Onda cuadrada

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Autores Ingrid Johanna Campos Alumno

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Revisión Ing. José Méndez Instructor

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ONDA CUADRADA

Animación de la sínstesis aditiva de una onda cuadrada mediante el incremento del número de armónicos

Se conoce por onda cuadrada a la onda de corriente alterna (CA) que alterna su valor entre dos valores extremos sin pasar por los valores intermedios (al contrario de lo que sucede con la onda senoidal y la onda triangular, etc.)Se usa principalmente para la generación pulsos eléctricos que son usados como señales (1 y 0) que permiten ser manipuladas fácilmente, un circuito electrónico que genera ondas cuadradas se conoce como generador de pulsos, este tipo de circuitos es la base de la electrónica digital

El contenido espectral de una onda cuadrada se compone exclusivamente de armónicos impares (f, 3f, 5f, etc), extendiéndose a frecuencias más elevadas cuanto más abruptos sean sus flancos. Esto tiene dos consecuencias:

La capacitancia y autoinductancia parásitas filtran la señal, eliminando las componentes de mayor frecuencia, con lo que la onda cuadrada se degrada, tomando un aspecto cada vez más redondeado. Por otro lado, señales muy abruptas producen radiación de alta frecuencia, dando problemas de compatibilidad electromagnética y acoplos (diafonía) entre pistas. Por ello ciertas familias lógicas como Q-mos (Quit-mos) controlan la pendiente de los flancos de la señal, evitando que sean demasiado abruptos.

CIRCUITO DE UNA ONDA CUADRADA

Una forma de onda que se aproxima a la rectangular se obtiene con este circuito unijuntura. La frecuencia depende básicamente de C1 y se ajusta con P1. Los resistores son de 1/8W y la alimentación puede estar entre 12 y 15V. Alteraciones en R3 y R4 pueden ayudar a obtener una forma de onda más próxima a la rectangular en función del transistor Q2.

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Introducción  

El transistor unipolar es un elemento cuya resistencia interna puede variar en función de la señal de entrada aplicada; esta variación provocada hace que sea capaz de regular la corriente que circula por el circuito en el que se encuentra conectado.  Está formado por la unión de tres pastillas semiconductoras (N o P) unidas entre sí, siendo la central diferente a las de los extremos; de este modo, podemos encontrar transistores NPN o PNP. La pastilla central es la base y es la más pequeña de todas, y las de los extremos son el emisor y el colector (mayor que la del emisor).  El emisor está fuertemente dopado de portadores, y su misión es inyectarlos en la base. La base está ligeramente impurificada (menos dopada), y es por aquí por donde pasan los portadores que proceden del emisor camino del colector; de esta manera se crea una corriente. El colector está más dopado que la base, pero menos que el emisor, siendo éste quien recoge los portadores que vienen del emisor y no ha recogido la base. 

 

  

En todo transistor se cumple, respecto a tensiones y corrientes,  lo siguiente:       Vcb + Vbe = Vce      Ic + Ib = Ie   Además, como un parámetro muy importante, tenemos que:       B (beta o hfe) = Ic/Ib   y es la ganancia de corriente colector-base cuando la resistencia de carga es nula.  

 Polarización      

Consiste en conseguir las tensiones adecuadas en cada punto del circuito, las corrientes deseadas y el punto de reposo (o trabajo ) Q. Todo lo anterior implica conectar los transistores a ciertas resistencias que, por medio de las caídas de tensión

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producidas en ellas, lograrán establecer los valores pretendidos, así como su estabilidad. Todo esto se hará a partir de tensiones contínuas. 

            Recta de carga estática  

Será una recta situada en el primer cuadrante que cortará a las curvas Ic = f(Vce) --corriente de colector función de la tensión colector-emisor--.  Para obtener los dos puntos que definen la recta, plantearemos la ecuación de la malla de colector en el circuito que estemos analizando, haremos Ic = 0 y obtendremos Vce (punto de corte con el eje horizontal y máxima tensión que se puede aplicar). A continuación hacemos Vce = 0 y obtendremos Ic (punto de corte con el eje vertical y máxima corriente que nos puede proporcionar). 

