curso de electricidad 13

Introducción

Existen distintas configuracio-nes y existen varias formas de po-larizar un transistor, cada una consus ventajas y desventajas.

Se dice que un amplificador deaudio es aquel que incrementa elnivel de una determinada señalque posee una frecuencia com-prendida dentro del espectro audi-ble (20Hz a 20kHz).

Para el diseño de un amplifica-dor interesan características talescomo la potencia de salida, impe-dancia de carga, impedancia deentrada, nivel de la señal de en-

trada, tensión de alimentación,etc.

Configuraciones Configuraciones CirCircuitales Básicascuitales Básicas

Básicamente, a un transistor selo puede utilizar en tres configura-ciones distintas a saber:

a- Configuración Base Co-mún

b- Configuración EmisorComún

c- Configuración ColectorComún

El Amplificador Base Común

Las principales característicasson:

• Baja impedancia de entrada(entre 50 ohm y 300 ohm)

• Alta impedancia de salida(entre 100 kilohm y 1 Megohm).

• Posee alta ganancia de ten-sión.

• No posee ganancia de co-rriente.

• La señal de salida no estádesfasada respecto de la de entra-da.

LECCION 13

1

TEORIA: LECCION Nº 13

El Transistor Como AmplificadorEntramos en la etapa final de nuestro curso de electrónica y nues-tro objetivo es explicar cómo funciona un transistor en etapas deaudio, más precisamente, cómo se lo debe polarizar y cuáles son lasconfiguraciones básicas. En receptores de radio, amplificadores oequipos de audio, la señal ingresante al “amplificador de audio”puede tener una frecuencia comprendida entre 20Hz y 20kHz. Esosequipos se pueden construir a partir de distintas configuracionesespeciales. Por ejemplo, podría ser necesario amplificar la señalque entrega un generador de baja impedancia o la señal que sumi-nistra un sintonizador de alta impedancia; en estos casos no podríautilizar el mismo amplificador. Además, podría necesitar un ampli-ficador de corriente, de tensión o de potencia.

Por: Horacio D. Vallejo

En la figura 1 vemos el cir-cuito de un amplificador basecomún.

Si observamos el circuito,la polarización del emisor estal que la juntura base-emisorqueda en directa, constituyeasí un circuito de muy baja re-sistencia de entrada (diodo en di-recta) que oscila entre 50 y 300Ω,mientras que el colector quedapolarizado en inversa, lo que haceque la salida tenga una resistenciaelevada que oscila entre 100kΩ y1MΩ.

La ganancia de corriente:

Icα = ——— < 1

Ie

α es menor que la unidadpero se asemeja a 1; varíaentre 0,98 y 0,999, pero loque aquí importa es que laganancia de resistencia esmuy grande (aproximada-mente Rs/Re = 1500) con locual la etapa posee gran ga-nancia de tensión.

Existe una familia de cur-vas que caracterizan el funciona-miento de cada transistor en laconfiguración base común, y sellaman curvas características paraconexión base común (o base atierra, o base a masa).

Muchas veces es cómodo tra-bajar con una sola batería y paraello se polariza al transistor (figura2). Los resistores de base Rb y Radan a la base una polarizaciónpositiva respecto de emisor a losfines de que la juntura BE quedepolarizada en directa mientras queel colector es positivo respecto del

emisor. C1 es un camino a masapara la señal alterna a los fines deobtener máxima señal sobre la re-sistencia de carga Rc. La señal a lasalida está en fase con la señal deentrada, pues un aumento de latensión de base provocará un in-cremento de la corriente de colec-tor y, a su vez, aumentará la señalsobre Rc que es la carga (salida)del circuito. Observe que C1 esun cortocircuito para corriente al-terna; anula los resistores Ra y Rbya que no hay caída de tensiónde señal alterna sobre éstos.

El Amplificador Emisor Común

En este tipo de circuito, la se-ñal de entrada se aplica entrebase y emisor del transistor.Aquí también la polarizacióndel transistor es tal que elemisor queda polarizado en

directa, condiciones imprescindi-bles para que el transistor funcio-ne como tal.

Se trata de un amplificador deimpedancia de entrada moderada,no muy alta impedancia de salida,posee ganancia de tensión y co-rriente y la señal de salida estádesfasada 180° respecto de la se-

ñal aplicada a la entrada.

Tensión de entrada = TensiónBase-emisorTensión de salida = TensiónColector-EmisorCorriente de entrada = Co-rriente de BaseCorriente de salida = Corrientede Colector

Desarrollemos este tema anali-zando el circuito de un ampli-ficador emisor común (figura

3).La resistencia de entrada varía

con la polarización, siendo un va-lor normal 5.000Ω, aunque puedevariar entre 100Ω y 10.000Ω, se-gún la polarización. La resistenciade salida es moderada, es decir,unos 50.000Ω según el transistor ysu polarización.

Aquí la corrriente de colectorse controla con la corriente de ba-se, de aquí que con pequeñas va-riaciones de la corriente de basese obtengan grandes variaciones

EL TR A N S I S TO R C O M O AM P L I F I C A D O R

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de la corriente de colector, ra-zón por la cual, actuando comoamplificador de corrriente, sedefine lo que se llama factor β.

