INFORME PREAMPLIFICADOR

Contenido

INFORME PROYECTO SEGUNDO PARCIAL

Tema: DESARROLLO DE UN PREAMPLIFICADOR DE POTENCIA DE UNA

FLAUTA

Integrantes: Mayra Comina Cristhian Ochoa

NRC: 2365

Fecha de entrega: 23/06/2014

ELECTRÓNICA GENERAL

ELECTRÓNICA GENERALIngeniería

Mecatrónica

TEMA...............................................................................................................................................................................3

OBJETIVO GENERAL....................................................................................................................................................3

OBJETIVO ESPECÍFICO................................................................................................................................................3

MARCO TEÓRICO.........................................................................................................................................................3

ESPECIFICACIONES DE ALGUNOS ELEMENTOS..................................................................................................7

DISEÑO DEL CIRCUITO...............................................................................................................................................9

CÁLCULOS...................................................................................................................................................................11

SIMULACIONES...........................................................................................................................................................17

ANÁLISIS DE RESULTADOS.....................................................................................................................................21

COSTOS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS.......................................................................................................21

CONCLUSIONES..........................................................................................................................................................22

BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................................................22

ANEXOS........................................................................................................................................................................22

TABLA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1: Transistor PNP............................................................................................3Ilustración 2: Transistor NPN............................................................................................3Ilustración 3: Configuración en emisor común.................................................................4Ilustración 4: Configuración en base común.....................................................................4Ilustración 5: Configuración en colector común...............................................................4Ilustración 6: Regiones de trabajo de un transistor..........................................................5Ilustración 7: Polarización fija...........................................................................................5Ilustración 8: Polarización de Emisor...............................................................................6Ilustración 9: Polarización por divisor de voltaje..............................................................6Ilustración 10: Polarización con retroalimentación de voltaje..........................................6Ilustración 11: Polarización en base común......................................................................7Ilustración 12: Datasheet del transistor 2N3904...............................................................7Ilustración 13: Parlante......................................................................................................8Ilustración 14: Especificaciones del parlante....................................................................8Ilustración 15: Transistor en configuración de emisor común..........................................9Ilustración 16: Frecuencias de las notas musicales en una flauta......................................9Ilustración 17: Configuración en emisor-seguidor..........................................................10Ilustración 18: Simulación circuito completo..................................................................16Ilustración 19: Forma de la señal de entrada y salida......................................................16Ilustración 20: Simulación voltajes en emisor común.....................................................17Ilustración 21: Simulación corrientes en emisor común.................................................17Ilustración 22: Simulación voltajes en seguidor emisor..................................................18Ilustración 23: Simulación corrientes en el seguidor emisor...........................................18Ilustración 24: Voltaje del emisor en el seguidor emisor................................................19Ilustración 25: Voltaje base seguidor emisor..................................................................19Ilustración 26: Voltaje de base transistor en emisor común............................................19Ilustración 27: Voltaje colector en el transistor en emisor común..................................19Ilustración 28: Diseñando el circuito...............................................................................21Ilustración 29: Construcción del circuito........................................................................22Ilustración 30: Circuito en la galleta...............................................................................22Ilustración 31: Circuito final...........................................................................................22Ilustración 32: Señal en el osciloscopio..........................................................................22

PREAMPLIFICADOR Página 2


Mecatrónica

TEMA: DESARROLLO DE UN PREAMPLIFICADOR DE POTENCIA DE UNA FLAUTA

OBJETIVO GENERAL Diseñar un preamplificador de audio utilizando como señal de entrada la señal

del sonido de una flauta.

OBJETIVO ESPECÍFICO Aplicar todos los conocimientos obtenidos en clase para el diseño y la

fabricación de un preamplificador. Utilizar una configuración emisor común para el preamplificador y una

configuración emisor-seguidor para el acople de impedancias. Realizar las respectivas simulaciones y comprobar el funcionamiento correcto de

nuestro circuito. Emplear como principales componentes transistores en sus diferentes

configuraciones y polarizaciones para obtención de una señal no muy amplificada pero si nítida.

