curso práctico de audio

EDITORIAL QUARK

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N de Coleccin 14

Editorial - Editorial - Editorial - Editorial

N 14 Director de la Coleccin Club Saber Electrnica Ing. Horacio D. Vallejo Jefe de Redaccin Pablo M. Dodero Club Saber Electrnica es una publicacin de Saber Internacional SA de CV de Mxico y Editorial Quark SRL de Argentina Editor Responsable en Argentina y Mxico: Ing. Horacio D. Vallejo Administracin Argentina: Teresa C. Jara Administracin Mxico: Patricia Rivero Rivero Comercio Exterior Argentina: Hilda Jara Comercio Exterior Mxico: Margarita Rivero Rivero Director Club Saber Electrnica: Luis Leguizamn Responsable de Atencin al Lector: Alejandro A. Vallejo Coordinador Internacional Jos Mara Nieves Publicidad Argentina: 4301-8804 - Mxico: 5839-5277 Staff Victor Ramn Rivero Rivero Ismael Cervantes de Anda Olga Vargas Mariela Vallejo Diego Pezoa Gastn Navarro Fernando Ducach Areas de Apoyo Teresa Ducach Disprof Fernando Flores Claudio Gorgoretti Paula Vidal Ral Romero Javier Isasmendi Gustavo Zurwerra Internet: www.webelectronica.com.ar Web Manager: Luis Leguizamn Club Saber Electrnica. Fecha de publicacin: febrero de 2006. Publicacin mensual editada y publicada por Editorial Quark, Herrera 761 (1295) Capital Federal, Argentina (005411-43018804), en conjunto con Saber Internacional SA de CV, Av. Moctezuma N 2, Col. Sta. Agueda, Ecatepec de Morelos, Mxico (005255-58395277), con Certificado de Licitud del ttulo (en trmite). Distribucin en Mxico: REI SA de CV. Distribucin en Argentina: Capital: Carlos Cancellaro e Hijos SH, Gutenberg 3258 - Cap. 4301-4942 - Interior: Distribuidora Bertrn S.A.C. Av. Vlez Srsfield 1950 - Cap. Distribucin en Uruguay: Rodesol SA Ciudadela 1416 Montevideo, 901-1184 La Editorial no se responsabiliza por el contenido de las notas firmadas. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entraan responsabilidad de nuestra parte. Est prohibida la reproduccin total o parcial del material contenido en esta revista, as como la industrializacin y/o comercializacin de los aparatos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorizacin por escrito de la Editorial. Revista Club Saber Electrnica, ISSN: 1668-6004

Continuamos la serie de libros del Club Saber Electrnica, esta vez nos dedicaremos al audio. Es por eso que incluimos en esta obra todo lo referente al audio, desde el principio, para que cualquier persona que tenga, o no, conocimientos de electrnica pueda entenderlo. Ver en el captulo 1: qu es el sonido, cmo se desplazan las ondas sonoras, perodo, frecuencia, para luego seguir con los modelos clsicos de amplificadores, las configuraciones circuitales bsicas en donde, a travs de algunas frmulas no muy complicadas, aprender a calcular diferentes tipos de amplificadores segn la utilidad para la cual usted lo necesite. Segn las distintas configuraciones, existen varias formas de polarizar un transistor con sus ventajas y desventajas, aprender tambin a calcular capacitores de paso y ver los diferentes tipos de acoplamientos entre etapas. En el captulo 3 damos una explicacin de qu son los preamplificadores y sus circuitos derivados, como ser controles de tono, qu es realimentacin negativa, realimentacin multietapa, el sistema Baxendall, filtros, controles de volumen y balance, entradas, ecualizacin. Ver luego etapas de salida, parlantes o bocinas como les llaman en Mxico, su construccin, clasificacin, caractersticas tcnicas, cajas acsticas, construccin y detalles de diferentes diseos y su armado. Para finalizar, publicamos diferentes montajes relacionados con el audio y que creemos le sern de utilidad: un mezclador de audio expansible, un preamplificador universal, un ecualizador de 3 bandas y un medidor de potencia de audio. No se pierda el prximo nmero de la coleccin del Club S.E. Hasta la prxima!!!!!

ISBN N: 987-1116-60-8

Ing Horacio D. Vallejo

INDICE DE LA OBRAEL SONIDO...................................................................................................3 Amplitud de la vibracin o valor de pico........................................................4 Amplitud pico a pico de la vibracin ..............................................................4 Amplitud instantnea.......................................................................................4 Ciclo ................................................................................................................4 Perodo ............................................................................................................4 Frecuencia .......................................................................................................4 Curva umbral...................................................................................................6 Curva de sensacin dolorosa...........................................................................6 La cadena audiofrecuente................................................................................7 MODELOS CLASICOS DE AMPLIFICADORES...................................9 Configuraciones circuitales bsicas.................................................................9 El amplificador emisor comn ......................................................................10 El amplificador colector comn ....................................................................15 Resumen sobre polarizacin..........................................................................15 Recta esttica de carga ..................................................................................16 Recta dinmica de carga................................................................................18 Acoplamiento interetapas..............................................................................21 Acoplamiento por transformador ..................................................................23 Acoplamiento directo ....................................................................................24 PREAMPLIFICADORES..........................................................................27 Controles de tono ..........................................................................................27 Controles de tono pasivos .............................................................................28 Realimentacin negativa ...............................................................................31 Realimentacin multietapas ..........................................................................33 Realimentacin en controles de tono. Sistema Bxendall.............................34 Filtros ............................................................................................................35 Controles de volumen y balance ...................................................................37 Preamplificadores..........................................................................................38 Ecualizacin ..................................................................................................40 Ecualizador de discos....................................................................................41 Red de ecualizacin para fonocaptor cermico o a cristal ............................42 Respuestas en frecuencia...............................................................................43 Elasticidad .....................................................................................................43 Separacin de canales....................................................................................43 Fuerza de apoyo ............................................................................................43 Tensin de salida ...........................................................................................43 Diferencia entre canales ................................................................................43 ETAPAS DE SALIDA .................................................................................45 Etapas amplificadores clase B.......................................................................47 Amplificador Push Pull a transformador.......................................................47 Distorsin por cruce ......................................................................................47 Etapa de salida complementaria....................................................................48 Etapas excitadoras.........................................................................................49 Amplificadores de salida cuasicomplmentaria..............................................50 Amplificadores de acoplamiento directo.......................................................52 Amplificador diferencial ...............................................................................52 Distorsin en amplificadores.........................................................................53 Dsitorsin armnica ......................................................................................53 Distorsin por intermodulacin.....................................................................53 Rango dinmico de un amplificador .............................................................54 Amplificador de salida en puente..................................................................54 Sistema Quad.................................................................................................55 PARLANTES Y CAJAS ACUSTICAS .....................................................57 Constitucin de los parlantes.........................................................................57 Clasificacin de los parlantes........................................................................57 Parlantes dinmicos.......................................................................................57 Imn permanente y yugo...............................................................................58 Bobina mvil.................................................................................................58 Cono o diafragma..........................................................................................58 Suspensin interna del cono, o araa ............................................................59 Suspensin externa del cono .........................................................................59 Campana o cuerpo principal..........................................................................59 Cables de conexin a la bobina mvil - Polarizacin ...................................59 Tapa de retencin del polvo...........................................................................60 Principio de funcionamiento de un parlante dinmico..................................60 Parlantes electrostticos ................................................................................61 Parlantes piezoelctricos ...............................................................................62 Otros tipos de parlantes.................................................................................62 Auriculares ....................................................................................................62 Caractersticas tcnicas..................................................................................63 Impedancia ....................................................................................................63 Resistencia de la bobina mvil......................................................................64 Respuesta en frecuencia ................................................................................64 Frecuencia de resonancia...............................................................................64 Directividad...................................................................................................65 Potencia mxima y mnima del parlante .......................................................65 Parlantes para tonos graves ...........................................................................65 Parlantes para tonos medios ..........................................................................66 Parlantes para tonos agudos ..........................................................................66 Filtros divisores de frecuencia.......................................................................67 Baffles o cajas acsticas................................................................................71 Baffles infinitos .............................................................................................71 El radiador pasivo..........................................................................................75 Construccin de baffles.................................................................................75 Bocinas..........................................................................................................76 MONTAJES DE AUDIO ............................................................................77 Mezclador de audio expansible.....................................................................77 Amplificador de 750W PMPO......................................................................78 Amplificador de bajo ruido y vmetro a leds................................................80 Preamplificador universal .............................................................................81 Ecualizador de 3 bandas................................................................................83 Medidor de potencia de audio .......................................................................84