Ic β = ———

Ib

β = Ganancia de corrientedel transistor en la configura-ción emisor común

Por lo dicho, en un amplifica-dor base común se utiliza el pará-metro:

Icα = ——

Ie

y aquí se usa:

Ic β = ———

Ib

Pero la diferencia fundamentales que este circuito (emisor co-mún) tiene ganancia de corrientey también ganancia de tensión,por lo cual se puede tener unaganancia de potencia que puedellegar a 10.000 veces (40dB), loque lo hace muy popular. Nóteseque, si al aplicar una señal de en-trada aumenta la tensión de base,aumentará la Ib, lo que hará au-mentar la Ic; si esto ocurre, au-mentará la caída de tensión sobreRL y, por ley de Kirchhoff (queveremos en la próxima lección),disminuirá la tensión colector-emi-sor (tensión de salida) pues:

Vcc = VRL + Vce

Como Vcc es constante, si au-menta VRL deberá disminuir Vce.En síntesis, un aumento de la se-ñal de entrada provocará una dis-minución (mayor) de la tensiónde salida por lo cual hay una in-versión de fase entre entrada y sa-lida, al revés de lo que ocurría enun circuito Base-Común.

Aquí también es necesario, alos fines de simplificar la construc-ción del circuito, polarizar al tran-sistor con una sola batería o fuen-te de alimentación y para ello haymuchas formas de hacerlo; una deellas es la denominada polariza-ción fija, que consiste en colocarun resistor entre base y bateríacon el fin de polarizar la junturabase-emisor en directa (figura 4).

Para calcular el valor de la re-sistencia de base, basta con fijarun valor de corriente de base. Sa-

bemos que habrá además unacaída de tensión sobre RL queno debe ser demasiado altapara que el colector siga sien-do positivo respecto de la ba-se.Para hacer el cálculo de Rb seemplea la malla formada porVcc, Rb y la juntura BE deltransistor (figura 5).

Ejemplo 1Si consideramos la Vbe = 0,6V

y queremos una corriente de basede 50µA con una Vcc = 6V, la Rbdebe ser de:

6V - 0,6VRb = ————— = 108.000Ω

50 x 10-6 A

Un valor comercial que se ase-meje a este valor es 100kΩ: por lotanto, adoptamos una Rb =100kΩ.

Es fácil notar que, pase lo quepase, la Ib permanece constantefrente a variaciones de temperatu-ra o por cambios de transistorpues para todos los transistoresVbe = 0,6V (Si) o Vbe = 0,2V (Ge)aproximadamente.

IcSegún lo estudiado: β = ——

IbCon lo cual:

Ic = β . Ib

Ocurre que todos los transisto-res “no” son iguales y su b puedevariar por cambios de temperatura(además de variar entre transisto-res), con lo cual, si es fundamen-tal que Ic no varíe, tendría que


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55

cambiar el valor de Rb cadavez que se cambia de transis-tor, lo que complica el análisis.

Esto hace que la polariza-ción fija no sea la más adecua-da, ya que es inestable frente acambios de transistores y fren-te a variaciones de temperatu-ra, por lo que resulta imposi-ble mantener fija la corrientetípica de colector.

Para solucionar en parte es-te problema, se utiliza la polariza-ción automática que consiste enconectar el resistor Rb entre basey colector, que cumple la funciónde “sensar” la tensión entre colec-tor y base para polarizar a ésta. Esdecir, existe una realimentacióndesde el colector hacia la base(realimentar significa tomar unamuestra de alguna parte del cir-cuito y enviarla a otra parte delcircuito con el fin de variar algunacaracterística del mismo). La pola-rización automática, aunque tienela desventaja de disminuir la ga-nancia del amplificador, mejora al-gunas fallas de la polarización fija(figura 6).

Para calcular el valor de Rb de-bemos saber cuál es el valor detensión que pretendemos queexista en colector y cuál es la co-rriente que circulará por la base.

Analizando el circuito y apli-

cando Kirchhoff puede deducirseque:

Vce - VbeRb = —————

Ib

Ejemplo 2Si se desea tener una tensión

entre colector y emisor Vce = 4Vcon una corriente de base de Ib =50µA, debemos colocar una Rb(figura 7), que se calcula:

4V - 0,6VRb = ————— = 68.000Ω

50 x 10-6A

Casualmente, esta vez el valorcalculado para Rb = 68kΩ coinci-de con un valor comercial.

Para calcular la polarización deun circuito con polarización auto-mática se debe recurrir al circuito

de entrada (figura 8).Se deduce que:

Vcc = VRc + VRb + Vbe

Si consideramos que Ic es mu-cho mayor que Ib se puededecir que:

VRc = Ic . Rc

VRb = Ib . Rb

Luego:

Vcc = Ic . Rc + Ib . Rb + Vbe

Reemplazando la relación:

Ic IcIb = —— Vcc = Ic . Rc + —— . Rb + Vbe

β β

Si se trabaja matemáticamente,se llega a:

Vcc - VbeIc = ——————— (1)

RbRc + ——

β

En la fórmula de cálculo de Icse ve que ahora el β no influyetanto sobre el valor de la corrientede colector, razón por la cual nohay grandes variaciones de Ic conla temperatura o por cambios deltransistor.

Aunque la variación de β seagrande debido a que se cambió eltransistor o hubo una variación detemperatura, el circuito no se veráafectado, dado que Ic permanececasi constante.

Veamos un ejemplo:


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Ejemplo 3Calcular la polarización (figura

9).Q es un transistor de silicio

(Vbe = 0,6 V) que posee un β =200.

Aplicando la fórmula (1), obte-nemos:

12V - 0,6V Ic = ————————— =

22.000Ω————— + 1.200Ω

200

12V - 0,6V Ic = ————————— =

110Ω + 1.200Ω

11,4VIc = ———— = 8,7mA

1310Ω

Supongamos que hay una va-riación del 50% del b por cual-quier causa, lo que lo lleva a unvalor β’ = 300, nos preguntamos,¿variará mucho la corriente de co-lector? Para aplacar dudas, calcule-mos el nuevo valor de Ic.

