informe preamplificador

CARRERA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA EN CONTROL

ELECTRÓNICA I

INFORME PREAMPLIFICADOR DE AUDIO

Nombres:

Marco Luna Maicol Suntasig

Profesora: Ing. Margarita Medina

1. TEMA: PREAMPLIFICADOR DE AUDIO

2. OBJETIVOS:

General:

Conocer en la práctica las características de los circuitos amplificadores mediante la elaboración de un preamplificador de audio para aplicar los conocimientos adquiridos.

Específicos:

Realizar el diseño de un preamplificador de audio calculando cada uno de sus componentes.

Utilizar la configuración emisor común de un transistor como amplificador de voltaje.

Analizar los resultados verificando en el laboratorio el valor de la ganancia de voltaje.

3. MARCO TEÓRICOPREAMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Un preamplificador es un tipo de amplificador electrónico utilizado en la cadena de audio, durante la reproducción del sonido.

Como en todo amplificador, la finalidad de un preamplificador es aumentar el nivel de la señal y, para ello, actúa sobre la tensión de la señal de entrada.

Cuando las señales salgan del preamplificador, habrán alcanzado el nivel de línea, estandarizado en los 0dB.

El preamplificador se encarga de nivelar la tensión eléctrica que le llega de las distintas fuentes de audio (cada equipo tiene una tensión de salida diferentes), para luego, una vez igualadas, enviarlas, como señal de entrada, a otro equipo (generalmente, una etapa de potencia).

La relación entre nivel de salida y de entrada es la ganancia. Así, la ganancia, expresada en decibelios, indica el grado de amplificación de una señal.

Algunos equipos preamplificadores poseen controles que les permiten, además de regular la tensión de salida, regular el tono, el balance, etc. Además de reforzar la sonoridad con bajo volumen (loudness).

Cálculo de un preamplificador en emisor común

El esquema completo de la etapa será el siguiente:

Las características que vamos a exigirle a nuestro preamplificador (o sea, las especificaciones que vamos a considerar para el cálculo) son una determinada ganancia en tensión (Av), una impedancia de salida (Zs) concreta y una tensión de alimentación (Vcc).

A lo largo del cálculo del circuito tendremos que echar mano de alguna que otra de las características aquí mostradas.

Cálculo de la polarización del transistor:

El circuito de polarización del transistor está incluido en el circuito original del preamplificador. Si dibujásemos únicamente dicho circuito de polarización obtendríamos lo siguiente:

Pues bien, el valor de R3 debe ser igual a Zs. Ello se debe a que el circuito equivalente para C.A. de la malla de colector sería (aproximadamente) el siguiente:

donde RNT es la resistencia interna del generador de corriente constante, resistencia que tiene un valor ideal igual a infinito. Este circuito equivalente se transforma, por el teorema de Thevenin, en este otro:

En este último circuito equivalente se ve claramente que debe ser Zs=R 3. Así, si deseamos una Zs=10KW ese debe ser también el valor de R3.La tensión de alimentación del circuito se ha elegido de 9V ya que se puede obtener tanto con una fuente de alimentación como con una pequeña pila.

La tensión de R4 más la tensión de R3 será igual a la otra mitad de la tensión de alimentación recordando las leyes de Kirchoff, en concreto la ley de las mallas, la que dice que la tensión total aplicada se reparte entre los elementos de la malla [que en este caso la componen R3, R4 y colector-emisor del transistor.

Como conocemos el valor de Av (es un dato del proyecto) y, además, también sabemos el valor de R3 podemos hallar el valor de R4.Sigamos. Si hacemos la aproximación de que IC=IE, el valor de la corriente de colector de polarización se calcula de la siguiente forma:

Con este valor de IC la tensión aproximada de la resistencia de emisor, VR4, vendrá dada por la siguiente expresión (¡nuevamente la Ley de Ohm!):

Una vez conocida IC podemos empezar a observar las gráficas de más arriba. Primeramente podemos averiguar el valor aproximado de la ganancia en corriente para corriente continua (hFE) a 0,1ºC, . Aunque la polarización que estamos usando para el transistor independiza los valores de polarización de la malla de colector respecto a hFE, nos hará falta este valor para una estimación del valor de la corriente de base. Veremos esto con un poco más de detalle más adelante. Nuestro transistor está disipando una potencia dada por:

Si miramos la curva de degradación de la potencia veremos que nuestro transistor no tendrá ningún problema referente a un exceso de disipación de potencia, incluso si trabaja en un entorno de temperatura elevada.

