare los resultados del rectificador en puente en el paso 7 y los resultados del rectificador con filtro en el paso 10.


CD

CD

mA

V

Rizo Onda

Vpp

65

, '""

•

," l.

;Ii

'#M

J~.

11 " I

'1" (

., "

~ 11

,;::' ,,"

'"


EXPERIMENTO

~

FAMILIARIZACIÓN CON LOS TRANSISTORES


OBJETIVOS

Transistor: dispositivo formado por tres elementos .................................................... .

Familiarizar al lector con diversos tipos de transistores.

El interés científico de los semiconductores trajo consigo la invención del transistor. Una ventaj a del transistor es su tamaño y peso reducidos, lo cual permite la miniaturización del equipo electrónico. El transistor opera con poco voltaje y su consumo de electricidad es mínimo. No necesita un periodo de calentamiento y funciona en cuanto se le suministra energía. Un transistor tiene menos conexiones de circuito. Una de las desventajas de los transistores es su sensibilidad al calor, pero una ventaja es que genera muy poco. Existen diversos tipos de transistores. Se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de material básico con que se construyen. En esta categoría figuran los transistores de germanio y silicio. La mayor parte de los transistores se hacen de silicio. También se clasifican de acuerdo con el proceso utilizado para su fabricación. Existen diversos tipos de transistores de unión: transistor de unión por crecimiento, de unión por aleación, de campo de arrastre, tipo meseta, epitaxial tipo meseta, planar y de contactos de punta. Se pueden clasificar también según su capacidad para disipar potencia; aquí se encuentra una amplia gama, desde los de baja potencia (de menos de 50 mW) hasta los de alta potencia (2 W y más). Los transistores tienen diversas formas y tamaños (figura 10-1). Existen variantes en cuanto a la configuración de su receptáculo y a la manera de montar el transistor en el circuito. Algunos se montan sobre un conector. Éstos se adaptan a la forma de la base física del transistor. Algunos transistores tienen conexiones flexibles que permiten soldarlos directamente en el circuito.


Medir los efectos producidos por la polarización en directa (normal) y en inversa en la corriente emisor-base del circuito emisor-base. Medir los efectos producidos por la polarización en directa y en inversa en la corriente del colector en el circuito emisor-base. Medir 'CBO'

..

68

EXPERIMENTO

10

EMISOR

BASE

COLECTOR

Figura 10-1. Algunas formas de transistores (Sylvania Eleetrie Produets Ine.) Figura 10-3. Polarización de un transistor PNP.

Tra nsistores de unión .. ..................... ... . Los transistores son una extensión del diodo de semiconductor. El transistor PNP mostrado en la figura 10-2 es un ejemplo. Un transistor de unión construido con una capa muy delgada de silicio tipo N entre dos capas "gruesas" de silicio tipo P. De las placas metálicas individuales que están en contacto con los respectivos cristales semiconductores se toman tres conexiones. La oblea P de la izquierda se denomina "emisor", la oblea N de en medio, "base" y la oblea P de la derecha, "colector". La base tiene alrededor de 1 mil (0.001 pulg) de espesor. Para efectos de polarización, este transistor se puede considerar como dos diodos. El emisorbase es un diodo y el colector-base es el otro diodo. Cuando se utiliza como amplificador, el transistor se polariza como se indica en la figura 10-3. El emisor-base se polariza en sentido directo o en dirección de resistencia mínima con un VEE ; el colector-base se polariza en sentido inverso, o en dirección de resistencia máxima con un Vcc . Los huecos son los portadores de corriente mayoritarios del diodo emisor-base y salen del emisor tipo P. Sólo una pequeña cantidad de los huecos emitidos por el emisor se combinan con los electrones libres de la base. Los demás (un 95%) atraviesan la delgada capa de material, y son atraídos por la terminal negativa de la batería en el colector. El circuito emisor-colector se completa en forma externa a través de las dos baterías, VEE y Vcc , conectadas en serie. El resistor, Rc, limita el valor máximo de la corriente de colector. De acuerdo con esta descripción del flujo de corriente en un transistor, es evidente (figura 10-3) que el emisor es la fuente de los portadores de corriente, que la

p

EMISOR

N

BASE

corriente emisor-base es muy pequeña y que la corriente en emisor-colector es alta. También se observa que los cambios que se producen en la polarización emisor-base ocasionan cambios en la corriente del emisor. Es decir, un aumento de la polarización en directa produce un aumento en la corriente de emisor y, por lo tanto, en la corriente del colector. La corriente de base aumenta o disminuye muy poco con un aumento o disminución en la corriente del emisor. Por lo tanto, es evidente que es fácil controlar la corriente del colector si se cambia la polarización de la parte emisor-base. Ahora los términos "emisor" y "colector" se pueden asociar con las funciones que desempeñan. También es posible fabricar un transistor de unión con una configuración NPN (figura 10-4). Igual que en el caso anterior, la polarización del emisor-base debe realizarse en la dirección directa, en tanto que la del colector-base se hace en la dirección inversa. Dado que en este caso se utiliza un cristal tipo N como emisor y colector y uno de tipo P como base, hay que invertir las polaridades de la batería en relación con la polaridad de un transistor PNP. En el caso del transistor NPN, los electrones son los portadores de corriente mayoritarios. Para el transistor PNP estos portadores son los huecos.

EMISOR

BASE

p

VEE COLECTOR

l...------I- 1 1

Figura 10-2. Transistor de unión PNP.

+---~--l

1-1

Figura 10-4. Polarización de un transistor NPN.


COLECTOR

F A MIL lAR IZA CiÓ N

BASE

EMISOR

COLECTOR

-+-(f:--I

_B_A_S_E

eoN

L

oS

fLECTOR

T R A N S 1ST

_B_A_S_E__

R E

s

69

~~--ICOLECTOR

EMISOR (a)

o

EMISOR (b)

Figura 10-7. Símbolo esquemático de a) un transistor PNP y b) un transistor NPN.

Figura 10-5. Flujo de corriente de electrones por el circuito externo de un transistor PNP.

La figura 10-5 es un diagrama simplificado en el que se muestra la dirección del flujo de la corriente de electrones en el circuito externo de un transistor PNP. Note que es una corriente de electrones la que fluye en el circuito externo y un flujo de huecos dentro del cristal tipo P. La corriente designada como leBo es una corriente de fuga muy pequeña, y por el momento no se analizará. La corriente que fluye por el circuito del emisor es la corriente "total" y es igual a la suma de las corrientes de base y colector. La figura 10-6 es un diagrama simplificado que muestra la dirección del flujo de la corriente de electrones en el circuito externo de un transistor NPN. Al compararlo con la figura 10-5 se observa que la dirección del flujo de la corriente en el circuito externo del transistor NPN es opuesta a la del tipo PNP.

Esta corriente de fuga (leBo) se debe a portadores minoritarios en el colector y la base. El valor de leBo está en el intervalo de unos microampers (/LA), para el germanio y de unos nanoampers (nA), en el caso del silicio y aumenta de valor al aumentar la temperatura. Un importante factor que afecta la operación del transistor es la temperatura de funcionamiento. Una temperatura mayor da una corriente mayor; a su vez, esto produce más calor y más corriente. Si esta reacción en cadena, conocida como embalamiento, no se interrumpe, puede dar como resultado la destrucción completa del transistor debido al calor excesivo. El intervalo normal de temperatura dentro del cual es posible operar un transistor sin riesgos está especificado por el fabricante. Los transistores de silicio toleran mejor el calor que los de germanio, por lo que su intervalo de temperatura de funcionamiento es mucho más amplio que para los transistores de germanio.

Símbolos, bases y montaje ................... . 1eRO Y el embalamiento térmico leBO es la corriente de colector que fluye cuando la unión

formada por colector-base está polarizada en dirección opuesta con la unión emisor-base en circuito abierto (no hay VEE ).

N

P

N

Figura 10-6. Flujo de una corriente de electrones en el circuito externo de un transistor NPN .

Las figuras 1O-7a) y b) muestran los símbolos que representan los transistores PNP y NPN, donde el elemento que tiene una flecha es el emisor y su contraparte simétrica es el colector. El transistor PNP se caracteriza por la flecha del emisor que apunta hacia la base, en tanto que la flecha del emisor sale de la base para el transistor tipo NPN. Observe que el flujo de la corriente de electrones dentro del transistor es opuesta a la dirección de la flecha. Los transistores se clasifican de acuerdo cOI? su capacidad para disipar potencia. Un transistor utilizado como amplificador de audio de bajo nivel tendrá una especificación de potencia baja, por decir, de 50 mW. Un transistor empleado como amplificador de salida debe tener una especificación de watts mayor. Las cubiertas de los transistores de potencia están diseñadas especialmente para favorecer un enfriamiento rápido. Por ejemplo, en algunos transistores de potencia se utilizan aletas radiales para disipar el calor (figura lO-l) . Otros tipos de transistores utilizan una envolvente metálica montada en el chasis metálico del equipo en


70


1O

que se utiliza. En este transistor, el colector se conecta con la cubierta del transistor y el chasis se encarga de disipar el calor. La especificación de potencia de este tipo de transistor es mayor cuando se monta en el chasis metálico, como se describió, y una especificación de potencia menor cuando no se monta en dicho chasis. La siguiente es una lista de las abreviaturas utilizadas para denotar los parámetros de un transistor: VBB I CB

V KJ

VCB

PINZAS DE PUNTA LARGA

~

./

/ TRANSISTOR

Voltaje alimentado a la base. Corriente colector a base (para evitar confusiones se puede usar el segundo subíndice). Voltaje de circuito entre elementos, por ejemplo, entre K y J. Voltaje entre colector y base.

Reglas para trabajar con circuitos que tienen transistores y para realizar mediciones en ellos ................. . Herramientas especiales

Se requieren herramientas especiales para usarlas en circuitos que tienen transistores debido al tamaño reducido de éstos y de sus componentes asociadas. Además, por lo general, el equipo transistorizado está mini aturizadoy resulta imposib le utilizar las herramientas normales. La lista de herramientas especiales incluye: Cortadores miniatura Pinzas miniatura con punta de aguja Una variedad de tweezers de servicio Varilla para soldar tipo lápiz de 25 W Cautín Lupa de joyero o lupa con base.

Precauciones para no dañar a los transistores

Si bien los transistores son dispositivos de construcción sólida, es fácil dañarlos si su manejo r.o es adecuado. Cuando trabaje con transistores de baja potencia con conexiones flexibles, debe hacerlo con mucho cuidado ya que estas conexiones son frágiles y se rompen con facilidad. La misma precaución debe tenerse al manejar las componentes de los transi stores. Como éstas son de tamaño miniatura es fácil romper sus conexiones si no se tiene el cuidado necesario. Para lograr una vida máxima, los transistores y las componentes asociadas que se utilizan en éste, y experimentos subsecuentes, deben montarse de manera permanente en dispositivos de cableado.

Figura 10-8. Las pinzas sirven como disipador calorífico al soldar un transistor en un circuito.

Los transistores pueden destruirse casi instantáneamente, a diferencia de los bulbos que toleran sobrecargas de voltaje moderadas durante periodos largos. Un corto circuito entre la base y el colector producido en un circuito en operación, casi siempre destruirá un transistor. Entonces, la punta de prueba de un medidor o de una herramienta que pone en corto un par de terminales puede destruir un transistor. Se evitarán muchas averías en los circuitos de estado sólido si observan los siguientes lineamientos al trabajar con ellos:

Inserción de transistores en un circuito. No instale ni retire un transistor de un circuito con la alimentación en encendido. De lo contrario, puede dañar en forma permanente un transistor debido a las elevadas corrientes transitorias que se llegan a generar. Cerciórese de que la ali mentación está en apagado antes de insertar o retirar un transistor u otra componente de un circuito.

Valores de polarización y de voltaje de colector. Cerciórese de que la polaridad del voltaje de polarización del colector sea correcta antes de conectar la alimentación. La polarización del colector debe ser inversa. Además, el voltaje entre el colector y el emisor no deberá exceder los valores especificados. Por lo tanto, debe medir estos voltajes y ajustarlos al valor adecuado antes de conectar la alimentación al circuito.


F A MILIARI Z ACIÓ N

Revisión de las conexiones del circuito. Es necesario verificar todas las conexiones según el diagrama del circuito antes de conectar la alimentación. No debe conectarse un transistor a una fuente de voltaje sin una resistencia Iimitadora en el circuito.

Soldado del transistor. Cuando sea necesario el soldado de transistores debe hacerse con rapidez. Se recomienda usar varillas de pocos watts (25 W). Las extremidades del transistor deberán ser lo más largas posibles, de acuerdo con el diseño del circuito para reducir la transferencia de calor. Se debe utilizar el mismo tipo de disipador calorífico al soldar las conexiones del transistor a un circuito que al soldar diodos de germanio. Para crear un disipador calorífico efectivo la extremidad del transistor se sujeta con pinzas de puntas largas, entre el cuerpo del transistor y el punto de aplicación del calor, como se muestra en la figura 10-8.

TRA N SISTOR E S

71

RESUMEN

1.

2.

4.

5. Mediciones de resistencia. Existe la posibilidad de dañar un transistor durante una medición de resistencia. Cuando se utiliza un óhmetro de tipo conexión en paralelo en los intervalos de resistencia baja, es probable que entregue una corriente excesiva al transistor y lo destruya. Debe tener cuidado al hacer mediciones en los circuitos de transistores con un óhmetro. Una regla útil consiste en observar el voltaje y polaridad en las conexiones del óhmetro antes de verificar las uniones de transistores. Además, si es necesario verificar la resistencia de las componentes de un circuito con transistor, éste debe quitarse si es de tipo enchufable. Cuando se mide la resistencia con el transistor conectado en el circuito, deben tenerse en cuenta que habrá conducción a través del transistor. Se recomienda hacer dos series de mediciones de la resistencia invirtiendo las conexiones del óhmetro para la medición requerida. La lectura mayor será la correcta ya que en este caso el transistor tenía polarización en inversa. Es frecuente que los voltímetros electrónicos (EVM) cuenten con una función para medición de ohms a baja potencia (LPD), especial para medir resistencias en circuitos con transistores. Con la función LPD el voltaje generado para polarizar directamente las funciones del transistor es insuficiente. Por ello, esta función sirve para realizar mediciones en circuitos que contienen dispositivos de estado sólido.

LOS

Empleo de generadores de señales como fuente de señales en circuitos que tienen transistores. Una salida excesiva producida por un generador de señal podría destruir un transistor. Así, la salida del generador debe calibrarse al mínimo al inicio de la inyección de la señal. Como medida de seguridad adicional, el generador no debe acoplarse directo al circuito. Siempre que sea posible, se recomienda un acoplamiento capacitivo holgado.

3. Mediciones de voltaje. Todo el equipo debe estar aislado de la línea de alimentación eléctrica. De no ser así, es necesario usar un transformador de aislamiento. Al medir el voltaje en los circuitos de transistores, hay que tener cuidado de minimizar la posibilidad de corto circuitos accidentales entre terminales con espaciamiento muy cercano. Un corto circuito accidental puede aplicar un voltaje incorrecto o excesivo a los elementos del transistor y destruirlo.

CON

6.

7.

8.

9. 10.

11.

12.

Los transistores son dispositivos de estado sólido que amplían el alcance y aplicaciones del diodo de dos elementos. El silicio es el elemento que se utiliza en la mayoría de los transistores hoy día. Los transistores de unión constan de un elemento muy delgado llamado base, colocado entre dos elementos llamados emisor y colector. Los transistores pueden ser de tipo PNP o NPN. La primera letra indica el tipo de material usado en el emisor; la central, el de la base, y la última, el material del colector. Es decir, los transistores contienen dos uniones, la unión del emisor y la base, y la del colector y la base. Las características de los transistores de unión dependen del grado de contaminación en emisor, base y colector, de la geometría del transistor y del método de fabricación. Para efectos de polarización, el transistor se puede considerar como un dispositivo de dos diodos: el diodo emisor-base y el diodo colector-base. En la mayoría de las aplicaciones, el diodo emisor-base tiene polarización en directa y el diodo colector-ba~ se tiene polarización en inversa. El emisor inyecta (emite) o es la fuente de los portadores de corriente dentro del transistor. El colector recibe (recolecta) la mayor parte de los portadores de corriente. La base controla la corriente de colector. La corriente del emisor es la corriente total y se divide entre la corriente del colector y la corriente de la base. El flujo de corriente dentro del transistor se realiza mediante los portadores de corriente mayoritarios, los cuales son electrones si el material es tipo N y huecos si es tipo P. Existen también portadores minoritarios. La reducida corriente de los portadores minoritarios en la unión colector-base con el emisor abierto se conoce como corriente defuga O ICBO. Si bien el valor de ICBO es muy pequeño en los transistores de silicio, aumenta con el calor y llega a destruir un transistor si no se detecta.


72

E X P E R 1 M E N T O

13.

Los transistores son sensibles al calor. Las temperaturas a las que pueden operar están especificadas por el fabricante. Los transistores se clasifican de acuerdo con su capacidad para disipar energía, desde valores bajos (50 mW) hasta elevados (2 W o más). Los transistores de alta potencia emplean disipadores caloríficos para eliminar el calor presente en un transistor.

14.

15.

1 O

AUTOEVALUACIÓN

•.•...•••.......................... Responda a las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje. l.

2. e

l.

.~

•

,

3.

4.

5.

6. ~

•• ~ 11

La unión emisor-base de un transistor tiene polarización ; la unión colector-base tiene polarización _ En un transistor PNP el emisor es (positivo, negativo) respecto de la base, en tanto que el colector es (positivo, negativo) respecto de la base. Las polaridades de las baterías de un transistor NPN son (inversas, idénticas) en relación con las baterías de un transistor PNP. La punta de la flecha en el símbolo del emisor que representa a un transistor muestra la dirección convencional del flujo de corriente, la cual es opuesta al flujo de electrones. (verdadero,falso) Los transistores son dispositivos de construcción sólida, por lo que requieren de mínimos cuidados al manejarlos. (verdadero, falso) Los transistores son sensibles al . Por lo tanto, al soldar las terminales de un transistor en un circuito deben usarse disipadores _


F A MIL

1A R 1Z A

e 1Ó N e o N

L

oS

T R A N S 1S T

oREs

73

PROCEDIMIENTO


MATERIAL NECESARIO

-!

Fuente de alimentación: fuentes de 1 y 6 V. Equipo: dos miliamperímetros de rango múltiple (o multímetros de 20 000 DJV); EVM. Resistores: de 100 820 a w. Semiconductores: transistores 2N3904 y 2N3905 montados de manera correcta, o su equivalente. Otros: un potenciómetro de 2500 n a 2 W; dos interruptores de un polo un tiro.

y

Paso

lE,

lo

mA

mA

de un amplificador

con transistor

lB' VEB

VeB

VCE

mA

VR3

2

n -!

3 5 7 8 10

Polarización PNP l.

.

Arme el circuito de la figura 10-9 con los interruptores SI y S2 abiertos. La configuración de este circuito se llama amplificador de base común. La corriente de entrada (lE) se aplica en la conexión del emisor, y la corriente de salida (le) se mide en el circuito del colector. Configure R2 para el valor de resistencia máxima; con ello se obtiene la polarización mínima en el emisor al aplicar la alimentación eléctrica. RI es un resistor limitador de corriente (o de polarización) en el circuito del emisor. R3 es un resistor limitador en el circuito del colector. Conserve la polaridad correcta de la batería y del medidor. Configure los medidores MI y M2 para valores altos. Una vez conectada la alimentación, disminuya el intervalo del medidor hasta que sea adecuado para leer el valor de la corriente. Antes de conectar la alimentación, pida a su instructor que apruebe las conexiones del circuito.

2.

3.

4. 5.

Cierre SI y S2. Observe y mida la corriente presente en los circuitos del emisor y colector. Haga sus mediciones de manera precisa para advertir cualquier diferencia entre lEe 1C" Anote los datos en la tabla 1O-l. Mida el valor de los voltajes emisor-base (VEB), colector-base (VeB) y colector-emisor (VCE) y anótelos en la tabla 10-1. Muestre la polaridad de cada voltaje. Configure R2 para el valor de resistencia mínima, es decir, para obtener la polarización de emisor máxima. Cambie los intervalos del medidor según se requiera. Observe y mida lE' le, VEB, VeB Y VCE· Anote los datos obtenidos en la tabla 10-1. Indique la polaridad de cada voltaje. Abra SI. Abra el circuito emisor-base abriendo SI. Cierre S l. Observe y mida el valor de l ce- Anote los datos en la tabla 10-1. Este es el valor de 1eBO para las condiciones del circuito. Mida el valor de VeB Y anótelo en la tabla 10-1. Indique la polaridad del voltaje.

Polarización NPN 6. VEE _--±J11 -¡ f-----"'-11 1.5V

+

Vcc

s,

I1-1 --~/ ./

6V

Figura 10-9. Mediciones de corriente y voltaje en los circuitos de emisor y colector de un transistor PNP.

7.

Abra: S l. Quite el transistor PNP del circuito y sustitúyalo por el transistor NPN, invierta la polaridad de Vee y de VEE, como en la figura 10-10. Cierre SI. Configure R2 para el valor de resistencia máxima. Cierre S2. Observe y mida el valor de fe y de le. Anote los datos en la tabla 10-1. Mida los valores de VEB' VeB Y VCE Y anótelos en la tabla 10-1. Indique la polaridad.


.

74


1O

8.

+

9. 10. 11.

V EE

Vcc

1.5 v

6v

Configure R2 para el valor de resistencia mínima. Cambie los intervalos del medidor según se requiera. Observe y mida lE' le, VES' Ves Y VCE ' Anote los resultados en la tabla 10-1. Indique la polaridad del voltaje. Abra SI' Abra el circuito emisor-base abriendo el interruptor S2' Cierre SI' Observe y mida leso Y Ves. Registre los datos en la tabla 10-1. Abra SI'

S,

------illll-'-+--+-----ill~ Figura 10-10. Mediciones de corriente y voltaje en el circuito de emisor y colector de un transistor PNP.

PREGUNTAS 1.

2.

3. 4.

¿Qué efecto produce en la corriente del colector un aumento en la polarización del emisor? Calcule la corriente de base (ls = lE - le) para cada conj unto de lecturas en la tabla 10-1. Anote estos valores en la tabla. Compare y explique las diferencias entre los valores de l e e leso. Compare y explique las diferencias en los valores de VeE obtenidos en los pasos 2 y 3.

5.

6.

Calcule el voltaje presente en R 3 (VR3 = le X R 3) para cada conjunto de lecturas en la tabla 10-1. Comente acerca de la relación entre VR3 y VES' La ganancia de un amplificador se calcula dividiendo la corriente de salida (le en este experimento) entre la corriente de entrada (lE) ' ¿Cuál es la ganancia en corriente del amplificador de base común utilizado en este experimento en condiciones normales de operación?


EXPERIMENTO

~

GANANCIA DE CORRIENTE «(3) EN UNA , , CONFIGURACION EN EMISOR COMUN


Configuraciones de los circuitos de transistores Un transistor formado por tres elementos se conecta en un circuito de tres maneras distintas : 1) emisor aterrizado o emi sor común , 2) base aterrizada o base común y 3) colector común o colector aterrizado. Los circuitos respectivos se muestran en la figura ll-la), b) y c). Cada uno de estos circuitos tiene determinadas propiedades con las cuales se familiarizará . El emisor aterrizado es la configuración que se utiliza con mayor frecuencia pues permite obtener ganancia en voltaje, corriente y potencia. En estos circuitos se conecta en la entrada una señal de voltaje y en la salida se obtiene la señal procesada. El término elllisor comlÍn se origina en el hecho de que el emisor es común para el circuito de entrada y el de salida. El circuito de base común se estudió en el experimento 10. En la configuración de colector común, éste se encuentra a un potencial de cd, Vce, necesario para obtener la polarización en inversa del circuito de colector. Suponiendo que Vce es una batería ideal sin resistencia interna, la impedancia del circuito de colector es de O. En el colector no se desarrolla una señal de voltaje y, por lo tanto, su nivel es de o. El colector funciona como referencia común para la señal de entrada y de salida. Dado que el colector es común para la entrada y la salida, este circuito se conoce como de colector cOJ/uín o aterriaulo.


76


11

NPN

SALIDA DE LA SEÑAL

( b)

(a)

( e)

Figura 11-1. Configuraciones de circuitos de transistores: a) de emisor común; b) de base común; e) de colector común.

NOTA: la figura 11-1 muestra un transistor NPN conectado en las tres configuraciones. Para conectar un transistor PNP basta con invertir las polaridades de la batería.

Ganancia de corriente de los transistores alfa (a) ............................................... . En el caso del circuito de base común, la corriente del colector se controla con variaciones de la corriente del emisor. Lo anterior se estudió en el experimento 10, donde las mediciones revelaron que un aumento o disminución de la corriente del emisor dio como resultado el aumento o disminución respectivos en la corriente de colector. Esto se tiene en cuenta al evaluar una importante característica de control (alfa o ganancia de corriente) de un transistor en una configuración de base común. Alfa se define como el cociente de la variación en la corriente del colector, 6.lc (léase delta l c) y la variación en la corriente del emisor, 6.IE , con el voltaje del colector constante. ASÍ, ex

=

6. lc -A--

Llh

(VCB constante)

(11.1)

La ecuación (11.2) establece que [3 es el cociente de la variación en la corriente del colector, 6.lc , producida por la variación en la corriente de base, 6.IB , con el voltaje del colector, VCE , en un valor constante. Es decir, [3 es el factor de amplificación de la corriente de un amplificador de emisor aterrizado. Otro símbolo para [3 es hfe' Cuando V CE es constante, el cociente 6./d!5./B es igual a [3. Cuando VCB es constante, 6./d6./B es igual a ex. Por lo tanto, si VCE Y VCB son constantes, la ecuación (11.2) se convierte en

[3=

ex

De la ecuación (11.3) se obtiene la relación ex=

[3

(11.4)

1 + [3

Es evidente que conforme ex se acerca a 1, [3 es cada vez más grande. ASÍ, un transistor cuya ex es 0.98 tiene una [3 con valor de 49, mientras que una ex de 0.99 se asocia con una [3 de 99. Como una variación tan ligera en ex en la región del valor 1 produce un cambio tan grande en [3, la medición de ex debe ser muy precisa para evitar errores al aplicar la fórmula de [3.

Alfa se conoce como cociente de transferencia de la corriente en sentido directo , y se representa como hjb'

Beta

(11 .3)

l-ex

NPN

(~)

SALIDA DE LA SEÑAL

En la configuración de emisor aterrizado (figura 11-2), la señal de entrada se conecta a la base. La ganancia de corriente ahora se representa por [3 (la letra griega beta) y se define como sigue:

IC - ICl IB2 -

IBI

(VCE constante)

(11.2)

Vcc

Figura 11-2. Corriente en un amplificador con emisor aterrizado.


G A N A N

e

[ A

D E

eo

R R [ E N T E

(j3)

E N

U N A

eoN

F [ G U R A

RESUMEN

1. 2. 3.

13=

(VCE

constante)

= h¡e (11.5)

Cuando los valores de VCE Y V eB son constantes, existe una relación importante entre ex y 13 dada por cualquiera de las siguientes fórmul as: ex l-ex

l. 2. 3.

77

La ganancia de corriente en una configuración CE se representa por _ _ __ La ganancia de corriente de una configuración CE siempre es que l. En una configuración CE, el elemento del transistor que es común para las señales de entrada y de salida es

4.

En un circuito CE la señal de entrada se conecta en

5.

Al determinar experimentalmente el valor de 13, el voltaje de V CE debe ser _ _ _ _ __ La fórmula que define a 13 en términos de la corriente de colector y de base es : 13 = (ecuación 11- ) En el circuito de la figura 11-3 se midieron los siguientes valores, con V eE = 5 V; I BI = 50 ¡..LA, In = 4.5 mA; I B2 = 75 ¡..LA; I C2 = 9.5 mA . Beta debe ser igual a _ _ _ _ __ El valor de ex que corresponde al valor de 13 determinado a partir de las mediciones de la pregunta 7 es

7.

(11.6) 8.

o bien: ex=

oR eoMÚN

Responda a las siguientes preguntas para evaluar su aprendizaje.

6. 4.

E M [ S

AUTOEVALUACIÓN

t:. l e

=....,.---uls

E N

...................................

En una configuración de emisor aterrizado (CE) (figura 11-2) la señal de entrada se conecta en la base. En esta configuración la ganancia de corriente se representa por beta (13). Beta se define como el cociente de la variación de la corriente del colector, t:.le, entre la variación en la corriente de base, t:.IB , cuando el voltaje colector-emisor, V eE , es constante.

13

e [Ó N

(11.7)

Si se mide uno de los valores de ex o 13, el otro se obtiene por sustitución en la ecuación adecuada.


78


1 1

PROCEDIMIENTO

MATERIAL


NECESARIO

lB,

Paso

Fuente de alimentación: dos fuentes de voltaje de cd bajo. Equipo: dos micromiliamperímetros multirrango (o multímetros de 20000 DJV); EVM. Resistore~: 100 4700 a ~ W. Semiconductores: 2N3904 con enchufe adecuado. Otros: potenciómetros de 2500 y 5000 n a 2 W; dos interruptores para encendido-apagado.

y

1.

..

2.

l.

3.

t o

4.

n

Arme el circuito de la figura 11-3. M, Y M3 son micromiliamperímetros multirrango, o tienen un rango equivalente para miliamperímetros de 20 000 n/v (multímetros). El valor de R4 se fija para que produzca una resistencia máxima, antes de conectar la alimentación . Cierre S, y S2' Ajuste el valor de R2 a la corriente de base de 10 ¡.LA(lB)' Ajuste el valor de R4 para VCE = 6 V. Mida el valor de le y anótelo en la tabla 11-1. Ajuste R2 para que lB = 30 ¡.LA.Ajuste R4 para mantener VCE en 6 V. Mida y anote el valor de leAjuste R2 para que lB = 40 ¡.LA.Ajuste R4 para mantener VCE en 6 V. Mida y anote el valor de le.

de la corriente

lo

¡.LA

Corrientes delta

mA

'

2

10

3

30

Pasos 2 y 3

4

40

Pasos 2 y 4

Beta

Pasos 3 y 4 5

Pasos 2 y 5

50

Pasos 3 y 5 Pasos 4 y 5 'NOTA: las corrientes tre las corrientes

5.

delta son el valor absoluto de la diferencia en-

medidas en cada uno de los pasos indicados.

Vuelva a ajustar R2 y R4 para una lB de 50 ¡.LAYun VCE de 6 V. Mida y anote el valor de leAbra S, y S2' Calcule 13 con los valores medidos de la tabla 11-1; anote el valor.

6.

2N3904

NPN

ioo n 4.7 kn 0.5 W

+

EVM

0.5 W

VCE

M3

}

,I

--+

1 :

'"¡----+------i VBB

SI

1

2.5 kn 2W

1.5

v

j, I ~. r Figura

"

11-3. Circuito de prueba para medir ¡3 en un transistor

NPN.

"

2.

PREGUNTAS 1.

Con base en el valor de 13 determinado en este experimento, encuentre a. Muestre la fórmula y su desarrollo.

¿Cuál es la diferencia entre el valor de 13 calculado en el paso 5 (cambio considerable en la entrada) y el valor de 13 calculado con los valores de los pasos 4 y 5 (cambio pequeño)?


EXPERIMENTO

Th

DATOS DE UN TRANSISTOR Y CURVAS CARACTERíSTICAS DEL COLECTOR DE LA CONEXiÓN EN EMISOR COMÚN


OBJETIVOS

Datos de un transistor ........ ................... ............... .

Familiarizar al lector con los datos de los manuales de transistores.

Los transistores se di señan con características específicas para responder a ciertas necesidades de aplicación. El fabricante proporciona hojas de especificaciones para estas características. Los datos se presentan en forma de tabla y en forma gráfica . Es importante entender estas tablas y gráficas . En los manuales que proporcionan los fabricantes de transistores o en los manuales de consulta sobre transistores de edición comercial se encuentran compendios de diversas hojas de especificaciones. El tipo de datos depende de la fuente y del uso o destino del transistor. En general , las siguientes especificaciones están disponibles . 1. Una breve descripción del transistor y de las aplicacion es suge ridas.

2. Datos de construccióll lIlecánica lIlontaje.

COI/lO

Determinar con experimentos graficar la familia de curvas características del colector (VCE contra Id para la configuración CE.

y

dill/ ensiones, receptáculos y

3. Valores de especificación II/áxill/os. Estos valores casi siempre se basan en el sistellla lIláxilllo absoluto definido por el JEDEC (Joint Electronic Device Engin eering Counci/), y normalizado por la EIA (Electronic Industries Associatioll) y la NEMA (National Electronic Manufacturas Association). La definición indica que "los valores máximos abso lutos son los valores límite de operación y condiciones ambientales que no deben excederse ... en ninguna circunstancia de operación."


Utilizar un graficador de curvas de transistores para desplegar la familia . de características promedio del colector, con la configuración CE.

80

EXPERIMENTO

12

100

- 100

I

I

I

I

I

!

I

~+-

-80

._1.2

~

_0.9

r r

60

-0!l.

~

r

0.5

r

-40

V

~~E.

I

v-~o y

_0_9

r r

--0!l.

~ -O;i

r

0.5 0_4

_0.4

i 0_3

--20

I

1.1

V

O;i

V

I

, ¡

-·80

1.1

V-~O y

I

I

_1.2

~

I

I

-- , CIRCUITO EN EMISOR COMÚN, ENTRADA DE LA BASE TEMPEAATUAAAMBIENTE = 25·C

CIRCUITO EN EMISOR COMÚN, ENTRADA DE LA BASE TEMPERATURA AMBIENTE = 25 ·C

03

- -

I

I

MI~IAMPERES = -
_BASE. MllIAMPERES

-20

I

-¡-----I = -
-0.1

o

,/-0

! -2

-6

-8

-10

-2

-12

-8

-10

-12

COLECTOR A EMISOR VOL TS

COLECTOR A EMISOR VOLTS

Figura 12-1. Lista parcial de las características temperatura de cubierta de 25°C.

6

~

del 2N4074

con

Figura 12-2. Características promedio del colector en la configuración en emisor común del 2N217 (ReA).

l'

, e

, »

.:1

1:

4. Características

y otros datos de ingeniería. La figura 12-1 muestra algunas características del 2N4074, aunque aquí se omiten algunas. No todos los manuales listan las características de los transistores de manera idéntica. Más aún, los símbolos utilizados, si bien no están imparcialmente estandarizados, no siempre son los mismos. Los técnicos deben familiarizarse con el manual de transistores que requieran. Las solapas de estos manuales incluyen datos sobre dispositivos de estado sólido, su funcionamiento, símbolos y aplicaciones. 5. Curvas características de los transistores. Las curvas características de los transistores que incluyen los manuales proporcionan información gráfica de un transistor. Estas curvas muestran los efectos de la variación de los parámetros del transistor, por lo que son una importante fuente de información para el diseñador de circuitos y el técnico.

Características promedio del colector para la configuración de CE

.

La figura 12-2 ilustra la familia de curvas características (VeE respecto de le) promedio del colector del transistor tipo PNP 2N217 con la configuración en emisor común. Las curvas de esta familia se obtienen al graficar le como función de VCE (para varios valores de VCE)' al tiempo que la corriente de base se mantiene en valor constante. Observe que cada curva refleja un nivel creciente del colector-corriente del nivel mayor de la corriente que entra en la base. Es interesante observar que a la derecha de la ordenada VCE = -1 V, la corriente del colector es de hecho independiente del voltaje del colector y depende de la corriente de

base. Otro aspecto que se debe atender es el punto donde termina cada curva. Por ejemplo, en la corriente de polarización de base de 0.1 mA, la curva termina en VeE = -12 V. En este punto la corriente del colector es de casi 12 mA. El producto de V CE e le en el punto terminal de la curva es, por lo tanto, 144 mW. Este valor se aproxima a 150 mW, la disipación de potencia nominal del transistor. Asimismo, el punto terminal de las demás curvas está limitado a este valor de potencia. Un transistor no debe funcionar por arriba de este valor nominal de disipación de potencia. El área sombreada a la izquierda de las curvas indica la región de saturación (de conducción máxima) del transistor. Un cambio ligero en VCE produce un cambio considerable en le- El área sombreada debajo de lB = O se denomina región de corte. Un cambio significativo en VCE produce muy poco flujo de corriente en el circuito del colector. La corriente que fluye es la corriente de fuga, cuyo símbolo es lcso (corriente de colector a emisor, donde la corriente de base es igual a cero). Las curvas de la figura 12-2 se determinaron de manera experimental, mientras la temperatura ambiente del transistor se mantuvo en 25°C. Si la temperatura fuese mayor, la corriente del colector sería mayor, lo cual impondría mayores restricciones relativas a la disipación permisible. Con base en la figura 12-2, ~ se calcula de la siguiente manera:

Ll le ~= ~

~ l»

(VeE constante)

(12.1)

En la gráfica, se lee el valor de le de dos valores consecutivos de lB para un valor fijo de VCE' Estos valores se sustituyen en la ecuación (12.1) y se calcula el valor de ~. Por ejemplo, si VCE = -4 V e lB = 0.1 mA, le = 10 mA (aproximadamente). Asimismo, si VCE = -4 V e lB = 0.2 mA,


D AT O S

2N3904 NPN

DE

U N

T R A N S 1S T O R

81

c

Figura 12-3. Circuito de prueba para determinar las características de VCE en función de para la configuración de emisor aterrizado de un transistor NPN.

'e

l e = 18 mA. Dado que lB e l e están en las mismas unidades (miliampers) , es posible sustituir de manera directa en la ecuación (12 .1). Por lo tanto, para las condiciones especificadas:

¡3 =

18 - 10 ~ ~ = 80 0.2 - 0.1 0.1

Asimismo, si V CE = -4 V e lB = 0.3 mA, le = 26 mA. En este caso, dado que lB = 0.2 mA e le = 18 mA cuando VeE = -4 V, el valor de ¡3 es también de 80. Por lo tanto, si el transistor funciona con una polarización de base de 0.2 mA y V CE = -4 V, los cambios lineales en la corriente de base, entre 0.1 y 0.3 mA, producen cambios lineales en la corriente del colector.

Circuitos de prueba para determinar las características promedio del colector (VCE respecto de Id .................. . Método punta a punta

El circuito de prueba que ilustra la figura 12-3 se utiliza para graficar las curvas características de un transistor NPN con la configuración de CE, mediante el método de punta a punta. Para el transistor PNP se utiliza el mismo circuito de prueba, sólo que con las polaridades de la batería y del medidor invertidas. En este circuito la corriente de base se establece en un valor especificado al ajustar RI' El procedimiento es el siguiente: R I se ajusta hasta el valor de referencia de lB, es decir, el valor para el que se desea trazar la curva. Con MI se monitorea la corriente de base y RI mantiene constante el nivel de lB' Con M 2 se mide la corriente del colector, en tanto que M ) mide el voltaje del colector. Se eligen de uno en uno los valores predeterminados para el voltaje del

Figura 12-4. Graficador de curvas de transistor automático. (Tektronix).

colector, y se mide y anota la corriente del colector. Los resultados se localizan y grafican. Para obtener una familia de curvas, se repite este procedimiento para los valores especificados de la corriente de base.

Graficador de curvas

Los graficadores automáticos de curvas de transistores no requieren un circuito de prueba externo; el transistor se enchufa en el receptáculo del graficador de curvas. Los controles manuales del graficador de curvas se fijan a los valores y corrientes de operación requeridos. En la pantalla del tubo de rayos catódicos aparece una gráfica (curva) de las características del transistor. Es posible presentar en pantalla una familia completa de curvas características, como muestra la figura 12-2, si los controles del graficador de curvas se ajustan de manera adecuada. Este graficador de curvas es una unidad del todo autónoma (figura 12-2) que en su aspecto físico se asemeja a un osciloscopio, aunque en realidad no tiene las funciones de un osciloscopio normal.


82


12

Ex isten cámaras para osciloscopio con las que es posible fotografiar las pantallas de los osciloscopios y los graficadores de curvas. Esto permite obtener curvas y familias de curvas características para su empleo inmediato.

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para comprobar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. l.

RESUMEN

l.

2.

3.

4.

5.

6.

El fabricante de transistores proporciona las características de éstos mediante tablas (cuadro) o de manera gráfica (curvas) . Las hojas de especificaciones de los transistores , identificadas por un número, incluyen la siguiente información : a) mecánica, b) descriptiva, e) valores de especificación máximos, d) características eléctricas y e) curvas características. Los transistores no se deben utilizar por arriba de su disipación de watts nominal. Con la configuración CE, el producto de VCE e le es la disipación del colector del transistor. La disipación se especifica para determinada temperatura de operación. Si ésta es mayor al valor nominal especificado, la disipación deberá calcularse mediante fórmula. Con la familia de características promedio del colector (figura 12-1) se puede calcular el valor de 13 de un transistor. Dentro del intervalo de valores en el que la relación entre le e lB es lineal, el valor de 13 del transistor es constante. Las características promedio del colector se calculan mediante alguno de los siguientes métodos: a) punta a punta. La figura 12-3 ilustra el circuito de prueba que muestra cómo le varía con los cambios de VeE . Los datos obtenidos se representan en una gráfica. b) Grafieadores de curvas. (1) Los graficadores autónomos de curvas tienen pantalla tipo osciloscopio y pueden generar una sola curva o una familia de curvas. (2) También se dispone de unidades graficadoras de curvas que se utilizan con osciloscopio de propósito general.

Los valores nominales máximos son valores límites de las condiciones de y de _ _ _ __ que no se deben rebasar. 2. El símbolo VCEO representa el voltaje de _ _ _ __ está abierto. a , si el 3. Las tres características de temperatura que se deben considerar al utilizar un transistor son: a) Te> temperatura _ _ _ _ __ b) TA , temperatura ,y e) TJ , temperatura _ _ _ _ __ 4. La corriente de corte del colector se especifica para determinado VeB cuando el emisor está abierto. 5. La relación de transferencia de corriente directa estática de un transistor con la configuración de CE se simboliza por y representa _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ de un transistor. 6. La de un transistor es la medida de la capacidad de la base para controlar la corriente del colector. 7. La ganancia en corriente de un transistor con la configuración CE se puede obtener mediante la familia de ___________ _ características. 8. En la gráfica de la figura 12-2, para una VCE mayor a -1 Ve lB = 0.1 mA, es de hecho independiente de V eE . 9. En la figura 12-2, cuando VCE = - 4 V e lB = _ _ _ _ _ mA, le = 40 mA. 10. En el circuito de prueba de la figura 12-3 el propósito de R¡ es mantener ____________ según varía VCE mediante el ajuste de _ _ _ _ __


DATOS

DE

UN

83

TRANSISTOR

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

5. 6.

Fuente de alimentación: dos fuentes de voltaje de cd, bajo y con valores variables. Equipo: dos micromiliamperímetros multirrango (o multírnetros de 20000 nN); EVM; graficador de curvas. Resistores: 470 n a w. Semiconductores: 2N3904 con conector o equivalente. Otros: potenció metros de 2500 n a 2 W; dos interruptores de un polo un tiro.

-!

El siguiente procedimiento requiere una aclaración previa. Al modificar los rangos de los medidores de corriente, es posible que las lecturas no coincidan entre un intervalo y otro. En realidad, los medidores sí generan la lectura de la corriente real en el circuito. La discrepancia surge de variaciones en la resistencia del medidor al pasar de un intervalo a otro. Así, se produce un cambio en la resistencia total del circuito que afecta la corriente del circuito. Por lo tanto, al modificar intervalos, es necesario reajustar los controles del circuito afectado para compensar los cambios en la resistencia del medidor. Otro factor que se debe considerar es la interacción del colector y de la base. Es necesario ajustar otra vez el control de la corriente de la base si varía el voltímetro del colector para mantener lB en un valor fijo.

7. 8.

Graficador de curvas tipo Tektronix (autónomo) 9.

10.

VeE respecto de 1.

2.

3.

4.

le ••...•..•••••••••..••.••••••••••.

Arme el circuito de la figura 12-3. Establezca VBB en 1.4 V Y Vee en O V; SI está abierto. Determine RI para que VE sea de O V. MI Y M2 deben estar en el intervalo de miliampers mayor a fin de proteger los medidores. La amplitud se elige después de conectar la alimentación. Revise las conexiones del circuito antes de conectar la alimentación. Cierre SI' Ajuste RI de manera que en MI la lectura sea de 10 ¡.LAde corriente (lB)' Ajuste de nuevo RI, cuando sea necesario en los pasos 3 y 4, para mantener lB = 10 ¡.LA.La lectura de M3 deberá ser O (VeE = O). Lea el valor de le Y anótelo en la tabla 12-1. Poco a poco ajuste Vee por cada valor de VCE que incluye la tabla 12-1. Observe el valor de le para cada valor de VCE Y anótelo en la tabla 12-1. Ajuste Vee para que VCE = O V. Establezca RI para que IB= 20 ¡.LAY mantenga lB en este valor durante los pasos 5 y 6.

Lea el valor de le Y anótelo en la tabla 12-1. Ajuste los valores de Vee por cada valor de VCE que registra la tabla 12-1. Observe y anote el valor de le para cada valor de VeE. Monitoree lB y reajuste RI, si es necesario, para mantener IB= 20 ¡.LA. Repita los pasos del 4 hasta el 6 para todos los valores de lB de la tabla 12-1. Abra SI' Con los datos de la tabla 12-1 grafique las curvas características del colector para la configuración en emisor común del 2N3904; utilice papel milimétrico. VCE es el eje horizontal e le, el eje vertical.

.

Establezca los controles del graficador de curvas según las instrucciones del fabricante. El aumento de la corriente de base deberá ser de 10 p.Azpaso, los volts colector a emisor de 5 V/división horizontal. El eje vertical del graficador de curvas se define como 2 A/división. Los valores del eje vertical ahora corresponden a le Y los del eje horizontal a VCE' como en la figura 12-5. Configure el graficador de curvas para un transistor NPN. Inserte un transistor 2N3904 en el enchufe para pruebas del graficador de curvas. Reajuste los controles del instrumento hasta lograr el funcionamiento deseado. Deberá aparecer un juego de curvas de VeE respecto de le.

TABLA 12-1. Datos de la prueba de VCE respecto de le (configuración de CE): corriente de base baja

le. mA VCE' V

1B. ¡.LA

O

10 20 30 40 50 60


2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20

84

EXPERIMENTO

12

12. MILlAMPERES

_----+----."

le

!------r------ I..

20

I

18

1--_____ :B

~r_----183

/.-------~I~A----- I81 I

/--_______-+11 ______ /81

~====~====~=====t====~~====~/~ 10 15 20

O

Va

VOLTS

Figura 12-5. Cálculo de rísticas del colector.

11.

i3 de ca con la familia de curvas caracte-

Ahora determine la (3 de ca ((3 = Mc/M B ) del transistor mediante el siguiente procedimiento. a) Para un valor de VCE' digamos 15 V. Trace una línea perpendicular al eje horizontal, la cual intersectará las curvas de I B2 e I B3 en A y B (figura 12-5). b) Desde los puntos A y B trace líneas perpendiculares hacia el eje vertical, al que intersecta en C y D. Mida la cantidad de divisiones de la cuadrícula que hay entre C y D Y multiplíquela por el factor de calibración que emplee (2 mA). El resultado será el valor de Mc. (Ejemplo: si CD = 2t divisiones, entonces Mc = 2t X 2 mA = 5 mA). e) Con la configuración inicial del graficador de curvas, la diferencia entre dos incrementos sucesivos de la corriente de base es de 10 [LA. Por lo tanto, M B =10[LA. d) Sustituya los valores obtenidos con la fórmula de (3:

Fotografíe o dibuje las curvas de respuesta y señale la corriente de calibración, I c, en el eje vertical; el voltaje de calibración, VCE' en el eje horizontal, y los incrementos de la corriente de base, lB. Compare esta gráfica con la del paso 8.

5

X

10- 3

10

X

10- 6

=

500

PREGUNTAS l.

2.

Con las curvas características promedio del colector y los datos de la tabla 12-1 calcule el valor de (3 entre lB = 20 [LA Y 40 [LA, si VCE = 20 V. Muestre todos los cálculos. Calcule la disipación del colector del 2N3904 mediante la tabla 12-1 para los siguientes valores de lB y VCE .

3. 4.

En el circuito de la figura 12-3, ¿qué efecto producirá la inversión de la polaridad de VBB ? ¿Qué observa al comparar las curvas características de VCE respecto de lc obtenidas de forma experimental con las que publica el fabricante para el 2N3904. Explique alguna discrepancia.

VCE 60 [LA 60 [LA

10 V 30 V

lOV

25V

" Muestre uno de sus cálculos.


EXPERIMENTO

~

CÓMO PROBAR DIODOS DE ESTADO SÓLIDO Y TRANSISTORES


OBJETIVOS

Cómo probar un diodo con un óhmetro ..... ........ .. .. .

Probar diodos de estado sólido con un óhmetro.

Un técnico en electrónica debe ser capaz de verificar el funcionamiento de todo componente de estado sólido y de otros tipos de un equipo electrónico, ya sea al dar servicio a éste, construir uno nuevo o trabajar con modelos de laboratorio. Asimismo, el estudiante que trabaja con el equipo de laboratorio debe estar en posibilidad de probar las componentes del circuito. Si un circuito falla en el laboratorio, el estudiante determinará el motivo y si la razón es la falla de una componente, deberá detectar cuál es la parte averiada. En la mayoría de los casos es posible revisar los diodos de señal y los rectificadores de estado sólido desconectados del circuito con un óhmetro convencional. En primer lugar se determinan la polaridad y el voltaje de las terminales del óhmetro midiendo con un voltímetro sus terminales. A continuación se miden resistencias del diodo en dirección directa e inversa (vea el experimento 1). El cociente de la resistencia inversa (RR) y la resistencia directa (R F ), en la mayoría de los diodos de buena calidad, debe ser mayor que 10:l. Sin embargo, al hacer pruebas con un óhmetro hay que tener precaución para evitar dañar al diodo y obtener resultados que confundan al técnico. El voltaje en las terminales del óhmetro no debe ser mayor que el voltaje nominal del diodo y deberá conocerse la polaridad de las terminales del medidor. Los siguientes son algunos puntos que se deben tener presentes: l. Si la resistencia inversa del diodo es O, o muy baja, el diodo está en corto circuito.


Probar diodos de estado sólido con aparatos de prueba de "pasa o no pasa".

Probar transistores con un óhmetro.

Probar transistores y diodos de estado sólido con un probador de transistores.

86

E X P ER I M EN T O I 3

2. Si la resistencia directa del diodo es infinita, o muy elevada, el diodo está abierto. Sin embargo, cuando el diodo muestra una resistencia directa baja y una resistencia inversa elevada, es una buena condición. 3. Las pruebas del diodo con un óhmetro no se deben realizar en la función de ohms de baja potencia, pues el voltaje en las terminales del medidor no será suficiente para polarizar directamente el diodo.

Cómo probar un transistor con un óhmetro .............................................. . Con ayuda de un óhmetro convencional es frecuente que el técnico pueda detectar un transistor defectuoso con una prueba fuera de circuito. Las pruebas de la resistencia se realizan entre (1) emisor y base, (2) colector y base y (3) colector y emisor. Para medir la resistencia entre dos terminales, las terminales del óhmetro primero se conectan en una dirección, y a continuación se invierten. En una de estas posiciones de las terminales, la resistencia entre (1) emisor y base y (2) colector y base debe ser muy elevada, 10000 o más. En la dirección opuesta, la resistencia entre las dos terminales debe ser relativamente baja. Esta resistencia directa es de 100 o menos. En general hay poca diferencia en las lecturas entre colector y emisor. Si un transistor no pasa esta prueba es que está averiado. Si la pasa, aún es posible que esté defectuoso. Es preferible utilizar un probador de transistores, un graficador de curvas o el funcionamiento d'el transistor en un circuito en operación, que un óhmetro. PRECAUCiÓN: al igual que con los diodos, el voltaje de la terminal del óhmetro no deberá exceder el valor nominal máximo de voltaje entre las dos terminales del transistor, ni la corriente que entrega el óhmetro deberá ser mayor al valor nominal máximo de corriente de las uniones.

Cómo revisar transistores y diodos con un probador de transistores .................. . Los probadores de transistores son instrumentos para revisar transistores y diodos de estado sólido. Existen tres tipos de probadores de transistores: (1) probador rápido en circuito; (2) probador tipo mantenimiento, y (3) probador estándar para laboratorio. Cada tipo es para una función única. Además, los graficadores de curvas son indicadores confiables del funcionamiento de un transistor. El probador en circuito verifica si un transistor que funcionaba de manera adecuada en un circuito lo sigue haciendo. La capacidad del transistor para "amplificar" constituye una señal general de su desempeño. Los transistores

Figura 13-1. Analizador de semiconductores en un circuito (Hickok Teaching Systems).

que se revisan con este probador permiten saber al técnico si el transistor está desconectado, o si aún funciona. La ventaja, desde luego, es que no es necesario desconectarlo del circuito. Mediante los probadores de transistores para mantenimiento en general se realizan tres tipos de pruebas: (1) ganancia de la corriente directa o beta de un transistor; (2) corriente de fuga base a colector con emisor abierto (lco), y (3) cortos circuito del colector a emisor y base. Algunos probadores de mantenimiento incluyen una función "pasa o no pasa". Otros también cuentan con medios para identificar los elementos del transistor, si éstos se desconocen. El probador de la figura 13-1 tiene todas estas funciones y puede revisar dispositivos de estado sólido dentro y fuera del circuito. Las mediciones con un probador tipo mantenimiento son más relativas que absolutas. Aun aSÍ, son útiles para el técnico en mantenimiento de equipo con transistores. Los probadores de transistores estándar para laboratorio, o analizadores, se utilizan para medir en forma dinámica los parámetros de un transistor en condiciones de funcionamiento. Las lecturas por este medio son absolutas. Entre las características importantes que se pueden medir están: (1) I CBO ' corriente del colector cuando el emisor está abierto (de base común); (2) valor de beta para ca (en emisor común), y (3) Rcnl (resistencia de entrada). Los probadores de transistores tienen los controles e interruptores necesarios para definir voltaje, corriente y señal adecuados. En el tablero aparece un medidor con una escala calibrada "buena" y una "mala". Los probadores de transistores están diseñados para revisar diodos de estado sólido, así como de transistores .


eÓMo

PRO BAR

DIO D

oS

DE ESTAD

También existen probadores para verificar transistores y rectificadores de alta potencia. 7.

o

S Ó LID

o y

T R A N S 1S T

oREs

87

probador produce una indicación · de ouena o mala condición. Los graficadores de curvas también son excelentes dispositivos para medir el funcionamiento de un transistor fuera de circuito.

RESUMEN l.

2.

3.

4.

5.

6.

Para probar diodos de estado sólido se puede utilizar un óhmetro. Para ello las terminales de dicho medidor se conectan en el diodo a fin de observar su resistencia y en seguida se realiza una segunda observación de la resistencia con las terminales invertidas. En un buen diodo la resistencia es elevada cuando está polarizado de manera inversa, y baja si su polarización es directa. En la mayoría de los diodos buenos la relación entre el valor medido de la resistencia inversa y el de, la resistencia directa es 10: 1 o mayor. También es posible revisar las uniones del transistor con un óhmetro. Si la unión está polarizada en forma inversa, la resistencia entre ambas terminales debe ser elevada, 10 000 Ü o más. En la otra posición, la resistencia entre las terminales debe ser baja. Al probar la resistencia de un diodo o transistor no se debe exceder el voltaje o corriente de unión máximos y para ello hay que elegir los intervalos adecuados del óhmetro. Los probadores pueden verificar transistores y diodos. Existen probadores para pruebas dentro de circuito, probadores tipo mantenimiento y probadores estándar para laboratorio. En los probadores para pruebas dentro de un circuito no es necesario retirar los transistores del circuito. El

AUTOEV~LUACIÓN

................................... Para comprobar su aprendizaje responda las siguientes preguntas.

l. 2.

3.

4.

5.

6.

Un voltímetro conectado a las terminales de un óhmetro puede medir la ihterna del medidor. La resistencia directa de un diodo sin defectos es ______ (alta, baja) y la resistencia inversa es _ _ _ _ _ (alta, baja). La relación entre la resistencia inversa y la directa de un diodo rectificador sin defectos debe ser al menos de: _ _ _ _ _ _ _ _ __ La resistencia directa de la unión emisor-base de un transistor es de 10000 Ü. El transistor está _ _ _ _ _ (dañado, sin defectos). Con los probadores tipo mantenimiento se obtienen mediciones relativas, no de los parámetros del transistor. Si un probador de transistores indica que un transistor está en buenas condiciones, puede estar seguro de que no está dañado. (verdadero,falso.)


88

~.~

EXPERIMENTO

13

PROCEDIMIENTO

,11 ~

¡:¡

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..

ti; .~"1' ,

MATERIAL NECESARIO

4.

Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd bajo. Equipo: probador de transistores; multímetro, multímetro digital. Transistores y diodos de estado sólido: un diodo de señal de corriente baja y un rectificador de silicio de 120 V, uno de los cuales esté averiado; dos transistores, uno de ellos averiado. l.

2. 3.

Determine la polaridad y voltaje de las terminales del óhmetro con las mediciones de sus terminales mediante un voltímetro digital. Haga una prueba de resistencia de un rectificador de silicio de 120 V, el diodo 1, conectando las terminales del óhmetro en las del diodo. Invierta las terminales del óhmetro y pruebe otra vez la resistencia de diodo. Anote las mediciones de resistencia baja, RF, en la columna "Polarización directa" de la tabla l3-1, Y la de resistencia elevada, en la columna "Polarización inversa". Calcule y anote la relación entre las resistencias inversa y directa del diodo en la tabla l3-1. En la columna "Estado" indique si el diodo es bueno o malo.

5.

6. 7.

Repita los pasos del 1 al 3 para la señal de corriente baja, diodo 2 . Mida y anote en la tabla 13-1, para el transistor 1, el valor de las resistencias RR y RF en: a) la unión E a B (emisor a base); b) en la unión C a B (colector a base), y e) E a C (emisor a colector). En la tabla l3-1 indique si el transistor es bueno o malo. Repita los pasos 5 y 6 para el transistor 2.

Pruebas con un probador de transistores 8.

9. 10.

Lea las instrucciones de cómo usar el probador de transistores que se le haya asignado. En la tabla l3-2 anote el número de serie y el modelo del transistor, y en la columna respectiva las diversas pruebas que se pueden realizar. Pruebe los dos diodos de estado sólido que antes utilizó y anote los resultados en la tabla 13-2. Pruebe los dos transistores que antes utilizó y anote los resultados en la tabla 13-2.

TABLA 13-1. Pruebas de diodo y transistor con óhmetro

Resistencia, Componente Diodo recti ficador 120V

Polarizacián

inversa

n

Polarizacián directa

Relaci6n RR/RF

1

Diodo de señal 2 (corriente baja) Transistor 1 de E a B de CaB

X

de Ea C Transistor 2 de E a B de CaB

X

de Ea C

http://gratislibrospdf.com/ ~ ••

,"1

Estado: bueno o malo

.

e

Ó M

o

PRO

BAR

DIO

D

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D E

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T R A N S 1S T

o

R E

s

89

TABLA 13-2. Pruebas para transistor y para diodo de estado sólido

Fabricante

Número de modelo

Probador de transistores Pruebas que se pueden realizar Diodo l Rectificador de silicio Diodo 2 Transistor 1 Transistor 2

PREGUNTAS 1.

2.

Compare los resultados de las pruebas de diodos (tabla 13-2) con los de las pruebas con óhmetro (tabla 13-1). Explique el porqué de resultados imprevistos. Compare los resultados de las pruebas del transistor con óhmetro (tabla 13-1) con los del probador de transistores (tabla 13-2). Comente el porqué de resultados imprevistos.

3. 4. 5.

¿Qué precauciones se deben tener cuando se hacen pruebas de resistencia en un diodo? ¿Cuál es la diferencia entre un probador dentro de circuito y uno fuera de circuito? ¿Qué características se pueden observar con un probador de transistores?



EXPERIMENTO

~

POLARIZACiÓN Y GANANCIA DEL AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN


OBJETIVOS

El transistor como amplificador de CA ................... .

Armar un amplificador de ca con un transistor con configuración en emisor común mediante la polarización de divisor de voltaje.

En el experimento 11 se observó que en un transistor en la configuración CE, la corriente de base controlaba la corriente del colector. Además, el aumento en la corriente del colector era mucho mayor que el incremento de la corriente de base. La ganancia de corriente del transistor en la configuración CE se denominó beta (¡3), la cual se define de la siguiente manera: ¡3 =

~ le -A-L.1

lB

(V CE constante)

(14.1)

Conviene destacar que las condiciones para las que ¡3 se obtuvo fueron: 1. La ullióll emisor-base tellía polarización en directa (y por ello ¡3 también se definió como la ganancia para corriente directa del transistor con la configuración CE). 2. La ullión colector a base tellía polarizacióll ell illversa .

Éstas son las condiciones de polarización que se utili zan en circuitos de los amplificadores de audio, radio y televisión. Los amplificadores de transistores se usan para amplificar corrientes y voltajes de cd o ca. En este experimento se tratan los amplificadores de corriente y voltaje de ca, dado que el amplificador de CE puede realizar ambas funciones.


Medir la ganancia de voltaje de un amplificador en emisor común .

Observar el efecto del capacitor para derivación del emisor en la ganancia del amplificador.

92


14

(a)

(b)

Figura 14-1. Transistor NPN configurado como amplificador de emisor aterrizado.

(e)

La figura 14-1 es el diagrama del circuito de un transistor NPN configurado como amplificador de ca con emisor aterrizado. RI y R 2 se usan para la polarización en directa del circuito base-emisor. V ee alimenta la corriente del colector y el voltaje de fuente del divisor de voltaje para polarización de la base, RI y R 2 . La señal de entrada Vent se acopla con la base mediante el y la señal de salida Vsal con el colector a través de e2 • Con lo hasta ahora estudiado sobre las características de los transistores, sabemos que un pequeño aumento en la corriente de base produce un aumento más o menos grande de la corriente del colector. Una ligera disminución de la corriente de base provoca una disminución más o menos grande de la corriente del colector. Por lo tanto, la corriente de los circuitos de base y del colector están en fase. El grado de control que ejerce la corriente del colector depende de 13 del transistor de un circuito de emisor común. La corriente de la señal de entrada acoplada al circuito de base a través de el se añade a la corriente de referencia de la base (polarización) y provoca el aumento o disminución de la corriente de base, según el caso. Las ondas de la corriente de la figura 14-2 ilustran esta situación. Suponga que la corriente de polarización, lB' es + 100 !-LA Y que ib es una corriente de ca senoidal. Durante un ciclo completo la corriente de la señal varía de O a +50 !-LA, regresa a O, pasa a -50 !-LA Y al final vuelve a O. El acoplamiento de la señal en la base provoca el flujo de una corriente de base senoidal (lB + ib ). En el ciclo de señal antes descrito, la corriente respectiva varía de + 100 a + 150 !-LA, regresa a + 100 !-LA, vuelve a +50 !-LA Y regresa a + 100 !-LA. Las variaciones de tipo senoidal de la corriente en el circuito de base provocan variaciones senoidales en fase de la corriente del colector cuando el amplificador funciona en la porción lineal de las características del transistor. Suponga

(d)

-v Figura 14-2. Efecto de la corriente de la señal en la corriente de la base y del colector en un amplificador de emisor aterrizado.

que la corriente del colector, le, es 2 mA cuando lB = 100 !-LA. En el ciclo de corriente de señal, i¡" de la figura 14-2, la corriente del colector, [le + I3U b )] , varía de 2 a 3 mA, regresa a 2 mA, almA y vuelve a 2 mA. En este circuito, por lo tanto, un cambio de la corriente de la señal en la base de 100 mA provoca un cambio de 2 mA en la corriente de colector, para una ganancia de corriente 13 de 20. Al aumentar la corriente de base, también se incrementa la corriente que pasa por R L y, por lo tanto, la caída de voltaje en R L es mayor. Cuanto mayor es la caída de voltaje en el resistor de carga, más disminuye Ve, según la relación (14.2) donde VRL, la caída de voltaje en el resistor de carga, es


(14.3)

P

o LAR

[Z A

e [Ó N y

G A N A N

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DEL

A M P L [ F [

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M Ú N

93

Capacitor en derivación con el emisor SATURACiÓN

CORTE, V CE

Figura 14-3. Efecto de la sobreexcitación en la onda de la corriente del colector.

La figura 14-2 ilustra la relación entre un voltaje de base senoidal y el voltaje de colector resultante, Vc. Observe que la relación en fase entre ambas señales es 180°. Como consecuencia de la corriente de la señal de entrada, i b , por el circuito del colector fluye una corriente de señal amplificada, i". La salida de voltaje de señal real se mide entre colector y tierra y se calcula mediante las ecuaciones (14.2) y (14.3).

Métodos de polarización y estabilización ...................................... . Para obtener una amplificación sin distorsión la base debe polarizarse de manera que la señal de entrada funcione sobre la porción lineal de las características del transistor. De lo contrario, la salida quedará en la región de corte o saturación, como muestra la figura 14-3. Como se polarice un transistor determinará la señal de salida que producirá como respuesta a una señal de entrada con determinado nivel.

+ -=-IVcc

1=

Es interesante el capacitor, CE de la figura 14-4, el cual está conectado en paralelo con el n;sistor del emisor, RE' Si a la base del transistor se inyecta una señal de ca Y CE no estuviera presente el efecto de RE sería una degeneración de cd y de ca. Dado que la corriente del colector aumenta y disminuye en sincronía con la corriente de la señal de ca de la base, se generaría un voltaje de señal de ca en RE' en fase con el voltaje de la señal de la base. La señal base a emisor efectiva, que es la diferencia entre el voltaje de la base y del emisor, sería menor que el voltaje de la señal en la base. De esta manera, el transistor "vería" un voltaje de entrada de señal de ca menor, la señal de salida del colector sería menor y, de esta manera, disminuiría la ganancia de ca del amplificador. Al conectar CE con RE se tiene otra trayectoria para la corriente de la señal de ca. Si la reactancia capacitiva de CE es mucho menor que la resistencia de RE para la frecuencia de la señal de ca con la que el amplificador debe trabajar, CE representa para la corriente de la señal de ca una trayectoria de baja impedancia. Se crea así una derivación que permite saltar RE y la degeneración de ca es despreciable. Se recupera la ganancia de la señal. Sin embargo, RE continúa funcionando para lograr la estabilización de la polarización de cd. Para determinar la magnitud de CE es necesario conocer la mínima frecuencia, F mío' necesaria para la derivación, así como el valor de la resistencia del emisor, RE' que se conecta en paralelo. CE permitirá un buen desvío si para la F mío (14.4)

Polarización mediante divisor de voltaje .. El circuito de polarización de base más común es el de divisor de voltaje (figura 14-4). Dado que se utiliza un transistor NPN, es necesaria una fuente común positiva, Vcc . R¡ y R 2 constituyen un divisor de voltaje de la base. Debido a que por este divisor la base es positiva, hay un flujo de corriente entre emisor-base y emisor-colector. La polaridad del voltaje que genera el resistor del emisor, R 3 , se muestra en la figura 14-4. El voltaje de polarización, el cual determina la corriente de polarización de base, es la diferencia de potencial entre la base y el emisor. Para calcular las corrientes de polarización de cd del circuito de polarización mediante divisor de voltaje, al circuito de la base se aplica la teoría de Thevenin. Primero se considera si la base está desconectada del divisor de voltaje, R¡ y R2 . Se calcula VTh , el voltaje de Thevenin en el punto de la desconexión

Figura 14-4. Amplificador con emisor aterrizado con una fuente de alimentación común.


(14.5)

94


14

RTh , la resistencia de Thevenin, equivale a la resistencia en paralelo de RI y R 2 : RTh-

RIR2 R I + R2

(14.6)

El siguiente paso es calcular la corriente del emisor según la siguiente ecuación que se deduce con las leyes de Kirchhoff: (14.7) La corriente de la base (lB) se calcula con la relación para la ganancia de corriente, mediante la corriente de emisor que se acaba de calcular y la [3 del transistor. 1E-

h

(14.8)

[3

Al combinar las ecuaciones (14.7) y (14.8) Y usando 0.7 V como una aceptable segunda aproximación de VB8 la fórmula de lB se convierte en

Durante este proceso, el amplificador debe funcionar sobre su región lineal. También es posible determinar con experimentos el intervalo de operación lineal de este amplificador. En la entrada se inyecta una señal de audio, por ejemplo una onda seno id al de 1 000 Hz, y con un osciloscopio se monitorea la salida en el colector. Antes de empezar, el atenuador del generador de la señal se fija en su valor mínimo. La salida del generador se incrementa y la onda respectiva se observa en el osciloscopio. La señal de entrada se mide sobre el intervalo en el que, por observación en el osciloscopio, es evidente que no hay distorsión en la señal de salida. Con esta medición se obtiene el intervalo de entrada de la señal en la cual no se produce distorsión.

RESUMEN

l.

2. 1B-

VTh - 0.7 [3 RE + RTh

(14.9)

Con C I se acopla la señal de entrada con la base y con C2 se conecta la señal de salida con la etapa siguiente (aquí no se muestra). RE produce la degeneración de cd y compensa los cambios de corriente debidos a la temperatura y a otras variaciones. Si un amplificador está bien diseñado, el resistor del emisor, RE' compensa los cambios de temperatura y las variaciones en el valor de [3 del transistor, dado que aun cuando dos transistores tengan el mismo número 2N, existen variaciones en [3 . CE desvía RE en las frecuencias de ca que el circuito debe manejar. R L es el resistor de carga del colector.

3.

4.

5.

6.

Ganancia de voltaje ............................. . El amplificador de emisor aterrizado es un amplificador de corriente, voltaje y potencia. Con experimentos es posible determinar la ganancia de voltaje del amplificador inyectando en la entrada una señal de voltaje medido. Se mide, entonces, el voltaje de la señal de salida (con un osciloscopio O un voltímetro de ca); el cociente de la señal de salida y la señal de entrada es el que require la ganancia de voltaje. Es decir Ganancia de voltaje

=

V, al

(14.10)

7.

8.

Los transistores de una configuración de amplificador de CE se usan en audio, radio, televisión y otras aplicaciones. Las condiciones de polarización de un amplificador de CE sin distorsión son: a) la unión emisor-base tiene polarización en directa y b) la unión colector-base tiene polarización en inversa. La corriente de polarización de la base, lB' en un amplificador de CE es la corriente de cd de la base que define el punto de operación del circuito y determina la corriente de colector de estado estacionario, l e. Una inyección de señal de ca, ib, en la base aumenta y disminuye de manera alterna la corriente de la base, como indica la figura 14- 2. Esto es, la corriente de la base es la suma algebraica de lB e ib' La corriente del colector del amplificador correspondiente a la corriente de la señal de base es [3i b , y la corriente total de colector, l e + [3i b (figura 14-2). En tanto el amplificador funcione por toda la porción lineal de sus características, de 0.1 a 0.2 V, VBE (figura 14-3), la señal de salida, es fiel reproducción de la entrada. Si el amplificador se sobreexcita por una señal de entrada demasiado elevada (figura 14-3) o si opera en la porción alineal de sus características, la señal de salida se distorsiona, es decir, la onda de salida es distinta a la de entrada. La figura 14-4 ilustra un circuito de polarización mediante divisor de voltaje, en el cual el resistor del emisor, RE' suministra realimentación negativa o degeneración para compensar la tendencia del transistor a aumentar su corriente conforme aumenta el calor. RI y R 2 son parte del divisor de voltaje para polarizar el transistor. La resistencia, RE' en la figura 14-4 también estabiliza el circuito para los diversos valores de [3 de los tran-


P

9.

o

LAR 1 Z A C IÓ N

y

G A N A N

e

1A

DEL

A M P L 1F 1e A D

sistores. Conviene señalar que el valor de ~ entre transistores del mismo tipo (es decir, con el mismo número de JEDEC) varía con amplitud. RE permite que la ganancia del circuito se mantenga constante en el intervalo de variación de ~. La ganancia de voltaje de una etapa se define como el cociente del voltaje de la señal de salida y el voltaje de la señal de entrada; es decir Vsa'

Ganancia de voltaje = -

(14.11)

Ve nt

10.

El amplificador de transistor con CE tiene ganancia de voltaje, en corriente y en potencia.

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para comprobar su aprendizaje responda las siguientes preguntas . La ganancia de voltaje del amplificador de la figura 14-4 es de 50. ·Cuando CE se abre la ganancia del amplificador debe (aumentar, disminuir, ser la misma). 2. Si en la figura 14-4 el valor respectivo de R, y R 2 es 22 kfl Y 4 .7 kfl, RE = 100 fl Y V cc es + 10 V, la corriente de cd de polarización de la base (lB) es de _ _ _ _ _ _ A (aproximadamente). Considere que ~ = 80. 3. E l circuito de la figura 14-4 amplifica las señales de la onda senoidal en un intervalo de frecuencias entre 20 y 20 000 Hz. El valor de RE e n el diseño es de 1200 fl. El valor máximo de Xc de CE que permite obtener un buen desvío en este amplificador es de _ _ _ _ _ flpara Hz. El valor de CE es de J.LF. 4. En un amplificador de audio el colector a base debe tener polarización en (directa, inversa). 5. El voltaje de la señal de ca med ida en la base de un amp lificador de CE es de 50 mY. El voltaje de la señal de salida medida en el colector es de 2.5 Y. La ganancia de vo ltaje del amplificador es de _ _ _ _ __ 1.


oR

E N

E M 1S

oR eo

M Ú N

95

96

E X P E R 1M EN T O

14

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO

3.

Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd bajo. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador senoidal de AF. Resistores: 560, 1000.0,8.2, 18 k.o a 'h W. Capacitores: dos de 25 j.LF a 50 V; 100 j.LF a 50 V. Semiconductores: 2N3904 (o equivalente) con enchufe adecuado. Otros: interruptor de un polo un tiro.

4.

5.

Estabilización de la polarización ............ . l. 2.

Arme el circuito de la figura 14-5. Cierre S, . Mida la corriente del circuito del colector, l e Y anótelo en la tabla 14-l. Mida con un multímetro digital el voltaje base a emisor, VBE , el voltaje de emisor, VE' y el voltaje de colector a emisor, VCE' y anótelos en la tabla 14-l. Con la ley de Ohm (V¡}RE) Y la ecuación (14.7) calcule el valor de lE' considerando una ~ de 100. ¿En qué difieren estos dos cálculos? Explique el porqué de las diferencias que se obtengan.

Conecte un generador de señal de audio con una salida mínima de 1 000 Hz en las terminales de entrada del amplificador. Conecte el cable de la entrada vertical de un osciloscopio en las terminales de salida del amplificador. Ajuste el osciloscopio para obtener la imagen óptima. Ponga la salida del generador de audio justo abajo del punto de distorsión para que aparezca la máxima onda senoidal sin distorsión. Mida la amplitud pico a pico de esta onda de salida y de la onda de entrada. En la tabla 14-1 anote los resultados. Mida también le, VBE y VCE y regístrelos en la tabla 14-1; en ésta dibuje las ondas de entrada y de salida. Reduzca la señal de entrada hasta el mínimo valor que permite obtener una salida sin distorsión en el osciloscopio. Mida le, VBE , VeE y la amplitud pico a pico de los voltajes de las señales de entrada y de salida. Anote estos valores y dibuje sus ondas de entrada y de salida en la tabla 14-l.

Efecto del capacitor en derivación con emisor sobre la ganancia ...................... . 6.

~ ~l ~ V

i

cc

9.0V

SALIDA

Figura 14-5. Amplificador de emisor aterrizado experimental con estabilización de polarización.

Con el osciloscopio conectado en la salida del amplificador (figura 14-5) ajuste el atenuador del generador de audio para obtener el 50 por ciento de la salida máxima sin distorsión del amplificador. 7. Observe, mida y anote en la tabla 14-2 el valor pico a pico d~ la señal de entrada (base a tierra) y de la señal de salida (colector a tierra). Mida y anote también la onda de ca entre emisor y tierra. 8. Calcule la ganancia de ca del amplificador y anótela en la tabla 14-2. 9. Sin modificar la configuración del atenuador del generador de audio, retire C3 del circuito. 10. Repita los pasos 7 y 8. 11. Cree un corto circuito alrededor de RE' 12. Repita los pasos 7 y 8. ¿Qué efecto produce en el desempeño del amplificador un corto circuito en RE?


P

o

LAR

TABLA 14-1. Estabilización

1Z A

e

1Ó N

y

G A N A N

e

1A

o

E L

A M P L 1F 1

e

A

oo

R

E N

E M 1 S

o

R

eo

M Ú N

97

de la polarización

Voltaje, V

Onda

Corriente, mA Paso

le

VBE

VCE

VE

Entrada

V pp

Salida

V pp

X

X

X

X

2 4

5

TABLA 14-2. Capacitar

en derivación

con el emisor y ganancia

Onda (a tierra) Paso

Base

V pp

Colector

V pp

7, 8 9,10 11,12

PREGUNTAS 1.

2.

¿Cuál es el propósito de CE en la figura 14-5? ¿Qué sucede con la ganancia de la ca del amplificador cuando se desconecta CE? ¿Qué efecto tiene en el funcionamiento del amplificador omitir RE?


Emisor

V pp

Ganancia


EXPERIMENTO

~

IMPEDANCIA, POTENCIA Y RELACIONES DE FASE EN UN AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN


OBJETIVOS

Impedancia de entrada ......................................... .

Medir la impedancia de entrada y salida de un amplificador de CE.

La impedencia de entrada, Zent o Rent , de un amplificador se define como el cociente del voltaje de la señal de entrada, vent ' Y la corriente de la señal de entrada, i ent . Vent Rent = - (15.1) lent Rent se puede calcular de manera experimental midiendo vent e i ent Y sustituyendo estos valores en la ecuación (15.1). Con un microamperímetro o un mili amperímetro de ca se mide la corriente de entrada (de base) de un amplificador; también se puede modificar el circuito como ilustra la figura 15.1 para determinar i ent por el método del voltímetro-óhmetro. El potenciómetro Rx se conecta entre los puntos A y B como muestra la figura 15-1. Rx se varía hasta que el voltaje, vx' en Rx es igual a Vent ' el voltaje de la señal medido entre los puntos B y C. A continuación Rx se retira del circuito y se mide. La resistencia óhmica de Rx es ahora igual aRen!' La impedancia de entrada de un amplificador en emisor común aumenta al conectar en el circuito de entrada una realimentación degenerativa. En el experimento 14 se observó que si el resistor del emisor, RJ , no tiene derivación, se produce una degeneración. La corriente de la señal de entrada en la base a emisor es menor cuando RJ no tiene derivación para el mismo valor de vent' si CJ estuviera en el circuito. Por lo tanto, el valor de Rent es mayor cuando hay degeneración en el circuito del emisor.


Determinar la ganancia de potencia en decibeles de un amplificador de CE.

Observar con un osciloscopio la fase de la señal del voltaje de entrada y salida en un amplificador de CE.

100


15

+cr¡-

---:

25~F

I 5 kn .~Rsal

:,'>+1

»

GENERADOR DE AF -

15-1. Circuito en emisor común experimental

para medir las impedancias

Impedancia de salida

.'

0' ,

111'

.

.r :

La impedancia de salida, Zsal' del amplificador se determina en forma experimental al añadir un potenciómetro (Rsal) en el circuito de salida (figura 15-1). El procedimiento es el siguiente: la señal de salida, Vsal' primero se mide sin carga; a continuación se conecta la carga resistiva como se muestra y se ajusta hasta que la nueva señal de salida, Vsal, es igual a la mitad del valor inicial medido de Vsal' Rsal se retira del circuito y se mide su resistencia. El valor medido en ohms es, pues, la impedancia de salida, Zsal, del amplificador. Al medir las impedancias de entrada y salida, hay que tener cuidado en mantener sin distorsión las señales de entrada y salida.

1

de entrada y salida.

.

.

Ganancia de potencia I

I

•..._J T

L..---------<>--~------~O-------_O__-

Figura

I

'1 C3 lOO~F

= (V- sal)2 Vent

Rent --

(15.5)

«:

La ganancia en potencia de un amplificador de audio se expresa en decibeles (dB). Ganancia de potencia (dB)

=

10 log Psal

r:

(15.6)

Relaciones de fase

.

En el amplificador en emisor común el voltaje de la señal de salida, Ve' está desfasado 180 del voltaje de la señal de entrada en la base, Vent. Observe el circuito de la figura 15-2. El voltaje de salida entre el colector y el emisor, vee (el cual está a potencial de tierra) varía inversamente con la corriente del colector, i.: Esta relación se puede demostrar al aplicar la ley de voltajes de Kirchhoff al circuito de salida. 0

Ganancia de potencia

11

.

La ganancia de potencia en un amplificador es el cociente de la potencia de la señal de salida y de la de entrada. ti

·11,

11"

. . Ganancia de potencia

Psal

= --

r.:

Si se conoce el valor de los voltajes e impedancias de las señales de en!rada y salida es posible calcular las respectivas potencias de entrada y salida. Es decir Psal

=

2 V sal

(15.3)

Rsal

Pent

=

v2ent

«:

(15.7)

(15.2)

(15.4)

Al sustituir los valores de Psal Y Pent en la ecuación (15.2) se obtiene

La ecuación (15-7) indica que el voltaje fuente del colector, V cc- es igual a la suma de la caída de voltaje, ic X R¿ a través del resistor de carga, R¿, y el voltaje entre el colector y la tierra, vee' Si Vcc está fijo, conforme i, aumenta, el voltaje en R¿ también se incrementa y, por lo tanto, vee disminuye. Conforme ie disminuye, el voltaje en R¿ disminuye y vee aumenta. En un transistor NPN (figura 15-2), cuanto más positivo se hace el voltaje de la señal de entrada en la base, Vent' más aumenta la corriente de colector; conforme más negativo se hace este voltaje, más disminuye la corriente de colector. De ahí que i, está en fase con Vent. Dado que Vee está desfasado 180 respecto de i., entonces Va también está desfasado 1800 en relación con Vent. Para observar esta inversión de


0

1M P E D A N

e 1 A,

PO T E N

e 1A

Y

RE L A

e

ION E S

D E

FA S E

101

+

-=-- vcc ic (mA)

Figura 15-2. Cuando la ley de voltajes de Kirchhoff se aplica en la salida del amplificador de CE indica que Vcc = icRL + vce

fase en un amplificador en emisor común se usa un osciloscopio con entrada sine/disparo horizontal externa. La entrada sine/disparo horizontal externa del osciloscopio se conecta en la base del transistor, como ilustra la figura 15-2. Al iniciar, la entrada vertical también se conecta en este punto. El nivel horizontal se ajusta de manera que la señal de entrada en la base inicie en el punto de cruce con el eje cero, y el semiciclo positivo de la onda senoidal preceda al semiciclo negativo, como muestra la figura 15-3. La entrada vertical entonces se cambia al colector del transistor y la salida se observa en pantalla, la cual deberá ser semejante al Ve que muestra la figura 15-3. Durante este proceso el amplificador no deberá sobreexcitarse.

Ve

Figura 15-3. En un amplificador en emisor común el voltaje del colector está desfasado 180 0 respecto a la corriente del colector y el voltaje de entrada.

5.

circuito de colector. R sal se ajusta hasta que el voltaje de la carga, Vsal ' sea igual a la mitad del voltaje sin carga. Así, la resistencia del reóstato es igual a la impedancia de salida del amplificador. La ganancia de potencia de un amplificador se define como Ganancia de potencia

RESUMEN 6. 1.

(V)

La impedancia de entrada, Zent o Rent , de un amplificador se define como

= -P

Pent

(15 .1 ) 7.

ent

R - (V- sal)2 -vent

Rsal

donde Rent YR sal son los respectivos valores conocidos o medidos de las impedancias de entrada y salida del circuito. La ganancia de potencia de un amplificador por lo general se expresa en decibeles (dB) como Ganancia de potencia (dB)

donde Vent es el voltaje de la señal en la base e i ent la corriente de la señal en la base. 2. Para determinar Rent en forma experimental se mide Vent e i ent Y se calcula su cociente. 3. Rent también se puede calcular si se inserta un reóstato, R x ' en el circuito de la base, como describe la figura 15-1, se inyecta una onda seno id al de audio en la base y se ajusta Rx hasta que el voltaje, vx' en Rx sea igual a Vento 4. La impedancia de salida, R sal ' de un amplificador de CE se mide en forma experimental si se conecta un reóstato, R sal (figura 15-1), como carga variable en el

sal _

=

10 log

P sal

P ent

En un amplificador de CE, el voltaje de la señal de salida del colector está desfasado 180 0 respecto del voltaje de la señal de entrada en la base.


102


I 5

AUTOEVALUACIÓN

,

.................................. .

Para evaluar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1.

En la figura 15-1 Rx se ajusta hasta que el voltaje YAC = VBC• Para calcular la impedancia de entrada del ampbficador es necesario medir de

En la figura 15-1 Vent = 0.5 Vrms , VAB = 1 Vrms y Rx = 1000 =. La impedancia de entrada del amplificador esde _ _ _ _ __ 3. El voltaje rms medido en el colector del amplificador de la figura 15-1 es de 4.6 V sin carga. Si a la salida se conecta una carga de 250 =, el voltaje rms medido en la carga del colector es de 2.3 V. La impedancia de salida del circuito es de _ _ _ _ __ 4. Un osciloscopio que dispara de manera externa la señal de entrada de la base, como describe la figura 15-1, y está conectado para observar la señal de salida, v s.) ' se ajusta para que aparezca una onda senoidal, cuyo semicicIo positivo aparezca antes del semicicIo negativo. Cuando el osciloscopio se conecta entre la base y la tierra, el semicicIo de la onda senoidal que se observa en pantalla antecede al semicicIo ______ por grados. 5. Un amplificador de CE tiene una ganancia en voltaje de 50, una impedancia de entrada de 1 000 = y una impedancia de salida de 200 = . La ganancia de potencia de este amplificador es de _ _ _ _ __ 6. La ganancia de potencia del amplificador de la pregunta 6 es de dB.

2.


[ M P E D A N

e [ A,

P

o TE

N

e [A

Y

R E L

Ae [ o

N E S

D E

FA S E

103

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

Impedancia de salida

NECESARIO

5. Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd bajo, regulada y con valores variables. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador senoidal de AF. Resistores: 560 =, dos de 1, 8.2,18 k= a ijz W. Capacitores: dos de 25 ¡LF a 50 V; 100 ¡LF a 50 V. Semiconductores: 2N3904 o equivalente. Otros: interruptor de un polo un tiro; potenciómetro de 5000=a2W.

Impedancia de entrada 1. 2.

3.

4.

6.

No modifique el nivel de la señal de entrada. Ajuste Rsal hasta que la señal de salida medida, Vsal' sea igual a la mitad de la salida medida en el paso 3c). Retire Rsal del circuito. Mida y anote su resistencia. Éste es el valor de la impedancia de salida, Rsab del amplificador.

NOTA: la impedancia de salida del amplificador no es una cantidad fija; depende de la resistencia de carga y de los voltajes del transistor.

.

