Analógica 5: amplificador con transistores

Aquí sólo vamos a tratar con transistores BJT y JFET. ¿Sólo? El BJT va a tener algo más de miga que el JFET, pero más o menos todo funciona igual.

¿Por qué nos interesa amplificar con transistores? Pues porque mientras los amplificadores operacionales están bastante limitados en el rango de tensiones, entrega de corriente y frecuencia, un transistor puede emplearse con mucha potencia y a frecuencias de GHz (no todos, claro está)

BJT

Lo primero que hay que tener claro es la polarización en DC. Si no sabes cómo se polariza un transistor, dirígete al apartado Teoría, Transistores, BJT, ahí está explicado (o se intenta). Necesitarás saber también sobre JFET cuando llegue el momento.

El caso es que ahora iB = Ib (polarización DC) + ib (señal que amplificamos)

Lo que buscaremos será polarizar en DC el transistor más o menos a la mitad de la recta de carga, para que al introducir la señal se pueda amplificar en su totalidad sin que haya cortes a la salida por entrar en zona de saturación y/o corte. Gráficamente:

polarizacion

Como se ve, se polariza el transistor en una zona intermedia de forma que al introducir una alterna a la base, la corriente de colector también varíe como ésa alterna, produciendo una variación en la Vce. De ésta forma obtenemos a la salida la señal amplificada (multiplicada por una ganancia) más un nivel de continua, que se puede eliminar con un condensador de desacoplo.

Como ya dije en la introducción a transistores, es importante que nuesto circuito de polarización sea estable, pues la variación de B no debería afectarnos demasiado. Ésto da lugar a circuitos de este tipo:

No os asustéis por el condensador en el emisor (C2), en realidad es un tipo majo. Lo veremos enseguida.

Ya sabemos cómo polarizar un transistor en continua. Supongamos que sabéis, porque deberíais. ¿Qué hacemos ahora? Lo siguiente es un análisis de pequeña señal en frecuencias medias, y obtener el cuadripolo equivalente.

He dicho que C2 es un tipo majo, y no sin razón, porque a frecuencias medias se comporta como un cortocircuito. ¿Y qué ocurre con el cortocircuito? Que Re también se va. Y éso es una resistencia menos para el cálculo. Lo mismo pasa con C1 pero no afecta demasiado. Ahora lo que hacemos es hallar los parámetros híbridos del cuadripolo equivalente (hacemos una linealización).

hie = Vbe/ib cuando Vce=cte. También lo calculamos como hie = Vt/ib(Q), Vt es una constante que suele dar el fabricante, e ib(Q) es la corriente de base en la polarización continua. El resultado es una resistencia en ohmios.

hfe = ic/ib que es la ganancia en alterna, lo suele dar el fabricante.

Con ésto, el cuadripolo equivalente del transistor es éste:

transeqPero, como podréis deducir, el transistor no se vale de sí mismo para amplificar, hay que conectar lo que tiene a su alrededor para hacer un cuadripolo del sistema completo, que de verdad nos ayude a determinar las características. Aquí es donde pondréis a juego vuestros conocimientos electrónicos, eléctricos y matemáticos. Si seguimos con el ejemplo del circuito de polarización de 4 resistencias, y nos ponemos a analizar, lo primero será cortocircuitar la fuente de continua, de forma que R1 y R2 se quedan en paralelo y en paralelo con hie. Rc también queda entre el colector y tierra. Re ya hemos dicho antes que no juega con nosotros, así que el emisor queda puesto a tierra directamente.

transeq2

La primera reacción es hacer el equivalente entre Rbb y hie, que sería hie//(R1//R2), pues muy bien. Se hace y se queda R3 para futuras referencias.

Los parámetros que hay que calcular serán:

  • Impedancia de entrada: puesta de fuente a la entrada (como la que ya está), cálculo de la corriente que drena y Ze = V/I
  • Impedancia de salida: abrimos la fuente de corriente, puesta de fuente a al salida, cálculo de la corriente que drena y Zs =V/I
  • Ganancia: para ello necesitas Ve y Vs. Ponemos una  fuente de tensión Ve a la entrada, calculamos ib, con ib calculada, sale el producto hfe*ib, una vez sabes la corriente que recorre ésa malla, puedes calcular la tensión de salida Vs.

Cuando no tengamos C2 éste proceso va a ser un poco más complejo, porque Re afectará en prácticamente todos los valores del cuadripolo.

