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13/09/2015 #1


Tutorial para el diseño de amplificadores de bajo nivel clase A con transistor BJT
Buenas madrugadas a todos.
Este es mi primer tutorial y lo hago para la comunidad con todo el gusto del mundo, si hay algo mal o algún comentario estoy abierto a escuchar siempre y cuando sea un debate constructivo.

Introduccion
Básicamente trata sobre como diseñar amplificadores de bajo nivel clase A con transistor BJT.
Antes. Me voy a enfocar sobre el diseño y sobre los parámetros a considerar.
Muchas de nosotros sabemos analizar un circuito, es decir nos dan todos o la mayoría de los datos y solo nos piden calcular algunas cosas, pero que pasa cuando hablamos de diseño, la cosa cambia, pues solo partimos con algunos datos y debemos calcular todo para un optimo funcionamiento. A algunos nos cuesta demasiado, a otros no tanto. En mi caso acostumbrado al análisis, me di de topes en la pared tratando de diseñar, y después de todo un Sábado recolectando información, repasando teoría, simulando (carezco de osciloscopio), googleando, me di cuenta que no hay algún tutorial para el diseño de este tipo de circuitos de forma directa y sencilla, algunos tutoriales o videos tratan de tocar el tema pero terminan aterrizando al análisis, pues parten de un circuito ya construido y solo dan un repaso de las formulas que usaron, otros documentos mas avanzados tocan el tema de diseño muy a fondo, desde parámetros H, impedancias, ganancias etc, (nada del otro mundo, pero poco entendible para los que no tenemos mucha paciencia como yo ajaja, ya me aventare algo así y se los comparto).
Así que por el momento me dedicare a mostrar esto de manera fácil y aplicable.

Desarrollo
Partiré directamente a cuestiones de diseño dando por entendido que se sabe el análisis y las formulas que gobiernan el comportamiento de dicho circuito, pues sobre esto hay mucha documentación.
A continuación muestro los pasos de "bosquejo" para mi es como querer dibujar, primero imaginas como va a quedar el resultado final, y poco a poco vas trazando las lineas y uniéndolas, después retocas con sombras para el resultado final.

Bosquejando
  1. Imaginando (visión del circuito final, recolección de información y datos relacionados.)
  2. Trazando lineas (calcular los valores adecuados de los elementos)
  3. Sombreando (realizar pequeños ajustes y corroborar valores

Ahora si vamos por pasos
Imaginando (visión del circuito final, recolección de información y datos relacionados.)

Para poder hacer esto es necesario saber donde empezar, para esto vamos a partir del esquema general de un amplificador clase A de baja señal, por medio de un transistor BJT polarizado por divisor de Tensión.

VER ADJUNTO t1


Como vemos nuestro transistor esta polarizado por un divisor de tensión, en donde los resistores R2 y R1 aseguran o ubican nuestro punto de operación en la recta de carga del transistor, cabe destacar que para que este funcione como amplificador, este punto debe estar en la región lineal, i nunca debe pasar a Corte o Saturacion.

Ahora que ya sabemos que dibujar, hay que saber que lineas trazar primero (que componentes usar). Bien para esto debemos tener en mente los datos.
Vamos a partir de lo siguiente:

Queremos usar un fuente de alimentación de 12V

Queremos que por el colector circule una corriente de 25 mA para cuando nuestro transistor este trabajando en el punto de operacion Q dentro de la region lineal.


Con estos dos datos podemos definir un tercero muy importante, y es el VCEQ (Voltaje de colector emisor en el punto Q) VER ADJUNTO RECTA, este valor VCEQ esta definido por:



Ahora que sabemos el punto de operacion del transistor debemos de elegir uno adecuado.
Los parametro que sabemos son los siguinetes:
Corriente en el colector IC = 25ma
Voltaje colector-emisor VCE = 6v
Voltaje Base-Emisor = 0.7V (para el silicio, este valor es el umbral para romper y comenzar a trabajar en la region activa).
Para este caso he seleccionado el 2N3904, un transistor muy comun de baja potencia NPN, podemos ver el datasheet adjunto.

Bien veamos que en la seccion ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
aparece el parametro VCBO, este valor indica el maximo soportado para la polarizacion Base Colector.
Ic es la corriente maxima del colector en este caso 200mA, pero usar este valor hara trabajar el transistor a su maxima potencia la cual es de 625mW, no es aconsejable. Es recomendable forzar un transistor hasta un 60% de su potencia nominal, en este caso seria para una Ic = 120mA y Ptot = 375mW esto para un trabajo en la region lineal optimo.
Otro parametro importante es la beta (hfe) ganancia de corriente. La verdad en polarizacion por divisor de voltaje, el circuito se hace mas estable a los cambios de hfe, por lo que usaremos el valor mínimo que es de 100.

Ahora que sabemos que transistor usar es necesario calcular las resistencias RC y RE, estas resistencias nos establecen la recta de carga, ojo no el punto de operación Q, para este punto son R2 y R1.

partimos de la malla colector emisor y tenemos la relación:
pero sabemos que IC = IE (mas bien muy aproximado hay una diferencia en nano amperes, pero es despreciable)
Así
---------------------------------1)
-----------------------------------2)

podemos comenzar a calcular Rc y Re, para esto es valido proponer un valor de Re = 100 Ω
asi podemos despejar de 1) el valor de Rc
---------------------------------3)
sustitullendo los valores conocidos:
Ω
Ahora si tenemos Re y Rc
Re = 100Ω
Rc = 140Ω
Con esto podemos trazar nuestra recta de carga.
para esto hacemos Cero VCE en 2)

y haciendo Ic = 0 en 1)

Así tenemos el adjunto recta2
ahora calcularemos Rth, es la resistencia paralela que se forma entre R2 y R1
para este calculo se debe cumplir un criterio, que es que esta resistencia debe ser tal que la corriente hacia la base sea del 10% y el 90% se disipe a través de esta resistencia, por lo tanto:
--------------------------------------------------4)
Sustituimos:
Ω
Ahora calculamos el valor del voltaje de thevenin que esta dado por:
---------------------------------5)

Sustituimos en 5)


teniendo estos valores, regresamos para calcular R2 y R1



con esto tenemos listo nuestro circuito.
Sacamos los valores comerciales para las resistencias:
RE = 100Ω
RC = 220Ω
R2 =3.9kΩ
R1 = 1.5kΩ

Como podemos observar en el adjunto simulación, el circuito opera en el punto de operación
Bueno pues esto es todo, espero les sea de utilidad.
Para la proxima parte mostrare como trabaja con una señal CA, y el acoplamiento al amplificador.
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