MARCO TEÓRICOTRANSISTOREl transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de material tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una de material tipo n. El primero se llama transistor npn y el segundo transistor pnp.

Ilustración 1: Transistor PNP

Ilustración 2: Transistor NPN

Los grosores de las capas externas son mucho mayores que las del material tipo p o n emparedado. Para los transistores mostrados en la figura 3.2 la relación entre el grosor total y el de la capa central es de 0.150/0.001_150:1. El dopado de la capa emparedada



Mecatrónica

también es considerablemente menor que el de las capas externas (por lo común de 10:1 o menor). Este menor nivel de dopado reduce la conductividad (incrementa la resistencia) de este material al limitar el número de portadores “libres”.

CONFIGURACIONES

Como está conectado el transistor.

EMISOR COMÚN Amplifica Voltaje y Corriente.

BASE COMÚN Amplifica Voltaje.

COLECTOR COMÚN Amplifica corriente pero también se configura para que sirva como acople de impedancias.

EMISOR COMÚN

Ilustración 3: Configuración en emisor común

BASE COMÚN

Ilustración 4: Configuración en base común

COLECTOR COMÚN



Mecatrónica

Ilustración 5: Configuración en colector común

REGIÓN DE TRABAJO

Región sobre la curva característica que está trabajando.

Ilustración 6: Regiones de trabajo de un transistorFuente: ROBERT BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY. (2009). Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México : Pearson

Educación.

REGIÓN ACTIVA En esta región la conexión base-emisor está polarizado directamente y la conexión colector-emisor esta polarizado inversamente.

REGIÓN DE SATURACIÓN

En esta región la conexión base-emisor está polarizado directamente y la conexión colector-emisor esta polarizado directamente.

REGIÓN DE CORTE En esta región la conexión base-emisor está polarizado inversamente y la conexión colector-emisor esta polarizado inversamente

POLARIZACIÓN



Mecatrónica

Como estoy alimentando ese transistor. Polarización Fija

Es la configuración de polarización de cd más simple.

Emisor

Contiene un resistor emisor para mejorar la estabilidad del nivel en relación con la de la configuración de polarización fija.

Divisor de Voltaje

La configuración de polarización por medio del divisor de voltaje es un circuito que se ha desarrollado con el fin de que el mismo no dependa del beta del transistor.

Retroalimentación de Voltaje

También se puede obtener un mejor nivel de estabilidad introduciendo una trayectoria de realimentación desde el colector a la base, por lo común la sensibilidad a los cambios


Ilustración 7: Polarización fija

Ilustración 8: Polarización de Emisor

Ilustración 9: Polarización por divisor de voltaje


Mecatrónica

de beta o las variaciones de la temperatura se presenta menos en las configuraciones de polarización de emisor o de polarización fija.

Base común

La configuración en base común se diferencia en que la señal aplicada está conectada al emisor y la base está en, o un poco arriba, del potencial de tierra. Es una configuración bastante popular porque en el dominio de ca tiene una muy baja impedancia de entrada, una alta impedancia de salida y una buena ganancia.

ESPECIFICACIONES DE ALGUNOS ELEMENTOS ESPECIFICACIONES DEL TRANSISTOR


Ilustración 10: Polarización con retroalimentación de voltaje

Ilustración 11: Polarización en base común


Mecatrónica

Ilustración 12: Datasheet del transistor 2N3904

Como podemos ver en el DATASHEET del transistor 2N3904 tenemos un rango de β de entre 100 y 300.

ESPECIFICACIONES DEL PARLANTE

Ilustración 13: Parlante

Como podemos ver en la Ilustración 9 el parlante tiene una Impedancia de 5Ω y 5W de potencia.