Por cierto, si nos damos cuenta la fuente de corriente está apuntando hacia abajo, no problem, lo único que indica es que el amplificador es inversor, ya que la ganancia en tensión será negativa. Ya que tenemos todos los parámetros, vamos a hacer el cuadripolo equivalente final:

transeq3

¡Qué bonito! Pero no nos vamos a olvidar de las características de un sistema real, porque nos hemos olvidado de nuestros amigos los condensadores. Lo que hay que haces es un análisis en frecuencias bajas, para determinar la frecuencia de corte inferior del amplificador. En el caso de C1 no pasa nada, porque si nos fijamos está fuera del cuadripolo, lo ponemos y se calcula la nueva ganancia Gfb, con su frecuencia de corte. Con C2 ya está más complicado, porque habrá que tener en cuenta el efecto de Re y C2 al a vez, ya que éstos se encontrarían dentro del cuadripolo. El proceso es el mismo. Y si hubiera un condensador a la salida, al igual que con C1 no alteramos nada, pero habría que poner una carga para ver realmente su efecto.

Veremos que con el condensador C2 puesto, la ganancia aumenta considerablemente.

Por último, una vez obtenidas las frecuencias de corte inferiores, la frecuencia de corte inferior del sistema es la mayor de entre las que hemos obtenido.

Y ahora van las buenas noticias. Para el JFET la cosa funciona exactamente igual, la diferencia es que no hay una hie, por el tema de que la impedancia de puerta se puede considerar infinita, así que la consideramos un circuito abierto, y que el producto de su fuente de corriente dependiente es gm*Vgs, y gm:

gm = 2*(Idss/Vp) *(1+(Vgs(Q)/Vp))

¿A que es genial?

Por último, añadir que los transistores no son todopoderosos a alta frecuencia, sino que se crean capacidades entre sus terminales que afectan a la ganancia. Pero lo dicho, alta, muy alta frecuencia.

 

 

Analógica 1: introducción

En ésta asignatura se aborda el diseño de un sistema de procesado capaz de resolver el problema que se nos plantea mediante las especificaciones que se piden. La forma que usamos para abordar el problema es el diseño top-down:

  • Tenemos un problema del que extraemos las especificaciones del proyecto
  • Se diseña el sistema
  • ¿Cumple éste con las especificaciones?
  • ¿Resuelve el problema?

Para ello se lleva a cabo el análisis y diseño en distintas etapas, que aquí son un tema, o cada uno de los artículos de éste apartado, como se quiera ver.

En primer lugar se analiza la entrada (Analógica 2)

  • Equivalente de Thevenin o Norton (visto en electricidad)
  • Caracterización, catalogación y topología
  • Nivel, rango ancho de banda, impedancia de salida

El segundo paso es definir unas características del sistema de procesado (Analógica 3)

  • Función de transferencia
  • Impedancia de entrada, adaptación
  • Cuadripolo equivalente
  • Errores, modelización de comportamiento real

En tercer lugar, definimos unos bloques funcionales (Analógica 4)

  • Amplificador o atenuador
  • Sumador o restador
  • Convertidores
  • Filtraje en frecuencias

Ésto nos guiará en el siguiente paso, el diseño de los bloques (Analógica 5)

  • Componentes pasivos
  • Amplificadores operacionales
  • Transistores BJT, JFET...

Y de momento  hasta aquí vamos a llegar. Ahora enseguida va el capítulo 2.

Corriente alterna

Después de exámenes, trabajos, y todos los líos, aquí tengo el PDF del tema de corriente alterna. No es sencillo, y no es difícil. Sólo os recomiendo mucha práctica, entonces le cogeréis el truco y ya lo tendréis sabido. Suerte que la teoría no es pesada...

PDF corriente alterna

Podéis compartir y copiar el archivo cuanto queráis ¡Viva el conocimiento libre!

 

Atacado químico para hacer PCBs

Supongamos que hemos soldado todo lo soldable en placas preperforadas y estamos hartos de que queden pegotes, gastar estaño en cantidades mayores al presupuesto, tener problemas y equivocaciones en el diseño, además de que queda feo, horrible. ¡Es el momento de empezar a hacer PCBs como es debido!

Si bien no es tan sencillo las primeras veces, pronto vuestra técnica irá mejorando. Podéis buscar ejemplos en youtube buscando "atacado quimico pcb" o "pcb metodo planchado", cosas así, aunque ahora os voy a explicar lo teórico.