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CLUB SABER ELECTRONICA

E L S ONIDO

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l sonido es una forma de energa que se transmite desde el cuerpo que la irradia a travs del medio que lo circunda, en forma de ondas de presin. Hasta el siglo pasado, para escuchar msica era necesario disponer de los ejecutantes en el lugar, por lo que la buena msica era cara y obligaba a asistir a funciones especiales en teatros para tal propsito. Nuestra Era Tcnica permiti ampliar y generalizar esta posibilidad. Alrededor de 1878, Thomas Alva Edison invent el aparato que hoy llamamos fongrafo que puede considerarse como el puntapi inicial de los sistemas de registro y reproduccin del sonido. El avance de la tcnica ha sido tal, que en la actualidad son muy pocos los hogares que no cuentan con aparatos de grabacin y/o reproduccin del sonido (grabadores, tocadiscos, centros musicales, CDs, etc.). Como una primera aproximacin podramos definir el sonido como el movimiento vibratorio de los cuerpos que es transmitido a travs de un medio elstico como el aire, en forma de ondas de presin; notemos que no slo los gases sino tambin lquidos y slidos transmiten el sonido. En los slidos la propagacin de las ondas se realiza en ambas direcciones, es decir, longitudinal y transversalmente. Como fenmeno fsico, el sonido puede definirse como la perturbacin producida por un cuerpo que est vibrando dentro de un medio y que puede identificrselo por sucesivas variaciones de presin que provocan la generacin de las denominadas Ondas Sonoras que se propagan a travs de este medioFigura 1

transportando energa a una determinada velocidad. Por lo tanto, sonido es el movimiento vibratorio producido por un cuerpo y sensacin sonora -no confundir- es el efecto que produce una onda sonora en el rgano auditivo. Atencin! para la produccin de un sonido no slo es necesario que un cuerpo vibre, sino que hace falta un medio material que permita la propagacin de la onda sonora. Quizs esto ltimo pueda parecer extrao, pero se demuestra fcilmente colocando una radio dentro de una campana de vidrio. Si en el interior de la campana hay aire, desde el exterior se escuchar el sonido emitido por la radio, aunque un poco atenuado (figura 1-a). Quitemos ahora el aire contenido en el interior del recipiente; notaremos que el sonido deja de percibirse ya que deja de existir el medio de transmisin del sonido: el aire (figura 1b). Consideremos ahora una regla de acrlico comn de las que usan los estudiantes, a la que sujetamos contra el borde de una mesa, con la mano (figura 2). Con la otra mano doblemos la regla hacia arriba o hacia abajo y soltmosla; inmediatamente percibiremos un sonido (figura 3). Vea que el medio que envuelve a la regla es el aire, tal que al pasar la regla de la posicin 1 a la 2, comprime el aire que se encuentra encima y enrarece (depresiona) el aire que se encuentra por debajo. Desde la posicin 2 a la 3 el camino recorrido es inverso y la situacin se invierte (se comprime el aire por debajo de la regla y se expande el que se encuentra por arriba).

CURSO PRCTICO DE AUDIO

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EL SONIDOFigura 2

Ciclo Es el recorrido efectuado por la regla al pasar dos veces consecutivas por la posicin 1 en el mismo sentido. Perodo Es el tiempo empleado por la regla en completar un ciclo; se lo designa con la letra T.

Todos los puntos del recorrido de la regla experimentarn variaciones alternativas de presin que se pueden representar como una onda senoidal, tal como se observa en la fig. 4. El lector ya habr notado que la seal dibujada tiene forma de onda senoidal, la cual se caracteriza con varios parmetros, como ser: perodo, amplitud de pico, amplitud de pico a pico, valor instantneo, frecuencia, etc. Para facilitar el estudio recordemos la definicin de cada uno de estos parmetros:Figura 3

Frecuencia Es la inversa del perodo; es decir, es la cantidad de ciclos que completa la regla en la unidad de tiempo, y se la designa con la letra f.Figura 5

Amplitud de la vibracin o valor de pico Es la distancia que existe entre el punto en que la regla alcanza la mxima elongacin y la posicin inicial de la misma (distancia entre los puntos 1 y 2 de la figura 5). Amplitud pico a pico de la vibracin Es la distancia que existe entre los puntos en que la regla alcanza las mximas elongaciones en ambos sentidos. Amplitud instantnea Es la amplitud que alcanza el movimiento de la regla en un instante de tiempo determinado respecto del valor de reposo.Figura 4

1 f = T El sonido se propaga con velocidad constante, la cual slo depende del medio en que se desplaza. Esto quiere decir que la longitud de onda de una seal que se desplaza en el tiempo depender del medio y se calcula como: l = Velocidad de Propagacin x Perodo Recuerde que para una onda electromagntica, por ejemplo, la longitud de onda se calcula como: V l = = V x T f donde V es la velocidad de la luzy corresponde a la velocidad de desplazamiento de dichas ondas (la luz es como una gama de ondas electromagnticas que podemos percibir con los ojos). El sonido se propaga a una velocidad mucho menor que las ondas electromagnticas. Podemos ver las velocidades que adquieren las ondas acsticas en la tabla 1. Tambin se puede definir el sonido como una perturbacin del medio que, al llegar al odo, produce una sensacin auditiva. Los sonidos peridicos (repetitivos), a su vez, pue-

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EL SONIDOden tener o no carcter musical, mientras que los sonidos aperidicos (que no se repiten) son generalmente catalogados como ruidos. Los sonidos peridicos se caracterizan por su tono, por su timbre y por su intensidad. El tono aumenta cuando se pasa de los sonidos graves (bajas frecuencias) a los sonidos agudos (altas frecuencias). De esta manera, el tono de un sonido queda determinado por su frecuencia, pero muchas veces el sonido no es puro y est compuesto por ms de una seal de distintas frecuencias. En ese caso el tono queda determinado por la frecuencia del sonido fundamental. As, por ejemplo, si se coloca un fleje de madera sobre una rueda dentada que est girando (es el caso de las matracas utilizadas en los festejos de carnaval), tal como se grafica en la figura 6, el tono del sonido emitido por el conjunto depender de la velocidad de giro de la rueda, ya que si gira a mayor velocidad, el fleje golpear contra los dientes de la rueda mayor cantidad de veces por segundo, y el sonido tendr un tono ms agudo (aument la frecuencia de los golpes). En general, el odo humano no entrenado no est capacitado para distinguir variaciones muy pequeas en el tono de un sonido, y mucho menos saber cul es la frecuencia de la seal que le dio origen, si bien puede deducir si se trata de una seal de baja frecuencia o alta frecuencia. Por esta razn, en msica no se habla de frecuencia, sino de intervalo, aduciendo a las relaciones entre frecuencias; las notas musicales poseen frecuencias caractersticas y un grupo de siete notas ocupan un intervalo musical. Ver tabla 2. As, por ejemplo, si en un intervalo musical el la posee una frecuencia de 440Hz, en el intervalo siguiente el la emitido tendr el doble de frecuencia, es decir, 880Hz. Se estudiar ms adelante que a este intervalo se lo denomina OCTAVA MUSICAL. Pero nos podemos hacer la siguiente pregunta: - cmo es que la misma nota ejecutada por un violn produce una sensacin sonora distinta de la de un piano? Las dos notas tendrn el mismo tono pero causan distinta impresin a nuestros odos, ya que se distinguirn por el timbre. El timbre de un sonido queda determinado por la cantidad de armnicas que acompaan a un sonido fundamental cuando ste es emitido y tambin por la amplitud de esos armnicos. Por ejemplo, una seal senoidal de 1000Hz no se escuchar igual que una onda cuadrada de igual frecuencia ya que la primera es una seal pura mientras que la onda cuadrada, como sabemos, posee muchas armnicas impares de la fundamental (vea la figura 7). Se dice que un sonido es rico en armnicas cuando va acompaado hasta la 6a 7a armnica con amplitudes apreciables. Si posee mayor cantidad de armnicas (ms agudos) el sonido se torna muy spero. Adems, los sonidos con armnicas impares (como la onda cuadrada) resultan agradables, mientras que donde predominan las armnicas pares (como la onda triangular) resultan desagradables. Dos personas se distinguen por su timbre de voz, pues si bien pueden decir lo mismo con tonos parecidos, la sensacin sonora es distinta en ambos casos. Cuando Ud. habla por telfono su voz tiende a deformarse, ya que si bien se puede entender perfecta-

Figura 6

TABLA I Velocidades que adquieren las ondas acsticas en distintos medios medio Aire fro (0C) Aire moderado (25C) Hidrgeno fro (0C) Agua de ro Agua de mar velocidad 331 m/seg 343 m/seg 1290 m/seg 1450 m/seg 1504 m/seg