   Punto de trabajo  

Siempre está situado en la recta de carga y dentro de alguna curva, especificando una cierta corriente de colector Ic y una determinada tensión colector-emisor Vce.  Para obtener el punto de trabajo Q plantearemos tres ecuaciones: La de la malla de base, la de la malla de colector y por último la ecuación del transistor Ic = B x Ib.  Posteriormente veremos aplicaciones de lo anterior en diversos circuitos de aplicación. 

 

  Zonas de trabajo  

Dependiendo de la posición del punto de trabajo, podemos distinguir tres zonas: Zona de corte, zona activa y zona de saturación. 

* Zona de corteEn esta zona siempre tendremos  Ib = 0,  Ic = 0,  Vce = Vcc. El transistor se comporta prácticamente como un circuito abierto. 

* Zona activaAquí es donde el transistor suele trabajar, siendo la zona en donde el transistor amplifica, cumpliéndose Ic = B Ib, Vce = 0,6v (0,2v para el caso de transistores de germanio). 

* Zona de saturación El transistor se comporta aproximadamente como un cortocircuito. Vce = 0,2v,  Ibsat > Ib,  Icsat = B Ibsat,  Ic = Icsat. 

 Estabilización       La estabilización tiene por objeto evitar el embalamiento térmico y reducir el desplazamiento del punto de trabajo.  Para conseguirlo se utilizan métodos por los que un incremento de la corriente de colector dé lugar, por realimentación, a una variación de otra magnitud que ocasione un decremento compensador de dicha corriente de colector, de forma que el incremento de Ic resultante sea mucho menor que el aumento de Ic sin el sistema estabilizador. 

 Ejemplos de circuitos de polarización

Polarización fija con resistencia de emisor  

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Obtención del punto Q:Ecuación de corrientes: Ie = Ic+Ib   Malla de colector: Vcc-Vce = IcRc+(Ic+Ib)Re   Malla de base: Vcc-Vbe = IbRb+(Ic+Ib)Re   Ecuación del transistor: Ic = BIb  (suponemos B = 120) 

 De la malla de base ---> Ib = 38,87 microamperios.  De la ecuación del trt ---> Ic = 4,58 miliamperios.  De la malla de colector ---> Vce = 5,42 voltios.   

Polarización por realimentación de colector  

   Obtención del punto Q:

Ecuación de corrientes: Ie = Ic+Ib                                        I = Ic+Ib    Malla de colector: Vcc-Vce = IR+(Ic+Ib)Re  (R = 810 ohmios)  Malla de base: Vcc-Vbe = IR+IbRb+(Ic+Ib)Re   Ecuación del trt: Ic = BIb    (suponemos B = 110) 

De la malla de base ---> Ib = 42,53 microamperios.  De la ecuación del trt ---> Ic = 4,58 miliamperios  De la malla de colector ---> Vce = 4,95 voltios. 

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  Estabilización por resistencia de emisor (Re) y polarización por divisor de tensión en base (autopolarización) 

 

  

El mecanismo eléctrico de este circuito es muy eficaz y se desarrolla del siguiente modo: Si suponemos un aumento de Ic, la caída de tensión en Re aumenta y contrarresta el aumento de la corriente Ic porque se produce un descenso en la tensión de polarización de base Vbe.  R1 y R2 son las resistencias que hacen variar el punto de trabajo Q y consecuentemente la zona de trabajo.   

Obtención del punto Q:Ecuación de corrientes: Ie = Ic+Ib  Malla de colector: Vcc-Vce = IcRc+(Ic+Ib)Re  Ecuación de tensión en base: Vbb = Vcc R2/(R1+R2)                                               Rb = R1R2/(R1+R2)   Malla de base: Vbb-Vbe = IbRb+(Ic+Ib)Re   Ecuación del transistor: Ic = BIb  (suponemos B = 110) 

De la malla de base ---> Ib = 55,11 microamperios.  De la ecuación del trt ---> Ic = 5,31 miliamperios  De la malla de colector ---> Vce = 5 voltios. 

Configuraciones básicas   Son las siguientes:  * Emisor común: La entrada es por la base y la salida por el colector.  * Base común: Entrada por emisor y salida por colector.  * Colector común: Entrada por base y salida por emisor. 