Arme el circuito de la figura 15-1. Para R, utilice un resistor de 1 k=. Rsai es un potenciómetro de 5 k=. Cierre Si. Ajuste el generador de ondas senoidales de AF para 1000 Hz y fije el controlador de nivel del generador (salida) al 70 por ciento de la salida máxima sin distorsión, vsal' como el que observó con el osciloscopio conectado con la salida. Con un osciloscopio mida y registre en la tabla 15-1 el voltaje pico a pico de a) VAC en AC; b) VBC o Vent en Be, y c) Vsal en la salida. Calcule Vx en R; restando VBC de VAC . Anote el valor en la tabla 15-1. Calcule y anote ient Y Rent. Muestre sus cálculos.

TABLA 15-1. Medidas de la impedancia

.

y la potencia de un amplificador

Ganancia en potencia 7.

.

Calcule y anote en la tabla 15-1 la ganancia de voltaje y de potencia (ésta en decibeles) del circuito con carga. Muestre sus cálculos.

Efecto de un resistor de emisor sin derivación 8.

a) No cambie el nivel de la señal de entrada. Retire del circuito el capacitor de desvío, C3. Con un osciloscopio observe la señal de salida, vsal. ¿Por qué la salida del amplificador disminuyó en forma significativa?

de CE

Ganancia

Vpp V

Pasos

VAC

BC -Vent

.

Vsal

v,

ienv

s.;

«;

VAC VBC

mA

n

fl

2-7 8


Potencia, Voltaje

dB

104


15

TABLA 15-2. Relaciones de fase en un amplificador de EC

11.

Onda de entrada

Observe dos ciclos de la onda de salida. Dibújelos en la tabla 15-2 con la fase en tiempo en relación con la entrada.

Onda de salida

b) Cuando C3 esté fuera del circuito, aumente la salida del generador hasta que Vsal sea igual a 1 V pp. Repita los pasos del 3 al 7.

Puntos adicionales .............................. . 12.

13.

Relaciones de fase .............................. . 9. 10.

Abra SI' Coloque C3 en el circuito. Cierre S l ' Con un osciloscopio observe dos ciclos de la onda de la señal de entrada. Dibújela en la tabla 15-2.

Explique con todo detalle un método para determinar la impedancia de entrada de un amplificador de CE distinto al de este experimento. Aplique el procedimiento que sugiere y anote sus resultados. Explique con todo detalle un método para verificar las relaciones de fase del circuito de la figura 15-1 diferente al de este experimento. Aplique el procedimiento que sugiere y anote sus resultados.

PREGUNTAS 1.

2.

a) Si deseara medir en forma directa Vx (el voltaje en Rx) ¿por qué sería necesario utilizar un osciloscopio

"flotante", es decir, un osciloscopio cuya cubierta no está aterrizada en el sistema eléctrico? b) ¿Por qué en general no se rec<;lmienda utilizar instrumentos flotantes? ¿Qué efecto hay en la impedancia de entrada si se retira el capacitar de derivación,C3 , de la figura 15-1 ? Justifique su respuesta con los datos que obtenga.

3.

a) ¿Cuál es la relación en fase entre las señales de en-

trada y salida de un amplificador de CE? b) ¿Los resultados que obtuvo su experimento confir-

4.

man la relación anterior? Explique. ¿La impedancia de entrada de un amplificador de CE es una cantidad fija? Confirme su respuesta de manera específica con los datos que se obtuvieron en este experimento.


EXPERIMENTO

~

,

LOCALIZACION DE FALLAS EN UN AMPLIFICADOR DE CE


OBJETIVOS

Prueba dinámica de un amplificador CE ................ .

Realizar una prueba dinámica para determinar si un amplificador de ca funciona de manera correcta.

En este experimento se considerará como amplificador de ca un dispositivo que produce en la salida, sin distorsión, una señal de voltaje mayor que la que recibe en la entrada. Esta definición elemental de amplificador sugiere una manera de probar su funcionamiento en forma dinámica. Observe el amplificador CE de la figura 16-1. Suponga que la ganancia de voltaje de este amplificador es de 50 y que funciona como amplificador lineal (es decir, no introduce distorsión) cuando la señal de entrada está entre 10 y 100 mV. Si en las terminales de entrada se inyecta una señal senoidal de 50 mV, en la salida deberá haber una señal senoidal no distorsionada de 2.5 V. Ésta es una prueba dinámica de amplificador. Si éste pasa la prueba de inyección de señal y de seguimiento de señal, es decir, si la señal de salida sin distorsión es de 2.5 V para una entrada de 50 m V, se concluye que todas las componentes de la figura 16-1, incluso la fuente de alimentación, funcionan de manera satisfactoria. Los instrumentos que se usan en esta prueba son un generador de señal senoidal que funcione en el intervalo de frecuencias del amplificador y un osciloscopio para observar las formas de onda de la señal y medir los voltajes de las señales de entrada y salida. En el ejemplo anterior, se asume que la etapa se revisó en su totalidad. Sin embargo, suponga que en las terminales de salida del amplificador no hay señal especificada para una entrada de señal. El método de seguimiento de señal dinámico propuesto en el experimento 3 servirá para determinar qué está mal en el circuito. El procedimiento es el siguiente. Una señal se-


Obtener las normas de voltaje de cd y resistencia de diversos puntos ~· de prueba de un amplificador que funciona en forma correcta, e inferir cuál es la causa del problema en las mediciones de voltaje y resistencia de un amplificador defectuoso. . ",

Localizar las fallas de un amplificador defectuoso.

106


16

s

OSClLOSCOPIO

o

+

9V

-=-

o---t--ov GENERADOR DE AF

0----+--0 Tierra

Figura 16-1. Una forma de probar un amplificador es inyectarle una señal de entrada de ca y observar la señal de salida con un osciloscopio.

noidal , no mayor a la que puede manejar el amplificador, se inyecta en las terminales de entrada del amplificador y se observan con un osciloscopio. Si la señal es normal, las puntas de prueba del osciloscopio se cambian al punto B (base) del amplificador. Si la entrada del amplificador es normal, la señal senoidal de este punto será casi la misma que la de las terminales de entrada. Si no hay señal en la base, hay dos posible~ causas. La primera, que el capacitor, el ' esté abierto. La segunda, que la terminal de la base haga corto con la tierra (debido a un transistor u otra componente defectuosa, en el circuito de la base). Para detectar un capacitor abierto basta conectar un capacitor de 0.1 ¡.LF en el y observar la señal de salida con un osciloscopio. Si aparece una señal de salida significa que el capacitor, el' está abierto. Si no hay señal en las t ~rminales de salida del amplificador, la punta de prueba del osciloscopio se conecta a la base. Si no aparece una señal significa que en el circuito de la base hay un corto circuito. También es posible determinar si el capacitor, e2 , está abierto mediante un seguimiento de señal. Suponga que el circuito de entrada, incluido el ' funcionan con normalidad, pero aun así no hay una señal en las terminales de salida del amplificador. La punta del osciloscopio se conecta en forma direct.l al colector de Q. Si en el colector aparece una señal normal, pero no en las terminales de salida, e2 está abierto.

correcta, se debe analizar el funcionamiento en cd del amplificador. La figura 16-2 es el equivalente en cd del amplificador de la figura 16-l. ¿Qué pasos deberá seguir el técnico para determinar cuál de las componentes o conexiones está averiada? La primera prueba es determinar si el transistor está bien. Para ello se utiliza un probador de transistores; se desconecta la alimentación eléctrica del transistor y se prueba conectado o desconectado del circuito; si estuviera defectuoso, se reemplaza. Si no se dispone de un probador de transistores, se puede usar un óhmetro, como se explica en el experimento l3. Si después de reemplazar el transistor averiado o si el transistor no está averiado, y el circuito aún no funciona, el problema está en el resistor, en las conexiones entre resistores y transistores o en la fuente de alimentación.

Rl 18 kn.

+

-==- 9 V

Normas del voltaje de cd ...................... . Las pruebas dinámicas de un amplificador de ca verifican su funcionamiento correcto con ca. Si en la salida no aparece una señal y los capacitores, el y e2 , funcionan en forma

Figura 16-2. Voltajes de cd equivalentes a los de la figura 16-1.


L

oe

A L 1Z A

e

1Ó N

o

Mediciones del voltaje en cd

E

.

En la siguiente serie de pruebas se realizarán mediciones en la fuente de alimentación y en los elementos del transistor. Para comparar estas mediciones, el técnico debe conocer estos voltajes en un circuito idéntico cuyo funcionamiento sea normal. Los voltajes en la figura 16-2 son los correspondientes al funcionamiento normal de este amplificador. Así, la fuente de alimentación es de 9 V. En el emisor hay 1.2 V, en la base 1.9 V Y en el colector 6.6 V. Todos estos voltajes son respecto al punto común (G). ¿Qué significan? El hecho de que haya 1.2 V en el resistor del emisor indica que hay corriente en el emisor. Los 1.9 V en la base se aproximan al voltaje que se podría esperar de la acción del divisor de voltaje de R, y R2. Al desconectar la base del transistor y medir VBC se obtienen 1.96 V, que es el voltaje de Thevenin, VTh• Éste es ligeramente mayor que el voltaje VBC medido en la base con el transistor en el circuito. El voltaje reducido VBC (1.90 V) se debe a la acción de carga del transistor, de manera específica, el circuito de la base. El que el valor de VBC = 1.90 V sugiere que existe una trayectoria de la corriente de la base a tierra, además de R2. Esta otra trayectoria es la unión emisor-base en serie con R3 y se denomina corriente de base. Los 6.6 V en el colector de la figura 16-2 muestra que hay suficiente corriente de colector como para provocar una caída de 2.4 V en R4, el resistor del colector. Los voltajes de la figura 16-2, por lo tanto, indican que el voltaje de la fuente es normal y que hay corriente en el emisor, de colector y de base. A partir de los valores medidos y los valores conocidos de los resistores en el emisor y colector se calculan las corrientes de cd del emisor, lE' del co-. lector, le, Y de la base, lB. Si

Ie =

le =

VE

1.2 -

RE

470

Ve

2.4 1000

Re

=

2.55 mA

(16.1)

=

2.40 mA

(16.2)

y lB = lE - le = 2.55 - 2.40 = 0.15 mA

(16.3)

Estos resultados coinciden con nuestra experiencia sobre las corrientes de transistor, pues en un experimento previo demostramos que en un amplificador de CE, lE es mayor que le Y que le = le - le· En general, los voltajes se miden en relación con el retorno común (tierra). El emisor-base de un amplificador de transistor debe estar polarizado de manera directa. El intervalo de polarización que se puede esperar dependerá del nivel de señal para el que diseñó el transistor y del que se haya utilizado. En un amplificador lineal para señal pequeña que usa transistores de silicio, el voltaje de polarización

FA L L A S

E N

U N

A M P L 1F 1e A

oo

R

o

E

e

E

107

puede ser de 0.65 a 0.75 V (aproximadamente). En un transistor NPN el emisor debe ser negativo respecto de la base; en uno PNP, es positivo respecto de la base. La unión colector-base de un transistor debe estar polarizada en forma inversa. Así, en un amplificador NPN el colector es positivo; en uno PNP, es negativo respecto de la base. Los voltajes colector-base dependen del diseño del circuito y del voltaje de la fuente de alimentación. Varían entre la mitad del voltaje de la fuente hasta casi el voltaje total de batería. Por ejemplo, si se usa una batería de 9 V, el intervalo del voltaje de colector-base es de 5 a 8.9 V.

Inferencias a partir de mediciones de voltaje en cd ,. . Con las lecturas del voltaje de cd se obtienen inferencias sobre el funcionamiento adecuado o inadecuado de los circuitos de transistores. Para mostrarlo, suponga ciertos voltajes anormales en el circuito de la figura 16-2 y analice sus posibles causas. 1. Ve = 9 V. El voltaje de alimentación total medido en el colector indica que el circuito del colector no consume corriente. Suponga que no hay problema en el transistor, la falla podría deberse a: a) una parte desconectada del circuito de emisor (R3 o cualquiera de los cables conectores); b) una parte desconectada en el circuito de la base (desconexión entre la unión de R, y R2 Y la base); c) un corto circuito en la base-emisor por lo que no hay polarización en directa en la unión emisor-base; d) la base está en corto circuito con la tierra, por lo que no hay polarización en directa en la unión emisor-base. 2. Ve = O V. Las posibles causas de falla son: a) circuito de colector abierto (incluidos R4 y los cables de conexión) y b) colector en corto circuito con la tierra. 3. VE = Ve = 2.9 V. Corto circuito del colector al emisor. 4. VE = O V. Esta situación indica que: a) por el emisor no pasa corriente o que b) el emisor está en corto circuito con la tierra. No indica que haya un circuito en emisor abierto, ya que al conectar el voltímetro entre el emisor y la tierra se formaría el circuito y el medidor indicaría un voltaje.

Precaución en mediciones de voltaje Al realizar mediciones de voltaje existe el riesgo de dañar componentes o al transistor mismo. Habrá que tener cuidado para evitar que las puntas del voltímetro produzcan cortos circuito entre las terminales del transistor o entre las fuentes de alto voltaje y las componentes especificadas para voltajes bajos. Además, se deben utilizar voltímetros con elevada impedancia de entrada para evitar cargar el circui-


108

EX PE R IM EN T O

16

too Para medir voltajes del transistor es preferible usar un multímetro electrónico o un multímetro de 20 000 fl/V, en vez de medidores con impedancia de entrada baja.

R4

S

IOOn

Mediciones de resistencia ................... ..

,....---- -- - .....---+--1 I I

La medición de la resistencia de los circuitos de transistores, que siempre se realiza con la alimentación de energía eléctrica desconectada, permite detectar componentes defectuosas. Sin embargo, si se utiliza un óhmetro convencional, las lecturas pueden ser muy engañosas, ya que la batería con energía del óhmetro suministra un voltaje al circuito y éste provoca el flujo de corriente en el transistor. Esta trayectoria paralela a través del transistor afectará las lecturas del circuito externo. PRECAUCIÓN: verifique el voltaje y la polaridad de las puntas, así como la resistencia del medidor antes de probar el circuito, de lo contrario podría dañar las componentes del circuito. Suponga, por ejemplo, que desea medir la resistencia de R 2 , de la base a la tierra, en la figura 16-3. Imagine que el óhmetro M está conectado en el circuito de manera que la ter-

minal positiva de la batería se conecta a la base y la negativa a tierra. Puesto que ésta es la condición para la polarización en directa en la unión emisor-base del transistor NPN, la corriente fluye en esta sección. Por lo tanto, la resistencia del emisor a la base, R EB , está en serie con R3 y, en efecto en paralelo con R 2 y afecta la resistencia medida con el óhmetro. La lectura no proporciona una medida exacta de R 2 en el circuito externo. Estas mediciones ambiguas se evitan con la función ohms de un multímetro digital, en vez de un multímetro. Esta función produce voltajes bajos en las terminales del óhmetro de manera que el transistor, o las uniones de diodo, no se polarizan en forma directa. Por lo tanto, un óhmetro de baja potencia (LP n, por sus siglas en inglés) mide las resistencias externas reales de determinados puntos de prueba del circuito con transistor y no las resistencias en paralelo de transistores o uniones de diodo. Observe el circuito de la figura 16-3. ¿Qué resistencias se pueden obtener si las mediciones se realizan en las terminales del transistor respecto del punto común G, si se emplea la función ohm s de un multímetro digital y que el circuito funciona en forma correcta? La resistencia medida entre el emisor E y G debe ser de 220 n en la base, y del punto B al G, de 10000 n. La resistencia del colector e a G debe ser la suma de R4 , RI Y R2 ; en este caso, 50 100 n. Estos valores son, por lo tanto, el estándar o norma del circuito de la figura 16-3 (con el interruptor SI abierto). Los valores medidos se comparan con estas normas.

1+

-=-+Vcc

I"'~'

1M I L_..1

1I

L ________

I

~

________

G

._--------~

Figura 16-3. Efecto de un óhmetro y un transistor en la medición de la resistencia de un circuito externo.

Los defectos más evidentes en los resistores son las aberturas o desconexiones , las cuales se detectan con facilidad. Por ejemplo, si la resistencia entre E y G es infinita (=), puede ser que R3 esté abierta, que el cable que conecta las terminales superiores de R3 y el emisor esté abierto o que esté desconectado el cableado entre la terminal inferior de R3 y G. Con la verificación de la resistencia entre las terminales de R3 se puede saber si el resistor no tiene problema. De ser así, mediante pruebas de continuidad entre E y G se sabrá qué está desconectado. Asimismo, una verificación de resistencia entre B y G indica si la resistencia en la base del circuito es normal (10 000 n). Si hay una desconexión, otras mediciones determinarán si R2 o las conexiones de las terminales de R2 y la base B o el punto común G, están abiertas. Si la resistencia entre los puntos e y G es infinita y la medición de la resistencia del circuito de la base es normal , significa que R4 , RI o los cables conectores están abiertos. Las pruebas de resistencia de R4 y R I Y las pruebas de continuidad revelarán dónde está el problema.

RESUMEN

l.

La secuencia para localizar fallas en un amplificador de CE es la siguiente: a) Verifique que la alimentación eléctrica esté conectada. b) Se realiza una prueba dinámica de inyección de señal y seguimiento de señal para determinar si el amplificador es normal. c) De no ser así, se prueba el transistor.


L

oeA

L 1 Z A CIÓ N

D E

ti) Si es el normal, se realizan mediciones de voltaje

de cd en los elementos del transistor respecto a la terminal común y se comparan con las normas del amplificador. e) Si se sospecha de otras componentes del circuito externo, se pueden detectar midiendo la resistencia de los elementos del transistor del circuito externo. 2. La prueba dinámica del amplificador de ca (figura 16-1) consiste en inyectar una señal senoidal en la entrada del amplificador y observar con un osciloscopio la forma de la onda en la salida. Si el resultado es que esta onda de salida no está distorsionada y el amplificador produce la ganancia nominal, entonces éste y sus componentes funcionan de manera correcta. 3. Para probar el transistor se utiliza un probador o un óhmetro. Sin embargo, conviene recordar que las pruebas con óhmetro no siempre son confiables. 4. Las pruebas de voltaje y resistencia en la localización de fallas de un circuito tienen por objetivo determinar qué componente está averiada. 5. En un amplificador de señal pequeña que funciona de manera normal, el intervalo del voltaje de colector varía entre la mitad del de Vcc y uno algo menor que el de Vcc- Los voltajes medidos se comparan con los voltajes normales en las hojas de especificaciones del fabricante.

AUTO EVALUACiÓN

•....•........••••••..•.....••••...

FA L L A S

2.

3.

4.

5.

6. 7.

E N

A M P L 1F 1e A D

oR

D E

e E 109

Una onda senoidal que se inyecta en la base de un transistor (figura 16-1) produce una saÜda normal. Cuando las puntas de conexión del generador se trasladan a la entrada no aparece señal en la salida. La causa más probable de la falla es _ _ _ _ __ El voltaje medido en el emisor (en relación con el punto común) del transistor de la figura 16-2 es de OV; el del colector, de 9 V, Y el de la base, de l.96 V. La causa más probable de la falla es _ _ _ _ __ En un circuito en funcionamiento normal, como el de la figura 16-3, si Vcc = 10 V, el voltaje de cd medido entre B y G será menor a V. En el circuito de la figura 16-3 un técnico mide 10.0 V en el colector. V ce = 12 V. La corriente de colector es de mA. Para el amplificador de la pregunta 5 el voltaje en el emisor debe ser mayor que V. Si el resistor, R 4 , de la figura 16-3 está abierto, al verificar la resistencia entre los puntos e y G sería de

____ no

8.

9. 10.

Si el emisor de la figura 16-2 hiciera corto con la base, al verificar la resistencia entre la base y la tierra sería de aproximadamente n. En las condiciones de la pregunta 8, el voltaje de colector será de V. Si en la figura 16-2 R, estuviera abierta, el voltaje medido entre E y G sería de V.

.


U N

La ganancia del amplificador de CE de la figura 16-1, cuando funciona como amplificador lineal es de 100. Una señal de 10 mV en la entrada aparecerá en la salida como una señal de Ven condiciones de funcionamiento normal.


110


16

PROCEDIMIENTO

S,

9.0V

0-111~ 4.

R, 18 kn

e, 25 ¡.¡F

r

ENTRADA

te en la tabla 16-1 el voltaje de la onda de la entrada, base, colector y salida del amplificador. Estos valores son los parámetros del circuito cuando el está abierto. Reemplace el y desconecte e3 del circuito. Observe, mida y anote los voltajes de la onda en la entrada, base, colector y salida. ¿Qué efecto produce un capacitor de derivación en emisor abierto (CS) en la ganancia de ea y en los niveles de polarización de cd?

L R2

Mediciones del voltaje de cd

8.2 kH

5.

.

-1

' Figura 16-4. Amplificador

6.

de ca experimental.

7. MATERIAL

NECESARIO

Fuente de alimentación: fuente de cd variable, regulada y de bajo voltaje. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador de ondas senoidales de AF. Resistores: 560, 10000,; 8.2, 18 ko' a '12 W. Capacitores: dos de 25 fLF a 50 V; 100 fLF a 50 V. Semiconductores: 2N3904 o equivalente. Otros: un interruptor de un polo un tiro; componentes defectuosas para armar el circuito de la figura 16-4. ~

8. 9.

10. 11.

t

¡i I J

i

Prueba del funcionamiento dinámico del amplificador ................................... 1.

2.

3.

12. 13.

Desconecte el generador de señales de la entrada del amplificador. Calcule y anote en la tabla 16-2 los voltajes de cd normales del emisor, base y colector del transistor. Suponga que la corriente en emisor es de 4.0 mA. Mida con respecto al punto común (tierra) los voltajes del emisor, base y colector. Anote los resultados en la tabla 16-2. Abra SI; desconecte R3, el resistor del emisor. Calcule los voltajes de los elementos del transistor para esta condición y anote estos valores en la tabla 16-2. Cierre S,. Mida y anote en la tabla 16-2 los voltajes de los elementos del transistor. Abra SI. Reemplace el resistor del emisor. Desconecte la conexión entre la base y el divisor de voltaje; deje la base abierta. Calcule y anote en la tabla 16-2 los voltajes de los elementos del transistor para esta condición. Cierre S,. Mida y anote los voltajes de los elementos del transistor. Abra SI. Vuelva a conectar la base y el divisor de voltaje. Desconecte del circuito R4, el resistor del colector. Calcule los voltajes de los elementos del transistor para esta condición y anótelos en la tabla 16-2. Cierre S l. Mida y anote los voltajes de los elementos del transistor. Abra S l. Reemplace el resistor del colector.

Arme el circuito de la figura 16-4. Inyecte en la entrada una onda senoidal de 30 m V pico a pico. Cierre S,. Observe y mida con el osciloscopio la salida pico a pico del amplificador y anote el resultado en la tabla 16-1. Observe, mida y anote en la tabla 16-1 el voltaje pico a pico de la señal en la base y en el colector del amplificador. Con el generador aún conectado a la entrada del amplificador, desconecte e,. Observe, mida y ano-


.

L

oe

A L 1 Z A el

Ó N

DE

FA L L A S

EN

U N

A M P L 1F 1e A D

oR

D E

e E

111

Pruebas dinámicas

TABLA 16-1.

Vpp Operación Paso

Condición

1,2

Normal

3

CI abierto

4

C3 abierto

TABLA 16.2.

Entrada

Base

Salida

Colector

del amplificador

Voltajes de cd Voltaje (normal)

Elemento

Estimado

Medido

Voltaje (emisor abierto) Estimado

Medido

Voltaje (base abierta) Estimado

Medido

Voltaje (colector abierto) Estimado

Medido

~\

Emisor Base Colector

TABLA 16-3.

Mediciones de la resistencia

15.

Resistencia a tierra (G) Elemento

Estimada

Medida

Abra SI' Elija la función de medición de ohms de baja potencia. Mida y anote en la tabla 16-3 las resistencias de la base, emisor y colector respecto del punto común (G).

Emisor Base

Localización de fallas en el amplificador de CE

Colector

16.

Mediciones de la resistencia 14.

.

Calcule los valores de la resistencia de los elementos del amplificador experimental y anótelos en la tabla 16-3.

Pida a un colaborador que inserte fallas en el amplificador (figura 16-4). Localice las fallas del circuito y registre paso a paso cada prueba en el mismo orden de realización. Anote los resultados en el informe estándar de localización de fallas que se utiliza en los procedimientos de reparación. Corrija las fallas que el tiempo le permita.


.

112


16

PREGUNTAS 1.

2.

3.

4.

¿Por qué es más significativa la prueba dinámica del funcionamiento de un amplificador que las pruebas de voltaje de cd y de resistencia estáticas? La técnica del seguimiento de señal permite aislar las fallas de un amplificador de dos (o más) transistores (etapas) a una etapa específica del transistor. Explique cómo usar esta técnica para determinar en qué etapa de transistor está la falla en un amplificador de tres etapas. Los transistores se conectan de manera que la salida del primero se acople con capacitancia a la entrada del segundo y la salida del segundo se acople con capacitancia a la entrada del tercero. Compare los voltajes estimados y medidos de la tabla 16-2 para un amplificador que funciona en forma normal. Explique si se presentan discrepancias. Interprete y explique los voltajes de los elementos del transistor con el emisor abierto (tabla 16-2).

5.

6. 7.

8.

Interprete y explique los voltajes de los elementos del transistor con el resistor de colector abierto (tabla 16-2). ¿Es útil conocer el funcionamiento de un amplificador con transistor? ¿Por qué ¿Por qué es preferible usar la función de medición de ohms de baja potencia de un multímetro digital en vez de la función de medición convencional de un multímetro para medir la resistencia del circuito externo de un amplificador con transistor? Suponga un voltaje de corto circuito de base a emisor en la figura 16-4. Calcule los voltajes en relación con el punto común que se mediría en los elementos del transistor. Muestre sus cálculos.


EXPERIMENTO

~

EMISOR-SEGUIDOR (AMPLIFICADOR DE COLECTOR COMÚN)


Emisor-seguidor .................................................. . El amplificador aterrizado o amplificador de colector común, más conocido como emisor-seguidor, es un circuito con transistor cuya ganancia de voltaje es de alrededor de uno con ganancia de corriente y potencia, e impedancia de entrada alta y de salida baja. Gracias a sus características de impedancia este amplificador se utiliza en aplicaciones de acoplamiento de impedancia. La figura 17-1 es el diagrama del circuito de un emisor-seguidor con fuente de alimentación. La señal de ca V ent se acopla a la base mediante el capacitor el. El resistor de carga, R2 , se conecta en el emisor y el voltaje de la señal de salida, vsal ' se descarga en este resistor de emisor sin derivación. El colector se conecta en forma directa con Vcc, a tierra o terminal común de ca, dado que el capacitor e2 funciona como derivación de baja impedancia del colector (de aquí el nombre de colector aterrizado). e2 puede ser un capacitor real conectado del colector a la tierra, o el capacitor de filtrado de la salida de la fuente V cc. Dado que la señal de entrada está entre la base y la tierra (colector) y la señal de salida entre el emisor y la tierra (colector), es evidente que el colector (tierra) es común para los circuitos de entrada y de salida. En el circuito de la figura 17-1 Vcc es la fuente de alimentación del colector. Su terminal positiva se conecta al colector dado que se utiliza el transistor NPN. Una característica distintiva del circuito de colector común o aterrizado es que el resistor del emisor, R2 , no tiene un capacitor en derivación para la


114


17

te, potencia, así como las impedancias de entrada y salida. Sin embargo, las siguientes ecuaciunes aproximadas son la base para un diseño

Av = ganancia de voltaje

t

=

(17.1)

A¡

= ganancia de corriente =

Ap

= ganancia de potencia =

Resistencia de entrada Rent

Resistencia de salida R sal

1

(17.2)

1-a 1

(17 .3)

1-a R

= __L_

(17.4)

1-a

= r e + (1

- a) )(RG +

(17.5)

Figura 17-1. Emisor-seguidor con fu ente de alimentación.

corriente alterna. Por ello, en R 2 aparece una señal de voltaje de salida de ca cuando se aplica a la base una señal de voltaje en ca.

En la ecuación (17.5) re Y rb son las respectivas resistencias del emisor y la base del modelo T equivalente de un transistor, es decir, dos de los parámetros de T; RG es la resistencia interna de la fuente de señal. Las fórmulas aproximadas son válidas sólo para los circuitos para los que se dedujeron y se basan en suposiciones relacionadas con valores típicos de los parámetros de T, como son rb

= 500 n

re

= 30 n

Relaciones de fase .............................. . Para establecer la fase de las señales de entrada y salida se debe considerar que en este transistor NPN, durante el semiciclo positivo de la señal de entrada, Vent , aumenta la corriente de la base. En consecuencia, la corriente de colector y la del emisor aumentan. En el circuito del emisor externo la corriente fluye a través de R 2 en la dirección que indica la flecha. El voltaje en emisor instantáneo, Vsal ' el cual es igual a i salR2 , ahora es más positivo respecto a la tierra de lo que era antes de la señal de ca. Por lo tanto, conforme el voltaje de la base se hace positivo, lo sigue el voltaje en emisor. De igual manera, conforme el voltaje de base se hace negativo durante el semiciclo negativo de VeD!' 'el voltaje en emisor vsal se vuelve menos positivo, es decir, más negativo. Por lo tanto, las señales de entrada y salida en un circuito emisor-seguidor están en fase. El hecho de que la fase de la señal de salida del emisor siga o imite la fase de la señal de entrada dio origen al nombre de "emisor-seguidor".

rb)

re =

1.5 megaohms (Mn)

a = 0.975

Conviene señalar, además, que la resistencia de entrada de la etapa de colector común se afecta no sólo por a y Rv sino también por cualquier resistencia conectada con la base. Por lo tanto, si Rl es una resistencia de valor bajo, su efecto de derivación en el circuito afectará Rent . La ganancia de voltaje y las impedancias de entrada y salida del amplificador en emisor-seguidor se calculan mediante los métodos antes empleados para los amplificadores ' en emisor común y de base común. La ganancia de potencia se calcula a partir de los valores obtenidos en forma experimental de Rent , R sal ' Vent Y Vsal ' Por lo tanto: 2

Pent

ent . d e entrad) (potencIa a = -(V - ) =

(' )2R lent ent

(1 7.6)

Rent 2

Impedancia y ganancia ........................ ..

Psal (potencia de salida)

=

(vsal)

= (i sal/RSal

(17.7)

R sal

Con"el análisis matemático de un amplificador de colector común que funcione de manera lineal, se obtienen ecuaciones complejas para calcular la ganancia de voltaje, corrien-

Ganancia de potencia =


(17.8)

E M 1S O R - S E G U 1O O R

(A M P L 1 F 1 e A

RESUMEN

ooR oE eoLEeToR eo

AUTOEVALUACIÓN ...................................

1. El amplificador de colector común (CC) también se conoce como colector aterrizado o emisor-seguidor. 2. En el amplificador CC el colector regresa de manera directa a Vcc ya tierra en ca. 3. La impedancia de entrada de un amplificador de CC es alta; la impedancia de salida, baja. 4. El amplificador de CC no tiene ganancias de voltaje. Su ganancia de voltaje es más o menos de 1, es decir, unitaria. 5. El amplificador de CC tiene ganancia de corriente y potencia. 6. La señal de entrada a un amplificador de CC se inyecta en la base; la señal de salida se obtiene del emisor. 7. El emisor de un amplificador de CC está sin derivación cuando funciona con ca. 8. La fase de la señal de salida del emisor es idéntica a la de la base.

'115

M Ú N)

.


El amplificador emisor-seguidor de la figura 17-1 tam0 _ _ _ _ __ bién se conoce como 2. En la figura 17-1 v ent = 4 V. v sal es de casi _ _ __ _ V. 3. En el emisor aparece una señal que tiende a negati vo cuando se aplica a la base una señal que tiende a _ _ _ ___ (negativo/positivo). 4. El voltaje de entrada en un emisor-seguidor es de 6 V. Su impedancia de entrada es de 50 000 n. La potencia de entrada es de mW. 5. En el amplificador de la pregunta 5 la potencia de salida es de 0.1 W. La ganancia de potencia del circuito esde _ _ _ _ __ 6. En el amplificador de las preguntas 4 y 5 la impedancia de salida es de n (aproximadamente).


116


17

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO

2.

Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd bajo, regulada, con valores variables. Equipo: osciloscopio, multímetro digital, generador de ondas senoidales. Resistores: 3300, 12000 D; 470 kD a \/2 W. Capacitores: 25 ¡.LF a 50 V, 100 ¡.LF a 50 Y. Semiconductores: 2N2102 o equivalente. Otros: tres interruptores de un polo un tiro; potenciómetro de 500 D.

3.

Cierre S3' Aumente poco a poco la ganancia del generador de AF hasta que en los puntos DF del circuito de emisor aparezca una señal de salida, V, a¡' no distorsionada de 150 mY. Mida v ,a¡ con el osciloscopio y anote el resultado en la tabla 17-l. Mida y anote el voltaje de la señal de entrada, Ven~ (puntos AC) . Calcule y anote la ganancia de voltaje v ,a/vent.

Impedancia de entrada ......................... . 4.

Ganancia de voltaje ............................. . l.

Arme el circui to de la figura 17-2. Abra S2 y S3 y cierre SI ' Ponga en cero la salida del generador de AF. Conecte un osciloscopio entre los puntos DF y ajústelo para que se vea con claridad. Con el osciloscopio medirá el valor pico a pico de la señal en determinados puntos del circuito.

Abra el interruptor SI' Aumente la salida del generador de AF hasta que Vent esté al mismo nivel que en el paso 3. Con el osciloscopio "flotando" mida y anote en la tabla 17-1 el voltaje de la señal, vA B' entre los puntos AB. Calcule la corriente de la señal de entrada de la base, Ven!' sustituyendo VAB en la fórmula (17.9)

12000

Muestre los cálculos y anote i ent en la tabla 17-1.

.----------.----------------~S--3 o~-------~~+

~12V

R¡

~

470k,n

o R2

1000 Hz

3.3 k,n

F

e

Figura 17-2. Emisor-seguidor experimental.


EMISOR-SEGUIDOR

TABLA 17-1. Ganancia

5.

de voltaje. impedancia

vsal,

venl'

V

V

(AMPLIFICADOR

Venl

Renr,

sustituyendo ienl

vAS'

ient'

V

A

117

COMÚN)

8.

= -.-

n

Calcule la ganancia fórmula

lenl

A

Muestre sus cálculos y anote Ren! en la tabla l7-l. También calcule la potencia de entrada i~n! Ren! Y regístrela en la tabla 17-1.

(ienl

Rent'

Ganancia de potencia

Ven!

Renl

COLECTOR

de entrada y potencia de entrada

Ganancia = Vsal

Calcule la resistencia de entrada, y Venl en la fórmula

DE

de potencia

'

. con la siguiente

r: r.;

(17.10)

=P

«: W

Relaciones de fase Impedancia de salida

.

Cierre el interruptor SI' Disminuya la salida del generador hasta que Vsal mida 100 mV. S2 sigue abierto. Mida y anote en la tabla 17-2 el voltaje de salida Vsal (en DF). Cierre S2' El resistor RL está ahora en el circuito. Ajuste RL hasta que el voltaje de salida con carga sea la mitad del valor de Vsal en el paso 6. Anote vs.p. Abra S2' Mida y anote la resistencia de Rv Éste es el valor de la impedancia de salida del circuito, Rs.l/' También calcule la potencia de salida, vlalRsal, W. Anote este valor en la tabla 17-2.

6.

7.

9.

Con el procedimiento indicado en los experimentos anteriores, determine la relación de fase entre las formas de onda de entrada y de salida. Dibuje las formas de onda en la fase de temporal correspondiente de la tabla 17-3.

Puntos adicionales 10. 11.

Explique cómo calcularía el valor aproximado de a del transistor que se usó en este experimento. Con el procedimiento que propuso en el punto anterior calcule a.

TABLA 17-3. Relaciones

de fase

Formas de onda TABLA 17.2. Impedancia de potencia vsal'

V

de salida. potencia de salida y ganancia

vs.l. V

2

V?al'

s, = Rsal' n

Rsal

W

.

Entrada

1------1----+----+----+----

Ganancia de potencia Salida

............................................................................................................................. http://gratislibrospdf.com/

.

118


17

PREGUNTAS l. 2.

3.

4.

A partir de sus datos experimentales comente la ganancia de voltaje en emisor-seguidor. Compare la impedancia de entrada del amplificador en colector común con la de emisor común. Explique por qué son diferentes. ¿De qué manera afecta la magnitud del resistor de polarización, R l' de la figura 17-1 a la impedancia de entrada (resistencia) del circuito? ¿De qué manera afecta la magnitud del resistor en emisor, R 2, de la figura 17-1 a la impedancia de entrada del circuito?

5.

¿Qué relación hay entre la fase de entrada y de salida de las ondas en emisor-seguidor? 6. Explique con todo detalle el método que utilizó para determinar las relaciones de fase en el circuito del experimento. ¿Cómo activó y sincronizó su osciloscopio para esta prueba? 7. Suponga que vsal /v en! ~ 1. Deduzca una fórmula aproximada de la ganancia de potencia en emisor-seguidor.


EXPERIMENTO

W

ANÁLISIS DE LA LíNEA DE CARGA DE UN AMPLIFICADOR DE TRANSISTORES


Cuando se desea reproducir una señal de entrada sin distorsión, los amplificadores de transistores deben utilizarse dentro de la parte lineal de sus características. Por ello, al diseñar un amplificador lineal es necesario elegir con cuidado el punto de operación, las características del transistor y las componentes del circuito respectivo.

Curvas de disipación del colector ......................... . La figura 18-1 es una familia típica de curvas características del colector de un transistor conectado en la configuración en emisor común. Estas curvas muestran el comportamiento del transistor a temperatura ambiente, 25 oC, a través de un intervalo de corrientes y voltajes de colector para valores específicos de corrientes de base o polarización . Existen, sin embargo, determinadas restricciones en las partes de la curva en que el transistor se puede utilizar. Estas restricciones establecen una conexión con la disipación del colector máxima permisible a un nivel de temperatura específico. Por ejemplo, el transistor de unión de aleación NPN 2N649 se limita a una disipación de colector de 100 mW cuando funciona a una temperatura ambiente de 25 oc. La región de operación permisible se indica en las hojas de especificaciones del fabricante en una gráfica sobrepuesta a la familia de las curvas características del colector. Si no se incluye una curva de máxima disipación, el técnico puede graficarla con facilidad sobre la familia de cur-


120

E X P E R [M EN T O

100

? ,/

\'

j

____

\.t

r-

80

V V

V

V

,...-

~

-t-----J.-'--:- --- " _0).

- ---~

-

+

-=- vcc

-0.7

---

L

K

--r

O~

L--

,;--

~

ENTRADA DE LA 25"C

= T--

_

~

_O~

-

-\-

CIRCUITO EN EMISOR COMÚN, BASETEMPERATURAAMBIENTE

-----

.Y

L--- L-- c20

I 8

-~

CURVA DE DISIPACiÓN

,oo-mW

.

6V

~

vcc = I c

!

RL

+ VCE

0.3

I

0.2

r--

BASE MILIAMPERES

O.,

_

I 6

8 COLECTOR

10

12

14

Figura 18-2. Voltajes en cd en la salida de un amplificador sor conectado a tierra.

A EMISOR VOLTS

de emi-

Figura 18-1. Caracterfsticas promedio del colector de un 2N649 con una curva de disipación sobrepuesta de 100 mW (ReA).

vas características. La curva representa 100 mW en todos los puntos; es decir, las coordenadas de los puntos de esta curva se eligen de manera que el producto de VeE

X

le

=

(18.1)

100 mW

Por ejemplo, el punto 2 V Y 50 mA satisface esta condición, al igual que el punto 10 V y 10 rrtA, etcétera. La curva es, desde luego, una parte de la hipérbola definida por la ecua- . ción (18.1) ..El transistor debe funcionar a la izquierda de esta curva.

Un ejemplo con valores numéricos mostrará cómo determinar las coordenadas de los puntos limitadores. En la figura 18-2 Vee = 6 V Y RL = 300 n. Cuando VCE = O, le = 6/300 = 20 mA. Cuando le = O, VCE = 6 V. La línea que pasa a través de estos puntos (1) se muestra en la figura 18-3. ¿Qué efecto produciría en la línea el aumento o disminución del valor de RL, si las demás condiciones permanecen igual? Una vez más, un ejemplo numérico dará la respuesta. En primer lugar, si RL disminuye a un valor de 100 n, las coordenadas de la línea de carga (2) son

VeE

O,

=

6

le=

-100

VeE

=6V

=

60mA

y

Línea de carga de cd

.

El funcionamiento del amplificador de transistores se predice en forma gráfica mediante una línea de carga. El efecto de una entrada en la señal de salida en condiciones específicas de funcionamiento, suponiendo que no hay carga de ea, se determina mediante una línea de carga. Observe la figura 18-2, la cual muestra el circuito de salida de un amplificador con emisor conectado a tierra. Si se conoce el valor de Vee y de Rv la línea de carga se traza entre los dos puntos limitadores de la línea: a) Saturación máxima:

,1

(V CE = O, le

=

~:e)

en el eje de la corriente de colector

le

=

O,

y ,/./""' \)- \:2-J

100

80

vV

-\- ---

i><: ro

o

--- V ¡......--

-----r ---

o

r-

CIRCUITO EN EMISOR COMÚN, ENTRADA DE LA BASE TEMPERATURA AMBIENTE = 25'C

/"

.

\.0

.--Y~

J.-

V").

-'- - V-

V-

~

\.

-

~

1-- 1--

-

t CARGA

L--

DE ~p

L--

(le

=

O, VCE = Vee)

Figura

BASE MllIAMPERES

O/0',

I!;~ J.

..

.

= O.,

__

o

.'8

10

12

14

A EMISOR VOLTS

18-3. Línea de carga para valores específicos

http://gratislibrospdf.com/ ,11•

0.2

""1'"--

COLECTOR

en el eje del voltaje del colector

-0.3

DE \!)lHllt
6

l·

Corte absoluto:

b)

~

llNEA OE CARGA

"-

:liNfA DE CARGA DE '1.2'1,;

'1

~9¡§.

--

L--

~--~K ~

0.7

v-I-- ~~

de RL y Veo

A N Á LIS

DEL

L ÍN E A

A

D E

e

A R G A

D E

U N

A M P L 1 F 1 e A DO R

D E

Al sustituir los valores Vee ecuación (18.2) se obtiene

100

)t/.....-- "

-------

BO

V 60

/-

V-'0

i><

,o

1S

.....-

1 ,~

2

I

~ ,.0 »> V .--0.2-

RL

~

lQ

I

<,

I

0.3

Q

......

I

I

0.2

l-

BASE MIUAMPERES = 0.1

,

--

r-;

3.5 4

10

5.25 6

12

14

COlECTOR A EMISOR VOLTS

Figura 18-4. Línea de carga trazada cuando se conocen el punto de operación Q y el voltaje de la fuente de alimentación.

Esta línea (2) coincide en un punto con la línea de carga 1, es decir, Vee = 6, le = O, pero está arriba de ella. También en este caso, si el valor de RL aumenta, por ejemplo a 1 200 n, las coordenadas de la línea de carga (3) son

6

le=

-1200

=

5 mA

y =

O,

s 121

40 mA en la

40

X

10-3

= 250 n

n el amplifica-

~

I

le

=

Con un resistor de carga de colector de 250 dor funciona en el punto deseado Q.

~á.

"::::::.. ,--

VeE = O,

=

R E

9J..

....9j.

_.

10

I

_Ojl..

....--1-'

- .-:-

.c.'::::-

10 V Y le

o

CIRCUITO EN EMISOR COMÚN, ENTRADA DE LA BASE TEMPERATURA AMBIENTE = 25 'C

-- ------- -----

=

T R A N S 1S T

VCE

=

6.0 V

La línea de carga 3 tiene un punto en común con las líneas 1 y 2, pero está debajo de la línea 1. Note que en los tres casos la línea de carga está a la izquierda de la curva de disipación máxima de 100 mA. El método general para el trazado de líneas de carga es directo siempre y cuando se conozcan los valores de RL y Vee. Suponga que se ignora el valor de Rv pero que sí se conoce el punto de operación del amplificador de transistor. (El punto de operación se define por las condiciones del estado de reposo del amplificador, es decir, los valores de cd de VCE y de le cuando no hay señal.) Si el punto de operación Q es VCE = 5.25 V, le = 19 mA y la fuente de voltaje Vee = 10 V, la línea de carga se traza entre Q y el punto le = O, VeE = 10, como en la figura 18-4. Observe que la línea de carga intersecta el eje de miliampers del colector en el punto VeE = O, le = 40 mA. Ahora ya es posible calcular RL sin problema para le = Vee/RL cuando VeE = O. Por lo tanto

Cómo predecir el funcionamiento del amplificador desde la línea de carga Es posible predecir cómo varía la corriente del colector con los cambios de la corriente de base a partir de la línea de carga. La intersección de la línea de carga con alguna curva de la familia de curvas del colector puede servir como punto de operación. El mejor punto de operación es el que se determina por las necesidades del circuito. El punto de operación elegido en el último ejemplo, VCE = 5.25 V, le = 19 mA, se localiza en la intersección de la línea de carga con la curva característica lB = 0.3 mA. Esto significa que la corriente de base de 0.3 mA produce una corriente de 19 mA que fluye en el circuito del colector de un transistor 2N649. El transistor funciona con una fuente de 10 V Y un resistor de carga de 250 n, con la configuración en emisor común de la figura 18-3. ¿Qué efecto produciría en la corriente de colector aumentar la corriente de base de este circuito a, por ejemplo, 0.4 mA? La respuesta se obtiene al observar el punto en el que la línea de carga intersecta la curva característica de 0.4 mA. En este caso, le = 26 mA, un aumento de 7 mA y VCE = 3.5 V. Si lB se reduce a 0.2 mA, la corriente de colector disminuye a 12 mA, una disminución de 7 mA, y V CE = 7.0 V. En el punto de operación y circuito elegidos se observa que los cambios en la corriente del colector están en función lineal de los cambios en la corriente de base, dentro de los valores límite de 0.1 a 0.3 mA. Con la línea de carga también se puede determinar la ganancia de corriente del amplificador. Antes se definió la ganancia de corriente como el cociente del cambio de la corriente de salida y en la corriente de entrada. Es decir

(18.3) En el ejemplo citado observamos que ~ lsal

=

26 - 12

~ lent =

=

0.4 - 0.2

14 mA

=

0.2 mA

Al sustituir en la ecuación (18.3) se obtiene (18.2)

14

Al = -

0.2


=

70

122


18

RESUMEN

l.

2.

3.

4.

AUTO EVALUACiÓN

........•...•..............•.......

La familia de características de colector promedio (figura 18-1) muestra cómo varía la corriente de colector, le, en función de la corriente de base, lB' y del voltaje de colector, VCE' en determinado transistor que funciona a una temperatura específica. Para que las gráficas sean útiles, la curva de disipación máxima del transistor se debe dibujar sobre las características del colector. La línea de carga de cd es una línea recta que se dibuja sobre la familia de curvas características. El funcionamiento del amplificador se puede predecir con esta línea y para dibujarla se supone que se conocen Vee y R L . Los puntos extremos de la línea se calculan de la manera siguiente: a) las coordenadas del punto sobre el eje de la corriente del colector son: VCE = Vee , le = O. La línea de la figura 18-4 corresponde a los valores Vee = 10 Y Y RL = 250 n. Si el amplificador, cuya línea de carga ilustra la figura 18-4, funciona con una corriente de base (polarización) de 0.3 mA, la intersección de la línea de carga y la curva de 0.3 mA se denominan punto de operación Q del amplificador. Con la línea de carga es posible predecir las variaciones de la corriente de salida y el voltaje de salida de una determinada entrada de señal de base. Estas variaciones sirven para determinar la ganancia de corriente del amplificador.

Para evaluar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. En la figura 18-1 la curva característica que se identifica por 0.4 es la gráfica que indica la relación entre y del transistor 2N649, en el que la corriente de base se mantiene a ______ mA. 2. En la figura 18-2la intersección de la curva de disipación de 100 mW y la curva de 0.5 mA (corriente de base) ocurre en el punto donde VCE = Y e le = mA. 3. En la pregunta 2 el producto de VeE e le es de _ _ _ _ _ mW. 4. El producto de las coordenadas de todos los puntos de la curva de disipación del colector de la figura 18-1 es igual a mW. 5. La línea de carga es la definida por la ecuación V ee = le X R L + VCE' donde Vee y R L son cantidades fijas, e le Y VCE son variables. Si Vee = 20 Y Y R L = 500 n, los puntos extremos de la línea de carga son Y, O mA en el eje VCE Y O Y, ______ mA en el eje le. 6. En la figura 18-4 suponga que el punto de operación del amplificador está en 0.2 mA de la corriente de base. En este punto, el voltaje del colector es de Y y la corriente del colector de _ _ _ _ _ _ mA. 1.


A N Á LIS

1S

O E

L A

L

iN

E A

O E

e

A R G A

o

E

A M P L 1F 1e A

U N

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o

E

T R A N S 1S T

o

R E

s 123

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO

4.

Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd regulada, con valores variables. Equipo: multímetro digital; amperímetro s de cd de O-50 ¡.LAyO-lO mA (o intervalos equivalentes en un multímetro). Resistores: 1 y 68 kfl a \12 W. Semiconductores: 2N3904 o equivalente. Otros: un interruptor de un polo un tiro; potenciómetro de 10 000 fl a 2 W; equipo y componentes necesarios para las preguntas de punto adicional. 1.

2.

3.

En la figura 18-5, la familia de características del colector del transistor tipo 2N3904, trace una curva de disipación de colector de 100 mW. En la figura 18-5 dibuje la línea de carga del amplificador en emisor común de la figura 18-6. En este circuito, RL = 1 kfl Yel voltaje de alimentación de colector Vee = 10 V. Muestre sus cálculos para los puntos extremos de la línea de carga. Determine la intersección de la línea de carga y la curva de la corriente de base de 15 ¡.LA.Identifique este punto en la línea de carga por Q\, punto de operación 1, y anote en la tabla 18-1 las coordenadas le Y VCE de Q\.

5. 6.

7.

8.

Con la línea de carga calcule y anote los valores de le y VCE cuando a) lB = 10 ¡.LA;b) lB = 20 ¡.LA;e) lB = 25 ¡.LA;á) lB = 30 ¡.LA.Identifique como Q2 la intersección de la línea de carga y la curva de la corriente de base de 25 ¡.LA. Arme el circuito de la figura 18-6. El interruptor S¡ está abierto y R ¡ es la resistencia mínima. Cierre SI' Ajuste R¡ de manera que la corriente de base mida 10 ¡.LA.Anote este valor de la corriente de base en la columna "lB" debajo del encabezado "Valor medido de la línea de carga". Mida le, VeE y VEB. Anote los resultados debajo del encabezado "Valor medido de la línea de carga", en las columnas respectivas. Repita lo anterior para cada lB en la tabla 18-1. Con los valores medidos calcule la ganancia de corriente del colector del transistor que funciona en Q¡ cuando el cambio total de la corriente de base es de 10 ¡.LA. Anote los resultados en la tabla 18-2. Muestre sus cálculos. También calcule la ganancia de voltaje del colector en las mismas condiciones. Anote los datos en la tabla 18-2. Repita el paso 7 para Q2, el punto de operación 2.

::(

.s

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o f-

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u w

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1

f-

Z

Vcc-=-10

w

¡¡: a: o u 4

R, 10 kn

2 00

5

10

15

20 25

VOLTAJE COLECTOR-EMISOR.

Figura 18-5. Características 2N6004 (General Electric).

VCE

(V)

del colector en emisor común para el Figura 18-6. Amplificador


de transistores

experimental.

V

124



18

de la línea de carga

Valor medido de la línea de carga lB' ¡.LA

lo

mA

Valor medido de la línea de carga VCo V

lB, ¡.LA

lo mA

VCo V

VEB, V

10 15 20 25 30

TABLA 18-2. Cálculos de ganancia de la línea de carga

si¿

Punto de operación

I ti '11,1

tJ.VCE Ganancia de voltaje del colector = -tJ.VEB

Ganancia de corriente del colector = -tJ.IB

'11"

,.!"!f'

Ql (15 ¡.LA) Q2 (25 ¡.LA)

Puntos adicionales 9.

, I

.

Explique con todo detalle el procedimiento que seguiría para determinar con experimentos la corriente y el voltaje máximos de entrada de ea que puede manejar sin distorsión el amplificador de la figura 18-6. Supon-

10.

ga que la entrada es una onda senoidal de 1000Hz. Muestre el diagrama del circuito. También explique cómo mediría la corriente y la ganancia de voltaje en ea. Arme el circuito, mida la ganancia de Ql y Q2 y anote los datos en una tabla.

..

l. ,


5.

6.

Explique qué significa la curva de disipación máxima. ¿Cuál es la función de la línea de carga de cd? ¿Qué información se requiere para trazar una línea de carga de cd? ¿Cuál es la diferencia de los valores de la línea de carga de la tabla 18-1 y los valores medidos? Explique las diferencias. ¿La operación del circuito experimental de la figura 18-6 es lineal a través del intervalo de 10 ~A de la corriente de base de entrada en Ql y en Q2? Explique. Compare las ganancias de corriente y voltaje del circuito experimental en a) Ql y Q2'

7.

Si las ganancias de corriente en Ql y Q2 no son iguales, explique la razón.

Punto adicional 8.

Comente la relación entre las ganancias de voltaje en corriente directa y alterna en el circuito experimental.


.

EXPERIMENTO

~

AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA


Cuando dos amplificadores se conectan de manera que la señal de salida del primero es la señal de entrada del segundo, se dice que los amplificadores están conectados en cascada. LOS amplificadores conectados en cascada permiten aumentar la ganancia con amplificadores de una sola etapa. La configuración en cascada más común es la de emisor aterrizado. Como recordará, estos amplificadores tienen ganancias de voltaje, corriente y potencia grandes. Se emplean en sistemas de reproducción de sonido; por ejemplo, amplificadores de audio, televisores y amplificadores de video (películas), así como en muchas otras aplicaciones.

Métodos de acoplamiento .................................... . Acoplamiento mediante transformador

En el acoplamiento de las etapas de los amplificadores es frecuente usar transformadores. Con ellos se logra acoplar la impedancia de salida de la primera etapa con la impedancia de entrada de la siguiente etapa. Con un adecuado acoplamiento de impedancias se logra una máxima transferencia de potencia de una etapa a la siguiente. La figura 19-1 es el diagrama del circuito de un amplificador de transistores de dos etapas acopladas por transformador. La señal de entrada se acopla mediante TI' en la base de QI. el sirve para aislar el secundario del transformador TI del circuito de polarización de la base. La polarización de


126


19

O¡

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_llgl~A

DE SENAL

DE SENAL

S,

-

Rl

-

l+ -=-

-

R2

T-

Vcc

Figura

19-1. Amplificador

de transistor

en cascada con acoplamiento

la base y la estabilización de la polarización se logra mediante el divisor del voltaje de R¡ y R2 en la batería Vcc, y el resistor R3 en el emisor. e2 está conectado en paralelo con R3 para evitar una degeneración. T2 acopla la señal de salida del transistor Q¡ con el circuito de base de Q2' En el circuito de Q2 las componentes e3, e4, R4, s, Y R6 tienen la misma función que sus respectivas contrapartes de Q¡: el' e2, R¡, R2 Y R3. La salida amplificada de Q¡ alimenta a Q2, donde ocurre una amplificación adicional.

¡,

,

, 1

"I

Acoplamiento de

mediante transformador.

minución del voltaje de señal v¡sa¡ en el colector de Q¡. Este voltaje determina el valor de la corriente en el circuito de entrada de la base de Q2' Es evidente que la resistencia de carga de ea de Q¡ (uno de los factores que determina que la corriente de señal se acople a la base de Q2) se altera por el acoplamiento de Re de amplificadores en cascada. La combinación de acoplamientos de Re y de transformador es aprovechable. La figura 19-3 es el diagrama del circuito de un amplificador de transistores en una configura-

Re

Existen otros métodos de acoplamiento: acoplamiento directo, acoplamiento de Re y acoplamiento por impedancia. La figura 19-2 muestra un amplificador en cascada acoplado por Re. Los capacitores e¡ y e, acoplan la señal respectiva de Q¡ y Q2' es acopla la señal de Q2 con su carga total. En otros aspectos, las funciones de las componentes de las etapas Q¡ y Q2 son las mismas que las de sus componentes equivalentes del amplificador acoplado por transformador de la figura 19-1. Si se considera el funcionamiento de los amplificadores acoplados, hay que tener en cuenta un aspecto. La adición de una segunda etapa podría alterar las características de la primera etapa y modificar el nivel de la señal que se alimenta a la. segunda etapa. Por ejemplo, si en la figura 19-2 e4 estuviera abierto,R4funcionaría cómo carga de la señal de ea y de la carga de cd de Q¡. Cuando e3 se conecta como se muestra (figura 19-2), R4 ya no funciona como carga del colector de ea de Q¡. Ahora la carga de ea está formada por R4 en paralelo con Rs, R6 Y la resistencia de entrada, Reot' de Q2' La resistencia de carga de colector de ea, Rv es menor que R4' En este análisis se supone que la reactancia de e3 es insignificante en la frecuencia de la señal de entrada y que la batería, Vcc- ofrece una trayectoria de impedancia muy baja para la señal de ea; es decir, Vcc funciona, ante la señal, como corto circuito de ea. El voltaje de señal en el colector de Q¡ es igual a i¿ X R[o Un efecto de reducir la resistencia de carga de ea es la dis-

nI

c~

ENTRADA DE SEÑAL

Figura

19-2. Amplificador

Figura

19-3. Acoplamiento


de transistores

RG

y

con acoplamiento

por transformador.

RG.

A M P L 1F 1e A

r---~------------~~----------,

+

-=-v cc

l-

Figura 19-4. Amplificador de transistores con acoplamiento directo.

ción de acoplamiento combinado. La etapa Q, está acoplada por Re con Q2' La etapa Q2 se acopla a su carga mediante transformador. Las configuraciones de polarización de las etapas Q, y Q2 son convencionales.

Acoplamiento -directo·· ......................... . En los amplificadores de transistores en cascada también se utiliza el acoplamiento directo. Una ventaja de éste es el ahorro en componentes y su mejor respuesta a la frecuencia. La figura 19-4 es el diagrama del circuito de un amplificador de dos etapas acoplado de manera directa. La polarización y la estabilización de polarización de Q, son convencionales. La polarización de Q2 está en función del voltaje de colector de Q, y del voltaje de emisor de Q2' Los valores de R4 (en el colector de Q,), de Rs Ydel punto de operación de Q, deben elegirse de manera que el colector de Q, y, por lo tanto, la base de Q2, sea positivo respecto del emisor de Q2. Esto permite estabilizar la polarización en directa de Q2. La estabilización de la polarización de Q2 depende de la conexión directa entre Q2 y Q,. Así, cuando aumenta la temperatura de operación, las corrientes de colector de Q, y Q2 también aumentan. Por otra parte, el incremento de la corriente de colector de Q, produce que el voltaje del colector de Q, sea menos positivo, es decir, más negativo. Esto hace que la base de Q2 sea menos positiva y reduce la polarización en directa de Q2, con lo que disminuye la corriente de colector de Q2. En efecto, el circuito de acoplamiento directo de la figura 19-4 produce la estabilización de la polarización de Q2.

Funcionamiento lineal······ .................... . Cuando dos o más amplificadores funcionan en cascada, las características de la unidad total deberán ser adecuadas a

oo

R

eoN

T R A N S 1S T

oRES

EN

e A s e A o A 127

las necesidades de la aplicación. Por ejemplo, si en un amplificador de audio hay dos o más transistores, dicho amplificador deberá utilizarse dentro de sus características lineales para obtener una reproducción de sonido sin distorsiones. Para probar el funcionamiento lineal se puede utilizar un osciloscopio. Como fuente de señal se recurre a un generador de onda senoidal de audio. La salida del amplificador se monitorea con un osciloscopio. Para determinar el intervalo de funcionamiento lineal, el nivel de la señal de entrada se aumenta desde O hasta justo un valor antes del punto de distorsión (punto de truncado) de la salida. Así se procede a determinar y medir el valor máximo de la señal del generador que no produce distorsión.

Procedimiento lógico para localizar fallas ..................................... . Localizar la falla de un dispositivo electrónico averiado, por ejemplo un amplificador de audio de varias etapas, requiere un procedimiento lógico y sistemático. Un eficiente primer paso de este procedimiento es suponer que sólo una falla provoca el problema. El técnico trata de ubicar esa falla de la manera más sencilla y rápida. Una vez descubierto y corregido el problema, el funcionamiento del amplificador deberá ser normal. Si no es así, el técnico deberá buscar una segunda posible causa y, de ser necesario, una tercera, y así sucesivamente. Las etapas de este sencillo procedimiento son: l. Escuche el funcionamiento del amplificador. Para ello se necesita un generador de onda senoidal de AF o un reproductor de discos. Los síntomas, así como conocimientos y experiencias anteriores, permitirán un rápido diagnóstico. 2. Revise el amplificador de audio para localizar problemas evidentes. Por ejemplo, conexiones abiertas o defectuosas, resistores quemados, partes rotas o sobrecalentadas. Los resistores y los transformadores quemados tienen un olor característico. Antes de reemplazar una parte defectuosa, determine la causa de su falla. 3. Mida el voltaje de la fuente de alimentación para determinar si en ella está el problema. 4. Para aislar la etapa con falla haga un seguimiento de señal en el amplificador. Cuando la etapa defectuosa se localiza, el problema estará en una o varias de las componentes de esa etapa. 5. Aísle la parte con falla. Se realizan pruebas para medir el voltaje en cd en la etapa defectuosa y estos valores se comparan con los nominales. Si no se dispone de éstos, el técnico deberá calcular valores aproximados a partir de su conocimiento del circuito. Consulte el experimento 16 para los voltajes que se prevén en un amplificador.


128

E X P E R1M E N T O

I 9

S,

Figura 19-5. Aislamiento de etapa con falla mediante seguimiento de señal.

Se deben analizar las diferencias entre los valores nominales y los medidos para inferir cuál es la parte con falla. Se prueba la parte de la que se sospecha o se reemplaza por una que funciona bien y así comprobar la localización de la falla. Las pruebas de voltaje en cd se complementan con pruebas de resistencia del circuito del que se sospecha. En el experimento 16 consulte las normas de resistencia. 6. Corrija el problema. La parte de repuesto debe satisfacer las especificaciones eléctricas y físicas de la original. Para reparar amplificadores, utilice las partes de repuesto que recomienda el fabricante.

Cómo detectar una etapa defectuosa mediante seguimiento de señal·············· La figura 19-5 es un diagrama esquemático de un amplificador de audio de dos etapas que incluye un amplificador excitador y uno de salida. Los puntos de pruebas dinámicas para el seguimiento de señal de este amplificador están numerados del 1 al 8. Suponga que el"amplificador no funciona (no se escucha ningún sonido en la bocina) y que deseamos detectar la etapa defectllosa mediante seguimiento de señal. El siguiente es el procedimiento que se lleva a cabo. l. Conecte el generador. de AF a la entrada del amplificador. Como fuente de señal se utiliza una señal de 1 000 Hz calibrada a nivel moderado. 2. Con un osciloscopio haga el seguimiei1to de la señal .desde la entrada (base de Q¡) hasta la salida (devanado de voz de la bocina).

3. Si el amplificador funcionara de manera normal, la onda senoidal de 1000 Hz debería aparecer en los puntos de prueba 1, 2,~, 5 y 7. Los niveles aproximados (amplitudes) de la onda senoidal son: TP 1 Nivel bajo, determinado por la salida del generador. TP 2 Señal pico a pico mayor que TP 1 (debido a la ganancia de Q1)' TP 4 Las señales de TP 2 Y TP 4 deben estar casi al mismo nivel. TP 5 Señal pico a pico mayor que TP 4. TP 7 La onda senoidal de salida se mide con el punto 8 como referencia. El técnico debe estudiar el diagrama del circuito cuyo seguimiento de señal identifica los' puntos de prueba dinámicos y conocer qué hay en cada uno. 4. Si el amplificador estuviese averiado (por completo inactivo), es evidente que la señal desaparecerá en algún punto del circuito. Suponga, por ejemplo, que la señal es normal hasta TP 4, pero que desaparece en TP 5. Una posibilidad es que la falla esté en la etapa d~ excitación (Q2) y otra que el transform~dor T2 esté abierto, por lo que Q2 no funciona de manera adecuada. Si es posible, cargue Q2 conectando un resistor de 100 n entre el punto 5 y V ce y pruebe otra vez la señal en TP 5. Si ahora la señal es normal, el problema está en T2 . Pero si aún no hay señal en TP 5, el problema está en Q2' Este procedimiento de seguimiento de señal permite aislar el problema en la etapa defectuosa. 'A continUación, se prueba la, etilpa de la que se sospecha pflra localizar el defecto.


A M P L 1F 1e A D

Cómo aislar la parte defectuosa con mediciones ......................................... . Suponga que el problema se detectó en el excitador Q¡ de la figura 19-5. En la base de TP 1 se mide una onda senoidal de 60 m V, pero en el colector TP 2 no hay señal. Al hacer pruebas de voltaje en cd en la base, el emisor y el colector de Q¡ es posible localizar el problema. Los voltajes normales en cd de los puntos de prueba son: colector, +6.6 V; base, + l.8 V; emisor, + 1.2 V. Suponga que los voltajes medidos en el transistor defectuoso son: colector, +9 V; base, + 1.9 V; emisor, O V. Es obvio, el transistor no conduce, pues no hay caída de voltaje en los resistores de emisor ni de colector. Las mediciones sugieren un defecto en el transistor. Al reemplazar Q¡ por un transistor 2N3904 en buen estado se soluciona el problema. Antes de sustituir el transistor, es posible hacer otra prueba con un probador de transistores en circuito o un trazador de curvas en circuito. En la falla anterior es evidente que el transistor está defectuoso. Para problemas menos evidentes con frecuencia se requieren pruebas de voltaje y de resistencia para localizar la parte dañada. _ NOTA: los amplificadores de audio de estado sólido son, en general, más complejos que el circuito de la figura 19-5, ya que cuentan con una polarización de cd y estabilización de ca. Estos circuitos de realimentación aumentan una dimensión más al proceso de localizar fallas . Existe la posibilidad de que se produzcan fallas por reacciones en cadena y se deben abrir las trayectorias de realimentación para aislar el problema.

RESUMEN

1.

Se dice que dos amplificadores funcionan en cascada cuando la señal de salida del primero se usa como señal de entrada del segundo. 2. Los amplificadores se acoplan en diversas form as: acoplamiento por Re, directo, por transformador y por impedancia. 3. Los transformadores se usan cuando es necesario igualar la impedancia de salida de la primera etapa con la impedancia de entrada de la segunda, a fin de garantizar la máxima transferencia de potencia de la primera a la segunda etapa. La figura 19-1 es un ejemplo de acoplamiento por transformador. 4. La figura 19-2 es un ejemplo de amplificador acoplado por Re. 5. Cuando dos amplificadores se acoplan, se debe tener en cuenta el efecto de la entrada de la segunda etapa

oR eoN

T R A N S 1S T

oRES

E N

e A s e A D A 129

en la resistencia de carga de ca de la primera. En la figura 19-2 la carga de ca de Q¡ consiste en la combinación en paralelo de R 4, Rs, R6 Y Rent (de Q2)' El efecto de esta carga de ca "reducida" en Q¡ es disminuir el nivel de la señal de salida de ca en el colector de Q¡ . 6. Entre un amplificador y otro es posible usar configuraciones que combinan acoplamientos. Por ejemplo, en la figura 19-3, Q¡ y Q2 están acoplados por Re, en tanto que la salida de Q2 está acoplada a su carga mediante un transformador. 7. Las etapas acopladas en forma directa (figura 19-4), en las que se usan transistores PNP a PNP o NPN a NPN, son muy comunes en los circuitos de transistores. Una ventaja es la eliminación de componentes de acoplamiento (transformadores, capacitores) . Otra ventaja es su mejor respuesta a la frecuencia. 8. Para localizar fallas en un dispositivo electrónico, como un amplificador de audio, hay que seguir un procedimiento lógico y sistemático. 9. Para simplificar la localización de fallas es muy útil suponer que sólo hay una falla . Cuando ésta se localiza, y si el circuito aún no funciona de manera correcta, el técnico tratará de localiZar otro defecto, y así en forma sucesiva hasta localizar y corregir todos los problemas. 10. Los pasos del procedimiento de localización lógica de fallas en un amplificador de audio son los siguientes : a) Escuche el amplificador para obtener pistas sobre el posible problema. b) Revise el amplificador para ubicar defectos evidentes, como partes rotas, quemadas o desconectadas. e) Mida el voltaje de la fuente en cd para asegurar que es normal. el) Con un seguimiento de señal aísle la etapa con falla de un amplificador de varias etapas; es decir, siguiendo con un osciloscopio el avance de la señal desde la entrada hasta la salida. e) Si se produce una discontinuidad en la señal, suponga que todo funciona en forma adecuada en el último punto de prueba donde se localizó la señal normal. Es posible que el problema esté en la etapa donde desapareció la señal, o en la carga que en ese circuito produce la siguiente etapa. 1) Pruebas de voltaje y resistencia de la etapa de la que se sospecha permitirá identificar la parte defectuosa. 11. Para identificar transistores defectuosos son útiles un probador de transistores en circuito o un trazador de curvas en circuito.


130


19

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para evaluar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1.

El acoplamiento entre Q¡ y Q2 (figura 19-1) se realiza mediante _ _ _ _ __ 2. En la figura 19-2 R acopla la señal de la salida de Q¡ con la entrada de Q2. 3. En la figura 19-2 la carga de ca en la salida de Q¡ es la resistencia R4. (verdadero o falso). 4. En la entrada de la figura 19-4 se inyecta una onda seno id al. La señal en la salida es una onda recortada. Se dice que el amplificador en cascada funciona de manera (lineal, alinea!). 5. En un amplificador de audio en cascada bien diseñado, (al aumentar, al disminuir) la señal de excitación en la entrada del amplificador de la pregunta 4, es posible obtener una onda de salida senoidal. 6. Para determinar si un amplificador funciona en forma lineal se utiliza un osciloscopio para observar las formas de onda en y _ _ _ _ __ 7. El amplificador de la figura 19-5 no funciona. Después de revisar el circuito no se descubrió ningún defecto evidente. La primera medición que se debe realizar es ____________ 8. El amplificador de la figura 19-5 no funciona. Al efectuar un seguimiento de señal en el circuito en TP 2 se observa una forma de onda normal, pero en TP 4 no aparece ninguna forma de onda. Una posible causa del problema es _ _ _ _ __

9.

En Q2 se detecta un problema (figura 19-5). Con una prueba de voltaje en cd en Q2 se obtiene la siguiente información: voltaje de colector, OV; de base, 1.2 V; de emisor, O V. La causa más probable del problema es : a) 2N2102 está defectuoso; b) Rg está abierto; e) en T 2 hay un primario abierto; d) hay un corto circuito en T2 entre el primario y el secundario. 10. El volumen del amplificador de la figura 19-5 es muy bajo. El seguimiento de señal descubre una señal normal en TP 4. En TP 5 hay una onda senoidal, pero su amplitud es muy baja. La onda senoidal de TP 6 es casi igual en amplitud a la señal de TP 4. Los voltajes en cd medidos son normales. La causa más probable de la falla es: a) 2N2102 está defectuoso; b) en T2 el secundario está abierto; e) R g está abierto; d) C4 está abierto. 11. El amplificador de la figura 19-5 no funciona. Después de revisarlo se descubrió que en la salida de la fuente de alimentación había +9 V en tanto que en R 3 , R4 , R6 Y el primario de T2 hay O V. Una probable causa de la falla es: a) el primario de T2 está en corto circuito con el armazón; b) S¡ está averiado; e) Q2 está averiado; d) Cs tiene un corto circuito. 12. El problema de la figura 19-5 se detectó en Q¡. De las pruebas de resistencia respecto de la tierra en los elementos de Q¡ se obtuvieron los siguientes datos: colector On, base 4 700 n, emisor 470 n. La causa más probable de la falla es: a) C s tiene un corto circuito; b) Cs está abierto; e) R4 está abierto; d) R4 está en corto circuito.


A M P L 1F 1e A D

oR eoN

T R A N S1ST

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E S

E N

e A s e A D A 131

PROCEDIMIENTO

............................................................................................................................. MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd de valor . bajo, regulada, con valores variables. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador de AF; miliamperímetro de cd de 0-25 mA. Resistores: 100,450,560, 1000 fl; 8.2, 10, 18,33 kfl a lhW. Capacitores: dos de 25 ¡.LF a 50 V; dos de 100 ¡.LF a 50 V. Semiconductores: 2N3904; 2N2102 (o equivalente). Otros: potenciómetro de 500 fl a 2 W; dos interruptores de un polo un tiro. 1.

2.

3.

si el circuito es inestable (oscila), conecte en paralelo el colector de QI con un capacitor de 0.1 ¡.LF. De esta manera se evita la oscilación, aunque también reduce la respuesta a frecuencias altas. Mida y anote en la tabla 19-1 el voltaje de señal pico a pico de los puntos de prueba de la figura 19-5. También mida y anote en la misma tabla el voltaje en cd de los puntos de prueba y la corriente total , IT como aparece en MI'

NOTA:

Arme el circuito de la figura 19-6. Como fuente de señal se utiliza un generador de señal de AF que ajusta su salida a un valor mínimo de 1 000 Hz. El interruptor de la alimentación SI está abierto, S2 está cerrado. El valor de RI es el mínimo en el punto B. MI es un miliamperímetro que mide la corriente de cd total del circuito. Asigne a la salida de la fuente de alimentación 9 Y. Cierre S l' Observe la fuente de cd y mantenga su salida en 9 V durante el experimento. Conecte un osciloscopio en el brazo deslizable de R I (punto C) . Defina la salida del generador en 50 mY. Ahora conecte el osciloscopio en el colector de Q2, pruebe el punto 5 (TP 5). Poco a poco ajuste RI justo por debajo del punto donde la onda senoidal empieza a distorsionarse, lo que corresponde a la señal de entrada máxima que el circuito es capaz de manejar sin distorsión. Deje RI en este nivel.

4.

Cómo medir el voltaje de la señal en TP 1 ............................................... . 5.

Retire RI del circuito. No modifique el valor configurado de RI' Mida y anote en la tabla 19-1 la resistencia desde el brazo central (punto C) al punto B. Mida y anote la resistencia total del control, puntos A y B. Calcule y anote la señal de entrada, en milivolts, distribuida en TP 1, sustituyendo los valores medidos de RCB Y RAB en la fórmula R CB

6.

X

50mV

Anote los resultados obtenidos. (Recuerde que 50 m V es la señal aplicada al control de volumen en los pasos 2 al 4). Anote I T, la corriente total cuando no se aplica una señal (se retira R I ) . Restaure RI en el circuito con las mismas conexiones originales.

Figura 19-6. Amplificador de audio experimental con acoplamiento de Re.


132



19

de un amplificador

en cascada

CD, V

Señal

[T,mA

PUl1l0

de prueba

S2 cerrado

S2 abierto

S2 cerrado

S2 abierto

Con señal

Sin señal

RCB,n

RAB,n

2 3

4 5 6 1

7.

8. "

flujo de señal, localice el problema comparando mediciones de ea y cd en condiciones de "avería" con los valores "buenos" que se midieron en el paso 4. ¿Qué le sucedió al circuito?

Abra S2, desconectando la salida de la etapa 1 de la entrada de la etapa 2. Mida otra vez y anote la señal pico a pico y el voltaje en cd en todos los puntos de prueba. Pida a un colaborador que inserte un problema en el circuito. Mediante las técnicas para detectar fallas de

." , 1"

, II ,'o t

,

PREGUNTAS 1.

2. .1,

11 l'

!I;

3.

¿El circuito de entrada de Q2 produce algún efecto en el nivel de la señal del colector de Q¡? Indique y explique el efecto. Muestre sus datos. ¿El procedimiento del experimento sugiere un método para aislar el problema de Q¡ o de Q2 en un amplificador que no funciona, como el de la figura 19-6? Explique el procedimiento. Explique el nivel de la señal de los puntos de prueba 3 y 6 del circuito del experimento.

4.

5. 6.

7.

¿Cuál es la ganancia de voltaje del amplificador total? Muestre sus cálculos. ¿Qué relación hay entre la ganancia de voltaje total y las ganancias de voltaje individuales de Q¡ y Q2? Comente sobre la corriente de cd total del circuito con y sin señal. ¿Hay algún cambio evidente en el nivel de voltaje en cd de los puntos 4, 5 O 6 cuando S2 está abierto o cerrado? ¿Por qué? Mencione tres métodos para acoplar amplificadores en cascada.

11'

',' "


EXPERIMENTO

~

AMPLIFICADOR EN CONTRAFASE


Operación clase B ............................................... . Los sistemas de audio de alta potencia necesitan una potencia de audio mayor que la de una etapa de salida sencilla. Una solución es utilizar dos o más transistores conectados en contrafase. Los circuitos de un amplificador en contrafase funcionan en clase B o en clase AB. En el experimento anterior se indicó que en la operación en clase A la sección emisor-base del transistor tiene polarización en directa en el ciclo completo de la señal de entrada. La corriente avanza 360° y la salida no se distorsiona, como muestra la figura 20-la). En el funcionamiento de la clase B, la señal polariza en forma directa al emisor-base del transistor durante un semiciclo de la señal de entrada y la polariza de manera inversa en el otro semiciclo. La figura 20-lb) muestra la onda de la corriente del colector de un circuito clase B. Observe que la corriente fluye casi 180° y se interrumpe durante el resto del ciclo. La operación clase AB está comprendida entre la clase A y la clase B. La corriente fluye más de 180°, pero menos de 360°, como describe la figura 20- le). Si un transistor que funcionara con carga resistiva se polarizara, de acuerdo con la clase A o AB, la señal se distorsionaría. El circuito en contrafase elimina la distorsión que se produciría en un amplificador de potencia con un solo transistor clase B o AB.


134

E X P E R1M EN T O

2 O

(\(\ : \;'¡ v 1

~

I

1

~

3600

1

(a)

I

MAYOR

¡.- QUE 1800 (e)

Figura 20-1. Formas de onda de corriente: a) clase A; b) clase B; e) clase AB .

Amplificador en contrafase ................... . Cuando los amplificadores en contrafase funcionan en clase AB o clase B, pueden manejar una amplitud de señal casi del doble de un amplificador de potencia clase A convencional. Por este motivo, las etapas de salida clase B y clase AB permiten obtener más potencia que una etapa clase A simple. La figura 20-2 muestra una etapa de salida de contrafase. Q2 y Q3 son transistores de salida conectados como amplificador de emisor común en un circuito balanceado. T2 , un transformador de entrada, acopla Q1, denominado excitador, con las etapas Q2 y Q3'

Las bases de Q2 y Q3 se conectan en los extremos del devanado secundario de T2 . Por lo tanto, las bases reciben señales diferentes, iguales en amplitud, pero desfasadas 180°. En una entrada senoidal, la base de Q2 es positiva cuando la base de Q3 es negativa. Cuando Q2 cambia a negativa, la base de Q3 se vuelve positiva. Al final, cuando la corriente fluye por el colector de Q2, no hay flujo de corriente en Q3' y viceversa. Las corrientes de colector de Q2 y Q3 fluyen en direcciones opuestas a través del devanado primario de T3 , el transformador de salida. Estas salidas están relacionadas con la tierra de ca en la derivación central del devanado primario de T3 . La señal en el resistor de carga, R L , conectada al secundario de T3 es la señal recombinada y amplificada de la figura 20-2. Q2 y Q3 son dos transistores de potencia intermedia que operan cerca de la clase B con suficiente polarización en directa (que proporciona R5 y la combinación de R6 y R7 ) para que a Q2 y Q3 fluya una pequeña corriente de reposo de colector que impida la distorsión de cruce. Si hay una polarización de corte (cero) en el emisor-base de un transistor de silicio, en el transistor no fluye corriente hasta que el voltaje de la señal de entrada aumente hasta cerca de 0.7 V. Por ello existe un lapso (mientras la señal aumenta de O a 0.7 V) durante el cual el transistor no conduce. Si los transistores de una etapa de contrafase están polarizados en el corte, la forma de la onda de la corriente será como la de la figura 20-3 . Las secciones vaCÍas de corriente, periodos t 1 y t2 , representan el momento en que la polaridad de la señal está cambiando y la señal cruza para acti var un transistor mientras el otro se desactiva. En los instantes ti y t 2 no fluye corriente. Para eliminar la distorsión por cruce, los transistores de una

v-------t----.---..

l'

T3

'IIORJ~

03

L-----------------~---_o + vcc

Figura 20-2. Amplificador en contrafase con salida de audio.


A M P L 1F 1e A

5.

6.

7. Figura 20-3. Distorsión de cruce que provoca la polarización de transistores de amplificador en contrafase en el punto de corte.

ooR

EN

eoNT

R A FA S E

135

Los amplificadores de salida en contrafase, en contraste con los amplificadores de salida clase A sencillos, se utilizan en sistemas de audio de alta potencia dado que las etapas de contrafase permiten entregar más potencia a una carga que una etapa sencilla, suponiendo que las demás condiciones son idénticas. Los amplificadores en contrafase están polarizados ligeramente en clase AB para evitar la distorsión por cruce. La potencia, P, que entregan las etapas de salida a una carga resistiva, R (figura 20-2) se calcula mediante la ecuación

V2

etapa de contrafase no se polarizan como clase B (en el corte), pero tienen una ligera polarización en directa de manera que fluye una pequeña corriente de colector, aun en ausencia de señal. Sin embargo, los transistores están polarizados tan cerca del corte que su modo de operación se denomina como clase B . El nivel inferior de la polarización en directa de Q2 y Q3 mantiene al transistor activado y sus corrientes de colector muy bajas cuando no hay señal. Si se aplica una señal, Q2 y Q3 conducen de manera alterna en cada semiciclo de la señal de entrada. La corriente de colector promedio es, por lo tanto, baja cuando no hay señal y mucho mayor en presencia de señal. La potencia de audio producida por una carga resistiva, R, se calcula, si se conoce la señal de voltaje en la carga, mediante la siguiente ecuación

p=R

donde Ves el voltaje rms medido en R, y R es la resistencia de la carga en ohms.

AUTOEVALUACIÓN

........•.......................... Para evaluar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1.

2. V2 p=R

(20.1)

donde Ves el voltaje rms, expresado en volts y R, la resistencia de carga medida en ohms.

3. 4.

5.

RESUMEN 6. 1.

2.

3.

4.

En los sistemas de audio de alta potencia es común utilizar salidas en contrafase, con polarización de cd, en clase B o AB . En la operación clase B la sección emisor-base del ~ran sistor tiene polarización en cd en el corte. En la éIase AB, está polarizado para ACTIVACIÓN, pero la polarización está entre B y AB. En la operación clase B la señal de entrada produce flujo de corriente de colector de casi 180 0 durante el intervalo en el que la señal polariza directamente la sección base-emisor. En la operación clase AB, la corriente de colector fluye más de 180 0 , pero menos de 360 0 •

7.

Los amplificadores de salida de la figura 20-2 se conocen como amplificadores _ _ _ _ __ En un amplificador clase A la corriente circula durante el de la señal de entrada. En un amplificador clase B la corriente fluye durante _ _ _ _ _ _ 0 de la señal de entrada. Los amplificadores en contrafase no tienen totalmente polarización de cd en el corte, pero están cercanos al corte para evitar_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ La corriente de cd promedio de los circuitos de colector de un amplificador en contrafase clase B es de ______ cuando tiene señal, con relación a cuando no la tiene. El divisor de voltaje R5-R6 proporciona cierto _ _ _ _ a la sección base-emisor de _ _ __ El voltaje rms del secundario de T3 (figura 20-2) es de 1.5 V. R L = 3.2 fl. La potencia de salida de la carga es de W.


136

EX P E R [ M ENT O

2O

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd bajo, regulada, con valores variables. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador de ondas senoidales de AF; mili amperímetro de 0-100 mA cd. Resistores: 5, 680, 820 n; 2.2, 8.2, dos 18 kn a w. Capacitores: 0.022 J..LF, 0.1 J..LF,25 J..LF, 50 V, 100 J..LF a 50 V. Semiconductores: 2N3904; dos 2N2102 con disipadores de calor (o equivalente). Otros: interruptor de un polo un tiro; potenciómetro de 500 n a 2 W; transformadores de contrafase: entrada tipo Kelvin 155-08, salida tipo Kelvin 175-45 o equivalente.

4.

t

1.

2.

3.

Arme el circuito de la figura 20-4. MI es un miliamperímetro para medir de manera conjunta las corrientes de Q2 y Q3' SI está abierto. La salida de la fuente de alimentación se fija en O. Cierre SI' Aumente poco a poco la salida de la fuente de alimentación (Vec) hasta que en MI aparezca cerca de 2 mA. V ce será casi de 9 V; Q2 y Q3 estarán polarizados cerca del corte. Conecte el osciloscopio en Rv el resistor de carga de la salida. Conecte en R I , el control del volumen, el generador de ondas senoidales, el cual produce 1 000 Hz.

5.

6.

7.

8.

La salida del generador está al nivel mínimo; R I , al máximo. Conforme aumente el atenuador del generador de señal, observará una onda senoidal en el osciloscopio . Si la salida del generador de audio con esta calibración mínima sobrecarga el amplificador, la señal del osciloscopio aparecerá distorsionada. En ese caso, reduzca la entrada al amplificador, R l' hasta que desaparezca la distorsión. A continuación, si hay distorsión de cruce, aumente en forma gradual Vee hasta que desaparezca la distorsión (Vee será casi de 9 V). Si al principio la onda seno id al del osciloscopio no aparece distorsionada, aumente la salida del generador para obtener la máxima salida distorsionada. El generador de audio y R I ahora están configurados para producir la máxima salida sin distorsión a 1 000 Hz. No modifique esta configuración. Mida y anote en la tabla 20-1 el voltaje en cd respecto a tierra en cada punto de prueba (1 al 8) de la figura 20-4. Observe y mida con el osciloscopio la amplitud pico a pico de la señal de audio entre TP 1 Y 9. Anote los datos en la tabla 20-1. Observe y anote en la misma tabla la corriente de colector, le , de Q2 y Q3' aplicando la señal como en el paso 4.

Figura 20-4. Amplificador en contrafase experimental.


A M P L 1F 1e A D

TABLA 20-1. Pruebas para un amplificador sistores

Punto de prueba

en contrafase

CD (a tierra), V

de tran-

9.

Señal, V pp

o

R

E N

eo

N T R A FA S E

137

Disminuya R¡ hasta el mínimo (señal cero). Observe y anote el valor de Icen las etapas Q2 y Q3 sin señal. También mida y anote su polarización.

1 2 3

Puntos adicionales

4

10.

5 6

11. 7 8 9

12. ¡c,mA

Polarización

Q2

Polarización

Q3

Con señal Sin señal

.