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EL SONIDOmente lo que dice, el sonido parece distinto. Lo que ocurre es que la central telefnica no deja pasar las armnicas superiores a 4000Hz (aproximadamente) ya que la respuesta del canal telefnico est limitada a esa frecuencia. Si un sonido viene acompaado por una seal que no es armnica de la fundamental, se interpretar como ruido ya que la sensacin sonora ser desagradable. La intensidad de las ondas sonoras determinan las mayores o menores presiones y depresiones que la onda provoca sobre los tmpanos de nuestros odos. Si volvemos al caso en que vibraba la regla sujeta por un extremo, cuando aumenta la amplitud de las vibraciones, aumentar la energa transportada por la onda sonora y mayor ser la intensidad del sonido. Se dice que un sonido es ms intenso cuanto mayor sea la energa transportada por la onda sonora. La intensidad mnima de sonido capaz de ser reproducida por el odo humano es de 10-16 watt/cm2 o, lo que es lo mismo 0,0002 dina/cm2. A esta intensidad mnima se la llama UMBRAL AUDITIVO INFERIOR o INTENSIDAD UMBRAL, ya que es el umbral entre las seales que se escuchan, y las que no se escuchan y se la designa como Wo (Wo = 1016 watt), vea la figura 8. Se debe tener en cuenta que la respuesta del odo no es lineal con la potencia, sino logartmica; esto quiere decir que, si asignamos el valor 1 como sensacin sonora a una potencia 10 veces superior a la de umbral (10Wo), para que el odo humano reconcozca el doble de la sensacin sonora inicial hace falta aplicar una potencia de 100Wo. Vea la tabla 3. Esto quiere decir que, para obtener un aumento unitario de la sensacin auditiva, se debe aumentar laFigura 7

potencia 10 veces. Dicho de otra manera, el sonido emitido por un amplificador de 10 watt no se escuchar como el doble de la sensacin auditiva de un amplificador de 5 watt. Curva umbral El odo no responde de la misma manera para todas las frecuencias. Se dice que el odo medio humano reconoce seales comprendidas entre 40Hz y 16000Hz pero se ha convenido en sealar que el espectro audible va de 20Hz a 20kHz. Asimismo, la intensidad umbral es distinta para todas las frecuencias. Por ejemplo, el odo responde mejor a las denominadas frecuencias medias (entre 800Hz y 4500Hz aproximadamente). Hemos dicho anteriormente, (y graficado en la figura 8) que la intensidad umbral era de Wo = 10-16 watt/cm2. Esta intensidad se da para una frecuencia de 1000Hz. Para 100Hz la intensidad umbral ronda el valor Wo = 10-12 watt/cm2 ; es decir, se reconoce recin cuando la potencia es 10000 veces mayor que la mnima potencia audible para 1000Hz. Los valores de potencia mnima reconocible para cada frecuencia se dan en una CURVA DE INTENSIDAD UMBRAL que abarca todo el espectro audible. As, por ejemplo, para una frecuencia de 500Hz la intensidad umbral es de 10-14 watt/cm2; es decir, slo se escucharn los tonos de 500Hz por encima de esa potencia. Idntico anlisis puede efectuarse para cualquier otra frecuencia. Curva de sensacin dolorosa La curva de intensidad umbral determina el nivel mnimo de intensidad reconocible por el odo humano para distintas frecuencias. Si se aumenta la potencia del sonido llega un momento en que produce una sensacin de dolor. La CURVA DE SENSACION DOLOROSA determina el lmite, pasado el cual, el sonido produce una sensacin de dolor en nuestros odos (tal como se puede apreciar en la figura 9). Como se observa, la zona del grfico encerrada por las curvas de intensidad umbral y sensacin dolorosa,

TABLA II Las notas musicales se agrupan en un intervalo que en frecuencias corresponde a una relacin igual a 2 entre una nota de un intervalo y la misma nota del intervalo siguiente do re mi fa sol la si do 9 5 4 3 5 15 1 2 8 4 3 2 3 18

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EL SONIDO

Figura 8

Figura 9

determina el nivel que pueden tomar los sonidos de distintos tonos para que puedan escucharse por el odo humano sin inconvenientes. Se ve en el grfico que para un sonido de 1000Hz la intensidad dolorosa (Wd) es de 10-4 watt/cm2 (luego se estudiar que corresponde a 120dB). Se de-

be deducir entonces que una presin de 1 watt/cm2 con una frecuencia de 1000Hz provocar lesiones muy graves en el odo. La cadena audiofrecuente El sonido puede convertirse en una corriente elcFigura 9


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EL SONIDOTABLA III - Sensacin sonora relativa Potencias en watt Sensacin sonora -15watt (10Wo) 10 1 10-14watt (100Wo) 10-13 watt (1000Wo) 10-12 watt (10000Wo) 2 3 4go las corrientes elctricas producidas por ste son amplificadas con el objeto de que adquieran el nivel necesario para que puedan excitar una cabeza grabadora magntica. As se puede grabar en cinta magntica la seal requerida (llamada Seal de Audio) para que puedan grabarse muchos discos segn la informacin almacenada en la cinta. Posteriormente, una cabeza lectora transmitir la seal de audio a una pa especial denominada estilo grabador. Dicha pa va cavando un surco en el disco que gira a velocidad constante (generalmente a razn de 33 1/3 de revoluciones por minuto). De esta manera, en los surcos del disco queda grabada la informacin que luego se podr recoger con un cabezal reproductor (fonocaptor) obteniendo as nuevamente una seal elctrica que deber ser amplificada y por medio de reproductores acsticos se convertir nuevamente en sonido que ser expulsado al medio ambiente. Digamos, entonces, que la cadena audiofrecuente es el eslabn entre el INTERPRETE y el OYENTE y no slo se puede conseguir mediante la grabacin de discos sino tambin mediante una emisin radiofnica o por medio de la grabacion de cintas magnetofnicas. A lo largo de esta obra nos ocuparemos de cada uno de los elementos que integran estas cadenas de audio. En ltima instancia, la finalidad que perseguimos es tratar de reproducir un sonido exactamente igual al que se produce en el lugar de origen, dentro de lo que percibe el odo humano o, a veces, introducirle deformaciones que resulten agradables al oyente. ********

trica. Llamamos transductores electroacsticos a los dispositivos capaces de convertir una seal elctrica en un sonido. As, el micrfono es un transductor que convierte la energa sonora en corriente elctrica. Para que el transductor sea til debe proporcionar una salida que represente una rplica exacta de la onda que lo est excitando. La altura o amplitud de la seal elctrica representa la intensidad del sonido; la frecuencia representa el tono y la forma de onda, el timbre. Estos tres elementos deben corresponderse entre s. Obtenida la corriente elctrica como una rplica exacta de la onda sonora que le dio origen, el sonido puede amplificarse, grabarse y reproducirse por medios elctricos y electrnicos. Los procesos que sufre la seal desde su conversin en corriente elctrica hasta la reproduccin por medio de parlantes u otros reproductores electroacsticos se lleva a cabo en la denominada CADENA AUDIOFRECUENTE. Si consideramos un disco fonogrfico como el medio de grabacin de la corriente elctrica correspondiente al sonido que le dio origen, el primer eslabn de la cadena audiofrecuente ser un micrfono; lue-

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M ODELOS C LSICOS DE A MPLIFICADORES

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n receptores de radio, amplificadores o equipos de audio, etc, la seal ingresante al amplificador de audio puede tener una frecuencia comprendida entre 20Hz y 20kHz. Esos equipos se pueden construir a partir de distintas configuraciones especiales. Por ejemplo, podra ser necesario amplificar la seal que entrega un generador de baja impedancia o la seal que suministra un sintonizador de alta impedancia; en estos casos no podra utilizar el mismo amplificador. Adems, podra necesitar un amplificador de corriente, de tensin o de potencia. Existen distintas configuraciones y existen varias formas de polarizar un transistor, cada una con sus ventajas y desventajas. Se dice que un amplificador de audio es aquel que incrementa el nivel de una determinada seal que posee una frecuencia comprendida dentro del espectro audible (20Hz a 20kHz). Para el diseo de un amplificador interesan caractersticas tales como la potencia de salida, impedancia de carga, impedancia de entrada, nivel de la seal de entrada, tensin de alimentacin, etc. Configuraciones circuitales bsicas Bsicamente, a un transistor se lo puede utilizar en tres configuraciones distintas, a saber: a- Configuracin Base Comn b- Configuracin Emisor Comn c- Configuracin Colector Comn a) El Amplificador Base Comn Las principales caractersticas son: Baja impedancia de entrada (entre 50 ohm y 300 ohm) Alta impedancia de salida (entre 100 kilohm y 1 Megohm). Posee alta ganancia de tensin. No posee ganancia de corriente. La seal de salida no est desfasada respecto de la de entrada. En la figura 1 vemos el circuito de un amplificador base comn.