Bien, ya tenemos nuestro diseño de PCB, lo hemos diseñado o cogido de otra página, y tenemos el material, que puede ser una placa virgen normal:

En éste caso no tendremos más remedio que imprimir el diseño y pegarlo en la placa por el método del planchado. Muy divertido. Se trata de coger un papel muy satinado, os recomiendo usar hojas de revistas viejas, e imprimir el diseño (fijaos que ya venga con efecto espejo, ya que ahora le daremos la vuelta) en una impresora láser con mucha tinta. Ésto hará que con calor se despegue la tinta del papel. Limpiamos la placa bien como se muestra en la imagen, con estropajo y que no queden huellas. A continuación calentamos la plancha. Podemos utilizar una placa de cerámica o algo que no se queme para apoyar la placa, es importante que no se vaya a quemar cuando tenga la plancha encima mucho tiempo.

Con la plancha caliente, calentamos inicialmente la placa. Ni muy mucho, ni muy poco, cuidado que quema. A continuación, cogemos el diseño impreso y lo plantamos encima, con cuidado de no arrastrar porque puede que se quede pegado debido al calor, y ponemos la plancha encima otra vez. Hay gente, como veréis en los videos, que mueve la plancha apretando todos los sitios, es recomendable hacerlo siempre y cuando no arrastre nada de tinta o papel. Si es necesario, puedes utilizar un poco de agua para que la tinta se deshaga más fácilmente. Si en los primeros intentos no sale, no pasa nada, limpia la placa y vuelve a intentarlo con una nueva impresión. Una vez veas que las líneas de la tinta se empiecen a ver a través del papel, ya debe estar prácticamente listo. Coge una cubeta de agua y mete la placa con el papel dentro tal cual. Ahora deberás quitar el papel. Ésto se hace rascando con la yema del dedo, siempre dentro del agua o bajo el grifo si es necesario, con un poco de presión y sin rascar la tinta. Si llegado un punto ves que se te ha quedado un poco de tinta en el papel, puedes sacar la placa del agua y volver a la plancha. Se va a quedar algo así:

Puede ocurrir que entre las líneas se quede algo de papel, ése lo deberéis rascar como sea, no puede quedarse.

Éste método es muy casero y útil pero no sirve para placas complejas, ya que la tinta se expande debido al calor y podrían juntarse pistas. Si en un determinado momento veis que una pista tiene un pequeño error, podéis corregirlo con rotulador permanente.

También tenemos otro tipo de placas: las virgen negativas. Éstas se venden cubiertas de un film negro para proteger la capa negativa del sol y la luz en general. El circuito se imprime en un papel transparente, y se imprime en la placa mediante insolación, más tarde se revela con varios químicos, como las fotos hace unos años, en oscuridad casi total. Éste método no lo tengo claro pero es mejor para placas que requieran precisión, informaos.

Bien, pasemos al atacado químico.

Éste apartado conlleva riesgo debido al uso de químicos, ácidos y reacciones. Infórmate y protégete adecuadamente. Los menores no deben hacer ésto solos.

Es importante que la disolución esté a una temperatura de entre 20 y 50 grados, o no funcionará. Para hacerla utilizaremos salfuman (aguafuerte, ácido clorhídrico al 20%), agua oxigenada (peróxido de hidrógeno entre el 3 y el 9% de concentración), y agua común. Las proporciones son: 2 vasos de salfuman por cada vaso de agua oxigenada y vaso de agua. Es decir: 2 de salfuman, uno de agua y otro de agua oxigenada, multiplicado por el volumen que necesitéis para meter la placa. Entonces metéis la placa en la disolución (es mejor utilizar una cubeta y pinzas), y veréis que empieza a soltar gas, aseguraos de que la habitación está bien ventilada y apartad los morros, no lo respiréis. Si la reacción ocurre demasiado rápido puede comerse las pistas, así que si veis desaparecer el cobre muy rápido, añadid agua. Ocurrirá algo así:

Es normal que la disolución se vaya poniendo azul debido a la presencia de cobre.

Cuando haya desaparecido el cobre entre TODAS las pistas (no dejéis error), lo sacamos CON PINZAS y sin salpicar, y directamente a otra cubeta con agua. El ácido lo podéis guardar para otra ocasión, siempre en un bote de plástico bien aislado y tapado, hermético, con la identificación clara para no confundirlo. Cuando se ensucie y se haga viejo, cuidado con desecharlo en tuberías de cobre o metal que pueda reaccionar, en éste caso se debe NEUTRALIZAR por si queda algo de ácido, para lo que se suele utilizar bicarbonato de sodio o sosa. Otra opción amigable con el medio ambiente (aunque compleja) es la electrólisis, mediante la cual recuperamos el ácido limpio y el cobre en forma sólida. Deberéis investigar un poco sobre éstas dos opciones.