Explique con todo detalle cómo calibraría el sine/disparo de un osciloscopio para observar la fase de las ondas de señal en TP 2, 4, 7, 5 Y 8 en relación con la señal de TP 1 (figura 20-4). Siguiendo el procedimiento del paso 11, observe las formas de onda en TP 1, 2, 4, 7, 5 Y 8. Anote estos resultados en una tabla especial denominada "Relaciones de fase entre la etapa excitadora y de salida en contrafase" . Pida a un colaborador que introduzca un problema en el circuito. Mediante una técnica para localizar fallas por flujo de señal (experimento 19), ubique el problema y repare el circuito. ¿En qué consistió la falla?

PREGUNTAS 1. 2. 3.

4.

Explique la diferencia de funcionamiento entre un amplificador de contrafase clase A y uno clase B. Con base en los datos de la tabla 20-1, ¿Q2 Y Q3 de la figura 20-4 funcionan en clase B? Explique por qué. Con la figura 20-4 calcule la potencia generada en RL para una señal máxima sin distorsión. Muestre sus cálculos. Interprete las lecturas de la señal de voltaje (tabla 20-1) en los puntos de prueba 3 y 6.

5.

6.

7.

8

De ser el caso, explique la diferencia en la corriente de colector de la figura 20-4, con y sin señal. Comente los datos de la tabla 20-1. ¿Los resultados de su experimento indican que el amplificador en contrafase clase B es más potente que el amplificador con salida clase A? Explique la razón. Explique las diferencias entre distorsión por sobrecarga y distorsión por cruce. I1ústrelo con las formas de onda. ¿Cuándo Se producen la distorsión por sobrecarga y por cruce?


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EXPERIMENTO

~

AMPLIFICADOR EN CONTRAFASE DE SIMETRíA COMPLEMENTARIA


Simetría complementaria (Dos fuentes de alimentación) ............................... . El amplificador de potencia de audio en contrafase clase B del experimento 20 requirió un transformador de entrada y uno de salida. Éstos no son necesarios en un amplificador en contrafase de potencia de audio clase B que use simetría complementaria. El circuito de simetría complementaria utiliza dos transistores con características idénticas. Sin embargo, uno de ellos es PNP y el otro NPN. La figura 21-1 muestra un amplificador en contrafase de simetría complementaria ideal. Q2 es un transistor NPN y Q3 un PNP, ambos configurados como emisor-seguidor con los emisores conectados entre sí. La carga del circuito de emisor, R L, es común a Q2 y Q3' El colector de Q2 está conectado a + Vce, una fuente de voltaje positiva. El colector de Q3 recibe su voltaje en cd de - Vce, una fuente de voltaje negativa. Las bases de Q2 y Q3' conectadas entre sÍ, reciben la señal de entrada de un circuito externo. Suponga que la polarización de cd mantiene a Q2 y Q3 justo en el punto de corte. Ahora observe qué sucede cuando se aplica una onda senoidal en la entrada de este amplificador. Durante el semiciclo positivo (1) la base de Q2 se vuelve positiva en relación con su emisor y activa a Q2, el transformador NPN. Q2 permanece activo en este semiciclo positivo (1); la forma de onda de la corriente en Q2 es como ilustra la figura 21-1b). Durante el semiciclo positivo, Q3, un transistor PNP, está polarizado en forma inversa y se corta. En el semiciclo negativo (2), la señal polariza Q3 de manera directa y se activa mientras Q2 está en corte. La figura 21-1b) muestra que la


l~O


2 1

í1L ENTRADA

CORRIENTE DE Q2

CORRIENTE DE

Q3

SALIDA EN Rl

l' Figura

I~

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21-1. a) Un amplificador

en contrafase

"'" '1

.1 ,,"

-: (b)

de simetría complementaria

corriente de Q3 tiene dirección opuesta a la corriente de Q2' Esto se debe a que Q2 es un transistor NPN y Q3 un PNP. Las flechas de la figura 21-1a) describen la dirección de la corriente de electrones en el circuito externo de Q2, Q3 y la carga, RL. El voltaje generado en RL es una onda senoidal, al igual que la entrada. Dado que las acciones de Q2 y Q3 se complementan entre sí y el circuito es simétrico, la configuración de la figura 2l-la) se conoce como simetría complementaria. Hay circuitos de simetría complementaria de emisor común y de colector común que funcionan en clase A y en clase B. Los amplificadores de simetría complementaria se deben diseñar con mucho cuidado para evitar el desgaste térmico y la destrucción de los transistores. El desbalance o las fugas en los transistores de potencia pueden causar múltiples fallas. Es frecuente recurrir a la estabilización por diodo para una compensación térmica. Estas condiciones se producen principalmente en el acoplamiento directo entre la etapa excitadora y la de salida.

Simetría complementaria (Una fuente de alimentación)

,

--::v

~ (a)

'It'

-: r-:.

.

El circuito de la figura 21-1 usa dos fuentes de alimentación de igual voltaje y polaridad opuesta con tierra común. El circuito de la figura 21-2 emplea una sola fuente de voltaje para el amplificador en contrafase de simetría complementaria. La simetría del circuito se mantiene mediante dos divisores de voltaje iguales, R, y R2. El divisor superior permite obtener suficiente polarización directa para Q2, y el divisor inferior para Q3, con lo que ambos transistores tie-

ideal; b) formas de onda de la corriente.

nen una corriente de reposo baja para eliminar la distorsión de cruce. Las flechas de la figura 21-2 indican la trayectoria de esta corriente de reposo en el circuito externo de Q2 y Q3' Observe que la trayectoria de la corriente de reposo incluye a Q3, Q2 y la fuente de alimentación. Dado que se supone que las características de Q2 y Q3 son idénticas, el punto D es el punto medio del voltaje en cd del circuito, es decir, VAD = VDG = Vcc/2. Asimismo, e es el punto medio del voltaje en cd del divisor de voltaje entre los puntos A y G, suponiendo que el valor de ambas R, es igual y que las características de Q2 y Q3 son idénticas. Al conectar un voltímetro de cd entre los puntos, e y D, se tiene una lectura de O V, pues e y D están en el mismo potencial de cd respecto a la tierra (G). Debido al efecto de dividir el voltaje de las resistencias superiores, R, y R2, el punto B, es más positivo que el e (y D). Por lo tanto, la base de Q2 (Bl) es positiva en relación con su emisor (D), y éste proporciona polarización directa de Q2 (NPN) para generar corriente de reposo baja. De igual forma, el punto B2 es negativo respecto de e (y D). Por lo tanto, la base de Q3 es negativa respecto de su emisor y genera la corriente de polarización directa de Q3 (PNP). La relación entre R, y R2 es determinante para definir la polarización directa de una corriente de reposo baja en Q2 y Q3. La señal de entrada se acopla a las bases de Q2 y Q3 mediante el y es idéntica en ambas bases. Con el capacitor e2 la señal de salida se acopla a RL y bloquea el paso de la corriente de cd a RL. Q2 se polariza en forma directa en el semiciclo positivo de la señal y genera un semiciclo positivo en R¿- Q3 tiene polarización positiva debido a la señal negativa alterada y desarrolla la alternancia negativa a través de R¿- El funcionamiento del circuito de la figura 21-2 es, entre


A M P L 1F 1e A

ooR

E N

eoNT

R A FA S E

oE

S 1 M E T RÍA

eoM

P L E M E N T A R 1A

141

dor, y así eliminar costosos transformadores de entrada y salida. Esta configuración es posible cuando los amplificadores se diseñan como circuitos de emisorseguidor. +

-=- Vcc AUTOEVALUACIÓN

•••••......••......•.....••...•.••• Para evaluar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. l.

Figura 21-2. Amplificador en contrafase clase B de simetría complementaria con una fuente de voltaje.

otros aspectos, idéntico al de la figura 21-1, en la cual se utilizan dos fuentes de voltaje. Es frecuente utilizar amplificadores en contrafase clase B de simetría complementaria en la etapa de salida de amplificadores de audio de alta potencia. En estos sistemas el inductor de voz de la bocina equivale a la carga y, por lo tanto, a RL . El circuito se puede diseñar de manera que elimine al capacitor C2 ; la carga se conecta, entonces, de manera directa entre el emisor y la tierra. Esto es posible gracias a la baja impedancia de salida del emisor-seguidor.

RESUMEN

1.

2.

3.

4.

5.

Para lograr un buen diseño del circuito ideal clase B de la figura 21-1 es necesario que Q2 y Q3 estén polarizados en el punto de corte, en ausencia de señal. ______ (verdadero, falso) . 2. Según la teoría, un voltímetro de cd que se conecte en CD de la figura 21-2 medirá V. 3. El voltaje de cd en AC de la figura 21-2 es igual a _ _ _ _ _ _ , si el circuito está balanceado por completo. 4. El de la señal de entrada produce el flujo de la corriente en Q3' 5. En la figura 21-2, Q, y Q3 se configuran como amplificadores _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ 6. En ausencia de señal (figura 21-2) la base de Q2 es ______ (positiva , negativa) con respecto al emisor. 7. En la figura 21-2, el voltaje de cd en Qz, VAD , es ______ (igual, menor, mayor que) el voltaje en Q3' VDC ' 8. En el circuito de la figura 21-2 los transistores Qz y Q3 se pueden intercambiar sin afectar el funcionamiento del circuito. (verdadero,falso).

En un amplificador de simetría complementaria se utilizan dos transistores, uno PNP y otro NPN con características eléctricas idénticas. En una configuración con circuito completamente simétrica ambos transistores se polarizan de igual manera; por ello los dos permiten la circulación de la misma corriente, cuando no hay señal de entrada. En un amplificador en contrafase de simetría complementaria se utilizan una o dos fuentes de voltaje. La polarización del amplificador es clase B, como en las figuras 21-1 y 21-2, o clase A. El circuito de polarización de un circuito en contrafase de simetría complementaria clase B debe proporcionar una corriente de reposo pequeña, cuando no hay señal de entrada, para evitar la distorsión de cruce. El diseño del amplificador de simetría complementaria permite conectar directamente el inductor de voz de la bocina como la carga de la salida del amplifica-


142

E X P E R 1M E N T

o

2 1

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

de reposo de Q2 y Q3) Mida Vc6 debe ser de unos 15 V.

Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd de valor bajo, regulada, con valores variables. Equipo: .osciloscopio, multímetro digital; generador de ondas senoidales de AF; dos miliamperímetros de 0-100 mA. Resistores: 5, dos de 100, 150,470, tres de 1 000, 1 200 n; 4.7,10 kn a 1- w. Capacitores: 0.0022 ¡;,F,25 ¡;,F a 50 V; cuatro de 100 ¡;,F a 50 V. Transistores: 2N2102 con disipador de calor; 2N4036 con disipador de calor; 2N3904 (o equivalentes). Otros: interruptor de un polo un tiro; potenciómetro de 500 n a 2 W; fuente de audio (tocadiscos o micrófono).

3.

NOTA:si la señal de salida muestra evidencia de una distorsión de cruce, poco a poco aumente Vcc hasta que desaparezca la distorsión. Vuelva a probar la corriente de reposo de Q2 y Q3' sin señal. No deberá ser mayor a 5 mA. 4.

5.

Amplificador de simetría complementaria l.

·tjl

, ,

~

,

!~ ,,'

2.

.

Arme el circuito de la figura 21-3. SI está abierto. Rent se establece para la salida mínima. El generador de señal de onda senoidal, a 1000 Hz, está a la salida mínima. V cc es de O V. Cierre SI' Poco a poco aumente la salida de Vcc hasta que MI sea de 2 a 3 mA. (Esta es la corriente

Conecte un osciloscopio en RL (TP 8 a tierra). Aumente Rent (y el nivel del generador senoidal, si es necesario) para obtener la señal máxima sin distorsión en R¿-

6.

En condiciones de señal máxima, mida y anote Vccen la tabla 21-1 y los voltajes de cd respecto a tierra entre los puntos TP 1 a 8. Mida y registre también el valor de la corriente de Q2 y Q3 (la e Id· Con el osciloscopio mida y anote en la tabla 21-1 el voltaje de señal pico a pico para TP 1 a 8. Observe que el valor de la corriente Q2 y Q3 aumenta. ¿Por qué? Desconecte la señal de entrada. Mida otra vez, ahora sin señal, y anote en la tabla 21-1 los voltajes en cd de los puntos TP 1 a 8. Mida y anote la corriente de reposo de Q2 y Q3 (la e lo)

NOTA: si la corriente es mayor que la corriente de reposo original, permita que la corriente se estabilice de 3 a 5 minutos (min), sin señal. Después mida la corriente de reposo.

s,

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M,_ 0-100 mA

+

+

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RL 5 1

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'1 ~'I

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'1

Figura 21-3. Amplificador

de audio experimental

con una fuente de voltaje.


Vcc

A M P L 1F 1e A D

o

R

EN

eoN

Detección de problemas con amplificador 7.

8.

9.

10.

.

Conecte otra vez la entrada del generador senoidal. Abra SI' Retire C4, el capacitor de derivación del emisor de la etapa Q ¡. Cierre SI' Mida y anote en la tabla 21-2 los voltajes en ea y cd de los puntos 1 a 8; también anote lC2 e lC3' ¿Qué relación tienen estas lecturas con las del paso 5? ¿Cuál es el efecto de un capacitor de emisor abierto en la etapa Q¡ y en el funcionamiento general del amplificador? Abra SI' Reemplace del circuito a C4• Quite Rg y sustitúyala por un resistor de 150 W.


de un amplificador

o

T R A FA S E

11. 12.

13. 14.

E

S 1 M E T RÍA

eo

M P L E M E N T A R 1A

143

Cierre SI' Mida otra vez ea y cd de todo el circuito; anote sus valores, así como los de lC2 e lC3' ¿Qué efecto tiene en los parámetros del circuito y en el funcionamiento general que la etapa en contrafase esté desbalanceada? Abra SI' Retire el resistor de 150 n y reemplácelo por el de 100 n como Rg. Retire Q3' Cierre S¡ y realice otra vez todas las mediciones. ¿Qué efecto produce un transistor PNP defectuoso en la etapa en contrafase? Abra S¡.-Reemplace Q3' Haga un corto circuito en RL. ¡No haga corto circuito en C6! Cierre SI' Realice todas las mediciones y anótelas en la tabla 21-2. Explique los resultados obtenidos en esta prueba.

de audio con una fuente de voltaje

CD, V Punto de prueba

Con señal

Sin señal

Vcc

Señal V pp

Corriente, mA, de Q2 y Q3

X

1 Con señal

2 3

4 5 6

Sin señal (corriente de reposo)

7 8 1C2

mA

1C3

mA


144 E X

P

ERI M ENT


O

2 1

para localización

de fallas

Rg = 150

Ci abierto Punto de prueba

CD

CA

CD

RL = O

Sin Q3

CA

CD

CA

CD

CA

Unidades

1

V

2

V

3

V

4

V

5

V

6

V

7

V

8

V

la

mA

lo

mA

.1 I

PREGUNTAS Con los datos de las tablas 21~1 y 21-2, si es posible, responda las siguientes preguntas.

4. 5.

1.

2.

3.

En el amplificador experimental de la figura 21-3, sin señal, ¿cuál es la polarización base-emisor de Q2? ¿Es una polarización directa o inversa? Explique. En la figura 21-3, sin señal, ¿cuál fue la polarización base-emisor de Q3? ¿Es una polarización directa o inversa? Explique. En la figura 21-3, ¿sus mediciones confirman que el voltaje en cd, sin señal, en TP 4 Y 7 con respecto a la tierra es igual a Vcd2? Si la respuesta es no, explique por qué. SUGERENCIA: ¿el circuito estaba totalmente balanceado?

6.

¿Cuál fue la ganancia en voltaje de Q, en la figura 21-3? Muestre sus cálculos. En la figura 21-3 compare la corriente de colector de cd de Q2 y Q3 con y sin señal y explique, si hay, la diferencia. En la figura 21-2, ¿por qué es determinante el correcto ajuste de Vcc para definir la corriente de reposo?


EXPERIMENTO

~

RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO


Respuesta en frecuencia ...................................... . El intervalo de frecuencias de sonido que una persona promedio es capaz de escuchar es de 30 a 15000 Hz (aproximadamente). Un amplificador de audio debe amplificar de igual forma los voltajes de las señales en este intervalo. Debido al precio y otras consideraciones prácticas, muchos amplificadores no pasan de igual manera a todas las frecuencias de audio. Algunas frecuencias se atenúan: las frecuencias bajas (hasta 500 Hz) y las frecuencias altas (de más de 5000 Hz). Una característica importante del amplificador de audio es, por lo tanto, el voltaje de salida con el que responde a cada frecuencia del intervalo de audio, para determinado nivel de señal de entrada. Esta característica se determina mediante un generador senoidal de audio como fuente de señal y un osciloscopio para observar y medir las señales de entrada y de salida. A continuación se calcula la ganancia de cada frecuencia . Un método para verificar la ganancia de un amplificador en determinada frecuencia es introducir en el amplificador un voltaje de señal medido propio de la frecuencia y medir el voltaje de la señal de salida. Vsal

Venl

= ganancia

(22.1)

La respuesta en frecuencia de un amplificador es una gráfica de la ganancia o de la salida en función de la frecuencia en diversos puntos de frecuencia. Cuando estos puntos se unen de manera continua se obtiene la curva de fre-


146


22

Figura 22-1 . El resistor en emisor sin derivación proporciona realimentación negativa.

cuencia. Si la salida del generador de audio fuera constante en todo su intervalo de frecuencias, sería posible definir un valor de Vent , por ejemplo 1 V pp, Y sólo basta observar la salida, vsa ]' con el osciloscopio. Sin embargo, la salida del osciloscopio de audio con carga puede variar en función de la frecuencia. Por lo tanto, es necesario medir la salida del generador en las condiciones de carga para cada frecuencia de prueba. Este es el valor de vent que se utiliza en la fórmula de la ganancia. Al graficar la curva de respuesta de un amplificador de audio en papel milimétrico los valores de vsal se grafican en el eje vertical como las ordenadas de la gráfica. Los valores de frecuencia corresponden a las abscisas.

Cómo ampliar la respuesta en frecuencia de un amplificador de transistores mediante realimentación negativa

La realimentación degenerativa o negativa se emplea en amplificadores de transistores para estabilizarlos y ampliar su respuesta en frecuencia . Sin embargo, estas características deseables se obtienen a costa de una disminución en la ganancia del amplificador. Un forma de introducir una realimentación degenerativa es dejar sin derivación al resistor del emisor de un amplificador de emisor aterrizado (figura 22-1). El voltaje de señal que se genera en el resistor del emisor está en fase con el voltaje de señal de la base. La señal que "ve" el amplificador es la diferencia entre la señal de entrada y la señal que se genera en el resistor del emisor. El emisor sin derivación produce una impedancia de entrada y de salida mayor y una ganancia de etapa menor. La figura 22-2 es una variante de la figura 22-1. En ella, R 3 , que es parte de la resistencia del circuito de emisor, no tiene derivación a fin de que haya realimentación degenerativa. La estabilización de la polarización de cd se obtiene con R4 en paralelo con C4 .

Figura 22-2. Combinación de circuito de estabilización de cd y realimentación degenerativa.

Existen diversas combinaciones de realimentación con las que se obtiene realimentación degenerativa. La figura 22-3 ilustra otro de estos métodos. Éste es el circuito de un amplificador de dos etapas en el que la realimentación negativa se logra al acoplar una parte de la señal de salida del colector de la etapa Q2 con el emisor de Q¡. La señal de realimentación está en fase con la señal degenerativa generada en el resistor de emisor sin derivación, R3' La amplitud de la señal realimentada al emisor está determinada por el divisor de ca, el cual consta de R9 , C5 y RJ . Por lo tanto, la señal de entrada total que el circuito base a emisor "ve" es la diferencia entre la señal de entrada Vent y la suma de los voltajes de realimentación en fase en RJ. La figura 22-4 es otro amplificador de transistores de dos etapas que utiliza realimentación degenerativa. En este amplificatfor en contrafase, la realimentación se obtiene del secundario de T2 , el transformador de salida, y se acopla con R g y C5, a la base de Q4' La amplitud de la realimentación de la señal está en función del divisor de ca formado por R g, C5, y la impedancia de entrada de Q4' Se debe elegir la terminal adecuada del secundario de T 2 para realimentar una señal desfasada 1800 respecto de la señal de entrada,

Figura 22-3. Amplificador con realimentación degenerativa de dos etapas.


R E S P U E S TA

EN

F R E

eu

EN

e

1A

D E

U N

la cual aparece en la base de Q4' Este tipo de realimentación es sensible a la frecuencia y, por ello, sirve para acentuar determinadas frecuencias en el espectro de audio.

A M P L 1F [

e

A D

o

R

D E

A U D [O

147

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para evaluar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1.

Si a la base del amplificador de la figura 22-1 se aplica una señal con variación positiva, la señal en R3 será _

2.

En las figuras 22-1 y 22-2 el voltaje de señal amplificado por los transistores es la diferencia de amplitud de la señal en y la señal generada en

3.

En la figura 22-3, a fin de producir una realimentación degenerativa (negativa), R9 y es deben acoplar una señal a R3' la cual tiene la misma fase que la señal generada en R3' (verdadero,falso). Los instrumentos de medición que se utilizan para verificar la respuesta a la frecuencia de un amplificador son un y un _ En la curva de respuesta en frecuencia, el eje horizontal es , y el eje vertical o

RESUMEN

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7. 8.

La respuesta en frecuencia de un amplificador de audio describe qué tan fiel reproduce el amplificador el intervalo de frecuencias de audio. La respuesta en frecuencia es la característica que indica el voltaje de salida que produce el amplificador para las frecuencias del intervalo de audio, para determinado nivel de la señal de entrada. Como fuente de señal se utiliza un generador senoidal de audio; para medir los voltajes de entrada y de salida se emplea un osciloscopio. La respuesta en frecuencia es una gráfica de la ganancia del amplificador en función de la frecuencia, donde la ganancia es vsa¡lvent. Si la señal de entrada del amplificador se mantiene constante, la respuesta en frecuencia también representa una gráfica de Vsal en función de la frecuencia. Al graficar una curva de respuesta, los valores de Vsal o de la ganancia son las ordenadas, y los de la frecuencia, las abscisas. Para mejorar o ampliar la respuesta en frecuencia se introduce realimentación negativa. La realimentación negativa amplía la respuesta en frecuencia, pero reduce la ganancia del amplificador.

4.

5.

6.

El intervalo de frecuencias que la mayoría de las personas puede escuchar es entre y ______ Hz.

7.

Es posible usar un generador senoidal como fuente de señal para hacer pruebas de la respuesta en frecuencia de un amplificador, aun cuando la salida del generador no es constante en un intervalo de frecuencias de prueba. (verdadero,falso).

es

o.

el

r

251'F

e. O.lI'F

ENTRADA DE SEÑAL

-

ven!

R7 18kn

R2 390kn

06

R.

el

100n

1°OI'FI


de audio en contrafase

con realimentación

negativa.


148

E X P E R 1 M E J<¡ T O

2 2

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

"

1111'

l'

,~'I'

t

1I " Il

"

'111: '1'111 1 'IJI

1

1:

1.

2. I t ~

,

11'

11

1

3.

Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd de valor bajo, regulada, con valores variables. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador senoidal de AF. Resistores: 100, 150,330,560 n. 1,8.2, 10, 18,33 kn a -t w. Capacitores: dos de 25 ¡.LFa 50 V; dos de 100 ¡.LFa 50 V; 0.0047 ¡.LF. Transistores: 2N2102; 2N3904 (o equivalente). Otros: potenciómetro de 500 n a 2 W; dos interruptores de un polo un tiro.

"1

i

NECESARIO

'11111"

,r

l

",1

.

Arme el circuito de la figura 22-5. S¡ está abierto. Fije la salida del generador senoidal de AF en O y R¡ al mínimo, es decir, el brazo de C está en el punto B. Conecte un osciloscopio del colector de Q2 a tierra. Cierre SI' Cierre S2' Sintonice la frecuencia del generador a 1 000 Hz y aumente la salida hasta que se aplique una onda senoidal de 60 m V, VAB¡, en AB. Aumente poco a poco R¡ hasta que en el colector de Q2 aparezca una onda senoidal de salida, V¡sal' de 4 V pp. En lo que resta de este experimento no cambie los valores antes configurados.

4. 5.

6. 7.

8.

Fije la frecuencia del generador en 30 Hz. Mida la señal en AB y, si es necesario, reajuste la salida del generador, hasta que el nivel de la señal alcance 60 mV como en el paso 2. Mida y anote el voltaje de la señal de salida, V¡sal' entre el colector de Q2 y la tierra. Repita los pasos 3 y 4 por cada valor de frecuencia del generador, como muestra la tabla 22-1. Grafique la curva de respuesta del amplificador en papel mi limétrico y póngale por título No. l. Abra S¡ y S2' Mida y anote la resistencia entre C y B Y entre A y B. Conecte C2, el capacitor de 25 ¡.LFpara derivación del emisor, con R6; deje Rs sin derivación para introducir realimentación degenerativa en la primera etapa. Cierre S¡ y S2' No modifique el valor original de R¡. Fije la frecuencia del generador a 1000 Hz y ajuste la salida del generador hasta que en el colector de Q2 observe una onda senoidal de salida de 2 V pp. Mida el voltaje de la señal VAB2 que se genera entre AB y anótelo en la tabla 22-1. Mantenga la salida del generador en VAB2, mida la salida de V2sa¡por cada frecuencia de la tabla 22-1. Anote los datos en la columna correspondiente. Grafique la curva de respuesta 2 en los mismos ejes de la gráfica l.

1,' , 1

"1

ti.

s,

1

Vcc -=-9

It ~ , +

t:;'. l00"F

'I~ '1

1,

B

, 'I'~

I !I

Figura

....,

22-5. Circuito para determinar

la respuesta en frecuencia

de un amplificador


de audio de dos etapas.

V

R E S P U E S TA

TABLA 22-1. Datos de la respuesta

Frecuencia

Hz

PP

Sin degeneración

F R E

eu

EN

en frecuencia

VAB( 60 mV vIsa!'

E N

VAB2 v2sal

e

PP

vlsal

9.

Mueva C2 de manera que sea otra vez derivación de Rs Y de R6 . Reajuste el generador y RI como en los pasos 2 y 3. Quite Cs del circuito. Mida y anote en la tabla 22-2 la respuesta en frecuencia del circuito sin Cs. Mida los efectos en la respuesta en frecuencia al eliminar Cs del circuito. Dibuje la curva de la respuesta en la misma hoja de papel milimétrico y póngale por título No. 3. Comente las diferencias entre esta curva de respuesta y las anteriores.

Con degeneración

10.

PP

Quitando

e,

11. 12.

30 40 60

D E

A U DIO

149

D E

VABI: 60 mV

U N

A M P L 1 F 1 e A DO R

1A

100 200 4{)() 600 1000

4V

2V

4V

2,000 3000 400O 5000 6000 8000 10 000 12000 15000

Paso 6

ReB =

n

I

RAB =

.n

PREGUNTAS 1.

2.

¿Cómo afectan la respuesta en frecuencia del amplificador los capacitores CI y C3 de la figura 22-5? ¿Por qué? ¿Por qué es necesario mantener constante el nivel de la señal de entrada en todo el control de volumen?

3.

Calcule la ganancia total del amplificador a 1000 Hz b) con degeneración, e) con Cs eliminada. Muestre sus cálculos. Comente cualquier diferencia en la ganancia. Compare la respuesta en frecuencia del amplificador con y sin degeneración, y cuando no tiene Cs. Consulte las gráficas correspondientes.

a) sin degeneración,

4.


150


2 2

Puntos adicionales ............................. .. 5.

6.

7.

En la figura 22-5 liste las componentes lineales , es decir, las partes que responden de igual manera en todo el intervalo de frecuencias de audio. En la figura 22-5 liste las componentes no lineales, es decir, las que no responden de igual manera en todo el intervalo de frecuencias de audio. Si es el caso, ¿qué efecto produce en la respuesta en frecuencia quitar es del circuito? ¿Por qué?


EXPERIMENTO

~

TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNiÓN (JFET): FAMILIARIZACIÓN y CURVAS CARACTERíSTICAS


OBJETIVOS

Operación del JFET ........ ..................................... .

Determinar el efecto del voltaje de drenaje a compuerta, Vos, en la corriente de drenaje, ID, ~ voltaje de compuerta a fuente de polarización. en inversa, VGs '

Los transistores estudiados hasta aquí se denominan transistores bipolares. Éstos son dispositivos de dos uniones cuya operación depende de la acción de dos tipos de portadores de cargas, huecos y electrones. Existe otra clase llamada transistores de efecto de campo (FET). Éstos son unipolares debido a que su acción depende sólo de un tipo de portador de carga. Los FET incluyen el de tipo unión (JFET) y el tipo de óxido metálico semiconductor (MOSFET). Este experimento estudiará los JFET, los primeros que se desarrollaron en la familia de los FET. La figura 23-1 ilustra un JFET de canal N. Los tres elementos del transistor se llaman fuente, compuerta y drenaje. El cuerpo o canal del transistor es un semiconductor tipo N. Las terminales de conexión para el drenaje y la fuente hacen contacto óhmico en la parte superior e inferior del canal. Éstas no son uniones de semiconductor. El material tipo P, denominado compuerta, está implantado en ambos lados del canal que forma una unión de semiconductor; por esto recibe el nombre "FET de unión". Los contactos óhmicos al material tipo P sirven como terminales de conexión para las compuertas. Cuando las compuertas 1 y 2 se conectan internamente en el proceso de fabricación, el dispositivo es un FET de compuerta única (figura 23-la) . Cuando las conexiones separadas se extraen de cada unión, se obtiene un FET de compuerta doble (figura 23- lb) .

.\


Determinar y graficar la familia de curvas características del drenaje de un JFET. . Determinar y graficar la curva de transferencia de un JFET, ID, contra VGS para ún valor especificado de Vos.

152


2 3

D DRENAJE

DRENAJE

N

N

G

G

COMPUERTA 1

FUENTE

s

FUENTE

(a)

(a)

(bJ

(b)

Figura 23-1. JFET de canal N: a) compuerta única, b) compuerta doble.

Figura 23-3. Símbolos para el JFET de canal N.

En el FET el drenaje corresponde al colector del transistor bipolar, la fuente al emisor y la compuerta a la base. Sin embargo, la operación de un transistor unipolar es completamente diferente que la de un transistor bipolar. La diferencia operacional más importante es que en el JFET la corriente del drenaje (ID) está controlada por el voltaje de compuerta a fuente (Ves), mientras que en el transistor bipolar la corriente de colector está controlada por la corriente de base. Para entender la operación de un JFET, considere el semiconductor de canal N con contactos óhmicos en las partes superior (drenaje) e inferior (fuente) del canal de la figura 23-2. Si una batería, VDD se conecta a través del canal, con la polaridad que se ilu¿tra, los portadores de carga negativos (electrones) en el canal N se moverán hacia la terminal positiva de la batería, y los electrones de la terminal negativa de la batería se mueven a través de la fuente hacia el canal N para reemplazar los que salen por el drenaje. Una forma de controlar la corriente del drenaje es la polarización inversa de la compuerta con respecto a la fuente. Observe que el primer efecto al agregar la compuerta, aun cuando no está polarizada, es estrechar el canal de alguna

manera física. Esto restringe de inmediato la corriente en el canal. Mediante la polarización en inversa de la compuerta, el campo eléctrico de la unión tiene el efecto de enriquecer la compuerta, como describe la figura 23-2b), además de reducir el enriquecimiento del canal. Si la polarización negativa se incrementa lo suficiente, la compuerta se hace tan ancha (figura 23-2c) que el canal se bloquea y no fluye corriente de drenaje. Observe que no hay corriente de compuerta porque la unión de la compuerta está polarizada en inversa. Así, la compuerta controla la corriente de drenaje, ID' que resulta de la variación del voltaje negativo en la compuerta, no sobre la corriente de compuerta. El FET estudiado es un dispositivo de canal N cuyo símbolo se muestra en la figura 23-3. Observe que la flecha de la compuerta apunta hacia el canal N (línea vertical). La flecha de la compuerta se podría dibujar centrada sobre el canal (figura 23-3a), o cerca de la fuente (figura 23-3b). También es posible hacer un JFET canal P cuyo símbolo se muestra en la figura 23-4a) y by. Para un dispositivo canal P la flecha apunta hacia afuera del canal. Para un JFET

N

+

-=- V oo

(a)

(b)

(e)

Figura 23-2. a) Polarización en inversa de la compuerta a la fuente tiene el efecto de b) ensanchar la compuerta. e) Si la polarización en inversa de la compuerta se hace lo suficientemente alta, la corriente de drenaje está bloqueada por completo.


( J F E T)

F A MIL 1 A R 1 Z A C IÓ N

y e u R V A S e A R A e TER i s TIC A s 153

lo

D

G

G

V GS

loss

VGS =

s

= OV -0.5 V

V GS = -1.0 V

(a)

(b) VGS

Figura 23-4. Símbolos para un JFET de canal P.

=-1 .5V

V GS = -2.0 V

k:=:::I::========---l... __~ Vos V p

canal P las polaridades de las baterías, Vee y VDD' se deben conectar a la inversa que el FET en un circuito.

Características del drenaje de un JFET ... El efecto del voltaje de drenaje a fuente (VDS) sobre ID en un JFET de canal N se puede determinar con experimentos mediante el circuito de la figura 23-5. La batería Vee sirve como la alimentación de polarización de la compuerta y VDD como la fuente de voltaje de drenaje. El voltímetro M 2 mide VDS' El miliamperímetro MI mide ID a medida que VDD varía. La figura 23-6 ilustra la variación de ID con VDS para Ves = O, la condición cuando la compuerta está en realidad en corto circuito a la fuente . A medida que VDS se incrementa desde O hasta Vp , denominado voltaje de estrangulamiento, ID aumenta desde O hasta el valor máximo de la corriente de drenaje que se puede alcanzar sin destruir el JFET, el valor de IDSS ' A medida que VDS se incrementa desde Vp hasta el máximo de VDS' la corriente de drenaje permanece casi constante en el valor de IDSS ' El JFET opera de manera normal en el intervalo desde Vp hasta el máximo de VDS donde no hay cambio en la corriente, ID' Si VDS se incrementa más allá del punto máximo de VDS' existe un incremento avalancha en ID' el cual destruye con

VOS1MÁX)

Figura 23-6. Familia de curvas características del drenaje de un JFET.

rapidez el JFET. El máximo de VDS' por lo tanto, es el voltaje de drenaje a fuente máximo en el cual el FET puede operar en forma segura, cuando Ves = O. El valor Vp (voltaje de estrangulamiento) es el inicio del intervalo Vp al máximo de VDS durante el cual ID permanece constante. Se observará que cuando Ves es igual al valor - Vp , esto es, cuando la polarización de la compuerta es - Vp , la corriente de drenaje está cortada. Otra curva característica del drenaje se puede determinar mediante la polarización inversa de la compuerta a algún voltaje, por ejemplo, -0.5 V. Para esta condición, ID variará como describe la figura 23-6. Observe que otra vez existe un intervalo en el cual ID permanece constante y que ID es más baja que I DSS ' Se pueden determinar otras curvas al establecer Ves en -1.0 V, después en -1 .5 V, Y así de manera sucesiva. Ves puede seguir incrementándose en sen-

loss

G-l0mA

Figura 23-5. Circuito experimental para determinar las caracterís· ticas del drenaje de un JFET canal N.

Figura 23-7. Característica de transferencia o de transconductancia de un JFET.


154


2 3

tido negativo hasta alcanzar el corte de ID' el cual está en Ves = -2.0 V (aproximadamente) en la figura 23-6. El valor final de Ves, al cual la corriente de drenaje está en corte, se designa Ves(apagadO)'

6.

7.

Característica de transferencia ............. .. En la evaluación de las condiciones de operación de un JFET, la característica de transferencia o de transconductancia, es otra curva útil. Esta curva también se grafica mediante el circuito de la figura 23-5. Sin embargo, ahora VDS se mantiene constante en algún valor mientras que Ves varía, y se mide ID' Al graficar los resultados se parecen a la curva de la figura 23-7. En la característica de transferencia observe que los puntos terminales de la curva son (1) Ves = O, ID = IDSS ' Y (2) Ves = VeS(apagado) = - 2, ID = O. El punto 1 define la c?rriente de drenaje máxima, cuando Ves = O, Y el punto 2, la corriente de drenaje mínima, si Ves = Ves(apagadO)' La curva de transferencia de la figura 23-7 se denomina curva de la ley cuadrática debido al término al cuadrado en la ecuación a partir del cual ésta se determina Ves ID = IDSS ( 1 - ---=-VeS(apagado)

)2

(23.1)

Debido a su característica de ley cuadrática, los FET son útiles en sintonizadores de radio y receptores de televisión. Los FET también tienen una imp'!dancia de entrada muy alta, puesto que el circuito de entrada, la compuerta, no demanda corriente. Esta característica es deseable en multímetros digitales, muchos de los cuales tienen FET en la entrada.

8.

9.

AUTOEVALUACIÓN

....................•..•........... Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. l.

2. 3.

4.

5.

RESUMEN 6. l.

2. 3.

4.

5.

Los FET se denominan transistores unipolares porque sólo usan un portador de carga que, para su operación, entra al canal. Los dos tipos de FET son el de unión (JFET) y el de óxido metálico semiconductor (MOSFET). Los elementos de un JFET son drenaje, fuente y compuerta. Éstos corresponden al respectivo colector, emisor y base de un transistor bipolar. Un FET es un dispositivo controlado por voltaje, mientras que un transistor bipolar es un semiconductor controlado por corriente. En un JFET la compuerta se polariza en forma negativa en relación con la fuente.

La familia de curvas características del drenaje de un JFET revela que: a) IDSS es la corriente de drenaje máxima que este transistor desarrolla en operación normal. b) A medida que la polarización en inversa de la compuerta a la fuente se incrementa, ID decrece hasta que en VeS(apagado), ID se corta. Los JFET se pueden construir de modo que el canal sea de semiconductor N o semiconductor P. Cuando el canal es N, la compuerta es P, y viceversa. Las polaridades de las baterías para la operación normal de un JFET de canal P son a la inversa que aquellos para un JFET de canal N. La impedancia de entrada (o resistencia a frecuencias bajas) de un JFET es muy alta. El uso de amplificadores con FET en multÍmetros digitales producen medidores con impedancia de entrada muy alta.

7. 8.

9.

10.

El canal de un JFET se puede restringir hasta que la corriente de drenaje se corta al incrementar la polarización en (directa, inversa) en la compuerta o la fuente. En un JFET de canal P el material semiconductor de la compuerta es (P, N) La máxima corriente de drenaje segura, IDSS , se obtiene cuando la está en corto circuito a la fuente. El voltaje de drenaje máximo en el que un JFET se puede operar con seguridad, cuando Ves = O se denomina _ _ _ __ El voltaje de estrangulamiento, Vp , es el voltaje en el drenaje al cual la corriente está (estabilizada, cortada). En el intervalo Vp ~ máximo de VDS' ID permanece Cuando Ves = - Vp , ID es Las curvas características del drenaje de un transistor unipolar corresponden a las curvas características del colector de un transistor bipolar (verdadero,falso) . La curva característica del drenaje muestra cómo _ _ _ _ _ varÍa con cuando permanece constante. La impedancia de entrada de un amplificador con FET es muy_ _ _ _ _ __


( J F E T)

F A MIL

1A R 1Z A

e

1Ó N

y eu

RVA S

e

A R A

e

TER

Í

s TIC

A

s 155

PROCEDIMIENTO

Compuerta en corto circuito con la fuente, VGS = O

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: dos fuentes variables de bajo voltaje independientes. Equipo: multímetro digital; miliampcrímetro de O a 10 mA. Semiconductores: JFET de canal N (2N5484) o equivalente Otros: dos interruptores de un polo un tiro.

1.

Conecte el circuito de la figura 23-5, con SI abierto. Remueva VGG y ponga en corto circuito la compuerta a tierra. Establezca la salida de VDD en O V; cierre SI' Mida y registre en la tabla 23-1 la corriente de drenaje, ID. para VDS = O, V GS = O. Incremente la salida de VDD a VDS = 0.5 V. Mida y registre en la tabla 23-1 la corriente de drenaje, ID. para VDS = 0.5 V, VGS = O. Haga que VDS adopte los valores que se listan en la tabla. Para cada valor de VDS mida y registre en la tabla 23-1 el valor de ID' Abra SI' Remueva el corto circuito entre la compuerta y tierra.

2.

3.

4.

5.

TABLA 23-1. Datos para las características

del drenaje ID.

mA

VGS• VDS.v

O

-0.25

.

-0.5

-0.75

-1.0

V -1.25

O 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 7.0 '9.0 11.0 13.0 15.0


-1.5

-1.75

-2.0

-2.5

156


2 3

TABLA 23-2. Datos para las características VGS'

V

-2.5

-2.0

de transferencia

-1.75

-1.50

-1.0

-1.25

-0.75

-0.50

-0.25

-o

ID,mA

La compuerta se polariza en inversa

.

6.

Reemplace VGG en el circuito de la figura 23-5. Abra SI y S2· 7. Establezca las salidas de VDD y VGG en O V. Cierre SI y S2. Encienda la fuente. 8. Ajuste VGG y haga que VGS mida -0.25 V. Manténgalo en este nivel para los pasos 9 y 10. 9. Mida ID y registre su valor en la tabla 23-1 para VDS = O. 10. Incremente VDD para cada valor de VDS listado en la tabla. Para cada valor de VDS mida y registre ID en la tabla 23-1. 11. Reduzca VDD a O V. Incremente VGG a -0.5 V. Manténgalo en este nivel para el paso 12. 12. Repita los pasos 9 y 10 para cada valor de VDS listado en la tabla 23-1. 13. Repita los pasos 11 y 12 para cada valor de VGS y VDS listados en la tabla 23-1, hasta que se alcance la corriente de drenaje de corte. 14. Apague la: fuente.

16. Cierre SI y S2. Mantenga VDS constante en 15 V; mida y registre en la tabla 23-2 los valores de ID para cada valor de VGS. Abra S l· 17. Dibuje en papel milimétrico la familia de curvas características del drenaje con los datos de la tabla 231. VDS es el eje horizontal, e ID el vertical. Identifique cada curva característica por su valor VGs. Identifique Vp• 18. Dibuje por separado en papel milimétrico la característica de transferencia con los datos de la tabla 23-2. VGS es el eje horizontal, e ID el vertical.

Puntos adicionales 19.

20.

jij' Llr'

•

,11-

Característica

de transferencia

.

Explique el procedimiento que se deberá usar para verificar con experimentos que no hay corriente de compuerta en el intervalo en el cual el JFET opera con normalidad. Siguiendo el procedimiento, mida la corriente de compuerta, si hay, sobre el intervalo de operación normal del JFET que se le asignó.

.

15. SI Y S2 están abiertos. Fije VDD en 15 V, VGG

=

-2.5 V.

PREGUNTAS 1.

a) A partir de sus gráficas, ¿cuál es el valor de Vp?

4.

b) ¿Qué factores ayudan a identificar Vp?

2.

A partir de sus gráficas, ¿cuál es el valor de IDSS? VGS y VDS se define IDSS? Con los datos de la tabla 23-1 y la familia de curvas características, compare el nivel de corriente de drenaje para cada valor de V GS' en el intervalo de VDS = 5 V a 15 V. ¿Cuáles son sus conclusiones?

a)

b) ¿Para qué valores de

3.

5. 6.

¿Su experimento indica qué es más efectivo para controlar la corriente de drenaje, VDS o V GS? Explique con base en sus datos. ¿En este experimento cuál es el valor de VGS en el que la corriente, ID' se corta? ¿Cómo se compara con Vp? A partir de las curvas características del drenaje obtenidas de la tabla 23-1, determine el valor de ID para cada valor de VGS en la tabla 23-2, en VDS = 15 V. ¿Cómo se comparan estos valores con los del paso 16? Explique cualquier diferencia.


EXPERIMENTO

W

AMPLIFICADOR MOSFET CON ALIMENTACION COMUN l'

l'

.OBJEJIVOS


Al igual que el JFET, el MOSFET es un transistor de efecto de campo cuya corriente de drenaje, ID' se controla mediante el voltaje de la compuerta. El MOSFET y el JFET son distintos en su forma y funcionamiento. El procedimiento para construir el MOSFET determina si es de tipo empobrecimiento o de tipo enriquecimiento. La impedancia de entrada del MOSFET es mucho mayor que la del JFET.

Determinar con experimientos las características del drenaje de un transistor de efecto de campo de óxido metálico · semiconductor (MOSFET).

MOSFET de tipo enriquecimiento .......................... .

Observar diversas configuraciones de polarización en un amplificador con transistor de efecto de campo (FET).

En el MOSFET de tipo enriquecimiento no existe canal entre el drenaje y la fuente; el drenaje tipo N y la fuente están separados por un sustrato tipo P, como ilustra la figura 24-1. En la superficie del sustrato se deposita una delgadísima y frágil capa de dióxido de silicio (Si0 2), es decir, un aislante. Sobre la superficie del Si02 se deposita una capa metálica que funciona como compuerta. Se obtienJll contactos óhmicos para compuerta, drenaje, fuente y sustrato. Cuando el sustrato se conecta internamente con la fuente, éste no tiene conexión. Dado que la compuerta está aislada del cuerpo del FET, el MOSFET también se denomina FET de compuerta aislada (IGFET). Si bien no existe un canal físico, por razones que se explicarán más adelante, el MOSFET de la figura 24-1 se llama de tipo enriquecimiento de canal N.


'a-.

" de volMedir la ganancia taje de un amplificador MOSFET con alimentación común.

158


24

DRENAJE

SUBSTRATO

(a)

(b)

Figura 24-3. Símbolos del MOSFET de tipo enriquecimiento: a) canal N; b) canal P. AISLANTE (DIÓXIDO DE SILICIO)

FUENTE

MOSFET de tipo empobrecimiento .. ........ Figura 24-1. Construcción de un MOSFET de tipo enriquecimiento.

La compuerta y el sustrato equivalen a las placas de un capacitor separadas por el aislante de Si02. Cuando la compuerta es positiva en relación con la fuente con la que el substrato está conectado (figura 24-2), el capacitor se carga: Dado que la compuerta es positiva, en el sustrato aparecen cargas negativas, entre el drenaje y la fuente, creando así un canal N que permitirá el paso de la corriente en el circuito entre la fuente y el drenaje. El MOSFET de tipo enriquecimiento de canal N sólo conduce cuando la compuerta es positiva respecto de la fuente. Se corta cuando la polarización es cero, o si hay polarización entre la compuerta y la fuente. Puesto que la compuerta está aislada del sustrato, no hay corriente de cd en la compuerta, aunque la compuerta sea positiva respecto del sustrato. Por lo tanto, el MOSFET es un transistor con impedancia alta. Los símbolos de los MOSFET de tipo enriquecimiento con canal N y P se muestran en la figura 24-3a) y b). Observe que la línea vertical interrumpida del canal indica un MOSFET de enriquecimiento.

+ V oo

(a)

El MOSFET de la figura 24-4 se construye de igual manera que el de la figura 24-1, sólo con una excepción. El primero tiene un canal tipo N, pero no el de la figura 24-1. El FET de la figura 24-4 se utiliza con una compuerta positiva y una negativa. Cuando la compuerta es positiva, el FET funciona en la modalidad de enriquecimiento; si es negativa, en la modalidad de empobrecimiento. Considere el efecto de una compuerta positiva en los portadores de carga del canal N de la figura 24-5. El capa,...------OD

G ~--OB

'------05 AISLANTE

Figura 24-4. MOSFET de tipo empobrecimiento-enriquecimiento.

+~::.:-

V oo

+ +

(a)

(b)

Figura 24-2. Polarización de un MOSFET de tipo enriquecimiento.

(b)

Fip.ura 24-5. Modalidad de enriquecimiento; la compuerta es positiva respecto de la fuente.


A M P L [ F [

e

A

oo

R

M

o

S F E T

eo

N

A L [ M E N T A

e [Ó

N

eo

M Ú N

159

TEMPERATURA AMBIENTE (TA) = 25 -c DE LA COMPUERTA NO. 2 A LA FUENTE VOLTS (VG2S) = 4

15

+ ~

Voo

DE LA COMPUERTA

-~:+ - :+ -

~+

~

NO. 1 A LA FUENTE VOLTS (VG's) = 08

12.5

0.6

(fJ

w rr; w n, ::;;

0.4 10

« :J

~

7.5

0.2

w ....,

« z ui

(a)

rr:

(b)

Figura 24-6. Modalidad de empobrecimiento; gativa respecto de la fuente.

la compuerta

O

5

o

es ne-

-0.2 2.5

O

Figura 24-8. Curvas de drenaje del MOSFET de empobrecimiento con canal N (RCA).

(b)

(a) Figura 24-7. Símbolos canal N; b) canal P.

del MOSFET

de tipo empobrecimiento;

a)

citor entre la compuerta y el canal se carga, induciendo portadores de carga negativa en el canal N (figura 24-5), de manera que aumentan la conductividad del canal y la corriente de drenaje. Cuanto más positiva sea la compuerta, mayor es la corriente de drenaje que circula. Ésta es la modalidad de enriquecimiento. Si la compuerta está en corto circuito con la fuente, es decir, cuando el voltaje de compuerta es cero, la corriente de drenaje circula por el canal, desde la fuente al drenaje, y conecta una fuente de voltaje, VDD, como ilustra la figura 24-5. La corriente de drenaje, cuyo voltaje de compuerta es cero, es menor que la corriente de drenaje con voltaje de compuerta positivo. Dado que siempre hay corriente de drenaje, aun con polarización de compuerta de O V, este MOSFET está normalmente ACTIVADO. ¿Qué sucede cuando la compuerta es negativa respecto de la fuente, como en la figura 24-6? Los electrones de la compuerta repelen los portadores de carga del canal N, vaciando el canal de portadores negativos y reduciendo la corriente de drenaje. Cuanto más negativa es la compuerta, menor es la corriente de drenaje. Si Ves alcanza determinado valor negativo, la corriente de drenaje se corta. El MOSFET de empobrecimiento consta de un canal P y un sustrato N. Los símbolos de los MOSFET de canal N y P se muestran en la figura 24-7. Observe que aquí la línea del canal vertical no aparece interrumpida, dado que el dispositivo está normalmente ACTIVO.

Las curvas de drenaje de un MOSFET son similares a las del JFET (experimento 23). La figura 24-8 muestra una familia de curvas de drenaje de un MOSFET de tipo empobrecimiento y canal N.

Polarización de los J FET

.

El circuito de polarización de la compuerta de un JFET es similar al circuito de polarización de base de un transistor bipolar, excepto que la compuerta del JFET debe tener polarización en inversa, en tanto que la base del bipolar tiene polarización en directa.

Polarización mediante divisor de voltaje La figura 24-9a) ilustra una configuración de polarización de compuerta de un JFET de canal N en la que se utiliza una polarización por divisor de voltaje. El voltaje de la compuerta a la tierra, Ve, se obtiene por la ecuación

(24.1) El voltaje de la fuente a la tierra, Vs, es la caída de voltaje, IR, en el resistor de fuente, Rs. Ésta depende del valor de la corriente de drenaje, ID (dado que la corriente de drenaje y de fuente son idénticas), y de Rs.


(24.2)

160


24

+VDD

, . - - - - -....---0+ V DD

Cl Cl

(a)

(b)

Figura 24-9. a) Polarización de un JFET mediante divisor de voltaje. b) Mediante una derivación en el resistor de la fuente se evita la degeneración de la ca.

Figura 24-10. Configuración de autopolarización de un JFET con canal N.

La polarización de la compuerta, Ves, es la diferencia entre Ve y Vs· Es decir

Autopolarización .................................. .

(24.3) Para asegurar la polarización inversa de la compuerta, Vs debe ser mayor que Ve, Y así Ve - Vs sea una cantidad negativa. Los parámetros se eligen para garantizar lo anterior y, en consecuencia, el correcto punto de operación del circuito. Al inyectar una señal de ca (vg ) entre la compuerta y la tierra, el circuito de la figura 24-9a) funciona como amplificador de ca. Sin embargo, la ganancia del circuito es muy baja, debido al voltaje de ca (vs) en Rs, Y la señal entre compuerta y fuente (vgs) que "ve" el amplificador es la diferencia entre vg y vs' Es decir (24.4) La señal de voltaje degenerativa en Rs se elimina al conectar un capacitor de derivación, C¡, en Rs, como describe la figura 24-9b). Para aproximar el valor de C¡ se utiliza la relación

=

Rs

El circuito de la figura 24-10 muestra la configuración de autopolarización de un JFET con canal N. Dado que la compuerta está conectada a tierra a través de R¡ y no hay corriente de compuerta, el voltaje de la compuerta es de OV. La corriente (ID) en el FET y en el circuito externo (R s y RL) producirá una caída de voltaje, Vs, en Rs. (24.6) Puesto que Ve = O, la diferencia de voltaje entre Ve Y Vs es la polarización de la compuerta, Vcs. Esto es (24.7) Por ejemplo, si ID = 1 mAy Rs larización de la compuerta es

= 2.2 kiloohms (kD.), la po-

Ves = -(I)IO- 3 ·X 2.2 X 103 = -2.2 V

(24.5)

Polarización del MOSFET ...................... .

la cual corresponde a la mínima frecuencia que puede manejar el amplificador. Como recordará, ésta es la misma configuración que se utilizó como derivación del resistor de emisor en un amplificador de transistor bipolar. En la figura 24-9 la señal de salida se genera en R L y se toma del drenaje.

Para polarizar un MOSFET se puede utilizar la polarización de compuerta por divisor de voltaje y la autopolarización. La configuración de los circuitos es similar a la que ilustran las figuras 24-9 y 24-10. El signo de polaridad requerida dependerá del tipo de canal (N o P) y del tipo de MOSFET (enriquecimiento o empobrecimiento).

XCI

10


A M P L 1F 1e A D

oR

M

oSFET eoN


e o M Ú N 161

RESUMEN s,

l.

El MOSFET es un transistor de efecto de campo de óxido metálico semiconductor cuyo voltaje de compuerta controla la corriente de drenaje. 2. Los dos tipos básicos de MOSFET son: a) de empobrecimiento y b) de enriquecimiento. 3. La compuerta de un MOSFET está aislada del sustrato. Por ello, el dispositivo también se denomina transistor de efecto de campo con compuerta aislada

Ven !

1000 Hz

(IGFET).

4. Figura 24-11. Amplificador experimental con MOSFET en fuente común.

5. Los MOSFET de empobrecimiento funcionan con polarización cero, es decir, Ves = O V. Si en la compuerta de un MOSFET de empobrecimiento de canal N se conecta una señal de ca, en el semicic10 positivo el FET funcionará en la modalidad de enriquecimiento, en tanto que durante el semicic10 negativo funcionará como de empobrecimiento. Sucede lo contrario en los 1\10SFET de empobrecimiento con canal P.

6.

7.

8.

9.

Circuito y fu ncionamiento de un amplificador con MOSFET y alimentación común .... ....... .. ........ .... .... . El circuito de la figura 24-11 es un amplificador con alimentación común que usa un MOSFET de doble compuerta, de tipo empobrecimiento y canal N. Las compuertas 1 y 2, conectadas entre sí en forma externa, reciben la señal de entrada. El amplificador se alimenta mediante autopolarización. La señal de salida se produce en el drenaje, a través del resistor de carga de 10 kil. La ganancia de voltaje del amplificador, Av, se determina de manera experimental al medir las señales de entrada y de salida, y sustituyendo en la siguiente ecuación los valores medidos,

10.

11 .

12.

En el MOSFET de tipo enriquecimiento no existe canal físico entre el drenaje y la fuente. El canal, que consta de portadores de carga, se induce eléctricamente al sustrato al polarizar la compuerta. Dado que el MOSFET de tipo enriquecimiento no tiene canal físico, en su símbolo aparece una línea (vertical) de canal interrumpida (figura 24-3). La compuerta de un MOSFET de tipo enriquecimiento con canal N se puede polarizar en forma positiva, y la compuerta de un MOSFET de tipo enriquecimiento con canal P lo hace de manera negativa. Los MOSFET de tipo empobrecimiento (también llamados de tipo empobrecimiento-enriquecimiento) contienen un canal (figura 24-5). La compue~ta de un MOSFET de tipo empobrecimiento-enriquecimiento se puede polarizar positiva, negativamente o en cero. Cuando la compuerta de un MOSFET de tipo empobrecimiento con canal N está polarizada en forma positiva, éste funciona en la modalidad de enriquecimiento. Cuando la compuerta de un MOSFET de tipo empobrecimiento con canal N está polarizada negativamente, éste funciona en la modalidad de empobrecimiento. Los FET pueden utilizar la polarización mediante di. visor de voltaje, como en la figura 24-9, y la autopolarización, como en la figura 24-10. Los amplificadores con FET (figura 24-11) tienen una impedancia de entrada alta y una ganancia de voltaje relativamente baja.

AUTOEVALUACIÓN

..........•........................

(24.8) Vent

La ganancia de voltaje del amplificador con MOSFET es relativamente baja. La relación de fase entre las señales de entrada y de salida se puede obtener con un oscilos:opio, de acuerdo con los métodos empleados en experimentos anteriores.


La figura 24-1 muestra que (hay , /lO hay) un canal físico entre el drenaje y la fuente en un MOSFET de tipo enriquecimiento.


162


2 4

2.

La compuerta de un MOSFET de tipo enriqueci miento debe estar polarizada en relación con la fuente a fin de posibilitar el flujo de corriente. 3. En un MOSFET de tipo empobrecimiento con canal N el sustrato tipo N funciona como el canal. _ _ __ (verdadero,falso). 4. Si la compuerta de un MOSFET de tipo empobrecimiento con canal N se polariza en forma positiva en relaCión con la fuente, el transistor funciona en la modalidad de _ _ _ _ __ 5. La línea vertical del canal en el símbolo de un MOSFET de tipo empobrecimiento (es, no es) una línea interrumpida. 6. El intervalo de polarización de la compuerta (en relación con la fuente) en el MOSFET 3N200 de canal N es de a V (figura 24-8). 7. En el circuito de la figura 24-9 el voltaje entre compuerta y tierra es de +3.2 V, Y entre fuente y tierra, de +2.5 V. La polarización de la compuerta respecto de la fuente es, por lo tanto, de V. 8. En el circuito de la figura 24-10, Rs = 3.3 k.o" ID = 1 mA y la compuerta no consume corriente. La polarización de la compuerta respecto de la fuente es de _ _ _ _ _ V.


A M P L 1F 1C A O O R

M O S F ET

C ON

A L 1M E N T A C 1Ó N

eo

M ÚN

163

PROCEDIMIENTO


MATERIAL NECESARIO

del drenaje

ID, mA

Fuente de alimentación: dos fuentes de voltaje en cd de valor bajo, regulada, con valores variables; multímetro digital;miliamperímetro de cd de O - 10 mA o multímetro con intervalo equivalente. Resistores: 1 kn, 10 kn; 2.2 Mn a w. Capacitores: dos de 0.047 J..LF,100 J..LFa 50 V. Semiconductores: 3N187 (MOSFET) o equivalente. Otros: dos interruptores de un polo un tiro; otros resistores como los que requiere el paso 10 para obtener un punto adicional, o una caja con resistores.

VDS' V O

5

7

9

11

13

15

Ves, V

1

PRECAUCIÓN:

3

1

-0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4

no rebase los voltajes listados en la tabla

24-1.

I

-0.3 -0.2 -0.1

Características del drenaje (control de compuerta) l.

2. 3.

4.

5. 6.

O

.

La figura 24-12 es una vista inferior de las terminales del 3N187. Conecte el circuito de la figura 24-13. SI Y S2 están desconectados. Establezca VDD en O V, Vee en -0.8 V. Cierre SI y S2' Mida ID para Ves = -0.8 V, VDS = O, Y anótelo en la tabla 24-1. Mantenga Ves en -0.8 V. Aumente VDS a + 1 V, +3 V, etcétera, como en la tabla 24-1 y anote los valores medidos de ID' Reduzca la polarización negativa de Ves hasta -0.7 V. Mida ID para cada valor de VDS de la tabla 24-1 yanótelo. Repita el paso 4 para cada valor negativo de Ves Y anote ID en la tabla 24-l. SI Y S2 están desconectados. Invierta la polaridad de Vee, la fuente de polarización de la compuerta, y repita el paso 4 para Ves = O V Y para cada valor positivo de Ves Y VDD· Con los datos de la tabla 24-1 grafique las curvas características de drenaje del 3N187. Identifique cada curva.

si tiene un graficador de curvas calibrado, los pasos 1 al 6 se realizan en forma automática, utilizando el graficador para mostrar las curvas características de ID en función de VDS para los valores de voltaje de la tabla 24-l. Tome una fotografía de las curvas, o en la tabla 24-1 llene los valores de ID a partir de las curvas características mostradas.

NOTA:

+0.1 +0.2 +0.3 +0.4 +0.5 +0.6 +0.7 +0.8

2

3

VISTA ~ INFERIOR

CONEXIQN CONEXIQN CONEXIQN CONEXION

1

1: 2: 3: 4:

DRENAJE COMPUERTA 2 (G2) COMPUERTA 1 (G,) FUENTE, SUBSTRATO y BASE

4

Figura 24-12. Vista inferior del 3N187 que muestra la disposición de las terminales.


164

EXP E R[ M EN T O

24

TABLA 24-2. Ganancia del amplificador 3N187

s,

Ven!

V PP

v sal

V PP

Ganancia

S2

15 V

9. Figura 24-13. Circuito experimental para determinar las características del control de compuerta de un 3N 187.

Mida y registre en la tabla 24-2 los voltajes pico a pico de Vsal Y Vint. Calcule y registre la ganancia. También mida y registre Ves Y VDS'

Amplificador en fuente común ............ .. . Punto adicional ...... .. ........ ................... . . 7.

8.

Abra SI' Conecte el circuito de la figura 24-11. Fije el valor de VDD en + 15 V. Establezca la salida del generador de ondas senoidales en 1 000 Hz, la salida mínima. Cierre SI ' Con un osciloscopio observe la señal de salida, Vsal ' Aumente en forma gradual la señal de entrada hasta obtener la señal máxima sin distorsión , Vsal'

10.

Determine en forma experimental el efecto de aumentar y disminuir el resistor de carga de drenaje a) para el nivel de señal de entrada, Vent , que pueda manejar el amplificador sin distorsión, b) para la salida y ganancia del amplificador.

PREGUNTAS 1.

2.

3.

Con los datos de la tabla 24-1 , ¿cuál es el valor de Ves en el que se produce el corte de corriente? Si en la pregunta anterior indica que no hubo corte de corriente, ¿cómo determinaría el valor de Ves que produce el corte de ID? Explique con todo detalle. ¿Sus datos confirman que el 3N187 es un transistor de tipo empobrecimiento? Explique.

4.

¿Qué efecto produce en ID la polarización positiva y la negativa del 3N187? Consulte sus datos. 5. ¿Es posible, a partir de las curvas características del drenaje, paso 10, predecir el efecto en la ganancia del amplificador al cambiar el resistor de carga del drenaje? Explique cómo.


EXPERIMENTO

~

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL (AD)


O B J E T .I V OS

Amplificador diferencial sencillo· ......................... ..

Observar las formas de onda en la salida de un AD con una entrada y su fase en relación con la de la entrada.

La principal aplicación del amplificador diferencial es en los amplificadores lineales directamente acoplados de circuito integrado (CI). La figura 25-1 muestra un diagrama simplificado de un amplificador diferencial básico. Éste consta de dos transistores con dos entradas y una salida. El circuito es simétrico, es decir, las características de los dos transistores, QI y Q2, son idénticas. Ambos transistores comparten el resistor de emisor, RE' Los resistores de carga del colector son RLl = RL2 . Los dos circuitos de entrada también son iguales, es decir, VI = v2 Y RI = R 2· La señal de salida es proporcional a la diferencia entre las dos señales de entrada; la ecuación de Vsal es (25.1) donde A es la ganancia de cada transistor y vI Y V2 son los voltajes de la señal en la base y en relación con la tierra. Cuando la fase de ambas señales de entrada es la misma, y sus amplitudes iguales, la condición de funcionamiento en modo común es VI -

V2 =

O

y Vsal

= A(O) = O

(25.2)


Observar las formas de onda de salida de un AD con dos señales de entrada de fase contra~ ria, en modo diferencial, y su fase en relación con la de la entrada. Observar las formas de onda de salida de un AD producidas por dos señales de entrada.

166

E X PE R1M EN T O

2 5

ENTRADA 1

ENTRADA 2

Figura 25-1. Amplificador diferencial.

Es decir, en el modo común un AD rechaza la señal en modo común; la señal de salida de este modo es, en forma ideal, igual a O. En la realidad, las dos mitades del AD nunca están del todo balanceadas y existe una pequeña salida en la señal de modo común. Cuando ambas señales de entrada son iguales en amplitud, pero desfasadas 180 0 , se trata de la condición de funcionamiento en modo diferencial y

(25.3)

Por lo tanto, en el modo de operación diferencial o modo no común, el AD amplifica las señales de entrada; la señal de salida es igual al doble de la señal de entrada.

Entrada sencilla ................................... . Por lo general, el AD se utiliza con dos entradas, como ilustra la figura 25-1 . Sin embargo, se puede usar con una sola entrada, como en la figura 25-2. Además, la señal de salida

ENTRADA1/'\. v,·

(a) Figura 25-2. a) AD con una entrada y dos salidas. b) Fases de las ondas de entrada y de salida.


,

\..J

(b)

A M P L I F 1e A D

oR

D I FE R EN

eIAL

(A D)

167

s,

"...-o V cc

+ Vsal

1

-==- 10 V

rv -

ENTRADA INVERSORA

'" l

lkS1

s,

°

{=éJ T=

Figura 25-3. Entrada sencilla en O2 y salida tomada entre los colectores de O2 y 0 1 ,

Figura 25-4. Ampl ificador experimental con entrada en modo diferencial.

se puede tomar entre ambos colectores, como en la figura 25-1, o mediante dos salidas independientes, Vsall Y Vsa '2' en cada colector a tierra, como en la figura 25-2. Será más fácil entender el funcionamiento del AD de dos entradas si primero se estudia con una entrada. Suponga que alimenta la entrada 1 con una onda senoidal, v" cuya polaridad describe la figura 25-2b). La señal amplificada, Vsall' que aparece en el colector de Q2 respecto de tierra está desfasada 180° en relación con la entrada. Además, como el resistor del emisor, RE' no tiene derivación, en él se genera una onda senoidal que está eh fase con la entrada, VI' Dado que la base de Q2 regresa a tierra, no hay señal de voltaje entre la base de Q2 y la tierra. Sin embargo, si se conecta un osciloscopio entre la base 2 y el emisor, se observará una onda senoidal, V o desfasada 180° respecto de la entrada l. Asimismo, la amplitud de V2 es igual a la de V,. La onda senoidal V2 entre la base y el emisor de Q2 es, en efecto, una señal que entra a Q2, el cual funciona como amplificador de base común, y aparece como onda senoidal que varía en sentido positivo, vSa '2' entre el colector de Q2 y la tierra (figura 25-2b). Puesto que las amplitudes de v, y de V2 son idénticas, las formas de onda de la salida son iguales en amplitud, pero desfasadas 180°, entre sí. Si en el AD de la figura 25-2 hubiera una sola salida, del colector de Q2 al de Q" éste como referencia, la onda se salida, vsa" tendría la misma fase que la entrada, v,. Por ello, la entrada 1 de Q2 se llama entrada no inversora. Si el resistor de la base de Q, regresa a tierra y la señal de entrada se aplica a la base de Q2, como en la figura 25-3, y se' toma una sola forma de onda de' salida del colector de Q2, tomando éste como referencia, la onda de salida, vsa " está desfasada 180° respecto de la entrada. La entrada 2 (conectada a Q2) se conoce como entrada inversora.

Entrada en modo diferencial (funcionamiento en modo no común) La figura 25-4 muestra el funcionamiento del AD con entrada en modo diferencial. Los transistores Q, y Q2, conectados como amplificador diferencial, reciben en la entrada ondas senoidales de los extremos opuestos del secundario de un transformador con derivación central, T. Las señales de entrada a las bases de Q, y de Q2 son iguales en amplitud, pero desfasadas 180", condición para que se produzca un funcionamiento en modo diferencial. Suponga un instante que la onda senoidal de la base 1 varía en sentido positivo, y la base 2 en sentido negativo. Considere ahora el comportamiento del transistor Q" como si el transistor Q2 no estuviera en el circuito. Cuando a la base de Q, se aplica una onda que varía en sentido positivo, en el colector 1 se genera una onda amplificada que varía en sentido negativo. Por otra parte, en RE' el resistor de emisor sin derivación, se genera una onda seno id al que varía en sentido positivo, como resultado del comportamiento emisor-seguiqor de Q,. Considere qué sucedería con Q2 'si Q, estuviera fuera del circuito. Una señal que varía en sentido negativo en la base de Q2 producirá una señal amplificada que varía en sentido positivo en el colector 2. Asimismo, en RE se genera una onda senoidal que varía eh sentido negativo, debic\o al comportamiento emisor-seguidor de Q2' Los voltajes de la señal que se generan en R 2 por las acciones opuestas de Q, 'y d y Q2 son iguales en amplitud, pero desfasadas 180° entre sí. Por lo tanto, cuando Qi y Q2 funcionan juntos, los voltajes de señal en el resistor de emisor se anulan mutuamente, y no se genera ninguna señal en el resistor del emisor. De este modo, en el resistor del emisor no fluye corriente, y se


168


2 5

SÓLO ENTRADA CIRCUITO DE LA FIGURA 39-5 MODIFICADO

1 kS2

CT

Figura 25-5. Amplificador experimental con entrada en modo común .

comporta como si tuviera una derivación de ca. Observe que RE' no produce degeneración. Idealmente no existe acoplamiento entre Q¡ y Q2, y la salida en ambos colectores es una onda senoidal desfasada 180 con su entrada alimentada en la base. Si v sal se considera la señal entre los colectores de Q2 y Q¡, vsa ' es una onda que varía en sentido positivo, cuya amplitud es el doble de la amplitud de la señal de voltaje de cualquier colector respecto a tierra. En el AD es posible obtener dos salidas: desde el colector de Q¡ y del colector de Q2 respecto a tierra. Estos voltajes de señal tienen la misma magnitud, pero están desfasados 180 0 . 0

res . De manera ideal, la salida sería O, pero en la realidad esto nunca sucede. El circuito básico del AD de la figura 25-1 puede funcionar en la modalidad diferencial y en la modalidad común. Lo que determina el funcionamiento en la modalidad diferencial son las señales de igual amplitud, pero defasadas, que alimentan las bases de Q, y Q2. El funcionamiento en modo común se produce cuando las bases de Q, y Q2 se alimentan con amplitud y fase idénticas. Ambos tipos de señal pueden aparecer al mismo tiempo en las bases de Q¡ y Q2; el AD rechazará la señal en modo común, al tiempo que amplifica la señal en modo diferencial.

Relación de rechazo en modo común CM RR .......................... ....................... . El amplificador diferencial tiene ganancia alta cuando las señales de entrada son altas y ganancia muy baja para señales en modo común. La ganancia del amplificador de señales en modo diferencial se representa por A DM y las señales en modo común por ACM' La relación ADM/A cM se conoce como relación de rechazo en modo común o CMRR. Es decir CMRR

=

A

DM ACM

(25.4)

Por lo tanto, el valor del CMRR es un indicador de la efectividad de un AD. Cuanto mayor es el valor de esta relación, mejor será el AD.

Entrada en modo común (funcionamiento en modo común) ......... .

Efecto de un resistor de emisor sin derivación, RE, en el funcionamiento del AD ... ..... .................................. ... ... .

El circuito de la figura 25-5 muestra un AD configurado para entrada en modo común. Observe que el devanado secundario del transformador, T, alimenta los voltajes v, y v 2 , con la misma amplitud y fase, a las bases de Q, y Q2' El funci onamiento del circuito es notablemente distinto. Las señales en fase en las bases de Q, y de Q2 generan señales de voltaje en RE' las cuales se suman. La fase de la señal combinada que se genera en R 2 es igual a la fase de las señales en las bases de Ql y Q2' R 2 ofrece realimentación degenerativa o negativa a los dos amplificadores. Puesto que Q, yQ2 comparten R2 , su efecto degenerativo es casi el doble del que se obtendría con .cada transistor por separado. Por lo tanto, la señal efectiva (base a emisor) que ambos transistores "ven" es despreciablemente pequeña, al igual que la salida en ambos colecto-

Antes se observó que en las señales en modo común, el resistor de emisor sin derivación, RE' producía realimentación degenerativa o negativa. Por lo tanto, cuanto más grande es RE' mayor es el voltaje de realimentación negativo en modo común, y más efectivo será el AD para rechazar las señales en modo común. En el modo diferencial, RE se comporta como si estuviera por completo derivado y no disminuye la ganancia del amplificador respecto de las señales en modo diferencial. Esto pareciera indicar que para el AD sería conveniente un valor grande del resistor RE' lo que garantizaría la mínima ganancia en modo común (ACM)' sin afectar la ganancia en modo diferencial (A DM ). Es decir, cuanto mayor es el valor de RE, también es mayor el de CMRR.


A M P L 1F 1e A D

oR

D 1F E R EN

e 1A L

(A O)

169

"'-:,....----03

3

2

2

(a)

~"-----o4

(b)

Figura 25-7. Símbolos del circuito del AD: a) 1 y 2 son entradas, 3 es salida; b) 1 Y 2 son entradas, 3 y 4 son dos salidas con respecto a tierra.

Figura 25-6. AD mejorado mediante un transistor de corriente constante, Q3, en lugar del resistor de emisor RE, de la figura 25-1.

En la práctica hay un límite para la magnitud de R 2 , ya que ésta determina el valor de la corriente de emisor, lE' Como recordará, la ecuación aproximada de lE es

que todos los símbolos convencionales del circuito. Esto es en particular válido en los amplificadores diferenciales de Cl, donde las terminales de Cl representan las conexiones de entrada y salida del AD. La figura 25-7a) representa un AD con dos entradas y una salida. La figura 25-7b) es el símbolo en bloque de un AD de dos entradas y dos salidas independientes. Los signos menos y más (- y +) indican las respectivas entradas inversora y no inversora, respecto a la salida 3.

RESUMEN

1.

(25.5) Asimismo, el emisor proporciona corrientes idénticas a los dos colectores del AD. Al aumentar el valor de RE' la corriente de emisor y la de colector se reducen. Es posible reemplazar RE por un transistor de corriente constante, Q3' como ilustra la figura 25-6. La resistencia entre colector y emisor de Q3 es alta sin que su valor limite en forma indebida la corriente de colector de Q3 y, por lo tanto, sin limitar la corriente de emisor, lE' la cual suministra las corrientes de colector de Q¡ y Q2' El resistor de emisor, RE' de la figura 25-6 puede ser relativamente pequeño. La polarización de cd de Q3 se determina por el divisor de voltaje R3 y R4' Añadir Q3 al circuito garantiza una alta resistencia de emisor RE eficiente, sin restricción en las corrientes de colector de Q¡ y de Q2'

2.

3. 4.

5.

6.

7.

Símbolo del circuito del AD .................. .. El circuito del AD es más complejo que el de la figura 25-6. Es más sencillo representar el AD como bloque (figura 25-7),

8.

Los transistores Q¡ y Q2 del AD de la figura 25-1 son bastante similares de manera que sus características son idénticas, o casi. Los resistores R¡ = R2 Y RLl = R L2 . La igualdad de las componentes del circuito acoplado permite que la configuración del circuito del AD sea del todo simétrica. La salida, V,a¡' del AD (figura 25-1) la proporciona la ecuación v,a¡ = A (v¡ - v2), donde A es la ganancia del transistor, y V¡ y V2 son las señales de entrada. Es posible que en el AD haya sólo una salida, la cual se toma entre los colectores de Q2 y de Q¡ (figura 25-1). Es posible contar con dos salidas en el AD, como muestra la figura 25-2. Aquí las salidas se toman del colector de ambos transistores, respecto a tierra. Una de las dos entradas del AD de la figura 25-2 puede estar aterrizada. Esta configuración se denomina de una entrada. La señal de salida del AD de la figura 25-3 está en fase con la señal de entrada única de la base de .Q¡. La entrada de Q¡, por lo tanto, se llama entrada no inversora. La señal de salida del AD de la figura 25-3 está desfasada 180 0 respecto de la señal de entrada de la base de Q2' Por ello, la entrada de Q2 se conoce como entrada inversora. Las señales que alimentan un AD se definen como de modo común o de modo diferencial. Las señales en


170

9.

10.


2 5

modo común son iguales en amplitud y tienen la misma fase. El circuito de la figura 25-5 funciona en modo común. Las señales en modo diferencial tienen la misma amplitud, pero están desfasadas 180 0 entre sí, como en la figura 25-4. Un AD puede recibir señales en modo común y en modo diferencial. Sin embargo, el AD rechaza las señales en modo común, pero amplifica las señales en modo diferencial. Si la ganancia del AD para señales en modo diferencial se representa por A DM , y la ganancia de las señales en modo común por ACM' la relación ADMIA cM se denomina CMRR o relación de rechazo en modo común. Cuanto mayor es esta relación, más efectivo es eIAD.

AUTOEVALUACIÓN

"

...................................


2. 3.

Un amplificador diferencial es un circuito simétrico en el que se utilizan, al menos, dos transistores y un resistor común. La salida del AD es proporcional a la _ _ _ _ __ (diferencia, suma) de las dos señales de entrada. Un AD puede funcionar en una de dos modalidades, o en ambas a la vez: el modo y el modo

4.

Cuando las dos señales de entrada de un AD son iguales en amplitud y con la misma fase, la salida es

5.

Un AD (amplifica, rechaza) las señales en modo diferencial. Un AD de una sola entrada (figura 25-2) produce una (igual, señal de salida cuya amplitud es diferente). La entrada de la figura 25-3 se conoce como entrada _______ (inversora, no inversora) . Las salidas de la figura 25-2 son iguales en _ _ __ pero opuestas en _ _ _ _ __ En el circuito de la fi gura 25-4, los resistores de emisor sin derivación, RE' introducen una realimentación negativa que reduce la ganancia del amplificador. ______ (verdadero, falso) . En un buen diseño, cuanto mayor es la resistencia, RE) de la figura 25-4, mayor es la relación de rechazo en modo común . (verdadero,falso) .

6.

7. 8. 9.

10.


A M P L 1F 1e A D

oR

DI F E R E N

e 1A L

(A D)

171

PROCEDIMIENTO

TABLA 25-1. Voltajes de cd de un amplificador diferencial

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: fuente de voltaje de cd doble, bajo, regulada, con valores variables. Equipo: osciloscopio, multímetro digital. Resistores : dos de 1 000, 8 200, dos de 10000 n a I Z"w.

Transistores: dos 2N3904 idénticos (si es posible) o equivalentes. Otros: tres interruptores de un polo un tiro; transformador, 120 V en el primario, 24 V en el secundario con derivación central.

Entrada sencilla·· ................................. . 1.

2. 3.

Conecte el circuito de la figura 25-8a). Aplique una onda senoidal de 1 kilohertz (kHz) en el primario de T, que es la fuente, y VI para el AD . SI' S2 y S3 están abiertos. Defina Vcc , la fuente del colector, en 10 V; Y V EE , la fuente del emisor, en 9 V. Cierre SI y S2' Mida el voltaje de cd entre el colector de QI y la tierra (VCI)' Y entre el colector de Q2 y la tierra (VC2). Estos voltajes deben ser más o menos iguales a 5 V. Si no es así, ajuste V EE hasta obtener dicho valor. Anote en la tabla 25-1 VCl' V C2 Y el voltaje medido entre la unión de emisor común y la tielTa (VE) ' También mi-

da y anote VEE . No modifique la calibración de VEE durante el resto del experimento. Mida y registre el voltaje de polarización entre la base y el emisor de QI (VBl) y entre la base y el emisor de Q2 (VB2 )· 4. Cierre S3' Con un osciloscopio mida VI' la entrada de la señal de voltaje de 1 kHz. Ajuste la salida del generador de señal hasta que VI = 50 mV. 5. Dispare/sincronice de manera externa el osciloscopio con la señal del generador. 6. Observe la forma de la onda en la base de QI' Ajuste los controles del osciloscopio hasta que en la pantalla aparezcan una o dos formas de onda. Centre el haz hasta que la forma de onda de referencia VI aparezca como en la tabla 25-2. Observe, mida, anote y dibuje con la fase correcta, en relación con las formas de onda de referencia, Vsall' Vsa l2 Y VE (la señal entre el emisor y la tierra). 7. Abra SI ' S2 y S3' Vuelva a conectar el circuito, de manera que ahora la entrada V2 esté en la base de Q2' como en la figura 25-8b). 8. Cierre SI' S2 y S3 y repita los pasos del 4 al 6.

s, r-----~~~O--------,

1

""F=

S3

cf)

'--______.,.....-s,

r©

a,

o>-----------.JJ- v" ~

(b)

(a)

Figura 25-8. ADT experimental con una entrada en a) 0 1 y b) O2 ,


172


2 5

TABLA 25-2. Formas de onda en un AD: con una entrada

Punto de prueba Referencia

v,

Forma de onda

V"

<,

,

./

TABLA 25-3. Formas de onda en un AD: modo diferencial

Vpp

Punto de prueba

50rnV

Referencia

V2

VE

Ve2

9. 10. 11.

12.

13.

"""

r-,

./

50rnV

50rnV

V2

Vsal

Vsal ,

VE

Vsal2

Ganancia de Q,

VE

Ganancia de Q2

Modo diferencial

Vpp

Vd

Vsal 2

Referencia

1/

V,

Vsal'

Forma de onda

.

Abra S" S2 y S3. No cambie la configuración de Vcc y VEE• Modifique el circuito para la entrada en modo diferencial, como en la figura 25-4. Cierre SI' S2 y S3. Configure la salida del generador de 1 kHz para que produzca una onda senoidal de 100 milivolts (m V) pico a pico en el secundario de T. Los respectivos voltajes de la señal de entrada, V, y V2, entre la base y la tierra de Q, y de Q2, deben ser iguales a 50 m V pico a pico-o Con el osciloscopio disparado/sincronizado externamente por la onda del generador observe v" la onda entre la base y la tierra de Q,. Ajuste los controles del osciloscopio como en el paso 6. Centre la onda de referencia v, de manera que sea como la de la tabla 25-3. Mida y ajuste, si es necesario, la salida del generador senoidal de manera que v, = 50 m V pico a pico. Observe y dibuje en la tabla 25-3, en relación con la fase de la onda de referencia, las siguientes ondas: entre el colector de Q, y la tierra (Vc1), entre la base de Q2 y la tierra (V2), entre el colector de Q2 y la tierra (ve2), la onda de salida entre el colector de Q2 y el colector de Q, (vsa') y entre el emisor y la tierra (VE).

la medición de vsal sólo será posible si la entrada del osciloscopio es diferencial. De lo contrario, no lo intente.

NOTA:

También mida y anote la amplitud pico a pico de las ondas anteriores. 14.

Calcule la ganancia de Q, y Q2 (vsal/v, Y Vsa'2/V2' respectivamente) y anote el resultado en la tabla 25-3.

Modo común 15.

16.

17.

.

Abra S" S2 y S3. No cambie los valores configurados para Vcc y VEE. Modifique el circuito del experimento de acuerdo con el de la figura 25-5. Modifique sólo el circuito de entrada. Cierre S" S2 y S3. Configure la salida del generador de 1 kHz para una onda senoidal de 50 mV pico a pico en el secundario de T. Con el osciloscopio disparado/sincronizado en forma externa mediante la señal del generador (en el primario de observe la onda V" entre la base de Q, y la tierra. Ajuste los controles del osciloscopio y centre la onda de referencia de manera que aparezca como en la tabla 25-4.


n

A M P L 1F I

TABLA 25-4. Formas de onda en un AD: modo común

Punto de prueba

V

Referencia VI

V pp

Forma de onda

<,

1'....

18.

./

50mV

19. Vc1

e

A D

o

R

D I F E R E N

e

I A L

(A D)

173

Observe y dibuje en la tabla 25-4, con la fase en relación con la de la onda de referencia, VeI' V2, V c2, V sal Y VE' Mida y anote los voltajes pico a pico de cada onda. Recuerde: para medir vsol' la entrada del osciloscopío debe ser diferencial. Calcule las ganancias de QI y Q2 y anote sus valores en la tabla 25-4.

V2

Vd

vsal

VE

Ganancia de

QI

Ganancia de

Q2

PREGUNTAS 1.

2. 3.

4.

En el AD de una terminal del experimento (figura 25-8), ¿cuál es la función del resistor sin derivación del emisor? Justifique su respuesta refiriendo en concreto los datos de la tabla 25-2. Con los datos de la tabla 25-2 compare y explique la fase de vsall Y vsal2, en relación con la onda de entrada. Con los datos de la tabla 25-2 explique cuál es el valor de la onda de salida tomada entre los colectores de Q2 y QI' Muestre sus cálculos. En el circuito experimental de la figura 25-4, ¿qué indican las ondas entre colector y tierra (vd Y v('2) de QI y Q2? Refiera en concreto los datos de la tabla 25-3.

5.

6.

7.

En el circuito experimental de la figura 25-4, ¿el resistor del emisor común produce una realimentación degenerativa en el circuito? ¿Cuál(es) de la(s) onda(s) de la tabla 25-3 confirma(n) su respuesta? ¿El amplificador de modo diferencial tiene ganancia? Justifique su respuesta con los datos del experimento. En el circuito experimental de la figura 25-5, ¿el resistor de emisor común produce realimentación degenerativa en el circuito? ¿Cuál(es) forma(s) de onda(s) de la tabla 25-4 confirma(n) su respuesta?



EXPERIMENTO

~

CIRCUITOS INTEGRADOS: EL AMPLIFICADOR LINEAL


Los circuitos integrados (el) han alterado en forma radical el mundo de la electrónica. El efecto profundo de estos "gigantes" microelectrónicos fue establecerse en el campo de las computadoras y la electrónica digital. La primera generación de computadoras electrónicas usaba tubos al vacío (bulbos). Éstos se reemplazaron por transistores en la segunda generación y la tercera usó el, con lo que en gran medida se redujo el tamaño de las computadoras e incrementó su velocidad y confibilidad. A medida que avanzó el estado de los el, en especial se emplearon los diseñados para circuitos lineales en comunicaciones y en aplicaciones militares e industriales. Los el y los el a gran escala (LSI) han cambiado el diseño de los dispositivos electrónicos desde el solo uso de componentes discretas hasta dispositivos híbridos de estado sólido, los cuales combinan componentes discretas con el. La electrónica modular debe su crecimiento a los el.