ESPECIFICACIONES DEL MICRÓFONO



Mecatrónica

Ilustración 14: Especificaciones del parlante

DISEÑO DEL CIRCUITO

PREAMPLIFICADOR

Para realizar el preamplificador utilizar un transistor en configuración en emisor común porque deseamos tener una amplificación de voltaje y corriente.



Mecatrónica

Ilustración 15: Transistor en configuración de emisor común

CAPACITOR

Evita la superposición de la fuente AC y DC. Calculo el capacitor con la frecuencia de la señal de entrada que en nuestro caso sería la frecuencia de las notas que emite la flauta.Para el análisis en AC el capacitor se hace corto circuito y en el análisis DC el capacitor se abre.

Ilustración 16: Frecuencias de las notas musicales en una flauta

En nuestro caso la frecuencia variaría entre:

ACOPLE DE IMPEDANCIAS

Colocamos un acople de impedancias para conseguir impedancias iguales con la Máxima Transferencia de Potencia. En el primer caso entre el micrófono y el preamplificador al colocar la impedancia logramos conseguir que una impedancia alta se transforme en baja y se conecte nuevamente a otra alta.


261.6 Hz ≤ f ≤ 523.3 Hz


Mecatrónica

Ilustración 17: Configuración en emisor-seguidor

Al conectar una Impedancia baja (parlante) la señal amplificada no se atenuará, y además el parlante al manejar una alta potencia necesitará de una etapa final que amplifique la corriente porque la potencia es VI y de la anterior configuración obtuvimos un voltaje amplificado entonces ahora nos interesa amplificar la corriente.

CÁLCULOSCAPACITORES

Datos:Rmedido=2400 Ω

ZoutMICROFONO=RL∨¿ Rmedido

ZoutMICROFONO=RL∗Rmedido

RL+Rmedido

ZoutMICROFONO=2200 Ω∗1565.7 Ω2200 Ω+1565.7 Ω

ZoutMICROFONO=914.71 Ω

X c=ZoutMICROFONO

10

X c=914.71 Ω

10X c=91.47 Ω

C1=1

2 πf Xc



Mecatrónica

C1=1

2 π∗200 Hz∗91.47 ΩC1=8.69 uF

Un valor comercial al cual se acerque este capacitor C1es el capacitor de: 10uf

PREAMPLIFICADOR

Para diseñar el Preamplificador utilizamos el siguiente circuito:Datos para el diseño:f =200 Hz I c=10 mA V cc=10V

Parámetros de diseño:

V CE=V cc

2

V E=¿0.1 V cc

Desarrollo:

V CE=10V

2V CE=5 V

V E=¿0.1 V cc

V E=¿0.1 *10VV E=¿1V

V CE=V C−V E

V C=5V +1VV C=6V

V BE=V B−V E

V B=0.7 V +1 VV B=1.7 V

β=IC

I B

I B=10 mA

100I B=100uA

I E=( β+1 ) I B

I E=(100+1 )∗100 uAI E=10.1 mA


Q22N3904

C1

10µF

R1

20kΩ

R2

5.6kΩ

RC

400Ω

RE

27Ω

V1

20mVrms 200 Hz 0°

VCC

10V


Mecatrónica

RE=V E

I E

RE=1 V

10.1 mARE=99 Ω≈ 100 Ω

Para facilidad de cálculo reducimos el circuito anterior al siguiente:

RE

1.0kΩ

Q12N3904

RC

1.0kΩ

VCC

5V

RTH

1.0kΩ

VTH

12 V

R1=20 k Ω

RTH=R1∗R2

R1+R2

V TH=R2∗V cc

R1+R2

Análisis malla de entrada:I B RB+V BE+ I E RE−V TH=0

10∗R2

20000+R2

−20000∗R2∗100 uA

20000+R2

=1.7

R2=5396.83 Ω≈ 5.6 k Ω

Análisis malla de salidaV CC−IC RC−V CE−I E RE=0

RC=V CC−V E−V CE

I c

RC=−1V +10 V−5 V

10 mARC=400 Ω

Nuestro circuito diseñado quedaría de la siguiente manera:



