Polarización en emisor común.

En este artículo voy a explicar como se polariza un transistor en emisor común mediante divisor de tensión y posteriormente simularlo con LTspice, para finalmente montarlo en una placa protoboard.

Veremos después que la simulación y el diseño funcionan sin NINGÚN tipo de distorsión incluso con niveles bastante altos de entrada (hasta 250 mili-voltios de pico).

Voy a mostrar el esquema del amplificador (olvidaros de momento del valor de los componentes).

Vamos a hacer el diseño, pero antes decidamos lo que queremos.

  • Doce voltios de alimentación.
  • Ganancia en voltios de 20 (26 decibelios).
  • Buena respuesta en frecuencia (20 hercios ÷ 20 kilohercios).

Empecemos:

Elegiremos siempre la resistencia del divisor de tensión, la superior de un valor alto. Esto es así para que la impedancia de entrada del amplificador sea lo mas alta posible (es el paralelo de R1 y R2). Con 10 kilo ohmios esta bien.

La tensión en la base haremos que sea de unos dos voltios (regla de diseño, sin mas). Haciendo cálculos resulta ser de un valor de 2200 ohmios (tenemos 2.2 voltios en la base con este valor).

Elegiremos una corriente de colector de 5 mili-amperios. Lo ideal sería tener las curvas de colector del transistor empleado (para obtener la recta de carga), pero con la experiencia mas el simulador y usando este valor no tendremos problemas. Si hubiera problemas como la falta de simetría en la salida, lo veríamos en la simulación.

Sabiendo la corriente de emisor y la tensión en la base, sabemos calcular la resistencia de emisor:

RE = \frac{2.2 - 0.7}{0.005} = 300 \ ohmios

Hacemos que caiga en colector-emisor la mitad de la tensión, o sea seis voltios (regla de diseño). Esto nos da una tensión en la resistencia de colector de:

Tension \ en \ Rc = 12 - (2.2 - 0.7) - \frac{12}{2} = 4.5 \ voltios

Con esta tensión y la corriente de emisor (la de colector es similar), calculamos la resistencia de colector:

Rc = \frac{4.5}{0.005}= 900 \ ohmios

Queríamos una ganancia de 20 veces. Rc/Re = 20. Como queremos valores comerciales, la Rc debe ser de 1000 (en la teoría era de 900). La Re debería ser en la practica de 50 (el valor mas cercano es de 47 ohmios).

Con esos valores podemos valorar cual sería la corriente de saturación (debería ser el doble que la de polarización):

Ic-sat = \frac{12}{1000+300}= 9.2 \ miliamperios

Es lo que debería salir. Nuestro amplificador esta bien polarizado.

Con respecto a los condensadores electrolíticos, para acoplos elegiremos de diez microfaradios y un desacoplo en principio de 100 microfaradios (para que funcione bien en baja frecuencia).

Si simulamos el transitorio hasta cinco mili-segundos, veremos algo parecido a esto:

Vemos que la ganancia obtenida es de 18 veces. Nos acercamos al valor requerido y no lo conseguimos. ¿Por qué? Por la resistencia en alterna de emisor. Esta es de 5 ohmios y se calcula como sigue:

r'e = \frac{25mV}{Ie}=\frac{25mV}{5mA}=5 \ ohmios

Si lo calculamos de nuevo añadiendo esta resistencia parásita, la ganancia será de:

Ganancia= \frac{1000}{47+5}=19.2

Si queremos obtener mas ganancia, bajamos el valor de RE (47 ohmios) y lo que quitemos se lo añadimos a R3. Así la corriente de emisor no queda alterada.

Ahora veamos la respuesta en frecuencia. Simulamos en alterna (AC Analysis) y obtenemos lo siguiente:

Como vemos no llega en el comienzo, a 20 hercios. Solución: Aumentar el valor de C1 a 470 microfaradios. Esta es la respuesta con dicho cambio:

Este condensador no necesita mucho ser mucho mas de doce voltios. El que yo he usado es de dieciséis (de sobra, ya que cae poco mas de un voltio). Lo digo por el tamaño, que será de ocho milímetros de diámetro.

Podríamos mejorarlo hasta el infinito, pero no terminaríamos nunca. Llegó la hora de pasar al “hardware”. Vamos pues.

La siguiente imagen muestra el previo montado en una protoboard:

Al montarlo, intentar hacer las conexiones lo mas pequeñas posibles, ya que aunque es baja frecuencia, los cables podrían captar ruido ambiente (y se verá en el osciloscopio y se oiría en el altavoz). Una buena medida también es la de filtrar la alimentación con un electrolítico de unos 100 microfaradios por ejemplo.

Esta es la salida real (no simulada) para 200 mili-voltios de pico (0.4 Vpp, tal como se ve en la imagen que sigue). La ganancia pues es de 20 voltios (o sea 26 decibelios).

Si subimos a 250 milivoltios de pico (0.5 Vpp) se empieza a apreciar una ligera distorsión. En cualquier caso, aseguraros de que este previo no llega a esos niveles (menor que 0.5 Vpp en la entrada).­

Espero que el artículo haya sido de vuestro agrado. Un saludo.

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