Características físicas y eléctricas de un CI ............ . ¿Qué es un circuito integrado? Éste no es solo un transistor más eficiente o varios transistores dentro de un paquete pequeño. Es un "circuito" completo que consta de elementos pasivos y activos conectados en una configuración de circuito alojada en un contenedor no mayor que un transistor pequeño. Los elementos "activos" son transistores y diodos. Los compo-


176

E X P E R1M E N T O

26

Figura 26-1. Vista amplificada de una pastilla (chip) MC1533 de un amplificador operacional en CI (Motorola Semiconductor Products, Inc.)

nentes pasivos son resistores y capacitores. Los elementos en un CI no son componentes discretas alambradas en conjunto en un circuito miniatura. De modo más preciso, el CI es un circuito completo formado por un intrincado proceso microfoto-litográfico, en una pastilla de silicio no mayor que la cabeza de un alfiler. Los "diagramas" en el CI de los circuitos sólo se pueden ver con una ampliación alta. ¡Visualizar un amplificador de audio de W completo, excepto algunas componentes discretas externas, montadas sobre la cabeza de un alfiler! La figura 26-1 muestra un acercamiento amplificado de un chip individual del amplificador operacional MC1533 de Motorola, una unidad de alto desempeño con una ganancia de voltaje de 60 000. La figura 26-2 es el MAS50G de Motorola, un circuito integrado digital del sistema de bolsa de aire para automóviles.

1

Configuraciones de los CI .................. .. . El concepto de circuitos integrados surgió de las técnicas de los circuitos impresos y de la tecnología de fabricación de transistores planares mediante difusión. La razón de la circuitería en CI es única y está muy relacionada con los métodos y la economía de proceso de fabricación y la magnitud del chip. En el diseño convencional de circui~s que emplean componentes discretas, los elementos "activos" (transistores y diodos) son más costosos que los resistores y capacitores. En la tecnología de CI los

Figura 26-2. Acelerómetro MAS50G de Motorola del sistema de bolsa de aire para automóviles (Motorola Semiconductor Products, Inc.).

transistores y diodos son menos costosos que los resistores y capacitores, dado que los transistores y los diodos ocupan poco espacio en el chip, mientras que los resistores y capacitores requieren gran cantidad de espacio. En este momento, los valores prácticos para resistores en CI están limitados desde 100 hasta 25 000 n ± 30 por ciento para resistores tipo P formados mediante difusión; de lOa 500 n - 50 a ± 100 por ciento para resistores a base de estrangulamiento; y de 10 a 500 n ± 50 para resistores epitaxiales. Los capacitores se limitan a un intervalo de unos 3 a 30 picofarads (pF); los inductores no se fabrican. Por ello, los diseñadores de CI hacen uso extensivo de elementos activos y poco uso de resistores y capacitores. Así, se prefiere el acoplamiento directo en lugar del acoplamiento capacitivo. Los circuitos integrados RC se usan más que los LC "sintonizados". Si es posible, se evitan los acoplamientos mediante transformador, y cuando no es posible, se usan transformadores externos. Conforme avanza el estado actual, aun los grandes cambios se anticipan. Una consideración importante en la economía de los CI es la flexibilidad. Los chips se diseñan para más de una configuración del circuito. Estos arreglos involucran algunas componentes discretas externas. Por ejemplo, el mismo chip con arreglos externos diferentes en el circuito se puede usar como amplificador de alta frecuencia de banda ancha, amplificador de baja frecuencia, oscilador y amplificador combinado, o incluso amplificador-detector de alta frecuencia en un amplificador de audio. Esta flexibilidad se debe a que las terminales sobre el cuerpo del CI hacen posible que el arreglo del circuito se "interrumpa" en puntos críticos en la configuración del CI. Por ejemplo, el CI RCA CA 3018 contiene un arreglo de cuatro transistores con 12 conexiones externas. La figura 26-3 es el diagrama esquemático de


e 1R e u 1T o S

1N T E G R A D

o S:

E L A M P L 1F 1e A D

oR

L 1N E A L

177

+6V

O.OOl¡.
Q

.------~T 2--=

5

SUBSTRATO

AGC T

T

;dIIC: -::Jllb;

Figura 26-3. Circuito para el amplificador de banda ancha CA3018 (ReA).

un amplificador de "banda ancha, el eA3018. Los transistores en el el aparecen en el interior del triángulo y se etiquetan como Ql, Q2, Q3 y Q4' En este el el amplificador usa los cuatro transistores como componentes discretas. Las conexiones externas de los resistores y capacitores convencionales se hacen a través de las 12 terminales del el, numeradas desde 1 hasta 12. La alimentación es a partir de una fuente de +6 V. El arreglo de la figura 26-4 usa el mismo el como amplificador de RF de 15 megah"ertz (MHz), y en la figura 26-5 el el se usa como un amplificador de audio clase B. El eA3018 presenta cuatro transistores en un solo encapsulado. El diseño de circuitos con este el es el tradicional. La figura 26-6 ilustra el diagrama de un circuito integrado de lO terminales, el Me1533 de Motorola, que incorpora el concepto de circuito completo. En el el se incluyen 14 transistores, 3 diodos y 15 resistores, en total 32 elementos, interconectados como se muestra. Las notas de aplicación de los fabricantes para este el proporcionan cuatro arreglos en los que se puede usar: seguidor de fuente, filtro y oscilador, regulador de voltaje y voltímetro de alta impedancia de entrada. En las notas de aplicación del Mel533 se explica el circuito completo. Es evidente que este el, como todos los el, presenta características que se deben considerar en aplicaciones individuales. Para usar este el en circuitos se requiere una orientación de diseño de "sistemas", contrario a lo que ocurre con componentes discretas en arreglos de circuitos convencionales. La figura 26-6 muestra un diseño típico del el en amplificadores lineales en el que el acoplamiento directo se usa sin restricciones. También observe el uso de amplificadores diferenciales pares, por ejemplo QrQ3 y Q8-Q9'

VOLTAJE

L=O .8~H

L =O.8~H

00 =200

00 =200

T1-3 = 6T

T _ =6T 35 T _ =4T I2 T _ = 1T 34

T1-2 = 1T T

4-5

=2T

ALAMBRE DEL # 22 EN Q.2 MATERIAL: TOROIDE CF107 DE INDIANA GENERAL el' C2 = ARCO 425 o EQUIV.

Figura 26-4. Amplificador de 15 MHz CA3018 (ReA).

R2 r---~\v'\/\r---,

:

33 kn

I

:

I

I r--~---~

I

I

I I I I

R3 L __ ..J\/\/'v--_ J 33kn

Figura 26-5. Diagrama esquemático para un amplificador clase B con el CA3018 (ReA).


178


2 6

8

-------------,

,--I I

I

I I I

I I I

I I I

I I I

R,

I

o" I I

I I I

I

I

INVERTIDO

I

I I

I I I I L

Figura 26-6. Diagrama ducts, Ine.).

esquemático

del MC1533,

un amplificador

Cllineal de un amplificador de potencia para audio

~ 1./_

~: 1,

t .

,..

1'11'11 :

11"

:: 1/

___________

_

operacional

monolítico

de alto voltaje

8

.

El fabricante describe el CA3020 como "un circuito integrado monolítico, un amplificador de potencia multipropósito y multifunción diseñado para equipos de comunicación fijos y portátiles y para sistemas de control de seguimiento." La figura 26-7 ilustra el diagrama esquemático del CA3020, y la figura 26-8, el diagrama funcional. Este amplificador de acoplamiento directo realiza funciones de preamplificador, inversor de fase, manejo (driver) y de salida sin transformadores. El circuito puede operar con fuentes de alimentación desde +3 V hasta +9 V. La potencia de salida la determina la fuente de alimentación. El intervalo de salida directa va desde 65 mW a +3 V hasta 550 mW a +9 V. Un regulador de voltaje con compensación contra variaciones de temperatura permite la operación desde -55 hasta 125°C. Los diodos DI, D2, Y D3 conectados en serie con los resistores RII y RIOconstituyen el regulador de voltaje. El voltaje de alimentación externo se conecta entre las terminales 9 y 12 Y suministran voltajes más o menos constantes de 1.4 V (unión de DI y D2) para la alimentación de la base y 2.1 V (unión de DI y RII) para los colectores. Los transistores QI y Q2, en conjunto con los resistores de colector, RI y R3, el resistor de emisor, R2, y los resistores de polarización, R4, Rs, R6 Y R7, constituyen el amplificador (diferencial) e inversor de fase. La entrada de la señal

J

(Motorola

Semieonduetor

Pro-

11

R,o

R"

O, O,

R.

D,

3

12

Figura 26-7. Diagrama CA3020 (ReA).

esquemático

2

del amplificador

de audio

de ea se puede hacer mediante acoplamiento capacitivo en la terminal 3 o en la terminal 10. Si se aplica a la terminal 10, QI opera como amplificador de acoplamiento, un seguidor-emisor cuya salida se acopla a la terminal 3, la entrada de Q2 y Q3· El acoplamiento de Q2 y Q3 se logra a través del


e

1R

e u 1T o S

1N T E G R A

VOLTAJE DE ALIMENTACi ÓN POSITIVO Vce

ACOPLADOR O AMPLIFICADOR OPERACIONAL ' - - - .-_-_-i--'--l.- REGULADOR SEÑAL DE CA DE ENTRADA

DE VOLTAJE MANEJADOR

(A LA TERMINAL 10) SEÑAL DE CA DE ENTRADA (A LA TERMINAL 3)

(DRIVER)

AM PLI FICADOR DI FER ENCIAL Y DIVISOR DE FASE

Figura 26-8. Diagrama de bloques funcional de un eA3020 (ReA).

o o S:

E L

A M P L 1F 1e A

oo

R

L 1N E A L

179

resistor de emisor sin derivación, R 2 . En los colectores de Q2 y Q3 se desarrollan dos señales de igual amplitud, desfasadas 180°. Estas señales están acopladas en forma directa a la¡; bases de los amplificadores seguidor-emisor Q4 y Qs. Los resistores Rs Y R7 proporcionan la realimentación negativa a Q2 para la estabilidad de cd y ca de Q2 y Q3. La señal está directamente acoplada de los emisores de Q4 y Qs a las bases de Q6 y Q7, los amplificadores de potencia. Los transistores Q6 y Q7 funcionan en el modo contrafase cIase B para entregar potencia a la carga, la cual puede ser una bocina de alta impedancia con derivación central alimentada en forma directa como muestra la figura 26-9, o un transformador de salida con derivación central para alimentar una bocina de baja impedancia como en la figura 26-10. En este experimento tendrá la oportunidad de probar este amplificador versátil con una variedad de fuentes de audio.

¡--- - 1 ,------i-+---,

1 I

I

RESUMEN

1 1

1

I

1 1 1

l.

L ____ J

BOCINA DE 130 f1 RCA 111113 O EQU IVALENTE

2.

Figura 26-9. Amplificador de audio eA3020 sin transformador (ReA).

Un circuito integrado (CI) es un circuito completo elaborado a partir de microfotografía y grabado químicamente en una pastilla (chip) de silicio (figura 26-1). Un CI consta de elementos activos (transistores y diodos) y elementos pasivos (resistores y capacitores) conectados en un arreglo de circuito deseado y encapsulado en un paquete. El empaquetado puede ser del tipo TO-5 que se usa en los transistores, empaquetado plano o de dos en línea.

+9 V

3.2n

-1 -1 L ___ J ARGONE TIPO 174 O EQUIVALENTE

0. 1 ¡JF

Figura 26-10. Amplificador en el para el manejo de una bocina de baja impedancia (ReA) .


180


2 6

Las componentes de un el no son discretas, y si fuera posible verlas (\0 cual no es posible) éstas no se parecerían a los familiares resistores, transistores, diodos y capacitores individuales. 4. Existen diversos circuitos o configuraciones de el. Sin embargo, se podrían clasificar en general como el lineales y el digitales. En especial los el lineales se usan en circuitos de procesamiento de señales (amplificadores, osciladores, etcétera), yen electrónica de comunicaciones, por ejemplo, en televisores, receptores y transmisores de radio y equipos de hi-fi (alta fidelidad). Los el digitales se encuentran en computadoras, calculadoras y otros dispositivos electrónicos de "conteo". 5. Debido a consideraciones económicas y a procesos de fabricación, los arreglos de circuitos en el difieren en gran medida de los circuitos que usan componentes discretas. 6. Los el hacen uso extensivo del acoplamiento directo. Además, debido a sus grandes ventajas en el diseño de circuitos, los amplificadores diferenciales se usan con mucha frecuencia en los el lineales. 7. Los chips de el son, además de muy especializados (por ejemplo, los chips que se usan en calculadoras), diseñados con la mayor flexib ilidad que se tenga en mente. En el último caso, la adición de componentes discretas externas puede modificar el circuito de el para una variedad de propósitos. 3.

,

- AUTOEVÁLUACIÓN -

...................................

,.

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1.

2.

3. 4.

5. 6.

7.

8.

Un el es un circuito completo que consta de componentes discretas . (verdadero,falso) Em general los el vienen en uno de los tres tipos de encapsulado. Éstos son: a) ,b) _ __ yc) _ _ __ La componente más económica en la fabricación de un el es Las componentes activas en un circuito son los y las Los el se pueden clasificar como dispositivos y Un es un ejemplo de un el lineal. En la figura 26-7, las entradas al amplificador en el están en la terminal o en la En la figura 26-7, el circuito consta de Q2' Q3' y sus resistores asociados se denominan un


e

1R

e u 1To

S

JN

TE

G R

AD o

S:

E L

AM

P L JF J

e Ao o

R

L 1N E

A L 181

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: fuente de cd de bajo voltaje variable regulada; transformador de aislamiento. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador senoidal. Resistores: 0.68 ,o, 560 kD a -t w. Capacitores: miniatura de 0.01 j..LF a 12 V; miniatura de 0.1 j..LF a 12 V; 1.0 j..LF a 12 V. Semiconductores: circuito integrado con montaje RCA CA3020 o equivalente. Otros: transformador de salida en contrafase (Kelvin 149-18 o equivalente); bocina de baja impedancia; potenciómetro de 5 000 ,o a 2 W; fuente de audio como un micrófono de alta impedancia, fonógrafo o sintonizador AMlFM, según se requiera para créditos extra. NOTA: la figura 26-11a) es la parte inferior del CA3020. Las terminales se identifican leyéndolas en el sentido de las manecillas del reloj a partir de la lengüeta. Ésta es adyacente a la terminal 12 en el Cl. El CA3020 es un amplificador de audio de alta ganancia. Para evitar oscilaciones se debe tener cuidado con el alambrado externo del circuito. No hay problema en su uso

12

DIMENSION ES EN PULGADAS (a)

(b)

Figura 26-11. a) Identificación de terminales de un CA3020. b) Montaje sugerido para un CA3020.

comercial donde la longitud de las terminales se puede mantener corta y las componentes externas sólo se orientan a minimizar la realimentación regenerativa no deseada. El montaje experimental del circuito que se usó en experimentos anteriores conduce a la inestabilidad. El método que se describe enseguida fue exitoso para eliminar la inestabilidad y, por lo tanto, se recomienda. Se preparó un montaje especial para el CA3020 a partir de una tablilla grabada de 3 X l -t pulg. Vea la figura 26- 11b). (El proceso de montaje se describe en la Instructor 's Cuide for Basic Electronics.) Las terminales en esta tablilla, numeradas del 1 al 12 en sentido contrario a las manecillas del reloj, corresponden a las terminales del CA3020. Los capacitores miniatura y los resistores se situaron sobre la tablilla de acuerdo con la configuración particular del circuito req uerido en el experimento. Las conexiones metálicas flexibles de los capacitores y resistores se enrollaron alrededor de las terminales del circuito, para lograr una buena conexión mecánica y eléctrica. La ubicación de las partes se arregló para mantener la longitud de las terminales lo más corto posible. Donde se requirió conexión con componentes externas, como el transformador, la longitud de las terminales se mantuvo también lo más corto posible. La conexión entre las terminales del CA3020, donde se requirieron, se logró enrollando puentes de cable sólido t1exible alrededor de las terminales. Un método alternativo es usar CI con el encapsulado de dos en líneas que se enchufan en forma directa en tablillas de experimentación (protoboards) comerciales. Conecte el circuito de la figura 26-10. En este arreglo el CA3020 sirve como amplificador de -t W que maneja una bocina de baja impedancia. 2. a) Conecte a la entrada del amplificador un micrófono de alta impedancia. Pruebe este sistema de amplificación de potencia y comente su efectividad. Volumen del sonido: (bueno o pobre) Calidad del sonido: (bueno o pobre) b) Con un osciloscopio conectado a través del primario del transformador de salida, observe los patrones (formas de onda) de cada uno de los sonidos vocales. 3. Conecte a la entrada del amplificador la salida de un fonocaptor magnético. Comente sobre a) Volumen del sonido: _ _ _ _ _ __ b) Calidad del sonido:_ _ _ _ _ __ 4. Conecte a la entrada del amplificador la salida de un sintonizador de AMlFM. Comente sobre a) Volumen del sonido: _ _ _ _ _ __ b) Calidad del sonido: _ _ _ _ _ __ 5. Remueva la entrada al amplificador y reemplácela por un generador de onda senoidal. Ajuste el generador para una señal de entrada de 10 mVal kHz. 1.


182


TABLA 26-1. Respuesta

2 6

en frecuencia'

Frecuencia Hz

6. vsa¡' V

7.

1 kHz

Mida y registre en la tabla 26-1 la respuesta en frecuencia para el circuito. Trace una gráfica de sus resultados y muestre la banda de paso del amplificador 30% debajo de la referencia (a 1 kHz). Calcule y anote en la tabla 26-2 la ganancia del circuito a 1 kHz. ¿Cómo se debería usar el CA3020 en conjunto con componentes discretas para proveer más potencia de audio? Dibuje y construya un circuito práctico para lograrlo. Mida y registre en la tabla 26-2 las señales de entrada y salida. Calcule y registre la ganancia del circuito.

Tabla 26-2 Ganancia

del circuito'

Paso

Vent

6

lOrnV

vsal

Av vsa¡lvent

7 'Frecuencia

de referencia

de 1 kHz:

Vent

= 10 mV.

'Frecuencia

de referencia

de 1 kHz.

PREGUNTAS l.

•

1I

¡. ;. ~

2. 3. 4.

¡U

¿En qué difiere un circuito integrado de un circuito transistorizado convencional? ¿Qué ventajas ofrecen los CI respecto a un circuito transistorizado convencional? ¿Cuál es la relación, si existe, entre la salida de un amplificador de potencia y Vcc? Explique con todo detalle cómo se acopla la señal de Q2 a Q3·

5. 6.

7.

¿Por qué se esperaría que un amplificador CA3020 fuera de banda ancha? a) ¿Qué ventajas ofrece para este experimento un amplificador de audio en CI sobre amplificadores de audiofrecuencia de componentes discretas? b) ¿Qué desventajas tiene? Calcule y registre en la tabla 26-2 la ganancia del circuito a 1 kHz.

I

:: ¡I t.

"11'


EXPERIMENTO

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

~ (A~P

OP)


o

Amplificadores operacionales e, CI ...................... .

Verificar con experimentos que la ganancia de un amp op se puede hacer dependiente sólo del lazo de realimentación negativa externo de la salida a la entrada.

Un amp op es un amplificador diferencial lineal con acoplamiento directo de alta ganancia, cuyas características de respuesta se controlan en forma externa mediante realimentación negativa de la salida a la entrada. Los amp ops pueden realizar operaciones matemáticas como adición, integración y diferenciación. Los amp ops también se usan como amplificadores de audio y video, osciladores, etcétera, en electrónica de comunicac;iones. La figura 27-1 ilustra el símbolo de un amp op. Observe que el amplificador operacional, como el amplificador diferencial que se estudió en el experimento 25, tiene dos entradas, marcadas como (- ) y (+) . La entrada menos es la entrada inversora. Si a la terminal menos se aplica una señal, se desfasará en fase 180 en la salida. La entrada más es la entrada no inversora. Al aplicar una señal a la entrada más en la salida aparecerá con la misma fase de la entrada. Debido a la complejidad del circuito interno de un amp op, su símbolo sólo se.usa en los diagramas de los circuitos. 0

Control mediante realimentación negativa .............. . La figura 27-2 muestra el circuito básico e incluye ellazQ de realimentación negativa de un amp op. Observe que la salida se realimenta a la terminal de la entrada inversora a fin de proveer la realimentación negativa para el am-


B JET IV OS

Hacer que un amp op opere como amplificador no inversor.

Hacer que un amp op opere como sumador inversor.

184


27

SALIDA

Figura 27-1. Símbolo del amplificador operacional.

Figura 27-3. Amp op operado como amplificador no inversor.

Figura 27-2. Circuito del amplificador operacional que muestra lazo de realimentación negativa.

plificador. La señal de entrada se aplica a la entrada inversora, y como resultado, la salida estará invertida. Es posible que el amplificador operacional opere como amplificador no inversor si la señal se aplica a la entrada más, como en la figura 27-3. En este circuito la red de realimentación todavía está conectada a la entrada inversora. El análisis de la ganancia de amplificadores operacionales está fuera de los propósitos de este libro. Se sugieren al estudiante libros de texto de uso estándar para dicho análisis. Aquí se dan varias fórmulas de ganancia; sin embargo, éstas se pueden aplicar sólo en condiciones específicas. Para el circuito de la figura 27-2, la salida del amplificador se define mediante la ecuación (27 .1). (27.1) El signo menos indica que la salida está invertida en comparación con la entrada. La ecuación para la ganancia de este amplificador es Ganancia =

RF

(27.2)

RR

Para el amplificador no inversor en la figura 27-3 :

Figura 27-4. Amp op operado como seguidor de voltaje.

(27.3) y su ganancia es (27.4) Las ecuaciones (27.1) a (27.4) indican que el voltaje de salida sólo depende del cociente de los resistores de realimentación y entrada, RF y RR' Y que la ganancia del amplificador operacional es dependiente de estos resistores. "'La figura 27-4 muestra el circuito de un amplificador operacional conectado como seguidor de voltaje no inversor. Este circuito también se denomina amplificador de ganancia unitaria debido a que su ganancia es igual a 1. Una posible fuente de error a la entrada en un circuito con amplificador operacional podría ser la corriente de polarización. Ésta se puede eliminar al conectar un resistor, R, en la entrada no inversora cuyo valor es la resistencia de la combinación en paralelo de RF y RR (figura 27-5). Así, las


A M P L l F l

eADoR oPE

R A

e IO N A

L

(A M P

o P) 185

El voltaje de salida se puede hacer igual a la suma de un cociente deseado de voltajes de entrada, dependiendo de los valores de RF, R¡ Y R2. Por ejemplo, si RF = 2R¡ = 3R2, entonces, debido a que >-....-0 SALIDA

Va

= -(2V¡ + 3V¡)

(27.6)

El sumador de la figura 27-6 se puede modificar para tener tres o más entradas. Figura 27-5. R se conecta a la entrada no inversora para compen· sar el posible error de polarización de entrada. La resistencia de ambas entradas, inversora y no inversora, se equilibran.

Especificaciones de un amp op ............. . El fabricante proporciona un diagrama básico del circuito y especificaciones para cada tipo de amp op, incluyendo gráficas de desempeño. La figura 27-7a) muestra un diagrama del circuito para el amp op 741C que se usará en este experimento. La figura 27-7b) es un diagrama de polarización que muestra todas las terminales de conexión. El 741 está disponible en dos clases: el militar (M) y el comercial (C) y se presenta en diferentes encapsulados. El de clase comercial, que se usará en este experimento, se puede escribir con el CI designado por 741HC. El fabricante lista los siguientes límites máximos de operación para el 741HC:

R,

Figura 27-6. Amplificador operacional conectado como sumador.

resistencias de las entradas inversora y no inversora se equilibran, eliminando este error de la corriente de polarización.

Sumador con amp op .......................... .

Voltaje de alimentación

±1 8 V

Disipación de potencia interna

500mW

Voltaje de entrada diferencial

±30V

Temperatura de operación

l a 70°C

Las características siguientes también son de interés para el técnico y el diseñador: Corriente de polarización de entrada

800 nA

Resistencia de entrada

0.3 a 2 Mfl

Intervalo de voltaje de entrada

± 13 V, típico

Razón de rechazo en modo común para

En el circuito de la figura 27-6 el amp op se conecta como sumador algebraico. Si RF = R¡ = R2, el voltaje de salida es (27.5) Esto es, el voltaje de salida es la suma de los voltajes de entrada con el signo invertido. Si los voltajes de entrada son de signos opuestos, el circuito de la figura 27-6 actúa como inversor y sustractor de los voltajes de entrada. Por ejemplo, si V¡ = + 3 V Y V2 = - 2.5 V, entonces

Va

= -(+3

-2.5)

= -0.5 V

Rs

2:

lO kfl

Resistencia de salida

90 dB , típica 75 fl

Corriente de corto circuito a la salida

25 mA

Corriente de alimentación

2.8 mA, típica

Consumo de potencia

85 mW, típico

Ganancia de voltaje en señal grande, R L 2: 2kfl Y Vsal = ±IO V

15000

Excursión de voltaje a la salida, RL

2: 2 kD.

± 13 V, típica

Las curvas de desempeño típicas para el 741C se describen en la figura 27-8.


186

EX P E R [ M ENT O

2 7

CIRCUITO EQUIVALENTE

v+ ,-----,,---::-
R. 25n L -_ _- .

ENCAPSULADO METÁLICO DE 8 TERMINALES (VISTA SUPERIOR)

SALIDA

ENTRADA NO INVERSORA COMPENSACiÓN 0 5 DE OFFSET

:::I---4-_--c

0 10

QEOFFSE T

50 kn

R2 1 kn

COMPENSACiÓN DE OFFSET

NOTA: LA TERMINAL 4 ESTÁ CONECTADA A LA BASE DEL ENCAPSULADO

:::OM?EI"SAC!ON

RJ

v-

(b)

R. 5 kn

v(a)

Figura 27-7. a) Diagrama del circuito, b) diagrama de terminales del 741 (Fairchild).

RESUMEN

8. 9.

l.

2. 3.

4.

Un amplificador operacional es un amplificador diferencial con acoplamiento directo de alta ganancia, cuya ganancia se controla mediante un circuito de realimentación negativa externo. Un amplificador operacional tiene dos entradas: una inversora (-) y una no inversora{+) (figura 27-1). En el amplificador inversor (figura 27-2) la red de realimentación está conectada de la 'salida a la entrada inversora (-). La señal también se aplica a la entrada inversora. El voltaje de salida del amplificador inversor, figura 27-2, es

10. 11.

12.

La ganancia del amplificador inversor se puede hacer igual a, mayor a, o menor a l. La ganancia del amplificador no inversor se puede hacer igualo mayor a l. Los amplificadores operacionales se pueden conectar como sumadores (figura 27-6). La corriente de polarización de offset se puede compensar ubicando un resistor del mismo valor que la resistencia en paralelo de RF y RR conectadas en la terminal de la entrada inversora. Los diagramas de los circuitos con amplificadores operacionales, los diagramas de polarización y las especificaciones los provee el fabricante.

AUTOEVALUACIÓN

•........•.......•.......•.•.••••.• El signo menos representa el corrimiento de fase de 180 que se presenta de la entrada a la salida. La ganancia del amplificador inversor es RrfRR' En el amplificador no inversor (figura 27-3) la señal se aplica a la entrada no inversora (+), mientras que la red de realimentación está conectada a la entrada inversora. El voltaje de salida del amplificador no inversor de la figura 27-3 es 0

5. 6.

7.

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes pre-. guntas. l.

2. 3.

4. y la ganancia de este amplificador inversor es 1 + (RrfRR)'

En un amp op es posible cambiar la ganancia interna (en lazo abierto) del amplificador mediante la adición de _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ En el circuito de la figura 27-2, RF = 5 000 n, RR = 1 250 n. La ganancia del circuito es _ _ _ __ Si se aplicara un voltaje de +0.5 V a la entrada del amplificador en la pregunta 2, la salida deberá ser En el circuito de la figura 27-3, RF = 10000 n, RR = 10 000 n, y el voltaje de ca de entrada es de 1 V pp. El voltaje de salida es V pp.


A M P L 1 F 1e A D

EXCURSiÓN DEL VOLTAJE DE SALIDA COMO FUNCiÓN D,EL VOLTAJE DE AlIMENTACION

GANANCIA DE VOLTAJE EN lAZO ABIERTO COMO FUNCIÓN DEL VOLTAJE DE ALIMENTACiÓN 105

..:o

uj

::t

oR oPE

J:::j

40

.=> ::;:

36

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(3

Z -c Z

80

«

75

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70

o

2

4

VOLTAJE

6

8

:!:

187

16

o

W ::t~ ~::¡ o": >w wo ow w::t t::~

4

.~O ...J>

o

10 12 14 16 18 20

DE ALIMENTACiÓN,

o P)

a¡~ Z

¡;: Z -o -c üi o a: o ¡;: => o x w

85

(A M P

2 8 ::;:2

:"i > W c5 o o

90

A L

0+1

(J)

o > W o -c

e ION

liMITE DE VOLTAJE DE ENTRADA EN MODO COMÚN COMO FUNCIÓN DEL VOLTAJE DE ALIMENTACiÓN

> 2

:::i -c

95

R A

10

5

V

VOLTAJE

15

o

20

DE ALIMENTACIÓN,

:!:

5

10 VOLTAJE

V

15

20

DE ALIMENTACIÓN,

:!:

V

NOTAS: 1. Los lími1es de operación se aplican para temperaturas ambien1e hasta de 70·C. Para temperaturas superiores la linealidad se reduce a razón de 6.3 mW¡·C para el encapsulado de. me1al, 8.3 mWrC para el de dos en línea (DIP), 5.6 mWrC para el DIP pequeño, y 7.1 mWrC para el plano. 2. Para voltajes de alimentación menores a ~ 15 V, el voltaje de entrada máximo absoluto es igual al voltaje de alimentación. 3 .. El corto circuito podría ser a tierra o la fuente. Los límites de operación se aplican a temperaturas de 125·C en el borde d81 encapsulado o 75·C de tempera-

tura ambiente.

CORRIENTE DE POLARIZACiÓN DE ENTRADA COMO FUNCiÓN DE LA TEMPERATURA AMBIENTE

200

-c E

« o -c

10

120

~ ¡.:

g:

w ur

Z W W

w"-- 30 1-0 Zw !!!o a:..: 20 a:o O..: Oa:1Z 10 w

(3 Z W

a:..:

.~

...J

üi ui a:

O o..

1.0

O O

10

20

30

40

TEMPERATURA,

50

50

60

·C

10

20

40

50

TEMPERATURA,

·C

CORRIENTE

30

60

O

70

30

40

50 ·C

TEMPERATURA,

·C

60

70

1.10

o

(J)

o

a:

O o..

(326

>

8 a:

~ ur

o w

W

O

022

o ...J !§

(J)

a:

w 1-

Z

44

1.05

a: 1.00

024

w o

Z O O

20

TEMPERATURA,

::; 28

56

Z W 1-

(J)

10

~

(3

::;: =>

o

DE CORTO CIRCUITO FUNCiÓN DE LA AMBIENTE

SALIDA COMO ..:E 30 A LA TEMPERATURA

;;:

0.95

!!!20 a: a:

40 O

10

20

30

40

TEMPERATURA,

50

60

70

·C

Figura 27-8. Curvas de desempeño

6.

L----'_-'-_-'----' __--LI_.JI_...JI O

70

CONSUMO DE POTENCIA COMO FUNCiÓN DE LA TEMPERATURA AMBIENTE

40

0[:2

..:

N

5,

7.0

o

00 o":

E

50

o

..:

~2

-c

CORRIENTE DE ENTRADA DE OFFSET COMO FUNCIÓN DE LA TEMPERATUHA AMBIENTE

::;:

a:

ur 1o Z WW 1- w Z o !!!Z

RESISTENCIA DE ENTRADA COMO FUNCiÓN DE LA TEMPERATURA AMBIENTE

8 18L----'~~-~~~~~~~ o TEMPERATURA,

·C

(Fairchild).

En el circuito de la figura 27-3 una señal en sentido positivo en la entrada desarrollará en la salida una señal en sentido _ En el circuito de la figura 27-4 un voltaje de + 1.5 V de cd en la entrada producirá un voltaje de V en la salida,

7. 8.

En la figura 27-6, RF = 10000 n = RI = R2. Si VI = V2 = - 1.5 V, el voltaje de salida es V En la figura 27-6, RF = 10000 n = RI = R2· Si VI = + 1.5 V Y V2 -1.5 V, el voltaje de salida es ______ V


188


2 7

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO


de un amplificador

operacional

inversor

Vpp

Fuente de alimentación: fuente de bajo voltaje de cd doble variable regulada. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador de onda senoidal de audiofrecuencia (AF); caja de resistores (5 de O a 99999). Resistores: Dos de 10 000 0,560 kO a l1z W. Semi conductor: 741 C. Otros: dos interruptores de un polo un tiro (se podrían utilizar interruptores de un polo dos tiros para reemplazar los de un polo un tiro); dos baterías de 1.5 V.

Ganancia RF'

n

RR'

n

Salida

Entrada

(vsalVent)

Fase

10000 5000 10 000

3333 2500 20000 30000

Ganancia de un amp op 1.

2. 3.

.

Conecte el circuito de la figura 27-9. RF = RR = 10 000 O. SI Y S2 están abiertos. Fije cada fuente a 9 V. Establezca el generador de onda senoidal a 1 000 Hz, y salida cero. Conecte el osciloscopio a la salida del amplificador operacional. Sincronice en forma externa el sine/disparo del osciloscopio a la salida del generador. Cierre SI y S2' Incremente de manera gradual la salida del generador justo por debajo del punto donde la forma de onda se distorsiona. Mida y registre en la tabla 27-1 la señal de voltaje de salida pico a pico. Ésta es la señal de salida máxima sin distorsión para los resistores de realimentación en el circuito.

4.

5. 6. 7. 8.

Mida con el osciloscopio y registre en la tabla 27-1 la señal de entrada, Vent, al amplificador (salida del generador de señal). Calcule y registre la ganancia del amplificador (vsa/venJ. Compare la fase de las señales de entrada y de salida e indique en la tabla 27-1 si están o no desfasadas 180°. Reduzca la salida del generador hasta O. Repita los pasos 3 al 7 para cada valor de RR en la tabla 27-1. Use una caja de resistores para obtener los valores requeridos de RR'

Amplificador 9. 10.

s, 11.


no inversor

Abra SI y S2' Modifique el circuito para conformarlo como el de la figura 27-10. Las fuentes de alimentación permanecen conectadas como en la figura 27-9, cada una a 9 V. La salida del generador está en 1 000 Hz, O V. Cierre SI y S2' Para cada valor de RF y RR complete y registre los datos requeridos en la tabla 27-2 con el mismo procedimiento que en la tabla 27-1.

inversor experimental.


A M l' L 1 F 1 C A D O R

O P E R A C ION

A L

(A M P

189

O P)

R,

741C

6 741

3

Figura Figura

27-10. Amplificador

13. 14. 15. 16. 17.

18.

19.

>-'''-*~

27-11. Circuito sumador

experimental.

no inversor experimental.

Amp op como sumador inversor 12.

e

3 +

.

Abra SI y S4. Mantenga las fuentes de alimentación conectadas como en la figura 27-9, cada una a 9 V. Modifique el circuito experimental como en la figura 27-11. RF = RI. = R2 = 10 000 n. Use una caja de resistores para R2. VI Y V2 son baterías de 1.5 V. Cierre SI' S2 y S3. S4 está abierto. Mida y registre VI y Vsal en la tabla 27-3. Abra S3. Cierre S4. Repita el paso 13. Cierre S2. S3 y S4 ahora están cerrados. Mida y registre Vsal y Vent. Invierta la polaridad de VI. Mida y registre Vsal y Vent con SI y S2 cerrados. Modifique el circuito del sumador de manera que con las entradas de 1.5 V de la figura 27-11 se tenga casi Vsal = -4.5 V. Muestre los valores de todos los resistores y las polaridades de VI y V2. Mida el voltaje de salida y regístrelo en una tabla en especial preparada para ello. Modifique el circuito sumador de manera que con las entradas de 1.5 V, el voltaje de salida sea de casi + 1.5 V. Muestre y registre los valores de todos los resistores y las polaridades de VI y V2. Determine con experimentos si existe un límite práctico sobre la ganancia sin distorsión del amplificador operacional inversor. Registre el máximo voltaje y ganancia.

TABLA 27-2. Amplificador

operacional

no inversor

v pp RF'

n

RR'

n

Salida

Entrada

Ganancia (v sa¡lv ent)

Fase

10 000 5000 10 000

3333 20000 30000

TABLA 27-3. Amplificador

Condición

S4

S3

operacional

como sumador

Polaridad de la entrada

Ven!' V

VI

V2

Abierto

Cerrado

+

X

Cerrado

Abierto

X

+

Abierto

Abierto

+

+

Abierto

Abierto

-

+


VI ,

V2 X

X

Vsal' V

190


2 7

PREGUNTAS l.

2.

3.

¿La onda senoidal de salida máxima del amplificador operacional varía con la ganancia del amplificador? Considere los datos experimentales para confirmar su respuesta. ¿Cuál es la relación, si existe, entre la polaridad de la salida y los voltajes de entrada en su amplificador operacional experimental? Mencione sus datos. ¿Cuál es la relación, si existe, entre la ganancia del amplificador inversor experimental y RF Y RR? Tenga en cuenta los datos experimentales para sustentar su respuesta.

4.

5.

6.

¿Los datos en la tabla 27-1 corroboran la fórmula de la gananci~ (R¡;IRR) en cada casó? Muestre sus cálculos. ¿Los datos de la tabla 27-2 ~onfirman la fórmula de la ganancia para un amplificador no inv.ersor en cada caso? Muestre sus cálculos. ¿En qué paso del procedimiento el sumador funcionó como sustractor?


EXPERIMENTO ~

,

CARACTERISTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

INFORMACiÓN

BÁSICA

La figura 28-1 muestra el diagrama esquemático simplificado de un amplificador operacional 741.

o., R2

09

R3 Os

07

-VEE

Vsal

010

Cc +VCC

05 06

o. R,

-VE

Figura 28-1. Diagrama esquemático

simplificado

para un 741 Y otros amp ops típicos.


J 92

E

xPE

R 1M E N T O

2 8

Etapa de entrada ................................ ......... . ....... . Ql y Q2 forman un amplificador diferencial que se polariza mediante Q14 y actúa como fuente de corriente constante (la cual se estudió en el experimento 25). El amplificador diferencial excita una carga activa que consta de Q3 y Q4. Una señal de entrada, Venl> produce una corriente amplificada que va hacia la base de Qs .

sistores de la salida final (Q9 o QlO), cualquiera que esté conduciendo. El cargado activo (que usa transistores como cargas en vez de resistores) es muy popular en circuitos integrados porque es sencillo y económico de fabricar sobre un chip transistores en lugar de resistores. Los circuitos integrados digitales de óxido metálico semiconductor (MOS) usan cargado activo casi en forma exclusiva; en estos CI un transistor de efecto de campo de óxido metálico semiconductor (MOSFET) es la carga activa de otro MOSFET.

Segunda y tercera etapas ..................... . La segunda etapa es un seguidor-emisor, Qs. Éste incrementa la impedancia de entrada de la tercera etapa, Q6' por un factor de ~ . El transistor Q6 actúa como excitador para la etapa de salida.

Etapa de salida .................................... . La última etapa es un seguidor-emisor en contrafase clase B (Q9 y Q10) · Debido a la alimentación dividida (voltajes positivo y negativo iguales), la salida en el punto de operación (sin señal) es idealmente O V. Ql es parte de una red de polarización de salida que produce una pequeña corriente de reposo y elimina la distorsión por cruce. Los diodos Q7 y Qs se conocen como diodos de compensación; éstos tienen curvas V-I que corresponden a las curvas de los diodos base-emisor de Q9 y QlO. Los diodos compensan los cambios en temperatura que de otro modo incrementarían la corriente de reposo a niveles peligrosos.

Capacitor de compensación

El C c se denomina capacitor de compensación. En general de 30 pF, este capacitor tiene un gran efecto en la respuesta en frecuencia y previene oscilaciones (señales no deseadas que produce el amplificador).

Corriente de polarización de entrada ...... . El amplificador operacional de la figura 28-1 equivale al que está dentro del encapsulado de un CI. Para que el circuito trabaje, es necesario conectar las fuentes de alimentación Vcc y VEE , pero esto no es todo. También se deben conectar los retornos de cd externos para las corrientes flotantes de entrada a las bases. En otras palabras, las corrientes de base de Ql y Q2 deben fluir hacia tierra para cerrar el circuito, dado que las otras terminales de las fuentes de alimentación están aterrizadas. Las resistencias externas iguales conectadas a las entradas harán que fluyan corrientes de base parecidas en valor, pero no necesariamente iguales. Cuando a través de las resistencias externas fluyen corrientes de base algo diferentes, éstas producen un des balance o pequeño voltaje diferencial de entrada que representa una señal de entrada falsa. Cuando se amplifica, esta pequeña entrada de desbalance produce un offset en el voltaje de salida. La corriente de polarización de entrada que contienen las hojas de datos es el promedio de las dos corrientes de entrada en las bases. Esto dice a uno más o menos cuánto es cada una de las corrientes de entrada. Como guía, mientras más pequeña es la corriente de polarización de entrada, más pequeño es el desbalance. En el peor de los casos, el 741 tiene una corriente de polarización de entrada de 500 nA que es aceptable en muchas aplicaciones. Sin embargo, en aplicaciones críticas sería preferible usar un amplificador operacional de una generación posterior.

Cargado activo .................................... . Corriente offset de entrada ................... . Todas las etapas colector-emisor (CE) que hasta aquí se han estudiado usan cargas pasivas (resistores, primarios de transformadores, etcétera). La figura 28-1 es un ejemplo de una etapa CE (Q6) que excita una carga activa (Qll). Idealmente, Qll actúa como fuente de corriente constante; por lo tanto, su impedancia tiende a infinito. Debido a esto, cualquier corriente a la salida de Q6 se fuerza hacia los tran-

La corriente offset de entrada es la diferencia entre las dos corrientes de entrada excitadas a partir de una fuente común. Ésta dice a uno qué tan grande es una corriente respecto a la otra. En el peor de los casos, el 741 tiene una corriente offset de entrada de 20 nA. Esto significa que se podrían encontrar hasta 20 nA más de corriente en la base de uno de


e A R A e TER Í s TIC A s

los transistores que en la otra. Una vez más, la guía general es ésta: mientras menor es la corriente offset de entrada, mejor es el amplificador operacional.

DEL A M P L I F I

eADoR oPER

A

e ION A L 193

SOBREEXCITACiÓN

~ (a)

Voltaje offset de entrada ....................... . El voltaje de salida ideal deberá ser O cuando el voltaje entre las entradas inversora y no inversora es O. En realidad, el voltaje de salida podría tener aún un ligero offset o desbalance. Este offset de salida lo causan las disparidades internas, tolerancias y así en forma sucesiva. En otras palabras, aun si las entradas inversora y no inversora se ponen en corto circuito una con otra para eliminar el efecto de la corriente de polarización de entrada, la salida podría tener un ligero offset a partir de O. El voltaje offset de entrada es el voltaje de entrada diferencial entre las entradas inversora y no inversora necesario para eliminar el voltaje de salida en el punto de operación. Por ejemplo, un 741 tiene un voltaje offset de entrada en el peor de los casos de 5 m V. Por lo tanto, en condiciones sin señal, se pod-ría aplicar una entrada diferencial de 5 mV para producir de manera exacta un voltaje de salida de O V. La razón de rechazo en modo común (CMRR, common mode rejection ratio) se definió para un amplificador diferencial y se estudio en el experimento 25. CMRR=

A DM

(28.1)

La CMRR de un 741 es casi de 30000. Al dar señales de entrada en modo común y en modo diferencial iguales, la señal en modo común será 30 000 veces más pequeña que la señal en modo diferencial en la salida del 741. Muchas formas de interferencia como voltaj"s estáticos, voltajes de rizo y voltajes de ruido inducidos excitan un amp op como señales en modo común. Como resultado, és-

(b)

Figura 28-2. La sobreexcitación produce el límite de la rapidez de respuesta.

tas se amplifican muy poco en comparación con la señal deseada que excita al amp op en modo diferencial.

Rapidez de respuesta ........................... . Entre todas las especificaciones que afectan la operación en ca del amplificador operacional, la rapidez de respuesta es la más importante porque establece un límite severo en la operación en señal grande. La rapidez de respuesta define como la razón máxima a la que puede cambiar el voltaje de salida. Por ejemplo, el 741 tiene una rapidez de respuesta típica de 0.5 volts por microsegundo (V/j-Ls). Ésta es la velocidad de cambio final de un 741 típico; su voltaje de salida no puede cambiar más rápido de 0.5 V/j-Ls. Si un 741 se excita con un escalón de entrada grande, la salida cambia de dirección (sube linealmente) como muestra la figura 28-2. Éste toma 20 j-LS para voltaje de salida que cambia de Oa 10 V (excursión nominal de la salida). Es imposible para la salida de un 741 típico cambiar más rápido que esto. Sin entrar en detalles, el capacitor de compensación, Ce. de la figura 28-1 es la causa de la rapidez de respuesta, la cual debe cambiar antes de que el voltaje se incremente. También se puede obtener el límite de la rapidez de respuesta con una señal senoidal. La figura 28-3a) muestra una

+10

PENDIENTE

:5

v

SR / " ,

~~ \ "-/,'

"

.... / /

- 10V (al

- 10V

(bl

Figura 28-3. Distorsión debida a la rapidez de respuesta de una onda senoidal.


194


2 8

10,000 8000 6000

"<,

4000

" "-

1"-

""-

t-,

"

"

-,

"- ~R

1'\

"'1' 1000 800 600

"

N I

6

l'\.

~

2000

400

"- i"!R

1'\

1'\ SR =5V/p.s

" <,

= 0.5 V /P.S

r-,

200

= 50 V/p.s

1"-

1'\

t-, 1'\ "1\

"'''1\ 100 80 60

"

"<,

40

1"~

20

1'\:~1\ 10 .01

.02

.04 .06

.2

.1

.4.6

v" Figura 28-4. Intercambio

l' . ~ I

..

,,!!II"

I t

~.'

.' '

j

.8 1

4

2

6 810

(V)

de amplitud por ancho de banda.

onda senoidal con un valor pico de 10 V. Mientras la pendiente inicial de la onda senoidal sea menor o igual a la rapidez de respuesta, SR' no hay límite de la rapidez de respuesta. Pero cuando la pendiente inicial de la onda seno id al es mayor que SR' se tiene una distorsión por la rapidez de respuesta como ilustra la figura 28-3b). La salida empieza a verse triangular; mientras mayor es la frecuencia, menor será la excursión y más triangular la forma de onda.

Ancho de banda

.

La distorsión debida a la rapidez de respuesta de una onda senoidal inicia en el punto donde la pendiente inicial de la onda senoidal se iguala a la rapidez de respuesta del amplificador operacional. La frecuencia máxima a la cual puede operar el amplificador operacional sin distorsión es

(28.2) ,.99nde fmáx = frecuencia más alta sin distorsión SR = rapidez de respuesta del amp op Vp = voltaje pico de la onda senoidal de salida

Por ejemplo, si la onda senoidal de salida tiene un voltaje pico de 10 V Y el amp op una rapidez de salida de 0.5 V/¡LS, la frecuencia máxima para operación en señal grande es

fmáx=

0.5 V/¡LS X 10 V

2'IT

=

7.96 kHz

(28.2)

La frecuenciafmáx se denomina ancho de banda del amplificador operacional. Se ha encontrado justamente que el ancho de banda a 10 V de un 741 es casi de 8 kHz, lo cual significa que el ancho de banda sin distorsión para operar en señal grande es 8 kHz. Si trata de amplificar señales a frecuencias más altas del mismo valor pico obtendrá distorsión debida a la rapidez de respuesta.

Intercambio

.

Una forma de incrementar el ancho de banda es aceptar un voltaje pico menor. La figura 28-4 es una gráfica de la ecuación (28.2) para la rapidez de respuesta en tres casos. Mediante el intercambio de amplitud por frecuencia, se puede mejorar el ancho de banda. Por ejemplo, si las amplitudes pico de 1 V son aceptables en una aplicación, el ancho de


eA

R A

e TER Í s TIC

banda de un 741 se incrementa a 80 kHz (curva inferior). Si el amplificador operacional tiene una rapidez de respuesta de 50 V/IJ-S (curva superior), su ancho de banda a 10 V es de 800 kHz, y su ancho de banda a 1 V es de 8 MHz.

A

s oEL

11.

A M P L 1F 1e A

ooR oPERAe

ION A L

195

Un 741 típico tiene un ancho de banda a 10 V de 8 kHz. Una forma de incrementar el ancho de banda es tener una amplitud menor en la señal de salida. Otra forma es conseguir un amplificador operacional con rapidez de salida más alta.

RESUMEN

1. 2.

3.

4.

5.

6. 7.

8.

9.

10.

En un 741 la primera etapa es un amplificador diferencial. La etapa de salida de un 741 es un seguidor-emisor en contrafase clase B. Una pequeña corriente de reposo elimina la distorsión por cruce. En algunas etapas el 741 usa cargado activo. Esto significa que usa transistores como cargas en lugar de resistores. El capacitor de compensación en el interior del amplificador operacional controla la respuesta en frecuencia y previene oscilaciones. La corriente de polarización de entrada es el promedio de las dos corrientes de base en la etapa de entrada de un amplificador operacional en condiciones sin señal. La corriente offset de entrada es la diferencia de las dos corrientes de base. El voltaje offset de entrada es el voltaje de entrada necesario para eliminar el voltaje de salida en el punto de operación. La CMRR de un amplificador operacional es el cociente de la ganancia en modo diferencial entre la ganancia de voltaje en modo común. La rapidez de respuesta es la razón máxima a la que puede cambiar el voltaje de salida. Un 741 tiene una rapidez de salida típica de 0.5 V/IJ-s. El ancho de banda de un amplificador operacional es la frecuencia sin distorsión más alta que un amplificador operacional puede entregar; éste es directamente proporcional a la rapidez de respuesta e inversamente proporcional a la amplitud.

AUTOEVALUACIÓN

...•...............................

~

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1. 2. 3.

4.

5. 6.

7.

8.

9.

La etapa de entrada de un 741 es un amp _ _ __ La etapa de salida de un 741 es un seguidor-emisor _ _ _ _ _ _ _ clase B. En algunas etapas, el 741 usa cargado _ _ _ __ lo cual significa que las cargas son en lugar de cargas resistivas. La corriente de polarización de entrada de un amp op es el de las dos corrientes de entrada a las bases en condiciones sin señal. La corriente _ _ _ ___ de entrada es la diferencia de las dos corrientes de entrada a las bases. El voltaje de entrada es el voltaje de entrada diferencial necesario para eliminar el voltaje de salida en el punto de operación. La CMRR de un amp op es el cociente de la ganancia de voltaje en entre la ganancia de voltaje en ________ Un 741 tiene una respuesta de 0.5 V/ IJ-s. Ésta es la razón más rápida a la cual puede cambiar el _________ El ancho de banda es la frecuencia sin distorsión -:-_ _ _ _ _ _ _de un amplificador operacional. Éste depende de la de respuesta del amplificador operacional y de la señal de salida.

!


196


2 8

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

TABLA 28·1. Voltajes de retorno de cd

Dos fuentes de alimentación: 15 V. Equipo: generador de ea, osciloscopio. Resistores: dos de 100 ,0,; 1, 10, 100 k'o', dos de 220 k'o' a Potenciómetro: 5 k'o' (o el valor disponible más cercano). Amplificadores operacionales: tres 741C. Capacitores: dos de 1, 10 ¡.¡.,F

+w

lnversora

No inversora

Primer 741C Segundo 741C Tercer 741C

TABLA 28·2. Corrientes

de polarización

calculadas

Corriente de polarización

Corriente de polarización de entrada l. 2.

3.

4. 5. 6. 7.

8.

Primer 741C

Conecte el circuito de la figura 28-5a). Los voltajes de cd que se van a medir están alrededor de la región de milivolts. Una forma conveniente de medir estos voltajes es con un osciloscopio usando su entrada vertical de cd. Conecte la entrada vertical del osciloscopio a la entrada inversora del amp op. (Si la señal tiene rizo excesivo y ruido, inserte el filtro que muestra la figura 28-5b). Este filtro permitirá el paso de la cd, pero detendrá la ea.) Registre el voltaje de cd en la tabla 28-l. Conecte el punto A a la entrada no inversora. Registre el voltaje de cd en la tabla 28-1. Reemplace el amplificador operacional por otro 741C y repita los pasos 3 y 4. Reemplace el amplificador operacional por un tercer 741C y repita los pasos 3 y 4. A partir de la ley de Ohm y la tabla 28-1 calcule las corrientes de entrada para el primer amplificador operacional. Promedie estas dos corrientes e ingrese el resultado en la tabla 28-2. (Esto es lo que el fabricante llama "corriente de polarización de entrada".) Repita el paso 7 para el segundo y tercer amp ops.

Segundo 741C Tercer 741C

Voltaje offset de salida··························· 9.

10. 11.

Conecte el circuito de la figura 28-6a). Mida el voltaje de salida de cd (terminal 6) y registre el resultado en la tabla 28-3. Repita el paso 9 para el segundo y tercer amp ops. Como se estudió en el experimento 27, la ganancia de voltaje es casi igual al cociente del resistor de realimentación entre el resistor de entrada. En la figura 28-6a) esto significa que la ganancia de voltaje es más o menos 1 000. Con los voltajes de salida de la tabla 28-3 calcule el voltaje offset de entrada mediante sal v:ent ---- 1V000

(28.3)

Registre los voltajes offset de entrada en la tabla 28-3.

OSCILOSCOPIO

+15 V 220kH

2

de entrada

7 100 kH

6 220 kH

ENTRADA DECD

A

Ibl

(a)

Figura 28-5. Circuito para medir la corriente de polarización

de entrada.


e

A R A

e

TER

Í

s TIC

A

s

DEL

A M P L 1F 1e A D

o

o

R

e

P E R A

ION

A L

197

100 kn

10Ókn

+15 V

+15 V

l~F

100n

2

7

71

6

=

100n

=

3

4

+ 1

r=

1JlF

5

kn -15V

-15 V (b)

(a)

Figura 28-6. Circuito para medir el voltaje offset de entrada.

12.

Adicione un potenciómetro de 5 kD al circuito de la figura 28-6b). Observe el voltaje de salida (terminal 6) con un osciloscopio. Ajuste el potenciómetro hasta que el voltaje offset de salida sea O. (Así se elimina el voltaje offset de salida.)

Rapidez de respuesta 13. 14.

15.

TABLA 28-3. Voltajes offset Vsal

Vent

16. 17.

.

Conecte el circuito de la figura 28-7. Use el osciloscopio para observar en la salida del amp op (terminal 6). Fije el generador de ea a 10 kHz. Ajuste el nivel de señal para sobreexcitar al amp op, y así ajuste la escala de tiempo del osciloscopio para obtener un par de ciclos como describe la figura 28-7b). Mida el cambio de voltaje, Ll V, Y el cambio de tiempo, LlT, de la forma de onda (figura 28-7b). Registre los resultados en la tabla 28-4. Repita el paso 15 para los otros 741C. Calcule la rapidez de respuesta mediante

Primer 741C

(28.4) Segundo 741C

Registre la rapidez de respuesta de cada caso en la tabla 28-4.

Tercer 741C

Figura 28-7. a) Medición de la rapidez de respuesta,

b) forma de onda típica.


198


2 8

Ancho de banda

TABLA 28-4. Rapidez de respuesta

~v

~V

SR

18.

Primer 741C Segundo 741C 19.

Tercer 741C

.

Mediante el circuito de la figura 28-7a), fije el generador de ea a 1 kHz. Ajuste el nivel de la señal para obtener una salida de 20 V pp del amplificador operacional. Incremente la frecuencia y vea la forma de onda. En algún lugar después de 10 kHz, la distorsión por la rapidez de respuesta se hace evidente ya que la forma de onda parecerá triangular y la amplitud disminuirá. ¿Cuál es la frecuencia donde esto comienza a presentarse? Éste es el ancho de banda del amplificador operacional.

PREGUNTAS l.

2.

3.

Un amplificador operacional tiene una rapidez de respuesta de 2 V/¡Ls. Si una señal de entrada grande sobreexcita el amplificador operacional, ¿qué tanto tomará la salida para cambiar de -10 a + 10 V? ¿Cuál es el ancho de banda de potencia a 10 V de un amplificador operacional con una rapidez de respuesta de 5 V/¡Ls? Use la corriente de polarización de entrada más alta de la tabla 28-2. ¿En forma aproximada qué tanto voltaje produce esta corriente a través de los resistores de 100 n del circuito de la figura 28-6?

4.

5. 6.

Use la corriente de polarización de entrada más grande de la tabla 28-2 para probar lo siguiente: si los resistores de 200 kn en la figura 28-5a) se reemplazan por resistores de 1 Mí], aproximadamente, ¿qué voltaje de cd habrá a través de estos resistores? Calcule el ancho de banda de potencia a 10 V de los tres 741C de este experimento. ¿Cuál es el ancho de banda de potencia a 0.5 V de los tres 741C de este experimento?


EXPERIMENTO

~

,

REALIMENTACION NEGATIVA


En un sistema de control realimentado se muestrea la salida y una fracción de ésta se envía a la-entrada. La señal de retorno se combina con la entrada original y se producen cambios poco usuales en el desempeño del sistema. Realimentación negativa significa que la señal de retorno tiene una fase opuesta a la de la señal de entrada. Las ventajas de la realimentación negativa son: estabilización de la ganancia, mejoría en las impedancias de entrada y salida e incremento en el ancho de banda.

Idea básica ......................................................... . Aquí está el porqué se estabiliza la ganancia. Suponga que la ganancia de un amplificador (A) se incrementa por el cambio de temperatura o alguna otra razón. El voltaje de salida aumentará. Esto significa que se alimenta más voltaje negativo de regreso a la entrada. El voltaje realimentado se sustrae del voltaje de entrada, disminuyendo la salida, al compensar casi por completo el incremento en la ganancia de voltaje A. El resultado es tal que el Vsal se incrementa fuertemente por completo. Un análisis similar se aplica a la disminución en la ganancia de voltaje A. Si A disminuye por alguna razón, el voltaje de salida disminuye. A su vez, el voltaje realimentado disminuye, compensando casi por completo la disminución original en la ganancia d", voltaje A. Como resultado, el voltaje de salida muestra sólo una ligera disminución.


200


29

Ganancia de voltaje con realimentación negativa .............. .... ...... . Un análisis matemático de un amplificador con realimentación negati va conduce a esta fórmula para la ganancia del voltaje

Impedancias de entrada y de salida .... ... . La realimentación negativa también afecta las impedancias de entrada y de salida. Se puede mostrar que la impedancia de entrada de un amplificador no inversor es ALA Zent(LC)

A l+AB

A-

(29.5)

Zent(LA)

LC

(29.1)

donde A es la ganancia interna en lazo abierto del amplificador y B, la ganancia del amplificador realimentado en lazo cerrado. Para que la realimentación negativa sea efectiva el producto AB debe ser mucho más grande que l . Cuando se satisface esta condición, la ecuación (29.1) se reduce a

B

=

(29 .2)

Este resultado es importante. ¿Por qué? Porque éste dice que la ganancia de voltaje global no depende ya de la ganancia interna A, sino de la temperatura y de los transistores . En cambio, la ganancia depende sólo del valor de B. El circuito de realimentación es en general un divisor de voltaje con resistores de precisión. Esto significa que B es un valor exacto y estable. Por ello, la ganancia de voltaje de un circuito con realimentación negativa se convierte en un valor como roca sólida igual a 11B. Por ejemplo, si B = 0.1, entonces la ganancia es 10. Si B = 0.1, entonces la ganancia es 100.

Ganancia en lazo abierto y en lazo cerrado···· ············· ··· ············· ···· La ganancia interna A se denomina ganancia en lazo abierto porque es la que se obtendrá si el lazo se abre. Por otro lado, la ganancia global con realimentación se llama ganancia en lazo cerrado ya que es la ganancia que se obtendrá cuando hay un lazo cerrado o trayectoria de señal alrededor de todo el circuito. Esto es porque las ecuaciones (29.1) y (29 .2) a menudo aparecen como

Esto significa que la impedancia de entrada se incrementa en un factor de ALA/A Lc. Por ejemplo, suponga que el amplificador tiene una impedancia de entrada en lazo abierto de 1 kü y ALA/A LC es 100; entonces Zent(LC)

=

100

X

1 kü = 100 kü

La realimentación negativa tiene un efecto diferente sobre la impedancia de salida de un amplificador no inversor. Al obtenerla mediante matemáticas avanzadas muestra que Z

_ sal(LC) -

Zsal(LA)

A lA LA

(29.6)

LC

Esto expresa que la realimentación negativa reduce la impedancia de salida mediante un factor ALA/A w Por ejemplo, si el amplificador interno tiene una impedancia de salida de 100 Ü y ALA/A LC es 100, entonces 100 Ü = 1 Ü 100

Zsal(LC)

El amplificador operacional como un amplificador no inversor ............ ... ........ . La figura 29-1 muestra un amp op que se usa como amplificador no inversor con realimentación negativa. La señal de entrada excita la entrada no inversora del amp op. El amp op provee una ganancia en lazo abierto de ALA. Los resistores externos, RI y R2 , forman un divisor de voltaje como

Vent

0-----1 +

(29.3)

,,>--,---
y

1

A LC = B

R,

(29.4)

donde A LC es la ganancia en lazo cerrado y ALA la ganancia en lazo abierto.

Figura 29-1. Amp op no inversor con realimentación negativa.


R E A L 1 M E N T A CIÓ N

realimentación. Puesto que el voltaje de realimentación de retorno excita la entrada inversora, éste se opone al voltaje de entrada. En otras palabras, la realimentación es negativa. La fracción del voltaje de salida que se alimenta de regreso a la entrada es

N E G AT 1VA

rrado. En este punto, la ganancia en lazo cerrado empieza a caer de manera notable. La frecuencia en la que la ganancia en lazo cerrado decrece hasta 0.707 de su valor máximo se denomina frecuencia de corte en lazo cerrado. Al obtenerla mediante matemáticas avanzadas resulta ALA fLe = -A fLA Le

Por lo tanto, la ganancia en lazo cerrado aproximada es ALe =

201

(29.8)

Por ejemplo, sifLA es 10 Hz y ALA/ALe es 1 000, entonces fLe

= 1000 X 10 Hz = 10 kHz

B

la cual normalmente se escribe como (29.7) Esto significa que la ganancia en lazo cerrado depende sólo del cociente de los resistores de realimentación. Como antes se indicó, estos resistores pueden ser de precisión, lo cual significa que se obtendrá un valor preciso de la ganancia en lazo cerrado. Sin importar el cambio de temperatura o el reemplazo del amplificador operacional, la ganancia en lazo cerrado tiene un valor como roca sólida. Para que la ecuación (29.7) sea exacta en 1 por ciento, la ganancia en lazo abierto debe ser al menos 100 veces mayor a la ganancia en lazo cerrado. (En forma simbólica, ALA/ALe> 100.) Por ejemplo, el 741C tiene una ganancia en lazo abierto típica de 100 000. Mientras la ganancia en lazo cerrado es menor a 1 000, la ecuación (29.7) es exacta en 1 por ciento.

Frecuencia superior de corte ................ . El amplificador operacional de la figura 29-1 no tiene frecuencia inferior de corte puesto que está acoplado en forma directa, pero sí tiene frecuencia superior de corte en lazo abierto designada comofLA. La frecuencia superior de corte en lazo cerrado, fw del amplificador global es mayor que lafLA por la realimentación negativa. Lo siguiente es el porqué. Cuando la frecuencia de entrada aumenta, al final se alcanza la frecuencia interna de corte, fLA. En esta frecuencia la ganancia en lazo abierto disminuye a 0.707 de su valor máximo. Debido a que de regreso alimenta menos voltaje negativo a la entrada, el voltaje de entrada se incrementa. Como resultado, la ganancia en lazo cerrado casi no disminuye. A medida que la frecuencia de entrada se mantiene en aumento, la ganancia en lazo abierto continúa disminuyendo hasta que se aproxima al valor de la ganancia en lazo ce-

Producto ganancia por ancho de banda constante .................................. . La ecuación (29.8) se puede reacomodar como (29.9) El segundo miembro de esta ecuación es el producto de la ganancia interna y de la frecuencia de corte. Por ejemplo, el 741C tiene una ALA típica de 100000 y unafLA de 10 Hz. Por lo tanto, el producto de su ganancia interna y la frecuencia de corte es ALAfLA

= 100000

X

10 Hz

= 1 MHz

Esto expresa que el producto de la ganancia interna o en lazo abierto y el ancho de banda del 741C es igual a 1 MHz. El primer miembro de la ecuación (29.9) es el producto de la ganancia en lazo cerrado y la frecuencia de corte en lazo cerrado. No importa qué valores tengan Rl y R2 en la figura 29-1, el producto de AL(;iLe debe ser igual al producto de ALAfLA. En otras palabras, el producto de la ganacia en lazo cerrado y ancho de banda es igual al producto de la ganancia en lazo abierto y ancho de banda. Dado un 741C típico, el producto ALefLe siempre es igual a 1 MHz, sin considerar los valores de Rl y R2 . La ecuación (29.9) con frecuencia se resume diciendo que el producto ganancia por ancho de banda es una constante. Por esta razón, aun cuando ALe YfLe cambien cuando los resistores externos cambian, el producto de estas dos cantidades permanece constante para un amp op en particular.

Frecuencia a ganancia unitaria .............. . La figura 29-2 ilustra la repuesta en lazo abierto, denominada traza de Bode para un 741C típico. La ganancia en lazo


202


2 9

fLA 100,000 1---"':+'''/_-+._- +---1--1----1 ~ 70,700--"",,1',

100,000 70,700 w -,

g

0 1 ,000

~ :....J o

~

1000

1 ~_.+.-.

r-,

I

~

i

I

10r--~---+---+---+-~~--~

I 10Hz 1 Hz

i

I

I

!

1kHz

100 Hz

~

Ü

1000 GANANCIAE~ LAZO CERRADO

-c

100 70.7

- --

-- -

el

~ ¡

I'\..

---

=

funilaria

Le

f

~vitaria

-. ~

1

1

100kHz I 10 kHz 1 MHz

I

10 Hz

1 kHz

1 Hz

100 Hz

de voltaje contra frecuencia

funitaria

1/

100 kHz I 10 kHz 1 MHz

I

FRECUENCIA para un 741 C

abierto tiene un valor máximo de 100 000. Cuando la frecuencia de operación se incrementa a 10 Hz, la ganancia en lazo abierto disminuye a 0.707 de su valor máximo. Con el aumento de la frecuencia, la ganancia continúa cayendo. Para frecuencias superiores a fLA, la ganancia disminuye a razón de un factor de 10 por cada década que se incrernenta la frecuencia. (Esto equivale a 20 dB/década.) Lafrecuencia a ganancia unitaria es la frecuencia donde la ganancia en lazo abierto ha disminuido hasta la unidad. En la figura 29-2, funilariaes igual a 1 MHz. Algunas veces las hojas de datos listan el valor de la funilariapuesto que representa el límite superior de la ganancia útil de un amplificador operacional. Por ejemplo, la hoja de datos de un 741C da unafunilariade 1 MHz, mientras la hoja de datos de un 318 lista una de 15 MHz. Aunque cuesta más, el 318 da una ganancia útil a frecuencias mucho más grandes que un 741C. Un punto final: debido a que la ganancia es 1 para una frecuencia de señal de funilaria,el producto ganancia por ancho de banda en lazo abierto de un amplificador operacional es igual a la funilaria.Por lo tanto, el producto ganancia por ancho de banda en lazo cerrado es AufLe

I~ =:»

10

FRECUENCIA

Figura 29-2. Ganancia típico.

GANANCIA EN I LAZO ABIERTO

/

10,000

w o

r-,

I

100r---r-~~-1--~r--~-~

--'"

>

--+--~--+----1-----1

~Z

[--1

;L~_

(29.10)

Dada lafunilariade cualquier amplificador operacional, de inmediato se sabrá el producto ganancia por ancho de banda en lazo cerrado. En otras palabras, sin importar los valores de R, y R2 de la figura 29-1, el producto de ALe YIce debe ser igual afunilaria.

en lazo abierto y en lazo cerrado.

Figura 29-3. Ganancias

W

100.000 70,700

O

10,000

--, ¡:: :....J

---;-~=T-r-<, /

---"""

> w

o
ALe

1000

=

1000

~ /

Ü Z
'LC

100

el

~

ALe = 10

10

-.-, /

'LC

1

I

1 Hz

10Hz

I 100 H?

I

1 kHz

10 kHz

fu nitaria

1/

100 kHz I 1 MHz

FRECUENCIA Figura 29-4. Otro ejemplo de ganancias cerrado.

Un resumen visual

en lazo abierto y en lazo

.

La figura 29-3 resume todas las ideas clave estudiadas hasta ahora. La ganancia en lazo abierto de un 741C está por debajo de 0.707 de su valor máximo cuando la frecuencia de la señal es fLA. ALA continúa disminuyendo hasta que se aproxima al valor de la ganancia en lazo cerrado. Entonces, ALe empieza disminuir. Cuando la frecuencia de la señal es igual a fLe, la ganancia en lazo cerrado está por debajo de


R E A L 1M E N T A C I Ó N

0.707 de su valor máximo. Por ello, las curvas para ALA y ALCse enciman y decrecen hasta la unidad enfunitaria' Si los resistores de realimentación se cambian, la ganancia en lazo cerrado cambiará a un nuevo valor y también lo hará la frecuencia de corte en lazo cerrado. La figura 29-4 ilustra las curvas de ganancia en lazo cerrado de 10 y 1 000. Observe el intercambio entre la ganancia y el ancho de banda. Cuando la A LC es 1 OOO,fLC es 1 kHz. Cuando la A LC es 10, fL C es 100 kHz. En otras palabras, al disminuir la ganancia en lazo cerrado, se puede incrementar el ancho de banda.

11 . 12.

N E G AT 1VA

203

El producto ganancia por ancho de banda en lazo abierto o en lazo cerrado es igual a funitaria' Dado que el producto ganancia por ancho de banda es una constante se puede intercambiar ganancia por ancho de banda. Esto significa que se puede disminuir la ganancia para obtener una frecuencia de corte más alta.

AUTOEVALUACIÓN

..••...•••....•...••............... RESUMEN

1. 2.

3.

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas .

E n un circuito realimentado la salida se muestra y una fracción de éste se envía de regreso a la entrada. La realimentación negativa significa que la señal de retorno tiene una fase opuesta a la de la señal de entrada. La ganancia interna se denomina ganancia en lazo abierto. La ganancia del circuito global es la ganan-

l. 2.

3.

cia en lazo cerrado. 4.

5.

6. 7.

8.

9.

10.

Para un amplificador no inversor con realimentación negativa, la ganancia de voltaje en lazo cerrado só lo depende de los valores de los resistores externos . La realimentación negativa incrementa la impedancia de entrada y disminuye la impedancia de salida de un amplificador no inversor. La realimentación negativa también incrementa la frecuencia superior de corte de un amplificador no inversor. El producto de la ganancia y la frecuencia superior de corte se denomina producto ganancia por ancho de

4.

banda.

7.

E l producto ganancia por anc ho de banda en lazo cerrado siempre es igual el producto ganancia por ancho de banda en lazo abierto. Dado un amplificador operacional particular, el producto ganancia por ancho de banda en lazo cerrado es una constante. La frec uencia donde la ganancia es igua l a la unidad se llama frecuencia a ganancia unitaria y se designa

5.

6.

8.

9.

El voltaje de error es la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de _ _ _ _ __ Si la ganancia en lazo abierto se incrementa completamente por alguna razón, la señal de realimentación de regreso se incrementa y el voltaje de error se La realimentación negativa incrementa la impedancia de de un amplificador no inversor. La realimentación negativa la impedancia de salida de un amplificador no inversor. Debido a que la ganancia en lazo cerrado es más pequeña que la ganancia en lazo abierto en un circuito con realimentación negativa, la frecuencia de corte en lazo cerrado es a la frecuencia de corte en lazo abierto. E l producto de ganancia y ancho de banda en lazo abierto o en lazo cerrado es igual para un amplificador operac ional en particular. Si la funitaria de un amp lificador operacional es igual a 2 MHz, el producto gana ncia por ancho de banda es igual a ______ Un c ircuito con realime ntación negativa tiene un producto ganancia por ancho de banda de 2 MHz. Si A LC = 100, ¿a qué es ig ual f Le? Suponga queA Lc = 1000 YfLe = 5 MHz. Si se cambian los resisto res de realimentación para obtener A LC = 200, ¿c uál es el nuevo valor de fLe?

por f..lnitaria.


204


2 9

PROCEDIMIENTO

Producto ganancia por ancho de banda

MATERIAL NECESARIO Fuentes de alimentación: dos de 15 V. Equipo: un generador de ea, un osciloscopio. Resistores: dos de 1 kil, uno de 10 kil, uno de 47 kil Y uno de 100 kil a 112 W. Amplificador operacional: 741C.

7.

8.

Ganancia en lazo cerrado 1. 2.

3.

4. 5.

6.

.

Incremente la frecuencia hasta que el voltaje de salida disminuya a 2.1 V pp. (Ésta es la frecuencia de corte suponiendo que el voltaje de entrada no cambia de manera significativa.) Registre la frecuencia de corte en la tabla 29-2. Calcule y registre el producto ganancia por ancho de banda. Repita el paso 7 para los otros valores de R2. Recuerde iniciar con una salida a 1 kHz con 3 V pp.

.

Conecte el circuito de la figura 29-5 con un R2 de 10 kil. Con un osciloscopio a través del resistor de salida de 1 kil, fije la frecuencia a 1 kHz Y el nivel de la señal a 3 V pp. Mueva las terminales del osciloscopio a la entrada (terminal 3) y mida el voltaje de entrada pico a pico. Registre este voltaje en la tabla 29-1. Calcule la ganancia de voltaje en lazo cerrado mediante vsalVent. Registre esta ganancia en la tabla 29-1. Mueva las terminales del osciloscopio a la entrada inversara (terminal 2) y mida el voltaje de realimentación. Registre el valor pico a pico en la tabla 29-1. Repita los pasos 2 a 5 para los otros valores de R2 de la tabla 29-1.


k!l

R2'

en lazo cerrado Vs.1'

V PP

10

3

47

3

100

3

TABLA 29-2. Producto ganancia R2'

k!l

Vent

ALC

Bvs.1

por ancho de banda !Lc

ALC!Lc

10

47 100

Intercambio +15 V

9.

Debido a los errores de medición, tolerancias, etcétera, los valores del producto ganancia por ancho de banda en la tabla 29-2 son sólo aproximaciones. Promedie los tres productos y anote el producto ganancia por ancho de banda promedio en la línea siguiente:

10.

Se requiere un amplificador con ancho de banda de 20 kHz. Calcule la ganancia de voltaje en lazo cerrado necesaria y registre la solución:

3

-¡

6

2 1kQ

=

vsal

-15V

= R2 1kQ

Figura 29-5.

.

~

ALC =


_

R E A L 1 M E N T A CiÓ N

11.

Si R¡ = 1 k!1, ¿cuál es el valor de R2 necesario para producir la ganancia de voltaje en lazo cerrado del paso lO?:

14.

N E G AT 1VA

205

Calcule la ganancia de voltaje en lazo cerrado para el paso 13 y registre la solución: A

LC

= ______

R 2 = _ _ _ _ __

Ésta debe ser casi igual a la A LC del paso 10. 12. 13.

Reemplace R 2 en el circuito con el valor de R 2 en el paso 11. (Use el valor disponible más cercano.) Parauna frecuencia de entrada de 1 kHz, mida el voltaje de entrada que produce una salida de 3 V pp. Registre el voltaje de entrada: Venl

= ------

PREGUNTAS 1.

2. 3.

Compare el voltaje de entrada y el voltaje de realimentación en la tabla 29-1. ¿A qué conclusión llegó? ¿Qué puede de~ir sobre el voltaje de error? Con la ecuación (29.7) calcule los valores teóricos de A LC para las resistencias de la tabla 29-1. Vea la tabla 29-2 y comente el enunciado: "El producto ganancia por ancho de banda en lazo cerrado es una constante para un amplificador operacional dado ."

4.

¿Cuál es la/unitaria para el amplificador operacional que se usó en este experimento? 5. ¿Cuál es el valor aproximado de Avfu. para el amplificador operacional de este experimento? 6. Suponga que cambia R2 a 240 k!1 en la figura 29-5. Mediante el producto ganancia por ancho de banda, ¿cuál es el ancho de banda? 7. ¿Cuál es la/u. para una Au. de 100 OOO?



EXPERIMENTO ~

,

CIRCUITOS BASICOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES

.. 1

INFORMACiÓN

1

BÁSICA

El amplificador no inversor con realimentación negativa es uno de los cuatro circuitos con realimentación negativa básicos. Estos cuatro circuitos básicos tienen diferentes efectos en las impedancias de entrada y de salida.

Amplificador de voltaje

.

La figura 30-1 muestra un amp op no inversor con realimentación negativa y es el circuito que se estudió en el experimento 29. Como se recordará, éste tiene una ganancia de voltaje estable, impedancia de entrada alta e impedancia de salida baja. De manera ideal, este circuito se aproxima a un amplificador de voltaje perfecto descrito mediante las ecuaciones: vsal

R2

-

RI

Vent

+

1

(30.1)

, Zent

=

00

(30.2)

Zsal

=

O

(30.3)

En un amplificador de voltaje ideal la ganancia es constante y la impedancia de entrada, infinita, lo cual significa que el amplificador no cargará al circuito que lo excita. También la impedancia de salida cero significa que


208


3 O

R

9-----1+

+ +

= = =

Figura 30-3. Convertidor de corriente a voltaje.

Figura 30-1. Amplificador de voltaje.

el amplificador puede excitar cargas resistivas pequeñas sin que disminuya la ganancia de voltaje. Con un 741 se puede construir un amplificador de voltaje que se aproxime al ideal. Si Av/ALe es mayor a 1 000, la impedancia de entrada está en megaohms y la impedancia de salida en fracciones de ohm. Idealmente, debido a la operación del amp op y a la impedancia de entrada infinita, los voltajes que se detectan en las entradas al amp op son iguales con respecto a tierra; esto es, V - = V +.

vent isal =

Zent =

2V

.

La figura 30-2 ilustra otro circuito con realimentación. Observe que la realimentación es negativa debido a que el voltaje de retorno se opone al voltaje de entrada. Dado que V- = V+, el valor de VR, el voltaje a través del resistor R, es igual a Vent. Con la impedancia de entrada (ZenJ infinita, la corriente en RL debe ser igual a la corriente en R (como un circuito en serie). Un análisis matemático del sistema muestra que actúa casi como convertidor de voltaje a corriente perfecto, un circuito con estas ecuaciones: r

t

1I

(30.5)

00

En un convertidor de voltaje a corriente perfecto, la corriente de salida sólo depende del voltaje de entrada y del valor de R. Por ejemplo, si vent = 2 V Y R = 1 kfl, entonces

isal =

Convertidor de voltaje a corriente

(30.4)

R

1 kfl

=2mA

Este circuito actúa como fuente de corriente que produce exactamente 2 mA a través de cualquier carga resistiva.

Convertidor de corriente a voltaje

.

La figura 30-3 ilustra el tercer tipo de circuito con realimentación negativa. Un análisis matemático muestra que el circuito actúa casi como convertidor de corriente a voltaje perfecto, un circuito descrito por las ecuaciones

¡ '1

,

\

,11

'1

• I

(30.6)

" isal

-

O

En un convertidor de corriente a voltaje perfecto, el voltaje de salida sólo depende de la corriente de entrada y del valor de R. Por ejemplo, ~i ient = 5 mA y R = 1 kfl, entonces

+

-L

Zsal =

Vent

R Vsal

-

Figura 30-2. Convertidor de voltaje a corriente.

= 1 kfl X 5 mA = 5 V

Puesto que V- = V+, la entrada invertida aparece como una tierra "virtual". Ésta es igual en voltaje a O V. Sin


e 1R e u 1T o S

B Á

s 1e o s e o N

A M P L 1F 1e A D

oRES o

P E R A

e

ION A L E

s 209

Un convertidor de corriente a voLtaje produce una corriente de salida que sólo depende de la cOrriente de entrada y del resistor, R. 5. Un convertidor de corriente a voltaje perfecto no cargará al circuito que lo excita. Además, a su voltaje de salida no le afectan las resistencias de carga pequeñas. 6. El ampLificador de corriente produce una ganancia de corriente más que una ganancia de voltaje. Éste tiene una impedancia de entrada baja y una impedancia de salida alta.

4.

-

-

¡sal

¡ent 0 - - - + - - - - - ;

RL

=

= Figura 30-4. Amplificador de corriente.

embargo, ésta no es tierra, de modo que toda la corriente de entrada fluye a través de R. La impedancia de salida cero significa que el circuito producirá 5 V, sin importar qué tan pequeña es la resistencia de carga.

AUTO EVALUACiÓN

...............................•..•

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. l.

El circuito de la figura 30-1 es un amplificador

2.

Un amplificador de voltaje tiene una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida _ _ _ __ Un amplificador de voltaje perfecto tendrá una ganancia de voltaje estable aun para resistores de carga muy

Amplificador de corriente···· ................. . 3. La figura 30-4 ilustra el cuarto tipo de circuito con realimentación negativa. El análisis del circuito muestra que actúa casi como amplificador de corriente perfecto con esta ecuación R

_2

Rl

+

1

(30.7)

-

4.

El circuito de la figura 30-2 es un convertidor

5. 6.

Si R L cambia en la figura 30-2, isal _ _ _ _ _ __ El circuito de la figura 30-3 es un convertidor

7.

El circuito de la figura 30-4 es un amplificador

Un amplificador de corriente perfecto proporciona una ganancia de corriente más que una ganancia de voltaje y no cargará al circuito que lo excita. Además puede forzar un valor fijo de corriente a través de una resistencia de carga de cualquier magnitud.

RESUMEN

Un ampLificador de voltaje proporciona una ganancia de voltaje estable, impedancia de entrada alta e impedancia de salida baja. 2. Un convertidor de voltaje a corriente produce una corriente de salida que sólo depende del voltaje de entrada y del valor del resistor, R. 3. El convertidor de voltaje a corriente perfecto no cargará al circuito que lo excita. Además, puede forzar una corriente fija a través de una resistencia de carga de cualquier magnitud. 1.


210


3 O

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO 1kn

Fuentes de alimentación: dos de 15 V. Equipo: dos VOM (voltímetro, óhmetro y miliamperímetro) o multímetros digitales. Resistores: dos de 1 kfl, dos de 10 kfl a 112 W. Potenciómetro: 1 kfl (o el valor disponible más cercano). Amplificador operacional: 741C

+15 V +15 V 1kn 1 kn

+

=

V

-15V

+

= Figura

30-6. Amperímetro

electrónico.

Convertidor de voltaje a corriente··········· 1. 2. 3. 4.

Conecte el circuito de la figura 30-5. Ajuste el potenciómetro para obtener un voltaje de entrada de 1 V. Lea la corriente de salida y registre el valor en la tabla 30-1. Repita los pasos 2 y 3 para los otros voltajes de entrada de la tabla 30-1.

TABLA 30-1. Convertidor Vent>

V

de voltaje a corriente ¡sal,

mA

1

2 3 4 6 8 10 111

+15 V

"

¡';

'1'

: f ~:: :

~

h

1,11'

l·

1 kn

>-0--_----1 6

11

!"

'1",

'1'

Convertidor de corriente a voltaje···········

u

5. 6. 7.

= 8. Figura 30-5. Voltímetro

electrónico.

Conecte el circuito de la figura 30-6. Ajuste el potenciómetro para obtener una corriente de entrada de 1 mA. Lea el voltaje de salida y registre el valor en la tabla 30-2. Repita los pasos 6 y 7 para las otras corrientes de entrada de la tabla 30-2.


e

TABLA 30-2. Convertidor

I R

eu

IT

o

S

B Á

sIeos eoN

de corriente a voltaje

A M P L I F I

e

A D

o

R E S

o

P E R A

e

ION

A L E

s 211

+15 V +15 V

ienl'

mA

Vsal'

V

10 kn 1 kn >-oo---'V'oAr-+-l

A

1 2 3 4 6 8 Figura 30-7. Medición de ganancia

de corriente.

10

TABLA 30-3. Amplificador ienl,

Amplificador de corriente 9. 10. 11. 12.

.

mA

de corriente isal'

mA

0.1

Conecte el circuito de la figura 30-7. Ajuste el potenciómetro para obtener una corriente de entrada de 0.1 mA. Registre la corriente de salida en la tabla 30-3. Repita los pasos 10 y 11 para las otras corrientes de entrada de la tabla 30-3.

0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1

PREGUNTAS l.

2.

3.

4.

Idealmente, las corrientes en la tabla 30-1 deberían ser 1,2, 3, 4, 6, 8 Y 10 mA. Proporcione tres razones por las que las corrientes medidas fueron diferentes. Después de remover el potenciómetro y el voltímetro en la entrada de la figura 30-5, el circuito que queda se puede usar como un voltímetro electrónico. ¿Por qué esto es verdadero? Suponga que a partir de 1 V se quiere producir 2 mA de corriente en el circuito de la figura 30-5. ¿Qué cambio se puede hacer? En el circuito de la figura 30-6, ¿cuál es el valor ideal del voltaje de salida cuando la corriente de entrada es de 5 mA?

5.

6.

7. 8.

Después de remover el potenciómetro, el resistor de 1 kD Y el amperímetro en la entrada del circuito de la figura 30-6, el convertidor puede actuar como amperímetro electrónico. ¿Por qué esto es verdadero? ¿Qué cambio se puede hacer en el circuito de la figura 30-6 para obtener un voltaje de salida de 2 V cuando la corriente de entrada es de 1 mA? ¿Cuál es la ganancia de corriente teórica del circuito en la figura 30-7? ¿Cuál es la ganancia de corriente en la tabla 30-3 para una corriente de entrada de 4 mA?



EXPERIMENTO

~

CIRCUITOS NO LINEALES CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES


Comparador ........................................................ . La forma más sencilla de usar un amplificador operacional es en lazo abierto (sin resistores de realimentación), como se ilustra en la figura 31-1a). Debido a la alta ganancia del amplificador operacional, el voltaje de error más pequeño [típicamente en microvolts (¡.¡.. V)] produce la excursión máxima en la salida. Por ejemplo, cuando VI es mayor que V2 , el voltaje de error es positivo y el voltaje de salida se va a su valor positivo máximo, en general 1 o 2 V menos que el voltaje de alimentación. Por otro lado, si VI es menor que V2 , el voltaje de salida excursiona a su valor negativo máximo. La figura 31-1b) resume la acción. Un voltaje de error positivo lleva a la salida a + VSAT ' el valor positivo máximo del voltaje de salida. Un voltaje de error negativo produce - VSAT . Cuando un amplificador operacional se usa como aquí se describe se denomina comparador, pues todo lo que hace es comparar VI con V2 , produciendo una salida saturada positiva o negativa, según si VI es mayor o menor que V2 .