Si observamos el circuito, la polarizacin del emisor es tal que la juntura base-emisor queda en directa, constituyendo as un circuito de muy baja resistencia de entrada (diodo en directa) que oscila entre 50 y 300 ohm, mientras que el colector queda polarizado en inversa, lo que hace que la salida tenga una resistencia elevada que oscila entre 100 kohm y 1 Mohm. La ganancia de corriente: Ic = < 1 Ie es menor que la unidad pero se asemeja a 1; vara entre 0,98 y 0,999, pero lo que aqu importa es que la ganancia de resistencia es muy grande (aproximadamente Rs/Re = 1500) con lo cual la etapa posee gran ganancia de tensin. Existe una familia de curvas que caracterizan el funcionamiento de cada transistor en la configuracin base comn, y se llaman curvas caractersticas para conexin base comn (o base a tierra, o base a masa). Muchas veces es cmodo trabajar con una sola batera y para ello se polariza al transistor (figura 2). Los resistores de base Rb y Ra dan a la base una polarizacin positiva respecto de emisor a los fines de que la juntura BE quede polarizada en directa mientras que el colector es positivo respecto del emisor. C1 es un camino a masa para la seal alterna a los fines de obtener mxima seal sobre la resistencia de carga Rc. La seal a la salida est en fase con la seal de entrada, pues un aumento de la tensin de base provocar un incremento de la corriente de colector y, a su vez, aumentar la seal sobre Rc que es la carga (salida) del circuito. Observe que C1 es un cortocircuito para corriente alterna; anula los resisto-

Figura 1

Figura 2


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A MPLIFICADORESIc = Ie y aqu se usa: Ic = Ib Pero la diferencia fundamental es que este circuito (emisor comn) tiene ganancia de corriente y tambin ganancia de tensin, por lo cual se puede tener una ganancia de potencia que puede llegar a 10.000 veces (40dB), lo que lo hace muy popular. Ntese que, si al aplicar una seal de entrada aumenta la tensin de base, aumentar la Ib, lo que har aumentar la Ic; si esto ocurre, aumentar la cada de tensin sobre RL y, por ley de Kirchhoff, disminuir la tensin colector-emisor (tensin de salida) pues: Vcc = VRL + Vce Como Vcc es constante, si aumenta VRL deber disminuir Vce. En sntesis, un aumento de la seal de entrada provocar una disminucin (mayor) de la tensin de salida por lo cual hay una inversin de fase entre entrada y salida, al revs de lo que ocurra en un circuito Base-Comn. Aqu tambin es necesario, a los fines de simplificar la construccin del circuito, polarizar al transistor con una sola batera o fuente de alimentacin y para ello hay muchas formas de hacerlo; una de ellas es la denominada polarizacin fija, que consiste en colocar un resistor entre base y batera con el fin de polarizar la juntura base-emisor en directa (figura 4). Para calcular el valor de la resistencia de base, basta con fijar un valor de corriente de base. Sabemos que habr adems, una cada de tensin sobre RL, que no debe ser demasiado alta para que el colector siga siendo positivo respecto de la base.Figura 4

res Ra y Rb ya que no hay cada de tensin de seal alterna sobre stos. b) El amplificador emisor comn En este tipo de circuito, la seal de entrada se aplica entre base y emisor del transistor. Aqu tambin la polarizacin del transistor es tal que el emisor queda polarizado en directa, condiciones imprescindibles para que el transistor funcione como tal. Se trata de un amplificador de impedancia de entrada moderada, no muy alta impedancia de salida, posee ganancia de tensin y corriente y la seal de salida est desfasada 180 respecto de la seal aplicada a la entrada. Tensin de entrada = Tensin Base-emisor Tensin de salida = Tensin Colector-Emisor Corriente de entrada = Corriente de Base Corriente de salida = Corriente de Colector Desarrollemos este tema analizando el circuito de un amplificador emisor comn (figura 3).

Figura 3

La resistencia de entrada vara con la polarizacin, siendo un valor normal 5000 ohm, aunque puede variar entre 100 ohm y 10.000 ohm, segn la polarizacin. La resistencia de salida es moderada, es decir, unos 50.000 ohm segn el transistor y su polarizacin. Aqu la corrriente de colector se controla con la corriente de base, de aqu que con pequeas variaciones de la corriente de base se obtengan grandes variaciones de la corriente de colector, razn por la cual, actuando como amplificador de corrriente, se define lo que se llama factor . Ic Ganancia de corriente del = transistor en la configuracin Ib emisor comn Por lo dicho, en un amplificador base comn se utiliza el parmetro:

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A MPLIFICADORES

Figura 5

Para hacer el clculo de Rb se emplea la malla formada por Vcc, Rb y la juntura BE del transistor (figura 5). Ejemplo 1 Si consideramos la Vbe = 0,6V y queremos una corriente de base de 50A con una Vcc = 6V, la Rb debe ser de: 6V - 0,6V Rb = = 108.000 50 x 10-6 A Un valor comercial que se asemeje a este valor es 100 kohm: por lo tanto, adoptamos una Rb = 100 kohm. Es fcil notar que, pase lo que pase, la Ib permanece constante frente a variaciones de temperatura o por cambios de transistor, pues para todos los transistores Vbe = 0,6V (Si) o Vbe = 0,2V (Ge) aproximadamente. Ic Segn lo estudiado: = Ib Con lo cual: Ic = . Ib Ocurre que todos los transistores no son iguales y su b puede variar por cambios de temperatura (adems de variar entre transistores), con lo cual, si es fundamental que Ic no vare, tendra que cambiar el

valor de Rb cada vez que se cambia de transistor, lo que complica el anlisis. Esto hace que la polarizacin fija no sea la ms adecuada, ya que es inestable frente a cambios de transistores y frente a variaciones de temperatura, por lo que resulta imposible mantener fija la corriente tpica de colector. Para solucionar en parte este problema, se utiliza la polarizacin automtica que consiste en conectar el resistor Rb entre base y colector, que cumple la funcin de sensar la tensin entre colector y base para polarizar a sta. Es decir, existe una realimentacin desde el colector hacia la base (realimentar significa tomar una muestra de alguna parte del circuito y enviarla a otra parte del circuito con el fin de variar alguna caracterstica del mismo). La polarizacin automtica, aunque tiene la desventaja de disminuir la ganancia del amplificador, mejora algunas fallas de la polarizacin fija (figura 6). Para calcular el valor de Rb debemos saber cul es el valor de tensin que pretendemos que exista en colector y cul es la corriente que circular por la base. Analizando el circuito y aplicando Kirchhoff puede deducirse que: Vce - Vbe Rb = Ib Ejemplo 2 Si se desea tener una tensin entre colector y emisor Vce = 4V con una corriente de base de Ib = 50A, debemos colocar una Rb (figura 7), que se calcula: 4U - 0,6U Rb = = 68.000 50 x 10-6A Casualmente, esta vez el valor calculado para Rb = 68 kohm coincide con un valor comercial. Para calcular la polarizacin de un circuito con polarizacin automtica, se debe recurrir al circuito de entrada (figura 8). Se deduce que: Vcc = VRc + VRb + Vbe

Figura 7

Figura 6


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M ODELOS C LSICOS

DE

A MPLIFICADOREScambi el transistor o hubo una variacin de temperatura, el circuito no se ver afectado, dado que Ic permanece casi constante. Ejemplo 3 Calcular la polarizacin (figura 9). Q es un transistor de silicio (Vbe = 0,6 V) que posee un = 200. Aplicar la frmula (1): ver frmula 1a, ms abajo. Supongamos que hay una variacin del 50% del por cualquier causa, lo que lo lleva a un valor = 300, nos preguntamos, variar mucho la corriente de colector? Para aplacar dudas, calculemos el nuevo valor de Ic. Ver frmula 2a, ms abajo. Se puede comprobar entonces, que una variacin del 50% en el valor del provoca, en este caso, una variacin inferior al 5% en la corriente del colector, lo que indica que ha aumentado la estabilidad del circuito. En este circuito la realimentacin negativa tambin estar presente para la seal alterna que deseamos amplificar; es decir, existe una disminucin en la ganancia del circuito, pero la esta- Figura 9 bilidad lograda

Figura 8 Si consideramos que Ic es

mucho mayor que Ib se puede decir que: VRc = Ic . Rc VRb = Ib . Rb

Luego: Vcc = Ic . Rc + Ib . Rb + Vbe Reemplazando la relacin: Ic Ic Ib = Vcc = Ic . Rc + . Rb + Vbe Si se trabaja matemticamente, se llega a: Vcc - Vbe (1) Rb Rc + En la frmula de clculo de Ic se ve que ahora el no influye tanto sobre el valor de la corriente de colector, razn por la cual no hay grandes variaciones de Ic con la temperatura o por cambios del transistor. Aunque la variacin de sea grande debido a que seFrmula 1a

Ic =

12V - 0,6V 12V - 0,6V 11,4V Ic = = = = 8,7mA 22.000 + 1.200 110 + 1.200 1310 200Frmula 2a

Vcc - Vbe Ic = Rb Rc + 11,4V 11,4V 11,4V Ic = = = = 8,95mA 22.000 1.200 + 1.200 + 73,3 1.273,3 300

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M ODELOS C LSICOScompensa ampliamente esta pequea desventaja ya que, con el precio actual de los transistores, si necesitamos mayor ganancia, siempre podemos recurrir a ms etapas en Figura 10 amplificacin. Como vemos, logramos estabilidad trmica bajando la ganancia del sistema. Si consideramos despreciable la corriente de base frente a la corriente de colector, podemos calcular la tensin colector-emisor de la siguiente manera (figura 10): Vcc = VRc + Vce Como Ic Ib; trabajando matemticamente: Vce = Vcc - Ic . Rc Vcc - Vbe Vce = Vcc - . Rc Rb Rc + Aplicando esta frmula al ejemplo que hemos analizado, podremos conocer cunto vale la tensin colector-emisor. Vce = 12V - 8,7mA . 1,2k =1,56V La baja tensin Vce indica que el transistor est operando cerca de la zona de saturacin. Recordemos que esta zona tiene su lmite para una Vce 1V. Para otras aplicaciones resulta necesario graduar la ganancia de la etapa a voluntad (ganancia de tensin) y adems que el circuito sea trmicamente estable; para ello suele utilizarse una realimentacin de corriente en el circuito de polarizacin, por medio de la colocacin de un resistor en el emisor del transistor. En el circuito as constituido cualquier aumento en la corriente de colector por alguna causa, desarrollar una tensin sobre el resistor de emisor tal que, si la tensin de base permanece constante, polariza en forma inversa la juntura Base-Emisor que compensar la variacin de la corriente de colector. La polarizacin fija de la base se consigue por medio de un divisor resistivo. Veamos lo siguiente, la polarizacin de la base es Vcc . R2/(R1 + R2) o sea no depende de ningn parmetro del transistor.