Vcc - VbeIc = ———————

RbRc + ——

β

11,4VIc = ——————————

22.000Ω1200Ω + ————

300

11,4VIc = —————— = 8,95mA

1.200Ω + 73,3Ω

Se puede comprobar entoncesque una variación del 50% en elvalor del b provoca en este casouna variación inferior al 5% en lacorriente del colector, lo que indi-ca que ha aumentado la estabili-dad del circuito.

En este circuito la realimenta-ción negativa también estará pre-sente para la señal alterna que de-seamos amplificar; es decir, existeuna disminución en la gananciadel circuito, pero la estabilidad lo-grada compensa ampliamente estapequeña desventaja ya que, con elprecio actual de los transistores, sinecesitamos mayor ganancia,siempre podemos recurrir a másetapas en amplificación.

Como vemos, logramos estabi-lidad térmica bajando la gananciadel sistema.

Si consideramos despreciablela corriente de base frente a la co-rriente de colector, podemos cal-cular la tensión colector-emisor de

la siguiente manera (figura 10):

Vcc = VRc + Vce

Como Ic >> Ib; trabajando ma-temáticamente:

Vce = Vcc - Ic . Rc

Vcc - VbeVce = Vcc - ————— . Rc

RbRc + ——

β

Aplicando esta fórmula alejemplo que hemos analizado, po-dremos conocer cuánto vale latensión colector-emisor.

Vce = 12V - 8,7mA . 1,2kΩ =1,56V

La baja tensión Vce indica queel transistor está operando cercade la zona de saturación. Recorde-mos que esta zona tiene su límitepara una Vce ≅ 1V.

Para otras aplicaciones resultanecesario graduar la ganancia dela etapa a voluntad (ganancia detensión) y además que el circuitosea térmicamente estable; paraello suele utilizarse una realimen-tación de corriente en el circuitode polarización, por medio de lacolocación de un resistor en elemisor del transistor. En el circuitoasí constituido cualquier aumentoen la corriente de colector por al-guna causa, desarrollará una ten-sión sobre el resistor de emisor talque, si la tensión de base perma-nece constante, polariza en formainversa la juntura Base-Emisor quecompensará la variación de la co-


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rriente de colector.La polarización “fija” de la

base se consigue por mediode un divisor resistivo.

Veamos lo siguiente, lapolarización de la base esVcc . R2/(R1 + R2) o sea nodepende de ningún paráme-tro del transistor.

Un aumento de Ic aumen-ta VRe que es la caída sobreRe (ver figura 11).

Para calcular la corrientede colector es necesario co-nocer el valor de la tensiónde la base respecto de masay la resistencia que “ve” labase.

El cálculo se facilita siconsideramos que I1 es mu-cho mayor que Ib.

Dibujando la batería del otrolado se comprenderá mejor el cir-cuito de entrada (figura 12) :

VccI1 = —————

R1 + R2

VB = I1 . R2

Reemplazando:

VccVB = ———— . R2 (2)

R1 + R2

El desarrollo que estamos ha-ciendo es una aplicación del teo-rema de Thevenin que dice quecualquier circuito puede ser reem-plazado por un generador de ten-sión en serie con una resistencia.Aplicando este teorema al circuitoque está conectado entre base ymasa del transistor, tenemos que

R2 está conectada a la base juntocon R1 y Vcc.

Ahora bien, el generador detensión VB se calcula como la ten-sión que cae entre base y masadel transistor cuando éste ha sidodesconectado; esta tensión es laque cae sobre R2 y es la VB, fór-mula (2).

En tanto la resistencia de The-venin RB la calculamos con eltransistor desconectado y cortocir-cuitando la fuente de alimentación(II). Observe el circuito de la figu-ra recién vista, donde al cortocir-

cuitar la fuente de continua(Vcc) R1 y R2 quedan conec-tados en paralelo.

R1 . R2RB = ———— (3)

R1 + R2

En la figura 13 vemos quéocurre si reemplazamos VB yRB en el circuito de la figura11.Lo hecho no es más que unaaplicación del teorema deThevenin para simplificar elcálculo de la corriente de co-lector.Aplicando Kirchhoff en elcircuito de la figura, se tiene:

VB = VRB + Vbe + VRe

VB = Ib . Rb + Vbe + Ie . Re

Como Ic ≈ Ie

VB = Ib . RB + Vbe + Ic . Re

IcTambién Ib = ———

β

IcVB = —— . RB + Vbe + Ic . Re

β

RBVB = Ic . ( —— + Re) + Vbe

β

Despejando:

VB - VbeIc = ——————

RB——— + Re

β


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Donde:VB y RB se calculan por

medio de las fórmulas (2) y(3).

Vbe = 0,2V para el germa-nio y 0,7V para el silicio.

β ganancia de corriente enemisor común dado por el fa-bricante.

Para que la señal alterna nodesarrolle una tensión sobre elresistor Re, se coloca un capa-citor de desacople entre emisory masa. De esta forma el capacitoren paralelo con Re deriva la señalde CA a masa para impedir pérdi-das de ganancia. En síntesis, elagregado de Re tiende a estabili-zar la corriente de colector.

Dado que generalmente Re »Rb/b, si varía el b, Ic se mantieneconstante, entonces hay mayor es-tabilidad (figura 14).

De la misma forma que hemosprocedido anteriormente, pode-mos calcular la tensión Colector-Emisor aplicando Kirchhoff en elcircuito de salida.