Habréis visto entonces que se quedan sólo pistas con tinta y pelos de papel. Ahora cogemos el estropajo, y frotamos fuerte bajo el grifo (no demasiado...) hasta que desaparezca la tinta. Y ya tenemos nuestra placa:

Después, el tema de perforar ya es cosa vuestra. Se recomiendan taladros de 1mm para agujeros normales y de 2mm para alimentación, conexiones exteriores, etc... También depende de las características de cada componente. ¡Mucho ánimo y suerte!

Inducción electromagnética

Como en todos los temas complejos, aquí voy a hacer una versión facilona y más adelante un PDF con todo incluido.

Si no llegaste a entender el campo magnético, es complicado que puedas hacerte con éste tema. Sin embargo, si sólo tratas de avanzar un poco hacia la corriente alterna, ánimo: sólo tendrás que tener en cuenta que los campos magnéticos existen y cambian.

Y con ésto de que cambian me refiero a que sí, su flujo varía. Como en el campo eléctrico, las líneas de campo que atraviesan una superficie, crean un flujo de dicho campo, al acercar o alejar un imán, girar la superficie o cambiar la intensidad el campo, cambia el flujo. Pero aquí viene la parte "bonita" de éste tema.

Como todos conocemos ya una bobina, vamos directos al grano. Cuando se enchufa una bobina, circuito, espira, etc. a un voltímetro, y se hace pasar por su interior un imán, a una cierta velocidad, y se retira, observamos que el voltímetro marca que ahí hay corriente. Si cogemos una espira cuyo tamaño podamos variar y lo hacemos en un campo magnético constante, hay corriente. Y por último, si hacemos que cambie el ángulo de la superficie de la bobina respecto del campo, hay corriente. A ésta la llamamos corriente inducida y hemos visto que hay tres formas de que se produzca:

Variación de B, variación de S, y variación del ángulo entre B y S

Mucha atención a ésto: no es el campo el que crea la diferencia de potencial, sino su variación.

Ley de Faraday-Lenz

Hemos definido el flujo de B (O), que es la integral de los vectores B dS, y se crea una corriente inducida cuando hay variación de éste con el tiempo, que viene dada en voltios, es decir, en diferencia de potencial:

V=-dO/dt

El signo negativo indica que la corriente va a ir en el sentido que más joda, es decir, si el flujo aumenta, la diferencia de potencial es mayor negativamente y viceversa. Lo de "que más joda" lo veremos más adelante en bobinas. Ésta es la ley de Faraday-Lenz.

También hemos dicho que hay corriente inducida en conductores en movimiento en un campo magnético:

V=vBl

Donde l es la longitud de éste y v su velocidad.

Cualquiera que esté espabilado se habrá dado cuenta de que éstos son los principios de funcionamiento de alternadores y dinamos. Ahí lo dejo. Y tras un pequeño razonamiento nos daremos cuenta de que, para que produzcan corriente, deben moverse. Y resulta que la potencia mecánica que se ejerza será igual a la potencia eléctrica que se genere.

Inducción mutua

Ocurre que en una bobina se crea un campo magnético (B=u0NI/2R, donde u0 es la permeabilidad magnética del vacío). Éste campo podría variar con la corriente, es decir, si introducimos una corriente que cambia senoidalemente, habrá una variación del campo magnético en su interior. Si enfrentamos una bobina conectada a dicha fuente con otra conectada a un amperímetro observaremos el efecto de inducción mutua.

Definimos M como el coeficiente de inducción mutua: el flujo a través del segundo circuito debido a la intensidad del primero. Recordemos que O es el flujo, y tenemos dos corrientes I1, la que induce e I2, la inducida.

O2=MI1

V=-dO2/dt= -MdI1/dt

Una de las pegas que tiene ésto es que HAY QUE CALCULAR M para cada caso.

Autoinducción

Definimos L como coeficiente de autoinducción y es lo mismo que la inducción mutua  pero en un mismo solenoide. Es decir, en él mismo induce una corriente cuando varía el flujo del campo magnético en su interior.

Ocurre exactamente lo mismo y:

O=LI

V= -LdI/dt

En éste caso hay suerte y L se calcula igual para todos los solenoides:

L= u0(N^2)S/l

Y ahora a explicar lo del signo negativo.

En un circuito cuya I va aumentando, se crea un flujo de izquierda a derecha aumentando, y aparece una I inducida en la bobina en el sentido contrario. Es decir, la corriente inducida se crea en el sentido de minimizar la variación de la corriente en el circuito. De ésta misma forma, si la corriente en la fuente disminuye, se crea una corriente inducida en la misma dirección de ésta corriente para que su variación sea menor.

Sólo añadir que los coeficientes de autoinducción en los circuitos se asocian de la misma forma que las resistencias.

Para más información, en el PDF. ¡Gracias y comentarios!

Inducción electromagnética PDF