Rectificador de media onda activo ........................ . Los amplificadores operacionales pueden enriquecer el desempeño de circuitos con diodos. Por una razón, el amp op puede eliminar el efecto del voltaje offset de los diodos , permitiendo rectificar, detectar picos, sujetar y


214


v,

3 I

o--.,-+---l verror

(b)

(a)

Figura 31-1. a) Comparador,

b) características

entrada/salida.

recortar señales de bajo nivel (amplitudes más pequeñas que el voltaje offset.) Y debido a su acción de acoplamiento, los amp ops eliminan los efectos de la fuente y de la carga en circuitos con diodos. Los circuitos que combinan amp ops y diodos se denominan circuitos activos con diodos. La figura 31-2 muestra un rectificador de media onda activo. Cuando la señal de entrada se hace positiva, la salida se hace positiva y enciende al diodo. El circuito, entonces, actúa como seguidor de voltaje, y aparece el semiciclo positivo a través del resistor de carga. Por otra parte, cuando la entrada se hace negativa, la salida del amplificador operacional se hace negativa y el diodo se apaga. Puesto que el diodo está abierto, no aparece voltaje a través del resistor de carga. Esto es porque la salida final es casi una señal de media onda perfecta. La ganancia alta del amplificador operacional elimina virtualmente el efecto del voltaje offset. Por ejemplo, si el voltaje offset <1> es igual a 0.7 V Y la ganancia en lazo abierto es de 100 000, la entrada que justo enciende al diodo es

Venl =

0.7 V 100000

Cuando el voltaje de entrada es mayor a 7 J.LV, el diodo se enciende y el circuito actúa como seguidor de voltaje. El efecto equivalente a reducir el voltaje offset por un factor de A. El rectificador de media onda activo es útil con señales de bajo nivel. Por ejemplo, si se desean medir voltajes senoidales en la región de milivolts, se puede añadir un miliamperímetro en serie con Rv de la figura 31-2. Con el valor apropiado de Rv el medidor se puede calibrar para indicar valores rms.

Detector de pico activo Un detector de pico es un circuito cuya salida es un voltaje de cd igual al valor pico de la forma de onda de entrada. Por ejemplo, al poner una onda senoidal con un valor pico de 10 V en un detector de pico ideal se tiene la salida de un voltaje de cd igual a 10 V.

(31.1)

= 7 J.LV

.

o

.1

J

fR,

o~~

-=

fe

-=

-=

Vp

t

-

VD

!

(a)

o

-4!tAr

0-------1

+

o

o

+Vp

>-~~~~~oJlAJl

°Wtr -=

-= Figura 31-2. Rectificador

de media onda activo.

-=

lb)

Figura

31-3. a) Detector de pico pasivo, b) detector de pico activo.


e

eu

1R

1T

o

S

N

o

L 1N E A L E S

+Vp

04AAr

vent

R

+VAEF

Vsal

o

000

VVV ~Vp

o

~Vp

eo

= Figura 31-4. Limitador activo.

La figura 31-3a) describe un detector de pico pasivo. Éste conduce sólo en los semicic\os positivos. El capacitor se carga al valor pico del voltaje de entrada menos el voltaje offset. El detector de pico pasivo sólo es útil cuando el valor pico del voltaje de entrada es mucho mayor que el voltaje offset. Para detectar el pico de señales pequeñas, se puede usar un detector de pico activo como el de la figura 31-3b). Observe qué tan similar es al rectificador de media onda activo. Todo lo que se hace es conectar un capacitar en paralelo con el resistor de carga. El capacitar se cargará al valor pico del voltaje de entrada. Debido al amplificador operacional, el voltaje offset efectivo del diodo se reduce de 0.7 V a unos cuantos microvolts. Como resultado, se pueden detectar picos de señales de milivolts.

N

A M P L 1 F 1e A

oo

R E S

o

P E R A

e

ION

A L E

s 215

Vent se hace positivo, el voltaje de error lleva al voltaje de salida a un valor negativo y enciende al diodo. Esto significa que la sa!ida final, Vsal es O (igual que VREF) para cualquier valor positivo de Ve~t. Si Vent se hace negativo, la salida del amplificador operacional es positiva, lo cual apaga al diodo y abre la malla. Cuando esto ocurre, la salida final, Vs•l, es libre de seguir el semicic\o negativo del voltaje de entrada. Esto es porque el semicic\o negativo aparece en la salida. Observe que la salida se toma entre el resistor, R, y el diodo, D, y no en la salida del amplificador operacional. Cambiar el nivel de limitación sólo requiere ajustar VREF como sea necesario. En este caso, el recorte ocurre en VREF, como muestra la figura 31-4. Como siempre, el amplificador operacional reduce de manera efectiva el voltaje offset a la región de microvolts. Por ello, el !imitador activo de la figura 31-4 puede limitar señales de bajo nivel.

Sujetador activo

.

La figura 31-5 es un sujetador positivo activo. El primer semicic\o negativo produce una salida positiva en el amplificador operacional que enciende el diodo. Esto permite que el capacitar se cargue al valor pico de la entrada con la polaridad que se muestra. Justo más allá del pico negativo, el diodo se apaga. Esto sujeta la forma de onda de salida en el nivel de O V.

RESUMEN

Limitador positivo activo

.

La figura 31-4 es un limitador positivo activo (también denominado "recortador"), Con el cursar hasta la izquierda, VREF, es O y la entrada no inversora está aterrizada. Cuando

l.

La forma más sencilla de usar un amplificador operacional es en lazo abierto. Cuando se usa como aquí se describe se denomina comparador.

+2Vp

r-~v.'P~~~~

-.__~~~-osal

+Vp

04AFtr-Vp

= Figura 31-5. Sujetador

=

activo.


=

o~

, 216

2.

3.

4. 5. 6.

7.


3 1

Los amplificadores operacionales pueden reducir en gran medida el efecto del voltaje offset del diodo, lo cual permite a los circuitos activos con diodos trabajar en la región de milivolts. El rectificador de media onda activo no tiene ya un voltaje offset de 0.7 V. En su lugar, posee un voltaje offset efectivo en algún lugar en la región de microvolts. Un detector de pico ideal produce una salida de voltaje de cd igual al pico de la forma de onda de entrada. Un detector de pico activo puede detectar el pico de señales en la región de milivolts. El limitador activo usa un amplificador operacional y un circuito limitador para recortar señales de bajo nivel. Un sujetador activo sujeta señales de bajo nivel.

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. l.

Un amplificador operacional que se usa en lazo abierto se denomina __________ 2. Cuando los amplificadores operacionales se usan en circuitos con diodos, el efecto del voltaje _ _ __ casi se elimina. 3. Si el voltaje offset del diodo es de 0.7 V Y un amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje de 100000, el voltaje offset efectivo es IL V. 4. Un rectificador de _____________ activo produce una salida de media onda cuyo voltaje pico es igual al voltaje pico de la _______ 5. Un detector de pico produce un voltaje de _ _ __ que es igual al valor pico de la forma de onda de entrada. 6. Un detector de pico puede detectar el pico de señales en la región de milivolts. 7. Un activo recorta la señal en el nivel de VREP .


e 1R e u 1T o S

N

o

L 1N E A L E S

eoN

A M P L 1F 1e A D

oR

ES

"'"

o P E R A e ION

AL E

s 217

PROCEDIMIENTO

TABLA 31-1. Detector de pasa no pasa

MATERIAL NECESARIO Fuentes de alimentación: dos de 15 V. • .Equipo: generador de ca, osciloscopio. Resistores: 1 kil, 2.2 kil, 10 kil a ljz W. PotenCiómetro: 1 kil (o el valor disponible más cercano). Diodo: 1N914 (o cualquier diodo en señal pequeña). LED: TIL221 y TIL222 (LED equivalentes rojo y verde). Amplificador operacional: 741C. Capacitor: 100 J.LF (a 15 V por lo menos).

Color (paso 3): Color (paso 4): Voltaje por cruce (paso 6):

+15 V

Comparador .. ..... ..... ... .... ..... .. .. .. ..... ..... . 6

1. 2. 3.

Conecte el circuito comparador de la figura 31-6. Varíe Reo! Y observe qué hacen los LED. Use una entrada con acoplamiento a cd del osciloscopio para ver el voltaje de entrada en la terminal 3. Ajuste el potenciómetro para obtener una entrada de + 100 mV. Registre el color del LED encendido (tabla 31-1) . 4. Ajuste Reo! para obtener una entrada de -100 m V. Registre el color del LED encendido. ¿Cuál es la entrada que se compara? 5. Remueva la tierra de la terminal 2 y conecte una fuente de - 5V a esa terminal. 6. Ajuste Reo! Y observe el voltaje en la terminal 3 donde conmutan los LED. Registre este valor en la tabla 31-1.

lOO Hz

Figura 31-7.

Rectificador de media onda ... ..... ........... . 7. 8.

9.

10. +15 V Rent 1 kn

o

Construya el circuito de la figura31-7. Conecte el osciloscopio (entrada de cd) a través del resistor de carga de 10 kil (RL ) . Fije el generador a 100 Hz y ajuste el nivel para obtener una salida con valor pico de 1 V en el osciloscopio. (Ésta debiera ser una señal de media onda.) Conecte el osciloscopio a la entrada (terminal 3). Registre el valor pico de la onda senoidal de entrada (tabla 31-2). Ajuste el nivel de la señal para obtener una salida de media onda con valor pico de 100 mV. Mida y registre el valor pico del voltaje de entrada (tabla 31-2).

>-O~---I

6

TABLA 31-2. Rectificador de media onda activa -15V

VERDE

ROJO

Vp (paso 9): Vp (paso 10):

Figura 31-6. Comparador.


218

EXPER[MENTO

3 [

\

Detector de pico ................. ~ ................ . 11. 12.

13.

Conecte un capacitor de 100 J.LF en paralelo con el resistor R L de la figura 31-7. Ajuste el generador para obtener un valor pico a la entrada de 1 V. Mida y registre el voltaje de salida de cd (tabla 31-3). Reajuste el generador para obtener un valor pico a la entrada de 100 m V. Mida y registre la salida de cd (tabla 31-3).

TABLA 31-3. Detector de pico activo Ved

(paso 12):

Ved

(paso 13):

2.2 kn ~...Au"".r-......- - - - - - -......--o vsal

+15 V

o

Limitador ............................................ . 14. 15. 16. 17.

Construya el circuito de la figura 31-8. Ajuste el generador para producir un valor pico de 1 V en el extremo izquierdo del resistor de 2.2 kil. Observe la señal de salida mientras el cursor del potenciómetro se mueve en toda su carrera. Ajuste el generador para producir un valor pico de 1 V en el extremo izquierdo del resistor de 2.2 kil. Entonces repita el paso 16.

= Figura 31-8.

PREGUNTAS 1. 2.

Explique por qué el circuito de la figura 31-6 se puede denominar "detector de pasa no ¡Jasa". Suponga que la terminal 2 se regresa a + 1.5 Ven lugar de - 5 V. Describa lo que sucede cuando se varía

5.

6.

Rent ·

3.

4.

Si el diodo de la figura 31-7a) se invierte, ¿cuál será la salida para una entrada que es una onda senoidal con valor pico de 100 m V? Si la señal de entrada tiene un valor pico de 250 mV en la figura 31-7a), ¿cuál será el valor pico del voltaje de salida?

7. 8.

Según los datos de la tabla 31-3, ¿qué tanto habrá en la salida si la forma de onda de entrada tiene un valor pico de 375 mV? Describa la salida del detector de pico si el diodo se invierte. ¿El circuito de la figura 31-8 es un limitador positivo o negativo? Si se invierte el diodo de la figura 31-8, ¿cómo será la salida?


EXPERIMENTO

~

FILTROS ACTIVOS


Filtros pasivos ..................................................... . Un filtro pasabajas transmite frecuencias bajas pero detiene las frecuencias altas. La figura 32-1a) muestra una forma de construir un filtro pasabajas. En frecuencias muy bajas las reactancias inductivas tienden a O y las reactancias capacitivas a infinito. Esto equivale a decir que los inductores aparecen como corto circuito y los capacitores como circuito abierto. Por lo tanto, el voltaje de salida es igual al voltaje de entrada a frecuencias muy bajas. A medida que la frecuencia aumenta las reactancias inductivas crecen y las reactancias capacitivas decrecen. En algún punto, el voltaje de salida empieza a decrecer. Para frecuencias muy altas los inductores aparecen como circuitos abiertos y los capacitores como cortos circuitos; por lo tanto, el voltaje de salida tiende a O. La figura 32-1b) ilustra cómo la ganancia de voltaje de un filtro pasabajas varía con la frecuencia. La ganancia de voltaje ideal es igual a la unidad a frecuencias muy bajas. A medida que la frecuencia aumenta, finalmente 151 ganancia de voltaje empieza a decaer. Lafrecuellcia de corte está donde la ganancia de voltaje es igual a 0.707 (equivalente al punto de potencia media). La figura 32-1c) es un ejemplo de filtro pasaaLtas. En este caso, las frecuencias bajas se bloquean y las frecuencias altas se transmiten. La figura 32-1d) muestra la gráfica de la ganancia de voltaje contra la frecuencia. Observe una vez más la frecuencia de corte; ésta se localiza donde la ganancia de voltaje disminuye a 0.707.


220


32

3 d8ABAJO

1

1_- -+- 1~1~T

0.707

t

(b)

(a)

3 dBABAJO 0.707

-----r--------~--~~-------------.f fe

(e)

(d)

Figura 32-1. a) Filtro pasabajas; b) respuesta pasabajas; e) filtro pasaaltas; d¡ respuesta pasaaltas.

Decibeles ............................................ .

Filtro pasabajas activo ......................... .

La ganancia de voltaje se define como el cociente del voltaje de salida entre el voltaje de entrada

Mediante el uso de los amplificadores operacionales y elementos reactivos se pueden construir filtros activos, los cuales tienen varias ventajas sobre los filtros pasivos. Para empezar, se pueden eliminar los inductores que resultan voluminosos y caros a frecuencias de corte bajas. Los filtros activos también pueden tener ganancia de voltaje variable, lo que facilita sintonizar la frecuencia de corte, etcétera. La figura 32-2a) ilustra una forma de construir un filtro pasabajas activo. A continuación se explica el porqué. A frecuencias bajas el capacitar aparece como circuito abierto, y el circuito actúa como amplificador inversor con una ganancia de voltaje de - R21R •. A medida que la frecuencia se incrementa, la reactancia capacitiva disminuye, causando que la ganancia de voltaje disminuya. Cuando la frecuencia tiende a infinito, el capacitar aparece como un corto circuito y la ganancia de voltaje tiende a O. La figura 32-2b) ilustra la respuesta de salida. La señal de salida es máxima a frecuencias bajas. Cuando la frecuencia alcanza la frecuencia de corte, la salida está 3 dB abajo. Después de esta frecuencia, la ganancia disminuye a una razón ideal de 6 dB/octava (factor de 2 en frecuencia). Por ejemplo, si la frecuencia de corte es de . 1 kHz, entonces la ganancia disminuye unos 6 dB si la frecuencia aumenta de 2 a 4 kHz. Ésta disminuirá otros 6 dB cuando la frecuencia aumenta de 4 a 8 kHz, y así de manera sucesiva.

A=

(32.1)

En el filtro pasabajas de la figura 32-1a), A es igual a la unidad en frecuencias bajas. En la frecuencia de corte, A = 0.707. Los decibeles son las unidades que en general se usan con filtros. La ganancia de voltaje en decibeles se define como A dB = 20 lag A

(32.2)

donde ellogaritrno está en la base 10. La abreviatura dB es para "decibel" (un décimo de bel). El siguiente es un ejemplo del cálculo de la ganancia de voltaje en decibeles. Si la ganancia de voltaje A = 100, entonces la ganancia de voltaje en decibeles es A dB

= 20 lag

100

= 20(2) = 40 dB

Otro ejemplo: si la ganancia de.voltaje es igual a 0.707, entonces AdB

= 20 lag 0.707 = 20 (- 0.15) = -

3 dB


F 1L T R O S A

e

e T 1 V O S 221

A

3 dB ABAJO ~nto--J~~--+------AV

----~----------------~----~----~f

+

(bl

(al

Figura 32-2. a) Filtro pasabajas activo; b) respuesta.

Un decremento de 6 cIB/octava equivale a 20 cIB/década. Si la frecuencia de corte es de 1 kHz, entonces la ganancia decrece 20 dB cuando la frecuencia cambia de 10 a 100 kHz. Éste cambia otros 20 dB cuando la frecuencia se incrementa de 100 kHz a 1 megahertz (MHz). Un análisis matemático conduce a esta fórmula para la frecuencia de corte (32.3)

El capacitar ajustable, C, de la figura 32-2a) permite variar la frecuencia de corte, y el resistor ajustable, R ¡, posibilita el control de la ganancia. Si se desea una respuesta fija, se pueden eliminar los elementos ajustables y usar un R¡ y un C fijos. Debido a la realimentación negativa, la impedancia de salida tiende a O, lo cual significa que el filtro activo puede excitar cargas de baja impedancia.

cuencia de corte; esto significa que la ganancia de voltaje ordinaria es igual a 0.707 veces el valor en frecuencia baja. Segundo, observe que la ganancia tiene una caída (decrece) a razón de 12 dB/octava. Por ejemplo, suponga que la frecuencia de corte es de 1 kHz. Entonces, la ganancia decrece idealmente 12 dB cuando la frecuencia cambia de 2 a 4 kHz, decrece otros 12 dB si la frecuencia cambia de 4 a 8 kHz, y así en forma sucesiva. Dicho de otra manera, la ganancia decrece 40 dB cuando la frecuencia cambia de 2 a 20 kHz, otros 40 dB si la frecuencia cambia de 20 a 200 kHz, y así sucesivamente. Un análisis matemático avanzado muestra que la frecuencia de corte se obtiene mediante 0.707

1,. =

(32.4)

27'íRC

Filtro pasabajas de segundo orden ........ . El filtro de la figura 32-2a) se denomina filtro de primer orden porque la ganancia decrece 6 dB/octava después de la frecuencia de corte. Un filtro pasabajas de segundo orden es el que decrece la ganancia 12 dB/octava después de la frecuencia de corte. La figura 32-3a) describe un filtro pasabajas activo de segundo orden. A frecuencias bajas ambos capacitares aparecen como circuitos abiertos, y el circuito se convierte en seguidor de voltaje. A medida que la frecuencia se incrementa, finalmente la ganancia comienza a decrecer hasta que disminuye por debajo de 3 dB en la frecuencia de corte. Debido a los dos capacitares, la razón de decaimiento en la ganancia es dos veces más rápida que la anterior. Como resultado, la ganancia decae a razón de 12 dB/octava o 40 dB/década. La figura 32-2b) ilustra la ganancia contra la frecuencia . Primero, observe que la ganancia está 3 dB abajo en la fre-

(al

A

3 dBABAJO

~o~

0.707

OCTAVA

DECADA

(bl

Figura 32-3. Filtro pasabajas de segundo orden : a) circuito; b) respuesta.


222


3 2

A

R

3 dBABAJO

e

Vent

12 dB OCTAVA

0.707

o---1~"""'-H-•...---I 2R

(b)

(al

Figura 32-4. Filtro pasaaltas

de segundo orden: a) circuito; b) respuesta.

Filtro pasaaltas de segundo orden

.

AUTOEVALUACIÓN

................................... La figura 32-4a) es un filtro pasa altas de segundo orden. A frecuencias bajas los capacitores aparecen como circuitos abiertos, y la ganancia de voltaje tiende a O. A frecuencias altas los capacitores aparecen como corto circuitos, y el circuito se convierte en seguidor de voltaje. La figura 32-4b) muestra la respuesta. La frecuencia de corte está dada por la ecuación (34.4).

Para verificar su aprendizaje guntas. 1.

2. 3. RESUMEN 4.

glll I

:1:, I

1.

~~ I

I~l'

2.

:j¡1

3.

1

l'líl

4.

5.

6. 7.

8.

Un filtro pasabajas transmite frecuencias bajas pero detiene las frecuencias altas. Un filtro pasaaltas bloquea las frecuencias bajas y permite el paso de las frecuencias altas. Los filtros activos usan los amplificadores operacionales y elementos reactivos. Una ventaja de los filtros activos es que eliminan los inductores, que resultan voluminosos y caros a frecuencias bajas. Por arriba de la frecuencia de corte, un filtro pasabajas activo de primer orden tiene una ganancia de voltaje que decrece a 6 dB/octava. Esto significa que la ganancia de voltaje ordinaria decrece por un factor de 2 cada vez que la frecuencia se duplica. Un decremento de 6 dB/octava equivale a 20 dB/década. Por encima de la frecuencia de corte, un filtro pasabajas activo de segundo orden tiene un ganancia de voltaje que decrece 12 dB/octava, equivalente a 40 dB/década. En la frecuencia de corte de un filtro de primero o segundo orden, la ganancia de voltaje en decibeles está 3 dB abajo. Esto significa que la ganancia de voltaje es igual a 0.707 del valor máximo.

5.

6.

7.

responda las siguientes pre-

En la frecuencia de corte la ganancia de voltaje es igual a de la ganancia de voltaje máxima. En términos de decibeles, la ganancia está _ dB abajo en la frecuencia de corte. Si A = 8, la ganancia de voltaje en decibeles es igual a dB. Si AdB = 12 dB, la ganancia de voltaje es igual a Si R¡ = 1 kn y R2 = 20 kn en el circuito de la figura 32-2a), la ganancia de voltaje es y la ganancia de voltaje en decibeles es _ Si R2 = 47 kn y e = 500 pF en el circuito de la figura 32-2a), la frecuencia de corte es igual a _____ .kHz. Si la frecuencia de corte es igual al kHz en el circuito de la figura 32-2a), la ganancia de voltaje en decibeles decrece a dB cuando la frecuencia cambia de 10 a 20 kHz.


F 1LT R O S

A

e

T 1V O S

223

PROCEDIMIENTO 1

I

I I

MATERIAL

NECESARIO

TABLA 32-1. Filtro pasabajas

f

Fuentes de alimentación: das de 15 V. Equipa: generador de ea, osciloscopio. Resistores: 1 k.o" das de 10 k.o, a 112 W. Amplificador operacional: 741C Capacitores: das de 0.01 ¡J-F,0.022 ¡J-F.

ven!>

de primer orden

V

Vsal-

V

A

AdB_ dB

100 Hz 200 Hz 500 Hz 1 kHz 2 kHz

Filtro pasabajas de primer orden 1. 2.

.

Conecte el circuito. de la figura 32-5. Fije el generador de ea a 100 Hz. Ajuste el nivel de la señal para obtener 1 V pp en la salida del filtro. Mida y registre el voltaje de entrada pica a pica (tabla 32-1).

5 kHz 10 kHz

3. 4. 5.

0.01 ¡.¡F

6. 1 kn

Cambie la frecuencia a 200 Hz. Mida las val tajes de entrada y salida. Anote las datas en la tabla 32-1. Repita el pasa 3 para las frecuencias restantes de la tabla 32-1. Calcule la ganancia de voltaje para cada frecuencia de la tabla 32-1. También calcule y registre la ganancia equivalente en decibeles. Mida y registre la frecuencia de corte:

10 kn vsal

fc=-----

+15 V 2

7

6

3

=

+

Filtro pasabajas de segundo orden

4

-15 V

7. 8.

Figura 32-5.

0.022 ¡.¡F 10 kn

Conecte el circuito. de la figura 32-6. Fije el generador a 100 Hz. Ajuste el nivel de la señal para obtener 1 V pp en la salida del filtro. Mida y anote el val taje de entrada pica a pica (tabla 32-2).

+15 V

10 kn 6 >----._--0

-15V

Figura 32-6.


vsal

.

224


TABLA 32-2. Filtro pasaabajas

f

3 2

de segundo orden 10kn

ven!>

100Hz

V

v,al'

V

A

ActB' dB +15V

1

~I

0.01 ¡.tF

200Hz 500Hz 1 kHz

6

22k" -15V

2kHz Figura 32-7.

5 kHz 10kHz

16. 9. 10.

11.

Mida los voltajes de entrada y salida para las otras frecuencias de la tabla 32-2. Calcule la ganancia de voltaje para cada frecuencia de la tabla 32-2. También calcule y registre la ganancia equivalente en decibeles. Mida y registre la frecuencia de corte:

fc=-----

Calcule la ganancia de voltaje para cada frecuencia en la tabla 32-3. También calcule y registre la ganancia equivalente en decibeles. Mida y anote la frecuencia de corte:

17.

fc=-----

TABLA 32-3. Filtro pasaaltas

f

vent'

V

de segundo orden

V

v,al'

A

ActB• dB

100Hz

Filtro pasaaltas de segundo orden 12. 13.

14. 15.

Conecte el circuito de la figura 32-7. Fije el generador a 10 kHz. Ajuste el nivel de la señal para obtener 1 V pp en la salida del filtro. Mida y anote el voltaje de entrada pico a pico (tabla 32-3). Fije el generador a 5 kHz. Mida y registre el voltaje de entrada. Repita el paso 14 para las demás frecuencias de la tabla 32-3.

PREGUNTAS 1.

2.

3.

200Hz 500 Hz 1 kHz 2kHz 5 kHz 10 kHz

4.

¿Cuál es la ganancia de voltaje teórica a 100 Hz en el circuito de la figura 32-5? Explique por qué puede diferir de la ganancia de voltaje en la tabla 32-1. ¿Cuál es la frecuencia de corte en el circuito de la figura 32-5? Explique por qué puede diferir de la medida en la frecuencia de corte. Por arriba de la frecuencia de corte en el circuito de la figura 32-5, ¿qué tan rápido decrece entre 5 y 10 kHz en la tabla 32-1 ?

5. 6.

7.

1

En el circuito de la figura 32-6, ¿cuál es la ganancia de voltaje en decibeles en 100 Hz? ¿Cuál es la frecuencia de corte teórica para el circuito de la figura 32-7? Por arriba de la frecuencia de corte en el circuito de la figura 32-7, ¿qué tan rápido decrece la ganancia de voltaje? Compare lo anterior con los datos de la tabla 32-3. ¿Cuál es la frecuencia de corte teórica para el circuito de la figura 32-7? Por arriba de la frecuencia de corte, ¿qué tan rápido decrece la ganancia de voltaje?


EXPERIMENTO

~

LOCALIZACiÓN DE FALLAS EN CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES


El problema más común con un circuito con amplificador operacional es la correcta conexión de sus terminales en el circuito. Por ejemplo, en un 741C con encapsulado de dos en línea (figura 33-1) la terminal 8 con frecuencia se conecta de manera errónea a la fuente de alimentación en lugar de la terminal 7. Esto sucede porque muchos otros CI encapsulados de dos en línea usan terminales de esquina para la alimentación. Otra inversión frecuente ocurre cuando se conectan las terminales 2 y 3, simplemente porque están cercanas una de la otra y sirven para propósitos similares. En el primer caso, las conexiones erróneas o la omisión del voltaje de alimentación al amplificador operacional produce una salida en la terminal 6 que indica el nivel remanente del voltaje de alimentación. Un ejemplo: la omisión de + Vss a la terminal 7 produce un - Vss constante en la terminal 6. En el segundo caso, invertir las entradas a las terminales 2 y 3 causa que se presenten resultados opuestos a los esperados o que la salida permanezca saturada en + Vss o - V~s. Un problema adicional resulta de los errores de alambrado a la terminal 6. Si el amplificador operacional se usa en una configuración en lazo abierto, la operación correcta se detectará en la terminal 6, pero la salida no se enviará a ningún otro lado. En un circuito con amplificador operacional en lazo cerrado, omitir la conexión de la terminal 6 podría saturar el amplificador operacional. Por lo antes expuesto, antes de encender la fuente de alimentación es mejor verificar dos veces todas las conexiones al amplificador operacional en el circuito.


226


33

Filtros activos ...................................... . +Vcc

salida

A 2 está alambrado como filtro pasaaltas activo y As como pasaabajas (experimento 32). Las frecuencias críticas de caída para estos filtros se calculan con la fórmula

(33.2)

Rectificadores de media onda ............... . Las salidas de los filtros se alimentan a los rectificadores de media onda, A3 y Aó (experimento 31). Éstos convierten la onda senoidal que los alimentó en una señal de cd pulsante. Figura 33-1. 741C con encapsulado de dos en línea.

Problemas del circuito en el el··············· Si suponemos que los amplificadores operacionales están correctamente alambrados y funcionan por sí mismos, cualquier otro problema adicional con el circuito está relacionado con las componentes externas y otros alambrados. El rastreo de señales básicas que se empleó en la localización de fallas en los primeros experimentos permitió determinar la falla en el circuito. El primer paso en la localización de fallas en circuitos con amplificadores operacionales es analizar cada circuito en forma individual para determinar qué se supone que debe hacer. A continuación se consideran las interconexiones globales de estos circuitos para determinar los resultados finales. La figura 33-2 muestra el circuito de prueba que se usa en este experimento. Antes de que se empiecen a hacer mediciones será necesario analizar cada circuito.

Sumador ............ .. ............................... . El amplificador A7 recibe sus entradas desde los filtros . Este amplificador "adiciona" (experimento 27) estas entradas y presenta la suma en Vs• I '

Comparador ........................................ . Por último, el amplificador As compara las dos salidas de media onda de A3 y Aó' Este comparador (experimento 31) excita a los LED conectados en éste para indicar qué salida es más grande.

.AUTOEVALUACIÓN ..................••..............

Etapas de entrada ................................ . Los amplificadores operacionales Al y A4 están configurados como amplificadores inversores cuya ganancia se calcula con la fórmula

R¡

A =v Rent

1. 2. 3. 4.

Calcule Calcule Calcule Calcule

(33.1 )

El signo negativo indica una inversión de fase de 180 debido a que la entrada se aplica a la entrada inversora. Las salidas de estos dos amplificadores se alimentan a los filtros A 2 y As· 0


las ganancias de A l Y A4' la frecuencia inferior de corte de A 2 . la frecuencia superior de corte de As. la ganancia del sumador (A 7 ) .

L

oe

A L 1Z A

e

1Ó N

o

E

FA L L A S

R2 10K 8

E N

e

1R

eu

1T

o

S

eoN

A M P L 1 F 1e A

C

RJ 4.7 K

oo

o

R E S

P E R A

e

ION

A L E

°

+15 V

R1 1K

E 01

Cent

C4

10llF Rs 10 K

+~ Vent 200mV

R7

O.047IlF

10K

1 _

-

':'

Re 1 K

VsaJ

Rg 10 K

>-....•. -0(1)

F

H

"/04 VERDE

Figura 33-2. Circuito de prueba.


s 227

228


3 3

PROCEDIMIENTO , .............................................................................................................................

MATERIAL

NECESARIO

6.

Osciloscopio. Fuente de alimentación de cd. Generador de onda senoidal. Ocho amplificadores operacionales 741C. Capacitores: tres de 0.01 J.LF,uno de 0.022 J.LF,uno de 0.047 J.LF,0.1 J.LFde tipo disco; uno de 10 J.LF/50V de tipo electrolítico. . Diodos: dos diodos rectificadores lN4001, un LED rojo, un LED verde', Resistores: cinco de 1k.o., uno de 4.7 k.o., ocho de 10 k.o.. l.

2. 3.

4.

5. ~~

:

Conecte el circuito de la figura 33-2. Use como referencia la asignación de terminales para el 741C (experimento 27). Verifique dos veces sus conexiones. Calcule la ganancia de A] y A4 Y regístrelas en la tabla 33-1. Aplique una señal senoidal de 400 mV a 1 000 Hz en Vent• Mida y registre las señales en los puntos B, e y F de la tabla 33:;1. ¿Cuál es la ganancia de A] Y A4 sobre la base de estas mediciones? ¿Cómo son éstas en cornparación con las que calculó? ¿Existe alguna inversión de fase entre Vent y los puntos e y F? Conecte el osciloscopio al punto D. Varíe la frecuencia de onda senoidal de entrada para encontrar la frecuencia en la que la señal de voltaje es 2.83 V (0.707 X 4 V pp de voltaje). Registre esta frecuencia en la tabla 33-l. ¿Ésta es la frecuencia máxima o mínima para este filtro? Mueva el osciloscopio al punto G. Repita el paso 4. ¿Cuál LED se ilumina en el paso 4 y 5?

7.

8.

Observe las señales en E y H mientras varía la frecuencia de la onda senoidal. ¿Qué tipo de voltaje se presenta? ¿Qué les ocurre a las amplitudes máximas a medida que varía la frecuencia? Mueva el osciloscopio al punto J. De nuevo varíe la frecuencia de la onda senoidal. ¿A qué frecuencia conmuta la salida? ' Por último, mueva el osciloscopio al punto 1 (Vsa])' Varie la frecuencia de la onda senoidal y comente sobre la forma de onda que se observa en este punto .

Lecturas de fallas 9.

lü,

.

Haga los cambios que se indican en la tabla 33-2. Asegúrese que el circuito se restaura a su condición original antes de hacer cada cambio, repita los pasos 2 al 9 para cada cambio y registre los valores medidos en la tabla. Compare cada uno con el conjunto original de lecturas en la tabla 33-l. ¿Cuáles son los indicadores significativos para cada problema (los que fueron diferentes del conjunto de lecturas "bueno")? Haga que un asistente introduzca un problema en el circuito. Tenga presente que el problema podría estar en el alambrado básico del amplificador operacional o en el circuito externo a sí mismo. Localice la falla en el circuito y registe sus lecturas en la tabla 33-3. Determine el problema y repare el circuito. Propicie fallas como ésta, según lo permita el tiempo, y obtenga una copia de la tabla 33-3 para cada falla con propósitos de análisis.

I~

1111;: 1 '

'i\ 1111

TABLA 33-1. Voltajes de operación

Id:::

Ili, 11

Punto de prueba

Tipo de forma de onda

Vent

B

e

X

D

E

F

G

H

1

J

Senoidal

'1 Voltaje pico a pico o de cd

J

0.4 V

Frecuencia en Hz, mín o máx

X

X

Ganancia calculada

X

X

X

X

X

X

X

X

Ganancia medida

X

X

X

X

X

X

X

X

X


X

oe

L

A L 1Z A

e

1Ó N

D E

FA L L A S

e

EN

1R

e u 1T o

S

eoN

A M P L 1F 1e A D

o

R E S

o

P E RA

e

ION

A L E

s 229

TABLA 33-2. Voltajes de falla

Punto de prueba

Vent

e

B

D

F

E

H

G

1

J

LED

J

LED

Senoidal R2 abierto Vpp Senoidal R9 en corto circuito Vpp Senoidal

el

en corto circuito Vpp Senoidal

R4 abierto V pp Senoidal DI en corto circuito Vpp Senoidal

s, =

1 k!l Vpp Senoidal

R7

= 1 k!l Vpp Senoidal

R7 abierto Vpp Senoidal R7 en corto circuito Vpp Senoidal R

10

en corto circuito Vpp

e3 abierto

Senoidal Vpp Senoidal

e4 en

corto circuito Vpp


Punto de prueba

para la localización Vent

B

de fallas

e

D

E

F

G

H

1

Tipo de forma de onda Voltaje pico o de cd Falla:

....................................•...•...................•..•.....•••..................•••......••......•....•............ http://gratislibrospdf.com/

230

E X P E R1M EN T O

3 3

PREGUNTAS l.

2. 3. 4.

¿ Cuáles son las ganancias de los circuitos A I Y A4? ¿A qué tipo de circuito con amplificador operacional corresponden? ¿Qué tipo de filtrado realizan los circuitos A2 y As? ¿Cuál es el propósito de los circuitos A3 y A6? El circuito Ag, el cual excita los LED, está configurado como comparador. Explique la operación de este circuito.


EXPERIMENTO

~

REGULACiÓN DE VOLTAJE


En los experimentos 2 y 3 se presentó el diodo Zener, dispositivo que se usa para regular el voltaje. Para reguladores de voltaje que son capaces de manejar corrientes grandes, se necesita combinar el diodo Zener y amplificadores con realimentación negativa. En este experimento construirá un regulador de voltaje transistorizado.

Regulador con diodo Zener ................................... . La figura 34-1 muestra un puente rectificador que alimenta un regulador con diodo Zener. El voltaje de cd y el voltaje de rizo a través del capacitor de filtrado dependen de la resistencia de la fuente, la capacitancia de filtrado y la resistencia de carga. Pero mientras Venl sea mayor que Vz, el diodo Zener mantiene constante el voltaje de salida. La limitante de un regulador con diodo Zener es la siguiente. Los cambios en la corriente de carga producen cargas iguales y opuestas en la corriente del Zener. Los cambios en la corriente del Zener fluyen a través de la impedancia del Zener, lo que produce cambios en el voltaje de salida final. A grandes cambios en la corriente del Zener, corresponderán grandes cambios en el voltaje de salida. Si los cambios en la corriente del Zener sólo son de unos cuantos i miliampers!, los cambios en el voltaje de carga podrían ser aceptables. Pero cuando los cambios son de decenas de miliampers o más , los cambios en el voltaje de carga se hacen demasiado grandes para la mayoría de las aplicaciones.


232


3 4

R

120 V

11

I~~ -= Figura

34-1. El puente rectificador

.

La manera más sencilla de incrementar la capacidad de corriente que puede manejar el regulador con diodo Zener es adicionar un seguidor-emisor como el que muestra la figura 34-2. El voltaje de carga permanece igual al del diodo Zener (menos la caída de voltaje, VBE), pero los cambios en la corriente del Zener se reducen por un factor de 13.Debido a esto, el regulador puede manejar corrientes de carga más grandes y aun mantener un voltaje de carga casi constante. Este circuito es un ejemplo de un regulador de voltaje en serie. Las terminales colector-emisor están en serie con la carga. Como resultado, la corriente de carga debe pasar a través del transistor y, por ello, a menudo este transistor se denomina transistor de paso. El voltaje a través del transistor de paso es igual a (34.1) y su disipación de potencia es td',.,

Ilf.

RL

-=

Vsal

~-

-

alimenta al regulador con diodo Zener.

Diodo Zener y emisor-seguidor

~/,

-L

+

",

Realimentación

negativa·····

.

La figura 34-3 es un ejemplo de regulador con realimentación negativa. El transistor Q2 actúa como seguidor-emisor igual que en el caso anterior. El transistor Q, proporciona la ganancia de voltaje en un lazo de realimentación negativa. Aquí está cómo opera el circuito. Suponga que el voltaje de carga trata de incrementarse. El voltaje de realimentación, VF, se incrementará. Debido a que el voltaje del emisor de Q, se mantiene constante mediante el diodo Zener, por el colector de Q, y de R3 fluye más corriente. Esto reduce el voltaje de la base de Q2. En respuesta, el voltaje del emisor de Q2 decrece, compensando casi todo el incremento original en el voltaje de carga. Asimismo, si el voltaje de carga trata de disminuir, el voltaje de realimentación, VF, decrece. Esto reduce la corriente a través de QI y R3. El voltaje alto en la base de Q2 incrementa el voltaje del emisor de Q2, y compensa casi por completo el decremento original en el voltaje de carga. Por lo tanto, cualquier intento de cambio en el voltaje de carga se compensa mediante realimentación negativa. El efec-

(34.2)

I¡

1

1

1;"1,

I 1II ,

,

1:: 111:

R

'11, + Vent

Figura 34-2. El emisor-seguidor rriente,

R2

l.

I I~

+ Vent

J-

R

Vsal

incrementa

la capacidad

i

RL

+ Vsal

R,

de coFigura

34-3. Regulador


de voltaje con realimentación

negativa.

R E G U L A CIÓ N

o

E

V

o

LTA JE

233

R

Figura 34-4. Regulador de voltaje con limitación de corriente.

to global es producir un voltaje de carga tan sólido como una roca, sin importar los cambios en la resistencia de carga. Un análisis matemático conduce a la siguiente expresión para el voltaje de salida (34.3) donde Vz es el voltaje del Zener y VSE , la caída base-emisor de Q¡. También la ganancia en lazo cerrado es (34.4) Esto significa que se puede usar un voltaje del Zener de alrededor de 6 V donde la estabilidad de temperatura del diodo Zener es óptima. Mediante el ajuste del cociente de R2 y R¡ se puede producir un voltaje de salida regulado esencialmente con la misma estabilidad que la del voltaje del Zener. La RA en el circuito de la figura 34-3 permite ajustar el voltaje de salida al valor exacto que requiere una aplicación particular. En esta forma, se puede ajustar para las tolerancias en los voltajes del Zener, las caídas VSE , y las de los resistores de realimentación.

nes, las fuentes de voltaje reguladas incluyen, en general, limitación de corriente. La figura 34-4 ilustra una forma de limitar la corriente de carga a valores seguros aun cuando las terminales de salida por accidente estén en corto circuito. Para corrientes usuales (en intervalos aceptables), la caída de voltaje a través de R4 es pequeña y Q3 está APAGADO; en estas condiciones, el regulador trabaja como antes se describió. Sin embargo, si fluye una corriente de carga excesiva, el voltaje a través de R4 se hace lo suficientemente grande para encender a Q3. La corriente del colector de Q3 fluye a través de R 3 ; esto disminuye el voltaje de la base de Q2 y reduce el voltaje de salida para prevenir daños. Puesto que R4 es 1 n, la limitación de corriente comienza cuando la corriente de carga está en la vecindad de 600 a 700 mA. Al seleccionar otros valores de R 4 , se puede cambiar el nivel de la limitación de corriente.

RESUMEN l.

2.

3.

Limitación de corriente ........................ .

4.

El regulador de voltaje de la figura 34-3 es un regulador en serie. Tal y como está no tiene protección contra corto circuito. Si en forma accidental se produce un corto circuito a través de las terminales de carga, por Q2 circula una corriente enorme. Q2 se destruirá o bien se quemará un diodo en la fuente de alimentación, o ambos. Para evitar estas situaCÍo-

5.

6.

Un diodo Zener se puede usar para regular voltaje. La limitación de un diodo Zener como regulador es la cantidad de corriente que puede manejar, típicamente del orden de miliampers. Una forma de incrementar la capacidad de corriente de un regulador es adicionar un seguidor-emisor. Éste incrementa la capacidad de corriente por un factor de ¡?. Los efectos de temperatura en los diodos Zener son mínimos en la vecindad de 6 V. Con un amplificador con realimentación negativa y un diodo Zener se puede construir un regulador de voltaje con excelente estabilidad de voltaje. La limitación de corriente es necesaria para evitar el daño que resulta de poner, por accidente, en corto circuito las terminales de salida del regulador.


234


3 4

AUTOEVALUACIÓN

..........••....................... Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1. 2.

3.

La limitación de un regulador con diodo Zener como el de la figura 34-1 es su capacidad _ _ _ _ __ Cuando los cambios en la corriente de carga son de decenas de miliampers o más en el circuito de la figura 34-1, los cambios en el de carga se hacen demasiado grandes para la mayoría de las aplicaciones. Para incrementar la capacidad de corriente de un regu lador, se puede adicionar un seguidor _ _ _ __ Esto incrementa la capacidad de corriente por un factorde ________

4.

Si R2 = 30 kD Y R, = 10 kD, entonces la ganancia en lazo cerrado del circu ito de la figura 34-3 es igual a

5.

Si ALe = 3, Vz = 6 V Y V BE = 0 .7 V, entonces el voltaje de salida regulado del circuito de la figura 34-3 es _ _ _V

6.

El resistor de limitación de corriente R4 del circuito de la figura 34-4 se cambia a 4.7 D. La limitación de corriente se presentará para una corriente de carga entre

---y----


R E G U L A CIÓ N

DE V

o L T A J E 235

PROCEDIMIENTO

TABLA 34-1. Cálculos

MATERIAL NECESARIO

ALC(mín)=

Fuente de alimentación: ajustable desde 15 Y hasta 25 V Equipo: multímetro digital. Resistores: 33 D, 680 D; 2.2 kD, 3.3 kD, 10 kD a Ih W. Potenciómetro: 5 kD. Caja de década de resistencias (si no se dispone de ésta, usar un potenciómetro de 100 kD). Un diodo Zener: lN753 (o cualquier otro con Vz cercano a 6.2 Y). Tres transistores: 2N3904 (o casi cualquier otro transistor de silicio NPN de señal pequeña)

ALC( máx) =

V sa1 (mín)=

Vsal

Intervalo de ajuste ............................... . 4. 5.

Cálculos , ............................................ . 1.

6.

En el circuito .d e la figura 34-5, ¿cuál es el valor de A LC cuando el cursor de RA está en la parte superior y

2.

3.

cuando se encuentra en la parte inferior? Registre sus respuestas en la tabla 34-1. Si Vz es 6.2 Y, calcule los voltajes de carga mínimo y máximo. Anote los valores en la tabla 34-1. (Use un VBE de 0.7 V) Suponga que Q3 se enciende cuando su VBE es 0.66 V ¿Cuál es el valor de la corriente de carga donde comienza la limitación de corriente? Registre esta respuesta como I má x en la tabla 34-1.

(máx) =

Conecte el circuito de la figura 34-5. Ajuste la fuente de alimentación a una fuente de Vent de 20 V Ajuste RA para obtener un Vsal mínimo . Registre el valor de este voltaje de carga mínimo en la tabla 34-:2 . De manera similar, ajuste para obtener el voltaje de carga máximo y regístrelo en la tabla 34-2.

Efecto de los cambios de c:¡rga ............. . 7.

Ajuste RA para obtener un V sa1 de 10 V Conecte la caja de resistencias a las terminales de carga. Cambie la resistencia desde 100 kD hasta 1 kD. A medida que haga esto , el voltaje decrecerá ligeramente. Registre el cambio como L\ Vsal(carga) en la tabla 34-:2.

3.3 kl1

~-----------4-c5kl1

10 kH

Figura 34-5. Circuito experimental.


236


34


9.

V,al (máx) =

Fije la caja de resistencias a 1 kil. Ponga en corto circuito las terminales de carga y observe cómo el voltaje cae a O. Remueva el corto circuito y observe cómo el voltaje regresa a 10 V.

Ll V,al (carga)= Ll V,al (línea) =

Efecto de los cambios en la línea ........... . 10.

Limitación de corriente ......................... . 8.

Disminuya la caja de resistencias hasta que el voltaje de carga empiece a decaer. Ahora es cuando la limitación de corriente tiene lugar. Entre más baja sea la resistencia, más bajo decaerá el voltaje.

11.

Varíe el voltaje de alimentación desde 15 hasta 25 V, con lo que el voltaje de carga cambiará ligeramente. Registre el cambio como t:... V sal (línea) en la tabla 34-2. Fije Vent a 20 V, V sal a 10 V, Y la década de resistencia a 1 kil. Mida los voltajes de cd en cada terminal del transistor. Escriba estos valores en el diagrama esquemático (figura 34-5) junto a cada terminal del transistor.

PREGUNTAS 1. 2.

Compare los voltajes de carga máximo y mínimo de la tabla 34-2 con los valores teóricos de la tabla 34-l. Cuando la década de resistencias se cambia de 100 a 1 kil, los cambios en el voltaje de carga son ligeros. Explique por qué esto es importante en un regulador de voltaje.

3.

4.

Cuando el voltaje de línea se cambió de 15 a 25 V, el voltaje de carga cambió ligeramente. Registre el cambio como VSal(línea) en la tabla 34-2. ¿Más o menos cuánta corriente de colector había en Q2? ¿Cuál es la disipación de potencia en este transistor?


EXPERIMENTO

~

REGULADORES DE TRES TERMINALES EN el


Primeros reguladores en el ................................. .. La figura 35-1a) muestra el diagrama de terminales del LM300 (en encapsulado metálico). Al conectar el dispositivo en el circuito de la figura 35-1b), éste se puede usar como regulador de voltaje variable. El resistor externo conectado a la terminal 1 se usa para fijar el nivel donde se presenta la limitación de corriente. La terminal 2, la salida reforzada, es donde se conecta un transistor de paso externo para incrementar la capacidad de corriente de carga. La entrada no regulada va a la terminal 3 mientras que la terminal 4 está aterrizada. La terminal 5 es para un capacitor externo en paralelo con el diodo Zener; esto reduce el ruido que genera este diodo . El voltaje de realimentación, V F va a la terminal 6. Es necesario conectar un capacitor de compensación en la terminal 7 para prevenir oscilaciones. (Las oscilaciones son señales de ca indeseables que se generan de manera interna.) El voltaje de salida regulado viene de la terminal 8. La desventaja de estos reguladores en CI es la necesidad de componentes externas, más ocho terminales que se deben conectar de varias maneras para obtener lo que se desea. Idealmente, no se tendrían que conectar tantas componentes externas. Además, un regulador en CI debería ser un dispositivo sencillo de tres terminales: una terminal para la entrada no regulada, otra para la salida regulada, y la tercera para el común (tien·a).


238

E X P E R [ M E N T O

3 5

SALIDA

REFORZADOR

REALlMENTACIÓN

DESCONEXiÓN Y LIMITACiÓN CORRIENTE

PARA CONEXiÓN EN PARALELO TIERRA

TÉRMICA DE

(a) AMPLlFI· CADOR

+

Figura

a) Terminales

del LM300;

b) regulador

de voltaje

Regulador de tres terminales en el

.

La segunda generación de reguladores en el son dispositivos de tres terminales que pueden suministrar corrientes de carga desde 100 mA hasta más de 3 A. Estos nuevos reguladores en el, disponibles en encapsulados plásticos o metálicos, son fáciles de usar y en la práctica son virtualmente a prueba de estallido. La serie LM340 es típica de la segunda generación de reguladores en el. La figura 35-2 muestra un diagrama de bloques. Una referencia de voltaje incorporado excita la entrada no inversora de un amplificador. El voltaje de realimenta-

Regulador sencillo La figura 35-3 ilustra un LM340 en su configuración más sencilla, un regulador de voltaje fijo. En este caso, se tiene un puente rectificador que alimenta un LM340-5, un dispositivo con voltaje de salida de 5 V (la tolerancia típica es de ± 2 por ciento). La terminal 1 es la entrada; la terminal 2, la salida, y la terminal 3, la tierra. Un circuito como éste no sólo

LM340-5

11

+

1

-I~nt =

Figura 35-3. Circuito puente que alimenta un regulador en CI.

, -'

para la serie LM340.

ción viene de un divisor de voltaje interno que se puede ajustar para dar voltajes de 5 a 24 V. De manera específica en la serie LM340 se dispone de los siguientes voltajes: 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18 Y 24 V. El chip incluye un transistor de paso que puede manejar más de 1.5 A de corriente de carga. También incluyen limitación de corriente y desconexión térmica. La desconexión térmica se presenta cuando la temperatura interna alcanza 175 "C. En este punto, el regulador se apaga y previene cualquier incremento adicional en la temperatura del chip. La desconexión térmica es una precaución contra la disipación de potencia excesiva. Debido a la desconexión térmica y la limitación de corriente, la serie LM340 es casi indestructible.

lb)

Figura 35-1. sencillo.

35-2. Circuito equivalente

+vref


3

-

2

RL

=

R E G U L A D O R E S

•.

D E

T R E S

TER

M 1N A L E S

E N

e

1

239

'

regula el voltaje de salida, también atenúa el voltaje de rizo. El LM340-5 tiene un rechazo típico al voltaje de rizo de 80 dB que equivale a 10 000. En otras palabras, cualquier voltaje de rizo en su entrada es 10 000 veces más pequeño a la salida. Cuando el Cl está alejado más de unas cuantas pulgadas de la capacitancia de filtrado de la fuente, la inductancia de la terminal de conexión produce oscilaciones no deseadas. Por ello, a menudo se usa un capacitor de puenteo, CI' en paralelo en la terminal l. Los valores típicos para este capacitor de puenteo son desde 0.1 hasta 1 ~F. Para mejorar la respuesta transitoria del LM340, se podría conectar un eapacitor de puenteo a la salida, C2; éste es en general de 1 ~F. Un LM340-5 regulará sobre un intervalo de entrada de 7 a 20 V. Por otro lado, un LM340-24 mantiene su salida en 24 V para un intervalo de entrada de 27 a 38 V. En general, cualquier dispositivo en la serie LM340 necesita un voltaje de entrada al menos 2 o 3 V mayor que el voltaje de salida regulado; de otro modo, éste deja de regular.

Regulador ajustable en el

.

La figura 35-4 muestra las componentes externas que se adicionan a un LM340 para obtener un voltaje de salida ajustable. La terminal común del LM340 no está aterrizada, sino conectada a la parte superior de R2. Esto significa que el voltaje de salida, VREG, es a través de RI' La corriente en el punto de operación IQ fluye al interior de la terminal 3. Por lo tanto, la corriente total a través de R2 es (35.1) El voltaje de salida es

(35.2)

1 LM340 3

'o t

Para la serie LM340, IQ tiene un valor máximo de 8 mA y varía sólo 1 mA sobre todos los cambios en la línea y en la carga. Con frecuencia IQ es despreciable comparada con VREdRI' y la ecuación (35.2) se reduce a

Vsal = (~~

+

1)

(35.3)

VREG

Observe cómo la relación (RzlRI) + 1 es similar a la ganancia de voltaje de un amplificador no inversor (experimento 29).

Regulador de corriente

.

La figura 35-5 es otra aplicación del LM340. Aquí un resistor de carga toma el lugar de R2. Como antes, la corriente en el punto de operación IQ fluye a través de Rv así como la corriente a través de RI fluye por RL. Por lo tanto, la corriente de carga es Isal = IQ

V

+ --REG

(35.4)

RI

donde IQ es despreciable y la expresión anterior se reduce a (35.5) Como ejemplo suponga que VREG = 5 V Y RI = 10 D. Así, la ecuación (35.4) da una Isal de 508 mA, mientras la ecuación (35.5) da 500 mA. Esta corriente de salida es, en esencia, constante e independiente de RL. Esto significa que RL se puede cambiar y tener aun una corriente de salida fija.

2

1

2

LM340

+< VAEG < R, -<

3

'o t

+

~.J Vsal

'2 t

/.

de voltaje ajustable.

-<

'sal

< RL <

<>

...L..

Figura 35-4. Regulador

+< VAEG <> R,

Figura 35-5. Regulador


de corriente.

240

E X P E RIME N TO

35

RESUMEN

AUTOEVALUACIÓN

...................................

,

l.

La segunda generación de reguladores en Cl son dispositivos de tres terminales que pueden mantener el voltaje de salida constante. 2. La serie LM340 es típica de la segunda generación de reguladores en CL Los voltajes regulados de la serie LM340 son desde 5 hasta 24 V. 3. Los dispositivos LM340 incluyen limitación de corriente y desconexión térmica. 4. Cuando un regulador en Cl está alejado más de unas cuantas pulgadas de la fuente, podría ser necesario conectar un capacitor de puenteo en paralelo en la entrada del regulador. 5. El voltaje de entrada a un dispositivo LM340 deberá ser al menos 2 o 3 V mayor ·que la salida regulada.

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1. 2. 3.

4.

5.

6.

La segunda generación de reguladores en Cl tiene sólo terminales. La serie es típica de la segunda generación de reguladores en CL Un dispositivo LM340 no sólo regula el voltaje de salida de cd, también atenúa cualquier voltaje de _____ en la entrada. Si un regulador en Cl está alejado más de unas cuantas pulgadas de la fuente no regulada, se podría necesitar un capacitor de en paralelo a la entrada del regulador para prevenir las oscilaciones. El voltaje de a un regulador debería ser, al menos, de 2 a 3 V mayor que la salida regulada. Si Rz = 100 n y R, = 50 n en el circuito de la figura 35-4, entonces un LM340-6 producirá un Vsal de

____ v.

7.

Si R, = 50 n en el circuito de la figura 35-5, entonces un LM340-8 producirá una Isal de mA.

................................... ........................ . '


RE G U L A D O R E S

D E

T R E S

TER

M 1N A L E S

EN

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

TABLA 35-1. Regulador

Fuente de alimentación: una ajustable de 1 a 25 V. Osciloscopio. Resistores: 47 n, 100 n, 150 n, 180 n a Ijz W. Capacitor: 1 f-l-F/50V. Equipo: multímetro digital. Regulador en CI: LM340-8.

de voltaje fijo

V

Ven!'

Vsa(,

V

1 5 10 11 12 ,

Regulador de voltaje fijo

.

13 14

l. 2. 3.

4.

Conecte el circuito de la figura 35-6. Use una entrada con acoplamiento de cd del osciloscopio para observar la salida del regulador (terminal 2). Incremente poco a poco la fuente de alimentación ajustable desde 1 hasta 15 V Y observe la pantalla del osciloscopio. Todo lo que verá es un voltaje de cd sólido (estable). (Si las oscilaciones se presentan en la salida, conecte un capacitor de 1 p.F a través de la entrada del regulador.) Ajuste la alimentación de entrada a los valores de la tabla 35-1. Mida y registre los voltajes de salida regulados.

Ajuste del voltaje de salida 5. 6. 7.

15

2 LM340-8

3

.

Conecte el circuito de la figura 35-7 con R2 = 47 W. Mida y registre Vsal (tabla 35-2). Cambie R2 a los valores de la tabla 35-2 y registre Vsa( para cada valor.

Figura 35-7.

TABLA 35-2. Voltaje ajustable

LM340-8

2

47 100

3

180

Figura 35-6.


e

1

241

242


3 5

Regulación de corriente ........................ . 8.

TABLA 35-3. Regulación de corriente

Mida y registre la corriente a través de R 2 para cada valor de la tabla 35-3 .

47 100 180

PREGUNTAS ¿Qué puede concluir con los datos de la tabla 35-1 ? En referencia a la tabla 35-1, ¿cuál es el voltaje de entrada mínimo en que el regulador aun trabaja en forma apropiada? 3. Use la ecuación (35.2) y IQ = 8 mA para calcular el Vsal en el circuito de la figura 35-7 para un R 2 de 100 D. 4. ¿Cómo se puede comparar el cálculo de la pregunta 3 con los datos de la tabla 35-2?

1. 2.

5. 6.

7.

¿Qué puede concluir de los datos de la tabla 35-3? Si se usa un LM340-12 en el circuito de la figura 35-7, ¿cuál es el valor de Vsal para un R 2 de 47 D? (Use una IQ de 8 mA.) Si se usa un LM340-15 en el circuito de la figura 35-7, ¿cuál es el valor de V sal para un R2 de 47 D? (Use una IQ de 8 mA.)


EXPERIMENTO

~

OSCILADOR HARTLEY


Circuito "tanque" oscilatorio ................................. . Un oscilador es un dispositivo electrónico para generar una señal de voltaje de ca. La frecuencia de la señal generada depende de las constantes del circuito. Los osciladores se usan en receptores de radio y televisión, en radar, en todos los equipos de transmisión y en electrónica militar e industrial. Una oscilación es un movimiento de ida y regreso. En un circuito paralelo Le, los electrones oscilan cuando el circuito está excitado. En el circuito de la figura 36-1, cuando SI está cerrado, el capacitor e se cargará al voltaje de la batería V. Entonces, si SI se abre y S2 se cierra, e se cargará a través de L, lo que crea un campo magnético expandido alrededor de L. Después de que e se ha descargado, el campo magnético se colapsa e induce una corriente en L en la misma dirección que cuando e se descargaba. Este flujo de electrones carga a e en la polaridad opuesta. Después de que se colapsa el campo magnético, una vez más e trata de neutralizar su carga. El flujo de electrones a través de L es ahora en la dirección opuesta. Otra vez aparece un campo magnético expandido alrededor de L, pero ahora en dirección opuesta. Este proceso continúa de ida y vuelta, causando que los electrones oscilen en el circuito sintonizado, también denominado circuito tanque . Sin embargo, debido a la resistencia en el circuito, la amplitud de la oscilación es amortiguada, como en la figura 36-1, aunque el periodo de cada ciclo es el mismo. La frecuencia de oscilación es

f=

1

27T

vLC

(36.1)


244

E X P E R 1M EN T O

3 6

L

Figura 36-1. Circuito LC paralelo hacia la oscilación.

Figura 36-3. Oscilador con inductor de reacción.

Compensación de las pérdidas en un circuito tanque oscilatorio .................... .

Oscilador con inductor de reacción ........ .

Cuando la energía que se alimentó se usó por completo, es necesario suministrar más energía para recargar el capacitor e desde la fuente de alimentación y permitir de nuevo que se descargue a través de L. Mediante la conmutación de SI y S2 después de cada ciclo, se puede mantener la oscilación. Más aún, se puede generar una onda senoidal de amplitud constante. En este proceso el circuito usa energía de cd para compensar las pérdidas. Otro método para mantener las oscilaciones en el circuito tanque Le es conectar el circuito tanque en la salida del amplificador, como en la figura 36-2. El amplificador transistorizado está en corte mediante VBB , el cual polariza en inversa al circuito base-emisor. En la base del circuito se inyecta una onda senoidal con una amplitud tal que fluye corriente a través del colector en el pico negativo de la alternancia. Esta descarga eléctrica excita al circuito tanque en el colector de Q, lo que lo hace oscilar. Si la onda senoidal de entrada tiene la misma frecuencia que la frecuencia de oscilación del circuito tanque, la oscilación del circuito tanque se mantiene.

Mediante la realimentación positiva, el circuito puede proveer su propia señal de entrada. En la figura 36-3 LI está acoplada inductivamente a L. Cuando por primera vez se aplica alimentación, la corriente de colector comienza a fluir. A medida que la corriente fluye a través de L, ésta induce un voltaje negativo en LI' El voltaje negativo regresa a la base del transistor, forzando a que fluya más corriente en la base y el colector. La corriente de colector incrementada produce una descarga eléctrica que lleva al circuito tanque a la oscilación. El voltaje de realimentación a la base es una onda senoidal de la misma frecuencia que la señal en el circuito LC Por lo tanto, el voltaje de realimentación a la base elimina la necesidad de una señal de entrada y el circuito tanque Le oscilará como antes se describió. Una variante del oscilador con inductor de reacción se ilustra en la figura 36-4. La diferencia entre éste y el que muestra la figura 36-3 es que el se elimina, lo cual cambia la clase de operación. Otra diferencia es que la parte inferior de LI regresa a la terminal negativa de la batería en lugar de ir a tierra.

PNP

C

-=- vcc +--------' +

Figura 36-2. Amplificador con circuito

Le resonante.

Figura 36-4. Variante del oscilador con inductor de reacción.


oS e 1L A D o R

H A RT L E Y

245

Oscilador Hartley alimentado en paralelo o derivación ........................................ .

NPN

e

Figura 36-5. Oscilador Hartley alimentado en serie.

Oscilador Hartley alimentado en serie ..... La figura 36-5 muestra un oscilador Hartley alimentado en serie. En este circuito, el inductor de reacción, Ll es parte de L, el cual se convierte en un autotransformado~. El transistor NPN de la figura 36-5 se polariza como un amplificador convencional con polarización en directa en el circuito base-emisor y con polarización en inversa en el circuito emisor-colector. La corriente de colector fluye a través de L l y produce una corriente regenerativa en L que se alimenta a la base. Por diseño, la derivación en el autotransformador L está en el punto apropiado para sostener la oscilación en el circuito tanque. L-L l y e determinan la frecuencia de resonancia. Rl establece la polarización base-emisor. el se carga debido a la corriente en el circuito base-emisor. La base se mantiene a un potencial negativo con respecto al emisor, lo que polariza al transistor en corte, excepto durante los picos positivos de las oscilaciones. Este tipo de oscilador se denomina alimentado en serie debido a que las trayectorias de ca y cd son las mismas, justo como si estuvieran en un circuito en serie.

La figura 36-6 es un ejemplo de un oscilador Hartley alimentado en derivación, llamado así porque la trayectoria de ca está en paralelo con la trayectoria de cd. Este tipo de circuito con frecuencia se usa como oscilador local en receptores superheterodinos. El capacitor, e2 , y el inductor, Ll forman la trayectoria para la corriente de ca en el circuit¿ colector a tierra. La corriente de ca a través de Ll induce un voltaje en L de la fase y amplitud apropiadas para sostener la oscilación. La posición de la derivación del emisor sobre el inductor (unión de Ll y L ) determina qué tanta señal se alimenta de regreso al circuito de la base. El capacitor, e, y el autotransformador (L y L l ) forman el circuito resonante que determina la frecuencia de oscilación. El e se puede hacer variable para "sintonizar" el oscilador a varias frecuencias. El el y el Rl forman el circuito Re, el cual desarrolla el voltaje de polarización en la base. El choque (limitador de corriente, RFC, radio frequency choke) en el colector mantiene la señal de ca fuera de la alimentación Vcc. El circuito se estabiliza en cd mediante un resistor, R 2 conectado en el circuito del emisor. R 2 se puentea median~ te el capacitor e3 para prevenir la degeneración de la señal de ca. El inductor del oscilador Hartley tiene tres conexiones que por lo general se codifican en el inductor. Si no lo están, en condiciones normales es posible identificarlas por la verificación de resistencia. La resistencia entre las deri vaciones T y P es pequeña comparada con la resistencia entre T y G. Si las conexiones del inductor no se hacen en forma apropiada, el oscilador no operará.

Verificación de la frecuencia del oscilador ...................................... .. Osciloscopio con base de tiempo calibrada como estándar de frecuencia

La frecuencia aproximada de un oscilador se puede calcular a partir de las constantes Le usando la ecuación (36.2)

e LI

Figura 36-6. Oscilador Hartley alimentado en paralelo.

Un método para medir la frecuencia de una señal senoidal es usar un osciloscopio con una base de tiempo calibrada que mida el periodo de la forma de onda. La frecuencia se calcula a partir del periodo. En el osciloscopio se observa la forma de onda periódica cuya frecuencia se va a medir. Los controles de Tiempo/cm se fijan en la posición de "calibrado", y el ancho de la forma de onda se mide en for-


246

EXPERIMENTO

36

ma horizontal a lo largo de la base de tiempo. La frecuencia, f, se puede entonces calcular con la ecuación

f= donde

271"

(36.3)

donde 11.

f está dada en hertz y t en segundos.

1

f=

VLC

f está en hertz, L está en henrys, y

e en farads.

La frecuencia, f, de un oscilador se puede medir con un osciloscopio con una base de tiempo calibrada.

RESUMEN

N

!II W

II~ ;: ¡¡p 11

'IH ¡.,'I

Los osciladores electrónicos generan voltajes de ea senoidales y no senoidales. 2. Los osciladores se usan en todas las ramas de la electrónica, como radio, radar y transmisores. 3. Con una descarga eléctrica un circuito Le, como el de la figura 36-1, se puede llevar a la oscilación, a condición de que las pérdidas del circuito se reemplacen, las oscilaciones se amortiguarán y desaparecerán. 4. La energía requerida para compensar las pérdidas por resistencia en el circuito tanque y sostener la oscilación, se puede suministrar mediante arreglos especiales de circuitos realimentados que usan transistores junto con inductores y capacitores. 5. Un tipo de circuito oscilatorio emplea inductores de "reacción" para realimentar energía en la fase apropiada, desde la salida hasta la entrada del oscilador. Los ejemplos se muestran en las figuras 36-3 y 36-4. 6. Un oscilador Hartley usa un inductor de reacción del tipo autotransformador de tres terminales para sostener la oscilación; por ejemplo, el inductor L-L¡.de la figura 36-6. 7. La figura 36-6 muestra un oscilador Hartley transistorizado estabilizado en cd mediante la inclusión de un resistor, R2 y el capacitor de puenteo, e3. 8. La figura 36-6 ilustra un oscilador Hartley alimenta-o do en derivación o en paralelo, debido a que la trayectoria de corriente de la señal de ea generada está en paralelo con la trayectoria de la corriente de cd. 9. En la figura 36-5 se muestra un oscilador Hartley alimentado en serie. En éste las trayectorias de ea y cd son las mismas. 10. La frecuencia de un oscilador Le depende de la inductancia y la capacitancia del circuito tanque o resonante y se puede encontrar con la ecuación

AUTOEVALUACIÓN

....................•..............

l.

Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas. 1. En la figura 36-1, cuando 52 está cerrado y e se descarga a través de L se genera una oscilación amortiguada. La forma de onda está amortiguada debido a la ________ en el circuito. 2. En la figura 36-2 Q conduce durante la parte más __________ (negativa, positiva) del ciclo de entrada. 3. El oscilador Hartley de la figura 36-6 usa un inductor de terminales para sostener la oscilación. 4. En la figura 36-6 la polarización que desarrolla e¡RI después de la oscilación mantiene APAGADO al transistor excepto durante la parte superior de la alternancia (negativa, positiva) de la onda senoidal. 5. En la figura 36-6 el voltaje medido de la base al emisor, cuando el oscilador está ENCENDIDO, será ________ (positivo, negativo). 6. En la figura 36-6 un osciloscopio conectado desde el colector hasta el emisor mostrará una _ 7. El propósito del RFC en el circuito de la figura 36-6 es para mantener la fuera de la 8.

Se usa un osciloscopio con base de tiempo calibrada para medir la frecuencia de un oscilador. Si el control de Tiempo/cm se fija en 100 microsegundos por centímetro (us/cm), y si el ancho de un ciclo de la onda senoidal es de 2 cm, la frecuencia del oscilador es _______ Hz.

\1¡. 'l'


o S e 1L A o o R

H A RT L E Y

247

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

2.

Fuente de alimentación: fuente de cd de bajo voltaje variable y regulada; generador de señal de RF. Equipo: osciloscopio; multímetro digital; miliamperímetro de 0- 10 mA. Resistores: 390 kn, 270 kn a 'Iz W. Capacitores: 47 pF, 250 pF; 0.001 ¡.LF,0.01 ¡.LF Semiconductores: transistor 2N3904. Otros: choque de RF de 30 mH; inductor para oscilador HartIey (Miller #2021 o equivalente para la banda de radiodifusión); interruptor de un polo un tiro. 1.

Conecte el circuito de la figura 36-7. La L es un inductor con derivaciones para la banda de radiodifusión. M es un mili amperímetro de cd o un VOM (voltímetro óhmetro y miliamperímetro) situado en el intervalo de corriente de 10 mA. Verifique las conexiones del circuito antes de aplicar la alimentación.

Sd-=5V

e

3.

4. 5.

6. 7.

Con un osciloscopio cuyo selector Tiempo/cm se fije en 1 us/cm, cierre el interruptor S. Observe y mida la forma de onda en TP 1 Y 2. Registre los resultados en la tabla 36-1. Observe que en un osciloscopio con ancho de banda angosto, las mediciones pico a pico serán relativas debido a la atenuación de la señal de alta frecuencia de los amplificadores en el osciloscopio. Con un multímetro digital mida VBE, voltaje de cd de base a emisor, y VCE, voltaje de cd de colector a emisor, en TP 1 Y 2, respectivamente. Registre en la tabla 36-l. Mida la corriente del circuito y anótela en la tabla 36-l. Abra el interruptor S. Adicione una red de estabilización de polarización, R2, y C3 al circuito experimental, como en la figura 36-8. Cierre el interruptor S. Repita los pasos 2, 3 Y 4. Abra C3 y repita los pasos 2, 3 Y 4.

Medición de la frecuencia del oscilador 8.

.

Con una punta de prueba con base de tiempo calibrada mida el ancho de un ciclo de la forma de onda del oscilador en TP 2. Convierta este ancho en un tiempo t multiplicando el ancho del ciclo (en centímetros) por el valor fijado en el selector de Tiempo/cm. Determine la frecuencia.j, del oscilador mediante la fórmula

250pF

f= donde f está en hertz y t en segundos. Registre en la tabla 36-2. Muestre todos sus cálculos. Figura 36-7. Oscilador

TABLA 36-1. Verificación

Hartley experimental.

del oscilador

experimental

TP 1 Paso

Forma de onda

Vpp

TP2 Forma de onda

VBE

2,3,4 6 7


Vpp

Va

IT

248

EXPERIMENTO

36

TABLA 36-2. Medición de la frecuencia

del oscilador

Periodo del oscilador, ms

Paso

tener oscilaciones, de modo que no aparecerá corriente alterna en TP 1 o 2. Verifique un osciloscopio para determinar si existe o no una forma de onda de ea en TP 2. (sí, no).

Frecuencia del oscilador, kHz

8

TABLA 36-3. Lecturas para la localización

Paso

Problema

de fallas

Voltaje en TP 1

Inyección de señal····· 11.

10

C2 abierto

12

C2abierto

13

Choque abierto

14

Choque abierto

El método para la localización de fallas en un oscilador que no opera se conoce como inyección de señal. En la base del transistor del oscilador, el cual actúa como amplificador, se ingresa (inyecta) una señal seno id al de una frecuencia igual a la frecuencia del oscilador. Conecte el generador de RF a la unión de Cl y C. Fije la frecuencia a la frecuencia del oscilador. Incremente la salida de! generador hasta que aparezca una señal en TP 2. Mida y registre las señales en TP 1 Y 2. ¿Qué dice esto acerca del circuito? ¿Qué partes están trabajando? Si C2 estuviera en realidad mal (abierto), la señal del colector en TP 2 no se acoplaría a través de éste. Abra el interruptor S. Desconecte la señal del generador y reemplace C2 en el circuito. Desconecte un extremo del choque de RF. Cierre el interruptor S, y mida los voltajes en TP 1 Y 2 Y regístrelos en la tabla 36-3. Reconecte el generador de señales como estaba y mida otra vez las señales en TP 1 y 2. Explique los resultados de las mediciones tomadas en los pasos l3 y 14.

12.

Localización de fallas en un oscilador 9.

10.

.

Voltaje en TP 2

....

La mayoría de los problemas que se presentan en un oscilador producen la pérdida de la señal de salida de ea, Sin esta señal el circuito que queda es un amplificador sin señal de entrada. Abra el interruptor S y remueva C2. Cierre el interruptor S y mida los voltajes en TP 1 Y 2. Registre éstos en la tabla 36-3. Es obvio que sin C2 no existe una trayectoria de realimentación para sos-

l3.

14.

PREGUNTAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

8.

¿Cuáles son las condiciones requeridas para la oscilación? ¿Cómo se alcanzan los requerimientos para oscilación en el circuito de la figura 36-7? Explique los efectos de remover C3 en el circuito de la figura 36-8. Compare y explique las lecturas de corriente en la tabla 36-1 para los pasos 4 y 7. ¿Cuál es el propósito del capacitor C2 en el circuito de la figura 36-8? ¿Operará el oscilador con C2 abierto? ¿Cómo se calcula la frecuencia del oscilador [ecuación (36.1)] en comparación con la frecuencia medida? Explique cualquier diferencia en las dos frecuencias. ¿Cómo puede determinar si un circuito oscilador está oscilando?

s~ 5V

e

Figura 36-8. Adición de la estabilización lador Hartley experimental.

http://gratislibrospdf.com/ j

,'~

•••

-=-

de la polarización

al oscí-

EXPERIMENTO

~

OSCILADOR POR DESPLAZAMIENTO DE FASE


Realimentación por desplazamiento de fase ........... . En el oscilador Hartley (experimento 36), la L y la C del circuito tanque determinan la frecuencia de oscilación. El oscilador por desplazamiento de fase en este experimento usa resistores y capacitores (R y C) como constantes para determinar la frecuencia . Recuerde que los requerimientos para la oscilación son: (1) un amplificador con (2) realimentación de la salida a la entrada del circuito con la fase apropiada para compensar las pérdidas del circuito y sostener la oscilación. La manera en que la realimentación lo hace no es importante, mientras tenga la fase apropiada y la amplitud suficiente para compensar las pérdidas de energía en el circuito. La trayectoria de realimentación sencillamente distingue entre uno y otro tipo de oscilador.

A

Y'---+----I/ RED DE REALIMENTACiÓN

=

Figura 37-1. Red de realimentación del oscilador.


250


3 7

"~~.Itt~I

~11!~

de fase RC.

Figura 37-2. Red de desplazamiento

Figura 37-4. Oscilador

En la figura 37-1 se muestra la red de realimentación en forma de bloque. Q¡ es un amplificador con una carga resistiva en el colector. Existe un desfasamiento de 180° entre la base y el colector en condiciones normales de operación. La red de realimentación debe introducir otro desfasamiento de 180° de regreso del colector hacia la base, a fin de lograr la oscilación. Esto lo puede lograr una triple sección de una red RC, como ilustra la figura 37-2. El punto A se conecta al colector de Q¡, como en la figura 37-1, y B, a la base de Q¡. Considere una sola sección, C¡R¡, de esta red de realimentación, y suponga que la señal, ve, acoplada a C¡R¡ es una onda senoidal. C¡R¡ es un circuito capacitivo, y la 'corriente se adelanta al voltaje mediante un ángulo que se define como "el ángulo de fase" del circuito. El ángulo de fase e depende de la frecuencia de Ve Y de los valores de R y C y está dado por la ecuación

tan

e=

e=

Xe

1 --2TifCR

R

arctan

(37.1)

Xe R

Ahora C¡ y R¡ se pueden elegir de modo que se tenga la frecuencia deseada,f, y 6 = 60°. La figura 37-3 muestra es-

<, <, <, <, <, <,

~--~------------~"-~ ~ I

I I I I I

Figura 37-3. Desfasamiento

de fase transistorizado.

te desfasamiento de 60°. El voltaje VR¡ a través de R¡ está adelantado de ve, el voltaje de entrada, por 60°. C2 y R2 ahora se pueden elegir para introducir un des fasamiento adicional de 60° entre VR¡ Y VR2, de manera que VR2 esté adelantado a Ve por 120°. De modo similar, C3 y R3 se seleccionan para introducir otro desfasamiento de 60°, y como resultado VR3 esté adelantado a Ve por 180°. Observe que existirá un desplazamiento de fase (desfasamiento) de 180° para una sola frecuencia, como lo determinan los valores de C y R en la red de realimentación. Si alguno de los valores seleccionados de C y R, digamos, R3 en el circuito de la figura 37-2, varía, la frecuencia para la que existe un desfasamiento de 180° cambiará. Los ángulos de fase introducidos por cada sección de la red de realimentación cambiarán debido a la nueva frecuencia. La oscilación tiene lugar en la frecuencia en la que el desfasamiento total es igual a 180°.

(37.2)

-

'1>

por desplazamiento

en la red RC.

Oscilador por desplazamiento transistorizado

de fase .

Un oscilador por desplazamiento de fase transistorizado debe introducir una realimentación de fase desde la salida hasta la entrada para sostener la oscilación. Si se usa un amplificador en emisor común con una carga resistiva en el colector, existe un desfasamiento de 180° entre la base y el colector. Por lo tanto, el desfasamiento realimenta la red entre la base y el colector introduciendo un desfasamiento adicional de 1800 a alguna frecuencia, si la oscilación va a tener lugar. Aquí también se pueden emplear tres secciones de una red Re. En la figura 37-4 se muestra un transistor conectado como oscilador por desplazamiento de fase. En este amplificador en emisor común la realimentación va desde el colector hasta la base, esto es, desde la salida hasta la entrada.


o s e 1L A o o R

Las tres secciones de la red por desplazamiento de fase constan de el' R l , ez, Rz, e3y R3 en serie con Rent , la resistencia de entrada. De esta forma, cada sección puede introducir un desfasamiento de 60° (aproximadamente) en la frecuencia de resonancia, los valores de el = ez = e3 y R 1 = Rz = R3

o E S P L A Z A M 1E N T o o E

POR

Solución

hfe

Mediante un análisis se puede mostrar que la frecuencia de oscilación para estas condiciones se puede expresar mediante la ecuación (37.3)

(37.4)

251

a) 23

=

+

+ Rent ·

Una condición necesaria para la oscilación sostenida en el oscilador por desplazamiento de fase Re está dada por la ecuación

FA SE

29R l

+

RL

4R L Rl

29(2200)

=

23

+

=

23

+ 5.32 + 21.8

=

50.12

12000

+

4(12000) 2200

Un transistor cuya h fe = 40 no permitirá la oscilación en este circuito. La hfe del transistor requerido debe ser mayor a 50.12. b)

donde h j'e es la razón de transferencia de corriente de polarización en directa en señal pequeña del transistor. Ejemplo. Un ejemplo numérico ilustrará el uso de las ecuaciones (37.3) y (37.4). ¿Cuál es la frecuencia de oscilación preestablecida para el circuito de la figura 37-4, si Rl = 2200 n, RL = 12000 n, y el = 0.1? ¿Proveerá suficiente realimentación para la oscilación de un transistor con los valores R l , R L Y el , cuya hfe = 40?

6.28(0.1 X 10 - 6) V6(2200)2

6.28

+ 4(2200)(12000)

V 6(2.2)2 + 4(2.2)(12)

137 Hz

s 4.7 kn

-=-lOV

+

Figura 37-5. Oscilador por desplazamiento de fase transistorizado experimental.


252

E X P E R1M EN T O

37

Figura 37-6. Forma de onda de referencia.

Figura 37-7. Medición del cruce de cero.

Si se elige el transistor apropiado, la frecuencia de oscilación para los valores de este ejemplo será, por lo tanto, más o menos de 137 kHz. El circuito de la figura 37-5 es una variante práctica del circuito de un oscilador por desplazamiento de fase. Observe el cambio de posición del control de frecuencia, R 4 , y el cambio en el circuito de polarización. El resistor de polarización, R3 se conecta al colector para estabilizar la polarización. El propósito de C4 es puentear la base para eliminar oscilaciones parásitas. Puesto que éste no es un circuito por desplazamiento de fase perfectamente balanceado, la ecuación (37.3) no es aplicable en forma directa. Sin embargo, si el reóstato R4 estuviera ajustado para una resistencia cero y si R3 se hiciera variable, R3 se ajustaría para balancear el desplazamiento de fase y la ecuación (37.3) se podría entonces aplicar.

Mover la punta de prueba vertical al punto de la señal de prueba y medir la distancia, te' desde la posición más alejada de la izquierda del cruce de cero grados de la forma de onda de prueba como describe la figura 37-7. La diferencia de fase entre las dos formas de onda se calcula con la fórmula

Medición de la fase con osciloscopio ...... Para medir la relación de fase entre dos señales senoidales, se empieza con la conexión de las entradas de disparo del canal vertical y horizontal externos de un osciloscopio a la forma de onda de referencia. Ajustar el nivel del canal horizontal de modo que el cruce de cero grados de la onda senoidal esté en la parte izquierda más alejada del eje horizontal como ilustra la figura 37-6. Medir el periodo total, t p del ciclo de la forma de onda como muestra la figura 37~6.

(37.5) Como ejemplo, una onda senoidal de 35 kHz tiene un cruce de cero grados de 5 f.LS después del cruce de cero grados de una señal de referencia de la misma frecuencia. ¿Cuál es la diferencia de fase entre estas dos señales? La solución se encuentra calculando primero el periodo de las ondas senoidales de 35 kHz. Al invertir estos 35 kHz se produce un periodo, tp , de 28.57 f.LS. Al dividir el tiempo, te' de 5 f.LS en el cruce de cero grados entre t p y multiplicar este cociente por 360° resulta un ángulo de fase de 63°.

RESUMEN

1.

2.

Los osciladores requieren un dispositivo de amplificación, como un transistor, con realimentación en fase desde la salida y de regreso hasta la entrada para sostener la oscilación. La red de realimentación en el oscilador por desplazamiento de fase consta de un circuito con tres secciones RC


o s e [L A

3.

4.

5.

En el circuito de la figura 37-4 el amplificador introduce un desfasamiento de 180° entre la señal en la base y la señal en el colector. Si para alguna frecuencia la red de realimentación Re introduce un desfasamiento adicional de 180°, entonces el desfasamiento de la señal realimentada es igual a 180° + 180°, o 360°. Esto es lo mismo que 0° o una condición en fase, y el circuito alcanza uno de los requerimientos de oscilación. El resistor variable, R3 se usa para desbalancear la red de realimentación a fin de cambiar la frecuencia de oscilación. La señal desfasada no sólo debe tener la fase apropiada, también debe ser de la amplitud suficiente para compensar las pérdidas del circuito. Para alcanzar este requerimiento la razón de transferencia de corriente de polarización en directa en señal pequeña (h!e) o ganancia del transistor debe ser tal que

D

o

h!e = 23 6.

4R L

RL

RI

+ -- +

La frecuencia de un oscilador por desplazamiento de fase de tres secciones simétrica, determinada por los valores de R y e, está dada por la ecuación

7.

oESPLAZA

M [ E NT

o

DE

FA S E

253

AUTOEVALUACIÓN

Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas. 1.

2.

4.

5.

donde e es el valor de cada capacitor en farads, RI es el valor de cada resistor en ohms, y f está dada en hertz. El ángulo de fase entre las dos señales se calcula con la ecuación

POR

.•...••...•...••••••••.•.........••

3.

29R I

R

6.

7.

Si en la figura 37-1 no hubiera red de realimentación y el transistor estuviera sólo conectado como amplificador de señal, la señal de voltaje en el colector estaría desfasada grados con la señal de voltaje en la base. Cuando el circuito funciona como oscilador por desplazamiento de fase, la red de realimentación (figura 37-4) introduce un desfasamiento adicional de _ _ _ 0, de manera que la señal de realimentación del colector a la base está ___________ con la señal en la base. En la primera sección de la red de desplazamiento de fase Re en la figura 37-2, la señal de voltaje, vI' a través de RI se (adelanta, atrasa) a la señal de voltaje aplicada, Ve. En el circuito de la figura 37-2 la magnitud del ángulo de desfasamiento L, e, de la señal a través de RI depende de la de la señal y de los valores de y _ _ __ En el oscilador por desplazamiento de fase de la figura 37-4 la frecuencia se podría cambiar variando Cualquier transistor PNP se puede usar en lugar de QI en el oscilador por desplazamiento de fase transistorizado de la figura 37-4. (cierto,falso) Los cruces de cero grados de dos ondas senoidales de 10 kHz difieren por 5.2 ¡LS. ¿Cuál es el ángulo de fase entre estas dos señales?


254


3 7

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

Fuente de alimentación: fuente de cd de bajo voltaje variable regulada. Equipo: osciloscopio; multímetro digital; contador de frecuencia. Resistores: 1 200 o, dos de 4 700 n, 68 000 n a lh W. Capacitores: tres de 0.047 J..LF,0.0022 J..LF. Semiconductores: transistor 2N3905 o equivalente. Otros: interruptor de un polo un tiro; potenciómetro de 1000 n a 2 W. 1. 2.

3.

4.

5. 6.

Conecte el circuito de la figura 37-5. Fije R4, el control de frecuencia, para la resistencia máxima. Cierre S. Con un osciloscopio observe y mida la forma de onda y su voltaje pico a pico en el colector y

TABLA 37-1. Intervalo de frecuencia

del oscilador

la base de Q. Registre los datos en la tabla 37-1. Mida y anote el voltaje de cd en el colector, emisor y base. Con un contador de frecuencia o un osciloscopio con base de tiempo calibrada, determine la frecuencia del oscilador con R4 ajustada a su resistencia máxima. Registre los datos en la tabla 37-1. Ajuste R4 a su resistencia mínima. Mida la nueva frecuencia del oscilador. Registre esta frecuencia en la tabla 37-1. Fije R4 más o menos a la mitad de su valor. Observe y mida la amplitud pico a pico de la forma de onda de salida, Vsal' Y la forma de onda de re alimentación en TP 1,2 Y 3. Mida y calcule el ángulo de fase entre cada punto de prueba y Vsal. Registre estos datos en la tabla 37-2.

RC Frecuencia

Punto de prueba

Forma de onda

Vpp

X

X

V. cd

Mínima

Máxima

Colector 11'

Emisor

111

Base

1 11

I

TABLA 37-2. Relaciones

Punto de prueba

en el oscilador

por desplazamiento

de fase RC

Vpp

Forma de onda

Desfasamiento,

grados

0°

Colector

TP 1 TP2 TP3

PREGUNTAS 1. Ili 1

I I :~ I

2. 3.