Cada configuración tiene sus características propias como pueden ser la amplificación de tensión y/o corriente, impedancia de entrada/salida alta, media o baja, etc.    Amplificación   Una vez polarizado el transistor para que trabaje en una zona determinada, introduciremos una señal alterna en su entrada para amplificarla.  La amplificación consiste en aumentar la amplitud de una señal eléctrica, por tanto en la salida del amplificador tendremos una señal idéntica a la de la entrada pero de mayor amplitud. 

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Dependiendo de donde se sitúe el punto de trabajo Q tendremos los siguientes tipos de amplificadores: 

* Amplificador en clase A: El punto de trabajo está situado en la zona activa.  * Amplificador en clase B: El punto de trabajo se sitúa en el límite de la zona activa. Sólo amplifican el semiciclo positivo de la señal de entrada, por lo cual se necesitarán dos transistores para amplificar ambos semiciclos (positivo y negativo).  * Amplificador en clase AB: El punto de trabajo está situado en la parte más baja de la zona de conducción.  * Amplificador en clase C: El punto de trabajo se sitúa en la zona de corte. También aquí se necesitan dos transistores. 

Si atendemos a la magnitud a amplificar podemos también hacer la siguiente clasificación: 

- Amplicador de tensión.  - Amplificador de corriente.  - Amplificador de potencia.  - Amplificador de contínua.  - Amplificador de baja frecuencia.  - Amplificador de alta frecuencia.  - Amplificador de vídeo frecuencia. 

Nos centraremos exclusivamente en los amplificadores de tensión clase A.   

Amplificador en emisor común  

  

Al circuito ya polarizado en zona activa se le ha conectado un condensador en la entrada y otro en la salida (condensadores de acoplo). De este modo se impide el paso de la corriente contínua procedente de o hacia otra etapa anterior o posterior respectivamente; el condensador en paralelo con la resistencia de emisor (condensador de desacoplo) evita la disminución de la ganancia debida a la presencia de la resistencia de emisor, la cual es necesaria para evitar el embalamiento térmico. 

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En la base se aplica una señal de entrada senoidal de 10 mv (Ve = 10 mv), obteniéndose en el colector la señal de salida, también senoidal, de amplitud 1v (Vs = 1v); la ganancia es de 100, pues Gv = Vs/Ve = 1000 mv/10 mv = 100. 

 

   

Tanto la ganancia de tensión como de intensidad son de valor medio, siendo la impedancia de entrada pequeña y la impedancia de salida media.  Debido a las características de sus ganancias, su aplicación más común es como amplificador de medias y bajas frecuencias, y como la diferencia entre las impedancias no es muy elevada se puede emplear como amplificador de varias etapas ya que permite un relativo buen acoplo entre ellas.   

Amplificador en base común  

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También como en el caso del emisor común el circuito lleva los condensadores de acoplo y desacoplo. Aquí la entrada es por el emisor y la salida se obtiene en el colector. Con Ve = 10 mv se obtiene 1 voltio y la ganancia de tensión será de 100.   

 

    En este tipo de disposición, la ganancia de tensión es elevada (normalmente más grande que en caso del emisor común), sin embargo la ganancia de corriente es menor (aunque próxima) o igual a la unidad. La impedancia de entrada es pequeña y la de salida grande. Su aplicación más común es como amplificador en altas frecuencias.   

Amplificador en colector común  

 

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  La señal a amplificar va conectada a la base del transistor y la salida se toma en el emisor. En nuestro circuito Ve = 1v, Vs = 1v, consecuentemente la ganancia de tensión será Gv = 1. 

 

La ganancia de tensión es menor o igual a uno, la ganancia de corriente es alta, la impedancia de entrada es alta y la de salida baja. Debido a las características de sus impedancias, su aplicación típica es como adaptador de impedancias.   

Amplificadores de salida

Los amplificadores de salida, también denominados de potencia, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida ha de ser pequeña puesto que la carga suele ser un altavoz (4 u 8 ohmios); así pues, estos amplificadores suelen ser en colector común ya que su ganancia de intensidad es muy elevada y esto hace que la intensidad de salida sea grande, lo suficiente como para mover la membrana del altavoz.  Existen diversos montajes tales como amplificador en emisor común con acoplo de salida mediante transformador, amplificador con salida en push-pull y amplificador con salida en simetría complementaria, en el que nos centraremos a continuación.   