DE

A MPLIFICADORES

Figura 11

Un aumento de Ic aumenta VRe que es la cada sobre Re (ver figura 11). Para calcular la corriente de colector es necesario conocer el valor de la tensin de la base respecto de masa y la resistencia que ve la base. El clculo se facilita si consideramos que I1 es mucho mayor que Ib. Dibujando la batera del otro lado, se comprender mejor el circuito de entrada (figura 12) : Vcc I1 = R1 + R2 VB = I1 . R2 Reemplazando: Vcc VB = . R2 R1 + R2

(2)

El desarrollo que estamos haciendo es una aplicacin del teorema de Thevenin, que dice que cualquier circuito puede ser reemplazado por un generador de tensin en serie con una resistencia. Aplicando este teorema al circuito que est conectado entre base y masa del transistor, tenemos que R2 est conectada a la base junto con R1 y Vcc. Ahora bien, el generador de tensin VB se calcula como la tensin que cae entre base y masa del transistor cuando ste ha sido desconectado; esta tensin es la que cae sobre R2 y es la VB, frmula (2). En tanto la resistencia de Thevenin RB la calculamos con el transistor desconectado y cortocircuitan-

Figura 12


13

M ODELOS C LSICOSFigura 13

DE

A MPLIFICADORESFigura 14

Despejando: do la fuente de alimentacin (II). Observe el circuito de la figura recin vista, donde al cortocircuitar la fuente de continua (Vcc) R1 y R2 quedan conectados en paralelo. R1 . R2 RB = R1 + R2 VB - Vbe Ic = RB + Re Donde: VB y RB se calculan por medio de las frmulas (2) y (3). Vbe = 0,2V para el germanio y 0,7 para el silicio. ganancia de corriente en emisor comn dado por el fabricante. Para que la seal alterna no desarrolle una tensin sobre el resistor Re, se coloca un capacitor de desacople entre emisor y masa. De esta forma, el capacitor en paralelo con Re deriva la seal de CA a masa para impedir prdidas de ganancia. En sntesis, el agregado de Re tiende a estabilizar la corriente de colector. Dado que generalmente Re Rb/, si vara el , Ic se mantiene constante, entonces hay mayor estabilidad (figura 14). De la misma forma que hemos procedido anteriormente, podemos calcular la tensin Colector-Emisor aplicando Kirchhoff en el circuito de salida. Vcc = VRc + Vce + VRe Vcc = Ic . Rc + Vce + Ic . Re Vcc = Ic (Rc + Re) + Vce Vce = Vcc - Ic (RC + Re) Ejemplo 4: Calcular la polarizacin de un transistor con polarizacin por divisor resistivo que posee los siguientes datos: R1 = 82k Vcc = 10V

(3)

En la figura 13 vemos qu ocurre si reemplazamos VB y RB en el circuito de la figura 11. Lo hecho no es ms que una aplicacin del teorema de Thevenin para simplificar el clculo de la corriente de colector. Aplicando Kirchhoff en el circuito de la figura, se tiene: VB = VRB + Vbe + VRe VB = Ib . Rb + Vbe + Ie . Re Como Ic Ie VB = Ib . RB + Vbe + Ic . Re Ic Tambin Ib = Ic VB = . RB + Vbe + Ic . Re RB VB = Ic . ( + Re) + Vbe

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A MPLIFICADORES

zaciones para la configuracin emisor comn pero todas ellas buscan mayor ganancia de tensin y aumento en la estabilidad del circuito que son los factores determinantes para la eleccin del circuito adoptado para cada caso. c) El amplificador colector comn En este circuito la seal de entrada se aplica entre colector y base que, como sabemos, es una juntura polarizada en inversa para que el transistor trabaje correctamente: de esta manera se logra que la impedancia de entrada de un transistor en esta configuracin sea muy alta (resistencia elevada), mientras que la salida se toma entre colector y emisor, siendo la impedancia de salida bastante baja. Esta etapa posee una ganancia de potencia bastante baja comparada con la que se puede obtener en una etapa emisor comn. La tensin de salida es siempre menor que la tensin de entrada: por lo tanto, la ganancia de tensin es menor que la unidad. Este circuito se utiliza como elemento adaptador de impedancias (figura 15). Acomodamos el circuito para poder verlo como comnmente se utiliza (figura 16). Si aumenta la seal de entrada, aumenta la corriente de emisor y por lo tanto la seal sobre la RC con lo cual, como ocurre en la configuracin base comn, aqu no hay inversin de fase. Resumen sobre polarizacin Los transistores se deben polarizar para que la juntura Base-Emisor est en directa y la juntura BaseColector trabaje en inversa: para ello se usa generalmente la polarizacin por divisor resistivo, polarizacin fija o polarizacin automtica. Cada configuracin tiene caractersticas particulares, las cuales podemos sintetizar en la tabla 3.

R2 = 8200 Rc = 2700 Re = 120

Q= Silicio = = 200

Aplicando las frmulas vistas: R1 . R2 82k . 8,2k Rb = = = 7,45k R1 + R2 82k + 8,2k Vcc . R2 10V . 8,2 VB = = = 0,91V R1 + R2 82 + 8,2 VB - Vbe 0,91V - 0,7V Ic = = = 1,33mA Rb 7450 Re + 120 + 200 Vce = Vce - Ic (RC + Re) = = 10V - (2700 + 120) . 1,33mA Vce = 6,25V El transistor est polarizado con Ic = 1,33mA y Vce = 6,25V. En sntesis, el agregado de Re proporciona una estabilidad adiFigura 16 cional al circuito ya que permite sensar la corriente de emisor. Se conecta un capacitor en paralelo para que la corriente alterna se derive a masa por l sin producir cada de tensin alterna sobre Re, lo que disminuira la ganancia. Existen otras polari-


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M ODELOS C LSICOSTABLA 3 CONFIGURACION BASE COMUN EMISOR COMUN COLECTOR COMUN

DE

A MPLIFICADORES

RESISTENCIA ENTRADA Baja 50 a 300 ohm Baja-Moderada 100 a 10.000 ohm Alta 100k a 1 Mohm

RESISTENCIA SALIDA Alta

GANA CORRIENTE

GANA TENSION

No 100 k a 1 Mohm Moderada-Alta S 5k a 1 Mohm Baja-Moderada S 100 a 1000 ohm

S

S

No

Recta esttica de carga Los transistores pueden ubicar su funcionamiento en una zona de trabajo donde su respuesta es lineal, una zona denominada ZONA DE CORTE y una tercera zona que determina la SATURACION del transistor. Se debe establecer un punto de funcionamiento del transistor dentro de su regin activa (zona lineal) con el objeto de obtener a la salida del amplificador una seal rplica de la de entrada pero de mayor amplitud. El punto de reposo del transistor, que hemos aprendido a calcular para las distintas polarizaciones, se debe hallar sin aplicar seal externa y se lo llama punto Q de funcionamiento, punto de reposo o simplemente punto de trabajo. Ubicando este punto Q sobre las curvas caractersticas de salida del transistor y aplicando mtodos grficos se puede predecir el comportamiento del amplificador cuando se le aplica una seal a la entrada. Si la seal de salida no es fiel a la ingresante, lo ms probable es que no se haya elegido correctamente el punto de reposo. Al polarizar un transistor se debe elegir los comFigura 17

ponentes asociados (resistores, alimentacin, etc.) con sumo cuidado, ya que el punto Q no debe quedar en cualquier parte de la zona activa del transistor. Se debe tener en cuenta las especificaciones dadas por el fabricante, tales como Potencia Mxima de Disipacin (Pc max), Tensin Mxima de Colector (Vc max), Corriente Mxima de Colector (Ic max), Factor b de Amplificacin, etc (figura 17). Para pequeas seales, si el transistor est bien polarizado se puede asegurar que la tensin de salida no ser distorsionada, pero no es la misma la tensin de colector que la seal de salida, ya que esta ltima no debe poseer generalmente una componente de continua, razn por la cual se colocan capacitores de desacople a la salida del circuito (y tambin a la entrada) lo que obliga a analizar el circuito sin componente continua y con componente continua (figura 18). En este circuito, la tensin de continua del colector del transistor no aparece sobre la resistencia de carga RL a causa del bloqueo impuesto por Cb 2 pero la seal sobre RL es una rplica amplificada de la seal de entrada. Los valores de los capacitores deben ser tales queFigura 18