Continuando con el cálculo de la polarización, la corriente de base del transistor se puede calcular de la siguiente forma:

El tipo de polarización que estamos empleando para el transistor requiere que el divisor de tensión formado por R1 y R2 sea estable, en el sentido de que la tensión de las resistencias no se altere al aplicarle una carga (que en este caso correspondería a la base del transistor). Para conseguir esto, al menos aproximadamente, la corriente que circule por R2 debe ser mucho mayor que la corriente que consuma la base del transistor. Nosotros impondremos que la corriente de R2 sea diez veces mayor que la IB, por ejemplo:

La tensión en extremos de R2 será la misma que la de base-emisor del transistor más la de R4 (estoy aplicando la ley de las mallas de Kirchoff, que también se puede enunciar como que la suma de las tensiones aplicadas a una malla y de las caídas de tensión en los elementos de esa malla debe ser cero):

Pues bien, ahora ya podemos hallar el valor que debe de tener la resistencia R2 por medio de la ley de Ohm:

Sólo nos restaría calcular el valor de R1 para completar el circuito de polarización del transistor. ¿Qué necesitaremos? Pues conocer su tensión y el valor de la corriente que la atraviesa.

Antes de pasar al cálculo de los condensadores de acoplo, decir que este circuito de polarización recibe el nombre de universal o autopolarización. Esto es así debido a que la corriente de base se ajusta automáticamente al valor adecuado para que IC y las tensiones de la malla de colector sean las calculadas (recuerde que cuando se calculo la IB ya se advirtió que se trataba de una estimación). Cuando se monta el circuito y se miden todos sus parámetros de polarización todo coincide con lo calculado... todo salvo el valor de IB. Este efecto de "autoajuste" de la corriente de base se debe al divisor de tensión de base, que se ha calculado para que sea estable, es decir, independiente del valor de IB.

Cálculo de los condensadores:

Para el cálculo de los condensadores hay que ceñirse a la siguiente regla: la reactancia capacitiva de un condensador de acoplo debe ser diez veces más pequeña que la impedancia correspondiente, de entrada o de salida, a la frecuencia más baja con la que el circuito vaya a trabajar.

Últimos detalles:

Por último, y una vez que el circuito está calculado, un par de comentarios referentes al funcionamiento del circuito. Nosotros hemos calculado su valor de tal forma que la señal de frecuencia más baja con la que se vaya a trabajar (20Hz) pase sin problemas. Pero esto no quiere decir que no

puedan pasar frecuencias más bajas. De hecho, lo hacen. Por la parte alta del ancho de banda la limitación la imponen las capacidades parásitas del transistor.

4. CÁLCULOSPotencia del parlante= 0,5 WattsPara calcular el voltaje:

P=V 2

RV=√PRComo son valores RMS, hacemos:

V=√2 PR

V=√(2 ) (0,5 )(8)V=2,83V

Vinmedido=0,265V (RMS)Por lo tanto:Vin=0,374 senωt VVo=2,83 sen ωt VRL=2,2kΩUtilizamos un transistor con las siguientes características:βMIN=30

βMAX=300

VCEMAX=40V

ICEMAX=200mA

PCEMAX=625watts

Además tenemos que la frecuencia (en audio), tiene un rango de 20 Hz a 20 kHz.