¿Cómo se realiza la realimentación en el oscilador RC de la figura 37-4? ¿Qué tanto desfasamiento se introduce mediante C¡R1? Compare los desfasamientos de la señal medidos entre Vsal Y TP 3 con el que teóricamente debería ser y contabilice cualquier diferencia.

4. 5.

¿Por qué existe diferencia en amplitud entre el voltaje de realimentación en TP 1, 2 Y 3? Con relación a la figura 37-5, ¿cómo se logra la estabilización de la polarización?


EXPERIMENTO

~

OSCILADORES CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL


Red de adelanto-atraso ........................................ . La figura 38-1a) muestra una red ,de adelanto-atraso . En un circuito como éste, el ángulo de fase de la onda senoidal en Vsal se adelanta a Ven! para frecuencias bajas y se atrasa para frecuencias altas. En otras palabras , el desfasamiento se ve como en la figura 38-1b). Es especialmente importante el que exista una frecuenciafo donde el desfasamiento es igual a O. La gananci¡¡ de voltaje del circuito alca nza un máximo de un tercio, como describe la f igura 38-1c). En la frecuencia donde el desfasamiento es igual a O el valor de la frecuencia fo está dado por 1 fo = 2TiRC

(38.1)

Una red de adelanto-atraso como la de la figura 38-1 a) es un circuito resonante porque la ganancia alcanza un máximo enfo y el desfasamiento se va a O en fo. Por esta razón, fo se denomina frecuencia de resonancia de la red de adelanto-atraso.


256


3 8

13

+90

0

(e)

~)

~)

Figura 38-1. Red de adelanto-atraso: a) circuito; b) desfasamiento; e) ganancia de voltaje.

Oscilador de puente de Wien ................ . El oscilador de puente de Wien es el que más se usa para frecuencias en el intervalo de 5 Hz hasta alrededor de 1 MHz. La figura 38~2 muestra un oscilador de puente de Wien que usa un amplificador operacional para proporcionar la ganancia necesaria. El puente de Wien consta de una red de adelanto-atraso (R y C) a la izquierda y un divisor de voltaje (R¡ y R 2 ) a la derecha. El circuito de la figura 38-2 usa realimentación positiva y negativa. La realimentación positiva es a través de la red

e

de adelanto-atraso en la entrada no inversora; la realimentación negativa, a través del divisor de voltaje en la entrada inversora. En el divisor de voltaje, R¡ es, en general, una lámpara de tungsteno miniatura. Cuando la alimentación de energía se aplica por primera vez, la lámpara de tungsteno tiene resistencia baja y la ganancia de voltaje del divisor es menor a un tercio. Debido a que la red de adelanto-atraso tiene una ganancia de voltaje de un tercio y un desfasamiento de O enfo, el voltaje de error es grande y se inician las oscilaciones. A medida que las oscilaciones se desarrollan en la frecuenci¡:tfo, la lámpara de tungsteno se calienta y aumenta su resistencia. Cuando la resistencia de la lámpara se aproxima a Rzf2, el divisor de voltaje tiene otra vez una ganancia cercana a un tercio. En este momento, el voltaje de error se aproxima a O y las oscilaciones se estabilizan. En otras palabras, la salida pico a pico se hace constante si la resistencia de la lámpara es igual a R2/2 (aproximadamente).

R

+

-1

Verror

RL R

R¡ (lÁMPARA DE TUNGSTENO)

Vsal

-=

~

~------~v~------~

PUENTE DE WIEN

Figura 38-2. Oscilador de puente de Wien con amp ops.

Filtro de doble T .................................. . La figura 38-3a) ilustra un filtro de doble T. El análisis de este circuito muestra que actúa como una red de adelantoatraso con un ángulo de fase, como ilustra la figura 38-3b) . Una vez más existe una frecuenciafo donde el desfasamiento es igual a O. La ganancia de voltaje es igual a la unidad en frecuencias bajas y altas; en la frecuenciafo la ganancia de voltaje cae hasta O (figura 38-3c). El filtro de doble T en ocasiones se denomina filtro de muesca (notch) porque puede recortar o atenuar las frecuen-


o se 1L A oo R E S e o N

A M P L 1F 1e A

eT c

Vent

R

=

ooR o

P ER A

e

ION A L

257

Vsa¡

R

= (a )

90'

le)

lb)

Figura 38-3. Filtro de doble T: a) circuito; b) desfasamiento; e) ganancia de voltaje.

cias cercanas afo. La frecuenciafo se conoce comofrecuencia del filtro de muesca y está dada por

fo =

R

(38.2) 27fRC

=

R Verror

+

+

= =

R,

= Figura 38-4. Oscilador de doble T.

Oscilador de doble T ............................ . La figura 38-4 muestra un oscilador de doble T. La realimentación positiva es a través del divisor de voltaje a la entrada no inversora; la realimentación negativa, a través de un filtro de doble T. Cuando la alimentación se enciende por primera vez, la resistencia de la lámpara R 2 es baja y la realimentación positiva es máxima. A medida que se desarrollan las oscilaciones, la resistencia de la lámpara aumenta y la realimentación positiva decrece ; si la realimentaci ón decrece, las oscilaciones se estabilizan y hacen constantes. De esta forma, la lámpara estabiliza el nivel del voltaje de salida. En el filtro de doble T la resistencia R/2 se ajusta. Esto es necesario porque el circuito oscila en una frecuencia ligeramente diferente a la frecuencia del filtro de muesca ideal de la ecuación (38.2). En la frecuencia de oscilación, la ganancia del filtro de doble T debe ser algo menor que la ganancia del divisor de voltaje, y el desfasamiento del filtro es casi O. De esta manera, el voltaje de error tiene la amplitud y fase correctas para sostener las oscilaciones, Para asegurar que la frecuencia de oscilación esté cercana a la frecuencia del filtro de muesca, el divisor de voltaje debe tener un R 2 mucho más grande que R¡. Como guía, R/R¡ está en el intervalo de 10 a 1 000. Esto fuerza al oscilador a funcionar en una frecuencia cercana a la frecuencia del filtro de muesca .


258

E X P E R1M EN T O

3 8

RESUMEN

l.

AUTOEVALUACIÓN

...................................

En una red de adelanto-atraso el desfasamiento es positivo en frecuencias bajas y negativo en frecuencias altas. 2. En una red de adelanto-atraso el desfasamiento es igual a O cuando la frecuencia es fa . 3. La ganancia de voltaje de una red de adelanto-atraso alcanza el valor máximo de un tercio cuando la frecuencia es fa. 4. Un oscilador de puente de Wien tiene una red de adelanto-atraso en la trayectoria de realimentación positiva y un divisor de voltaje en la trayectoria de realimentación negativa. 5. Para estabilizar el voltaje de salida se usa una lámpara de tungsteno miniatura en el divisor de voltaje. 6. La salida de un oscilador de puente de Wien se estabiliza cuando la resistencia de la lámpara es igual a Rzl2. En este punto, el divisor de voltaje tiene una ganancia de casi un tercio. 7. Un filtro de doble T actúa como red de adelanto-atraso, produciendo un desfasamiento negativo en frecuencias bajas y un desfasamiento positivo en frecuencias altas. 8. En la frecuencia fa el desfasamiento del filtro de doble T es o. 9. La ganancia de voltaje de un filtro de doble T idealmente cae a O en la frecuencia fa. 10. En ocasiones el filtro de doble T se denomina filtro de muesca porque corta o atenúa las frecuencias cercanas afo.

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. l. 2.

En la frecuencia fa el desfasamiento de una red de adelanto-atraso es igual a _ _ _ _ _ __ La frecuencia es igual al recíproco de 2'ITRC.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

En el oscilador de puente de Wien de la figura 38-2, la red de adelanto-atraso proporciona una realimentación y el divisor de voltaje una realimentación _ _ _ _ __ Cuando la alimentación se aplica por primera vez, la lámpara de tungsteno de un oscilador de puente de Wien tiene una resistencia _________ y la ganancia del divisor de voltaje es menor a Si R = 5 kD y e = 0.047 J-LF en el circuito de la figura 38-2, la frecuencia de oscilación es casi _ _ _ _ _ kHz. Si R 2 = 1 kD en el circuito de la figura 38-2, la lámpara de tungsteno debe tener una resistencia menor a _ _ _ _ _ D para que inicien las oscilaciones. Las oscilaciones se estabilizarán cuando la resistencia de n. la lámpara sea igual a En la frecuenciafo el desfasamiento de un filtro de doble-T es y la ganancia de voltaje, La frecuencia de oscilación de un oscilador de doble T es casi igual a 1 dividida entre _ _ _ __


o s e 1L A D o R E S e o N

A M P L 1F 1e A D

oR oP

E R A

e ION

A L

259

PROCEDIMIENTO

............................................................................................................................ MATERIAL NECESARIO

TABLA 38-1. Oscilador fO(calculada)

Dos fuentes de alimentación: de 15 V. Equipo: osciloscopio; contador electrónico. Resistores: uno de 100 D, uno de 270 D, dos de 1 kD, uno de 10 kD a 112 W. Potenciómetro: 1 kD. Capacitores: dos de 0.1 ¡..LF, 0.22 ¡..LF. Amplificador operacional: 741C.

Oscilador de puente de Wien 1. 2.

3.

4. 5.

de puente de Wien

.

Calcule la frecuencia de oscilación del circuito de la figura 38-5. Registre esta frecuencia en la tabla 38-1. Conecte el circuito de la figura 38-5. (NOTA: por conveniencia se usa un resistor ordinario para R, en lugar de la lámpara de tungsteno miniatura.) Ajuste R2 para obtener una onda senoidal, Vsal' lo más grande posible sin recorte excesivo o distorsión. (El nivel de la señal deberá estar unos 15 V pp.) Mida y registre la frecuencia de salida en la tabla 38-1. Mida y registre el ángulo de fase entre Vsal (terminal 6) y la terminal 3.

<1>0

J(medida)

\.:-.-

-=

+15 V 2 6

e

J

3

Io.221lF

-=

-15 V

R2

10kn

R,

ioo n Figura 38-6. Oscilador

de doble-T experimental.

Oscilador de doble T 6.

e, 0.1 IlF

7. 8. +15 V

9.

3 6 vsal

2

I

e2 o 11lF .

~

R1

10.

Calcule la frecuencia aproximada del oscilador de doble T (figura 38-6). Registre el valor en la tabla 38-2. Conecte el circuito de la figura 38-6. Mida y registre el ángulo de fase entre vsal (terminal 6) y la terminal 3. Ajuste R3 para obtener una onda senoidal grande sin distorsión (de entre 20 y 25 V pp). Mida y registre la frecuencia de la salida en la tabla 38-2.

-15 V R2

lkn TABLA 38-2. Oscilador

non

fO(calculada)

de doble T J(medida)

Figura 38-5. Oscilador de puente de Wien experimental.

..•..........••....•....•..........•....•...............•....•....••....•....••..............••...•.....•...............•..• http://gratislibrospdf.com/

.

260


3 8

PREGUNTAS 1.

2.

3.

Con los datos de la tabla 38-1 compare la frecuencia medida con el valor teórico. Sugiera razones por las cuales ambas difieren. Comente sobre los ángulos de fase medidos en este experimento en relación con los del experimento 37 y los necesarios para sostener las oscilaciones. Se desea que un oscilador de puente de Wien oscile a 5 kHz. ¿Qué componentes se pueden cambiar para lograrlo?

4.

5.

En el oscilador de doble T compare la frecuencia de oscilación medida con la frecuencia calculada. Establezca razones de por qué ambas difieren. Si los capacitares de un oscilador de doble T se mantienen constantes, ¿cuáles son los valores de las resistencias requeridos para obtener una frecuencia de oscilaCÍón de 10 kHz?


EXPERIMENTO

~

GENERADOR DE DIENTE DE SIERRA (FUNCiÓN RAMPA)


Onda de diente de sierra················· .. ······ .. ··· .. ···· .... La onda de diente de sierra es una de las formas de onda periódicas de mayor importancia en electrónica. Ésta se usa extensivamente como base de tiempo en osciloscopios, indicadores de radar y otras incontables aplicaciones. La figura 39-1 es la gráfica de un voltaje que varía en forma lineal y cambia con respecto al tiempo. El voltaje aumenta desde O hasta un nivel V en ti segundos y disminuye desde el nivel V hasta O en t2 segundos. ,El ciclo entonces se repite. Debido a que el perfil de la forma de onda es similar a los dientes de una sierra, se denomina onda de diente de sierra. En el intervalo ti' también conocido como tiempo de levantamiento (su bida), el voltaje se incrementa linealmente con respecto al tiempo de modo

le I

tI

-1 1'" -+1121+-

1

VOLTS

I I

--1 I

--1t2~

f----- - -

vL-----I

t1

I I

I

I

1

I TIEMPO

Figura 39-1. Onda de diente de sierra en la que el voltaje varía linealmente con el tiempo.


262


3 9

'.m

b" ~~ * "At I I

I I

Vsal

I

(a)

1

1

I

1 1

1 1

1

1 1 .1

I

1

I

I I I

I

I

1

I

(b)

Figura 38-2. a) Amplificador que se usa para generar una onda de diente de sierra; b) formas de onda de entrada y salida.

que se producen incrementos en voltaje iguales en incrementos de tiempo iguales. En el intervalo t 2 , el voltaje cae desde su nivel máximo, V, hasta O. Este tiempo de caída (t2 ) es mucho más pequeño que el tiempo de subida, tI '

Generación de una onda de diente de sierra ............................................. . Una onda de diente de sierra se puede generar mediante la carga y descarga de un capacitor utilizando constantes de tiempo RC apropiadas. Un generador de onda de diente de sierra también se denomina generador de función rampa. En el circuito de la figura 39-2a), Q es un amplificador con un transistor NPN que conduce en forma intensa en ausencia de señal. A la entrada se aplica un pulso rectangular, ven! (figura 39-2b). La constante de tiempo, CIR I , es grande comparada con el periodo del pulso (tI + t 2). Por lo tanto, la forma de onda rectangular se acopla a la base mediante CIRI' Durante el semiciclo negativo, tiempo tI' la base es negativa en relación con el emisor, lo cual corta la corriente de la base y del colector. El voltaje en el colector de Q, que era cercano a O antes al pulso, ahora trata de subir al voltaje de la fuente, + Vcc . Sin embargo, esto no se puede hacer en forma instantánea porque el voltaje a través del capacitor, C2 no se puede cargar de esa manera. Así, el voltaje en el co~ lector sube hacia Vcc a una velocidad determinada por la carga de C2 a través de R 2 . Si la constante de tiempo, C 2R2 , es larga comparada con el intervalo, tI' C2 se cargará sólo en parte hacia Vcc. Durante el intervalo t2 , la porción positiva de Vent se aplica a la base, lo que enciende a Q. La corriente fluye en el

circuito de colector, descargando al capacitor, C2 , lo cual propicia que el voltaje en el colector decaiga a su nivel anterior a la inyección de Vento La constante de tiempo de descarga para C2 es relativamente corta puesto que se calcula a partir de C 2R EC' donde R EC es la resistencia de colector a emisor baja, mientras el transistor conduce de manera intensa. Otro medio de generar una onda de diente de sierra se muestra en la figura 39-3. Aquí, en ausencia de la señal, el transistor Q está en corte porque no hay polarización en directa de la unión base-emisor, puesto que la base y el emisor están a un potencial a tierra. Cuando V ent se aplica a la base, Q se enciende durante el pequeño tiempo (t2) del pulso positivo, descargando al capacitor, C2 , a través de R EC . Durante el largo periodo negativo (tI) del pulso, Q se apaga una vez más, y C2 se carga a través de R 2 llevando al colector hacia el voltaje de la fuente.

Figura 39-3. Otro circuito generador de diente de sierra.


G EN E R A O O R

e R

O 1E N T E

O E

S 1E R R A

(F U N

e

1Ó N

R A M P A)

263

-

-

Ven!

O E

vsal

¡en!

e

R,

-=>-~---<>

(a)

o-+-----+----~----~----+_----~

Figura 39-5. Resistor en paralelo con el capacitor el efecto del offset de entrada.

Vsal

para minimizar

(b)

Cuando un integrador con amplificador operacional se excita con una onda cuadrada como en la figura 39-4b), la salida es una onda triangular como la que ilustra la figura 39-4c). Un análisis matemático muestra que el voltaje de salida pico a pico es

(e) Figura 39-4. Integrador con amp op: a) circuito; b) entrada; e) salida. <,

Ven! (pp)

Vsal (pp)

= --

(39.4)

4fRC

Integrador con amplificador operacional

.

La figura 39-4a) muestra un integrador con amplificador operacional. Puesto que en la entrada inversora no entra corriente, toda la corriente de entrada debe ir al capacitar. Esto es

Como ejemplo, suponga que f = 1 kHz, R = 10 kD Y C = 0.2 !-lF. Si la onda cuadrada de entrada tiene un valor pico a pico de 12 V, entonces la onda triangular tiene un valor pico a pico de

Vsal (pp)

isal = ien, =

Vent

R

=

12 V 4 X 103 X 104 X 0.2(10

= 1.5 V -6)

(39.1)

Esto significa que la corriente de carga del capacitar es igual al voltaje de entrada entre la resistencia. Cuando el capacitar tiene una corriente de carga constante, su voltaje es una rampa (carga lineal). ¿Por qué? Porque su capacitancia se define como

(39.2)

Integrador con amplificador

operacional

práctico

Dado que el capacitar aparece abierto en frecuencia cero, el offset de entrada en la figura 39-4a) puede saturar al amplificador operacional. Para evitarlo, normalmente se sitúa un resistor en paralelo con el capacitar como muestra la figura 39-5. En general, esta resistencia, R2, es de 5 a 10 veces la resistencia de entrada, R i- La resistencia en paralelo de hecho no tiene efecto sobre la salida, dado que la frecuencia de entrada es mucho mayor.

la cual se puede arreglar como (39.5) (39.3) Cuando la corriente es constante, Q se incrementa en forma lineal. Puesto que V es directamente proporcional a Q, también se incrementa en forma lineal. En otras palabras, una corriente de carga constante produce una rampa de voltaje a través del capacitar.


264


39

RESUMEN

l.

AUTOEVALUACIÓN

.....................••...•.•••••••

Una forma de onda de diente de sierra es una forma de onda periódica cuyo voltaje varía en forma lineal con respecto al tiempo. 2. Un ciclo completo consta de la porción que sube y una porción que baja. 3. Una. onda de diente de sierra se usa como base de tiempo en osciloscopios, indicadores a base de tubos de rayos catódicos en radar y en otras aplicaciones. 4. Una onda de diente de sierra se puede generar con la porción lineal de la curva de carga o descarga de un capacitor. 5. En las figuras 39-2 y 39-3, C2 es el capacitor de carga-descarga. 6. La constante de tiempo, C2R2 , en los circuitos de las figuras 39-2 y 39-3 determina si la forma de onda de diente de sierra es o no lineal. Si la constante de tiempo, C2R2 , es larga en comparación con el periodo de la señal entrante, Ven!' entonces la forma de onda es lineal. De otro modo, la onda de diente de sierra es no lineal. 7. La amplitud pico a pico de la onda de diente de sierra en las figuras 39-2 y 39-3 no puede ser mayor que el voltaje de la fuente, Vcc8. Dado que la entrada inversora actúa como tierra virtual, la corriente de carga al capacitor es igual a la corriente de entrada en un integrador con amplificador operacional . 9. Una corriente de carga constante produce una rampa de voltaje a través del capacitor. 10. Para prevenir que el offset de entrada sature la salida se conecta un resistor en paralelo al capacitor de un integrador con amplificador operacional.

Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. l.

La suma del tiempo de subida y de caída de una onda de diente de sierra periódica constituye el periodo o tiempo de un ciclo de esa onda. _ _ _ _ _ _ __ (verdadero,falso) 2. El amplificador Q en el circuito de la figura 39-2 está normalmente (encendido , apagado) en ausencia de cualquier señal de entrada. 3. En el circuito de la figura 39-3 Q está normalmente ________ (encendido, apagado) en ausencia de cualquier señal de entrada. 4. La porción en sentido positivo (subida) de la onda de diente de sierra en la figura 39-3 se genera durante el tiempo en que Q está (encendido, apagado) por la señal de entrada. 5. En la figura 39-2, si el tiempo, ti' del semiciclo negativo de Ven! se disminuye, el voltaje pico a pico de Vsal se (incrementará , disminuirá, permanecerá igual) , si no hay otros cambios en el circuito. 6. En un integrador con amplificador operacional la corriente de salida al capacitor es igual a la corriente 7. 8.

Una corriente de carga constante produce una _ _ _ _ _ _ _ de voltaje a través del capacitor. Si R = 33 kD. y C = 0.047 f.LF en el circuito de la figura 39-4a), entonces una onda cuadrada con un valor pico a pico de 15 V Yfrecuencia de 2 kHz produce una salida triangular de V pico a pico.


G E N E R A O O R

O E

O I EN T E

O E

S I E R R A

(F U N CIÓ N

R A M P A)

265

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: fuente de cd doble de bajo voltaje variable y regulada. Equipo: osciloscopio, generador de onda cuadrada; multímetro digital. Resistores: uno de 470 n, tres de 10 000 n, uno de 12000 n, uno de 15 000 n, uno de 100000 n; uno de 1 Mn a lhW. Capacitores: dos de 0.022 ¡.t..F, uno de 0.047 ¡.t..F, 0.1 ¡.t..F, 100 ¡.t..F a 50 V; 25 ¡.t..F a 50 V. Semiconductores: transistor 2N3904; dos amplificadores operacionales 741. Otros: un interruptor de un polo un tiro; un potenciómetro de 20 000 n a 2 W.

3.

4.

onda en TP 1, 2 Y 3. Dibuje estas formas de onda en la fase de tiempo correcta en la tabla 39-1. Mida la amplitud pico a pico y la frecuencia. Registre estas mediciones en la tabla 39-1. Reemplace C2 con un capacitor de 25 ¡.t..F polarizado de manera apropiada. Dibuje la forma de onda de la salida y registre su amplitud pico a pico y frecuencia en la tabla 39-1. Cambie el circuito por el de la figura 39-7 . Ajuste R 2 mientras observa TP 3. ¿Qué diferencias aparecen en la forma de onda a medida que R2 varía? Anote el tiempo máximo de la rampa y el voltaje pico en la tabla 39-1.

Integrador con amplificador operacional ......................................... . Onda de diente de sierra de bajo nivel ............................................ . 1.

2.

Conecte el circuito de la figura 39-6. Cierre SI' Fije el generador de onda cuadrada a 250 Hz. Conecte el generador a Vent y ajuste la amplitud de la salida del generador hasta que aparezca una rampa estable en TP 3. Con un osciloscopio sincronizado externamente por la forma de onda en TP 1, observe y mida las formas de

5. 6. 7.

Conecte el circuito de la figura 39-8 con un C de 0.022 ¡.t..F. Mida y registre el voltaje pico a pico y dibuje las formas de onda en TP 1 Y Vsal en la tabla 39-2. Repita el paso 6 para los otros valores de C de la tabla 39-2.

+6 V

s,l s

100l'F

C2 0.047 e F

esal

Figura 39-6. Generador de diente de sierra experimental.

Vent fr:\ _2:JI---..........>--+--l (gen.)

\E..J ~

Figura 39-7. Generador de rampa variable.


266


3 9

Figura 39-8. Circuito experimental

TABLA 39-1. Generador

Paso

para producir una onda triangular.

de diente de sierra de bajo nivel

Forma de onda

Punto de prueba

Frecuencia, Hz

V pp

1 2

2 3

3

3

4

3

..-

Tiempo de rampa ti, ms

TABLA 39-2. Integrador

TP 1

e,

¡.¡..F

Forma de onda

Vsal

V pp

Forma de onda

V pp

0.022 0.047 0.1

PREGUNTAS 1"

"1

l.

1'1

'"

11

,

2.

Explique las diferencias, si existen, entre la amplitud medida de la forma de onda en TP 3 en los pasos 2 y 3. Explique la diferencia, si existe, entre la Iinealidad observada de la forma de onda en TP 3 en los pasos 2 y 3.

3. 4.

¿Cuál es la frecuencia aproximada que excita al integrador? Explique por qué la salida del integrador disminuye cuando el capacitor, e, aumenta.


EXPERIMENTO

~

SCHMITT TRIGGER


OBJETIVOS

Schmitt trigger .................................................... .

Determinar con experimentos las características d~ oper~ción de. un Schmitt trigger.

La figura 40-1a) muestra un Schmitt trigger transistorizado con dos estados estables: Q, puede estar ENCENDIDO y Q2 APAGADO, o Q2 puede estar ENCENDIDO y Q, APAGADO. La acción de conmutación se podría iniciar al subir o bajar la polarización de Q,. En ausencia de una entrada a la red divisora de vo ltaje formada por R3 , R 2 Y e l resistor de colector Rj mantiene a la base de Q2 ligeramente positiva en relación con el em isor, y Q2 opera en la región de saturación. El voltaje en la base de Q2 (V b2 ) se calcula con la ecuación del divisor de voltaje

.o"

(40.1) E l voltaje positivo que se desarrolla en el resistor común a los emisores R4 resulta del flujo de corriente en QzCVb2 -O.7) que manti ene al transistor NPN Q, en la región de corte dado que la base de Q, está en un potencial de tierra y, por lo tanto, negativo en relación con su emisor (por lo tanto, polarizado e n inversa). E l estado estable en ausencia de señal es, entonces , Q2 ENC ENDIDO Y Q, APAGADO. Si a l circuito de entrada se aplica una onda senoidal, Q, se enciende durante el sem iciclo positivo cuando la base de Q, está excitada por 0.7 V más positivos que el voltaje positivo en e l emisor (en valor igual a Vb1 ). Q, se lleva al estado de conducción en la región de saturac ión y se mantiene ahí


Medir los puntos de excursión de un Schmitt triggercon amplificador operacional. Generar una onda cuadrada al excitar al Schmitt trigger con una onda senoidal. Generar una onda cuadrada con un oscilador de relajación con am': plificador operacional.

268


4 O

s,

Vcc

-=-+

O~r---~I~------~

3.6 V

I I

+VccH I

Vent 10 V p-p 1000 Hz

Vsa~

I I

I ~

O--------------~(bJ

(a) Figura 40-1. a) El Schmitt trigger produce una salida de onda cuadrada

mientras el voltaje de entrada en la base sea más positivo que el voltaje de emisor. Q2 se apaga. En Vs el voltaje en la base de Q¡ cae por debajo del voltaje de emisor y ocurre la conmutación, con el encendido de Q2 y el apagado de Q¡. La razón de que Q2 se apague cuando Q¡ se enciende es que con Q¡ ENCENDIDO Y el colector de Q¡ saturado cae a un potencial bajo. La red R2, R3 acopla este voltaje de colector bajo de Q¡ a la base de Q2 y elimina la polarización en directa en Q2' Por 10 tanto, Q2 se apaga. Este estado se mantiene hasta que Vent cae por debajo de Vs, un potencial de conmutación que requiere un análisis adicional más allá del ámbito de este experimentd. La figura 40-1b) muestra las formas de onda de la entrada y la salida. Entre los puntos Vb2 y Vs en el semiciclo positivo de la onda senoidal de entrada, Q2 está en corte y, por lo tanto, su colector está a + Vcc- Entre P2 y P3, Q2 está

a partir de una entrada de onda senoidal;

ENCENDIDO, Y el voltaje de su colector cae cerca del voltaje de emisor. La onda de salida se ve cuadrada (o rectangular), Por ello, el Schmitt trigger se conoce como circuito cuadratizador.

Schmitt trigger con amplificador operacional La figura 40-2a) ilustra un Schmitt trigger con amplificador operacional. Debido a la realimentación positiva a la entrada no inversora, la salida se satura en dirección positiva o negativa. Suponga que la salida está saturada en forma positiva y se realimenta un voltaje positivo a la entrada no in-

11 ~

'" Vent

O----i

>--_--0

Vsal

+VsAT

LTP

UTP

-

R,

--VSAT

11'

11:

(a)

Figura 40-2. a) Schmitt trigger con amplificador

(b)

operacional;

b) gráfica de entrada-salida,

11,

II1 ,'1

b) formas de onda.


.

seH

0 __

v

ent

M 1T T

T R 1G G E R

269

0----1

r---

-

R R

= (a)

(b)

Figura 40-3. La señal senoidal que excita al Schmitt trigger produce una salida de onda cuadrada.

versara. Este voltaje positivo se llama punto de excursión superior (UTP, upper trip point). Mientras el voltaje en la entrada inversora es menor que el UTP, el voltaje de salida permanece saturado de manera positiva. Esto significa que el punto de operación está en algún lugar de la parte superior de la gráfica en la figura 40-2b). Si el voltaje de entrada se incrementa poco a poco, al final se alcanza un punto donde es ligeramente más positivo que el UTP. Cuando esto ocurre, el voltaje de error cambia de polaridad, llevando al amplificador operacional a la saturación negativa (figura 40-2b). Con la salida ahora negativa, el divisor de voltaje realimenta un voltaje negativo a la entrada no inversora. Este voltaje negativo se designa como punto de excursión inferior (LTP, lower trip point). La salida permanece en saturación negativa mientras el voltaje de entrada sea más positivo que LTP. La única manera de cambiar la salida es disminuir el voltaje de entrada hasta que sea ligeramente más negativo que el LTP. Entonces el voltaje de error cambia de polaridad y la salida conmuta de nuevo a saturación positiva, como muestra la figura

UTP =

2R

R, LTP =

+ R2

- R, R,

+ R2

VSAT

(40.2)

VSAT

(40.3)

Generación de ondas cuadradas

-

1 2

VSAT

40-3b).

La forma de la señal de entrada es irrelevante. En lugar de la onda seno, el Schmitt trigger se puede excitar con cualquier señal con la suficiente amplitud con lo que resultaría una salida de onda cuadrada como la de la figura 40-3b).

Oscilador de relajación

Las fórmulas para los puntos de excursión son R,

VSAT

De manera similar, el LTP es igual a - VSAT/2. Si VSAT es 10 V, entonces el UTP es + 5 V Y LTP - 5 V. Si la onda senoidal de la figura 40-3a) tiene un pico positivo mayor que +5 V y un pico negativo menor que -5 V, entonces el Schmitt trigger produce la señal de onda cuadrada de la figura

40-2b).

UTP=

R

.

Una forma de generar ondas cuadradas es excitar un Schmitt trigger con una onda senoidal cuyo pico positivo sea mayor que el UTP y su pico negativo, menor que el LTP. Por ejemplo, la figura 40-3a) muestra un Schmitt trigger con resistores iguales en el divisor de voltaje. Esto significa que el UTP es

.

La figura 40-4a) es un ejemplo de un oscilador de relajación, un circuito cuya frecuencia de salida depende de la carga y descarga de un capacitar (o inductor). En seguida se describe cómo trabaja el circuito. Para iniciar, observe que el circuito es similar al Schmitt trigger. Debido a que el divisor de voltaje tiene resistores iguales, c\ UTP es + VsAI2 y el LTP - VSAT/2. En lugar de tener excitación externa como el Schmitt trigger usual, el circuito de la figura 40-4a) suministra su propia entrada de voltaje por medio de un circuito Re. Suponga que el voltaje de salida está saturado en forma positiva cuando por primera vez se aplica la alimentación de energía. Debido al divisor de voltaje, la mitad de este voltaje positivo aparece en la entrada no inversora. Por otro lado, la entrada inversora empieza al inicio en O V porque el capacitar está descargado. El capacitar se cargará de manera exponencial a través del resistor, R. Mientras el voltaje del capacitar sea menor al UTP, la salida permanece en saturación positi va. A medida que el capacitar se carga, su voltaje finalmente se va a un valor un poco más positivo que el UTP. Cuan-


270


4 O

RESUMEN

R

1. + R

2.

R

(a)

3.

-

+VsAT

4. O

-\.{

SAT

El Schmitt trigger (figura 40-1) es un circuito binario acoplado por emisor, el cual convierte una entrada de onda serioidal en una onda rectangular. Esto, por lo tanto, se denomina circuito cuadratizador. El voltaje positivo que se alimenta de regreso a la entrada no inversora de un Schmitt trigger con amplificador operacional se llama punto de excursión superior (UTP). El voltaje negativo que se alimenta de regreso es el punto de excursión inferior (LTP). Un oscilador de relajación es un circuito cuya frecuencia depende de la carga y descarga de un capacitor (o inductor). El oscilador de relajación con amplificador operacional produce una salida de onda cuadrada.

'-

(b)

AUTOEVALUACIÓN

.................•..••.....•••••••• Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas.

o

1.

(e)

Figura 40-4. Oscilador de relajación. con amplificador a) circuito; b) salida; e) voltaje del capacitor.

11I1

¡¡~ J ttP 11II

operacional:

2.

do esto ocurre, el voltaje de error invierte su polaridad y el voltaje de salida conmuta la saturación negativa como muestra la figura 40-4b). Ahora el capacitar se descarga en forma exponencial (figura 40-4c). El voltaje de salida permanecerá negativo mientras el voltaje del capacitar sea más positivo que el LTP. Al final el voltaje del capacitar se hace ligeramente más negativo que - VSAT/2. Entonces el voltaje de error invierte su polaridad y la salida conmuta de regreso al estado positivo. Como puede observar en la figura 40-4b) y c), la salida es una onda cuadrada y la entrada, una onda exponencial. Un análisis matemático muestra que la frecuencia de la onda cuadrada de salida es

3.

4.

5. 6.

7.

Iltl

11,1 1111 Iltl

11I1

f=

0.455

(40.4)

RC

Por ejemplo, si R cuencia es

f=

8.

=

6.8kD Y C

=

0.02 u.F, entonces la fre-

=

3.35 kHz

0.455 6.8(103)

X

0.02(10

-6)

9.

10.

En el Schmitt trigger (figura 40-1a) en ausencia de señal de entrada, la base de Q2 es (positiva, negativa) con respecto a su emisor. En la figura 40-1a), Ql está normalmente _ (ENCENDIDO, APAGADO) en la ausencia de señal de entrada. En la figura 40-1a); si la señal de entrada es de amplitud suficiente para conmutar la conducción de Ql y Q2, el colector de Q2 se eleva a _ Si la amplitud de onda senoidal de entrada se incrementa, pero su frecuencia es la misma, el ancho del pulso de salida (figura 40-1a) _ (aumenta, disminuye, no se afecta). ¿Cuál es el valor de Vent para propiciar que Vsa1 conmute desde un valor cercano a cero hasta Vcc? El voltaje de entrada a un Schmitt trigger debe ser más positivo que el para llevar la salida a un valor de saturación negativo. Si los resistores en el divisor de voltaje de un Schmitt trigger son iguales, el UTP es igual a _ y el LTP es igual a _ El oscilador de relajación que se estudió al principio es un circuito cuya frecuencia está controlada por la carga y descarga de un _ Un oscilador de relajación es como un _ trigger, excepto que éste suministra su propio voltaje de entrada a través de un circuito Re. Si R = 33 kD y C= 0.047 fJvF,la frecuencia de salida en el circuito de la figura 40-4 es kHz.


se

H M 1T T

T R 1G G E R

271

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO +15 V

Fuente de alimentación: fuente de cd doble de bajo voltaje regulada. Equipo: osciloscopio, generador de onda senoidal/cuadrada de AF (audiofrecuencia), multímetro digital. Resistores: 150 dos de 820 tres de 1 ()()() 1 200 3 300 tres de 10 000 100 000 Capacitores: 0.022 f.lF,0.047 f.lF,0.1 f.lF, 100 f.lF a 50 V. Semiconductores: dos transistores 2N3904; amp op 741. Otros: un interruptor de un polo un tiro, un potenciórnetro de 1 ka.

a,

a,

a,

a,

a.

a,

a,

-15 V -15 V

100kQ R'

Schmitt trigger 1.

2. 3.

4.

5.

.

Figura 40-5. Schmitt trigger experimental.

Conecte el circuito de la figura 40-la). El Vcc está fijo en +3.6 V. Cierre SI para aplicar la alimentación al circuito. Fije la frecuencia del generador de onda senoidal en 1 000 Hz y la salida en 10 V pp. Dispare/sincronice en forma externa el osciloscopio con Vent. Observe con el osciloscopio la onda senoidal en la salida del generador y ajuste los controles del osciloscopio para que las dos formas de onda estén centradas de manera apropiada como en la tabla 40-1. Observe la forma de onda de salida (colector de Q2)' Mida y registre en la tabla 40-1, en fase apropiada con la entrada, su amplitud pico a pico y el ancho del pulso positivo. Reduzca la salida del generador de onda senoidal a 4 V pp Y repita el paso 4.


de un Schmitt trigger

Paso

Punto de prueba

3

Salida del generador Colector de Q2

5

Colector de Q2

6

Colector de Q2

7. 8. 9.

10.

Incremente la frecuencia del generador de onda senoidal a 2 500 Hz. Repita el paso 4. Conecte el circuito de la figura 40-5 con una R de 10 ka. Observe la salida con un osciloscopio. Ajuste el voltaje de entrada hasta que la salida se haga positiva. Ajuste poco a poco el voltaje de entrada hasta que la salida se haga negativa. Mida el voltaje de entrada. Registre este valor en la columna UTP de la tabla 40-2. Ajuste poco a poco otra vez el voltaje de entrada hasta que la salida conmute a un valor positivo. Mida el voltaje de entrada y anótelo en la columna LTP (tabla 40-2).

Forma de onda

r\ r\ \/ '

4

6.

,

\J


V pp

Ancho de pulso

10

X

272


4 O

TABLA 40-2. Schmitt trigger

R, kü

UTP

LTP

vent,V

10 1

+15 V 2 10 kS1 6

>--'---0 3

+

vsal

10·kS1

4 -15

V

Figura 40-7. Oscilador

de relajación

experimental.

100 kS1 R

rz:

Conecte el circuito de la figura 40-7 mediante un e de 0.022 J.LF. Observe la salida con un osciloscopio. La señal deberá ser más o menos un onda cuadrada. Mida el valor pico a pico y regístrelo en la columna VsaIde la tabla 40-3. Mida la frecuencia de la salida y anótelo en la columnafmedidade la tabla 40-3. Observe con el osciloscopio la señal en la terminal 2; lo que verá será una onda exponencial. Mida el valor pico a pico y anótelo en la columna Vent. Repita los pasos del 17 al 19 para los otros valores de e de la tabla 40-3.

16.

Figura 40-6.

17.

11.

12. l3. 14.

Conecte el circuito de la figura 40-6 con un R de 10 kil. Fije el generador de señal a 1 kHz. Incremente el nivel de la señal hasta que aparezca la onda cuadrada en la salida del Schmitt trigger. Reduzca lentamente el nivel de la señal hasta que se detenga la onda cuadrada. Mida el valor pico a pico de la onda senoidal de entrada. Registre este valor en la columna Vent(tabla 40-2). Repita los pasos 11 al l3 para un R de 1 kil.

18. 19.

20.

TABLA 40-3. Oscilador C, J.LF

Oscilador de relajación con amp op 15.

.

leale

de relajación

Vent> V

¡medida

vent>V

0.022 0.047

Calcule la.frecuencia de la señal de salida en el circuito de la figura 40-7 para cada valor de e en la tabla 40-3. Registre los valores en la columnafcale en la tabla 40-3.

0.1

11I1

IIfl 1Ifl 11111

PREGUNTAS

3.

II¡II I111

l.

2.

¿Qué efecto tiene la amplitud de la onda entrada en el ancho del semiciclo positivo tor de Q2? Explique por qué. ¿Qué efecto tiene la frecuencia de la onda entrada en el ancho del semiciclo positivo tor de Q2? Explique por qué.

seno id al de en el colec-

4. 5.

senoidal de en el colec-

6.

Dé una razón del porqué la frecuencia medida podría diferir de la frecuencia calculada en la tabla 40-3. ¿Por qué el voltaje de entrada es casi la mitad del voltaje de salida en la tabla 40-3? Explique por qué los puntos de excursión están tan cerca uno del otro cuando la R es 1 kil para el Schmitt trigger con amplificador operacional. ¿Cómo es Venten relación con los puntos de excursión para el Schmitt trigger con amplificador operacional?


EXPERIMENTO

~

TEMPORIZADOR 555


o BJ

Flip-flop RS ........................................................ .

Medir la frecuencia y el ciclo de trabajo de un temporizador 555 conectado como astable.

La figura 41 -1 muestra el símbolo esquemático para un latch set-reset o flip-flop RS. Se aplica un voltaje alto (+ Vce) a la entrada set (S) con un voltaj~ bajo (O V) a la entrada reset (R) que fuerza a la salida Q a + V cc (alto) y Q a un estado bajo (O V). Una entrada alta en S manda la salida a 15 V, donde ésta permanece aun cuando las entradas se remuevan . Una entrada alta en reset R y una baja en set S causan ~e las salidas conmuten o basculen (intercambien en forma balanceada) a Q alta y Q baja. Esto se conoce como condición de rese! del flip-flop. El circuito permanece enclavado en su condición actual hasta que se aplican las condiciones de entrada inversas.

Q

R

Q

Medir él ancho d~ pul:so a la salida de un temporizador 555 co- ·· nectado como monoestable. Examinar la señal de . salida de un ·oscilador controlado por voltaje. ,

V cc 1+15 VI

S

ET I V OS

Construir un generador de diente de sierra mediante un temporizador 555.

Figura 41-1. Símbolo para el flip-flop RS.


274


4 1

Concepto básico de temporización

+15 V

La figura 41-2a) ilustra las ideas básicas necesarias en el estudio del temporizador 555. Suponga que la salida Q está en estado alto. Esto satura al transistor y sujeta el voltaje del capacitor en tierra. En otras palabras, el capacitor está en corto circuito y no se puede cargar. El voltaje de la entrada no inversora del amplificador operacional se denomina voltaje de umbral, y el voltaje de la entrada inversora se conoce como voltaje de control. Con el flip-flop RS en set, el transistor saturado retiene el voltaje de umbral en O. Por otra parte, el voltaje de control está fijo en + 10 V debido al divisor de voltaje. Suponga que se aplica un voltaje alto a la entrada R, lo cual restaura el flip-flop RS. La salida Q se va a O y se corta al transistor. Así ahora el capacitor e está libre para cargar. A medida que el capacitor se carga, el voltaje de umbral se incrementa. En ocasiones el voltaje de umbral se hace ligeramente mayor que el voltaje de control (+10 V). Entonces, la salida del amplificador operacional se va a alto, forzando al flip-flop RS a estar en set. La salida Q en alto satura al transistor y éste descarga con rapidez al capacitor. Observe las dos formas de onda de la figura 41-2b). A través del capacitor se da un cargado exponencial y en la salida Q aparece un pulso en sentido positivo.

5kf2

R

UMBRAL CONTROL

~I 11' 110

S

Q

R

ti

vsal

le

10kf2

=

= = (a)

L

o

/ÍL..+_'_ 1+15

O V _

_

UMBRAL

V

0---(b)

Figura 41-2. Conceptos

básicos de temporización.

El circuito se enclava en alguno de los dos estados. Una entrada alta en S hace que Q vaya a un estado alto; una entrada alta en R restaura Q a un estado bajo. La salida Q permanece en un estado dado hasta que se dispara al estado opuesto.

Diagrama de bloques del 555 El temporizador NE555 de Signetics es un CI de 8 terminales que se puede conectar a componentes externas para que

+ va; 8 II~,

5kf2

7 DESCARGA

6 UMBRAL 0--4---1 Q t---'~f'tr--t

S

CONTROLo--+---t 5

3 DISPARADOR

2 0---+--,

R

SALIDA

4

5kf2

RESET

1

TIERRA

Figura 41-3. Diagrama 11

l'

de bloques del temporizador

.

555.


.

T E M POR

opere como un astable o un monoestable. La figura 41-3 muestra un diagrama de bloques simplificado. Observe que el amp op de la parte superior tiene una entrada de umbral (terminal 6) y una entrada de control (terminal 5). En la mayoría de las aplicaciones, la entrada de control no se usa, de modo que el voltaje de control es +2Ved3 desarrollado por el divisor de voltaje de los tres resistores de 5 kn. Como antes, siempre que el voltaje de umbral exceda al voltaje de control, la salida alta del amp op la fijará el flip-flop. El colector del transistor de descarga va a la terminal 7. Cuando esta terminal se conecta a un capacitor externo de temporización, la salida Q alta del flip-flop saturará al transistor y descargará al capacitor. Cuando Q es baja, el transistor se abre y el capacitor se puede cargar como se describió antes. La salida de señal complementaria del flip-flop va a la terminal 3, la salida. Cuando el reset externo (terminal 4) está aterrizado inhibe el dispositivo (evitando que trabaje). Algunas veces esta característica de ENCENDIDO-APAGADO es útil. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, el reset externo no se usa y la terminal 4 está amarrada en forma directa al suministro de voltaje. Observe el amplificador operacional inferior. Su entrada inversora se denomina disparador (terminal 2). Debido al divisor de voltaje, la entrada no inversora tiene un voltaje fijo de + Vee/3. Cuando la entrada de voltaje de disparo es ligeramente menor a + Ved3, la salida del amplificador operacional se va a alto y restaura al flip-flop. Por último, la terminal 1 es la tierra del chip, mientras que la terminal 8 es la terminal de alimentación. El temporizador 555 trabajará con cualquier voltaje de alimentación entre 4.5 y 16 V.

Operación como monoestable

.

La figura 41-4a) muestra el temporizador 555 conectado para operar como monoestable (disparador de un tiro, mejor conocido como one shot). Éste produce como salida un solo pulso fijo cada vez que a la terminal 2 se aplica un pulso de disparo (figura 41-4b). Cuando la entrada de disparo es ligeramente menor a + Ved3, el amplificador operacional inferior tiene salida alta y restaura al flip-flop. Esto lleva al transistor a corte, permitiendo que el capacitor se cargue. Cuando el voltaje de umbral es ligeramente mayor a +2Ved3, el amplificador operacional superior tiene una salida alta, la cual mantiene al flip-flop en su estado. Tan pronto como Q se hace alta, enciende al transistor; el transistor descarga con rapidez al capacitor. La entrada de disparo es un pulso angosto con un valor de operación de + Vee. El pulso debe caer por debajo de + Ved3 para restaurar al flip-flop y permitir que el capacitor se cargue. Cuando el voltaje de umbral excede ligera-

1Z A

oO

R

275

5 5 5

r---~~~--~-------------------------o+Vx 8

R 7

6.------------r~ s

Q

R

2 DISPARADOR 0---+----1

(a)

U

+Vx

DISPARADOR

+-fvx UMBRAL

O

I

+vcc

SALIDA

O~ (b)

Figura 41-4. a) Operación

como monoestable;

b) formas de onda.

mente +2Ved3, el flip-flop permanece en su estado; esto satura al transistor y descarga al capacitor. Como resultado se obtiene un pulso rectangular de salida. El capacitor C se debe cargar a través de R. Mientras mayor es la constante de tiempo, RC, más tierrípo toma al capacitor alcanzar +2 Ved3. En otras palabras; la constante de tiempo, RC, controla el ancho del pulso de salida. Despejando la ecuación exponencial para el voltaje del capacitor se obtiene la fórmula para el ancho del pulso W

=

(41.1)

1.1RC

Por ejemplo, si R = 22 kn y C = 0.068 fLF, entonces la salida del temporizador 555 como monoestable es W

=

1.1

X

22(103)

X

0.068(10-6)

En general, un diagrama plificadores operacionales, dentro del temporizador 55\ ma esquemático como el de


=

1.65 ms

esquemático no muestra los amel flip-flop y otras componentes Más bien, usted verá un diagrala figura 41-5 para el circuito mo-

276

E X P E R I M E N T

o

4 I

Finalmente, el voltaje de umbral excede +2Vcd3; entonces el amplificador operacional superior tiene una salida alta, lo cual hace que el flip-flop permanezca en su estado. Con Q alto, el transistor se satura y aterriza a la terminal 7. Ahora el capacitar se descarga a través de RB. Por lo tanto, la constante de tiempo de descarga es RBC. Cuando el voltaje del capacitar decae ligeramente por debajo de + V cd3, el amp op inferior tiene una salida alta que restaura al flip-flop. La figura 41-6b) ilustra las formas de onda. Como puede ver, el capacitar de temporización carga y descarga voltaje de manera exponencial. La salida es una onda rectangular. Dado que la constante de tiempo de carga es mayor que la constante de tiempo de descarga, la salida no es simétrica; el estado alto dura más que el estado bajo. Para especificar qué tan asimétrica es la salida, se usa el ciclo de trabajo definido como

+vcc

R

8 3

7

vsal

555 5

el

I

o.o1}JF

=

=

DISPARADOR

Figura 41-5. Temporizador

555 operando

como monoestable.

noestable con el 555. Sólo se muestran las terminales y las componentes externas. En forma incidental observe que la terminal 5 (control) se puentea a tierra a través de un capacitar pequeño, típicamente de 0.01 ¡.LF.Éste proporciona el filtrado del ruido para el voltaje de control.

D

.

2 ms

=

(4l.2)

X 100%

T

Como ejemplo, si W clo de trabajo es

D

Operación como astable

W

=

2.5 ms

X

=

2 ms y T

100%

=

=

2.5 ms, entonces el ci-

80%

Depende de las resistencias, RA y RB' que el ciclo de trabajo esté entre 50 y 100 por ciento. Una solución matemática a las ecuaciones de carga y descarga da como resultado las siguientes fórmulas. La frecuencia de salida es

La figura 41-6a) ilustra un temporizador 555 que opera como astable o de corrida libre. La salida es una señal de onda cuadrada. Cuando Q es baja, el transistor está cortado y el capacitar se carga a través de la resistencia total de RA +RB. Debido a esto, la constante de tiempo de carga es (RA + RB)C. A medida que el capacitar se carga, el voltaje de umbral aumenta.

f=

8

1.44 (RA

(41.3)

+ 2RB)C

+vcc

AA 7

5kH +

RB

=

S

Q

R

Q

+Vcc

5kH O

el

3 vsal

=

C:;U

5k12

(b)

(a)

Figura 41-6. a) Operación

como astable; b) forma ondulada.


T E M POR

,------ .•.... -----0

3

+vcc

Vsal

555 6

5

I

O 01 o

1'F

-= Figura 41-7. Temporizador

555 conectado

oR

5 5

5 277

voltaje del potenciómetro externo se sobrepone al voltaje interno. En otras palabras, mediante el ajuste del potenciómetro, se puede cambiar el voltaje de control. La figura 41-8b) ilustra el voltaje a través del capacitor de temporización. Observe que éste varía entre + Vcontrol!2 y + Vcontrol. Si Vcontrol se incrementa el capacitor toma más tiempo para cargarse y descargarse, por lo tanto, la frecuencia disminuye. Como resultado, la frecuencia del circuito se puede cambiar al variar el voltaje de control. De manera incidental, el voltaje de control podría venir de un potenciómetro o ser la salida de otro circuito transistorizado, amplificador operacional u otro dispositivo.

8 7

1Z A D

como astable.

Generador de diente de sierra

.

y el ciclo de trabajo es

D =

RA RA

+ RB + 2RB

X

Como se estudió en el experimento 39, una corriente de carga constante produce una rampa lineal de voltaje a través de un capacitor. El transistor PNP de la figura 41-9a) produce una corriente de carga constante igual a

(41.4)

100%

Si RA es mucho más pequeña que RB, el ciclo de trabajo se aproxima a 50 por ciento. La figura 41-7 describe un temporizador 555 como astable, que es por lo general como aparece. Observe otra vez cómo la terminal 4 (reset) está sujeta al voltaje de alimentación y cómo la terminal 5 (control) se puentea a tierra a través de un capacitor de 0.01 ¡.LF.

le

(41.5)

=

donde

Por ejemplo, si Vee = 15 V, R 10 kfl Y VBE = 0.7 V, entonces

Oscilador controlado por voltaje

. VE

La figura 41-8a) muestra un oscilador controlado por voltaje (VCO). Recuerde que la terminal 5 (control) se conecta a la entrada inversora del amplificador operacional superior. Normalmente el voltaje de control es +2Ved3 debido al divisor de voltaje interno. Sin embargo, en la figura 41-8a), el

=

0.7 V

+

10 V

=

3

le

=

15 V - 10.7 V 20 kfl

= 0.215 mA

vsal

555 R8

6

5

R

+ Vcontrol

el

= (8)

Figura 41-8. a) Oscilador

controlado

L

20 kfl, RI

y

8 7

=

10.7 V

+vcc RA

(41.6)

Vee

-

por voltaje; b) forma de onda de temporización.


(b)

=

5 kfl, R2

=

278

E X P E R [M E N T O

4 I

•.... ------<.--o + Vec

r--------

ambos miembros se pueden dividir entre T para obtener

R,

V

Q/T

T

e

Cuando la corriente de carga es constante se reduce a 4

8

DISPARADOR

R2

7

2 5

S= -

-=

555 6

1

e

(41.8)

vsal

o.ol/lFl

-=

-=

En otras palabras, puede predecir la pendiente de una rampa lineal usando el cociente de la corriente de carga entre la capacitancia. Si la corriente de carga es de 0.215 mA (encontrada al principio) y la capacitancia de 0.022 ¡.¡..F,la rampa tendrá una pendiente de

el (a)

U

DISPARADOR

f

0.215 mA = 9.77 V/ms 0.022 ¡.¡..F

S = ---V

O

l·

r

·1

RESUMEN

(b)

Figura 41-9. a) Generador

de diente de sierra; b) formas de onda.

Cuando el temporizador 555 monoestable de la figura 41-9a), inicia un disparo, la fuente de corriente PNP fuerza una corriente de carga constante en el capacitor. Por lo tanto, el voltaje a través del capacitor es una rampa lineal como muestra la figura 41-9b). La pendiente S de la rampa lineal se define como el levantamiento sobre todo el ciclo, o

v

1,,..,1

(41.7)

S= T

donde V es el voltaje pico en el tiempo, T. Por ejemplo, si V= 10 V Y T=2 ms, entonces la pendiente es

S=

lOV 2 ms

= 5 V/ms

Esto significa que la rampa sube 5 V/ms. Dado que la ecuación básica del capacitor es

V=

Q

e

1.

Una entrada set (S) alta fijala salida de unflip-flop RS a un estado alto. Una entrada reset (R) alta restaura la salida a un estado bajo. 2. En un temporizador 555 la entrada no inversora del amplificador operacional superior se denomina voltaje de umbral; la entrada inversora es el voltaje de control. 3. Cuando el voltaje de umbral excede al voltaje de control, el flip-flop RS está en set. Esto satura al transistor de descarga. 4. La entrada inversora del amplificador operacional inferior de un temporizador 555 se conoce como disparador. 5. Cuando el voltaje de disparo es menor que + Ved3, el flip-flop RS está en reset. Esto corta .al transistor de descarga. 6. El temporizador 555 se puede conectar para operar como astable y monoestable. 7. En general el voltaje de control de un temporizador 555 es igual a +2 Ved3 debido al divisor de voltaje interno. Sin embargo, en aplicaciones como la del VCO, se suministra un voltaje externo a la terminal de control para sobreponer el voltaje del divisor de voltaje interno. 8. Con una fuente de corriente PNP, el temporizador 555 puede producir rampas lineales .:


T E M POR 1 Z A D O R

AUTOEVALUACIÓN

...................................

.


En la figura 41-2a), el voltaje de control es igual a

_____ V 2. 3.

4.

5. 6.

7.

8.

Parasaturar el transistor del circuito de la figura 41-2a) la salida Q debe ser _ _ _ _ __ Para mantener el flip-flop RS de la figura 41-3 en set, el voltaje de umbral debe ser ligeramente mayor que el voltaje de _ _ _ _ __ _ Si V cc = + 15 V en el circuito de la figura 41-3, el voltaje de disparo debe ser ligeramente menor que _ _ _ _ _ _ V para restaurar el flip-flop RS. En la figura 41 -5, R = 68 kfl Y e = 0.047 ¡.LE El anms. cho del pulso de la salida es En la figura 41 -7 se tiene R A = 27 kfl, R B = 68 kfl Y e = 0.22 ¡.LE La frecuencia de la salida es _ _ __ Hz y el ciclo de trabajo es por ciento. Para obtener una salida astable cuyo ciclo de trabajo se aproxime a 50% en el circuito de la figura 41 -7, R A deberá ser mucho que la R B . En la figura 41-9a) se tiene Vcc = 15 V, Rl = 3.9 kfl, R 2 = 8.2 kfl, R = 1 kfl Y e = 0.15 ¡.LE La corriente de carga constante es de mA y la pendiente V/ms.


555

279

280


4 1

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

TABLA 41-1. Operación

Una fuente de alimentación: 15 V. Equipo: osciloscopio, generador de ea. Resistores: dos de 1 kn, uno de 4.7 kn, tres de 10 kn, uno de 22 kn, uno de 33 kn, uno de 47 kn, uno de 68 kn, uno de 100 kn a 'I: W. Potenciómetro: 1 kil. Capacitores: dos de 0.01 /-LF. Transistor: 2N3906. Amplificador operacional: 741C. Temporizador: NE555.

RA' kD

i.;

RB' kD

10

100

100

10

10

10

Deale

J;nedida

Dcalc

Oscilador controlado por voltaje· 6. 7. 8.

Temporizador 555 conectado como astable

como astable

.

Conecte el VCO de la figura 41-11. Observe la salida con un osciloscopio. Varíe el potenciómetro de un 1 kn y observe qué pasa. Registre las frecuencias mínima y máxima:

. fmín=----

l.

2. 3. 4.

5.

Calcule la frecuencia y el ciclo de trabajo del circuito en la figura 41-10 para las resistencias de la tabla 41-1. Registre los resultados bajo feale y Deale' Conecte el circuito de la figura 41-10 con RA = 10 kn y RB = 100 kil. Mida W y T. Encuentre la frecuencia y el ciclo de trabajo. Regístrelos bajofmedida y Dealeen la tabla 41-1. Observe el voltaje a través del capacitar (terminal 6). Deberá ver una onda exponencial que sube y decae entre 5 y 10 V. Repita los pasos del 2 al 4 para las otras resistencias de la tabla 41-1.

fmáx

= ----

Temporizador monoestable 9.

10.

555 conectado como .

La figura 41-12 muestra un Schmitt trigger que excita un temporizador 555 monoestable. Calcule el ancho del pulso para cada R de la tabla 41-2. Registre los resultados bajo WcalcConecte el circuito de la figura 41-12 con un R de 33 kn.

1,,.,.'

+15 V +15 V 10 kH 8 8

vsal

3

7

Vsal

555 100 kH

555 6

10.01

¡.tF

5

lkH

1 kH

0.01 ¡.tFI

-=-

1I

6

5

0.01 ¡.tFT

Figura 41-10.

lkH

3

7

-=Figura

41-11.


-=-

T E M POR

6

1Z A D O R

5 5 5

281

R

1 kHz

O.Ol¡.tFI

Figura 41-12.

r-------------------~~------------~------._--~+15V 4.7 kn

2N3906 6 10kn

1 kHz

4

8 7

2

=

555

vsal

5

6 0.01 ¡.tFI

0.01 ¡.tF

I =

=

=

Figura 41-13.

11.

Observe la salida del Schmitt trigger (terminal 6 del 741C). Fije la frecuencia de la onda senoidal de entrada en 1 kHz. Ajuste el nivel de la onda senoidal hasta obtener una salida del Schmitt trigger con un ciclo de trabajo de casi 90%.


R,

kn

33

12.

l3.

como monoestable

Generador de diente de sierra Wea1e

Wmedido

14.

47 15. 68

Observe la salida del temporizador 555. Mida el ancho del pulso. Registre este valor bajo Wmedido en la tabla 41-2. Repita los pasos del 10 al 12 para los demás valores de R de la tabla 41-2.

Calcule la corriente de carga del circuito en la figura 41-l3 para cada valor de R de la tabla 41-3. Registre los valores. Calcule la pendiente del voltaje del capacitor en volts por milisegundo. Registre bajo Seale en la tabla 41-3.


.

282


TABLA 41-3. Generador

R, kD

learga'

4 1

16.

de diente de sierra

mA

Seale'

V/ms

SmedidO'

V/ms

17.

10

22 18. 33

19.

Conecte el circuito de la figura 41-l3 con un R de 10 kil. Éste es casi el mismo que el de la figura 41-12, excepto la fuente de corriente PNP. Fije el generador de ea a 1 kHz. Ajuste el nivel para obtener un ciclo de trabajo más o menos de 90% a la salida del Schmitt trigger. Observe el voltaje de salida; éste deberá ser un diente de sierra. Mida la rampa de voltaje y el tiempo, y así encuentre la pendiente en volts por milisegundo. Registre el valor bajo Smedido en la tabla 41-3. Repita los pasos del 16 al 18 para los demás valores de R en la tabla 41-3.

PREGUNTAS 1. 2.

3.

¿Cómo afecta el cociente RA/RB el ciclo de trabajo de un temporizador 555 astable? ¿Qué efecto tiene incrementar el capacitar de ternporización en la frecuencia de salida de un temporizador 555 astable? ¿Qué tanto voltaje de ea hay en la terminal 5 del circuito de la figura 41-12? ¿Cuánto voltaje de cd hay en ese punto?

4. 5. 6.

¿Qué pasa al ancho del pulso de salida si el resistor de temparización disminuye? ¿Cuál es la frecuencia de salida en el circuito de la figura 41-13? ¿Qué efecto tiene R en el diente de sierra?


EXPERIMENTO

~

CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES: COMPUERTAS AND Y OR


........................••.....•..•.. ................ ..................••...

OBJETIVOS

~

En los experimentos anteriores trabajó con el lineales. En los experimentos restantes estudiará el digitales. Los el digitales son circuitos lógicos, los bloques funcionales de las computadoras y calcu ladoras. Los circuitos digitales básicos son muy sencillos y servirán como introducción a los el di gitales.

Circuitos lógicos ................................................. . En electrónica digital una compuerta es un circuito lógico con una salida y una o más entradas; se presenta una señal de salida para cierta combinación de señales de entrada. En este experimento se examinan la compuerta AND y la compuerta ORo Los circuitos lógicos pueden ser de uno o dos estados, como encendido o apagado, alto o bajo, magnetizado o desmagnetizado, etcétera. Un interruptor cola de rata es un ejemplo sencillo de un dispositivo de dos estados.

Familiarizarse con las características ' y los símbolos de una com- · puerta ANO y una compuerta ORo

Determinar con experimentos la tabla qe verdad de una compuerta ANO y una compuerta .. OR combinada,

Determinar eón experimentos la tabla dé ver- .. dad de una compuerta AND/OR combinada.


284


4 2

Compuerta ANO··

.

La figura 42-1 muestra un circuito con diodos con una entrada de conmutador (interruptor) y un resistor de carga de 100 kfl. La fuente de alimentación es de +5 V. Cuando el interruptor está en la posición de tierra, el diodo está polarizado en directa y aparecen unos 0.7 V a través de él. Por lo tanto, el voltaje de salida es bajo cuando la entrada es baja. Por otro .lado, cuando el interruptor está en + 5 V, el voltaje neto a través de la combinación diodo-resistor es O. Como resultado, el 'diodo está en estado de no conducción.

+5 V

100 kn

L SALIDA

~ Figura 42-1. Un diodo polarizado cerrado.

en directa actúa como interruptor

Puesto que no hay corriente a través del resistor de carga, la salida se levanta al voltaje de alimentación. Es decir, la salida es alta (+5 V) cuando la entrada es alta. Ahora considere la compuerta AND de dos entradas de la figura 42-2a). Cuando ambos interruptores están en la posición de tierra, los dos diodos conducen y la salida es baja. Si SI se conmuta a +5 V Y S2 se deja en la posición de tierra, entonces la salida es aún baja debido a que D2 todavía conduce. Al contrario, si SI está en la posición de tierra y S2 está a +5 V, el diodo DI está conduciendo y la salida es aún baja. La única forma de conseguir una salida alta con una compuerta AND es tener todas las entradas en estado alto. Si SI Y S2 están a +5 V, ambos diodos están en estado de no conducción. En este caso, la salida se levanta al voltaje de alimentación porque no hay corriente a través del resistor de carga. Mediante la adición de más diodos o interruptores se pueden obtener compuertas AND de tres, cuatro o más entradas. Sin importar cuántas entradas tenga una compuerta AND, la operación es la misma dado que ésta es una compuerta de todo o nada. Esto es, todas las entradas deben estar en alto para obtener una salida alta. Si cualesquiera de las entradas es baja, la salida es baja. Se pueden usar transistores MOSFET u otros dispositivos en la construcción de compuertas AND. La figura 42-2b) muestra el símbolo esquemático para una compuerta AND de dos entradas de cualquier diseño (no importa cómo esté

+5 V

R

S, +5V

D,

ENTRADA 1

1

SALIDA

~

ENTRADAS ~

SALIDA

11f1l,

S2 +5 V

D2

ENTRADA 2

~ (b)

(a)

ENTRADAS

~~3~

SALIDA

~4231

ENTRADAS

(e)

Figura 42-2. Compuerta

SALIDA

~

(d)

ANO: a) circuito con diodos; b) dos entradas;

e) tres entradas;


el¡ cuatro entradas.

e

construida internamente). bolo para una compuerta que la figura 42-2d) es la das. Para estas compuertas como sigue: para obtener deben estar en alto.

I R

eu

I T

o

S

o

I N T EG RA D

La figura 42-2c) describe el símAND de tres entradas, mientras compuerta AND de cuatro entraAND la acción se puede resumir una salida alta todas las entradas

Tabla de verdad para una compuerta ANO de dos entradas······ .. ···· .. ·······

.

Entradas B

Salida

Bajo Bajo Alto Alto

Bajo Alto Bajo Alto

Bajo Bajo Bajo Alto

E S:

eo

M PU ERTA S

Salida

O

O

o

O

1

1 1

O 1

O O

trada. La tabla 42-1 es la tabla de verdad para una compuerta AND de dos entradas. Binario significa "dos". Las computadoras usan el sistema de numeración binario. En lugar de tener dígitos del Oal 9, un sistema de numeración binario tiene sólo los dígitos O y l. Esto es más conveniente para electrónica digital, donde las señales son en estado bajo o alto, los interruptores están abiertos o cerrados, las luces están apagadas o encendidas, etcétera. En nuestros experimentos se usará lógica positiva, lo cual significa que el O binario representa el estado bajo y el 1 binario el estado alto. Con esto en mente, la tabla 42-2 es la tabla de verdad de una compuerta AND de dos entradas como usualmente se muestra. Ésta proporciona la misma información que la tabla 42-1, excepto que usa un código binario donde O es bajo y 1 es alto.

SALI DA

ENTRADAS ~

SALIDA

(a)

(b)

SALIDA

ENTRADAS

~!

-

~

(e)

Figura 42-3. Compuerta

285

1

1

~32 ~

R

B

~f42-3

ENTRADAS

o

A

D, "'Q----.¡--4>-----Q

Y

AND de dos entradas

s, +5 V

A N D

Entradas

AND de dos entradas

A

D I G I TAL

TABLA 42-2. Compuerta

La acción de un circuito lógico en general se resume en forma de tablas de verdad. Éstas son tablas que muestran la salida para todas las combinaciones de las señales de en-


S

(d)

OR: a) circuito con diodos; b) dos entradas;

e) tres entradas;


d) cuatro entradas.

SALIDA

286


4 2

Tabla de verdad de la compuerta OR

.

La figura 42-3a) muestra una compuerta OR de dos entradas. Cuando ambos interruptores están en la posición de tierra, los diodos están en estado de no conducción y la salida es baja. Si cualquier interruptor se sitúa en + 5 V,·entonces su diodo conduce y la salida es de casi 4.3 V. De hecho, ambos interruptores pueden estar en + 5 V Y la salida será alrededor de 4.3 V. (Los diodos están en paralelo.) Por lo tanto, si cualquier entrada es alta o ambas son altas, la salida es alta. La tabla 42-3 resume la operación de una compuerta OR de dos entradas en términos de O y 1 binarios. Como se observa, si ambas entradas son bajas, la salida es baja. Si cualquier entrada es alta, la salida es alta. Si ambas entradas son altas, la salida es alta. A diferencia de la compuerta AND, donde todas las entradas deben ser altas para obtener una salida alta, la compuerta OR tiene una salida alta si cualesquiera de las entradas es alta. La figura 42-3b) muestra el símbolo para una compuerta OR de dos entradas. Mediante la adición de más diodos a la compuerta, se pueden producir compuertas OR de tres o cuatro entradas, etcétera. La figura 42-3c) y el) muestra los símbolos esquemáticos para compuertas OR de tres y cuatro entradas de cualquier diseño.


OR de dos entradas

Entradas A

B

Salida

o

O 1 O 1

O 1 1 1

O 1 1

I

TABLA 42-4. Circuito AND-OR

Entradas A

B

e

Salida

O O O O 1 1 1 1

O O 1 1 O O 1 1

O 1 O 1 O 1 O 1

O 1 O 1 O 1 1 1

Compuertas ANO Y OR combinadas Para operaciones lógicas complejas en computadora s se pueden usar combinaciones de compuertas AND y OR. La figura 42-4 es un ejemplo de la combinación de compuertas AND y OR. Para analizar este circuito, considere qué pasa para todas las posibles entradas iniciando con todas en estado bajo, una en estado bajo, etcétera. Por ejemplo, si todas las entradas son bajas, la compuerta AND tiene una salida baja; por lo tanto, ambas entradas a la compuerta OR son bajas y la salida final es baja. Ésta es la primera entrada que muestra la tabla 42-4. Después considere A baja, B baja y e alta. La compuerta OR tiene una .entrada alta; por lo tanto, su salida final es alta. Ésta es la segunda entrada en la tabla 42-4. Al analizar las combinaciones de entradas restantes, se pueden obtener las otras entradas que resume la tabla de verdad. (Usted deberá analizar las entradas restantes.)

Compuertas en

ENTRADAS

Figura 42-4. Circuito AND-OA.

SALIDA

.

el

Hoy día la mayoría de los circuitos lógicos están disponibles en Cl. La familia lógica de transistor a transistor (TTL, transistor transistor logic), estuvo disponible comercialmente en 1964. Desde entonces es la familia de Cl digitales más popular. En este experimento trabajará con compuertas TTL. La figura 42-5a) describe un 7408, uno de los muchos Cl disponibles en la familia TTL. Como se observa, este encapsulado de dos en línea contiene cuatro compuertas AND. Por ello se denomina compuerta AND cuádruple de dos entradas (quad two-input AND gate). Observe que la terminal 14 es la terminal de alimentación. Para que los dispositivos TTL trabajen en forma apropiada, el voltaje de alimentación


.

CIRCUITOS

INTEGRADOS

DIGITALES:

COMPUERTAS

TIERRA

AND

Y

OR

287

TIERRA

(a)

(b)

Figura 42-5. a) Compuerta ANO cuádruple de dos entradas; b) compuerta OR cuádruple de dos entradas.

debe estar entre +4.75 y +5 .25 V. Esto es el porqué +5 V . es el voltaje de alimentación nominal especificado para todos los dispositivos TTL. Observe también la terminal 7, la tierra común para todo el chip. Las otras terminales son las entradas y salidas. Las cuatro compuertas AND son independientes una de la otra. En otras palabras, se pueden conectar a cada una de las otras o a otros dispositivos TTL como la compuerta OR cuádruple de dos entradas que ilustra la figura 42-5b). Una vez más observe que la terminal 14 se conecta al voltaje de alimentación y la terminal 7 a tierra.

Y=AB Ésta se lee como Yes igual a A AND B. Estas expresiones se pueden combinar para describir cualquier circuito lógico. Por ejemplo, la compuerta AND de la figura 42-4 se puede expresar en álgebra booleana como AB. Esta salida proporciona una entrada a la compuerta OR, cuya salida (y la salida final del circuito) es

Y= AB

+e

RESUMEN

Ecuaciones booleanas ......................... . 1. El álgebra booleana es un álgebra especial que se usa con circuitos lógicos. En álgebra booleana las variables sólo pueden tener uno de dos valores O o l. Otro elemento diferente de la álgebra booleana son los signos más y por: el signo + se emplea para la operación ORo Por ejemplo, si las entradas a una compuerta OR son A y B , entonces la salida Y está dada por

Y=A

2.

3. 4.

+B 5.

Esta ecuación se lee como Yes igual a A OR B. De modo similar, el signo. se usa para la operación AND. Por lo tanto, la salida de una compuerta AND de dos entradas se escribe como

Y = A.B

6. 7. 8.

La electrónica digital trata con voltajes que están en uno de dos estados: alto o bajo. Los circuitos digitales se denominan circuitos lóg icos debido a que ciertas combinaciones de las entradas determinan la salida. En lógica positiva, un O binario representa un voltaje bajo y un 1 binario es un voltaje alto. Los circuitos lógicos más sencillos son compuertas OR de dos entradas y compuertas AND de dos entradas. Todas las entradas a una compuerta AND deben ser altas para tener una salida alta. Una compuerta OR tiene una salida alta si cualesquiera de sus entradas es alta. Una tabla de verdad es un resumen de todas las combinaciones entradas/salidas. La familia TTL de los el digitales es la más popular.

o simplemente como


288

,'\


4 2

....,

TABLA 42-5.

Entradas

ENTRADAS

;~,

A

B

e

D

E

Y

1

o

o

1 1

1

o o

1 1

o o

o o o o

o

1

1

o o

Figura 42-6.

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para verificar su aprendizaje guntas. l. 2.

3.

4. 5.

6. 7. 8.

responda las siguientes pre-

¿Los circuitos digitales son lo mismo que los circuitos lineales? En una compuerta AND de tres entradas todas las entradas deben ser para obtener una salida _ En una compuerta OR de cuatro entradas al menos _____ entrada debe ser alta para obtener una salida _ Con lógica positiva, un O binario representa el estado _____ y un 1 binario el estado _ es la familia de Cl digitales más popular; el 7408 y el 7432 son dos ejemplos. El primero es una compuerta AND de dos entradas y el segundo es una compuerta OR cuádruple de dos entradas. El voltaje de alimentación nominal para la familia TTLesde _ Consulte la figura 42-6 y llene los espacios en blanco de la tabla 42-5. ¿Cuál es la expresión booleana para el circuito de la figura 42-6?


o o

o

1

1

o

o

1

1

e 1R e u 1T o S

1N T E G R A

o o S o 1G

1 TAL E

s: eo

M P U E RT A S

A N

o y o R 289

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO

TABLA 42-6. Compuerta ANO de dos entradas

Entradas

Fuente de alimentación: +5 V. Equipo: multímetro digital. Cl: 7408, 7432. Otros : un tablero para probar circuitos lógicos, si es posible; de otro modo, tres interruptores de un polo dos tiros.

A

B

o

O

O

1

1 1

O

y

1

Compuerta ANO .................................. . +5 V

1.

2.

Conecte el circuito de la figura 42-7. (Recuerde conectar la terminal 14 a + 5 V Y la terminal 7 a tierra.) Sitúe los interruptores como se necesite para obtener las diferentes combinaciones de entrada de la tabl a 42-6. Registre el estado de la salida como O o 1 para cada posibilidad de entrada.

_---<.'-s,

y

1 Compuerta OR .................................... . 3. 4.

Conecte el circuito de la figura 42-8. Mida el voltaje de salida para cada combinación de entrada de la tabla 42-7 . Registre los resultados como O o 1. Explique el porqué de las diferencias entre las tablas 42-6 y 42-7 .

8

Figura 42-8.

Compuerta ANO-OR combinada ............ . 5. 6. 7.

Conecte el circuito de la figura 4:2-9. Sitúe los interruptores para cada entrada en la tabla 42-8 Registre los estados de salida como O o l . Diseñe un circuito de tres entradas con cualquier combinaci ón de compuertas para obtener una salida alta sólo cuando todas las entradas sean altas. Dibuje el circuito.

+5 V

TABLA 42-7 . Compuerta OR de dos entradas

En/radas y

1

8

y O O

O

1 1

O

Figura 42-7.


1

290


4 2

Tabla 42-8. Circuito AND-OR

Entradas

+5 V

_--0..5,

1

B

y

A

B

e

o o o o

o o

o

1 1

o

1 1 1 1

o o

o

1 1

o

y

1 1 1 1

e

1 Figura 42-9.

9.

8.

Verifique el circuito con experimentos. Registre sus resultados en una tabla de verdad. ¿Cuál es la expresión booleana para este circuito?

10.

Diseñe una compuerta OR de cuatro entradas mediante cualquier combinación de compuertas. Dibuje el circuito. Verifique el circuito con experimentos y registre los resultados en una tabla de verdad. ¿Cuál es la expresión booleana para este circuito?

PREGUNTAS 1.

2.

Con el tipo de familia lógica que se empleó en el experimento, identifique los niveles de voltaje para los dos estados lógicos de la salida de una compuerta. ¿Para su familia lógica las entradas no usadas permanecen flotando (abiertas)? Explique su respuesta mediante las características de la familia lógica como información de soporte.

3.

¿Cuántas compuertas puede excitar la salida de una sola compuerta en su familia lógica? Compare esto con otras familias lógicas (TTL, CMOS, etcétera).

't'. t' I


EXPERIMENTO

~

CI DIGITALES: INVERSOR, COMPUERTA NOR y COMPUERTA NANO


OBJETIVOS

Bloques funcionales lógicos

Determinar con experimentos la tabla de verdad de una compuerta NOR.

El experimento 42 presentó dos bloques funcionales lógicos básicos, la compuerta AND y la compuerta OR. Estos circuitos para representar compuertas tienen dos o más entradas: A, B, .. ., N, Y entregan una salida para condiciones de entrada específicas. Éstos pueden evaluar niveles de señales de entrada y responden de manera predecible cuando se alcanzan ciertas condiciones de entrada. Esto hace que en apariencia las compuertas tomen decisiones y de ahí el término "circuitos lógicos".

Usar la lógica NOR para construir un inversor lógico.

Negación (NOT) lógica ......................................... . Ya se han definido las operaciones lógicas AND y OR, pero aún existe otra operación lógica denominada "negación" (NOT). Un circuito NOT es sólo un inversor, como en la figura 43-1a), un amplificador polarizado para trabajar en corte, cuya salida está desfasada 1800 con respecto a su entrada. Cuando no se aplica una entrada o OV (un bajo lógico), el transistor está en corte y la salida está en V c6 esto es, está en estado alto. Cuando se aplican + 5 V (+ Vce o un alto lógico) a la base, el transistor se satura, llevando el voltaje de colector a 0.1 V, un bajo lógico. El símbolo esquemático para un circuito NOT o INVERSOR se muestra en la figura 43-1b).


Usar la lógica NOR para construir una compuerta NANO y determinar la tabla de verdad para esta compuerta.

292


4 3

+ Vec

=

+5 V

;-~--~--------oy ENTRADA~

A

SALIDA

IA)~IY)

ENTRADA

R,

(b)

(a) Figura 43-1. a) Circuito NOT o INVERSOR;

b) símbolo lógico.

La expresión booleana para las características versor está dada por Y=A

de un in-

ENTRADA

(43.1)

La barra sobre la A represen.!..ael NOT. De esta manera, si A representa ~ nivel alto (1), A representa un estado b~jo (O), y si 1= o, A = l. También se puede establecer que O = 1 Y que 1 = O. El Cl 7404 es una compuerta TTL con seis inversores. Como con el 7408 y el 7432, la terminal 14 es la alimentación y la terminal 7 la tierra. II,..rll

~

Figura 43-2. Símbolo tradas.

SALIDA

lógico de una compuerta


NOR de dos en-

NOR de dos entradas

A

B

C

O

O

I

O

I

O

I

O

O

I

I

O

--A+B=C

il,~:

il'~": I ~,

1 f II~~;' ! 11

',

..

Compuerta NOR y su tabla de verdad

.

Los tres circuitos como bloques funcionales: AND, OR Y NOT son la base para otros circuitos lógicos. La compuerta NOR combina la lógica OR y la NOT. Lo que caracteriza a un circuito NOR es que se produce una salida baja cuando se aplica una señal alta a la entrada A, una baja en B, ... , una baja en N y bajas para cualquier combinación de entradas. Se produce una salida alta cuando todas las entradas son bajas. De esta manera, la salida para la compuerta NOT-OR o NOR establece la inversa de la compuerta OR. La figura 43-2 es un símbolo esquemático para una compuerta NOR con dos entradas.

La expresión booleana para la compuerta NOR está dada por Y=A

+B

(43.2)

La tabla de verdad de una compuerta NOR de dos entradas se muestra en la tabla 43-1.


e

1

o

1 G 1 TAL

E S:

1N V E R S

o

R.

eo

M P U E RTA

N

o

R

y eo

M P U E RTA

N A N

o 293

La expresión booleana para una compuerta NAND es A -B ENTRADA

~

=

e

(43.3)

SALIDA

Figura 43-3. Símbolo lógico para una compuerta tradas.

NAND de dos en-

Chips lógicos TTL TABLA 43-2. Compuerta

El estado actual del desarrollo de circuitos integrados (Cl) lógicos emplean TTL en la manufactura de compuertas NOT, NOR y NAND. Los Cl reciben el apelativo de "chips" (pastillas) dado que la electrónica actual se fabrica sobre sustratos de tamaño pequeño que aparecen como pastillas sobre un bloque de material mayor. En este experimento usará el 7427, un Cl de lógica positiva TTL. Este dispositivo es una compuerta NOR triple de tres entradas. La figura 43-4 es la vista superior del 7427 que muestra las entradas y las salidas de las tres compuertas. También se muestran las conexiones para + Vcc, terminal 14 y la conexión para tierra, terminal 7. El 7427 opera con una alimentación de + 5 V.

NAND de dos entradas

A

B

e

o

o

1

o

1

1

1

o

1

1

1

o

--

A- B =

e

Compuerta NANO Y su tabla de verdad

.

El circuito que combina las funciones NOT y AND se denomina compuerta NAND. La figura 43-3 ilustra una compuerta NAND de dos entradas, y su tabla de verdad se muestra en la tabla 43-2. La salida es como la que se produciría mediante un circuito NOT-AND, de ahí el término "NAND". La compuerta NAND es, por lo tanto, una compuerta AND con salida invertida.

VISTA SUPERIOR

Teorema de Oe Morgan Es aconsejable conectar compuertas para formar conjuntos tan pequeños como sea posible para crear una salida deseada que proporcione un conjunto fijo de condiciones de entrada. De manera alternativa, podría ser necesario utilizar un tipo de compuerta para producir algunas otras funciones lógicas. Comprar un solo tipo de Cl en grandes cantidades tiene la ventaja de reducir el costo de estos chips. Para facilitar estos objetivos se usan dos teorías. La primera, álgebra booleana, utiliza reglas basadas en la operación de compuertas lógicas. La segunda, el teorema de De Morgan, se estudia aquí. De Morgan establece, sencillamente, que la inversa de una relación booleana se expresa como una nueva relación que es opuesta en valor y función de la original. Esto es, el estado de la entrada se invierte (de A a A) y también la función (OR a AND y AND a OR). Para aplicar este concepto, considere la expresión booleana para una compuertaNOR

Y=A+B Para "demorganizar" esta expresión, primero se invierte cada entrada y luego la función, de modo que la expresión booleana se convierte en

TIERRA

LÓGICA

POSITIVA:

Y =A

+8+ e

Figura 43-4. Vista superior y diagrama

.

de bloques de un 7427.

Y=A -B


.

294


4 3

El teorema de De Morgan establece que estas dos expresiones son idénticas; esto es

8.

9.

A+B=AoB

Las tablas de verdad para estas dos expresiones producen los mismos resultados que los de la tabla 43-1. Tomemos un conjunto de entradas, digamos, A = O YB = O, para aplicarlos a ambas expresiones. La expresión original NOR dice A + B invertida, O + O resulta en un cero. Al invertir éstos se produce un resultado final de 1. Ahora para la expresión demorganizada, A invertida pasa a través de una compuerta AND con B invertida. En este ejemplo, un O invertido es 1, y 1 AND 1 produce un resultado de 1. Observe que ambas expresiones producen el mismo resultado para la misma condición de entrada.

10.

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas.

l.

RESUMEN

2.

Los circuitos lógicos se forman de bloques funcionales denominados circuitos AND, OR, NOT, NOR y NAND. 2. Un circuito NOT es un inversor lógico, que convierte un 1 binario en O y un O binario en l. 3. Una compuerta NOR es un circuito OR cuya salida se invierte. Ésta es una compuerta NOT-OR (o sencillamente NOR). 4. La tabla 43-1 es la tabla de verdad de una compuerta NOR de dos entradas. Las compuertas NOR pueden tener dos, tres o más entradas. 5. Una compuerta NAND es una compuerta AND cuya salida se ha invertido. 6. La tabla de verdad de una compuerta NAND es la de una compuerta AND con salida invertida. 7. Las compuertas NAND pueden ser de dos, tres o más entradas. l.

Una barra (-) sobre una letra o letras representa un estado lógico y significa que el nivel lógico se ha invertido. La barra representa el NOT. La expresión bO.Qle~a para una compuerta NOR es (A + B = C) o (A o B = C). Una compuerta NAND tiene una expresión booleana de (A o B = C).

3.

4. 5.

6. 7.

8. 9.

Si cada una de las entradas de una compuerta NAND de tres entradas es alta, la salida es _ _ _ __ La expresión 1 + O representa una compuerta ______, unadecuyasentradases _ _ _ __ ylaotraes _ _ _ _ __ Un 1 binario se cambia a O binario mediante un circuito denominado compuerta _ _ _ _ _ o un circuito Un circuito cuya lógica es la inversa de una lógica AND se conoce como compuerta _ _ _ __ Un circuito cuya lógica es la inversa de una lógica NOR se conoce como compuerta _ _ _ __ El símbolo para un inversor es _ _ _ _ _ _ __ El símbolo para una compuerta NAND de dos entradases _ _ _ _ _ _ _ _ ____ El símbolo para una compuerta NOR de tres entradas es _ _ _ _ _ _ _ _ ____ ¿Cuál es la expresión alternativa de De Morgan para una compuerta NAND?


CID 1 G 1 TAL E S:

1N V E R S

o R. e o M P U

E RTA

N

oR y eoM P U ERTA

N A N D

295

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: fuente de cd de bajo voltaje regulada. Equipo: multímetro digital. CI: 7427 (compuerta NOR de tres entradas), 7404 (inversor séxtuple). Resistores: 1 000 n, tres de 10000 n a 112 W. Otros: tres interruptores de un polo dos tiros, LED. NOTA: use el 7427 que se muestra en la figura 43-4.

un inversor entre Y y el resistor de 1 kn. Si se emplea un inversor (7404), el LED se debe invertir y conectar a +5 Y (figura 43-5c).

Compuerta NOR conectada como inversor ..................................... . l.

Conecte una de las compuertas NOR en el 7427, como en la figura 43-6. En éste y en los pasos subsecuentes la terminal 14 del Cl se conecta a +5 Y, Y la terminal 7 se conecta a tierra.