Amplificador con salida en simetría complementaria

El circuito consta de dos transistores de características idénticas pero de diferente tipo, uno PNP y otro NPN (de aquí su nombre de "complementario"). Están polarizados en clase B por lo que cada transistor conducirá en semiciclos opuestos de la señal de entrada. 

 

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Como se puede observar en el osciloscopio, la señal de salida presenta una distorsión llamada distorsión de cruce. Esta distorsión es un tipo más de las que puede haber en cualquier circuito electrónico, siendo las más comunes (y todas ellas indeseables) las de frecuencia, fase o amplitud.  La distorsión de cruce se produce porque al estar polarizado en clase B (muy cerca de la zona de corte) los transistores no empiezan a conducir hasta que haya una tensión de unos 0,6 voltios entre base y emisor. Para evitar esta distorsión se polariza a los transistores en clase AB mediante el aumento del valor de la resistencia R1, o disponiendo dos diodos en serie tal como podemos apreciar en el circuito siguiente; así se produce una caída de tensión igual a la umbral de las uniones base emisor de los transistores, por lo que la distorsión de cruce desaparece (ver señal en el

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osciloscopio).   

  

 

   

 

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El transistor en conmutación 

Anteriormente hemos descrito los estados del transistor (corte, activa y saturación) y las configuraciones. Sin embargo, en una parte de la Electrónica (la electrónica digital)

no importan los valores de tensión exactos, sino sólamente los estados alto o bajo (exista tensión o no exista tensión). Estos estados ocurren cuando el transistor está en

corte o en saturación, y el cambio de un estado a otro se denomina conmutación. 

  

La señal de entrada es una señal cuadrada que varía de 0 a 5 voltios. Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturación, con lo cual la tensión en la salida será muy próxima a cero. Aquí ya no se cumple que Ic = BIb, pues aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector. 

 En el circuito tenemos:  Isat = Vcc/Rc = 5v/620 = 8,06 mA.  Ibsatmín = Icsat/B, aquí estamos en el límite entre activa y saturación.  Ibsatmín = Icsat/B = 8,06mA/120 = 67,20 microA.  Para garantizar la saturación, Ibsat > 3Ibsatmín --> Ibsat > 3x67,20 = 201,60 microA.  Rbmáx = (Ve-Vbe)/Ibmín = (5-0,6)/201,60 = 21 kohmios. 

Cuando la señal de entrada tenga el valor de cero voltios, el transistor entrará en corte y la tensión de la señal de salida será igual a la tensión de alimentación 5 voltios ---> Vce = Vcc = 5 v. 

 

Unos ciertos circuitos utilizan el transistor en conmutación, como son los denominados multivibradores u osciladores de señal no senoidal. Podemos distinguir tres tipos:  * Multivibrador astable.  * Multivibrador monoestable. 

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* Multivibrador biestable.   

Multivibrador astable

Este circuito es capaz de generar por sí solo una señal cuadrada a su salida. El circuito es totalmente simétrico y está constituido por dos transistores que cuando uno está en corte, el otro está en saturación y viceversa. Presenta dos estados inestables pues en ninguno de ellos permanece indefinidamente. Este circuito no necesita no necesita ningún tipo de pulso (disparo) para que empiece a funcionar, pues lo hace de forma automática debido a la carga y descarga de los condensadores.   

 

Al conector la alimentación, aunque los transistores sean del mismo tipo y denominación siempre habrá una ligera variación entre ellos y uno de ellos empezará a conducir antes que el otro.    Si, por ejemplo, suponemos que comienza a conducir antes el transistor T1, éste entrará en saturación y T2 en corte y si tomamos la salida por ejemplo en el colector de T2 tendremos Vcc; C1 se irá cargando a través de R4 y de la tensión base emisor de T1 (C2 ya estaba cargado), así que mientras C1 se va cargando, C2 empieza a descargarse por medio de R2 y la tensión colector emisor de T1. Esto hace que T1 pase al corte (circuito abierto) y T2 a saturación (cortocircuito) y en salida tendremos tensión nula; en este momento C2 empezará a cargarse por medio de R2 y tensión base emisor de T2 mientras que C1 se descarga a través de R3 y tensión colector emisor de T2. Este proceso se repetirá indefinidamente.  El tiempo en que la señal está a nivel alto viene determinado por el tiempo que tarda en descargarse C1:  t1 = 0,69 R3 C1.  El tiempo en que la señal está a nivel bajo corresponderá a la descarga de C2:  t2 = 0,69 R2 C2. 