Vcc = VRc + Vce + VReVcc = Ic . Rc + Vce + Ic . ReVcc = Ic (Rc + Re) + VceVce = Vcc - Ic (RC + Re)

Ejemplo 4:Calcular la polarización de un

transistor con polarización por di-visor resistivo que posee los si-guientes datos:

R1 = 82kΩR2 = 8200ΩRc = 2700ΩRe = 120ΩQ = Transistor de silicio con

β = 200Vcc = 10V

Aplicando las fórmulas vistas:

R1 . R2 82k . 8,2kRb = ———— = ————— =

R1 + R2 82k + 8,2k

Rb = 7,45kΩ

Vcc . R2 10V . 8,2VB = ————— = —————— =

R1 + R2 82 + 8,2

VB = 0,91V

VB - Vbe 0,91V - 0,7VIc = —————— = ——————— =

Rb 7450ΩRe + —— 120Ω + ———

β 200

Ic = 1,33mA

Vce = Vce - Ic (RC + Re) = Vce = 10V - (2700Ω + 120Ω) . 1,33mAVce = 6,25V

El transistor está polarizadocon Ic = 1,33mA y Vce = 6,25V.

En síntesis, el agregado de Re

proporciona una estabilidadadicional al circuito ya quepermite sensar la corriente deemisor.Se conecta un capacitor en pa-ralelo para que la corriente al-terna se derive a masa por élsin producir caída de tensiónalterna sobre Re, lo que dismi-nuiría la ganancia.Existen otras polarizacionespara la configuración emisorcomún pero todas ellas buscan

mayor ganancia de tensión y au-mento en la estabilidad del circui-to que son los factores determi-nantes para la elección del circui-to adoptado para cada caso.

El Amplificador Colector Común

En este circuito la señal de en-trada se aplica entre colector y ba-se que, como sabemos, es unajuntura polarizada en inversa paraque el transistor trabaje correcta-mente: de esta manera se lograque la impedancia de entrada deun transistor en esta configuraciónsea muy alta (resistencia elevada),mientras que la salida se toma en-tre colector y emisor, siendo laimpedancia de salida bastante ba-ja.

Esta etapa posee una gananciade potencia bastante baja compa-rada con la que se puede obteneren una etapa emisor común.

La tensión de salida es siempremenor que la tensión de entrada:por lo tanto, la ganancia de ten-sión es menor que la unidad.

Este circuito se utiliza como


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elemento adaptador de im-pedancias (figura 15).

Acomodamos el circuitopara poder verlo como co-múnmente se utiliza (figura16).

Si aumenta la señal deentrada, aumenta la corrientede emisor y por lo tanto laseñal sobre la RC con locual, como ocurre en la con-figuración base co-mún, aquí no hayinversión de fase.

Resumen sobre polarizaciónLos transistores

se deben polarizarpara que la junturaBase-Emisor esté endirecta y la junturaBase-Colector traba-je en inversa: paraello se usa generalmente la polari-zación por divisor resistivo, polari-zación fija o polarización automá-tica. Cada configuración tiene ca-racterísticas particulares, las cualespodemos sintetizar en la tabla 3.

Recta Estática de Carga

Los transistores puedenubicar su funcionamiento enuna zona de trabajo donde surespuesta es lineal, una zonadenominada “ZONA DE COR-TE” y una tercera zona quedetermina la “SATURACION”del transistor. Se debe estable-cer un punto de funciona-miento del transistor dentrode su región activa (zona li-

neal) con el objeto de obtener ala salida del amplificador una se-ñal réplica de la de entrada perode mayor amplitud.

El punto de reposo del transis-tor, que hemos aprendido a calcu-lar para las distintas polarizacio-

nes, se debe hallar sin apli-car señal externa y se lo lla-ma punto “Q” de funciona-miento, punto de reposo osimplemente punto de traba-jo.Ubicando este punto Q so-bre las curvas característicasde salida del transistor yaplicando métodos gráficosse puede predecir el com-

portamiento delamplificador cuan-do se le aplica unaseñal a la entrada.Si la señal de sali-da no es fiel a laingresante, lo másprobable es que nose haya elegido co-rrectamente el pun-to de reposo.Al polarizar untransistor se debe

elegir los componentes asociados(resistores, alimentación, etc.) consumo cuidado, ya que el punto Qno debe quedar en cualquier par-te de la zona activa del transistor.Se debe tener en cuenta las espe-cificaciones dadas por el fabrican-


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TABLA 3

RESISTENCIA RESISTENCIA GANA GANACONFIGURACION ENTRADA SALIDA CORRIENTE TENSION

BASE Baja AltaCOMUN No Sí

50 a 300 ohm 100 k a 1 MohmEMISOR Baja-Moderada Moderada-AltaCOMUN Sí Sí

100 a 10.000 ohm 5k a 1 MohmCOLECTOR Alta Baja-ModeradaCOMUN Sí No

100k a 1 Mohm 100 a 1000 ohm

te, tales como Potencia Má-xima de Disipación (Pcmax), Tensión Máxima deColector (Vc max), Corrien-te Máxima de Colector (Icmax), Factor β de Amplifi-cación, etc (figura 17).

Para pequeñas señales, siel transistor está bien polari-zado se puede asegurar quela tensión de salida no serádistorsionada, “pero no es lamisma la tensión de colectorque la señal de salida”, yaque esta última no debe po-seer generalmente una com-ponente de continua, razónpor la cual se colocan capa-citores de desacople a la sa-lida del circuito (y también a laentrada) lo que obliga a analizarel circuito sin componente conti-nua y con componente continua(figura 18).

En este circuito, la tensión decontinua del colector del transistorno aparece sobre la resistencia decarga RL a causa del bloqueo im-puesto por Cb2 pero la señal so-bre RL es una réplica amplificadade la señal de entra-da.

Los valores de loscapacitores deben sertales que a la fre-cuencia mínima detrabajo no ofrezcanresistencia apreciableal paso de la señal.