Mecatrónica

Q22N3904

C1

10µF

R120kΩ

R25.6kΩ

RC400Ω

RE

100Ω

V1

20mVrms 200 Hz 0°

VCC

10V

IMPEDANCIA DE ENTRADA Y LA DE SALIDA Para ello utilizamos el modelo siguiente:

V2

12 V

R1

1.0kΩ

R2

1.0kΩ

RC

1.0kΩ

Bre

1.0kΩ

BIb

1 A

r E=26 mV

I E

r E=26 mV

10.1 mA=2.547 Ω

Z¿1=R1∨¿ R2∨¿ βre



Mecatrónica

Z¿1=

R1∗R2

R1+R2

∗β re

R1∗R2

R1+R2

+β r e

Z¿1=

20 k Ω∗5.6 k Ω20 k Ω+5.6k Ω

∗100∗2.547Ω

20 k Ω∗5.6k Ω20k Ω+5.6 k Ω

+100∗2.547Ω

Z¿1=240.687 ΩZout 1=Rc

Zout 1=400 Ω

ACOPLE DE IMPEDANCIAS

Datos:Z¿2=Zout 1=400 Ω

Q12N3904

R7

10kΩ

R6

6Ω

C3

1500F

V1

10 V

RE

15Ω

V3

120 Vrms 200 Hz 0°

C2

22µF X c2=Z¿ 2

10

X c2=400 Ω

10X c2=40 Ω

C2=1

2 πf Xc 2

C2=1

2 π∗200 Hz∗40 ΩC2=19.89 uF ≈ 22 uF

Zout 2=Z parlante=6 Ω



Mecatrónica

X c3=Z parlante

10X c3=0.6 Ω

C3=1

2 πf Xc 3

C3=1

2π∗200 Hz∗0.6 ΩC3=1326.29 uF ≈ 1500 uF

Pero: Zout 2=RE∨¿Zout 1

β2

Zout 2=

Zout 1

β2

∗RE

Z out1

β2

+RE

6 Ω=

400 Ω40

∗RE

400 Ω40

+RE

RE=15 Ω

Q12N3904

R710kΩ

R66Ω

C3

1500F

V110 V

RE15Ω

V3

120 Vrms 200 Hz 0°

C2

22µF

Para diseñar el Acople de impedancias utilizamos el siguiente circuito:Datos para el diseño:I c=100 mA

V C=10 V

β=IC

I B

I B=778uAI E=( β+1 ) I B



Mecatrónica

I E=92.9 mAV E=I E∗RE

V E=92.9mA∗15 ΩV E=1.39V

V CE=V C−V E

V CE=10 V−1.39 VV CE=8.61 V

V BE=V B−V E

V B=0.7 V +1.39 VV B=2.09V

SIMULACIONES

CIRCUITO COMPLETO

Ilustración 18: Simulación circuito completo



Mecatrónica

Ilustración 19: Forma de la señal de entrada y salida

VOLTAJES EMISOR COMÚN

Ilustración 20: Simulación voltajes en emisor común

CORRIENTES EMISOR COMÚN



Mecatrónica

Ilustración 21: Simulación corrientes en emisor común

VOLTAJES SEGUIDOR EMISOR

Ilustración 22: Simulación voltajes en seguidor emisor

CORRIENTES SEGUIDOR EMISOR



Mecatrónica

Ilustración 23: Simulación corrientes en el seguidor emisor

VOLTAJES MEDIDOS

Ilustración 24: Voltaje del emisor en el seguidor emisor



Mecatrónica

Ilustración 25: Voltaje base seguidor emisor

Ilustración 26: Voltaje de base transistor en emisor común

Ilustración 27: Voltaje colector en el transistor en emisor común

ANÁLISIS DE RESULTADOS

TRANSISTOR EN EMISOR COMÚN EN POLARIZACIÓN CON DIVISOR DE VOLTAJEDATOS CALCULADO MEDIDO SIMULADO ERROR CA/SI % ERROR ME/CA% ERROR ME/SI%VCE [V] 5 4,9 4,252 1,759 2,0408 13,2245VB [V] 1,7 1,57 1,887 0,991 -8,2803 -20,1911VE [V] 1 0,98 1,155 1,342 2,0408 -17,8571Vc [V] 6 6,8 5,407 1,097 11,7647 20,4853