Circuito de prueba lógico ..................... . Se usará un circuito de prueba sencillo para probar los circuitos lógicos en los experimentos digitales restantes. Las entradas a estos circuitos las proporcionan interruptores que se conectan como en la figura 43-5a). Cuando el interruptor está abierto, se alimenta un 1 lógico a través del resistor de jalón de 10 kn. Al cerrar el interruptor la entrada se fuerza a una compuerta conectada al interruptor a un nivel bajo. Las salidas de los circuitos lógicos se monitorean mediante el circuito con LED de la figura 43-5b ). Una salida baja conectada a Y mantiene al LEDapagado, mientras que una salida alta desarrolla un potencial a través del LED que lo enciende. De manera opcional, el punto Y se puede aislar del LED al insertar una compuerta de aislamiento o

Figura 43-6. Circuito experimental 1 y tabla de verdad 1.

+5 V

J: l0k!1

~

A

(a)

(b)

2 PRUEBA

lk!1

11

>o~-o--~~v---;4~-- +5V

(e)

Figura 43-5. Circuito de prueba lógico: a) interruptor de entrada; b) LED de salida; e) indicador de LED aislado.

Figura 43-7. Circuito experimental 2 y tabla de verdad 2.


296


4 3

7427 6

2 12

10----1

o

130---{

1k.l1


e o

A

8

o o

O

1

o

1

o

o

o

1

1

1

o

o

1

o

1

1

1

o

1

1

1

o

3 y tabla de verdad 3.

2

7427

3

6

4

1k.l1

4

3

e

5

7404 8


2.

A

8

o o

o

1

o

1

1

1

4 y tabla de verdad 4.

Fije B y e a O. Complete la tabla de verdad de la figura 43-6. ¿Qué tipo de compuerta lógica indican mediante los resultados de la tabla de verdad?

Compuerta lógica NOn.

3.

e

Complete la tabla de verdad para la compuerta NOR fijando las entradas A, B, Y e como indica la tabla de verdad de la figura 43-7. Registre los resultados de salida: 1 para el LEO iluminado y O para el LEO sin iluminar.

4.

Conecte el circuito de la figura 43-8 y complete la tabla de verdad. 5. Conecte el circuito de la figura 43-9 y complete la tabla de verdad. 6. Conecte el circuito de la figura 43-10 y complete la tabla de verdad. ¿Cuál es la expresión booleana para este circuito? 7 .. Diseñe una compuerta ANO de tres entradas con el 7427 y el 7404. Dibuje el circuito que muestre todas las conexiones, y numere las terminales. 8. Conecte el circuito y complete la tabla de verdad.


CID

I G I TAL

E S:

I N V E R S

2

o

R,

eo

M P U E R T A

7427

3

N

o

R

y eo

M P U E R T A

7404

A

5

6

6

e

4 7404

5 lkn

4

3

8


N A N D

A

8

o o

o

1

o

1

1

e

",'"

1

-

5 y tabla de verdad 5 .

....•.....................•.•.•.•.•.•.....................•••••.........•...•...........•••.•.....••..•.•.•.•........•......

PREGUNTAS 1. 2. 3.

¿Cuáles son las características de una compuerta NOR? ¿Cuáles son las características de una compuerta NAND? Identifique los circuitos experimentales mediante su nombre lógico (inversor, compuerta NOR de tres entradas, etcétera). a) Circuito 1 (figura 43-6) b) Circuito 2 (figura 43-7)

e) Circuito 3 (figura 43-8) el) Circuito 4 (figura 43-9) e) Circuito 5 (figura 43-10)

_ _ _ _ _


297


EXPERIMENTO

~.~

CI DIGITALES: ADICiÓN BINARIA Y SUMADOR COMPLETO


OBJETIVOS

Números binarios ................................................ .

Aprender las reglas .de la adición binaria.

El sistema binario de aritmética usa sólo dos símbolos (O y 1) para representar todas las cantidades. El sistema tiene un uso intensivo en computadoras pues el O y el 1 se representan con facilidad mediante circuitos digitales de dos estados. El conteo en el sistema binario se inicia en la misma forma que en el sistema decimal, con O para cero y 1 para uno. Pero en el sistema binario el 2 no tiene más símbolos. Por lo tanto, en el sistema binario se debe hacer el mismo movimiento en el dos que el que se hace para ellO en el sistema decimal: es necesario situar un 1 en la posición izquierda y empezar otra vez con O en la posición original. La tabla 44-1 es una lista de números en forma decimal y binaria. El orden de un número binario no se designa como unidades, decenas, centenas, miles, etcétera, como en el sistema decimal. En cambio, el orden es 1,2,4,8, 16,32,64, 128, Y así sucesivamente, leyendo de derecha a izquierda, por lo que la posición más alejada a la derecha es l. La tabla 44-2 muestra más cantidades decimales y sus equivalentes en forma binaria. Observe que las posiciones se numeran de derecha a izquierda. Estos valores se encuentran al elevar el radical de una base (2) a un valor exponencial equivalente a su posición en el número. El dígito binario más pequeño se conoce comobi! /llenos signijica!i\'o (LSB, leas! significan! bit) y es el dígito binario en la posición O. Éste tiene un peso numérico de 2° = l. El peso del siguiente dígito es 2' = 2; entonces 2 2 = 4, Y así conti-


Convertir un número decimal en uno binario y un número binario en uno decimal.

Explorar la unicidad de una compuerta OR exclusiva.

Construir un sumador completo con bloques lógicos en CI.

300

E X P E R [ M EN T O

4 4

TABLA 44-1. Números decimales

Decimal

,

binarios

Binario

O

O

1 2 3

1 10 11 100 101

4

5

fi

y

Binario

Decimal

6 7 8

110 111 1000 1001 1010 1011

9

10 11

TABLA 44-2. Números decimales

tiene es el tercer dígito binario. Esto se repite hasta que el cociente se hace O. Como ejemplo, convertir el número de días en un año (365) a su equivalente binario. La división y sus resultados son

y sus equivalentes

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

binarios

Binario Decimal

256

128

64

34 15 225 75

32 1

16

8

4

O

O

O

1

1

1

O O

O

O O

O

1

2 1 1 O

1

1 O

1 1 1

365

182 91 45

22 11 5

2 1 O

R¡ Ro R¡ R¡ Ro

~;~

j

1 O 1

365

1 O

O 1

La adición de cantidades binarias es muy sencilla y se basa en las tres reglas siguientes: núa. Observe que cada peso de una posición es el doble de la del dígito precedente. Para convertir valores binarios a decimales se multiplica el peso de la posición de cada dígito por el valor (1 o O) en la posición. Estos productos se suman para producir el equivalente decimal final del número binario original. Por ejemplo, convertir 110101 a su valor decimal. Hay seis dígitos binarios con el dígito menos significativo en la extrema derecha. Los pesos de estos dígitos (bits) son LSB = 1 y, entonces, 2, 4, 8 y 16 son, por último, 32. Para convertir el número binario a su valor decimal, se suman los productos de los pesos y los valores posicionales 1 1 O 1 O 1

,

.

X X X X X X

32 16 8 4 2 1

32 16 O 4 O 1 53

De esta manera, 1101012 = 5310. Los subíndices denotan el valor de la base del sistema numérico que se usa para cada número (2 para binario y 10 para decimal). El método para convertir un número decimal a su equivalente binario se podría denominar división y residuo. El valor decimal original se divide entre 2, el valor de la base binaria. El resultado es un cociente y un residuo. El residuo se convierte en el inicio del número binario con el LSB. El cociente se divide otra vez entre 2. El residuo es el siguiente bit binario. El cociente que resulta se divide de nuevo entre el valor de la base y el residuo que se ob-

1. O + O 2. 3.

O 1

+ +

1 1

O 1 O con acarreo de 1 a la izquierda

La tabla 44-3 es un ejemplo de adición binaria usando las reglas establecidas. Los factores que se deben sumar son 75 y 225. Empezando por la derecha, se tiene que 1 + 1 = O con acarreo de 1 (regla 3). La siguiente posición a la izquierda se suma: O + 1 = 1. Sin embargo, cuando se suma el acarreo de 1, la suma se convierte en O con acarreo de 1 a la tercera posición. La tercera posición consta de O + O = O + l(acarreo) = 1. Se sigue este procedimiento hasta que se suman todas las posiciones. La suma está dada en forma binaria como 100101100, la cual es igual a 256 + 32 + 8 + 4 = 300. Esta suma es exactamente lo que se esperaría obtener al sumar las cantidades decimales 225 y 75. Las cantidades binarias también se pueden sustraer, multiplicar y dividir con reglas similares a las de la adición.

TABLA 44-3. Adición de números

binarios

Valor binario Acarreo

1

225 +75

O

300


+0

1 1

1

O

O

O

O

O O O

O

1

1

1

O O

O

1 O

O

e [ o [G

A--

[ TAL

E S:

A

o [e [Ó

N

B [ N A R [A

Y

S U M A

oo

R

eo

o 301

M P L ET

•.... ~

y

:=L)-y

8-~---i (a)

Figura 44-1. a) OR exclusiva;

(b)

b) símbolo lógico esquemático.

Compuerta OR exclusiva·······

TABLA 44-4. OR exclusiva

.. ·········· ....

La figura 44-1a) es un diagrama esquemático para un circuito especial denominado compuerta OR exclusiva, La expresión boolena para este circuito es Y = AB + AB, Y la tabla 44-4 es la tabla de verdad para el circuito. La salida Y será alta si A es baja y B es alta o si el caso inverso es verdadero. La salida Y es baja siempre que las dos entradas sean bajas o altas. Examine la tabla 44-4 y observe que la salida está en un estado cuando las entradas son iguales y en otro estado si son diferentes. Este aspecto permite que la OR exclusiva se use para comparar valores binarios de bits. El operador booleano para una OR exclusiva es un operador OR (+) encerrado en un círculo: EB. Como tal, otra expresión booleana para el circuito en la figura 44-1 es

B

Y

O O 1 1

O 1 O 1

O 1 1 O

TABLA 44-5. Tabla de verdad para el medio sumador

Entrada

Y=AEBB Usted encontrará múltiples usos para este circuito que está encapsulado en su propio Cl (7486). El símbolo esquemático para esta compuerta se muestra en la figura 44-1 b).

Medio sumador binario y su tabla de verdad

A

A

B

SI/lila

O

O

O

O

O

1

1

O

1

O

1

O

1

1

O

1

Acarreo

bas entradas resulta en O binario para la suma y en 1 binario para el acarreo (regla 3). UnO binario en ambas entradas resulta en un O binario para la suma y en O binario para el acarreo (regla 1).

.

El sumador binario más sencillo se denomina medio sumadar y es capaz de combinar dos números binarios y proporcionar una salida y un acarreo cuando son necesarios. El primer paso para entender la operación de un medio sumador es investigar la combinación de entradas y salidas resultantes a partir de las reglas de adición binaria. La tabla 44-5 es la tabla de verdad que presenta estas combinaciones. La tabla 44-5 muestra que un 1 binario en una entrada con un O en la otra (regla 2) resulta en un 1 binario para la suma y en un O binario para el acarreo. El 1 binario en am-

A- ....• --+-I.

8--+ ......•. --+-1

SUMA

ACARREO

Figura 44-2. Medio sumador.


302

....,


4 4

TABLA 44-6. Tabla de verdad de un sumador completo

Considere la suma y el acarreo como dos tablas de verdad separadas, generadas mediante las entradas A y B. Observe que la suma genera una tabla que corresponde a una OR exclusiva y el acarreo resulta de una AND (experimento 42). La figura 44-2 es el diagrama esquemático del circuito que produce esta tabla de verdad para el medio sumador. El sumador completo tiene limitaciones de uso debido a que no hay suministro para el acarreo de entrada de un sumador previo.'

Sumador binario completo y su tabla de verdad

Entradas

.

Salidas

A

B

e

Suma

Acarreo

O

O

O

O

O

1

O

O

1

O

O

1

O

1

O

O

O

1

1

O

1

1

O

O

1

1

O

1

O

1

O

1

1

O

1

1

1

1

1

1

Cuando el acarreo y las dos cantidades que se van a sumar se consideran como entradas, las combinaciones de entrada ••••

ACARREO DE ENTRADA

A--.--+--I, B ---t--
r-------SUMA

ACARREO DE SALIDA

Figura 44-3. Sumador

completo.

16

8 SUMA ACARREO

0::0

otli

0--' «CL

::;;::;;

::00 (f)ü

A Figura

B

4 SUMA

ACARREO

SUMA

ACARREO

otli

g¡~

0::0

0::0

0--'

0--'

otli

2

0--'

«CL

«CL

::;;::;;

::;;::;;

::;;::;;

::00

::00

(f)ü

(f)ü

«CL

A B

A B

::00 (f)ü

A

B

44-4. Diagrama de bloques de un sumador binario de cinco posiciones.


1 SUMA ACAFlREO

POSICIONES BINARIAS SUMA

0::0

otli

0--' «CL ::;;::;;

::00 (f)ü

A

B

ENTRADAS

CID 1 G 1 TAL E S:

A DIe 1 Ó N

se incrementan a ocho como muestra la tabla 44-6. Un sumador capaz de producir las salidas requeridas para las ocho combinaciones de entrada se denomina sumador completo. El sumador completo se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 44-3. El sumador completo anterior representa una sola posición de un sistema de adición binaria. Dado que muchos de esos sumadores se combinan en una computadora grande, cada sumador completo se representa como un bloque en el diagrama lógico de la computadora. La figura 44-4 es un ejemplo de sumador binario de cinco posiciones. El número real de posiciones en dicho sumador depende de la magnitud de la computadora y del tipo de cálculos para los que se diseñó la misma.

5.

6.

7.

RESUMEN

2.

3.

El sistema de numeración binario para computadoras digitales usa sólo dos símbolos, 1 y O. Éstos tienen el mismo significado que 1 y O en el sistema de numeración decimal con el que se está bien familiarizado. En el sistema decimal o base 10 el valor de cada dígito en un número es una potencia de 10 y depende de su posición en el número. Por ejemplo, en el número 527, el 7 está en la columna de las unidades (10°) Y cuenta por 1 X 7 o 7; el2 está en la columna de las decenas (10') Ycuenta por 2 X 10 o 20. El 5 está en la columna de las centenas (102) Ycuenta por 5 X 102 o 500. Los números en el sistema binario se forman igual que en el sistema decimal, excepto que el valor de una columna es potencia de 2 en vez de potencia de 10, y la columna de la extrema derecha tiene un valor de 2° o 1; la siguiente columna a la izquierda tiene el valor de 2' o 2; la siguiente 22 o 4; la siguiente 23 u 8, y así en forma sucesiva. Los valores de las primeras siete columnas de un número binario, de derecha a izquierda,son 64

4.

32

16

8

4

2

Y

SU M A D o R

e o M PL ET o

303

La adición de números binarios se basa en las siguientes reglas:

2.

O + O + O

3.

+

1.

8.

1.

B 1N A R 1A

O 1

O con acarreo a la izquierda

Una compuerta OR exclusiva es un circuito único que produce un O cuando las dos entradas son iguales y un uno cuando éstas son opuestas. Un medio sumador (figura 44-2) es un sumador binario que combina dos dígitos binarios y produce una salida (suma) y un acarreo. Un medio sumador tiene cuatro posibles combinaciones de entrada (tabla 44-5). Un sumador completo (figura 44-3) es un sumador binario que combina tres dígitos binarios y produce una salida (suma) y un acarreo. Una de las entradas puede ser un acarreo de la operación aritmética previa. Un sumador completo tiene ocho posibles combinaciones de entrada (tabla 44-6).

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para verificar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1.

2. 3.

Un número escrito en forma binaria tiene uno y sólo un valor decimal equivalente. (cierto,falso) El número 7 escrito en forma binaria es _ _ _ __ El resultado de sumar estos dos números binarios es 1011011 1101001

4.

El valor del número 1011011 en forma decimal es

5.

El valor del número 1101001 en forma decimal es

6.

El número 196 en forma binaria es _ _ _ _ __

Para convertir números binarios a decimales, se usa el proceso de adición ponderada. Para convertir en la dirección inversa, se usa el método de la división y el residuo.


304


4 4

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO

3.

Fuente de alimentación: fuente de cd de bajo voltaje variable y regulada. Equipo: multímetro digital. Resistores: dos de 1 000 n, tres de 10000 n a 'Iz W. Circuitos integrados: 7408, 7432, 7486. Otros: tres interruptores de cola de rata de un polo dos tiros; un LED rojo; un LED verde.

, ~

l.

2.

4.

5.

Conecte el circuito del sumador completo (figura 44-5). Las compuertas AND están en el 7408 y las compuertas OR en el 7432. La OR exclusiva es un 7486. Conecte la terminal 14 de cada CI a +5 V de la fuente y la terminal 7 a tierra. Las otras terminales se interconectan como se muestra. El nivel en cada línea de entrada se controla mediante el interruptor de un polo dos tiros respectivo, SA' Ss o Se. Cuando el interruptor está cerrado en el lado de + 5 V, en la línea de entrada está presente un O binario. Cuando el interruptor está cerrado en el lado de O V, se presenta un nivel inferior que representa un 1 binario. Mediante las notaciones de alto y bajo, sitúe los interruptores de entrada para la combinación de la tabla 44-7 y registre las condiciones en las líneas de salida para la suma (LED rojo) y el acarreo (LED verde). ¿Los resultados registrados en la carta corresponden a las salidas en la tabla 44-6?

Sin adicionar ningún CI diseñe, construya y verifique un sumador completo de 2 bits. Dibuje su circuito. Con las técnicas desarrolladas para el sumador completo, diseñe una tabla de verdad para un sustractor completo. ¿Cuáles son las expresiones booleanas para los resultados de la diferencia y el préstamo? Construya el circuito para el sustractor completo y verifique su operación contra su tabla de verdad.

TABLA 44-7. Lógica de un sumador

completo

Salidas

Entradas A

B

e

Bajo

Bajo

Bajo

Alto

Bajo

Bajo

Bajo

Alto

Bajo

Bajo

Bajo

Alto

Alto

Alto

Bajo

Alto

Bajo

Alto

Bajo

Alto

Alto

Alto

Alto

Alto

Suma

+5 V

r.

+5 V

Se

10 K

SA

l'

3

10 K

SUMA

4 6

2 +5 V

1 K

11

5 ROJO

S8

4

10 K

l' Figura 44-5. Sumador completo

2

7408

5

ACARREO 7408

3

1 K

11 VERDE

experimental.

':J

l.'


Acarreo

e

1

o 1G

1 TAL E S.

A

o 1e 16

N

B 1N A R 1A

PREGUNTAS l. 2. 3. 4.

¿Por qué se prefiere el sistema de numeración binario al sistema decimal para usar en computadoras? ¿Cuál es la principal diferencia entre el medio sumador y el sumador completo? Escriba 896 en forma binaria. Convierta la cantidad binaria 1001000111 a su equivalente decimal.


Y

S U M A

oo

R

eoM

P L E T

o 305


EXPERIMENTO

~

el DIGITALES: FLIP-FLOP


Flip-flop RS ........................................................ . En el experimento 40 se estudió un tipo de flip-flop denominado flip-flop RS, representado en forma simbólica en la figura 45-1. La tabla 45-1 resume la operación. Cuando ambas entradas de control son bajas, no se puede presentar cambio en la salida y el circuito se mantiene enclavado en su último estado. Esta condición se llama estado inactivo porque nada cambia. Cuando R es baja y S es alta, el circuito hace que la salida Q se vaya a alto. Por otro la..<.!o, si R es alta y S es baja, la salida Q se restaura a estado bajo. La salida Q es la inversa de la salida Q. Observe la entrada final de la tabla 45-l. Las entradas R y S son altas en forma simultánea. Esto se conoce como condición inválida, y nunca se usa porque conduce a una operación paradójica. Esto significa que se trata de fijar y restaurar el flip-flop al mismo tiempo, lo cual es una contradicción. De aquí en adelante, un asterisco en la tabla de verdad indica una condición inválida.

Latches NOR ...........................................

e -• • • • • • • • • • • •

La figura 45-2a) es un latch NOR o flip-flop RS . Como ilustra la tabla 45-1, una R baja y una S baja producen el estado inactivo; en este estado el circuito almacena o recuerda. Una R baja y una S alta representan el estado set,


308


4 5

R----i

s

Q

R

Q

P---.--Q

Figura 45-1. Símbolo para el flip-flop RS.

p-->---Q

s Figura

45-3. Lalch NANO.

TABLA 45-1. Lalch RS

R

S

Q

Comentario

O O

O

NC

Sin cambio

1

1

Set

1 1

O

O

1

*

Reset Inválido

TABLA 45-2. Lalch NANO

",

S

Q

O O

O

*

Inválido

1

1

Set

1

O

O

Reset

1

1

NC

Sin cambio

.

La figura 45-3 describe un latch RS construido con compuertas NAND acopladas en cruz. Debido a la inversión de la compuerta NAND, las condiciones inactiva e inválida son inversas, según muestra la tabla 45-2. Por lo tanto, siempre que use un latch NAND, debe evitar tener ambas entradas en estado bajo al mismo tiempo.

R

s III

)0-_>---

Q

Q

s----I

:J

n

Figura 45-2. Diagrama de temporización

I (b)

(á)

para el latch NOR.


n I

I

'1 .1

n

I I

ti'

.

Las computadoras usan miles de flip-flop. Para coordinar la acción global, a cada flip-flop se envía una señal de onda cuadrada denominada reloj. Esta señal evita que los flipflop cambien de estado hasta que sea el momento preciso. La figura 45-4a) muestra un flip-flop RS disparado por reloj. La idea es sencilla: cuando el reloj es bajo, las compuertas AND están deshabilitadas y las señales R y S no pueden alcanzar al flip-flop. Pero cuando el reloj se va a estado alto, la señales R y S pueden manejar al flip-flop que, entonces, permanece en un estado fijo, se restaura o no hace nada, dependiendo de los valores de R y S. El punto es que el reloj controla la temporización de la acción del flip-flop. La figura 45-5b) muestra el diagrama de temporización. Q se va a estado alto cuando S está en alto y el CLK (reloj)

R----\ )o-_~-Q

Comentario

Disparado por reloj (clocking)

mientras que una R alta y una S baja proporcionan el estado reset. Por último, una R alta y una S alta producen una condición inválida, donde la salida es incierta; por lo tanto, se debe evitar R = 1 Y S = 1 cuando se usa un latch NOR.

Latches NANO··

R

n

CID

1 G 1 TAL

E S:

F L 1P - F L

o P 309

RELOJ

S

I I

Q

S

In

R I I

JUULRELOJ

Q

R R

S

Q

I

r:l

I

I I

I I

I

I

I I

(b)

(a)

Figura 45-4. a) Flip-flop RS disparado

por reloj; b) diagrama

de temporización.

se va a estado alto. Q regresa al estado bajo cuando R está en alto y el CLK (reloj) se va a alto. Una señal de reloj común para manejar muchos flip-flop permite sincronizar la operación de las diferentes secciones de una computadora. La tabla 45-3 resume la operación del flip-flop RS disparado por reloj. Cuando el reloj está en estado bajo la salida se enclava en su último estado. Cuando el reloj está en alto, el circuito permanecerá en un estado si S está en un estado alto, o se restaura si R está en estado alto. Si CLK, R y S están en estado alto de manera simultánea, se tiene una condición inválida, la cual nunca se debe usar en forma deliberada. Figura 45-5. Latch O.

Latches O TABLA 45-3. Latch NANO disparado

por reloj

CLK

R

S

Q

O O O O

O O

O

1 1

O

1 1 1 1

O O

O

NC NC NC NC NC

1

1

1

O

O

1

1

*

1 1

TABLA 45-4. Latch O sin reloj

D

Q

O 1

O 1

.

Un flip-flop D se diseña específicamente para almacenar el estado de datos que ingresan en él y para mantener esa información hasta que se cambien los datos y el flip-flop se dispare mediante un pulso de reloj. La figura 45-5 muestra una forma de construir un latch D. Debido al inversor, el bit de datos D maneja la entrada S y su complemento, D, la entrada R. Por lo tanto, una D alta fija allatch, y una D baja lo restaura. La tabla 45-4 resume la operación del latch D. En especial es importante que en esta tabla de verdad no haya condición inválida. El inversor garantiza que S y R siempre están en estados opuestos; por lo tanto, es imposible tener una condición inválida. En general, un flip-flop D es disparado por reloj como muestra la figura 45-6. Cuando CLK está en bajo, las compuertas AND se deshabilitan y el Iatch RS permanece inactivo. Cuando CLK está en alto, D y D pueden pasar a través de las compuertas AND y fijar o restaurar ellatch. La tabla 45-5 resume la operación; X representa una condición "no importa" que se establece para 1 o O. Mientras el CLK esté en bajo, la salida no puede cambiar, sin importar cuál es el estado de D; sin embargo, cuando CLK está en alto, la salida es igual a la entrada.


310


4 5

do de estado. El disparo en el circuito de la figura 45-7a) se presenta cuando el flanco del reloj se va a positivo (flanco de subida); éste es el porqué se denomina disparado por flanco de subida. La figura 45-7b) es el diagrama de temporización. La idea crucial es: la salida puede cambiar sólo en el flanco de subida del reloj. Dicho de otra manera: los datos se almacenan sólo cuando el flanco va a positivo. La tabla de verdad para el flip-flop D disparado por flanco es la misma que la del flip-flop D disparado por reloj, excepto que la información en CLK se cambia desde O para el ESTADO ESTABLE Y 1 para --' , indicando la transición hacia positivo.

D-_------I

s RELOJ

Q

--+----. R

Figura 45-6. Latch D disparado

por reloj.

TABLA 45-5. Latch D disparado

por reloj

CLK

D

Q

o

x

NC

1

O

O

1

1

1

PREFIJADO Y LIMPIADO

'1

Flip-flop D disparado por flanco

.

En la figura 45-7a), la constante de tiempo del circuito RC se diseña para ser mucho más pequeña que el ancho del pulso de reloj. Por ello, el capacitor se puede cargar por completo cuando el CLK se va a alto; al cargarse este exponencial produce una espiga angosta de voltaje positivo a través del resistor. Después, el flanco de bajada del pulso de reloj produce una espiga angosta negativa. La espiga angosta positiva habilita las compuertas AND por un instante; la espiga angosta negativa no hace nada. El efecto es activar las compuertas de entrada durante la espiga positiva, que equivale a muestrear el valor de D por un instante. En este único punto, D y su complemento ingresan a las entradas del latch, forzando a que Q se fije o restaure. Esta clase de operación se llama disparado por flanco porque el flip-flop responde sólo cuando el reloj está cambian-

.

Cuando por primera vez se aplica la alimentación de energía, los flip-flop se van a estados aleatorios. Para inicializar algunas computadoras, el operador debe oprimir un botón de restauración maestra. Ésta es una señal de limpiado (restauración) a todos los flip-flop. En algunas computadoras también es necesario prefijar (sinónimo de fijar) ciertos flip-flop antes de iniciar la corrida. La figura 45-8 muestra cómo incluir ambas funciones en un flip-flop D. El disparado por flanco es el mismo que se describió antes. Además, las compuertas OR permiten introducir un PREFIJADO alto o un LIMPIADO alto cuando se desee. Un PREFIJADO alto lleva al latch a una condición de fijación; un LIMPIADO alto lo lleva a una condición de restauración. Algunas veces el PREFIJADO se conoce como fijado directo y el LIMPIADO como restaurado directo. La palabra "directo" significa sin engancharse o enclavarse. Por ejemplo, una señal de limpiado puede venir de un botón; sin importar qué esté haciendo el reloj, la salida se restaurará cuando el operador presione el botón de LIMPIADO.

D-_--__,_---1

I

RELOJ~

JL RELOJ

~

S

Q

R

o

~f-------+---~

D I I

Q

(b)

(a)

Figura 45-7. a) Flip-flop D disparado

~

por flanco, b) diagrama detemporización.


e[

D [ G [ TAL E S :

F L [ P - F L

o P 311

Figura 45-8. Flip-flop D disparado por flanco con PREFIJADO y RESTAURACiÓN.

PR

PR

o

D se muestrea y almacena en el flanco de subida del reloj . También se incluyen las entradas de prefijado y limpiado; si alguna de éstas se va a alto, la salida se fija o restaura. La figura 45-9b) es otro símbolo lógico para el flip-flop D disparado por flanco de bajada. En algunas aplicaciones es preferible tener las entradas de PREFIJADO y LIMPIADO activadas en bajo. Esto significa que un PREFIJADO bajo fijará al flip-flop; un limpiado bajo lo restaurará. Como recordatorio de la fase de inversión, en las entradas de prefijado y limpiado se muestran CÍrculos de inversión.

O

O

O RELOJ

RELOJ

R

R

(a )

(b)

Figura 45-9. Símbolos para un flip-flop D disparado por flanco: a) PREFIJADO y LIMPIADO activados en alto; b) PREFIJADO Y LIMPIADO activados en bajo.

Símbolo lógico .................................... . La figura 45-9a) es el símbolo lógico de un flip-flop D disparado por flanco de subida. La entrada CLK tiene un pequeño triángulo, un recordatorio del disparado por flanco. Cuando vea este símbolo, recuerde qué significa: la entrada

S RELOJ

Flip-flop toggle (cola de rata) ................ . La figura 45-10a) muestra un flip-flop toggle. La salidas del flip-flop conmutan o se palanquean con cada transición positiva del reloj de entrada. Debido al acoplamiento en cruz entre las salidas y las entradas, se alimenta la condición de entrada opuesta después de cada cambio de la salida. De este modo, el flip-flop conmutará al estado opuesto cuando se aplique el siguiente flanco del reloj a la entrada CLK.

O

>

RE LOJ

R

O

O.-J lb)

(a)

Figura 45-10. a) Flip-flop de conmutación (toggle) ; b) diagrama de temporización.


312


4 5

RELOJ

J Pre

SL RELOJ

----j

~

K

Q

R

I I

I I I I

I I

I I

JJTl

Q

S

Rst

I I

r:-LJ I I

K

L L

Q

-= (b)

(a)

Figura 45-11. a) Flip-flop JK disparado

por flanco; b) diagrama de temporización.

La figura 45-lOb) es el diagrama de temporización para el flip-flop toggle. Observe que la frecuencia de salida en Q es un medio de la frecuencia de la entrada CLK. Por ello, el flip-flop toggle también se conoce como flip-flop divisor entre 2.

Flip-flop JK disparado por flanco

.

La figura 45-11a) describe una forma de construir un flipflap JK. Como antes, un circuito RC con una constante de . tiempo corta convierte el pulso rectangular de CLK a espigas angostas. Las entradas J y K son las entradas de control y determinan qué hará el circuito en el flanco de subida de la señal de reloj. Cuando J y K están en bajo, ambas entradas están deshabilitadas y el circuito está inactivo.

TABLA 45-6. Flip-flop JK disparado

por flanco positivo

CLK

J

K

Q

O 1

X X X O O 1 1

X X X O 1 O 1

NC NC NC NC

I

J, X

r r

r

O 1 Toggle

Cuando J es baja y K es alta, el flip-flop se restaura. Por otro lado, cuando J es alta y K es baja, el flip-flop se lleva al estado de fijación en el siguiente flanco positivo de CLK. La última posibilidad es que ambas, J y K, sean altas. J= 1 Y K= 1 significa que el flip-flop estará en toggle o conmutará en el siguiente flanco positivo del reloj. La figura 45-11b) es un resumen visual de la acción. Cuando J es alta y K es baja, el flanco de subida del reloj fija Q en alto. Cuando J es baja y K es alta, el flanco de subida del reloj restaura Q a estado bajo. Por último, si ambas, J y K, están en alto, la salida conmuta una vez cada flanco de subida del reloj. La tabla 45-6 resume la acción. El circuito está inactivo cuando el reloj está en bajo, en alto o en su flanco negativo (de bajada). De igual modo, el circuito está inactivo cuando J y K son bajas. El cambio de la salida se presenta sólo en el flanco de subida del reloj como indican las tres últimas entradas de la tabla. La salida podría restaurarse, fijarse o conmutar. Se dispone de una variedad de flip-flop JK en forma de Cl. La figura 45-12a) es el símbolo para uno de los tipos. Éste usa disparo por flanco positivo (de subida) y responde a una señal de PREFIJADO y LIMPIADO en estado alto. La figura 45-12b) es un flip-flop JK disparado por flanco de subida que responde a señales de prefijado y limpiado en estado bajo. Si el diseño de C! incluye un inversor interno en la entrada de reloj, se obtiene un disparo por flanco de bajada, el cual se prefiere en algunas aplicaciones. Como recordatorio de este disparado por flanco de bajada, la figura 45-12c) tiene un CÍrculo en la entrada del reloj; éste también tiene PREFIJADO y LIMPIADO activados en bajo.


CID

PR J

PR

o

J

O

K

E S:

F L 1P - F L

o

P

313

PR

o

J

O

K

RELOJ

RELOJ

K

1 G 1 TAL

o RELOJ

O

R

R

R

(a)

(b)

(e)

Figura 45-12. Símbolos para el flip-flop JK: a) disparado por flanco de subida con PREFIJADO y LIMPIADO activados en alto; b) disparado por flanco de subida con PREFIJADO y LIMPIADO activados en bajo; e) disparado por flanco de bajada con PREFIJADO y LIMPIADO activados en bajo.

RESUMEN

AUTOEVALUACIÓN

•.•••.•••.......................... 1.

2. 3.

4.

5. 6.

7. 8.

9. 10.

Un flip-flop puede permanecer en su último estado hasta que un disparo externo lo fuerce a otro estado. Por ello, éste es un elemento de memoria. En estado inactivo, un flip-flop almacena o recuerda porque permanece en su último estado. Una condición inválida existe cuando R y S son altas en un flip-flop RS. Este estado no deseado está prohibido dado que representa una contradicción. Una manera de construir un flip-flop RS es con compuertas NOR con acoplamiento en cruz. Como alternativa se pueden usar compuertas NAND. En general, la señal llamada reloj determina cuándo el flip-flop puede cambiar de estado. Mediante la inclusión de un inversor, un flip-flop RS se puede convertir en un flip-flop D. La gran ventaja del flip-flop D es la ausencia de la condición inválida. Un flip-flop D disparado por flanco de subida almacena el bit de datos sólo en el flanco de subida del reloj. El PREFIJADO Y el LIMPIADO permiten un fijado directo o un restaurado directo de un flip-flop, sin considerar qué hace el reloj. Un flip-flop toggle cambia de estado cada ciclo de reloj y se conoce como flip-flop divisor entre 2. Dependiendo de los valores de J y K un flip-flop JK puede no hacer nada, fijarse, restaurarse o conmutar.

Para verificar su aprendizaje guntas. 1.

2. 3. 4.

5. 6.

conteste las siguientes pre-

Los flip-flop RS se pueden construir con compuertas con acoplamiento en cruz o compuertas _ Una señal de onda cuadrada llamada el _ puede sincronizar la operación de muchos flip-flop. El flip-flop D tiene la ventaja de no presentar la condición _ Un flip-flop que responde sólo al de subida del reloj se denomina flip- flop disparado por flanco. La salida de un flip-flop toggle es _ de la frecuencia de la entrada de reloj. Para que un flip-flop JK conmute, J debe ser ______ y K debe ser _


314


4 5

PROCEDIMIENTO

MATERIAL

NECESARIO +5 V

Fuente de alimentación: una de +5 V. Equipo: generador de onda cuadrada y osciloscopio; multímetro digital. Cl: 7402, 7474, 7476. Otros: tablero para prueba de circuitos lógicos, si se dispone de él; de otro modo, tres interruptores de un polo dos tiros; LED rojo; LED verde. Resistores: dos de 1 000 cuatro de 10 000 a lh W. Otros: dos interruptores de un polo un tiro.

n.

10k!1

R:....o<_-----\

n

10 k!1

S

(a)

Figura

Latch RS 1. 2.

Conecte el latch NOR de la figura 45-l3. (Recuerde que la terminal 14 va a +5 V Y la terminal 7 a tierra.) Fije los interruptores R y S a las combinaciones de entrada de la tabla 45-7. §..igael orden que se muestra; registre las salidas Q y Q para cada entrada.

Latch D 3.

4.

45-13. Latch RS experimental.

. 5. 6.

.

Conecte e1latch D disparado por reloj de la figura 45-14. Conecte un generador de onda cuadrada a la entrada CLK. Fije el generador para 5 V en 1 kHz. Fije ~ interruptor D a la entrada baja. Mida y registre Q y Q en la tabla 45-8.

Repita el paso anterior para el interruptor D en la entrada alta. Remueva el generador de onda cuadrada y fije esta entrada a estado alto. Observe que la conmutación de la entrada D no causa que la salida conmute.

TABLA 45-7. Latch RS

R

s

o

1

O

O O O

1

O

Q

Q

+5 V

10 K

7402 10

o 1K

11 ROJO

RELOJ

1 K

(GENERADOR DE ONDA CUADRADA)

11 VERDE

Figura 45-14. Flip-flop D disparado

-=-

o

por reloj.


-=-

e

TABLA 45-9. Flip-flop

TABLA 45-8. Latch O

11.

o disparado

o

1

1

r r

.

o

F L 1P - F L

P

Q

Flip-flop JK 12.

13.

14. 15.

16.

.

Conecte el circuito de la figura 45-16. Con un 7476, la terminal 5 se conecta a + 5 V Yla terminal 13 es tierra. Fije las entradas J y K en bajo. Conecte el generador de onda cuadrada a la entrada CLK y fíjelo como en el paso 3. Cierre S2 y abra S4. Observe cómo se prefija la salida Q. Abra S2 y cierre S4' sitúe las entradas J y K en la condición de restauración. Abra S2 y S4' Q no debe cambiar. Si esto sucede, escriba "NC" en la tabla 45-10. Inicialice otras entradas J y K de la tabla 45-10. Anote las salidas Q. (Registre "Toggle" para la última entrada si éste trabaja de manera correcta). Deje ambas entradas, J y K, en alto. Mida y calcule la frecuencia de la salida Q y registre el valor:

f=----

ABIERTO

+5 V

BAJOl

+5 V

+5 V

=

101( 5,

S,

ALTO

DATOS

2

PR D

lk.íl. Q 5

1-=

1 -=

'l

2

RELOJ

3

=

J RELOJ 16

o

14

1I

K

IK

1 VE~~E

3

//

6

= -=1

5.

ABIERTO S3 CLR RESTAURACiÓN '---~r---.....J 1 BAJO

15

CLR

VERDE

6

o

1 K

7476

7474

lk.íl.

ROJO

PR

4 BAJAl

=

52

10 K

ROJO

4

1 =

1

~

lOK 10 K

-=

+5 V +5 V

Figura 45-15. Flip-flop O disparado

por flanco experimental.

315

por flanco

o

Conecte el circuito de la figura 45-15. Cierre SI y aterrice la entrada de reloj. Abra S2 y cierre S3' Observe que el flip-f1op está en estado de restauración. Abra S3 y la salida Q deberá permanecer baja (se enciende el LED verde). Cierre S2 (prefijado) y la salida Q se deberá ir a la condición de fijación (se enciende el LED rojo). Abra S2 y el flip-flop permanece en estado de fijación. Cierre SI (entrada baja). Remueva la tierra a CLK y reemplácela con el generador de onda cuadrada con los valores del paso 3. Anote la salida Q en la tabla 45-9. Abra SI (entrada alta). Registre la salida Q en la tabla 45-9.

10.

E S.

CLK

Q

CLK

Flip-flop D disparado por flanco

9.

1 G 1 TAL

D

D

7. 8.

o

1

Figura 45-16. Flip-flop JK disparado


por flanco experimental.

316


4 5

TABLA 45-10. Flip-flop JK

J

K

O

O O 1

1 O O

1

CLK

Q

r r r r


Describa qué hace tores R y S. Describa qué hace ¿El flip-flop D se jada? Describa qué hace

la salida Q si cambia los interrup-

5.

un latch D. dispara por flanco de subida o ba-

6. 7.

el flip-flop D de la figura 45-15.

¿Las entradas PREFIJADO y LIMPIADO están activadas en bajo o en alto? Use los datos de la tabla 45-10 para describir la acción de un flip- flop JK. Explique la diferencia entre las frecuencias de salida de CLKy Q.


EXPERIMENTO

~

CI DIGITALES: CONTADORES


Un contador es un circuito que produce un conjunto de combinaciones de salida único en relación con el número de pulsos de entrada aplicados. El número de salidas únicas se conoce como módulo o número módulo.

Contadores binarios ............................................ . La figura 46-1 muestra un contador binario o de propagación. Se usan flip-flop JK debido a su versatilidad. Todas las entradas J y K se conectan juntas a la entrada de HABILITACIÓN. Cuando la HABILITACIÓN está APAGADA (baja), todas las entradas JK se mantienen en bajo, ubicando los flip-flop en condición de "no cambio". Una vez que la HABILITACIÓN se ENCIENDE (alto), las entradas JK se fuerzan a estado alto y cada flip-flop se lleva a una condición de "conmutación" (toggle). Cada flip-flop cambiará de estado cuando se experimente una transición de positivo a negativo en su entrada CLK. Al aplicar una señal de onda cuadrada a la entrada de reloj del FFo Y hacer la HABILITACIÓN alta se permite al FFo conmutar de manera continua cada vez que se aplica un pulso de reloj. Recuerde que en el experimento 45 el flip-flop toggle también se denomina flip-flop divisor entre 2 porque su salida Q tiene una frecuencia de un medio de la frecuencia de la entrada de reloj . El flip-flop FF t tiene como reloj la salida Q del flip-flop FFo, así, su salida tiene una frecuencia que es un medio de la de FFo o un cuarto de la frecuencia de la entrada CLK. A su vez, el FF2 está excitado por FF t y su salida es un


318


4 6

HABILITACiÓN O

J

FF2

FF,

< O

O

J

O

J

O

F F3

< O

K R

K

-

K

O

<

RELOJ

K

O R

R

R

J

FFo

RESTAURACiÓN Figura 46-1. Contador de propagación

o

binario.

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

16

15

RELOJ

00

O,

-.J

L

O2

L

03

L


de un contador binario ascendente.

octavo de la frecuencia del CLK y la salida del FF3, dieciseisavo de la frecuencia de CLK. La figura 46-2 resume el diagrama de temporización de las salidas de un contador binario. Observe que la salida de cada flip-flop conmuta cuando se aplica una transición a estado bajo a su entrada de reloj. El flip-flop FFo es el bit menos significativo en la secuencia de conteo, seguido en peso numérico por FF¡, FF2 y, por último, FF3' Asignando 1 a las salidas en nivel alto y O a las salidas en nivel bajo, se puede construir una tabla de verdad (figura 46-3). Observe que las salidas cambian de manera secuencial a medida que aumentan los ciclos (cuenta) de reloj. Existen 16 diferentes combinaciones de salida o estados que produce este contador, el cual regresa todas las salidas a O en la dieciseisava cuenta. Esto hace a éste un contador de propagación binario de módulo 16.

Contadores de anillo····························· La figura 46-4 ilustra un contador de anillo. Éste se construye conectando las salidas Q y Q de un flip-flop a las entradas J y K del siguiente flip-flop. Para completar el anillo, las salidas del último flip-flop se conectan a las entradas del primer flip-flop. Este contador tiene la característica de que uno y sólo uno de los flip-flop está en estado de fijación

CUENTA

Q3

Q2

Q¡

Qo

o o o o

o o

o

1

o

1

1

1

o

1

o o

1

1

o

7

o o o o o o o o

1

1

1

8

1

o o

o

1

o

1

1

o o

o 1 2 3 4 5 6

Conteo hacia abajo

.

~onmutar las entradas de reloj de cada flip-flop a las salidas Q causa que la secuencia de conteo comience en 1111, en el primer ciclo de reloj después de liberar la entrada de restauración, disminuyendo hasta 0000. Los flip-flop aún conmutan en una transición de positivo a negativo, pero este cambio ahora se origina cuando E- salida Q del flip-flop anterior (la cual es la inversa de su Q va de un estado bajo a uno alto.

Figura

11

1

o o o o

12

1

1

13

1

1

o o

14

1

1

1

9

1

10

1

1

1

1

15

1

1

1

1

16

o

o

o

o

46-3. Tabla de verdad de un contador


1

binario ascendente.

CID

1 G 1 TAL

E S:

eoN

TA D

o R E s 319

INICIO

p

'--O

J

O

FF2

FF3

K

O

J-

O

J

FFl

- -O

O

J

FFO

O

K

< (5

K

R

R

R

I

1

1

RELOJ

K-

Figura 46-4. Contador de anillo.

3

2

4

5

6

7

RELOJ

00

O,

I ~

O2


del contador de anillo.

(Q= 1) en cualquier tiempo. Para iniciar el contador, el FFo se fija y el resto se restauran (observe que la aplicación de la entrada de inicio al FFo prefija la entrada a éste y la entrada de restauración de los tlip-tlop FF, al FF,). Puesto que las salidas de cada flip-tlop se conectan a las entradas de la siguiente unidad, FF¡ recibe entradas de fijación (set) mientras que los otros reciben entradas de restauración (reset). El efecto es que en el primer ciclo de reloj, FF, se fija mientras que los demás se restauran. La condición de fijación seha recorrido de FFo a FF,. A medida que llegan los ciclos de reloj, esta condición de fijación continúa recorriéndose alrededor del anillo. El proceso se ilustra en el diagrama de temporización de la figura 46-5. Este circuito no requiere una tabla de verdad dada la naturaleza exclusiva de que sólo un flip-flop se fija a la vez para cada ciclo de reloj (cuenta). Como se observa en el diagrama de temporización para este contador sólo hay cuatro estados de salida, presentando al contador de anillo como de módulo 4.

Contador Johnson

.

El número módulo de un contadorde anillo se puede duplicar conmutando las ~lidas Q y Q del último tlip-flop de manera que la salida Q ahora alimenta a la entrada J del FFo y la salida Q a la entrada K. Ésta es la configuración para el contador Johnson (figura 46-6), el cual inicializa en 0000. Observe que esta condición suministra las entradas de restauración a FF, hasta FF,; sin embargo, las salidas invertidas de FF, envían condiciones de fijación a FFo. En el primer ciclo de reloj, FFo se fija mientras el resto permanece en condición de restauración. Ahora las entradas de fijación se aplican a FFo Y FF" mientras se restauran los FF2 y FF}. El proceso continúa hasta que los cuatro flip-tlop se fijan como ilustra la figura 46-7. Una vez que los cuatro tlipflop se han fijado, las salidas de FF} envían entonces entradas de restauración a FFo. En los ciclos de reloj subsecuentes, el proceso se invierte hasta que el contador una vez


320


- >--

4 6

J

O FF3

L.-

O

FF2

J FF,

-O

K

O

J

O

O

K

JJ

O FFo

< O

K

RELOJ

K-

R

R

R

R

I

1

1

I

RESTAURACiÓN

Figura 46-6. Contador Johnson.

2

3

4

5

6

7

8

RELOJ

L...--

I

o,


del contador Johnson.

más tiene todas las salidas restauradas. Observe, a partir del diagrama de temporización, que ahora hay ocho diferentes condiciones de salida que hacen de éste un contador Johnson de módulo 8.

RESUMEN

l.

2.

3.

4.

Los contadores son circuitos digitales que producen diferentes estados de salida para cada ciclo de reloj que se aplica. Un contador ascendente proporciona en su salida una representación de conteo binario que se incrementa, mientras un contador descendente produce una secuencia de conteo que decrece. En un contador de anillo sólo se fija un flip-flop. Esta condición de fijación se recorre entonces a través del anillo en ciclos de reloj sucesivos. Un contador Johnson duplica el módulo sin ningún tipo de circuitería adicional.

AUTOEVALUACIÓN

................................... l.

¿Cuáles flip- flop de la figura 46-1 están en condición . de fijación después de seis ciclos de reloj y de liberar la señal de restauración? 2. ¿Cuál es el número binario más alto que se puede representar mediante el contador de la figura 46-1, si se abriera la entrada CLK al FF3 ? 3. ¿Cuál de los flip-flop del contador de anillo en la figura 46-4 está en estado de fijación en el decimonoveno ciclo de reloj después de que se libera la señal de INICIO? 4. ¿Cuál es el estado de las salidas del contador Johnson de la figura 46-6 que sigue del ciclo de reloj diecinueve después de que se libera la señal de restauración?

............................................................


e[ o

1 G [ TAL

E S:

e

O N TA

oo

R E

s 321

PROCEDIMIENTO

Contador de anillo

MATERIAL NECESARIO Fuente de alimentación: una de + 5 V. Equipo: multímetro digital; generador de onda cuadrada. Resistores: cuatro de 1 000 O, dos de 10 000 O a 112 W. Cl: dos 7476, flip-flop JK dobles. Otros: dos interruptores de un polo un tiro, cuatro LED rojos. 1. 2.

3. 4. 5.

6.

7.

8. 9.

Construya el contador binario de la figura 46-8. Cierre SI y S2' Aplique una onda cuadrada de 5 V a 20 Hz a la entrada de reloj. ¿Cuál es el estado del contador en este momento? Abra S2' Explique por qué la salida no cambia. Abra SI' ¿Cuál es la secuencia de conteo de este contador? ¿Cuenta hacia arriba o hacia abajo? Cierre SI y S2' Mueva las entradas de reloj de cada flip-flop excepto la de FFo de las salidas Q a las salidas Q. Tenga cuidado de dejar los resistores de 1 kO y los LED conectados a las salidas Q. Abra SI y S2' ¿El contador cuenta hacia arriba o hacia abajo? ¿Cuál es el módulo para este contador?

-b

n~

7476

> > >

1K

(

+5 V

'--

O

P

+5 V

10

JI--

K~

O

<

<:.

-

10 K

ü,~

1 K

1K +5 V

P

11

~O

JFF2

6 12

< 10 -

K

O

R

R

l8

l3

+5 V

(

A7

12

9

<

+5 V

> >

1 K

17 11

11.

Construya el contador de anillo de la figura 46-9. Aplique una onda cuadrada de 5 V a 20 Hz a la entrada de reloj. Cierre SI' ¿Cuál es el estado de las salidas del contador? Abra SI' Dibuje un diagrama de temporización para seis ciclos de reloj. ¿Cuál es el módulo para este contador? ¿Qué le pasaría a la operación del circuito si la entrada de restauración del FFo se conecta a la entrada de inicio en lugar de la entrada de prefijado? Realice esta prueba y verifique su respuesta. Cierre SI' Conmute las conexiones de Q y Q del FF3' Mantenga conectado el resistor de 1 kO y el LED a la salida Q. Remueva los +5 V de la entrada de restauración del FFo. Mueva la señal de inicio al flip-flop FFo prefijado a su entrada de restauración y conecte la entrada de prefijado a +5 V. ¿Cuál es el estado de las salidas del contador? Abra SI' Dibuje un diagrama de temporización para 10 ciclos de reloj. ¿Cuál es el nombre y el módulo de este contador?