Para la ubicacióndel punto de trabajose recurre general-mente a métodos grá-ficos, se usan las cur-vas de salida del tran-sistor en la configura-

ción en que se esté utilizando eldispositivo.

Si se conocen los elementosasociados a la salida del transistorpueden calcularse los resistores depolarización de base, previa ubi-cación del punto de reposo deltransistor, partiendo de la denomi-nada RECTA ESTATICA DE CAR-GA del transistor (figura 19).

Para trazar esta recta sobre la

familia de curvas, se obtie-ne la ecuación de la mallade salida del circuito. Porejemplo, en el circuito deun transistor en emisor co-mún con polarización pordivisor resistivo se tieneque:

Vcc = Vce + Ic (Rc + Re) (4)

En esta ecuación, Vcc, Rc yRe son valores conocidosmientras que Vce e Ic sonvariables.En geometría se estudiaque la ecuación (4) repre-senta una recta y para tra-zarla hace falta conocer dos

puntos de dicha recta. Los puntoselegidos serán:

a) para Vce = 0 debemos calcu-lar el valor de Ic.

b) Para Ic = 0 debemos calcu-lar el valor de Vce.

a) Cuando Vce = 0, de la fór-mula (4):

Vcc = 0 + Ic (Rc + Re)

despejando:

VccIc = —————

(Rc + Re)

b) Cuando Ic = 0, dela fórmula (4):

Vcc = Vce + 0 (Rc + Re)

Vcc = Vce

Es decir, los dos pun-


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tos elegidos para trazar la rectaserán:

Vcca) (Ic; Vce) ⇒ ( ——— ; 0)

(Rc + Re)

b) (Ic; Vce) ⇒ (0; Vcc)

Si ubicamos estos puntossobre las curvas de sali-da del transistor y traza-mos una recta que pasepor ellos, encontraremosla recta estática de cargadel circuito (figura 20).Esta recta es útil porqueno importa que varíe lacorriente de base comoconsecuencia de la apli-cación de una señal, losvalores de Ic y Vce seubicarán sobre dicharecta. Además, cono-ciendo los valores máxi-mos de la señal a apli-car y trasladándolos algráfico se podrá calcularcuáles son los valorescorrespondientes de lacorriente de colector.Supongamos polarizar labase tal que circule unacorriente Ib*; se puedehallar el punto de repo-so buscando la intersec-ción entre la curva re-presentativa de Ib2 y laRecta Estática de Carga;luego, trazando rectasparalelas a los ejes de Icy Vce se pueden cono-cer rápidamente los va-lores de Icq y Vcq (ten-sión y corriente de co-lector de reposo).

Ejemplo 5:Se desea levantar la Rec-

ta Estática de Carga del amplifica-dor del ejemplo Nº 4 (figura 21).

Vcc 10VA) Vce = 0 ⇒ Ic = ———— = ————— =

Rc + Re (2.700 + 120)

Ic = 3,55mA

B) Ic = 0 ⇒ Vce = Vcc = 10V

Como se ve, trazando una pa-ralela al eje Vcc que pase por unaIcq = 1,33mA, cortará a la RectaEstática de carga en un puntoVceq = 6,25V que coincide conlos datos calculados anteriormen-te.

Por supuesto, al aplicar una se-ñal alterna a la entrada, variará lacorriente de base, lo que harácambiar los valores de Ic y Vce (siVce aumenta Ic debe disminuir yviceversa).

Si crece Ib aumentará Ic y ba-jará Vce; por el contrario, si Ibdisminuye también lo hará Ic, loque provocará un aumento deVce.

“Note que Vce no puede valermenos de 0 volt, ni más de 10volt.”

Recta Dinámica de Carga

Se ha visto que por métodosgráficos se pueden predecir losdistintos valores de Ic y Vce quepuede tomar un transistor polariza-do cuando se le aplica una señalde entrada, pero en el razonamien-to no se ha tenido en cuenta lacarga que se le aplica al circuito através de un capacitor.


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La Recta Estática deCarga es muy útil paraanalizar el funcionamientodel circuito sin que a éstese le aplique señal, es de-cir, donde se ubicaría elpunto de reposo si hubie-se algún corrimiento dealgún parámetro a causade determinados factores,como por ejemplo la tem-peratura. Analicemos elcircuito de la figura 22.

Cuando se aplica unaseñal de corriente alterna,C2 es un corto circuito;lo mismo ocurre con elcapacitor de desacoplede emisor CE y la fuentede alimentación (porconsiderarla como un ca-pacitor cargado de altacapacidad). De esta ma-nera el emisor estará co-nectado a masa y Rc es-tará en paralelo con la cargaRL (figura 23).

Para analizar el comporta-miento del circuito para se-ñales alternas gráficamentees necesario construir unaRECTA DINAMICA DECARGA que contemple elparalelo entre Rc y RL yahora RE = 0 a causa de lamuy baja impedancia quepasa a tener CE.

Para trazar la Recta Diná-mica de Carga se tiene en cuentael punto de reposo del transistorya que sin señal se ubicará sobredicho punto. La técnica consisteen trazar una recta que pase porel punto Q con pendiente 1/Rd,siendo Rd el paralelo entre Rc yRL (figura 24).

Rc . RLRd = ————

Rc + RL

Ejemplo 6Se tiene un amplificador polari-

zado en configuración emisor co-mún con divisor resistivo al quese le aplica una señal de corriente

alterna que provoca unavariacion en la corrientede base de 10µA pico apico. Se desea conocercómo cambiará la co-rriente de colector si losdatos del circuito son lossiguientes (ver figura 25):Para resolver este proble-ma utilizando métodosgráficos recurrimos a losdatos dados por el fabri-cante, donde general-mente encontramos lasfamilias de curvas deltransistor (figura 26). Elmétodo que estamosdescribiendo es aplicableporque consideramosuna pequeña señal deentrada (ANALISIS PARAPEQUEÑAS SEÑALES).Para trazar la recta estáti-ca de carga en primer lu-

gar obtenemos los puntosnecesarios con los datos delcircuito.

a) Cuando Vce = 0

Vcc 18VIc = ———— = ———— ≈ 9,5mA

Rc + Re 1920

b) Cuando Ic = 0

Vce = Vcc = 18V

Con estos datos construimos larecta estática de carga sobre la fa-milia de curvas (figura 27).

