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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
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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
PREAMPLIFICADOR Página 3
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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
PREAMPLIFICADOR Página 4
ELECTRÓNICA GENERALIngeniería
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
PREAMPLIFICADOR Página 5
ELECTRÓNICA GENERALIngeniería
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
PREAMPLIFICADOR Página 6
Ilustración 7: Polarización fija
Ilustración 8: Polarización de Emisor
Ilustración 9: Polarización por divisor de voltaje
ELECTRÓNICA GENERALIngeniería
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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
PREAMPLIFICADOR Página 7
Ilustración 10: Polarización con retroalimentación de voltaje
Ilustración 11: Polarización en base común
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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
PREAMPLIFICADOR Página 8
ELECTRÓNICA GENERALIngeniería
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.
PREAMPLIFICADOR Página 9
ELECTRÓNICA GENERALIngeniería
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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.
PREAMPLIFICADOR Página 10
261.6 Hz ≤ f ≤ 523.3 Hz
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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
PREAMPLIFICADOR Página 11
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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
PREAMPLIFICADOR Página 12
Q22N3904
C1
10µF
R1
20kΩ
R2
5.6kΩ
RC
400Ω
RE
27Ω
V1
20mVrms 200 Hz 0°
VCC
10V
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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:
PREAMPLIFICADOR Página 13
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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
PREAMPLIFICADOR Página 14
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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
PREAMPLIFICADOR Página 15
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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
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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
PREAMPLIFICADOR Página 17
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Ilustración 19: Forma de la señal de entrada y salida
VOLTAJES EMISOR COMÚN
Ilustración 20: Simulación voltajes en emisor común
CORRIENTES EMISOR COMÚN
PREAMPLIFICADOR Página 18
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Ilustración 21: Simulación corrientes en emisor común
VOLTAJES SEGUIDOR EMISOR
Ilustración 22: Simulación voltajes en seguidor emisor
CORRIENTES SEGUIDOR EMISOR
PREAMPLIFICADOR Página 19
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Ilustración 23: Simulación corrientes en el seguidor emisor
VOLTAJES MEDIDOS
Ilustración 24: Voltaje del emisor en el seguidor emisor
PREAMPLIFICADOR Página 20
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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%
PREAMPLIFICADOR Página 21
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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
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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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