/ Jl/

DOS

~~~

10.

4

'----<

12

P

11

~O

JFFl

1 16

< 10

.

9

--O

R

r8

4 JI--

FFO

6

12 K f----<

O

P

15

< 14

1

16 Kt-------<

Q

RELOJ

+5 V

R

y3

> 10 K

> >

~ABILlTACIÓN

ESTAURACIÓN APAGADO Figura 46-8. Contador

binario

ascendente.


_

322


l

4 6

~~//

.~//

.~//

DOS 7476

,

'>

,

V +l 2

+r7 11

'---

P Q

J

FF3

.-22.

>

, 1kn

> 1 kn >

1 kn

9

12 K

4

Q

J

11

L

P Q

FF2

15

P

16

Q

K

FFO

<~ 10 -

< 12

Q

K R

R

1

3

J~

Q

FF1

14 -

8

9

J

<~

R

1 kn

+1~

P

-

Q

15

,~//

1

8

14 -

1 RELOJ

K~

Q

R

j3 +5 V

S,

INICIO 10 kn vv

+5 V

Figura 46-9. Contador de anillo .

............................•...................•...•.•.•.......................•.•••.....••....................•...•...•...

PREGUNTAS l. 2.

Explique las diferencias de salida entre un contador binario o de propagación y un contador de anillo. ¿En qué difiere un contador Johnson de un contador de anillo?

3. 4.

Mencione una ventaja de cada tipo de contador que se usó en este experimento. Mencione una desventaja de cada tipo de contador que se usó en este experimento.


EXPERIMENTO

~

MEZCLADORES, MODULADORES Y DEMODULADORES


La distorsión no lineal produce armónicas (múltiplos de la frecuencia de entrada). Por ejemplo, si el voltaje base-emisor, VBE , de un transistor es una onda senoidal pura con una frecuencia de 1 kHz, entonces la corriente de colector en el circuito de la figura 47-1 es una onda senoidal distorsionada con una frecuencia fundamental (la mas baja) de 1 kHz y frecuencias armónicas de 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, y así de manera sucesiva. En general, si f es la frecuencia fundamental, la salida contiene frecuencias de f, 2f, 3f, ... , nf

Mezclador ........................................................... . Un mezclador es un circuito no lineal con dos señales de entrada y una señal de salida. La señal de salida es una combinación distorsionada de las dos señales de entrada. En la figura 47-2, las señales de entrada tienen frecuen cias de Ix y /y. Debido a la distorsión no lineal, la señal de salida contiene las frecuencias de entrada originales, más sus armónicas. Por ejemplo, si las dos frecuencias de entrada son 100 y 101 kHz, la señal de salida contiene estas frecuencias : 100, 101, 200, 202, 300, 303 kHz, etcétera.


324


4 7

--------

!5; __

____

-

-

,.IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII~,~,

I

111111111111111111111111111111111111111111111111111111

I I

:

(a)

I

:~:I

(b)

-------------1--~7_~~----~~E I

1

/

ENVOLVENTE SUPERIOR

I I

I

I

Figura 47-1. Curva de transconductancia de un transistor. ENVOLVENTE INFERIOR / (e)

:--_:\

~C~

1---b

Figura 47-4. al El potenciómetro puede producir AM; AM; el envolventes de AM.

Figura 47-2. Un mezclador produce las frecuencias originales, la suma y la diferencia.

Además de las armónicas que se producen, aparecen nuevas frecuencias en la salida que son iguales a la suma y a la diferencia de las dos frecuencias de entrada. Si t. y /y son las frecuencias de entrada, las nuevas frecuencias son . Suma

=

Ix + /y

Diferencia

(47.1)

= Ix - /y

(47.2)

bl

señal de

La figura 47-3 es un ejemplo de mezclador transistorizado. Una señal excita la base; la otra, al emisor. Una de las señales de entrada es grande; esto es necesario para asegurar la operación no lineal. La otra señal de entrada normalmente es pequeña. Una de las razones de que esta señal sea pequeña es que a menudo es una señal débil que viene de una antena. Es usual que el circuito tanque en el colector esté sintonizado a la frecuencia diferencia. Por ello, las dos frecuencias originales, sus armónicas y las frecuencias suma se filtran de la salida. Sólo la frecuencia diferencia llega a la salida.

+vcc vsal

rr = =

CE

~

-= Figura 47-3. Mezclador bipolar.

=

rv

-=

f, 'V'v

'V\J\¡

', - 'y

Modulación de amplitud

.

El radio, el televisor y muchos otros sistemas electrónicos serían imposibles sin modulación, es decir, la señal de baja frecuencia que controla la amplitud, frecuencia o fase de una señal de alta frecuencia. Cuando la señal de baja frecuencia controla la amplitud de la señal de alta frecuencia, se obtiene modulación de amplitud (AM). La figura 47-4a) muestra un modulador sencillo. Una señal de alta frecuencia, vx' es la entrada a un potenciómetro; por lo tanto, la amplitud de la señal de salida depende de la posición del cursor. Si el cursor se mueve hacia arriba y hacia abajo en forma senoidal, se obtiene la forma de onda de AM de la figura 47-4b); la amplitud de la señal de alta frecuencia varía a una razón de baja frecuencia.


M E Z

e

LA

o o R E S,

M

ooU

L A

oo

R E S

Y

oEMooU

L A

o o R E s 325

Figura 47-5. Modulador de amplitud bipolar.

La señal de alta frecuencia se denomina portadora, y la señal de baja frecuencia, señal moduladora. Normalmente se presentan cientos de ciclos de la portadora durante un ciclo de la señal moduladora. Por ello, en un osciloscopio la forma de onda deAM se ve como la señal de la figura 47-4c); los picos positivos de la portadora están espaciados muy cerca, y forman una frontera sólida conocida como envolvente superior; de manera similar, los picos negativos forman la envolvente inferior. La figura 47-5 es un ejemplo de modulador transistorizado. La señal portadora, V x es la entrada a un amplificador en emisor común. El circu'ito amplifica la portadora mediante un factor de A, de modo que la salida es Avx- La señal moduladora es parte de la polarización; por lo tanto, ésta

produce variaciones de baja frecuencia en la corriente de emisor. Como se ha mostrado, la ganancia de voltaje es proporcional a la corriente del emisor. Por ello, la señal portadora amplificada se ve como la forma de onda de AM mostrada; los picos de la señal de salida varían de manera senoidal con la señal moduladora. Dicho de otro modo, las envolventes superior e inferior tienen la forma de la señal moduladora.

Porcentaje de modulación

En la figura 47-6a), la forma de onda de AM tiene un valor pico a pico máximo de 2Vmáx Y un valor pico a pico mínimo 2Vmín . El coeficiente de modulación está dado por Vmáx

-

Vmáx

+ Vmín

Vmín

(47.3)

y el porcentaje de modulación por v

v

Porcentaje de modulación 16

Figura 47-6. Señales de AM.

X 100%

(47.4)

Por ejemplo, suponga que en el osciloscopio se ve una forma de onda de AM como la de la figura 47-6b). Esta forma de onda tiene

m= 16 - 4 16 + 4 (a)

=m

(b)

= 0.06

y Porcentaje de modulación


=

60%

326


4 7

1Iil "~"I I I I I I 'I '" (a )

(b)

Figura 47-7. a) Detector de envolvente; b) envolvente con rizo de portadora pequeño.

Frecuencias laterales

Un modulador como el de la figura 47-5 es un circuito no lineal. Por ello se obtienen frecuencias suma y diferencia, simi lares a un mezclador. Como ejemplo, suponga que la frecue ncia moduladora es de 1 kHz y la portadora de 1 MHz. Entonces Suma Diferencia

1.001 MHz 999 kHz

Las nuevas frecuencias se denominan frecuencias laterales . La suma es la frecuencia lateral superior, y la diferencia es la frecuencia lateral inferior. Como el mezclador, un modulador produce las dos frecuencias originales, la frecuencia suma y la frecuencia diferencia. Sin embargo, a diferencia del mezclador, la salida final del circuito de la figura 47-5 contiene la frecuencia portadora y las dos frecuencias laterales.

ceptora detecta la señal moduladora de RF (radio frecuencia). Después de amplificarse, esta señal se demodula (se recupera el audio). La figura 47-7a) muestra un tipo de demodulador. En esencia, éste es un detector de pico. De manera ideal, los picos de la señal de entrada se detectan para recuperar la envolvente superior. Por ello, el circuito se denomina detector de envolvente. Durante cada ciclo de la portadora, el diodo se enciende un lapso breve y carga al capacitor al voltaje pico del ciclo de la portadora en particular. Entre los picos el capacitor se descarga a través del resistor. Al hacer la constante de tiempo RC mucho más grande que el periodo de la portadora, se obtiene sólo una pequeña descarga entre ciclos. Así, la mayoría de las señales portadoras se recuperan. La salida, entonces, se ve como la envolvente superior con un rizo pequeño como ilustra la figura 47-7b). La frecuencia de corte del detector de envolvente es

iy(máx) =

Detector de envolvente ........................ . La radiodifusión de señales de AM usa frecuencias portadoras entre 540 y 1 600 kHz. En el estudio una señal de audio modula la portadora para producir una señal de AM . Una antena transmisora de longitud apropiada, entonces, radia esta señal de AM al aire. En un punto lejano, una antena re-

27rRCm

(47.5)

donde m es el coeficiente de modulación. Si la frecuencia de la envolvente es mayor que J.;,(má x) , la salida detectada decae a 20 dB/década. Co n la adición de un fi ltro pasabajas a la salida del circuito de la figura 47-7a), se puede remover el rizo pequeño de RF que permanece en la seña l detectada (figura 47-7b).


M E Z

e

L A D

o

R E S,

M

RESUMEN

1.

2. 3.

4.

5.

6.

7. 8. 9.

10. 11.

o

D U L A D

o

R E S

Y

D E M

o

D U L A D

o R E s 327

AUTOEVALUACIÓN

...................................

Una señal senoidal como VBE produce una corriente de colector no senoidal. El cambio en la forma de la señal se denomina distorsión no lineal. La distorsión no lineal produce armónicas f, 2f, 3f,··· , nf. Un mezclador es un circuito no lineal con dos señales de entrada. La salida del mezclador contiene las frecuencias originales, sus armónicas, la frecuencia suma y la frecuencia diferencia. En general , la salida del mezclador se filtra de modo que sólo la frecuencia diferencia alcanza la salida final. Una de las señales de entrada al mezclador debe ser lo suficientemente grande para producir distorsión no lineal. La otra señal, que típicamente viene de la antena, es pequeña. La moduLación se refiere a una señal de baja frecuencia que controla la amplitud, frecuencia o fase de una señal de alta frecuencia. La señal de alta frecuencia se denomina portadora, y la de baja frecuencia, señaL moduladora . Para producir una señal de AM la señal moduladora controla la ganancia de un amplificador de RF. U na señal de AM contiene una portadora y dos frecuencias LateraLes. La frecuencia lateral superior es igual a la suma de las frecuencias portadora y moduladora; la frecuencia lateral inferior es igual a la diferencia de las frecuencias. Después de que se recibe la señal de AM, ésta se amplifica y demodula. Una manera de demoduLar una señal de AM es con detector de envolvente.


2.

3. 4.

5.

6.

7.

8.

Si una onda senoidal con una frecuencia de 5 kHz excita a un circuito no lineal, ¿qué frecuencias aparecen en la salida? Un mezclador tiene estas frecuencias de entrada:fx = 32 MHz y /y = 28 MHz. ¿A qué son iguales las frecuencias suma y diferencia? Si la salida del mezclador de la pregunta 2 se filtra, ¿cuál es la frecuencia usual en la salida del filtro? En un radio de AM la señal débil al mezclador tiene una frecuencia entre 540 y 1 600 kHz. La señal fuerte viene de un oscilador local (LO, Local oscilator), un circuito en el interior del radio. La señal del oscilador local tiene una frecuencia más alta que la de la señal \ débil. Si la frecuencia diferencia siempre es igual a 455 kHz, ¿cuál es la frecuencia del oscilador local cuando la otra frecuencia es de 540 kHz? ¿Cuándo ésta es de 1 600 kHz? La señal del circuito de la figura 47-5 varía la ganancia de voltaje del circuito. Esto varía la amplitud de la _ _ _ _ _ _ _ _ __ Una señal de AM tiene un voltaje pico a pico máximo de 10 V Y un voltaje pico a pico mínimo de O V. ¿Cuál es el porcentaje de modulación ? La señal modul adora tiene una frecuencia entre 20 Hz y 20 kHz. La portadora tiene un a frecuencia de 1 080 kHz. ¿Cuál es la frecuencia lateral inferior para 20 Hz y para 20 kHz? Un detector de envolvente tiene un R = 10 kn, e = 1000 pF Y m=0.5 . ¿A qué es igual/y(máxJ ?


328


4 7

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO

2.

Fuente de alimentación: una de 15 V. Equipo: osciloscopio, dos generadores de señal (100 a 500 kHz), un generador de audio. Resistores: tres de 1 kD., uno de 4.7 kD., cuatro de 10 kD., uno de 22 kD., dos de 100 kD. a lh W. Capacitores: tres de 0.001 ¡.LF, uno de 0.01 ¡.LF, dos de 0.1 ¡.LF, uno de 1.0 ¡.LF. Diodo: 1N914. Transistores: dos 2N3904.

1

f= e 2-rrRC Calcule fe y anote su respuesta:

f c= - - - - 3. 4.

Mezclador ........................................... . 1.

5. 6.

Sifx = 101 kHz y h = 100 kHz en el circuito de la figura 47-8, ¿a qué es igual la frecuencia diferencia? Registre su respuesta: 7. fx -

La salida del mezclador de la figura 47-8 se filtra mediante dos circuitos RC pasabajas. La frecuencia de corte aproximada de cada circuito está dada por

h =-----8.

Conecte el circuito de la figura 47-8. Disminuya v y a O. Con el osciloscopio ajuste v, a 0.1 V pp. Fije la frecuencia a 101 kHz. Después ajuste vy a 1 V pp Y 100 kHz. Observe la señal de salida final con una sensibilidad vertical de 0.1 V/cm (entrada de ca) y un tiempo de barrido de 0.2 ms/cm. Varíe la frecuencia del generador de V x poco a poco en la vecindad de 101 kHz hasta que obtenga una señal de salida de 1 kHz. Observe en el punto B la entrada al filtro RC final. Observe el rizo en la señal de 1 kHz. Observe en el punto A la entrada al filtro RC del principio. Use una sensibilidad vertical de 2 V/cm. Observe qué tan grande es aquí el rizo.

+15 V

-=

-=

Figura 47-8. Mezclador.


M EZ

eLAooRES,

M

ooUL

A

ooRES

Y

oE

M

ooU

LA

o o R E s 329

Modulador de amplitud ......................... . +15 V

9.

¿Cuáles son las frecuencias laterales en el circuito de la figura 47-9a)? Frecuencia lateral superior = _ _ _ _ _ _ _ __ Frecuencia lateral inferior = _ _ _ _ _ _ _ __

0.1 J.l.F

RF

500kHz

10. 11.

1 kí2

~ YV.

12. 0.1 J.l.F

13. 14.

Conecte el circuito de la figura 47-9. Fije el generador de audio a 200 Hz y el generador de RF a 500 kHz. Disminuya la salida del generador de audio a O (no lo desconecte) . Ajuste el generador de RF para obtener una salida final, Vsal de 0.3 V pp. Use una velocidad de barrido de 1 ms/cm. Aumente la señal de audio y podrá ver el modulador de amplitud. Incremente y decremente el nivel de audio y observe cómo cambia el porcentaje de modulación.

(a)

+15 V

Detector de envolvente ......................... . 15.

\r--.--tt--......- . f - + - - -......--o 10 kí2

Vsal

Calcule en la' figura 47-9b), la frecuencia más alta que puede seguir el detector de envolvente sin atenuación para una modulación del 100%. Regístrelo a continuación:

10.01 J.l.F h (máx

16.

(b)

=------

Conecte la salida del modulador de amplitud (figura 47-9a) al circuito de la figura 47-9b) .

17. Figura 47-9. a) Detector de amplitud; b) detector de envolvente.

18. 19.

Observe con un osciloscopio la entrada al detector de envolvente (a través del resistor de 1 k!1 de la parte inferior del circuito de la figura 47-9b) . Ajuste la modulación a 100%. Observe la salida del detector de envolvente. Deberá tener una señal de audio. Varíe la frecuencia del generador de audio y observe qué le pasa a la salida del detector de envolvente.

PREGUNTAS 1. 2.

¿Por qué no se ven las frecuencias originales (lOO y 101 kHz) en la salida? ¿Cuál es la frecuencia de la envolvente en el circuito de la figura 47-9a)?

3.

Explique por qué la salida del detector de envolvente (figura 47-9b) cambia de frecuencia cuando la frecuencia de la señal de audio en el circuito de la figura 47-9a) varió.


.---.


EXPERIMENTO

~

MALLA DE FASE ENCADENADA (PHASE-LOCKED LOOP)


Detector de fase .................................................. . Suponga que se tiene un mezclador con frecuencias de e ntrada de SO a SO kH z. La frec ue ncia diferencia es, ento nces, O, la que representa la cd. En otras palabras, un mezclado r entrega a su salida un voltaje de cd cuando las frec uencias de entrada son iguales. U n detecto r de jase es un mezclador optimizado para usarse con frecue nc ias de entrada iguales. Éste se denomina detector dejase (o cOlI/para dar de jase) dado que la cantidad de voltaje de cd depende del ángulo de fase


332

E X P E R1M E N T O

4 8

DETECTOR DE FASE

Sen (wl+
I

I I

I

________ 1I _____ _

Sen wt

I

'-------'-----"--- 1>

o (a)

(b)

90°

1800

(e)

Figura 48-1. a) Ángulo de fase entre dos señales; b) detector de fase; e) salida del detector de fase .

veo (oscilador controlado por voltaje)

....

En relación con cualquier VCO es importante recordar que un voltaje de cd de entrada controla la frecuencia de salida. En este experimento, un incremento en el voltaje de control de cd ocasiona que la frecuencia del VCO disminuya. Cuando el voltaje de cd en la figura 48-2a) se incrementa, la frecuencia de la señal de salida decrece. En otras palabras, un voltaje de cd controla la frecuencia del oscilador. Típicamente, la frecuencia decrece en forma lineal con un incremento en el voltaje de cd (figura 48-2b).

Malla de fase encadenada ..................... . La figura 48-3 es el diagrama de bloques de una malla de fase encadenada (pLL, phase-locked loop). Una señal de en-

trada con frecuencia de fx es una de las entradas al detector de fase. La otra entrada viene de un VCO. La salida del detector de fase se filtra por un filtro pasabajas. Éste remueve las frecuencias originales, sus armónicas y la frecuencia suma. Sólo la frecuencia diferencia (voltaje de cd) sale del filtro pasabajas. Este voltaje de cd entonces controla la frecuencia del VCO. El sistema realimentado engancha la frecuencia del VCO a la frecuencia de la entrada. Cuando el sistema trabaja de manera correcta, la frecuencia del VCO es igual afx, la misma que la de la señal de entrada. Por lo tanto, el detector de fase tiene dos entradas con frecuencias iguales; el ángulo de fase entre estas entradas determina la cantidad de voltaje de cd de salida. La figura 48-3b) muestra los fasores para la señal de entrada y la del VCO. Si la frecuencia de entrada cambia, la frecuencia del VCO la seguirá. Por ejemplo, si la frecuencia de entradafx se incrementa ligeramente, su fasor gira más rápido y el ángulo de fase aumenta como muestra la figura 48-3c) .

-+------------~ ~d

(a)

(b)

Figura 48-2. a) La entrada de cd controla la salida del

veo;

b) la frecuencia del

veo es inversamente proporcional a la entrada de cd.


M A L L A

D E

FA S E

EN

e

SALIDA

SEÑAL DE ENTRADA

t,

--+-

DETECTOR DE FASE

--

A D E N A D A

oe

K E D

L

oo

P)

333

DE CD

1

FILTRO PASABAJAS

(P H A S E - L

SALIDA

veo

ENGANCHADA

'x

t (a)

ENTRADA ENTRADA ENTRADA

L Lveo ¿veo veo

(e)

(b)

(d)

Figura 48-3. a) Malla de fase encadenada; b) diagrama fasorial; e) un incremento d) un decremento en la frecuencia de entrada disminuye el ángulo de fase.

Esto significa que saldrá menos voltaje de cd en la salida del detector de fase. El voltaje de cd más bajo forzará a que la frecuencia del veo se incremente hasta que se iguale afx. Por otro lado, si la frecuencia de entrada decrece, su fasor disminuye su velocidad de giro y el ángulo de fase décrece como ilustra la figura 48-3d). Ahora se tendrá más voltaje de cd a la salida del detector de fase, lo cual causa que la frecuencia del veo disminuya hasta que se iguala a la frecuencia de entrada. Es decir, la PLL corrige de manera automática la frecuencia del veo y el ángulo de fase. El intervalo de enganche, BL, es el intervalo de frecuencias que el veo puede producir, y está dado por BL donde

== fmáx

-

(48.1)

.hnín

y Imín son las frecuencias máxima y mínima del Por ejemplo, si la frecuencia del veo puede variar de 40 a 60 kHz, el intervalo de enganche es

en la frecuencia

de entrada aumenta

el ángulo de fase;

terminada por las componentes del circuito. Lo mismo es cierto para el veo de la figura 48-3a). Si la señal de entrada se desconecta, el veo oscila en modo de funcionamiento libre a una frecuencia que determinan las componentes del circuito.

Captura y enganche

Suponga que la PLL está en funcionamiento libre o dese nganchado. La PLL se puede enganchar a la frecuencia de entrada si ésta cae dentro del intervalo de captura, una banda de frecuencias centrada alrededor de la frecuencia de funcionamiento libre. La fórmula para el intervalo de captura es (48.2)

Imáx

veo.

BL

=

60 kHz - 40 kHz

=

20 kHz

Una vez que la PLL está enganchada, la frecuencia de entrada,fx, puede variar desde 40 hasta 60 kHz; el veo seguirá esta frecuencia de entrada y la salida enganchada será igual af,.

Modo de funcionamiento

donde II y 12 son las frecuencias más alta y más baja en las que la PLL se puede enganchar. El intervalo de captura siempre es menor o igual al intervalo de enganche y está relacionado con la frecuencia de corte del filtro pasabajas. Mientras la frecuencia de corte es más baja, el intervalo de captura es más pequeño.

Salida de FM

libre

Recuerde el temporizador 555 conectado como astable sin voltaje de control. Éste oscilará a una frecuencia natural de-

La figura 48-4a) muestra un oscilador Le con un capacitor de sintonización variable. Si se varía la capacitancia, la fre-


.

334


4 8

El 565 OSCILADOR LC

El NE565 de Signetics es un CI de 14 terminales al que se pueden conectar componentes externas para formar una PLL. La figura 48-5 ilustra un diagrama de bloques simplificado. Las terminales 2 y 3 son la entrada diferencial al detector de fase. Si se prefiere la entrada en modo simple, la terminal 3 se aterriza y la señal de entrada se aplica a la terminal2. Las terminales 4 y 5 normalmente se conectan juntas. De esta manera, la salida del VCO se convierte en la entrada del detector de fase. En las aplicaciones donde se desea la salida enganchada, la terminal 4 es la terminal de salida. Un resistor de temporización externo se conecta a la terminal 8 y el capacitor de temporización externo a la terminal 9. Estas dos componentes determinan la frecuencia de funcionamiento libre del VCO, dada por

(a)

fx

fx

(min)

(máx)

(b)

Figura 48-4. Modulación de frecuencia: cambiar la frecuencia; b) señal de FM.

.

a) capacitar variable para

cuencia de oscilación cambia. La figura 48-4b) ilustra la señal de salida. Éste es un ejemplo de un modulador de frecuencia (FM). Si la capacitancia del circuito de la figura 48-4a) varía en forma senoidal a razón de 1 kHz, la frecuencia de modulación es 1 kHz. Cuando una señal de FM como la de la figura 48-4b) es la entrada a una PLL como el de la figura 48-3a), el VCO seguirá la frecuencia de entrada a medida que ésta cambie. Como resultado, se tiene un voltaje fluctuante a la salida del filtro pasabajas. Este voltaje tiene la misma frecuencia que la señal moduladora. En otras palabras, la salida de cd ahora representa una salida de FM demodulada. Esto es útil en receptores de FM. Si la señal moduladora es música, la señal en la salida de FM será la misma música.

0.3

f=-

(48.3)

RTCT

El RT Y el CT se seleccionan para producir la frecuencia de funcionamiento libre del VCO en el centro del intervalo de frecuencias de entrada. Si desea engancharse a una frecuencia de entrada entre 40 y 60 kHz, se eligen el RT y el CT para producir una frecuencia de funcionamiento libre del VCO de 50 kHz. La terminal 7 es la salida de FM, que sólo se usa cuando una señal de FM excita al detector de fase. En los receptores de FM, la señal que sale de esta terminal es la señal demodulada. Esta señal, entonces, va a los otros amplificadores y por último a una bocina.

+vcc

1°1 -------------~ ~-----------I

2 ENTRADA

I

3

:

5

I

RF DETECTOR DE FASE

I I

4

AMPLIFICADOR

v v v

3.6 k.Q

veo

I I

1

L __

--- -----~-----------8

9

1

, ft

I

<

ICT

e

-

+Vcc

b

-vcc

< RT < I

I

7

1 -=

I I I I

I

SALIDA

e

I

ENTRADAALVCO

SALIDA DE ENGANCHE

1---

I I

Figura 48-5. Diagrama de bloques de la PLL 565.


,

DE FM

M A L L A

D E

FA S E

Observe que el capacitor del filtro , C F , va entre la terminal 7 y tierra. Este capacitor y el resistor interno de 3.6 ka forman un filtro pasabajas RC para remover las frecuencias originales, sus armónicas y la frecuencia suma. La frecuencia de corte de este filtro está dada por

EN

eA

8.

9.

(48.4)

D E N A D A

(P H A S E - L

oe

K E D

L

o o P) 335

El intervalo de captura, siempre menor o igual al intervalo de enganche, es la banda de frecuencias en las que la PLL puede engancharse cuando el enganche aún no existe. Cuando la señal de entrada es una señal de FM, la PLL produce una señal de audio demodulada en su salida de FM.

Entre más baja es la frecuencia de corte de este filtro, el intervalo de captura es menor. En algunas aplicaciones, se omite el capacitor del fi ltro y el intervalo de captura es igual al intervalo de enganche.

EVALUACiÓN .AUTO ................................. . Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas.

RESUMEN l.

l. 2.

3. 4.

5.

6. 7.

Cuando las frecuencias de entrada a un mezclador son iguales, la salida es un voltaje de cd. Al dar entradas de igual frecuencia, la salida de un detector dejase es un voltaje de cd que depende del ángu lo de fase e~tre las señales de entrada. El voltaje de control a un VCO determina la frecuencia de salida. El filtro pasabajas de una maLLa de jase encadellada remueve las frecuencias originales, sus armónicas y la frecuencia suma. Esto permite solo el paso de la frecuencia diferencia, normalmente un voltaj e de cd, para controlar al VCO. El ángulo de fase entre la señal de entrada y la señal del VCO determina el voltaje de cd a la salida del detector de fase. Cuando una PLL se engancha, la frecuencia del VCO es igual a la frecuencia de entrada. El intervalo de ellgallche es la banda de frecuencias que el VCO puede generar.

En el detector de fase que se estudió al principio, una disminución en el ángulo de fase produce una _____ en el voltaje de cd de salida. 2. En el VCO que antes se estudió, un incremento en el voltaje de control de cd produce un _ _ _ _ __ en la frecuencia. 3. Si las frecuencias máxima y mínima del VCO son 450 y 350 kHz, el intervalo de enganche es _ _ _ __ 4. Una PLL puede adquirir un enganche inicial para una frecuencia de entrada máxima de 415 kHz y una frecuencia de entrada mínima de 385 kHz. El intervalo de captura es _ _ _ _ _ _ __ 5. Un 565 tiene un resistor de temporización de 10 ka y un capacitor de temporización de 0.01 ¡..LF. La frecuencia de funcionamiento libre es,_ _ _ _ _ __ 6. El filtro pasabajas que se usó con un 565 tiene un capacitor externo de 0.01 ¡..LF. La frecuencia de corte del filtro es _ _ _ _ _ _ _ __


336


4 8

PROCEDIMIENTO


MATERIAL NECESARIO

Cursar

Fuente de alimentación: dos de 9 V. Equipo: osciloscopio, generador de audio, contador electrónico, multímetro digital. Resistores: dos de 1 kfl, uno de 4.7 kfl a ljz w. Potenciómetro: uno de 5 kfl. Capacitores: uno de 0.01 ¡.LF,uno de 0.047 ¡.LF,dos .de 0.1 ¡.LF,uno de 1 ¡.LF. PLL: NE565.

1.

2.

libre

feale,

kHz

5.

6.

+9 V

.'

4.7kn

5kn

-

10

8

2

4

3

7

j.:--_--o 9

0.01 /lF

1e;

SALIDA ENGANCHADA

5

565

1 kn

kHz

Desconecte de manera temporal el generador de señal de ea para obtener la operación en funcionamiento libre. Observe con un osciloscopio la salida del VCO (terminal 4). Use una sensibilidad vertical de 5 V/cm y una base de tiempo de 0.1 ms/cm. Varíe el potenciómetro y observe cómo cambia la frecuencia. Mida las frecuencias máxima y mínima de funcionamiento libre. Registre las frecuencias medidas en la tabla 48-l. Ajuste el potenciómetro para obtener una frecuencia central de unos 5 kHz.

4.

Si el generador de la señal de ca de la figura 48-6 se desconecta, el 565 está en operación de funcionamiento libre. ¿Cuál es la frecuencia del VCO si el cursor del potenciómetro está en la parte superior? Registre las frecuencias calculadas en la tabla 48-1. Conecte el circuito de la figura 48-6 con un CF de 0.2 ¡.LF(use dos capacitores de 0.1 ¡.LFen paralelo).

lkn

fmedida'

Abajo

.

l/lF

libre

Arriba

3.

Frecuencia de funcionamiento

en funcionamiento

-9 V

tI

Figura 48-6. Circuito del PLL experimental.


SALIDA DE FM

M A L L A

D E

FA S E

Intervalo de enganche 7.

8.

9.

.

Reconecte el generador de señal de ea. Observe la señal en la terminal 2. Ajuste el generador para obtener 0.5 V pp a 5 kHz. Observe la salida (terminal 4). Varíe la frecuencia del generador de 4 a 6 kHz. Observe cómo la salida de la PLL se engancha con la señal de entrada. Mida.las frecuencias de enganche máxima y mínima. Registre estos valores en la tabla 48-2.

EN

e

14. 15.

A D E N A D A

oe

K E D

L

oo

P)

337

Repita el paso 13 para el resto de las frecuencias de la tabla 48-4. Imagine cómo se puede obtener una frecuencia de funcionamiento libre de 50 kHz. Modifique el circuito como se requiera, y entonces pruébelo mediante el enganche de la PLL con una señal de entrada.

TABLA 48-2. Intervalo de enganche fmáx'

Intervalo de captura

(P H A S E - L

kHz

fmín,

kHz

. TABLA 48-3. Intervalo de captura

10.

11.

12.

Calcule las frecuencias de corte para los valores de e¡ en la tabla sultados. Mida y anote en la tabla 48-3 las tura máxima y mínima. Calcule y de captura, B¿ Repita el paso 11 para los demás tabla 48-3.

del filtro pasabajas 48-3. Anote los re-

CF, fLF

e¡ en

kHz

fmáx'

kHz

fmín'

kHz

Be> kHz

0.2

frecuencias de capregistre el intervalo valores de

fcorte'

0.1

la

0.047

TABLA 48-4. salida de FM

Sal ida de FM

Frecuencia, kHz

.

4 13.

Mida el voltaje de cd (con multímetro digital si es posible) en la salida de FM (terminal 7) para una frecuencia de entrada de 4 kHz. Registre el voltaje de cd en la tabla 48-4.

PREGUNTAS 1. 2.

5 6

3.

¿Cuál es el intervalo de captura para eF=0.2 j.LF? ¿Cuál es el efecto del capacitar del filtro en el intervalo de captura?

4.

Los datos de la tabla 48-4 prueban que una PLL puede producir una salida de FM demodulada. Explique por qué. ¿Qué cambio haría para obtener una frecuencia de funcionamiento libre de 50 kHz?



EXPERIMENTO

~

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILtCIO (SCR)


El rectificador controlado de silicio es un rectificador de estado sólido NPNP de cuatro capas con tres electrodos: un ánodo, un cátodo y una compuerta, que sirven como elemento de control. El SCR difiere del rectificador de diodo de dos elementos en que éste no pasa una corriente apreciable, aun cuando esté polarizado en directa hasta que el voltaje del ánodo sea igual o exceda el valor denominado voltaje de transición conductiva en directa, VSRF . Cuando se alcanza el VSRF, el SCR se enciende, esto es, se hace altamente conductivo. El valor de VSRF se puede controlar mediante el nivel de corriente de la compuerta. La compuerta, entonces, proporciona una nueva dimensión en la operación del rectificador en la que los niveles bajos de corriente de la compuerta controlan los niveles altos de la corriente de ánodo o de carga. Hoy día se fabrican SCR de varias capacidades. Los SCR de baja corriente pueden proporcionar corrientes de ánodo menores a 1 A. Los rectificadores controlados de silicio de alta corriente permiten el paso de corrientes de ánodo o de carga de cientos de ampers. Los SCR de alta corriente se asemejan a los rectificadores de silicio con montaje de tornillo con una terminal añadida (figura 49-1). El símbolo de circuito para un SCR y su representación de cuatro capas se muestran en la figura 49-2.


340

E XPERIM E NTO

49

0.070 DIÁ (CÁTODO)

@

D)~

~I

(COM PUERTA) L0562 - - J

0.552

12:-1 60-=----i

RL

A LA ENTRADA VERTICAL DEL OSC ILOSCOPIO

MÁX·

NOTA: TOOAS LAS OIMENSIONES ESTÁN EN PULGAOAS

Figura 49-1. SCR con montaje de tornillo, GE tipo C20.

Figura 49-4. Fuente de ca que excita un SCR y carga, compuerta abierta.

Característica voltaje-corriente ....... ....... .

CÁTODO

N

P COMPUERTA

N

P

ÁNODO

(a)

(b)

Figura 49-2. a) símbolo de circuito del SCR; b) representación de cuatro capas.

CORRIENTE DE AlTA CON DUCCiÓN

CORRIENTE DE BLOQU E EN INVERSA

CORRIENTE DE MANTENIMIENTO I

~ --~~==~====~~o========t=======~-}----~ I ~ · CORRIENTE I

CORRIENTE "'- VOLTAJE PICO DE AVALANCHA EN INVERSA EN INVERSA

· DE BLOQUEO · EN DIRECTA

VOLTAJE DE TRAN SICIÓN CONDUCTIVA EN DIRECTA

Figura 49-3. Característica voltaje-corriente de un SCR cuya compuerta está abierta.

La figura 49-3 es la característica voltaje-corriente de un SCR cuya compuerta no está conectada (abierta). Cuando el circuito ánodo-cátodo está polarizado en inversa, hay una ligera corriente de fuga en inversa denominada corriente de bloqueo en inversa . Esta corriente permanece pequeña hasta que el voltaje pico en inversa, VROM' se excede. En ese punto comienza la región de avalancha en inversa, y la corriente de fuga se incrementa en forma muy pronunciada. Cuando el SCR está polarizado en directa hay una corriente de fuga en directa pequeña, denominada corriente de bloqueo en directa, la cual permanece pequeña hasta que se alcanza el voltaje de transición conductiva. Ésta es la región de avalancha en directa. En este punto la corriente salta con rapidez al nivel de alta conducción. Aquí la resistencia ánodo-cátodo del SCR se hace muy pequeña, y el SCR actúa como un interruptor cerrado. En esta región de alta conducción en directa el voltaje a través del SCR cae a un valor muy bajo, y pese a todos los intentos y propósitos la fuente de voltaje aparece casi completa a través de la carga, la cual está en serie con el rectificador (figura 49-4). Ésta es la resistencia de la carga externa que, entonces, debe limitar la corriente a través del SCR y mantenerlo dentro de los valores nominales del SCR. Los dos estados de operación del rectificador controlado de silicio corresponden a los dos estados de un interruptor encendido-apagado. Cuando el voltaje aplicado está por debajo del punto de transición conductiva, el interruptor está APAGADO . Cuando el voltaje se incrementa a un valor igualo mayor al del voltaje de transición conductiva, el rectificador se ENCIENDE. El rectificador permanece ENCENDIDO, esto es, en su estado de alta corriente, mientras la corriente esté por arriba de un cierto valor denominado corriente de "mantenimiento". Cuando el voltaje a través del rectificador cae a un valor muy bajo para sostener la corriente de mantenimiento, el rectificador se apaga.


R E

eT

1F 1e A

ooR eoNT

ROL A

oo oE

SIL 1 e 1 o

(S

e

R)

341

Valores nominales del SCR ................... . Para asegurar la operación sin problemas, no se deben exceder los valores nominales máximos del fabricante. El daño permanente al rectificador puede resultar si se intenta la operación más allá de estos valores nominales. Los valores nominales del SCR incluyen PFV I VBRFl VBRF1

Figura 49-5. Efecto de la corriente de compuerta sobre el nivel de voltaje de transición conductiva en directa.

PGM P Gprom

Control de compuerta del voltaje de transición conductiva en directa ........... .

VGRM T " lm(l{:

IF

Cuando la unión compuerta-cátodo está polarizada en directa, el rectificador se enciende a un nivel de voltaje de ánodo inferior al que se tiene con la compuerta abierta. Esto es, el valor del voltaje de transición conductiva en directa se reduce con polarización en directa. Esto es evidente a partir de las curvas características en la figura 49-5. El voltaje de transición conductiva en directa máximo, V BRFO , se presenta cuando la compuerta está abierta; esto es, cuando la corriente de compuerta leo = O. Cuando hay corriente de compuerta en el nivel de [Gl' el voltaje de transición conductiva en directa, V BRFl , es inferior a V BRFO ' De manera similar, V BRF2 , que está determinado por IG2, la cual es mayor a IGl' es inferior a V BRFl , y V BRF3 es inferior a V BRF2 . A medida que la corriente de compuerta se incrementa, el SeR empieza a actuar como rectificador de silicio ordinario. Después de que el SCR se enciende mediante la corriente de compuerta, la compuerta pierde control, y al reducir la corriente de compuerta no ·tiene efecto sobre la corriente de ánodo. El SCR permanece encendido hasta que el voltaje de directa del ánodo se remueve o el nivel de voltaje de directa de ánodo está por abajo del que se requiere pai-a sostener la corriente de mantenimiento. Cuando la fuente del ánodo es corriente alterna, el rectificador se apaga durante el semicicJo negativo, cuando el ánodo-cátodo está polarizado en inversa. Debido a que éstos se controlan mediante la polarización de la compuerta en directa, los rectificadores controlados de silicio operan por abajo del punto máximo de transición conductiva en directa. El circuito de compuerta se especifica por su disipación de potencia y las capacidades del voltaje de compuerta en directa y en inversa.

voltaje pico repetitivo en directa con la compuerta abierta valor rms de la corriente en directa para el estado de ENCENDIDO valor rms promedio de la corriente en directa para el estado de ENCENDIDO voltaje pico en inversa con la compuerta abierta disipación de potencia pico en la compuerta disipación de potencia promedio en la compuerta voltaje pico inverso en la compuerta temperatura de almacenamiento temperatura de operación en la unión

SCR usado como rectificador ................ . Los rectificadores controlados de silicio son muy útiles en circuitos de ca donde éstos pueden servir como rectificadores cuya corriente de salida se puede controlar mediante el control de la corriente de compuerta. Un ejemplo de este tipo de aplicación es el uso de SCR para operar y controlar motores de cd o cualquier carga de cd a partir de una fuente de ca. En relación con la figura 49-4, en este circuito el SCR está conectado como rectificador de media onda que suministra corriente a R L . La compuerta está abierta. El SCR se enciende cuando se alcanza el voltaje de transición conductiva en directa, en el punto VBRO sobre el semicicJo positivo de la onda senoidal aplicada. Durante el intervalo de VBRO hasta Vx el SCR conduce. Cuando el voltaje del ánodo cae hasta Vx, elcual está por debajo del potencial de corriente de mantenimiento, el SCR se apaga. Éste permanece apagado durante el semicicJo negativo. La corriente fluye a través de la carga durante el intervalo de VBRO hasta V x . El voltaje aplicado, el voltaje de ánodo a cátodo, el voltaje de carga y las formas de onda de corriente que se observan en el circuito se muestran en la figura 49-6. En la figura 49-7 el voltaje V BROl , en el cual el SCR se enciende, está controlado por la corriente de compuerta, la cual, a su vez, está determinada por el valor fijado de VGG' la corriente de la fuente de la compuerta, y R2 . El VBRO! es más pequeño que el VBRO' Por 10 tanto, el periodo durante el cual la carga toma corriente, VBRO hasta V x, se incrementa,


342

EX PER IM ENTO

VOLTAJE DE ALIMENTACiÓN DEL ÁNODO

4 9

Or-----~------~~--------------~

VOLTAJE DE CARGA

VOLTAJ E ÁNODO CÁTODO

Figura 47-8. SeR controlado por la corriente de compuerta en ca.

VOLTAJE DE CARGA Y

CORRIENTE DE CARGA O '--____...J _ _ __ __ _----L_________________

Figura 49-6. Formas de onda en el circuito del SeR.

y se entrega más corriente del rectificador a la carga. El periodo de conducción se puede incrementar mediante el aumento de la corriente de la compuerta más allá del nivel del ejemplo anterior. Observe que la corriente de compuerta puede ser y es relativamente baja comparada con la corriente de ánodo. En el circuito de la figura 49-7 se usa un miliamperímetro, M 2 , para medir la corriente de control de la compuerta. La corriente de carga promedio a través de R¿ puede ser de varios ampers, según la amplitud del voltaje aplicado y la magnitud de la R¿- No obstante, la corriente del ánodo promedio no deberá exceder la corriente del ánodo promedio nominal del rectificador.

El control de la corriente del ánodo mediante la corriente de compuerta en cd se ilustra en la figura 49-7. El circuito de la figura 49-8 describe el control mediante ca, el cual se emplea con más frecuencia que el control mediante cd. En este circuito el voltaje de ánodo a cátodo para el SeR lo suministra el secundario de alto voltaje del transformador, T. La corriente de compuerta la entrega el devanado secundario de bajo voltaje. El reóstato, R 2 , se usa para ajustar el nivel de la corriente de compuerta, por lo tanto, el periodo de conducción del SeR. Si la resistencia de carga, R¿, se reemplaza por un foco o un banco de bombillas, el circuito de la figura 49-8 podría servir como reductor de intensidad de luz (dimmer) . NOTA: para una carga grande se deberá emplear un rectificador de onda completa en lugar de uno de media onda. Un rectificador controlado de onda completa requerirá dos o más SeR. ADVERTENCIA : no se debe exceder el voltaje de compuerta pico en inversa.

~~

~

VOLTAJE

DE CARGA

c

Figura 49-7. El voltaje al cual se enciende el SeR está controlado por la corriente de compuerta en cd.


RECTIFICADOR

RESUMEN

1.

2.

3. 4. 5. 6.

7.

8.

9.

10.

11 .

CONTROLADO

DE

SILICIO

(SCR)

343

AUTOEVALUACIÓN

•...•••.••••..••.•.•••..........•..

El rectificador controlado de silicio (SCR) es un rectificador de estado sólido NPNP de cuatro capas que contiene un ánodo, un cátodo y una compuerta. A diferencia de un diodo rectificador, el SCR no conducirá a través de su ánodo-cátodo polarizado en directa hasta que el voltaje del ánodo iguale o exceda el valor denominado voltaje de transición conductiva en directa (VBRF) ' El voltaje de transición conductiva se puede controlar mediante el valor de la corriente de compuerta. Los SCR varían desde dispositivos de baja corriente hasta los de alta corriente. Las características voltaje-corriente en directa y en inversa de un SCR se muestran en la figura 49-3. El voltaje de transición conductiva en directa se afecta por el nivel de corriente de compuerta. La figura 49-5 ilustra que a medida que la corriente de compuerta aumenta, el VBRF disminuye; esto es, el voltaje ánodocátodo en directa requerido para encender el SCR se reduce. Después de que un SCR se activa, la compuerta pierde el control. ASÍ, aumentar o disminuir la corriente de compuerta no afectará la corriente del ánodo. Por lo tanto, un SCR es como un interruptor de encendido-apagado. Cuando éste se activa, está ENCENDIDO; de otro modo, está APAGADO. El SCR se puede conectar como rectificador que suministra corriente en cd sin filtrar una carga como en la figura 49-7 . AquÍ la corriente de la compuerta en cd controla el punto de activación o disparo. La figura 49-6 muestra las formas de onda que se verán en este circuito. El punto de disparo de un SCR también se puede controlar mediante la corriente de la compuerta en ca, como en el circuito de la figura 49-8. Si en este circuito la carga fuera un foco, al variar R 2 la corriente de control de la compuerta deberá afectar la brillantez de la bombilla. Este circuito se puede usar, por lo tanto, como un circuito reductor de intensidad de luz. El SCR se usa en electrónica para suministrar corriente rectificada a una carga. El nivel de corriente rectificada está determinado por la elección de la corriente de control de la compuerta y los parámetros del circuito.

Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas. 1.

2.

3. 4.

5.

6.

7.

8. 9.

10.

Un SCR es un dispositivo más versátil que un diodo rectificador de silicio debido a que la corriente del ánodo se puede controlar mediante el nivel de la corriente de __________ El voltaje de transición conductiva en directa (VBRF) de un SCR en particular es de 150 V, de ánodo a cátodo, cuando hay una corriente de compuerta de 1.5 mA. Si la corriente de compuerta se incrementa a 2.5 mA, el voltaje de transición conductiva en directa se hará _ _ _ _ _ _ _ _ _ (superior, inferior) a 150 V. Un SCR se puede usar como un ________ de corriente alterna. Una vez que un SCR se dispara permanece ENCENDIDO hasta que el voltaje del ánodo en directa se _ _______ , o hasta que el nivel del voltaje del ánodo en directa está por debajo del requerido para sostener la corriente de mantenimiento. Cuando la fuente del ánodo de un SCR es voltaje de alterna, el rectificador se durante el semiciclo negativo. En la figura 49-6 el punto sobre la forma de onda del voltaje de ánodo a cátodo en el que el SCR se dispara es . Éste permanece conduciendo hasta que el voltaje de ánodo a cátodo en ________ se alcanza, cuando éste se apaga. La forma de onda de la corriente en la figura 49-6 muestra que la corriente de carga permanece constante durante el tiempo que el SCR está ENCENDIDO. _ _ _ _ _ _ _ _ (verdadero, falso) La fuente de corriente de compuerta de un SCR puede ser 0 _ _ _ _ _ __ El voltaje de polarización en directa de un SCR, de ánodo a cátodo, es de cd. El ni vel de corriente de la compuerta se ajusta para disparar el SCR. Una vez que éste lo dispara el SCR se puede apagar al reducir la corriente de compuerta. (verdadero,falso) La corriente de mantenimiento es la corriente de _ _ _ _ _ _ __ (compuerta, ánodo) que debe estar por debajo para que el SCR se apague.


344


4 9

PROCEDIMIENTO

............................................................................................................................ MATERIAL

NECESARIO

Fuente de alimentación: fuente de cd de O a 50 V variable regulada. Equipo: osciloscopio de cd; EVM; mili amperímetro de cd de O a 10 mA o un VOM con intervalos equivalentes. Resistores: 200 n, 1 000 n, 5 100 n a Ih W; 500 n a 5 W. Semiconductores: SCR 2N1596, o equivalente, con disipador de calor; lN5625 o equivalente. Otros: transformador de potencia a 120 V en el primario, 25 Val A en el secundario (Triad F-40X o equivalente); potenciómetro de 5 000 n a 2 W; dos interruptores de un polo un tiro. NOTA: el SCR 2N1596 de baja corriente tiene los valores nominales siguientes: corriente de ánodo rms de 1.6 A, corriente de compuerta pico positiva de 100 mA, voltaje de compuerta de ±6 v. Estos valores nominales no se deben exceder. La corriente de compuerta requerida para encender el SCR puede variar mucho. Además, las corrientes de compuerta necesarias para disparar el 2N1596 en el intervalo de voltajes de alimentación de ánodo que el SCR puede manejar, se pueden agrupar de manera muy cercana. La primera parte de este experimento será, por lo tanto, exploratoria. El estudiante determinará la corriente de compuerta requerida para encender el SCR cuando la alimentación al ánodo primero se fije en 15 V de cd, y luego en 40 V de cd. Después de observar las características de disparo del SCR, el lector estudiará las características de rectificación del 2N1596 mediante una alimentación al ánodo de ea. Las técnicas experimentales se explican con cuidado en las siguientes instrucciones. Éstas se deberán seguir de ma-

nera precisa. Observe que cuando se usa una alimentación al ánodo de cd, la única forma de apagar el SCR después de que se dispara es apagar el voltaje de alimentación de ánodo, O reducir la corriente del ánodo por debajo del nivel de la corriente de mantenimiento.

Voltaje de ánodo en cd, corriente de compuerta en cd 1.

2.

Conecte el circuito de la figura 49-9. Los interruptores SI y S2están abiertos. VAA es una fuente de alimentación variable y regulada. Fije VAA en 15 V medidos a través de la fuente de alimentación con SI abierto. No varíe VAA otra vez hasta que las instrucciones lo indiquen. MI mide la corriente del ánodo después de que el SCR se enciende; M2, la corriente de compuerta, y VI' el voltaje de ánodo a cátodo. Cuando el SCR se dispara, el voltaje a través de éste caerá a un valor muy bajo (alrededor de 0.1 a 3 V) Y la corriente del ánodo, lA' estará limitada por VAA Y la magnitud de R¿. Para cuando el SCR ENCIENDE

lA =

VAA

--

R¿

(aproximadamente)

3.

Fije la salida de R2 (control de la corriente de la compuerta) en O V. Cierre SI y S2. ¿Está ENCENDIDO el SCR? _

4.

Ajuste R2 enforma gradual, verificando el valor de la corriente de compuerta, justo en el punto donde el SCR se ENCIENDE.

o 0·100 mA Rl 220n

+

-1

~J

EVM

"l

R2 5kn O-lOmA 1000 n B

·Figura 49-9. Circuito experimental

F

en cd para determinar

.

las características

del SCR.


R E

e

T 1F 1e A

oo

NOTA:si el SCR no se enciende, quizá sea necesario reducir el valor del resistor de 5 100 n en el circuito de la compuerta, o eliminarlo por completo.

5.

6. 7.

Mida y registre en la tabla 49-1, en la columna de intento 1, la corriente de compuerta requerida para encender el SCR. Mida y registre también el voltaje de ánodo, VDF, a través del SCR después de que éste se haya encendido. Mida y registre la corriente del ánodo, lA' después de que el SCR esté ENCENDIDO.

8. 9.

TABLA 49-1. Voltaje de ánodo en cd, corriente de la compuerta en cd

VAA, V

le,mA

VDF, V

lA' mA

Número de intento

10.

R

eo

N T ROL

A

oo o

E

SIL

1e 1o

(S

e

R)

345

Abra SI' Reajuste R2 de modo que el voltaje de compuerta sea de nuevo O V. Repita el paso 4 y anote sus resultados en la columna de intento 2. Repita el paso 5 para el intento 3. Después de que el SCR se dispara, en el paso 6, abra S2' removiendo la corriente de compuerta. Observe y registre en la tabla 49-1 el efecto, si lo hay, sobre la corriente del ánodo, después de que el SCR esté ENCENDIDO, al abrir el interruptor de la compuerta S2' Abra SI' Ahora ambos, SI y S2' están abiertos. Fije VAA en 40 V medidos a través de la fuente de alimentación con SI abierto. Fije R2' el control de la corriente de compuerta, en O V. Cierre S2 y SI' En los tres intentos determine la corriente de compuerta requerida para disparar el SCR, siguiendo el proceso delineado en los pasos 4 y 5. Registre sus resultados en la tabla 49-1. Repita el paso 7 después del tercer intento.

1 2

15

3

40

1

Control de la compuerta en cd y la fuente del ánodo en ea

2

11.

3 Efecto sobre la corriente del ánodo, después de que el SCR está ENCENDIDO, al abrir el interruptor de la compuerta S2: Paso 7 _ Paso 10 _

12.

Conecte el circuito de la figura 49-10. SI y S2 están APAGADOS (CERRADOS). T es el transformador de potencia que se usó en los primeros experimentos de fuentes de alimentación. Fije Vee, la alimentación de la compuerta en cd, en 6 V. SI cerrado; S2 permanece abierto. Fije el osciloscopio en línea disparo/sincronización. Observe la forma de onda de A a C. Ajuste los controles del osciloscopio

A S1

e Figura 49-10. Circuito experimental

para el control de compuerta

en cd.


.

346


4 9

TABLA 49-2. Fuente del ánodo en ea, control de la compuerta

Número de la forma de onda Referencia

r

Forma de onda

<, <, ./

en cd

VOllS, pico positivo

IvmA

Ic,mA

Ángulo de conducción

X

X

X

1 (máx)

2 (mín)

A

e Figura 49-11. Circuito experimental

13.

de ea para el control de la compuerta

hasta que esta forma de onda de referencia aparezca como en la tabla 49-2. Mida y registre en la tabla 49-2 su voltaje pico a pico. Observe la forma de onda a través del SCR, puntos B y C. Ésta deberá ser la misma que la forma de onda de referencia mientras el SCR esté APAGADO. Cuando el SCR esté ENCENDIDO, la forma de onda del voltaje de ánodo a cátodo (figura 49-6) aparecerá en el osciloscopio. Cierre S2' Varíe poco a poco R2, el control de la corriente de compuerta, sobre su intervalo completo y observe el efecto sobre la forma de onda del ánodo al cátodo (VBC)' En la tabla 49-2 dibuje en la fase apropiada con VBC como referencia para el periodo de conducción máxima (forma de onda 1) y para el periodo de conducción mínima (forma de onda 2). Mida para cada uno la amplitud del pico positivo de la forma de onda, la corriente de carga, h, la corriente de la compuerta, le, Yel ángulo de conducción (duración en grados del intervalo de encendido en cualquier ciclo completo). Registre los datos en la tabla 49-2.

en ea.

Control de la compuerta en ea y fuente del ánodo en ea 14.

15.

16.

.

Desenergizar, Modifique el circuito experimental anterior para conformar el circuito de la figura 49-11. Observe que se usa una fuente de ea en la compuerta, rectificada de modo que en ella aparecen los semiciclos positivos. Energizar. Con el osciloscopio conectado a través del resistor de carga (VBC) observe la forma de onda del voltaje de carga a medida que R2, el control de la corriente de la compuerta, varía desde el mínimo hasta el máximo. Registre en la tabla 49-3 los ángulos de conducción mínimo y máximo, y las forma de onda correspondientes en la carga. En la tabla 49-3 registre también los valores medidos de la corriente de compuerta, fe, Y la corriente de carga, Iv para los ángulos de conducción mínimo y máximo.


R E

e

T 1F 1e A

TABLA 49-3. Fuente del ánodo en ea, control de la compuerta

Número de la forma de onda Referencia

,r-,

./

R

e oN

T ROL

A

oo oE

SIL

1e 1o

(S

e

R)

347

en ea

Ángulo de conducción en grados

Forma de onda

/

oo

Vpp

X

Iv mA

1G' mA

X

X

Máximo (1)

Mínimo (2)

PREGUNTAS l.

2.

3.

4.

Después de encender el rectificador, ¿qué efecto tuvo la alimentación de voltaje al ánodo sobre la corriente delánodo? ¿Cómo afectará la magnitud de la resistencia de carga el nivel de la corriente de carga en el circuito de la figura 49-9? ¿Cómo varía el voltaje de transición conductiva en directa con la corriente de polarización? Refiera específicamente sus datos para confirmar su respuesta. ¿Cómo varía la corriente de carga con el ángulo de conducción? Refiera sus datos en la tabla 49-2.

5.

6.

7.

Con base en la forma de onda 1, tabla 49-2, identifique el punto de voltaje de transición conductiva en directa. ¿Qué arreglo de disparo/sincronización en este experimento hace posible que observe las formas de onda con la fase y los tiempos apropiados con la forma de onda de referencia? Compare la efectividad de la fuente de disparo de la compuerta en cd contra la de ea sobre el control de la corriente del ánodo en este experimento.



EXPERIMENTO

~

TRANSISTOR DE UNIJUNTURA (UJT)


Existen diversas técnicas para disparar un SCR. Así, se ha experimentado con la corriente de la compuerta en cd con una fuente senoidal de ca en la compuerta. En el diseño de una fuente de disparo se deben considerar estos factores : una fuente de baja potencia puede causar el disparo errático del SCR; una fuente de alta potencia, mientras que asegura el encendido consistente del SCR, puede sobrecalentar la compuerta y causar que ésta se destruya por calentamiento. Una solución ideal sugiere el disparo del SCR mediante pulsos agudos, de alta potencia y corta duración, cuya potencia pico y promedio no excedan las capacidades de potencia de la compuerta del SCR para las que está diseñada. El transistor de unijuntura (UJT) con frecuencia se emplea como fuente de disparo, puesto que puede generar los pulsos requeridos.

Características del UJT ........................................ . La figura 50-1 es el símbolo del circuito para este dispositivo de estado sólido de tres terminales que muestra el emisor, E, y las dos bases, BI y B 2 . En la figura 50-2 aparece un circuito equivalente simplificado de un UJT. La unión PN de emisor a base se muestra como un diodo DI' La resistencia de interbase, R 88 , de la barra de silicio tipo N aparece como dos resistores, R81 y R 82 , donde R88 es igual a la suma de R81 y R 82 . El dopado y geometría de la barra determinan esta resistencia de interbase, la cual, para e12N2160, está en el intervalo de 4 000 a 12000 D . Cuando se permite que fluya corrien-


350


5O

PUNTO PICO E 0------,(.

~ cr:

o(j) ~

w w

o

Figura 50-1. Símbolo de circuitos para el UJT.

w -,

~

:....J

o

>

r---------

i

I B2

I

PUNTO VALLE

Vv - - - ~-~_-.:.:.:;;:.:....---¡-

82

Iv

t

50mA

CORRIENTE DE EMISOR (lE)

Eo-~~--~I--~~--._----O

Figura 50-3. Curva característica estática del emisor que muestra los parámetros importantes (General Electric) .

8,

Figura 50-2. Circuito equivalente simplificado para el UJT.

te del emisor a la base 1 y el UJT está encendido, la resistencia R81 decrece en forma pronunciada. La resistencia R81 varía inversamente con la corriente de emisor. Puesto que la conductividad de R B1 es una función de la corriente de emisor, la variación de la resistencia de R81 que causan los cambios en la corriente de emisor se denomina modulación de conductividad. Cuando no hay corriente de emisor, lE' el voltaje, VABI , del punto A al punto BI se puede escribir como VABI

=

RBI

VBB X RBI

+ R B2

= VBB

RBI X RBB

(50.1)

donde VBB es el voltaje interbase. R81 es la resistencia de la base 1 y RBB , la resistencia interbase. El cociente RB¡lR BB se denomina relación intrínseca de separación del transistor de unijuntura y se designa mediante la letra griega TI (eta). La ecuación (50.1) puede entonces escribirse como (50.2) La relación TI está determinada por la geometría del UJT y depende del espacio entre la unión del emisor y los contactos de las dos bases. El valor de TI está en el intervalo de 0.51 a 0.81. Si el voltaje de polarización, VE' es menor a T] X V BB ' la unión de emisor a la base 1 está polarizada en inversa y no hay corriente de emisor, lE' excepto la corriente de fuga del

emisor en inversa. Cuando el voltaje aplicado, VE' es mayor a TI X VBB ' la unión del emisor a la base 1 está polarizada en directa, y fluirá corriente por el emisor. La característica de conductividad del emisor es tal que, a medida que lE aumenta, el voltaje de emisor a base 1 disminuye, como se observa a partir de la curva característica del emisor en la figura 50-3. En el "punto pico", Vp , y en el "punto valle", Vv' la pendiente de la curva característica del emisor es O. En los puntos a la izquierda de Vp , la unión del emisor a la base 1 está polarizada en inversa y no hay corriente de emisor. Ésta se denomina región de corte. Para los puntos a la derecha de Vp , la unión del emisor a la base 1 está polarizada en directa y hay lE. Entre Vp y V v' un incremento en lE está acompañado por la reducción del voltaje en el emisor, VE. Ésta es la región de resistencia negativa del UJT. Más allá del punto valle, V v' un aumento en lE est~ acompañado por un incremento en VE. La región a la derecha de V v se conoce como región de saturación. El voltaje del punto pico, Vp , está dado por la ecuación (50.3) el Vp es dependiente del voltaje interbase, VBB , y del voltaje en directa, VD' a través del diodo del emisor a la base. El VD varía inversamente con la temperatura. La estabilización de Vp se alcanza en parte mediante la conexión de un resistor pequeño, R 2 , en serie con la base 2, como en el circuito de la f~gura 50-4. En éste R I , RBB y R 2 constituyen un divisor de voltaje. Debido a que la resistencia interbase, R BB , aumenta con un incremento en la temperatura del UJT, el voltaje, VBB , también aumentará con un incremento en la temperatura. Si el valor de R 2 se elige de manera apropiada, el incremento en el voltaje interbase compensará el decre-


T RA N S [ S T O R

+ ~V,

R,

Figura 50-4. Circuito de estabilización

y polarización

para un UJT.

mento en VD' El valor apropiado de R2 para alcanzar la estabilización está dado en forma aproximada por la ecuación R

2

==

0.7 RBB T)

+

V¡

(1 -

T))R¡

U N [JU N T U R A

(U J T)

351

taje, VB¡ (figura 50-5b), el cual se puede aplicar como pulso de disparo a la compuerta del SCR para encenderlo. La operación del circuito es como sigue: cuando el interruptor S¡ se cierra por primera vez, aplicando potencia al circuito, el capacitar, CT, empieza a cargarse en forma exponencial a través de RT al aplicar el voltaje, VI' El voltaje a través de CT es el voltaje VE aplicado al emisor del UfT"> Cuando C¡ se carga al voltaje del punto pico, Vp, del UJT, el UJT se enciende, disminuyendo en gran medida la resistencia efectiva, RB¡, entre el emisor y la base 1. Un pulso- agudo de corriente, lE (limitado sólo por R¡) fluye desde la base 1 hacia el emisor, descargando a CT. Cuando el voltaje a través de CT decae casi 2 V, el UJT se apaga y el ciclo se repite. Las formas de onda en la figura 50-5b) ilustran un voltaje de diente de sierra, VE' que generan la carga de CT y el pulso de salida, VB¡, desarrollado a través de R iVB¡ es el pulso que se aplicará a la compuerta de un SCR para dispararlo. La frecuencia, f, del oscilador de relajación depende de la constante de tiempo, CTRT, y de las características del UJT. Para valores de R¡ :5 100 n, el periodo de oscilación, T, está dado en forma aproximada por la ecuación

R2 E

D E

(50.4)

T)

1 1 T=- = RrCT1n--

(50.5)

La figura 50-4 muestra un circuito típico para la polarización y estabilización de un UJT. A fin de que el UJT se encienda, el voltaje, VE' aplicado al emisor debe ser al menos igual al voltaje del punto pico, Vp, y la corriente de emisor, lE' debe ser mayor a la corriente del punto pico, lp.

El valor de RT está limitado al intervalo de 3 000 n a 3 Mil. El voltaje de alimentación, V¡, que se usa en general está en el intervalo de 10 a 35 V.

UJT conectado como oscllador de ., re lal aJaclon

seR disparado mediante un oscilador de relajación a base de un UJT .

.

El UJT, conectado como oscilador de relajación según muestra la figura 50-5a), genera una forma de onda de vol-

s,

2V

o-L-------r;------+-r

Ve,

(a)

Figura

50-5. Oscilador de relajación

I I I

I I I

I

I

'--__k

...J

(b)

con un UJT.

f

1-T)

En el circuito experimental de la figura 50-6 los pulsos desarrollados a través de R ¡, en la base 1 del UJT, se usan para disparar el SCR, como en el circuito de la figura 50-7. El UJT está conectado como oscilador de relajación. La frecuencia del voltaje de diente de sierra desarrollado a través de C está determinado por la constante de tiempo, R4C. R4 es variable, de modo que la temporización de los pulsos de disparo, desarrollados a través de R ¡, se puede ajustar para controlar el disparo del SCR en diferentes puntos sobre la onda de entrada pulsante al ánodo. El hecho de que la ea rectificada de onda completa (cd pulsante) se emplee como fuente de potencia para el SCR, más que una entrada senoidal pura, duplica la capacidad de corriente de carga del circuito, debido a que este arreglo elimina el medio ciclo durante el semiciclo negativo cuando el SCR debiera normalmente estar en corte. Sin embargo, la fuente de cd pulsante permite que el SCR se apague cuando el voltaje del ánodo se reduce por debajo del nivel de mantenimiento del rectificador controlado.


352


5 O

desarrolladas en e se presentan en grupos en una frecuencia recurrente que es la misma de la fuente de ca rectificada de onda completa. De esta manera, aunque la frecuencia básica del oscilador está determinada aún por la constante de tiempo, R 4 e, la frecuencia recurrente del pulso está fija por la fuente de potencia. En esta forma, la señal rectificada de onda completa, que se obtiene a partir de una fuente de rectificación apropiada, suministra potencia al SCR y sincronización al circuito de disparo.

+ 25 V

RESUMEN

1.

2. Figura 50-6. Oscilador de relajación experimental.

3. 4. De interés especial es el arreglo del resistor R3 y el diodo Zener ZI. El Zener recorta las crestas de los semiciclos positivos y proporciona un nivel de voltaje relativamente estable al que el capacitor, C, se puede cargar a través del resistor R4. El voltaje de cd puro no se puede usar como nivel de cargado para el capacitor, C, en este oscilador de relajación, dado que la frecuencia de la salida de pulsos del UJT no estaría sincronizada a la frecuencia de la cd pulsante aplicada al SCR. Los semiciclos positivos achatados en la parte superior, a los que se carga e, efectúan la sincronización debido a que las formas de onda de diente de sierra

5.

El circuito equivalente de un UJT (figura 50-2) muestra una unión PN como la de un diodo, la resistencia R B2 de la base 2 y la resistencia RBI de la base 1. La suma de R BI y R B2 se conoce como resistencia de interbase, R BB . Cuando se permite que la corriente lE fluya del emisor a la base 1, el UJT está encendido. La figura 50-3 es la curva característica del emisor para un UJT. A fin de estabilizar en cd al UJT, se debe conectar un pequeño resistor R 2 en el circuito de B 2 (figura 50-4). El UJT, conectado como en la figura 50-5, se enciende mediante un voltaje creciente a través del capacitor, er , cargándose hacia VI a través de Rr. Cuando el voltaje a través de er sube hasta el nivel de encendido del UJT, éste demanda corriente y la corriente del emisor descarga al capacitor, er . Cuando el voltaje en el emisor cae hasta 2 V (aproximadamente), el UJT se apaga. er se empieza a cargar de nuevo y el ciclo de encendido y apagado se repite. Este circuito es un oscilador de relajación a base de un UJT.

N\

VOLTAJE DE CA RECTIFICADO MEDIANTE UN DISPOSITIVO DE ONDA COMPLETA

z,

Figura 50-7. SeR disparado mediante un UJT.


T R A N S 1S T

6.

7.

8.

Los pulsos de corriente a través de Rl en el circuito de la figura 50-5 generan espigas de voltaje positivas que se usan para disparar un SeR (figura 50-7). La resistencia R4 en el circuito de la figura 50-7 es variable para cambiar la frecuencia del oscilador. De esta manera es posible cambiar el punto de disparo y, por lo tanto, el ángulo de conducción del SeR. La operación del circuito limita R4 al intervalo de 3 ooo.n a 3 Mn (aproximadamente).

3.

4.

5. 6.

AUTOEVALUACIÓN

....•..............................

7.

Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas.

8.

l.

2.

El UJT se puede encender sólo cuando la unión del emisor a la base 1 está polarizada en _ _ _ _ __ (directa, inversa). En el circuito equivalente del UJT que ilustra la figura 50-2, RB1 = 3500 n, RBB = 6000 n y VBB = 10 V.

oR

D E

U N 1 J U N T U R A (U J T)

353

El voltaje de emisor requerido para encender el UJT debe ser mayor de V. En la gráfica de la figura 50-3 el punto pico, Vp , es el punto en el que la corriente de emisor, lE, es máxima _ _ _ _ _ _ _ _ _ (verdadero,falso). En la gráfica de la figura 50-5 el UJT se encenderá cuando el voltaje a través del capacitor, CT , alcance el valor de V. En la figura 50-5 el resistor de carga es _ _ _ _ _ y el resistor de estabilización,_ _ _ _ _ _ __ En la operación apropiada del oscilador de relajación a base de un UJT, el voltaje a través del capacitor, CT , es un(a) (diente de sierra, espiga positiva). A fin de cambiar la frecuencia del oscilador de relajación experimental en la figura 50-6, se debe variar Mediante la variación de R4 en el circuito de la figura 50-7 se puede el tiempo de conducción del SeR.


354


5O

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO ~llente

2.

El interruptor de barrido horizontal del osciloscopio está situado en "ExC. Calibre el amplificador vertical del osciloscopio en 2.5 VIcm, y el amplificador horizontal en 100 m VIcm . Posicione el trazo horizontal de la pantalla en la línea horizontal más baja de la cuadrÍCula. Cierre S2 y fije VBB en 5 V de cd. Cierre SI y ajuste la salida del autotransformador hasta que la deflexión horizontal en el osciloscopio sea 10 cm. (NOTA: esto limita lEa 10 mA, dado que cada centímetro de deflexión horizontal corresponde almA de la corriente del emisor.) Observe el trazo sobre la pantalla y regístrelo en forma gráfica en la tabla 50-1. Marque esta curva con VBB = 5 V. Identifique Vp , el voltaje del punto pico.

de alimentación: fuente de voltaje de cd variable

y regulada; fuente variable de 60 Hz (autotransformador

variable); transformador de aislamiento. Equipo: osciloscopio, mili amperímetro de cd, multímetro digital, oscilador de onda senoidal de AF (audiofrecuencia) calibrado en frecuencia (como una fuente de comparación para verificar la frecuencia). Resistores: 33 n, 100 n, 220 n, 470 n, 1 200 n, 4 700 n a ljz W; 1 000 n a 1 W; 250 n, 5 000 n a 5 W. Capacitores: 0.1 J.LF a 400 V. Semiconductores: SCR 2N1596; UJT 2N2160; 1N4746 (Zener de 18 Val W); cuatro rectificadores de silicio, tipo lN5625 o equivalentes. Otros: dos interruptores de un polo un tiro; transformador, 120 V en primario, 25 Val A en secundario; potenciómetro de 500 000 n a 2 W.

3.

TABLA 50-1 . Curva característica del emisor del UJT

Voltaje del emisor = VE. V

15.0 12.5

Características del emisor (VE contra lE) ... ... .... .. ... .. .... .. ............ ..... .

10.0 7.5

Vea la nota al final del paso 3 antes de proceder.

5.0 l.

Conecte el circuito de la figura 50-8. El autotransformador está enchufado en un transformador de aislamiento. Los interruptores SI y S2 están abiertos. Desenergizar. La salida del autotransformador se fija a O V. La salida de la alimentación de cd se fija a O V, como lo mide el voltímetro V.

2.5

o

o

2

4

3

5

6

Corriente del emisor - lE. mA.

ENTRADA VERTICAL DEL OSCILOSCOPIO

S2

s,

v••

120VA 60 HZ AISLADOS L -_ _

_ -

~

_____

~

_______

7

~

_ _ _ __

TIERRA DEL OSCILOSCOPIO

ENTRADA HORIZONTAL DEL OSCILOSCOPIO (lE)

Figura 50-8. Inicialización de la prueba para mostrar la característica VE contra lE de un UJT.


8

9

10

T R A N S 1S T O R

U N 1J U N T U R A

(U J T)

355

TABLA 50-2. Formas de onda del oscilador de relajación a base de un UJT

la curva que se observa en el osciloscopio puede aparecer invertida, cuando se compara con la de la figura 50-3.

NOTA:

4.

D E

Repita el paso 3 para a) VBB = 10 V, b) VBB = 15 V, c) VBB =20 V. Dibuje e identifique mediante VBB todas las curvas en la tabla 50-1. También identifique el voltaje de punto pico, Vp, para cada curva. Abra S¡ y S2. Desenergizar.

Forma de onda

Paso

6

VE

7

VB¡

Vpp

Frecuencia Hz

VE

8 VBl

si dispone de un trazador de curvas que pueda verificar la respuesta de un UJT, omita los pasos 1, 2, 3 Y 4. En su lugar verifique la respuesta del UJT para VBB = 5 V, 10 V Y 15 V, cada uno a la vez. Dibuje las gráficas en la tabla 50-1. Etiquételas e identifique el voltaje del punto pico, Vp, para cada curva. NOTA:

Oscilador de relajación 5.

6.

7.

8.

9.

.

Conecte el circuito de la figura 50-6. Fije R4 para su resistencia máxima. S¡ está abierto. Ajuste la salida de la fuente de alimentación V¡ para obtener 25 V. Calibre los amplificadores verticales del osciloscopio en cd para tener 5 V/cm. Fije el trazo en la línea horizontal más baja de la cuadrícula. El osciloscopio se debe situar en el barrido por disparo (o funcionamiento libre). Fije R4 en la mitad de su intervalo. Cierre SI' con lo que se aplica potencia al circuito. Conecte la terminal de entrada vertical del osciloscopio a través del capacitor, CT, la terminal positiva en A y la terminal de tierra en B. Dispare/sincronice externamente el osciloscopio con la forma de onda del voltaje VB2 en la base 2. Ajuste los controles de barrido del osciloscopio al menos para dos o tres formas de onda completas. Dibuje y registre la forma de onda, etiquetándola con VE en la tabla 50-2. Mida y anote la amplitud pico a pico de la forma de onda. Mida y registre el nivel de voltaje en el que cae la forma de onda (use todavía los amplificadores verticales en cd del osciloscopio). También mida y registre la frecuencia de la forma de onda. Observe la forma de onda VB¡ en la base 1. Dibújela en la tabla 50-2 con la fase y tiempos apropiados con la forma de onda de VE. También mida y registre su amplitud pico a pico. Ajuste R4 a su resistencia mínima. Observe y anote las formas de onda VE y VB¡; mida y registre en la tabla 50-2 su amplitud pico a pico y la frecuencia como en los pasos 6 y 7. Ajuste R4 a la mitad de su resistencia total y repita el paso 7. Desenergizar.

VE

9 VB¡

Disparado de un SeR mediante un UJT 10.

11.

12.

13.

14.

15.

.

Conecte el circuito de la figura 50-9. T es el transformador reductor de voltaje (120 V en el primario, 25 V con derivación central en el secundario). Cierre SI. Energizar. Calibre los amplificadores verticales de su osciloscopio en 10 y 3 V/cm. Con el osciloscopio situado en disparo/sincronización en línea o sincronizado externamente por el voltaje del punto A en el secundario de T, observe la forma de onda, VAB, a través del secundario de T, la terminal vertical del oscilo scopio en el punto A, Y la terminal horizontal en el punto B. Ajuste los controles de barrido, disparo/sincronización y centrado hasta que la forma de onda de referencia aparezca como en la tabla 50-3. Mida y anote en la tabla 50-3 la amplitud pico a pico de la forma de onda. Observe, mida y registre en la tabla 50-3, con la fase y tiempos apropiados con la referencia, las formas de onda VCD y VFD· Con R4 situado en su mínimo valor (resistencia cero) observe, mida y anote en la tabla 50-3 la forma de onda V¡D, con la fase y tiempos apropiados con la referencia. Mida en el mili amperímetro M¡ y registre la corriente de carga, IF. Varíe R4 sobre su intervalo completo. Observe el efecto en la corriente de carga y en la forma de onda de la carga. Con R4 situado en su resistencia máxima, observe, mida y registre en la tabla 50-3 la forma de onda V¡D y la corriente de carga.


356

E X P E R [ M EN T O

5O

0-100 mA A

S,

r--------'+-{

T

M, }----------,

120~11

r, O2 2N1596

R, 33U

o Figura 50-9. Disparador


a base de un UJT experimental

que controla el disparo del SCR.

en el circuito de disparo a base de un UJT para un' SCR

Corriente de carga, Paso

Condición

Puntos de prueba

11

X

AB

12

X

CD

Vpp

Forma de onda

/

<,

1'...

./

mA X

X FD

13

15

R4 = O

R4 = 500,000

iD

.n

iD


T R A N S 1S T O R

o

E

U N 1J U N T U R A

(U J T)

357

PREGUNTAS ¿Cuáles son las características deseables para una fuente de disparo de la compuerta de un SCR? 2. ¿La fuente de disparo senoidal desfasada de la compuerta alcanza las características que listó en la respuesta a la pregunta 1? Si no es así, explique por qué. 3. Dibuje el diagrama del circuito a base de un UJT que se pueda usar como disparador de compuerta. 4. Explique cómo opera el circuito en la respuesta de la pregunta 3. 5. Suponga que el circuito de la figura 50-5 actúa como fuente de disparado de compuerta para un SCR. El circuito de ánodo a cátodo del SCR está alimentado por una fuente senoidal de 60 Hz. ¿Qué problema, si existe, observa con un voltaje de cd para disparar la compuerta y una onda senoidal de 60 Hz para el circuito de ánodo a cátodo del SCR? 1.

6.

¿Sería posible alcanzar el control de 180 (aproximadamente) de un SCR mediante un circuito de disparo a base de un UJT? Si es así, explique por qué. 7. Explique en detalle, con las formas de onda, la operación del circuito experimental de la figura 50-6. 8. ¿Qué relación, si existe, hay entre la resistencia R4 en el circuito de la figura 50-6 y la frecuencia de la forma de onda de la salida? Mencione sus datos experimentales en la tabla 50-2 para confirmar su respuesta. 9. ¿Qué relación, si existe, hay entre la resistencia R4 en el circuito de la figura 50-9 y el ángulo de conducción del SCR? Refiera sus datos experimentales en la tabla 50-3 para confirmar su respuesta. 10. A partir de sus mediciones en la tabla 50-3, ¿cuál es el voltaje aproximado del Zener para Z, ?


0


EXPERIMENTO

~

CARACTERíSTICAS DE UN TUBO DE RAYOS CATÓDICOS (CRT)


Los tubos de rayos catódicos (CRT, cathode-ray tubes) se construyen en forma especial en tubos al vacío que actúan como indicadores visuales de voltajes eléctricos. Existen diversos tipos de CRT que exhiben una amplia variedad de características físicas y eléctricas. El diámetro del exhibidor, o "pantalla", varía desde 1 hasta 30 pulgadas y la longitud del tubo, desde 3 hasta 29 pulgadas. Los voltajes de operación (aceleración de electrones) pueden variar desde 500 hasta 33 000 V. Los tubos de rayos catódicos sepuede enfocar y deflexionar electrostática o electromagnéticamente, y pueden servir como tubos de "imagen", pantalla de osciloscopio, pantalla de radar, o en muchas más aplicaciones. Es importante, por lo tanto, que el técnico comprenda la operación de un CRT.

Construcción ........... ........................................... . Un CRT deflexionado electrostáticamente consta de un envolvente exterior, o tubo; un vidrio frontal, o pantalla, cuya superficie interna está cubierta de fósforo; un conjunto de cañón de electrones soportado rígidamente en el interior del cuello de la envolvente; placas de deflexión, y una base del tubo en la que se conectan todos los elementos que están dentro del CRT (figura 51-1). En general, el tubo es todo de vidrio . . Los CRT deflexionados electromagnéticamente se construyen de manera similar, excepto que éstos no tienen placas de deflexión. Además, aunque


360

E X P E R1M EN TO

5 1

PANTALLA DE FÓSFORO

BASE

CAfJÓN DE ELECTRONES

REJILLA DE CONTROL

CÁTODO

PLACAS DE DEFLEXIÓN

PRIMER ÁNODO

SEGUNDO ÁNODO

Figura 51-1 . CRT deflexionado electrostáticamente.

Figura 51-2. Cañón de electrones en un CRT deflexionado electrostáticamente.

la envolvente la mayoría de las veces es de vidrio, en ocasiones se usan conos metálicos. Debido a su magnitud y a que la envolvente está al vacío, los CRT presentan problemas de seguridad especiales y, por lo tanto, requieren cuidado especial en su manejo. La presión en la parte frontal del CRT es proporcional al área superficial. De esta manera, al nivel del mar la presión en la pantalla de un CRT redondo de 21 pulgadas (diámetro) es de unas 2 toneladas. Para soportar esta tremenda presión (no hay presión que contrarreste a la presión atmosférica en la envolvente) se usa un vidrio muy pesado para la parte frontal. El tubo se debe proteger contra la implosión, debido a que el efecto de ésta es el mismo que el de una explosión. Los pedazos de vidrio despedidos por una implosión pueden causar graves daños o heridas e incluso la muerte. Por esta razón el CRT se debe manejar con sumo cuidado. El tubo no se debe golpear, rasguñar o agitar. Se recomienda el uso de goggles resistentes a la ruptura en el manejo de tubos de imagen. Los voltajes requeridos para acelerar el haz de electrones en un CRT son mucho más altos que los de cualquier otra circuitería electrónica. Éste es, entonces, otro factor que el técnico debe considerar cuando trabaja con el CRT o sus circuitos asociados.

segundo ánodo de aceleración (figura 51-2). El cátodo calentado emite una corriente de electrones, cuya densidad (número de electrones) se controla mediante el voltaje de polarización entre la rejilla de control y el cátodo. El voltaje en el primer ánodo se usa para enfocar el haz. El voltaje en el segundo ánodo, altamente positivo con respecto al cátodo, acelera el haz de electrones. El cátodo es cilíndrico y termina en una pequeña placa cubierta de óxidos de bario y estroncio para proporcionar un suministro abundante de electrones. Alrededor del cátodo está la rejilla de control y el cilindro con una leve abertura en su centro, una abertura más pequeña que el emisor del cátodo. Otro cilindro, el primer ánodo de enfoque, está alineado con la rejilla de control frente a ella. También existen pequeñas aberturas en los desviadores al centro del ánodo de enfoque. El segundo ánodo de aceleración está después del primero y también contiene dos desviadores, cada uno con una pequeña abertura al centro. Todo este arreglo, se alinea de modo que las aberturas son colineales, y están montadas rígidamente en el cuello del CRT. En ausencia de voltajes de deflexión o de placas de deflexión, el cañón de electrones se alinea de manera que el haz de electrones incidirá cerca del centro de la pantalla.

Deflexión electrostática ........................ . Cañón de electrones ............................ . El propósito del cañón de electrones es formar un haz de electrones bien enfocado y acelerarlo en dirección de la pantalla de fósforo . Con el impacto del haz, el fósforo despide una luz (fluorescente) . Un haz agudamente enfocado hará que aparezca un pequeño punto brillante de luz en la pantalla. El cañón de electrones en un CRT enfocado electrostáticamente consta de un cátodo calentado de manera indirecta; una rejilla de control; un primer ánodo de enfoque, y un

Los electrones cargados negativamente son atraídos por una fuente de voltaje positiva y repelidos por una fuente de voltaje negativa. Por lo tanto, el haz de electrones que emite el cañón del CRT se puede deflexionar o desviar de su trayectoria haciendo que éste pase a través de un campo o campos electrostáticos. Éste es el método de deflexión que se usa en CRT deflexionados electrostáticamente. La figura 51-3a) muestra el efecto de enviar un haz de electrones a través de dos placas de deflexión rectangulares


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(CR T)

361

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PANTALLA

3

HAZ DE ELECTRONES

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HAZ DE ELECTRONES

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(a)

Figura 51-3. Efecto de las placas deflectoras sobre el haz del CRT.

orientadas en forma vertical y paralelas, Di y D2 . En ausencia de estas placas, el haz incidiría en la pantaIla fluorescente al centro en O. Si la placa Di se hace más positiva que D 2 , el haz será atraído hacia la placa 1 e incidira en la pantaIla en algún punto 1, a la derecha de O. Por otro lado, si D2 se hace más positiva que Di' el haz se deflexionará a la izquierda e incidirán en la pantaIla en algún punto 2. Di se denomina placa de deflexión horizontal derecha (RHDP, right horizontal deflection plate) y D2 placa de deflexión horizontal izquierda (LHDP, left horizontal deflection plate). La cantidad que el haz se deflexiona en la pantalla depende de la velocidad con la que los electrones viajan en el haz, el voltaje aplicado a través de las placas de deflexión, la geometría de las placas y la distancia entre la pantaIla y éstas. Un electrón que se mueve con lentitud permanece en el campo entre las dos placas más tiempo que un electrón que se mueve rápido. Por lo tanto, el campo electrostático tiene un tiempo más prolongado para actuar sobre un electrón que se mueve lentamente, y éste se deflexiona más que un electrón que se mueve rápido. La velocidad del haz es proporcional al potencial en el ánodo de aceleración: a mayor potencial de aceleración, mayor es la velocidad.

Figura 51-4. Placas deflectoras abocinadas.

La cantidad de deflexión también es proporcional al potencial a través de las placas de deflexión. La deflexión será más grande cuando el voltaje a través de las placas de deflexión es alto. Sin embargo, el voltaje a través de las placas no debe ser muy alto, ya que el electrón deflexionado incidirá en las placas de deflexión y no en la pantalla. Para compensar la posibilidad de que el haz incida en Di y D2 , estas placas se podrían abocinar, como en la figura 51-4. Aun cuando están orientadas en forma vertical, las placas de deflexión Di y D 2 se denominan placas horizontales. También existe un par de placas de deflexión vertical, D3 y D4 (figura 51-3b), más alejadas de la pantalla que las horizontales y que se orientan de manera que una D3 más positiva causará que el haz se deflexione hasta el punto 3 arriba de O; una D4 más positiva causará que el haz se deflexione abajo en algún punto 4. D3 se denomina placa de deflexión vertical superior (UVDP, upper vertical deflection plate) y D4 , placa de deflexión vertical inferior (LVDP, lower vertical deflection plate) . Observe que mediante la rotación de 90° del CRT las posiciones de las placas de deflexión horizontal y vertical se intercambian. En la fabricación de un tubo de rayos catódicos y en el diseño de los circuitos externos del CRT, se fijan el potencial de aceleración (y, por lo tanto, la velocidad del haz), la geometría de las placas de deflexión y sus distancias de la pantaIla. La única variable es el voltaje de deflexión a través de las placas. Por lo tanto, la posición·.Qel punto en la pantalla dependerá de los voltajes que se aplican a las placas de deflexión. La distancia que el haz se moverá sobre la pantalla por la diferencia de potencial de 1 V a través de un par de placas de deflexión se conoce como sensibilidad de deflexión de estas placas. La distancia está dada como un valor nominal o especificación en milímetros por volt de cd, o en pulgadas por volt de cd. Otra forma en la que el fabricante puede mostrar la sensibilidad de deflexión de un tubo es en pulgadas por volts; por ejemplo, 1 pulgada por 100 V horizontal y 1 pulgada por 95 V vertical. Los CRT deflexionados electrostáticamente por lo general se usan en osciloscopios.


362


5 1

Figura 51-7. Campo magnético alrededor de un haz de electrones. El haz se mueve hacia el interior de la hoja .

.--------11111 + V

AA s

Figura 51-5. Divisor de voltaje del CRT. s -- - - - - - - - - - - - -

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Figura 51-8. a) Campo magnético uniforme. b) La interacción de los dos campos magnéticos mueve al haz de electrones hacia abajo. CAÑÓN DE ELECTRONES

Figura 51-6. Inductores de deflexión alrededor de un CRT deflexionado magnéticamente.

revestimiento aquadag es atraer algún electrón que se desprenda del fósforo de la pantalla a medida que éstos incidan en ella mediante el haz del CRT. La emisión de electrones desde la pantalla debido al bombardeo del haz de electrones se denomina emisión secundaria. Los electrones que resultan de esta emisión secundaria se regresan, por lo tanto, al cátodo a través del revestimiento aquadag y la fuente de alimentación.

Divisor de voltaje del CRT .................... . Deflexión magnética ............................. . La figura 51-5 ilustra el símbolo de circuitos para un CRT con deflexión electrostática, donde K es el cátodo; G, la rejilla de control; A), el ánodo de enfoque, y Az, el ánodo de aceleración. VAA es una fuente de alto voltaje de cd, y de R) a R4 constituyen un divisor de voltaje a través de VAA • El voltaje de polarización entre la rejilla y el cátodo se hace variable mediante R), el potenciómetro de "intensidad". Observe que la rejilla es normalmente negativa con respecto al cátodo, como en un triodo ordinario en tubo al vacío. El voltaje en el ánodo de enfoque se hace variable por medio de R 3 , el control de enfoque. El voltaje de cd más positivo se conecta al ánodo de aceleración. Observe el revestimiento de grafito denominado "aquadag" en el interior de la envolvente. Este revestimiento conductor también se conecta al punto más positivo en el divisor de voltaje. El propósito del

Una diferencia básica entre la deflexión magnética y la electrostática en un CRT es que el primero no tiene placas de deflexión. Para la deflexión del haz se emplea un campo magnético externo. La figura 51-6 muestra un inductor de deflexión situado alrededor del cuello del CRT a un lado del arreglo del cañón de electrones. La corriente que fluye por este inductor produce un campo magnético que interactúa con el campo magnético alrededor del haz de electrones en el interior del CRT, y causa la deflexión. La cantidad de deflexión es proporcional a la intensidad de los campos magnéticos, uno de los cuales es proporcional a la corriente en el inductor de deflexión. Para deflexionar un haz de electrones se puede usar un magneto permanente o un electromagneto.


CARACTERÍSTICAS

DE

Un haz de electrones produce un campo magnético circular alrededor de éste, justo como en un alambre que transporta corriente. La dirección del campo depende de la dirección de la corriente. La figura 51-7 muestra un campo magnético alrededor de un haz de electrones, donde éste se mueve hacia el interior de la hoja. Cuando un campo magnético uniforme (figura 51-8a) se hace interactuar con un campo alrededor de un haz de electrones (figura 51-8b), las líneas de fuerza magnéticas se distorsionan, y el haz se deflexiona, como se muestra. Si la dirección de cualquiera de los campos magnéticos se invierte, la dirección de la deflexión también se invierte. De esta manera, mediante la inversión de los polos del campo magnético externo es posible lograr que el haz se mueva hacia arriba más que hacia abajo. Mediante la rotación de 90° del campo magnético uniforme en el sentido de las manecillas del reloj y disparando el haz a través del campo (hacia el interior de la hoja), el haz se puede deflexionar hacia la izquierda. Una deflexión hacia la derecha se puede lograr rotando 90° en sentido contrario a las manecillas del reloj el campo magnético externo de la figura 51-8a). Los inductores arrollados en un conjunto denominado yugo , situado alrededor del cuello del CRT, sirven como electromagnetos para la deflexión magnética de un haz del CRT. Si la deflexión se requiere en una sola dirección, el yugo toma la forma que se ilustra en la figura 51-9. Éste consta de dos inductores arrollados en serie de manera que los campos que producen los dos inductores se oponen entre sí. Las líneas de fuerza magnéticas resultantes toman la dirección que describe la figura 51-9. La deflexión del haz es, entonces, hacia arriba o hacia abajo, según la dirección del flujo de corriente a través de los arrollamientos del inductor. La deflexión horizontal se puede lograr rotando 90° el yugo. Si se requiere deflexión horizontal y vertical, alrededor del núcleo se arrollan dos pares de inductores : uno para el horizontal y otro para el vertical.

CRT

UN

TUBO

DE

RAYOS

CATÓDICOS

363

(CRT)

Trazo del CRT ..................................... . En la explicación de la deflexión del haz sólo se consideraron voltajes de cd para deflexión electrostática y corrientes de cd para deflexión electromagnética. Aquí, el haz se deflexionó hacia un punto en el CRT y permaneció ahí. Sin embargo, si se aplica un voltaje de ca a través de las placas de deflexión, la amplitud del voltaje en las placas variará, causando que también varíe la deflexión del haz del CRT. La posición del punto de luz en la pantalla, por lo tanto, cambiará de acuerdo con los cambios de la forma de onda del voltaje de ca. Suponga, por ejemplo, que se aplica un voltaje senoidal a la placa de deflexión horizontal izquierda, mientras que la placa de deflexión horizontal derecha se mantiene en una referencia cero (figura 51-lOa). En el instante 1, el voltaje de ca es O y el punto en el CRT estará en el centro, puesto que hay voltaje cero en las dos placas de deflexión (figura 51lOb). Sin embargo, durante los primeros 90°, a medida que la forma de onda se incrementa desde O hasta su voltaje pico positivo en 2, el haz de electrones se deflexiona desde el centro hacia la izquierda. La deflexión máxima en la izquierda se presenta en el pico positivo de la forma de onda de voltaje. Como el voltaje de ca decae de su valor pico en 2 a Oen 3, el haz se mueve de regreso de la izquierda al centro de la pantalla. Durante la primera mitad del semiciclo negativo, el voltaje negativo sobre la LHDP repele el haz de electrones y lo mueve a la derecha. La deflexión máxima a la derecha se presenta cuando el voltaje pico de ca está en su máximo negativo, punto 4. Durante el intervalo de 4 a 5, el punto se mueve de regreso de la derecha al centro de la pantalla. Si la frecuencia del voltaje de ca aplicada a la LHPD fuera muy baja, digamos 1 Hz, el ojo humano podría seguir el movimiento del punto sobre la pantalla del centro hacia la izquierda, de regreso al centro, a la derecha y de nuevo al centro. Este movimiento se repetiría una y otra vez para cada ciclo en la forma de onda de ca. Sin embargo, si la frecuencia se incrementara, digamos 60 Hz, el movimiento del punto sería tan rápido que el ojo humano no podría seguirlo. En lugar del punto en movimiento en la pantalla se vería una línea de luz continua. Este fenómeno se llama "persistencia de visión", y el trazo de luz que resulta se denomina sencillamente trazo del CRT.

NÚCLEO DE FIERRO

2

LHDP

+~ CAMPO MAGNÉTICO

0>\

~iQ 5

2

•

1.5

•3

•4

4

ra )

Figura 51-9. Inductor de deflexión y campo magnético para la deflexión de un haz de electrones.

RHDP

rbJ

Figura 51-10. Deflexión del trazo sobre la pantalla de un CRT.


364

E X PERIM E NTO

51

Existe otra razón por la que el ojo humano percibe este trazo: la pantalla se ilumina cuando el haz de electrones incide y continúa brillando después de que éste ha pasado. Esta capacidad del fósforo para continuar emitiendo luz, después de la excitación, se denomina fosforescencia. Un trazo también se puede producir de forma magnética teniendo un flujo de corriente alterna en los arrollamientos del inductor de deflexión.

RESUMEN

1.

2. 3.

4. 5.

6.

7.

8. 9.

10.

11. 12.

13.

14.

Los tubos de rayos catódicos (CRT) son tubos al vacío que proporcionan una indicación visual de voltajes eléctricos. Los CRT se usan como pantallas en osciloscopios; los tubos de imagen que se usan en los televisores también son CRT. El frente de los CRT son redondos o rectangulares. Un CRT consta de un tubo de vidrio o metal al alto vacío que contiene un arreglo de cañón de electrones. La parte frontal del tubo o pantalla del CRT está recubierta en su interior de fósforo, un producto químico que emite luz cuando sobre él incide un haz de electrones que se mueve con rapidez. Los elementos del cañón de electrones se conectan a las terminales en la base. El vidrio de la pantalla de un CRT es grueso y fuerte para soportar la presión que ejerce la atmósfera. Un CRT puede sufrir implosión si el tubo se golpea o si se rasguña su pantalla. La implosión de un CRT puede causar heridas severas, por lo que deberá manejarse con sumo cuidado. Para manejar CRT se recomienda usar goggles resistentes a rupturas. El cañón de electrones está rígidamente montado y alineado con cuidado dentro del tubo. El cañón emite una corriente de electrones que inciden en la pantalla recubierta de fósforo. El cañón de electrones consta de un cátodo cilíndrico que se calienta mediante un filamento en el interior del cátodo, una rejilla de control, un primer ánodo de enfoque y un segundo ánodo de aceleración (figura 51-2). Dentro del cuello del CRT está un revestimiento de grafito conocido como aquadag. El cátodo calentado emite electrones. El voltaje en la rejilla de control se hace variable y actúa como control de intensidad. El voltaje en el primer ánodo también es variable en forma manual para enfocar el haz (figura 51-5). El ánodo de aceleración tiene el voltaje más alto en el CRT. Los voltajes de aceleración pueden ser tan altos como 3 3000 V. Para que el CRT sea útil está provisto de placas o inductores para la deflexión del haz. Éste puede tener deflexión hacia arriba, hacia abajo, a la izquierda y a la derecha.

Existen dos tipos de deflexión: electrostática y electromagnética. Un CRT con deflexión electrostática tiene dos juegos de placas de deflexión, vertical y horizontal. Las dos placas verticales deflexionan el haz de electrones en dirección vertical y las placas horizontales en dirección horizontal. Los inductores de deflexión se arrollan sobre un conjunto denominado yugo, y están colocados alrededor del cuello del CRT con deflexión electrostática (figura51-6) . Las placas o inductores de deflexión horizontal crean un trazo de luz sobre la pantalla, que se logra mediante la alimentación de un voltaje de ca a las placas o inductores horizontales.

AUTOEVALUACIÓN

................................... Para verificar su aprendizaje conteste las siguientes preguntas. Un CRT es un dispositivo de estado sólido _ _ __ (verdadero, falso) 2. La envolvente o tubo de un CRT es de vidrio o _ _ _ _ _ _ _ y está al alto _ _ _ __ 3. Un CRT se debe manejar con cuidado debido a que el dispositivo puede si se golpea, agita o se rasguña su parte frontal. 4. Se debe usar _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ cuando se trabaja con CRT. 5. Los elementos del conjunto del ________ dentro del CRT están conectados a las terminales de la base del CRT. 6. El cañón de electrones __________ y __________ un haz de electrones. 7. Si los electrones en el haz de un CRT se aceleran lo suficiente, éstos incidirán sobre la _______ de un CRT y causarán que el fósforo emita 1.

8.

9.

10.

Cuando el voltaje sobre la RHDP se hace más _ _ _ _ _ _ _ _ que el voltaje en la LHPD, el haz de electrones se deflexionará a la derecha. Un trazo de luz vertical se podría formar sobre la pantalla de un CRT si se aplica en las placas de deflexión del CRT. Los CRT sirven como en los receptores de televisión, osciloscopios y _ _ _ __


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R T)

365

PROCEDIMIENTO

............................................................................................................................ MATERIAL

NECESARIO

TABLA 51-1. Voltajes del C RT

Voltaje

Fuente de alimentación: fuente de cd de 400 V variable y regulada con voltaje de ea de 6.3 V a 60 Hz; fuente de cd de 40 V. Equipo: EVM. Tubo: CRT 2 BPI o equivalente con la base asociada. Resistores: dos de 47000 n, 470 000 n; tres de 2.2 Mf], dos de 3.9 Mf). Otros: dos potenciómetros de 10 000 n, dos de 500 000 n a 2 W; dos interruptores de un polo un tiro; un magneto de herradura; una regla con escala marcada. Capacitores: cuatro de 0.1 ILF (punto adicional). l.

2.

Conecte el circuito de la figura 51-11. Las cuatro placas de deflexión están en corto circuito, como se muestra. Un extremo del filamento de 6.3 V está en corto circuito con el cátodo. Energizar. Fije la salida de la fuente de voltaje de cd regulada para.400 a 500 V. Cierre SI' Fije R¡ de modo que la polarización sea O V medida con un EVM entre la rejilla y el cátodo. Deberá aparecer un punto de luz en la pantalla. Ajuste R3 para el mejor enfoque.

Corte

Deflexión magnética el principio de deflexión magnética se puede demostrar con un tubo que contenga placas de deflexión siempre que no haya voltaje entre sus placas. Por conveniencia, en esta parte del experimento también se usará el tubo electrostático. 4.

5.

6.3

.

NOTA:

debido a que el potencial que se aplica al ánodo de aceleración es sustancial mente inferior al valor típico de operación, el riesgo de "quemar" el fósforo en la pantalla del CRT se reduce. Varíe R¡ y observe el efecto sobre la brillantez del punto. Mida el voltaje de polarización en el que el punto ya no es visible (voltaje de corte). Registre este vol-

Aceleración

taje en la tabla 51-1. Reajuste R¡ para la brillantez máxima. Mida y anote los voltajes de los ánodos de enfoque y aceleración con respecto al cátodo.

NOTA:

3.

Enfoque

6.

Sitúe poco a poco el magneto de herradura, orientado horizontalmente, cerca del CRT hasta que los polos marcados en el magneto estén en la unión del cuello y la campana, como en la figura 51-12. Observe y registre en la tabla 51-2 la dirección de la deflexión del haz. Rote el magneto 180 a lo largo de su eje longitudinal (figura 51-13) para invertir los polos y repetir el paso 4. Sitúe el magneto, orientado horizontalmente como en el paso 4, en ángulos rectos a su posición original (figura 51-14). Repita el paso 4. 0

12

N 03

O,

6

9

D. 470 kn

7

O,

2BPI

10

-

R,

- 111+ 400 V

Figura CRT.

51-11. Circuito

R3

R,

o-(' I

experimental

del cañón de electrones

del

Figura 51-12. Magneto del haz del CRT.


de herradura

que se usa para la deflexión

366

E X P E R1M E N T O

5 1

Deflexión electrostática ........................ .

TABLA 51-2. Deflexión magnética

Muestre la dirección de la deflexión del haz con una flecha y etiquete cada flecha con su respectivo número de paso.

7.

Haz

•

EJE LONGITUDINAL

8.

s

N

9.

10.

Figura 51-13. Rotación del magneto 180° a lo largo de su eje longitudinal.

11.

12.

s

o

13.

Desenergizar. Modifique el circuito del CRT de acuerdo con la figura 51-15. Vpp es una segunda fuente de cd para proporcionar voltaje para la deflexión de las placas. Observe que las placas de deflexión 6 y 9 se conectan a través de resistores de aislamiento de 3.9 Mfl al punto P, el punto medio de la alimentación de 40 V, Y que las placas de deflexión 7 y 10 están conectadas a los respectivos cursores de los potenciómetros Rs Y R6 a través de resistores de aislamiento de 2.2 Mfl. Cuando Rs se fija en la mitad de su intervalo, el voltaje neto a través de las placas de deflexión vertical es O. A medida que Rs varía a la derecha o izquierda del centro, la LVDP se puede hacer más positiva o negativa, respectivamente, que la UVDP. De manera similar, a medida que R6 varía a la derecha o izquierda del centro, la RHDP puede hacerse más positiva o negativa, respectivamente, que la LHDP. Energizar. Cierre SI y S2' Ajuste Rs de modo que el voltaje medido a través de las placas de deflexión vertical sea O. También ajuste R6 para que el voltaje en las placas de deflexión horizontal sea O. El punto de luz deberá estar en el centro del CRT (aproximadamente). Si es necesario, reajuste Rs Y R6 para centrar el punto. Con R6 fijada como en el paso 8, varíe Rs hacia cualquier lado a partir del centro y observe el efecto sobre la deflexión del punto. Si es necesario, oriente el CRT (y el conjunto de su base) de manera que la deflexión del punto sea vertical. Reajuste Rs de modo que el punto esté otra vez centrado en forma vertical. Marque la posición del punto en el CRT. Varíe Rs hasta que el punto esté 1/4 de pulgada por encima del centro. Mida el voltaje en las placas de deflexión vertical y anótelo en la tabla 51-3. Muestre la polaridad del voltaje de la UVDP con respecto a la LVDP. Varíe Rs hasta que el punto esté 1/4 de pulgada por debajo del centro y repita las mediciones del paso 10. Registre los resultados en la tabla 51-3. Regrese el punto a su posición marcada en el centro. Deje Rs como se fijó. Varíe R6 hasta que el punto esté 1/8 de pulgada a la derecha del centro. Mida y anote en la tabla 51-3 el voltaje a través de las placas de deflexión horizontal. Muestre la polaridad de la RHDP con respecto a la LHDP. Reajuste R6 hasta que el punto esté 1/8 de pulgada a la izquierda del centro. Repita las mediciones como en el paso 12 y registre los resultados en la tabla 51-3.

N Figura 51-14. Rotación del magneto a 90°.


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12

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367

R T)

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4

8 6

9

2.2Mn

L-------i-

III--'-+---
Q

v"A

Figura 51-15. Circuito para la deflexión

(400V)

electrostática

del CRT.

TABLA 51-3. Detlexión electrostática

Polaridad del voltaje Posición del punto 1/4

de pulgada por abajo del centro

1/4

de pulgada por arriba del centro

Voltaje a través de las placas de deflexión vertical

UVDP

LVDP

Polaridad del voltaje Posición del punto

RHDP

LHDP

de pulgada a la derecha del centro

l/S l/S

Voltaje a través de las placas de deflexión horizontal

de pulgada a la izquierda del centro

GENERADOR DE AF

Produciendo un trazo en el CRT 14.

.

Desenergizar. Abra SI y S2. Cambie la conexión de la terminal 6 de la UVDPdel punto P a Q (figura 51-15). De otro modo deje el circuito de cd conectado como en la figura 51-15. Conecte un generador de onda senoidal de AF a las placas de deflexión horizontal a través de dos capacitores de bloqueo de cd de 0.1 f.LF, como en la figura 51-16. Observe que los capacitores están en serie con las terminales del generador de AF, y aíslan el generador de los circuitos de cd.

0.1 ¡.
A

1

e,

0.1 ¡.
1

1

DC

9

Figura 51-16. Desarrollo


8 T

de un trazo horizontal.

A

10

DC

368

E X P E R1M E N T O

15.

Energizar. Cierre SI y S2' Encienda el generador de AF y fije la frecuencia a 1 000 Hz. Fije el atenuador del generador para la salida 'máxima y observe el efecto sobre el CRT. Reduzca la salida del generador y observe el efecto sobre el trazo. Ajuste la salida del gen~rador hasta que haya un trazo de 1/4 de pulgada en la pantalla. Mida y registre en la tabla 51-4 la amplitud pico a pico del voltaje de ca a través de las placas de deflexión horizontal. Varíe Rs Y R6 Y observe el efecto en el trazo. Centre de nuevo el trazo. Desenergizar. Abra SI y S2' Modifique otra vez el circuito mediante el intercambio de conexiones de las terminales 6 y 9. La terminal 6 ahora se conecta al punto P, y la'terminal 9 al punto Q (figura 51-15). Conecte la salida de cd aislada del generador de onda senoidal de AF, que se ajusta a 1 000 Hz, a las placas de deflexión vertical, como en la figura 51-17. ' Energizar. Cierre SI y S2' Repita el paso 15 midiendo la amplitud pico a pico del voltaje de ca en las placas de deflexión vertical requerido para un trazo de 1/4 de pulgada. Registre los resultados en la tabla 51-4.

16.

17.

5 1

AOC

CI

0.1 ¡¿F

GENERADOR DEAF

0.1 ¡¿F

A OC Figura 51-17_ Desarrollo de un trazo vertical.

Puntos adicionales ............................... . TABLA 51-4. Trazo del CRT

Voltaje pico a pico a través de las placas de dejlexión Longitud del trazo 1/4

Horizontal

Vertical

18.

19.

de pulgada

Explique con todo detalle el procedimiento que seguiría para obtener una figura de 8 con patrones de Lissajous en el CRT. Muestre el diagrama del circuito en ca. Conecte el circuito después de que se apruebe. Observe y dibuje el patrón que resulte . Indique todas las frecuencias.

PREGUNTAS ¿En qué aspectos un CRT es como un tubo al vacío ordinario? .2. ¿En qué aspectos un CRT difiere de un tubo al vacío ordinario? 3. ¿Cuál es el propósito de a) el cañón de electrones, b) las placas de deflexión horizontal, e) las placas de deflexión vertical y á) el aquadag? 4. ¿ C~áles son las diferencias entre el CRT con deflexión electrostática y con deflexión magnética? 1.

5.

6. 7. 8.

¿En qué condiciones se centrará el haz de electrones de un CRT con deflexión electrostática a) verticalmente, b) horizontalmente? ¿Qué significa sensibilidad de deflexión de un CRT electrostático? ¿Qué factores determinan la sensibilidad de deflexión de un CRT electrostático? ¿Por qué hay diferencia entre la sensibilidad de deflexión horizontal y vertical en un CRT electrostático?


e A R A e TER Í s TIC A s o E

9.

10.

11. 12.

A partir de sus datos determine las dos formas de sensibilidad de deflexión vertical del CRT. Muestre sus cálculos. A partir de sus \datos determine las dos formas de sensibilidad de deflexión horizontal del CRT. Muestre sus cálculos. Explique cómo se puede producir un a) trazo vertical y b) trazo horizontal en un CRT electrostático. Explique.cómo se puede producir un a) trazo vertical y b) trazo horizontal en un CRT deflexionado magnéticamente.

UN

T U B

o oE

R AY

o S e ATÓ o 1 e o s (e

R T)

369

Punto adicional .................................... . 13.

Explique cómo produciría a) el trazo de una línea recta inclinada 45° a la derecha y b) el trazo circular en un CRT con deflexión electrostática.



APÉNDICE

REQUERIMIENTOS DE PARTES

Resistores

a 1/2 W

Resistencia

Cantidad

Resistencia

Cantidad

Resistencia

Cantidad

330

1

2.2kO

1

33 kO

1

470

1

2.7 kO

1

47kO

2

1000

2

3.3 kO

2

68 kO

1

1500

1

4.7 kO

2

l00kO

2

1800

1

5.1 kO

1

120kO

1

2200

1

5.6kO

1

220kO

2

3300

1

8.2kO

1

270kO

2

3900

1

IOkO

8

470kO

1

4700

1

12 kO

1

560kO

1

5600

1

15 kO

1

1 MO

1

6800

1

18kO

1

2.2MO

3

8200

1

22kO

1

3.9MO

2

1 kO

5

1.2kO

2


372

A P É N O [

Capacitores

e

E

(50 V nominales

Capacitancia

o de mayor capacidad

Cantidad

47 pF

a menos que se indique otra cosa)

Capacitancia 0.01 ¡.¡,F

1

Capac itanc ia

Cantidad 3

Cantidad

1 ¡.¡,F

2

.-

2S0pF

1

0.022 ¡.¡,F

2

10 ¡.¡,F

1

0.001 ¡.¡,F

3

0.047 ¡.¡,F

3

2S ¡.¡,F

2

1

0.1 ¡.¡,F

4

100 ¡.¡,F

0.0022 ¡.¡,F .'

0.0047 ¡.¡,F

'1'

',¡

'¡1'

'

..

,.

4

..

l.•.

,

,

..

1

, '; -~J Diodos

Resistores de alta potencia

Resistencia

Potencia, W

Cantidad

0.68 O SO 1000 12S O 2S00 2S00 2700 SOOO 1kO SkO

2 S 1 2 2 S 1 S 1 S

1 1 2

,.

Uno de cada uno a menos que se especifique otra cosa. 1N34A, 1N753 (Zener), 1N914, 1N3020 (Zener), 1N4001, 1N4154, 1N4746; cuatro 1N5625. ,

v .

,.

..,

2 1

1

Transistores

2 1 1 1

Uno de cada uno a menos que se especifique otra cosa. 2N1596, 2N2160 (UJT), dos 2N2102 con cabeza .escondida, tres 2N3904, dos 2N3906, 2N4036, 2N5484.

Circuitos integrados Potenciómetros

(2 W)

.

.

. Uno de cada uno a menos que se especifique otra cosa. Lineales: ocho 741C, CA3020, NE555, NE565,LM340-8 Digitales: 7402, 74Q4, 7408,.7427, 7432, 7474, dos 7476, 7486.

Uno de cada uno a menos que se especifique otra cosa. 500 o, 1 k.o, 2.5 k.o, 5 k.o; dos de 10 k.o, 20 k.o; dos de 100 k.o; dos de 500 k.o.

\

\

Tubo de rayos catódicos 2BP1 junto con el arreglo de' su base y tubo.

.

Dispositivos optoelectrónicos LED: TIL221, TIL222, TIL312, 4N26 optoacoplador.


.

R E Qu E R 1M 1E N T

Transformadores, choques e inductores ........................................ . Transformador para salida de audio: Kelvin 149-18 o equivalente. Transformador para entrada de audio: en contrafase, primario de 10 kO, secundario de 2 kO a 100 mW; resistencia en cd en el primario de 500 O; en el secundario de 50 .0, Kelvin 155-08 o equivalente. Transformador para salida de audio: en contrafase, primario 500 con derivación central, secundario 3.2, de 100 mW; resistencia en cd en el primario de 20 0, en el secundario de 0.30, Kelvin 174-45 o equivalente. Transformador de potencia: 117 V/26.8 V, 1 A, con derivación central. Transformador: 117 V/2 V, secundario 'de f A. Inductor de RF: 30 mH. Inductor de oscilador: Hartley, banda de radiodifusión, Miller 2021 o equivalente.

o

S

D E

P AR T E

s 373

Otros .................................................. . Dispositivo para prueba y alambrado de circuitos con terminales y conectores. Celdas secas: una de 1.5 V. Interruptores: un polo dos tiros (tres); un polo un tiro (cinco); dos polos dos tiros (uno). Extensión eléctrica con fusible. Lámpara piloto y base (una). Lámpara de 25 W y base (una). Componentes defectuosas: para experimentos de detección de fallas . Magneto de herradura.


APÉNDICE

RESPUESTAS A LAS AUTOEVALUACIONES

Autoevaluación 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

1

Autoevaluación 9. 10. 11.

silicio aisladores negativo; N falso positivo; negativo 0.7 voltaje, corriente incremento

12. 13. 14. 15. 16.

bajo; alto óhmetro ideal; conductor cerrado; abierto 0.7V 0.7 V; 0.7 V bulto interruptor; bulto

1. 2. 3. 4. 5. 6.

recombinación 50mA siete segmentos luz; inversa LED aislamiento

Autoevaluación Autoevaluación

"1

1. 2. 3. 4. 5.

2

. 1. 2. 3. 4. 5.

inversa 9; 11 0.1 20 200

6.

7. 8. 9.

Autoevaluación 1. 2. 3. 4.

3

4

0;-9 +10; O paralelo abierto cerrado +15; -7 -5; +6 +12; 24; O negativo; 0.167

.

DI

D2 abierto/desconectado Tierra abierta DI Y D2 puestos en el lugar uno de otro


5

.

R ES P UESTA S A

Autoevaluación 6 ................................. . l. 2. 3.

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

4. 5.

beta ([3) más grande emisor base permanece constante

6.

Mc 6.I (VCE constante)

7. 8.

200 0.995025

1.

3.

Autoevaluación 7 1.

5.

6. 7.

8. 9. 10.

positivo 63.6 por ciento

Vmáx

B

1T

donador de sangre regulación; descargas capacitancia grande más alto regulación más bajo

Autoevaluación 12 l. 2. 3.

4. 5.


2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

directa; invertida positivo; negativo invertido verdadero falso calor; calor


2. 3. 4.

A U T O E VA L U A

-10 34.5 incrementa rectificador A; PI; P 2 A; PI; P 2 C2 en corto circuito cordón de la línea; primario; interruptor; fusible; alambrado; toma de corriente malo

operación; ambiental . colector, emisor; base a) caso, b) ambiente; e) unión lCBO

7.

hfe o [3, ganancia de corriente beta colector promedio

8.

lc

9.

-0.5 lB constante; Vcc corriente de colector positivo

6.

10. 11. 12.

Autoevaluación 13 Autoevaluación 9 ................................. . 1.

2. 3. 4.

medio falso 70 120 Hz

e

ION E S

375

Autoevaluación 10 ............................... . l. 2. 3. 4. 5. 6.

falso rectificación a) positivo, b) positivo, e) 30 rectificador o diodo D2 120 media onda falso verdadero línea; externa

L A S

l. 2. 3. 4. 5. 6.

voltaje de la batería bajo, alto 10:1 defectuoso absoluto falso


376

A P É N DIe E

Autoevaluación 14 . ................ ............... 1. 2. 3. 4. 5.

decrece 8.9 ¡.LA 120; 20; 66.3 ¡.LF inversa 50

1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9. 10. 11 . 12.

Autoevaluación 15 1. 2. 3. 4. 5. 6.

resistencia; Rx 500 250 negativo; positivo; 180 12500 41

el abierto transistor defectuoso 2 20 4.4 infinito 470 9 O

1.

aterrizado; colector común 4 negativo 0.72 139 360

VCE ; 16 0.4 3;33 100 100 20;40 7; 12

l. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

en contrafase periodo completo 180 distorsión de cruce mucho más grande polarización en directa; Q2 0.703

1.

falso

2. 3.

O Vcd2

4. 5. 6. 7. 8.

negativo emisor-seguidor (o colector común) positivo igual a falso

Autoevaluación 22 ............................... .

Autoeval uación 18 .......................... ..... . 1. 2. 3. 4. 5. 6.

b)

a)

Autoevaluación 21

Autoevaluación 17 ...................... ... .. .... . 2. 3. 4. 5. 6.

transformador T2 capacitor e3 falso no linealidad disminuyendo entrada; salida voltaje de alimentación e3 abierto e) d)

Autoevaluación 20

Autoevaluación 16 ............................... . 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Autoevaluación 19 ............................... .

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

positivo base; R3 verdadero osciloscopio (o multímetro digital) ; generador de onda senoidal frecuencia; salida de la señal ; ganancia 30; 15000 verdadero


R E S P U E S TA S

Autoevaluación 1.

23

.

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

L A S

Autoevaluación 1.

inversa

2. N

A

5. 6. 7. 8.

24

.

1. 2.

1. 3. 4. 5.

6.

no es positivo falso enriquecimiento no es -0.4 a +0.8

7.

+0.7

8.

-3.3

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

25

1. 2. 3.

emisor diferencia común; diferencial

4.

O

5. 6. 7. 8. 9. 10.

amplifica igual inversión amplitud; fase falso verdadero

l. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

8.

s 377

. externos

+3 +3

28

26

falso TO-5; componente plana, dos en línea transistor transistores; diodos lineal; digital amplificador de audio 10; 3 amplificador diferencial

.

diferencial en contra fase activo; transistor promedio compensación (offset) compensación (offset) modo diferencial; modo común rapidez de respuesta; salida máximo; rapidez de respuesta; amplitud

29

.

30

.

. l. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

realimentación decrece entrada decrece más grande constante 2 MHz 20 kHz 25 kHz


E

positivo +1.5


ION

27

resistores de realimentación

Autoevaluación

2.

e

2. 4 3. -2 4. 2

compuerta Vps máx estabilizado constante corte verdadero ID; VDS; VGS alto

Auloevaluación

A U T O E VA L U A

l. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

voltaje bajo pequeño voltaje a corriente sin cambio corriente a voltaje corriente


378

A P É N DIe

E

Autoevaluación 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

31

'

u...........

Autoevaluación 1.

comparador offset 7 media onda; entrada cd activo sujetador

Autoevaluación

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

32

36

.

3.

4. 5. 6. 7.

0.707 3 18 dB 0.25 20; 26 dB 6.77 12

Autoevaluación 1. 2. 3. 4.

33

.

-10 2394 Hz 1 125 Hz - 1 o la unidad

Autoevaluación 1. 2. 3. 4. 5. 6.

1.

2. 3. 4. 5. 6. 7.

34 ......................•.........

.

1.

3

2. 3. 4. 5. 6.

LM340 rizo puenteo entrada con la ecuación (35.2), 18.8 V; con la ecuación (35.3), 18 V 160 mA

7.

................................

38

.

39

.

O

Autoevaluación

35

"

2. fa 3. positivo; negativo 4. bajo; un tercio 5. 677 Hz 6. 500; 500 7. O; O 8. 2'ITRC

corriente voltaje emisor; ¡3 4 20.1 V 0.128; 0.149 A

Autoevaluación

37

\

180 180; en fase adelante frecuencia; Rl; Cl R3 falso 18.72°

Autoevaluación 1.

.

pérdidas negativo 3 positivo negativo onda senoidal cd; alimentación de cd 5000

Autoevaluación 1. 2.

'

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

verdadero ENCENDIDO APAGADO apagado decrece entrada rampa 1.21 V


R E S P U E S TA S

AutoevaluaCión40 l. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

...... .....................•..... . -

A

L A S

A U T O E VA L U A

Autoevaluació.n 43

.

positivo APAGADO

l. 2. 3. 4. 5.

+Vcc incremento 2.95 V UTP

• •••••• ~••••••••••••

bajo NOR; SUPERIOR; alto inversor; NOT NAND NOR

6.

+ VsA-rl2; - VsA-rl2 capacitar Schmitt 293 Hz

--

Figura 43-A

7.

Autoevaluación l. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

41

l.

,....•......

~A

•. ~.;-

'.~.,.

}~ Figura 43-8 8.

V42

no alto; alto uno; alto bajo; alto TTL; cuádruple +5 V Tabla 42-5 (respuesta)

9.

I I I

o o o

SaLidas

e

D

E

Y

o

o I I

o o

o o o

o

I

o

I

I

o

o

Y = ABe

+B

Autoevaluación

B

o o

Y=A

44

¡

Entradas A

Figura 43-C

.

.,

8.

•.•

10 alto control 5 3.52 40.2; 58.3 más pequeño 4.13; 27.6

Autoevaluación 2. 3. 4. 5. 6. 7.

,_

I

o o I

I

I I I

o

o

I

I

l. 2. 3. 4. 5. 6.

verdadero 111 11000100 91 105. 11000100

+D +E


e ION

.,

E

s 379

! ••••••••• ~.

380

APÉNDICE

Autoevaluación 45 ............................... . 1. 2. 3. 4. 5. 6.

NOR; NAND reloj inválido flanco; positivo un medio alto; alto

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Autoevaluación 46 1. 2. 3. 4.

Autoevaluación 49 .............

FF2 Y FF3 7 FF2 FF¡; FF2 Y FF3

Autoevaluación 47 ............................... .

2. 3. 4. 5.

6. 7.

8.

compuerta más bajo rectificador removido apagado VBRFO ; Vx falso cd;ca falso ánodo

5 kHz, 10 kHz, 15 kHz, .... , m(5kHz) 60 MHz; 4 MHz 4 MHz 995 kHz; 2 055 kHz moduladora (o baja frecuencia); portadora (o alta frecuencia) 100% 1.07998 Y 1.08002 MHz para 20 Hz; 1.06 y 1.1 MHz para 20 kHz 31.8 kHz

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

directa 5.83 falso

Vp R¡; R2

diente de sierra R4

cambia (o varía)

Autoevaluación 51 ............................... . 1.

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

falso metal, al vaCÍo implota goggles de seguridad cañón de electrones_ formas; emite pantalla de fósforo; luz positivo voltaje de ca; vertical pantalla; radar

Autoevaluación 48 ............................... . 1. 2. 3. 4. 5. 6.

. . . .; • • • • • • • • • • • • • • •


1.

H

.::rece decrece 100 kHz 30kHz 3 kHz 4.42 kHz


Esta edición se terminó de imprimir en julio de 2006. Publicada por ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de c.Y. Apartado Postal 73-267 , 03311 , México, D.F. La impresión se realizó en IMPRESORA MMC, 5a. Cerrada de Barranca, Manz. 4, Lote 5, Col. El Manto, 09830, México, D.F.





Prácticas de Electrónica, Séptima Edición [Paul B Zbar Albert P Malvino Michael A Miller]

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