Debemos ahora trazar la rectadinámica de carga. Para hacerlodebemos conocer los valores deIcq y Rd.


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2222

2323

2424

VBB - VBEIcq = ——————

RB RE + ———

β

18V . 3,9 VBB =————— = 1,38V

47 + 3,9

47 . 3,9RB = ————— = 3,6kΩ

47 + 3,9

1,38V - 0,7VIcq = —————— ≈ 5,27mA

3600120Ω + ———

400

VCEq = Vcc - Icq (Rc + Re)

VCEq = 18V - 5,2mA (1800 + 120) Ω ≈VCEq = 7,8V

Rd = Rc//RL

Rc . RL 1800 . 4700Rd = ————— = —————— =

Rc + RL 1800 + 4700

Rd = 1300Ω

Con los datos calculados sepuede trazar la Recta Dinámicade Carga (RDC) pero para quie-nes no son muy hábiles en mate-máticas digamos que conocemosun punto de la RDC que es elpunto Q (ver figura 28), para cal-cular otro punto digamos que una

variación de 5,2mA en la co-rriente de colector provocaráuna variación de tensión de:∆Vce = ∆ Ic . RD(∆ significa “variación”)

∆VCE = 5,2mA . 1,3k = 6,8V

Trazada esta recta debemosaveriguar qué variación de Icprovoca una variación de lacorriente de base de 10µA, se-gún solicita el enunciado del

problema. A partir del punto Qdibujamos la señal hasta cortar lospuntos de IB que correspondan;luego trazando paralelas al eje ho-rizontal hallaremos la correspon-diente corriente de colector.

Del gráfico se deduce que:

IBq = 16µA (ver figura 29).

Dibujemos ahora esta señal so-bre la familia de curvas (figura30).

Observamos en el gráfico queuna corriente de base de 21µAprovoca una corriente de colectordel orden de los 7,2mA y una co-rriente de base de 11µA generaráuna corriente de colector de3,4mA. Por lo tanto la corriente decolector tendrá la forma quemuestra la figura 31.

Del gráfico se desprende que


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la respuesta del transistor noes lineal ya que el pico po-sitivo de la corriente entran-te es amplificado un poqui-to más que el pico negativo.De todos modos la alineali-dad no es tan grande comopara que provoque unagran distorsión. Si analizadetenidamente este ejemplopodrá comprender que elpunto Q debe ubicarsesiempre en el centro de laR.E.C para tener igual excursiónde la señal en los semiciclos po-sitivos y negativos.

Cálculo de los Capacitores de Paso

Hemos dicho que tanto los ca-pacitores de acoplamiento de en-trada y salida, como el capacitorde desacople de emisor, se debencomportar como un cortocircuitopara la señal de trabajo. La formade cálculo de estos capacitores es-tá íntimamente ligada con la im-pedancia del circuito “que ven es-tos elementos” ya que el efectoresistivo debe ser mucho menorque dicha impedancia para todaslas señales que se desean amplifi-car.

La reactancia de un capacitorse calcula como:

LXc = —————

2 π . f . C

De aquí se deduce que, en lamedida que aumenta la frecuenciade la señal tratada, menor será el

efecto de oposición del capacitoral paso de las señales. Por lo tan-to, el peor caso se presenta conlas señales de menor frecuencia,donde el capacitor puede que nose comporte como un cortocircui-to.

Para calcular el valor del capa-citor necesario, éste debe teneruna “resistencia” (en realidad reac-tancia) 10 veces menor que el va-lor de la impedancia que él verá ala mínima frecuencia de trabajodel amplificador.

Por ejemplo, si la impedanciade entrada de un amplificador esde 5.000Ω, el capacitor de pasode entrada no debe presentar unareactancia superior a 500Ω para lafrecuencia mínima de operación.

Ejemplo 7Calcular el valor del capacitor

de desacople de una resistenciade emisor de 100Ω si la mínima

frecuencia de operación deltransistor será de 20Hz.Sabemos que:

1Xc = —————

2 π . f . C

y que:

ReXc = —————

10luego:

Re 1—— = ——————10 2 π . f . C

despejando:

10Ce = ——————

2 . π . f . Re

Si queremos dar el valor delcapacitor en µF multiplicamos el

segundo término por 106, luego:

107

Ce [µF] = ——————2 . π . f . Re

Reemplazando valores:

107

Ce [µF] = ———————— =6,28 . 20Hz . 100Ω

107

Ce [µF] = ————— = 796µF12,56 . 103

En general el valor de Re esmayor, al igual que la frecuencia


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mínima de operación, con locual el valor Ce disminuye bas-tante. Valores normales estáncomprendidos entre 50µF y220µF.

Del mismo modo se puedencalcular los capacitores de paso(CB1 y CB2) obtenién-dose valores normalesque oscilan entre 10µFy 100µF.