Tabla 1: Voltajes en el emisor común

CALCULADO SIMULADO ERROR

IB [uA] 100 68,748 31,252

IC [mA] 10 11,491 -14,912

IE [mA] 10,1 11,59 -14,753

Tabla 2: Corrientes en el emisor común

TRANSISTOR EN SEGUIDOR EMISOR EN POLARIZACIÓN CON RETROALIMENTACIÓN DE VOLTAJEDATO CALCULAD MEDID SIMULAD ERROR CA/SI ERROR ME/CA ERROR ME/SI%



Mecatrónica

S O O O % %VCE [V] 8,61 8,86 8,601 0,292 2,904 2,923VB [V] 2,09 1,6 2,208 3,800 23,445 27,536VE [V] 1,39 1,13 1,39 2,301 18,705 18,705Vc [V] 10 10 10 0,000 0,000 0,000

Tabla 3 : Voltajes en el seguidor emisor

CALCULADO

SIMULADO ERROR

IB [uA] 778 779,314 0,169IC [mA] 100 92,498 7,502IE [mA] 92,9 93,277 0,406Tabla 4: Corrientes en el seguidor emisor

Los errores son justificables puesto en algunos casos tuvimos que cambiar los valores de resistencias por valores comerciales, modificando un tanto los valores calculados.

COSTOS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS

CANTIDAD MATERIAL COSTO POR UNIDAD TOTAL2 TRANSISTOR 2N3904 0,1 0,23 CAPACITORES 0,6 1,8

7 RESISTENCIAS 0,02 0,14

1 PARLANTE 1,5 1,5

1 MICRÓFONO 1,5 1,5

1 GALLETA 3 3

SUBTOTAL 8,14

IVA:12% 0,9768

TOTAL 9,1168

CONCLUSIONES

Se debe tomar en cuenta cuando compramos un parlante, la impedancia y la potencia que este tiene puesto que necesitaremos estos datos para cálculos posteriores.

El parlante tiene baja impedancia y es de esperarse puesto que se quiere que fluya por él una alta corriente y una tensión amplificada a fin de que se saque provecho a la potencia del parlante y que exista una máxima transferencia de potencia.

La etapa del emisor seguidor debe tener una impedancia alta que sea por lo menos 10 veces mayor a la impedancia de salida de la etapa anterior a fin de que la señal amplificada se atenué lo menos posible. Es decir que lo que caiga en la resistencia interna de la fuente excitadora (Impedancia de salida de la etapa anterior) sea mínima y aprovechar el resto de la señal de entrada de la etapa, y al final de la etapa del seguidor emisor requerimos que la señal amplificada se mantenga sin atenuaciones y que la corriente de salida sea más grande de tal manera que exista la máxima transferencia de potencia



Mecatrónica

En el seguidor emisor la tensión de salida sigue a la de entrada por tal razón como la señal de salida es aproximadamente igual a la tensión de entrada la ganancia de voltaje es 1.

Logramos aplicar todos nuestros conocimientos obtenidos en clase para el diseño de nuestro circuito.

BIBLIOGRAFÍA1) Electrónica, teoría de circuitos y dispositivos eléctricos 8va edición

Boylestad y Nashelsky/ págs. 131-1372) http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2008/04/

transistores.pdf3) http://www.sharatronica.com/prueba_transistores.html

ANEXOS

Ilustración 28: Diseñando el circuito

Ilustración 29: Construcción del circuito



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Ilustración 30: Circuito en la galleta

Ilustración 31: Circuito final

Ilustración 32: Señal en el osciloscopio


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