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A MPLIFICADORES

Vcc = Vce + Ic (Rc + Re) (4) En esta ecuacin, Vcc, Rc y Re son valores conocidos mientras que Vce e Ic son variables. En geometra se estudia que la ecuacin (4) representa una recta y para trazarla hace falta conocer dos puntos de dicha recta. Los puntos elegidos sern: a) Para Vce = 0 debemos calcular el valor de Ic. b) Para Ic = 0 debemos calcular el valor de Vce. a) Cuando Vce = 0, de la frmula (4): Vcc = 0 + Ic (Rc + Re) despejando: Vcc Ic = (Rc + Re) b) Cuando Ic = 0, de la frmula (4):

a la frecuencia mnima de trabajo no ofrezcan resistencia apreciable al paso de la seal. Para la ubicacin del punto de trabajo se recurre generalmente a mtodos grficos, utilizando las curvas de salida del transistor en la configuracin en que se est utilizando el dispositivo. Si se conocen los elementos asociados a la salida del transistor pueden calcularse los resistores de polarizacin de base, previa ubicacin del punto de reposo del transistor, partiendo de la denominada RECTA ESTATICA DE CARGA del transistor (figura 19). Para trazar esta recta sobre la familia de curvas, se obtiene la ecuacin de la malla de salida del circuito. Por ejemplo, en el circuito de un transistor en emisor comn con polarizacin por divisor resistivo se tiene que:

Vcc = Vce + 0 (Rc + Re) Vcc = Vce Es decir, los dos puntos elegidos para trazar la recta sern: Vcc A (Ic; Vce) ( ; 0) (Rc + Re) B (Ic; Vce) (0; Vcc) Si ubicamos estos puntos sobre las curvas de salida del transistor y trazamos una recta que pase por ellos, encontraremos la recta esttica de carga del circuito (figura 20). Esta recta es til porque no importa que vare la corriente de base como consecuencia de la aplicaFigura 21

Figura 20


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cin de una seal, los valores de Ic y Vce se ubicarn sobre dicha recta. Adems, conociendo los valores mximos de la seal a aplicar y trasladndolos al grfico se podr calcular cules son los valores correspondientes de la corriente de colector. Supongamos polarizar la base tal que circule una corriente Ib*; se puede hallar el punto de reposo buscando la interseccin entre la curva representativa de Ib2 y la Recta Esttica de Carga; luego, trazando rectas paralelas a los ejes de Ic y Vce se pueden conocer rpidamente los valores de Icq y Vcq (tensin y corriente de colector de reposo). Ejemplo 5: Se desea levantar la Recta Esttica de Carga del amplificador del ejemplo N 4 (figura 21). Vcc Vce = 0 Ic = = Rc + Re

trario, si Ib disminuye tambin lo har Ic, lo que provocar un aumento de Vce. Note que Vce no puede valer menos de 0 volt, ni ms de 10 volt. Recta dinmica de carga Se ha visto que por mtodos grficos se pueden predecir los distintos valores de Ic y Vce que puede tomar un transistor polarizado cuando se le aplica una seal de entrada, pero en el razonamiento no se ha tenido en cuenta a la carga que se le aplica al circuito a travs de un capacitor. La Recta Esttica de Carga es muy til para analizar el funcionamiento del circuito sin que a ste se le aplique seal, es decir, donde se ubicara el punto de reposo si hubiese algn corrimiento de algn parmetro a causa de determinados factores, como por ejemplo la temperatura. Analicemos el circuito de la figura 22. Cuando se aplica una seal de corriente alterna, C2 es un cortocircuito; lo mismo ocurre con el capacitor de desacople de emisor CE y la fuente de alimentacin (por considerarla como un capacitor cargado de alta capacidad). De esta manera, el emisor estar conectado a masa y Rc estar en paralelo con la carga RL (figura 23). Para analizar el comportamiento del circuito para seales alternas, grficamente es necesario construir una RECTA DINAMICA DE CARGA que contemple el paralelo entre Rc y RL y ahora RE = 0 a causa de la muy baja impedancia que pasa a tener CE. Para trazar la Recta Dinmica de Carga se tiene en cuenta el punto de reposo del transistor ya que sin seal se ubicar sobre dicho punto. La tcnica consiste en trazar una recta que pase por el punto Q con pendiente 1/Rd, siendo Rd el paralelo entre Rc y RL (figura 24). Rc . RL Rd = Rc + RL

A)

10V = = 3,55mA (2.700 + 120) Ic = 0 Vce = Vcc = 10V

B)

Como se ve, trazando una paralela al eje Vcc que pase por una Icq = 1,33mA, cortar a la Recta Esttica de carga en un punto Vceq = 6,25V que coincide con los datos calculados anteriormente. Por supuesto, al aplicar una seal alterna a la entrada, variar la corriente de base, lo que har cambiar los valores de Ic y Vce (si Vce aumenta Ic debe disminuir y viceversa). Si crece Ib aumentar Ic y bajar Vce; por el con-

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M ODELOS C LSICOSFigura 24 Figura 25

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A MPLIFICADORES

Ejemplo 1 Se tiene un amplificador polarizado en configuracin emisor comn con divisor resistivo al que se le aplica una seal de corriente alterna que provoca una variacion en la corriente de base de 10A pico a pico. Se desea conocer cmo cambiar la corriente de colector si los datos del circuito son los siguientes (ver figura 25) : Para resolver este problema utilizando mtodos grficos recurrimos a los datos dados por el fabricante, donde generalmente encontramos las familias de curvas del transistor (figura 26). Este mtodo es aplicable porque consideramos una pequea seal de entrada (ANALISIS PARA PEQUEAS SEALES). Para trazar la recta esttica de carga en primer lugar obtenemos los puntos necesarios con los datos del circuito. a) Cuando Vce = 0 Vcc 18V Ic = = 9,5mA Rc + Re 1920 b) Cuando Ic = 0Figura 25

Vce = Vcc = 18V Con estos datos construimos la recta esttica de carga sobre la familia de curvas (figura 27). Debemos ahora trazar la recta dinmica de carga. Para hacerlo debemos conocer los valores de Icq y Rd.

VBB - VBE Icq = RB RE +

18V . 3,9 VBB = = 1,38 volt; 47 + 3,9

47 . 3,9 RB = = 3,6 kohm 47 + 3,9

1,38V - 0,7V Icq = 5,27mA 3600 120 + 400 VCEq = Vcc - Icq (Rc + Re) VCEq = 18V - 5,2mA (1800 + 120) 7,8V


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Rd = Rc//RL Rc . RL 1800 . 4700 Rd = = = 1300 Rc + RL 1800 + 4700 Con los datos calculados se puede trazar la Recta Dinmica de Carga (RDC) pero para quienes no son muy hbiles en matemticas digamos que conocemos un punto de la RDC que es el punto Q (ver figura 28), para calcular otro punto digamos que una variacin de 5,2mA en la corriente de colector provocar una variacin de tensin de: Vce = Ic . RD ( significa variacin) Vce = 5,2mA . 1,3k = 6,8VFigura 28

Trazada esta recta debemos averiguar qu variacin de Ic provoca una variacin de la corriente de base de 10A, segn solicita el enunciado del problema. A partir del punto Q dibujamos la seal hasta cortar los puntos de IB que correspondan; luego trazando paralelas al eje horizontal hallaremos la correspondiente corriente de colector. Del grfico se deduce que IBq = 16A (ver figura 29). Dibujemos ahora esta seal sobre la familia de curvas (figura 30). Observamos en el grfico que una corriente de base de 21A provoca una corriente de colector del orden de los 7,2mA y una corriente de base de 11A generar una corriente de colector de 3,4mA. Por lo tanto la corriente de colector tendr la forma que muestra la figura 31. Del grfico se desprende que la respuesta del transistor no es lineal ya que el pico positivo de la corriente entrante es amplificado un poquito ms que el pico negativo. De todos modos, la alinealidad no es tan grande como para que provoque una gran distorsin. Si analiza detenidamente este ejemplo podr comprender que el punto Q debe ubicarse siempre en el centro de la R.E.C para tener igual excursin de la seal en los semiciclos positivos y negativos.Figura 30

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M ODELOS C LSICOSClculo de los capacitores de paso Hemos dicho que tanto los capacitores de acoplamiento de entrada y salida, como el capacitor de desacople de emisor, se deben comportar como un cortocircuito para la seal de trabajo. La forma de clculo de estos capacitores est ntimamente ligada con la impedancia del circuito que ven estos elementos ya que el efecto resistivo debe ser mucho menor que dicha impedancia para todas las seales que se desean amplificar. La reactancia de un capacitor se calcula como: L Xc = 2.f.C De aqu se deduce que, en la medida que aumenta la frecuencia de la seal tratada, menor ser el efecto de oposicin del capacitor al paso de las seales. Por lo tanto, el peor caso se presenta con las seales de menor frecuencia, donde el capacitor puede que no se comporte como un cortocircuito. Para calcular el valor del capacitor necesario, ste debe tener una resistencia (en realidad reactancia) 10 veces menor que el valor de la impedancia que l ver a la mnima frecuencia de trabajo del amplificador. Por ejemplo, si la impedancia de entrada de un amplificador es de 5000 ohm, el capacitor de paso de entrada no debe presentar una reactancia superior a 500 ohm para la frecuencia mnima de operacin. Ejemplo 2 Calcular el valor del capacitor de desacople de una resistencia de emisor de 100 ohm si la mnima frecuencia de operacin del transistor ser de 20Hz. Sabemos que: 1 Xc = 2.f.C y que: Re Xc = 10 luego: Re 1 = 10 2.f.C despejando: 10 Ce = 2 . . f . Re