Cálculo:

Analizamos el diagrama de voltajes:

De este gráfico podemos determinar las siguientes condiciones para nuestro diseño:

1. Vinp−≤ I E RE 22. V CE≥ 6V3. V CE ≥Vin p+¿+V sat +Vo p−¿¿ ¿4. Vo p+¿≤ I c (RC∥R L)¿

Para el diseño:

I c( Rc||RL)≥VopV RC

RC≥

Vop+

Rc||RL

V RC=RCRc||RL

Vop+

De este planteamiento podemos tener 3 condiciones, las cuales analizaremos:

a )RC << RLb )RC >> RLc ) RC=RL

a)RC ≪RL( Almenos 10 vecesmenor )

RC=220 Ω

V RC≥220Ω220 Ω|| 2,2kΩ

(2 ,83 V )

V RC≥ 3,113V

Para una tolerancia en las resistencias del 20% multiplicamos por 1.2

V RC≥ (3.113 )(1.2)V

V RC=3,74V

IC=V RC

RC=3 ,74 V

220= 17 mA

b)RC ≫RL ( Al menos 10veces mayor )

RC=22 kΩ

V RC≥22k Ω22 kΩ|| 2,2 kΩ

(2 ,83 V )

V RC ≥ 31,13V


V RC≥ (31,13 )(1.2)V

V RC=37,35V

IC=V RC

RC=37 ,35 V

22k Ω= 1,7 mA

c)RC=RL

RC=2,2 kΩ

V RC≥2,2k Ω2,2 kΩ|| 2,2k Ω

(2 ,83V )

V RC≥ 5,66V


V RC ≥ (6 )(1.2)V

V RC=6,79V

IC=V RC

RC

=6 ,79 V2,2k Ω

= 3 ,08mA

De estas opciones escogemos la tercera, ya que en la primera la corriente Ic es muy alta, y en la segunda, el voltaje V RC es muy alto. La mejor opción es la tercera ya que se equilibra la corriente y el voltaje.

Por lo tanto:

RC=2,2kΩ

V RC=6,79V

Calculamos la potencia:

P=V 2

R

P=(6,79V )2

2200Ω

P=0,02W

Por lo tanto trabajaremos con una resistencia de 0,25W

IC= 3 ,08mA

Analizamos la ganancia:

∆ V = 2,83V0,374V

=7,56

∆ V =Rc∨¿RL

ℜ+RE1¿=7,56¿

∆ V ¿

RE1¿

=1,1kΩ−7,56 ( 26 mV

3,08mA )7,56

¿

RE1=137,06Ω

Este valor de resistencia no existe en el mercado; tenemos de 120 y 150Ω.

Para saber cuál es el correcto; vamos a hacer el siguiente análisis:

IC=¿ IE (Ya que los valores son muy aproximados)

IE=3,08mA

V E

RE

≥Vinp−¿

RE1

¿¿¿

V E ≥ RE .Vinp−¿

RE1

¿¿¿

V E ≥Vin p−¿ ¿

V E ≥0,374 V

Tomando en cuenta la estabilidad térmica del transistor tenemos:

IE=V B−V BE ±∆V BE

RE

¿¿

IE=V E ± ∆V BE

RE

¿¿

Para que IE sea constante y no dependa de la estabilidad térmica:

V E≫ ∆V BE

Ya que:

∆ V BE=0.1V

V E=1V

Escogemos un V E=2V para no tener problemas con la estabilidad térmica del transistor y no se recorte.

Recalculamos:

RE=V E

IE

¿¿

RE=2V

3,08mA

RE=RE1+RE2

RE=649,35 Ω

Recordando que quedo pendiente escoger el valor de RE1, de acuerdo con las ecuaciones

obtenidas, concluimos que el valor de la resistencia debe ser la mayor aproximación, en

este caso 150Ω, ya que incrementa V E y reduce la posibilidad de recorte.

RE1=150Ω


P=I 2 R

P= (3,08 mA )2(150)

P=1,4 mW


Analizamos:

RE=RE1+RE2

RE=649,35

RE2=649,35Ω−150Ω

RE2=499,35

Nuevamente, tenemos que escoger un valor comercial, entre 470Ω y 560Ω.

Escogemos en este caso la más aproximada y para una mayor ganancia:

RE2=470Ω


P=I 2 R

P= (3,08 mA )2(470)

P=4,4mW


Comprobamos:

2≥150Ω∗2V

470 Ω

2≥ 0,64

Ya que sí cumple la condición, seguimos con el cálculo.