Acoplamientos Interetapas

Para conectar eltransductor de entradaal amplificador, o la carga u otraetapa es necesario un medio deacoplamiento que permita adaptarimpedancias para que exista máxi-ma transferencia de energía. Losacoplamientos interetapas más uti-lizados son:

a) Acoplamiento RCb) Acoplamiento a transfor-

madorc) Acoplamiento directo

a) Acoplamiento RC:

Este tipo de aco-plamiento es muyutilizado aunque conél no se produce unaperfecta adaptaciónde impedancias ypor lo tanto, no ha-brá máxima transfe-rencia de energía.Separa totalmente laseñal de los circuitosde polarización (figu-

ra 32). El resistor R1 puede ser elresistor de carga (o polarización)de la primera etapa mientras queR2 puede ser el resistor de polari-zación de base, si la segunda eta-pa es un transistor. El capacitor Cdeja pasar las señales alternas pro-venientes de la primera etapa yevita que la tensión de polariza-ción quede aplicada en la entradade la segunda etapa. La capacidaddel capacitor C tiene que ser laadecuada a las frecuencias de lasseñales que se desean amplificar;por ejemplo, para acoplar etapasde audio su valor debe ser eleva-

do (algunos microfarad) paraque su reactancia sea pequeñaa la menor frecuencia que sedesea amplificar. Una capaci-dad pequeña ofrecería unareactancia elevada al paso delas bajas frecuencias, por lo

que éstas quedarían ate-nuadas.Si se desea acoplar eta-pas amplificadoras contransistores usando capa-citores electrolíticos, laposición del capacitor de-penderá de la polaridadde los transistores. Vea-mos un ejemplo en la fi-gura 33.

Con transistores NPN la basees menos positiva que el colector;por lo tanto, el capacitor electrolí-tico se conecta con el positivo dellado del colector de la primeraetapa.

Generalmente se utiliza unacoplamiento con resistor y capa-citor en etapas amplificadoras deaudio de bajo nivel. Veamos elcircuito de la figura 34.

Cada etapa tiene su polariza-ción, como ya hemos visto, utili-zando resistores de polarización,Re en emisor y capacitores parapermitir que la corriente alterna

no se desarrolle so-bre ellos. El acopla-miento lo produceel capacitor Cc juntocon R1 y Rb2, don-de R1 sirve de cargapara el primer tran-sistor y Rb2 sumi-nistra la polariza-ción necesaria a labase del segundotransistor.


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En la figura 35 pode-mos ver qué ocurre alacoplar tres etapas ampli-ficadoras mediante resis-tor y capacitor.

Allí se observa un am-plificador de tres etapascon emisor común, aco-pladas por resistor-capaci-tor.

La ganancia óptima delconjunto se obtiene ajus-tando el valor de las resis-tencias de colector. Si Rces muy grande, en ellahabrá una excesiva caída de ten-sión que disminuirá la polariza-ción del colector; por el contrario,si Rc es baja habrá una amplifica-ción insuficiente. En este circuitoel punto de funcionamiento de lostransistores está dado por las re-sistencias Rb ya que se trata de uncircuito de polarización fija.

En los preamplificadores deaudio de varias etapas (tres, cua-tro o más), los transistores estánconectados en cascada y, debidoa la alta ganancia delconjunto, el circuito pue-de tornarse inestable,por lo que es necesariodesacoplar las etapascon el fin de evitar unarealimentación desde lasalida hacia la entrada através de la línea de ali-mentación.

Veamos el circuito dela figura 36 donde seagrega un resistor de de-sacople en serie con elresistor de base del se-gundo transistor:

La constante de tiem-po R1 . C1 debe ser tal

que la frecuencia realimentadaque se debe amplificar sea deriva-da a masa a través de C1; ademásR1 debe ser pequeña para que elsuministro de tensión de Q1 no sereduzca demasiado, con lo cualC1 debe tomar un valor alto(100µF o más).

La finalidad de este filtro es lade compensar la influencia de laimpedancia interna de la fuentede alimentación en el acoplamien-to de impedancias interetapas. En

otras palabras, impideque se amplifique elruido que puede estarmontado sobre señal,emanada de la fuentede alimentación.

b) Acoplamiento por Transformador

El acoplamiento atransformador se utilizacon el fin de obtenermáxima ganancia de

potencia; para ello deben adaptar-se las impedancias de entrada yde salida del transistor.

En la figura 37 vemos un cir-cuito acoplado a transformador:

Se emplea un transformadorreductor T1 para acoplar la entra-da del transistor con lo cual, sibien hay una disminución de latensión aplicada (por ser un trans-formador reductor), hay un mayorsuministro de potencia ya que,por el teorema de máxima transfe-

rencia de potencia, selogrará transferir máxi-ma energía cuando laspartes están perfecta-mente adaptadas (igualimpedancia).Para adaptar la salidatambién usamos untransformador reductorya que el parlante po-see baja impedancia,en contraposición conla alta impedancia delcolector del transistor.Este T2 adapta las im-pedancias de colector yparlante, así permiteque la potencia entre-


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gada al parlante seamáxima.

En este circuito setiene una polarizaciónpor divisor de tensión,donde R1 y R2 dan lapolarización adecuadaa la base, y Re da la es-tabilización necesariapara evitar problemaspor cambios en los pa-rámetros del transistor;C1 se coloca para evitarque la señal se atenuesobre R1, y C2 para im-pedir que la señal sedesarrolle sobre Re, así el ren-dimiento del circuito aumenta.

En síntesis, un acoplamientoa transformador permite adap-tar impedancias y aísla nivelesde continua, pero posee la des-ventaja fundamental de que suscaracterísticas varían con la fre-cuencia, razón por la cual sue-le distorsionar (aunque muypoco) a todas aquellas señalesque no están compuestas poruna sola frecuencia. Ade-más, es pesado y de grantamaño; si se quiere dismi-nuir las pérdidas, el costoaumenta considerablemente.

