LABORATORIO N°3 ANÁLISIS EN CORRIENTE ALTERNA DE UN BJT 1. Resumen: En este laboratorio aprenderemos sobre el comportamiento de un transistor BJT en su configuración de polarización por medio de divisor de voltaje, el cual se hará con un análisis en corriente alterna y a su vez considerando también un análisis en corriente continua. En la parte teórica veremos la amplificación en el dominio de la corriente alterna y su análisis en CA y lo verificaremos en el simulador del software, a su vez se implementará y se comparará datos teóricos con los simulados y los reales. 2. Procedimiento y análisis de Resultados 2.1.Objetivos ✓ Describir el funcionamiento básico de un BJT en su configuración de polarización por divisor de voltaje. ✓ Realizar el análisis en CD y CA ✓ Comparar los resultados teóricos y simulados con la implementación de una aplicación. 2.2.Marco teórico 2.2.1. Amplificación en el dominio ca El transistor se puede emplear como un dispositivo amplificador. Es decir, la señal senoidal de salida es mayor que la de entrada, o, dicho de otra manera, la potencia de ca de salida puede ser mayor que la potencia de ca de entrada. Surge entonces la pregunta sobre cómo es que la potencia de salida de ca pueda ser mayor que la potencia de ca de entrada. La conservación de la energía dicta que con el tiempo la salida de potencia total, Po, de un sistema no puede ser mayor que su potencia de entrada, Pi y que la eficiencia definida por 𝒏 =Po/Pi no puede ser mayor que 1. El factor que falta en el planteamiento anterior que permite que una potencia de salida de ca sea mayor que la potencia de ca de entrada es la potencia de cd aplicada. Es un contribuyente a la potencia de salida total aun cuando una parte de ella se disipe por el dispositivo y los elementos resistivos. En otras palabras, existe un “intercambio” de potencia de cd con el dominio de ca que permite establecer una potencia de ca de salida más alta. De hecho, se define una eficiencia de conversión n=Po(ca)/Pi(cd), donde Po(ca) es la potencia de ca suministrada a la carga y Pi(cd) es la potencia de cd suministrada. Posiblemente el rol de la alimentación de cd se pueda describir mejor si se considera primero la red simple de cd de la figura 1. En la figura se indica la dirección de flujo resultante con una gráfica de la corriente i contra el tiempo. Insertemos ahora un control de mecanismo constante como el de la figura 2. El mecanismo de control es tal que la aplicación de una señal relativamente pequeña al mecanismo de control es capaz de producir una excursión sustancial en el circuito de salida (BOYLESTAD, 2009). Figura 1. Corriente constante establecida por una fuente cd. Figura 2. Efecto de un elemento de control en el flujo de estado estable del sistema eléctrico de la figura 2. Es decir, para este ejemplo, y se ha establecido la amplificación en el dominio de ca. El valor pico a pico de la corriente de salida excede por mucho al de la corriente de control. Para el sistema de la figura 2, el nivel de cd establecido controla el valor pico de la excursión en el circuito de salida. Cualquier intento de exceder el límite impuesto por el nivel de cd provocará un “recorte” (aplanamiento) de la región pico en el límite inferior de la señal de salida. En general, por consiguiente, un diseño de amplificación correcto requiere que los componentes de cd y ca sean sensibles a los requerimientos y limitaciones de cada uno (BOYLESTAD, 2009). 2.2.2. Polarización por medio de divisor de voltaje La siguiente configuración que analizaremos es la red de polarización por medio del divisor de voltaje de la figura 3. Recuerde que el nombre de la configuración se deriva de la polarización por medio del divisor de voltaje en el lado de entrada para determinar el nivel de cd de VB. Sustituyendo el circuito equivalente re obtenemos la red de la figura 4. Observe la ausencia de RE debido al efecto de cortocircuito de baja impedancia del capacitor de puenteo CE. Es decir, a la frecuencia (o frecuencias) de operación la reactancia del capacitor es tan pequeña comparada con RE, que se considera como un cortocircuito a través de RE. Cuando VCC se establece en cero, coloca un extremo de R1 y RC a un potencial de tierra, como se muestra en la figura 4. Además, observe que R1 y R2 permanecen en el circuito de entrada, en tanto que RC forma parte del circuito de salida. La combinación en paralelo de R1 y R2 de define como 𝑅 ′ = 𝑅1 ∥ 𝑅2 = 𝑅1 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 𝒁𝒊 De la figura 4 𝑍𝑖 = 𝑅′ ∥ 𝛽𝑟𝑒 Figura 3. Configuración de polarización por medio del divisor. Fuente. (BOYLESTAD, 2009). Figura 4. Sustitución del circuito equivalente re en la red equivalente de ca de la figura 3. Fuente. (BOYLESTAD, 2009). 𝒁𝒐 De la figura 3. con Vi ajustada a 0 V, y resulta 𝐼𝑏 = 0 𝑚𝐴 y 𝛽𝐼𝑏 = 0 𝑚𝐴. 𝑍𝑜 = 𝑅𝑐 ∥ 𝑟𝑂 Si 𝑟𝑂 ≥ 10𝑅𝑐 𝑍𝑜 ≅ 𝑅𝑐 Av Como Rc y 𝑟𝑂 están en paralelo, 𝐴𝑣 = 𝑉𝑜 −𝑅𝑐 ∥ 𝑟𝑂 = 𝑉𝑖 𝑟𝑒 Para 𝑟𝑂 ≥ 10𝑅𝑐 𝐴𝑣 = 𝑉𝑜 −𝑅𝑐 ≅ 𝑉𝑖 𝑟𝑒 2.3.Equipo a utilizar ✓ Software Proteus 8.0 Professional. ✓ Multímetro. ✓ Fuente de voltaje regulable 2.4.Materiales a utilizar 1 resistencia de 56 k, 8.2k, 6.2k, 1.5k, 50k. 2 Capacitores de 10uF. 2 Capacitor de 20uF. 1 Transistor BJT. 2.5.Procedimiento Para la red de la figura 5, determine: a. 𝑟𝑒 b. 𝑟𝑂 c. 𝑍𝑜 (𝑟𝑂 = ∞) d. 𝐴𝑣 (𝑟𝑂 = ∞) Los parámetros de la parte (b) a (d) si ro =50 k y compare los resultados Figura 5. Ejemplo de aplicación Fuente. (BOYLESTAD, 2009). Abrir el software proteus profesional y realizar el circuito anterior con sus respectivos componentes. A su vez ejecutar el osciloscopio para ver el comportamiento de la señal de salida respecto a la entrada. Figura 6. Simulación en proteus. Implementar el circuito con sus respectivos componentes en protoboard para el análisis real. Tener en cuenta las conexiones del transistor. Figura 7. Implementación en protoboard. 3. Cuestionario 3.1. Simular el Circuito y mostrar el comportamiento del voltaje de salida mediante un osciloscopio del simulador. Explique el funcionamiento de todo el proceso de la aplicación. 3.2.Realizar al menos dos modificaciones significativas de las resistencias mostrados en la imagen de la aplicación, sin variar el funcionamiento del circuito. Explicar el comportamiento del circuito ante estos cambios. 3.3.Indicar que ventajas y desventajas tiene el circuito desarrollado en cuanto a aspectos físicos, económicos y de ahorro energético. 3.4.Mencione al menos 03 otras aplicaciones específicas dónde puede emplearse esta configuración. Explique cada una de ellas. 3.5. Argumente y compare los valores obtenidos en un análisis teórico, simulado y real. 4. Conclusiones 5. Bibliografía