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A MPLIFICADORES

Si queremos dar el valor del capacitor en F multiplicamos el segundo trmino por 106, luego: 107 Ce [F] = 2 . . f . Re Reemplazando valores: 107 107 Ce [F] = = = 6,28 . 20Hz . 100 12,56 . 103 10.000 = = 796F 12,56 En general el valor de Re es mayor, al igual que la frecuencia mnima de operacin, con lo cual el valor Ce disminuye bastante. Valores normales estn comprendidos entre 50F y 220F. Del mismo modo se pueden calcular los capacitores de paso (CB1 y CB2) obtenindose valores normales que oscilan entre 10F y 100F. Acoplamientos interetapas Para conectar el transductor de entrada al amplificador, o la carga u otra etapa es necesario un medio de acoplamiento que permita adaptar impedancias para que exista mxima transferencia de energa. Los acoplamientos interetapas ms utilizados son: a) Acoplamiento RC b) Acoplamiento a transformador c) Acoplamiento directoFigura 31


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a) Acoplamiento RC: Este tipo de acoplamiento es muy utilizado aunque con l no se produce una perfecta adaptacin de impedancias y por lo tanto, no habr mxima transferencia de energa. Separa totalmente a la seal de los circuitos de polarizacin (figura 32). El resistor R1 puede ser el resistor de carga (o polarizacin) de la primera etapa mientras que R2 puede ser el resistor de polarizacin de base, si la segunda etapa es un transistor. El capacitor C deja pasar las seales alternas provenientes de la primera etapa y evita que la tensin de polarizacin quede aplicada en la entrada de la segunda etapa. La capacidad del capacitor C tiene que ser la adecuada a las frecuencias de las seales que se desean amplificar; por ejemplo, para acoplar etapas de audio su valor debe ser elevado (algunos microfarad) para que su reactancia sea pequea a la menor frecuencia que se desea amplificar. Una capacidad pequea ofrecera una reactancia elevada al paso de las bajas frecuencias, por lo que stas quedaran atenuadas. Si se desea acoplar etapas amplificadoras con transistores usando capacitores electrolticos, la posicin del capacitor depender de la polaridad de los transistores. Veamos un ejemplo en la figura 33. Con transistores NPN la base es menos positiva que el colector; por lo tanto, el capacitor electroltico se conecta con el positivo del lado del colector de la primera etapa. Generalmente se utiliza un acoplamiento con resistor y capacitor en etapas amplificadoras de audio de bajo nivel. Veamos el circuito de la figura 34. Cada etapa tiene su polarizacin, como ya hemos visto, utilizando resistores de polarizacin, Re en emisor y capacitores para permitir que la corriente alterna no se desarrolle sobre ellos. El acoplamiento lo produce el capacitor Cc junto con R1 y Rb2, donde R1 sirve de carga para el primer transistor y Rb2 suministra la polarizacin necesaria a la base del segundo transistor.Figura 33

En la figura 35 podemos ver qu ocurre al acoplar tres etapas amplificadoras mediante resistor y capacitor. All se observa un amplificador de tres etapas con emisor comn, acopladas por resistor-capacitor. La ganancia ptima del conjunto se obtiene ajustando el valor de las resistencias de colector. Si Rc es muy grande, en ella habr una excesiva cada de tensin que disminuir la polarizacin del colector; por el contrario, si Rc es baja habr una amplificacin insuficiente. En este circuito el punto de funcionamiento de los transistores est dado por las resistencias Rb ya que se trata de un circuito de polarizacin fija. En los preamplificadores de audio de varias etapas (tres, cuatro o ms), los transistores estn conectados en cascada y, debido a la alta ganancia del conjunto, el circuito puede tornarse inestable, por lo que es necesario desacoplar las etapas con el fin de evitar una realimentacin desde la salida hacia la entrada a travs de la lnea de alimentacin. Veamos el circuito de la figura 36 donde se agrega un resistor de desacople en serie con el resistor de base del segundo transistor: La constante de tiempo R1 . C1 debe ser tal que la frecuencia realimentada que se debe amplificar sea derivada a masa a travs de C1; adems R1 debe ser pequea para que el suministro de tensin de Q1 no se reduzca demasiado, con lo cual C1 debe tomar un valor alto (100F o ms).Figura 35

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A MPLIFICADORES

La finalidad de este filtro es la de compensar la influencia de la impedancia interna de la fuente de alimentacin en el acoplamiento de impedancias interetapas. En otras palabras, impide que se amplifique el ruido que puede estar montado sobre seal, emanada de la fuente de alimentacin. b) Acoplamiento por transformador El acoplamiento a transformador se utiliza con el fin de obtener mxima ganancia de potencia; para ello deben adaptarse las impedancias de entrada y de salida del transistor. Se emplea un transformador reductor T1 para acoplar la entrada del transistor con lo cual, si bien hay una disminucin de la tensin aplicada (por ser un transformador reductor), hay un mayor suministro de potencia ya que, por el teorema de mxima transferencia de potencia, se lograr transferir mxima energa cuando las partes estn perfectamente adaptadas (igual impedancia).Figura 37

Para adaptar la salida tambin usamos un transformador reductor ya que el parlante posee baja impedancia, en contraposicin con la alta impedancia del colector del transistor. Este T2 adapta las impedancias de colector y parlante, permitiendo as que la potencia entregada al parlante sea mxima. En este circuito se tiene una polarizacin por divisor de tensin, donde R1 y R2 dan la polarizacin adecuada a la base, y Re da la estabilizacin necesaria para evitar problemas por cambios en los parmetros del transistor; C1 se coloca para evitar que la seal se atene sobre R1, y C2 para impedir que la seal se desarrolle sobre Re, as el rendimiento del circuito aumenta. En sntesis, un acoplamiento a transformador permite adaptar impedancias y asla niveles de continua, pero posee la desventaja fundamental de que sus caractersticas varan con la frecuencia, razn por la cual suele distorsionar (aunque muy poco) a todas aquellas seales que no estn compuestas por una sola frecuencia. Adems, es pesado y de gran tamao; si se quiere disminuir las prdidas, el costo aumenta considerablemente. Pero el acoplamiento a transformador posee tambin otras aplicaciones como ser: invertir la fase de la seal aplicada al bobinado primario, sumar o restar dos o ms seales aplicadas a varios bobinados primarios del transformador, etc (figura 37). En el circuito, Q1 es un amplificador de audio polarizado en clase A (permite amplificar toda la seal) que debe transferir su energa a los transistores Q2 y Q3; para ello se utiliza el transformador T1 como sistema de acoplamiento. Los bobinados L2 y L3 entregan la seal a Q2 y Q3 con fases opuestas. Este sistema permite aumentar el rendimiento de una etapa de audio y es muy utilizado en los receptores comerciales. Recuerde que la relacin entre los bobinados L1-L2 y L1-L3 debe ser tal que permita la adaptacin de impedancias (figura 38). En este otro ejemplo, el transformador T2 recibe laFigura 38


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seal proveniente de los transistores Q2 y Q3. Las corrientes circularn en sentido opuesto, restndose los campos magnticos producidos por stas. Ahora bien, se busca que uno conduzca cuando el otro no lo hace y viceversa, de tal forma que en el secundario de T2 estarn presentes las seales de ambos transistores pero la correspondiente a Q3 aparecer invertida respecto de la seal producida por Q2; se trata entonces de un circuito sumador (en realidad restador) en el cual T2 suma las seales y adapta las impedancias de los transistores con el parlante. c) Acoplamiento directo Este tipo de acoplamiento consiste en unir dos etapas por medio de un cable. En principio, este mtodo es ideal porque resulta econmico y no sufre las atenuaciones que introduce todo capacitor en bajas frecuencias. En sistemas amplificadores, el mtodo consiste en conectar el colector de un transistor con la base del siguiente (figura 39). El principal problema de este circuito radica en que los niveles de continua del colector de un tranFigura 40

sistor y de la base del transistor siguiente son iguales, razn por la cual la tensin de colector de los transistores es bajsima limitando as su funcionamiento. Para solucionar este problema se puede polarizar el primer transistor en configuracin colector comn, lo que significa que la seal ingresa por la base y sale por el emisor. Para ello se conecta el emisor de la primera etapa a la base de la etapa siguiente (figura 40). En este caso Re1 y Re2 cumplen la funcin de estabilizar a los transistores frente a variaciones trmicas, las impedancias estn adaptadas ya que la impedancia de salida de un amplificador colector comn es baja, al igual que la impedancia de entrada de un amplificador emisor comn (en realidad no tan baja). Se puede aumentar an ms la ganancia del circuito de la figura anterior si se desacopla el emisor del segundo transistor (figura 41). El emisor se debe desacoplar solamente en la segunda etapa, ya que si se conectara un capacitor de desacoplamiento entre emisor y masa de la primera etapa, la seal que entrega esta etapa se derivara a masa a travs del capacitor y no llegara a la etapa siguiente. Otra forma de acoplar directamente dos etapas amplificadoras se muestra en el circuito de la figura 42.Figura 42