Pero el acoplamiento atransformador posee tam-bién otras aplicaciones co-mo ser: invertir la fase de laseñal aplicada al bobinadoprimario, sumar o restar doso más señales aplicadas avarios bobinados primariosdel transformador, etc (figu-ra 38).

En el circuito, Q1 es un ampli-ficador de audio polarizado enclase A (permite amplificar toda la

señal ) que debe transferir suenergía a los transistores Q2 y Q3;para ello se utiliza el transforma-dor T1 como sistema de acopla-

miento. Los bobinadosL2 y L3 entregan la se-ñal a Q2 y Q3 con fa-ses opuestas. Este sis-tema permite aumentarel rendimiento de unaetapa de audio y esmuy utilizado en losreceptores comerciales.Recuerde que la rela-ción entre los bobina-dos L1-L2 y L1-L3 debeser tal que permita laadaptación de impe-dancias (figura 39).En este otro ejemplo,

el transformador T2 recibe laseñal proveniente de los tran-sistores Q2 y Q3. Las corrien-tes circularán en sentidoopuesto y se restarán los cam-pos magnéticos producidospor éstas.Ahora bien, se busca que unoconduzca cuando el otro no lohace y viceversa, de tal formaque en el secundario de T2 es-tarán presentes las señales de

ambos transistores pero lacorrespondiente a Q3 apare-cerá invertida respecto de laseñal producida por Q2; setrata entonces de un circuito“sumador” (en realidad res-tador) en el cual T2 sumalas señales y adapta las im-pedancias de los transistorescon el parlante.

c) Acoplamiento Directo

Este tipo de acoplamiento con-siste en unir dos etapas por mediode un cable. En principio, estemétodo es ideal porque resulta


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económico y no sufre las atenua-ciones que introduce todo capaci-tor en bajas frecuencias.

En sistemas amplificadores, elmétodo consiste en conectar elcolector de un transistor con labase del siguiente (figura 40).

El principal problema de estecircuito radica en que los nivelesde continua del colector de untransistor y de la base del transis-tor siguiente son iguales, razónpor la cual la tensión de colectorde los transistores es bajísima limi-tando así su funcionamiento.

Para solucionar este problemase puede polarizar el primer tran-sistor en configuración colectorcomún, lo que significa que la se-ñal ingresa por la base y sale porel emisor. Para ello se conecta elemisor de la primera etapa a labase de la etapa siguiente (figura41).

En este caso Re1 y Re2 cum-plen la función de estabilizar a lostransistores frente a variacionestérmicas, las impedancias estánadaptadas ya que la impedanciade salida de un amplificador co-lector común es baja, al igual quela impedancia de entrada de unamplificador emisor común (enrealidad no tan baja).

Se puede au-mentar aún másla ganancia delcircuito de la figu-ra anterior si sedesacopla el emi-sor del segundotransistor (figura42).

El emisor sedebe desacoplar

solamente en la segunda etapa, yaque si se conectara un capacitorde desacoplamiento entre emisory masa de la primera etapa, la se-ñal que entrega esta etapa se deri-varía a masa a través del capacitory no llegaría a la etapa siguiente.

Otra forma de acoplar directa-mente dos etapas amplificadorasse muestra en el circuito de la fi-gura 43.

En este caso, R1 sirve comocarga de Q1 y como polarizaciónde Q2 al mismo tiempo.

Podemos conectar dos etapasamplificadoras en emisor común através de un resistor, considerandoeste acoplamiento como directo;permite trabajar con distintos nive-les de continua entre colector delprimer transistor y base del segun-do, pero presenta el inconvenien-te de disminuir el rendimiento (fi-gura 44).

Las ventajas del acoplamientodirecto son aprovechadas en lamayoría de los equipos de audio,ya sea en aquellos que utilizancircuitos integrados o en circuitosde excelente diseño.

En la actualidad son muy po-cos los equipos de buenas carac-terísticas que no utilizan este aco-plamiento.


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Los capacitores de acoplamien-to, por ejemplo, introducen undesplazamiento de fase cuyamagnitud angular no es uni-forme para todas las frecuen-cias (recuerde que la reactan-cia capacitiva depende de lafrecuencia), lo que es indesea-ble para muchas aplicaciones.

En el acoplamiento directono existe este problema.

Otra forma de acoplamien-to muy difundido en la actua-lidad es el “Acoplamientocomplementario” que se basaen el uso de un transistor NPNy otro PNP (figura 45).

El circuito mostrado corres-ponde a un acoplamiento di-recto complementario que uti-liza un transistor NPN en laprimera etapa y un PNP en lasegunda; R1 y R2 forman el di-visor de tensión que polarizala base del primer transistor.Re1 contribuye a mejorar la es-tabilidad térmica. R3 actúa comoresistencia de carga del primertransistor y como polarización de

base de Q2; es quien define elacoplamiento.

Observe que ambas etapas tra-bajan en configuración de emisorcomún ya que tanto masa (el co-

mún de Q1) como +Vcc (el comúnde Q2) se pueden considerar masa

a los efectos de la señal. Re-cordemos que Vcc se puedeconsiderar como un capacitorcargado de alta capacidad.En ausencia de señal, R3 pola-riza adecuadamente a Q2.Cuando se aplica una señalpositiva en base de Q1, se ha-ce más negativa la base de Q2y así aumenta su corriente decolector. Si, por el contrario,se aplica una señal negativaen base de Q1, aumenta latensión en base de Q2, perodisminuye la tensión de salida.Para mejorar la estabilidad delsistema, se puede colocar unresistor en el acoplamiento di-recto complementario (figura46).En síntesis, este acoplamientose usa generalmente en aque-llos casos en que se deseaaprovechar la componente

continua de una etapa en otra ydonde el factor costo es funda-mental. FIN


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