Otro parámetro que debemos garantizar es que la amplificación no dependa de β :

I 2≫ IBMAX

I 2≫IC

β

Trabajaremos con el Beta mínimo con el fin de no tener complicaciones en cuanto a los recortes

I 2≫3,08mA

30

I 2≫102,66µA

I 2=1,02mA

RB2=V B

I 2

=V E+V BE

I 2

¿¿

RB2=2.7V

1,02mA

RB2=2629,87Ω

Vamos a escoger una resistencia de 2,2 kΩcon el fin de maximizar la corriente y evitar problemas con el β

RB2=2,2kΩ


P=I 2 R

P= (1,02mA )2(2200)

P=2,28 mW


Tomandoencuenta las condiciones :

V CC=V RC+V CE+V E

V CE≥ 6 [V ]

V CE ≥ Vinp+¿+Vsat+Vop−¿¿

Vsat=2V

V CE≥ (0,374+2+2,83 ) V

V CE≥ 5,204V

Por la tolerancia:

V CE=5,204V (1.2)

V CE=6 ,24V (Este valor se aproxima a 6 por lo que subiremos un poco el voltaje)

V CE=7,5V

Finalmente calculamos Vcc:

V CC=6,79+7,5+2

V CC=16,29V

Vcc=18V

Calculamos RB1:

RB1=V cc−V B

I 2+ IBMAX¿

¿

RB1=18−2.7

1,02mA+102,66 µA

RB1=13628,34Ω

Vamos a escoger una resistencia de 10 kΩcon el fin de maximizar la corriente y evitar problemas con el β


P=I 2 R

P= (1,02mA+102,66 µA )2(10000)

P=0,01W


Cálculo de Capacitores: Haremos un primer cálculo y luego regularemos los capacitores de acuerdo a la salida de la señal.

En general:

12π∗f min∗C

¿≪Z¿¿

C≫ 12π∗f min∗Z¿

Calculamos Zin

Zin=RTH∨¿ ZinT

ZinT=VinTi∫¿¿

ZinT=ib ( hfe+1 )[r e+RE1]

ZinT=(150+1)¿

ZinT=(150+1)( 26mV3,08mA

+150Ω)

ZinT=23,924 k Ω

Rth=RB1∨¿RB2

Rth=10k Ω∨¿3.3k Ω

Rth=2,48k Ω

Zin=¿

Zin=2,32k Ω

Para el capacitor de la base:

CB ≫ 12π∗20 Hz∗444,45 Ω

CB≫3,43 μF

C=330µ F

Voltaje en el capacitor:

V=0,374 V (ya que es el pico de entrada)

En este caso usaremos uno de 25V

Para el capacitor del Colector:

XCC ≪ RL

CC≫1

2 π∗f min∗RL¿¿

CC≫ 12 π∗20Hz∗2,2k Ω

CC≫3,61μF

CC=330 μF

Voltaje en el capacitor

De la simulación

V=11,750 V


Capacitor del emisor

1. XCEMAX ≪ RE2

XCEMAX ≪180 Ω

XCEMAX ≪(re+RE1)

XCEM AX ≪ 26mV3,08mA

+150Ω

XCEMAX ≪158,44 Ω

CE ≫ 12 π∗f min∗XCEMAX

CE≫ 12 π∗20 Hz∗158,44 Ω

CE≫50,22μF

CE=2200μF

Voltaje en el capacitor

V=1,896


Polarización

Vamos a comprobar que los valores obtenidos, no afecten el funcionamiento de nuestro amplificador:

En este circuito hemos medido β con el cual trabaja y el valor fue de 30(min)

Especificaciones deltransistor :

β=30

V BE=0,7V

1. Determinación del punto de operación (Q):

Q=IB ;V B;

IE ;V E;

V CE¿

;¿IC ;

V C

En continua:

Vth=Vcc×RB2

RB1+RB2

¿¿

Vth= 18×2,2kΩ2,2kΩ+10kΩ

¿¿

Vth=3,24V

Rth=RB1∥RB2

Rth=RB1 .RB2

RB1+RB2¿¿

Rth=(2,2kΩ )(10kΩ)2,2kΩ+10 kΩ

Rth=1,8kΩ

Por mallas :

−Vth+ IB RB+V BE+ I E RE=0

IE=IB+βIB

IE=IB(1+β )