 

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Como puede observarse en el osciloscopio, la tensión de salida no es exactamente rectangular, y ello se debe a la carga de los condensadores a través de R1 y R4. Para evitar este inconveniente se recurre al circuito denominado astable mejorado, el cual consta de dos diodos y dos resistencias más.   

 

   

C1 se carga a través de R5 y Vbe1, descargándose por R4, el diodo y Vce2.  C2 se carga por R2 y Vbe2, y se descarga a través de R3, el otro diodo y Vce1. 

El tiempo a nivel alto será: t1 = 0,69 R4 C1.  El tiempo a nivel bajo será: t2 = 0,69 R3 C2.   

Multivibrador monoestable

Presenta un estado estable y otro monoestable. En nuestro circuito el estado estable se corresponde con el nivel bajo de tensión (T1 cortado, T2 saturado) y ahí permanecerá indefinidamente hasta que le introduzcamos un pulso de disparo para que cambie, y al cambiar pasará al estado inestable caracterizado por el nivel alto de tensión (T1 saturado, T2 cortado) permaneciendo un tiempo determinado por la descarga de C1:  t = 0,69 R2 C1. 

 

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Al aplicar la alimentación al circuito, T2 permanece en saturación y T1 en corte, la tensión de salida es cero y el condensador C1 se habrá cargado por R1 y Vbe2 permaneciendo así indefinidamente a menos que se aplique un pulso a la base de T1. Con ello se consigue que T1 pase a saturación y T2 a corte y que la tensión alcance un nivel alto en el que permanecerá hasta que C1 se descargue a través de R2 y Vce1 haciendo que T1 vuelva al corte y T2 a la saturación. 

   

Multivibrador biestable

Este circuito tiene dos estados estables, permaneciendo indefinidamente en cualquiera de ellos a menos que se introduzcan sendos impulsos de disparo a las bases de los transistores para que se produzca el cambio de corte a saturación y viceversa.   

 

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El tiempo de permanencia en cada estado dependerá de la frecuencia (en realidad, de su inversa) de la señal de disparo. 

  Fuentes de alimentación

Una fuente de alimentación es un subsistema electrónico que convierte la señal alterna de 220 voltios eficaces y frecuencia 50 Hz, en una tensión contínua apropiada para alimentar a circuitos electrónicos.  Las fuentes de alimentación pueden clasificarse como sigue. 

* F. A. no estabilizadas. Son aquellas que no mantienen fija la intensidad o tensión de salida cuando ocurra cualquier variación en la entrada/salida.  A este tipo pertenecen las realizadas con los rectificadores de media o doble onda y los dobladores de tensión.  * F. A. estabilizadas. Se desarrollan con el objeto de eliminar las variaciones indicadas anteriormente. De este modo es posible minimizar los cambios en la señal de salida producidos por las características no lineales de algun dispositivo electrónico a alimentar. Para ello, normalmente utilizan diodos zener y no utilizan realimentación alguna.  * F. A. reguladas. Aparecen por el mismo motivo que las anteriores, consiguiendo la estabilidad de la variable de salida (tensión o corriente) mediante una realimentación negativa que controla automáticamente las variaciones de la señal de salida.  * F. A. conmutadas. En algunas aplicaciones, los reguladores lineales tienen un rendimiento muy bajo, y en estos casos se emplean reguladores conmutados que presentan rendimientos muy altos. 

Un factor muy importante que caracteriza a una fuente de alimentación es el factor de regulación: La componente contínua de la señal de salida debería ser independiente de la intensidad absorbida por la carga, lo que en realidad no es cierto. Para indicar esta dependencia se define la regulación como:    Regulación (%) = 100 (Vs en vacío - Vs a plena carga) / Vs plena carga  Idealmente debería ser nulo. 

Factor de regulación = Incremento Vs  / Incremento Ve   Interesa que sea lo más pequeño posible (idealmente, nulo). 