IB=Vth−V BE

Rth+(1+β) RE¿¿

IB=3,24−0,7

1,8kΩ+(1+30)620Ω

IB=120,83μA

I c=βIB

I c=30(120,83 μA)

I c=3,625mA

IE=IB(1+β )

IE=120,83µA (1+30)

IE=3,74mA

V E=IE RE

V E=3,74 mA (620Ω)

V E=2,32V

V=2,5 V

V BE=V B−V E

V B=V BE+V E

V B=(0,7+2,32)V

V B=3,02V

V=3,202 V

V C=V CC−IC RC

V C=18−(3,625mA )(2,2kΩ)

V C=10,025V

V=9,178 V

V CE=V C−V E

V CE=(10,025−2,32 )V

V CE=7,705V →Está en Región Lineal ( Amplificador )

V=6,677 V

Analizamos encorriente alterna :

En parámetros híbridos(Amplificador emisor común):

ic=hfeib

hfe=icib

=30

hie=(hfe+1)ℜ

ℜ=26 mVIE

¿¿

∆ V = VoVin

∆ V =−ic(Rc∥RL)

hie. ib+ie . RE¿¿

∆ V =−hfe. ib (Rc∥RL)

(hfe+1 ) ℜ . ib+(hfe+1 ) ib . RE¿¿

∆ V =−hfe .(Rc∥RL)

(hfe+1 ) ℜ+(hfe+1 ) RE¿¿

∆ V =−30.(2,2kΩ× 2,2kΩ

2,2kΩ+2,2kΩ )(31 ) 26mV

3,74mA+(¿31)150Ω¿

∆ V =6,78

Calculamos Zin (Impedancia de entrada) :

Zin=RT H∥ZinT

Zin=RTH∥VinTi∫¿

Zin=RTH∥ib . hie+ie . RE

ib

¿¿

Zin=RTH∥ib(hfe+1)ℜ+ib(1+hfe)RE

ib

¿¿

Zin=RTH∥ib ( hfe+1 ) ℜ+ ib (1+hfe ) RE

ib

¿¿

Zin=RTH∥ (hfe+1 ) ℜ+ (1+hfe ) RE

Zin=1,8 kΩ∥(31)26 [mV ]

3,74 [mA ]+(31)150 Ω

Zin=1,8 kΩ∥4865,5Ω

Zin=1313,91Ω

Calculamos ∆ i(ganancia encorriente)

∆ i= ioi∈¿

∆ i= Vo .ZinVin RL

¿¿

∆ i= ∆V .ZinRL

¿¿

∆ i=−6,78 (1313,91Ω)

2,2kΩ¿

¿

∆ i=−4,04

Calculamos Zo(Impedancia de salida):

Zo= Voio¿¿

Zo= ioRcio¿¿

Zo=RcZo=2,2kΩ

Señal de Salida

∆ V = VoVin

∆ V = 3,013V−373,98mV

∆ V =−8,056

Con este valor:

∆ i= ∆V .ZinRL

¿¿

∆ i=−8,056.(1313,91Ω)

2200Ω

∆ i=4,81

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se debe conseguir una corriente de base pequeña, para que la ganancia de voltaje que se puede obtener con el amplificador sin que se sature el transistor, sea alta.

Se cumplieron las condiciones necesarias para obtener amplificación de voltaje y se representaron en el diagrama de voltajes consiguiendo que no se produzcan recortes.

Realizar un correcto diseño del preamplificador implica asegurarse de escoger el mejor tipo de polarización del transistor.

Los capacitores ayudan a tener una mejor señal de salida. El Diagrama de voltajes nos ayuda a hacernos una idea del

funcionamiento de la región de operación de la configuración emisor común.

6. BIBLIOGRAFÍA

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/2N3904.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Preamplificador http://www.terra.es/personal2/equipos2/ecomun.htm http://www.unicrom.com/Tut_emisor_com.asp

http://www.terra.es/personal2/equipos2/ecomun.htm

ANEXOS

1. Medida de la salida de audio

2. Quemando en baquelita

3. Circuito en baquelita

informe preamplificador

Documents