Si atendemos a la señal de salida, las F. A. podemos clasificarlas como:  * De tensión. La salida es una tensión contínua independiente de la carga.  * De corriente. La salida es una corriente contínua independiente de la carga. 

Si clasificamos en función de sus características:  * Fijas. La salida es fija. 

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* Variables. La salida puede variar dentro de un cierto margen.  * Programables. La salida se controla mediante una variable exterior, por ejemplo la temperatura.   

Fuente de alimentación estabilizada, regulada y cortocircuitable  

    

 Consta de los siguientes elementos:  * F. A. simple: Transformador y puente de diodos.  * Elemento de control: Transistor T1, fuente de corriente constante R1, limitador de intensidad T2 y R2.  * Elemento de muestreo: R3, R4 y potenciómetro P1.  * Elemento comparador y amplificador de señal: T3.  * Elemento de referencia: Diodo zener. 

Funcionamiento: Esta fuente de alimentación estabilizada, regulada y cortocircuitable estabiliza a 12 voltios a partir de una tensión de entrada de 13 voltios (conseguidos mediante el transformador y el puente de diodos), proporcionando una corriente de 120 mA a una carga de 100 ohmios. 

>> Variación de la tensión de entrada Ve supuesta Icarga constante:  La subida de Ve provoca un aumento de Izener que incrementa la tensión en R1 y, por consiguiente, aumenta Vcb1 y esto hace disminuir Vbe1 y aumentar Vce1, compensando el incremento de la tensión de entrada Ve haciendo que la tensión de salida Vs permanezca constante.  Vs = Ve - Vce1 --->  Ve = Vce1 + Vs 

La disminución de Ve provoca un descenso de Izener que hace bajar la tensión en R1 y, consecuentemente, la tensión Vcb1 también bajará y ello hará aumentar Vbe1 y disminuir Vce1, compensando así la disminución de la tensión de entrada Ve y haciendo que la tensión de salida Vs se mantenga constante. 

>> Variación de la corriente de carga supuesta constante la Ve:  Si la corriente en la carga, Icarga, disminuye es porque la resistencia de carga ha aumentado, y esto hace que la intensidad por el elemento de muestreo suba. Con el potenciómetro tomamos una tensión de muestra y, en este caso, dicha tensión de

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muestra será mayor que la de referencia haciendo que el transistor T3 conduzca, dando lugar a una corriente de colector Ic3 que hace disminuir Ib1 y esto, a su vez, hará aumentar Vce1 y al aumentar esta caída de tensión disminuirá la de la salida y bajará la tensión en el potenciómetro. 

Si la corriente en la carga aumenta será a causa de la disminución de la resistencia de carga; esto hace que la intensidad por el elemento de muestreo disminuya. Con el potenciómetro tomamos una tensión de muestra que en este caso será menor que la de referencia y así no conducirá el transistor T3, bajando Ic3, aumentado Ib1 y disminuyendo Vce1, implicando un aumento en la tensión de salida y en el potenciómetro. 

De este modo se consigue regular y estabilizar la tensión salida en el circuito. 

>> Caso de producirse un cortocircuito en la salida:  

Si hubiera un cortocircuito en la salida (resistencia de carga nula), el transistor T1 debería soportar una corriente excesiva que produciría la destrucción del transistor. Un fusible no podría protegerlo porque su constante de tiempo es mayor que la del transistor. Lo que haremos será introducir el limitador de corriente formado por T2 y R2 complementado con T1. Si se produce un cortocircuito, la intensidad de salida Is aumentará, subiendo la tensión en R2 si esta caída de tensión supera la tensión Vbe2, lo que provocará un gran aumento de Ib2 e Ic2, y esto hará que Ib1e Is disminuyan, quedando protegido el transistor T1. El transistor T2 está siempre en corte excepto cuando haya un cortocircuito en la salida. 

Como podemos ver en el circuito de la figura anterior, el potenciómetro está al 0% de su recorrido, y así obtendremos la siguiente tensión de salida.   

 En el caso de disponer el potenciómetro al 100% de su recorrido, la tensión en la salida será menor. 

 

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 La carga mínima que podemos conectar es de 100 ohmios, y la intensidad máxima será de 120 mA.