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Figura 43

En este caso, R1 sirve como carga de Q1 y como polarizacin de Q2 al mismo tiempo. Podemos conectar dos etapas amplificadoras en emisor comn a travs de un resistor, considerando este acoplamiento como directo; permite trabajar con distintos niveles de continua entre colector del primer transistor y base del segundo, pero presenta el inconveniente de disminuir el rendimiento (figura 43). Las ventajas del acoplamiento directo son aprovechadas en la mayora de los equipos de audio, ya sea en aquellos que utilizan circuitos integrados o en circuitos de excelente diseo. En la actualidad son muy pocos los equipos de buenas caractersticas que no utilizan este acoplamiento. Los capacitores de acoplamiento, por ejemplo, introducen un desplazamiento de fase cuya magnitud angular no es uniforme para todas las frecuencias (recuerde que la reactancia capacitiva depende de la frecuencia), lo que es indeseable para muchas aplicaciones. En el acoplamiento directo no existe este problema. Otra forma de acoplamiento muy difundido en la actualidad es el Acoplamiento complementario que se basa en el uso de un transistor NPN y otro PNP (figura 44).

El circuito mostrado corresponde a un acoplamiento directo complementario que utiliza un transistor NPN en la primera etapa y un PNP en la segunda; R1 y R2 forman el divisor de tensin que polariza la base del primer transistor. Re1 contribuye a mejorar la estabilidad trmica. R3 acta como resistencia de carga del primer transistor y como polarizacin de base de Q2; es quien define el acoplamiento. Observe que ambas etapas trabajan en configuracin de emisor comn ya que tanto masa (el comn de Q1) como +Vcc (el comn de Q2) se pueden considerar masa a los efectos de la seal. Recordemos que Vcc se puede considerar como un capacitor cargado de alta capacidad. En ausencia de seal, R3 polariza adecuadamente a Q2. Cuando se aplica una seal positiva en base de Q1, se hace ms negativa la base de Q2 y as aumenta su corriente de colector. Si, por el contrario, se aplica una seal negativa en base de Q1, aumenta la tensin en base de Q2, disminuyendo la tensin de salida. Para mejorar la estabilidad del sistema, se puede colocar un resistor en el acoplamiento directo complementario (figura 45). En sntesis, este acoplamiento se usa generalmente en aquellos casos en que se desea aprovechar la componente continua de una etapa en otra y donde el factor costo es fundamental. **********

Figura 44


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n este captulo haremos referencia a los diferentes circuitos que se encargan de "acomodar" la seal de audio procedente de una fuente de seal definida, para que pueda excitar a una etapa de salida. Controles de tono Los controles de tono son circuitos que se encargan de modificar la respuesta en frecuencia del amplificador con el objeto de coma, salas de audio y parlantes. Si estos elementos fuesen perfectos, el equipo reproducira exactamente la onda acstica original y no seran necesarios los controles de tono. Un control ideal de tonos sera aquel que permite variar la ganancia del amplificador para cualquier frecuencia del espectro audible a los lmites que fije el usuario, de foma tal de conseguir una respuesta perfectamente plana sin importar la respuesta en frecuencia del transductor de entrada. El control de tono que se asemeja al ideal, por ser casi perfecto, se denomina control de contorno pero tcnicamente se lo conoce como Ecualizador Grfico que utiliza un gran nmero de variables (generalmente potencimetros) que operan independientemente sobre partes distintas del espectro audible. Estos elementos variables suelen ser controles deslizantes, tal que su forma relativa para un caso particular se asemeja bastante a la curva de respuesta en frecuencia del equipo, lo que permitir que los parlantes reciban una seal elctrica plana para toda la banda de audio. Se debe tener cuidado en la manipulacin de estos controles pues puede ocurrir que la sala utilizada absorba bastante las seales de baja frecuencia y muy poco los tonos altos; en ese caso se debe realzar los bajos y atenuar los altos. Pero las circunstancias pueden ser otras y la posicin de los controles tambin cambiar. Por lo tanto, en manos de aficionados este tipo de equipos puede no ser efectivo ya que un control de contornos profesional posee dos elementos de ajuste por cada octava musical lo que hace un total de ms de veinte potencimetros para ecualizar la respuesta en frecuencia de un sistema amplificador. Para fijar su posicin se deben tener en cuenta varios aspectos, como ser: las caractersticas de la sala que se est usando y la cantidad de personas en su interior, la disposicin de las cajas acsticas, el tipo de

seal que se est amplificando, etc; si a esto le sumamos el hecho de que la respuesta auditiva de todos los oyentes no es la misma, podemos deducir que el manejo de este equipo requiere de una buena experiencia previa. Un detalle ms a tener en cuenta es que puede ocurrir que quien maneje el equipo no escuche bien los tonos altos y por eso los realza sin tener en cuenta que lo que para sus odos se escucha bien, para el resto de las personas estar recargado en tonos agudos. Si se dispone de instrumentos de medida se puede conseguir que el ecualizador grfico rinda en todo su potencial, aunque no se cuente con gran experiencia. Los controles de tono pueden atenuar o enfatizar seales de frecuencias determinadas en un rango variable entre 10dB y 20dB. No es necesario contar con refuerzo o atenuaciones superiores ya que se desea contar con un sistema que corrija la respuesta en frecuencias del amplificador y no que introduzca distorsiones. Existen dos factores fundamentales que definen al control de tono, a saber: a) frecuencia en la cual el control comienza a operar; b) cantidad de refuerzo o atenuacin que puede suministrar el control para cada frecuencia. Lo ideal es que estos factores puedan seleccionarse independientemente, pero esto es caro y slo lo utilizan determinados equipos profesionales. En general se utilizan sistemas cuya ley de variacin de la ganancia con la frecuencia es una recta de pendiente determinada (normalizada) cuya frecuencia de inicio de funcionamiento se selecciona por el control de mando. Ejemplo 1 Se tiene un control de tono que eleva la ganancia para seales de alta frecuencia que opera entre 5kHz y 10kHz, con una pendiente de 6dB por octava a partir de la frecuencia de transicin. Esto quiere decir que cada vez que se duplique la frecuencia correspondiente a una octava en la escala musical, la ganancia se duplicar (figura 1). Un buen control de tono se utiliza para efectuar pequeas correcciones en la respuesta en frecuencia, como por ejemplo realzar los graves o atenuar un pico en la zona de los agudos. Cuando los controles de tono se encuentran en la mitad del recorrido, no introducen ninguna modifi-


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PREAMPLIFICADORESFigura 1 Figura 3

cacin en la respuesta en frecuencia; por lo tanto, al efectuar alguna grabacin, dichos controles deben estar en la posicin central (no realza ni atena). Los controles de tono deben disearse para que el movimiento en el control de agudos no modifique la respuesta en bajos y viceversa. Existen dos tipos bien definidos de controles de tono: a) Control Pasivo b) Control Activo La red pasiva se conecta entre dos etapas amplificadoras, trabajando con un nivel de seal elevado (1 volt), mientras que la red activa forma parte de un lazo de realimentacin del preamplificador. Controles de tono pasivos Los controles pasivos de tono consisten en un conjunto de resistores y capacitores asociados (los resistores generalmente son potencimetros) que atenan en general todas las frecuencias para luego enfatizar una porcin del espectro audible, ya que se atena a esta zona menos que al resto, logrndose realzar la porcin de frecuencia enfatizada. Un control pasivo de tono por pasos consiste en seleccionar un capacitor por medio de una llave selectora; luego en funcin del capacitor elegido, variar la constante RC del circuito y con ella, la respuesta en frecuencia de la relacin eo/ei de la figura 2. Si se desea que la variacin en la respuesta del control sea continua, en lugar de cambiar capacitoresFigura 2

se utiliza un potencimetro como elemento de ajuste, lo cual permite un rango de operacin previamente establecido (figura 3). En este caso, al variar R, vara la frecuencia de transicin del filtro; es de construccin sencilla y econmica. Si se desea mantener constante la frecuencia de transicin (punto en que comienza a actuar el filtro) y variar la pendiente de atenuacin, al filtro de la figura anterior se le realiza una pequea modificacin, que consiste en intercalar un resistor variable en serie con C que controlar la pendiente de atenuacin del filtro (figura 4). En el circuito mostrado, la frecuencia de transicin est dada por R1 y C mientras que R2 define la pendiente de atenuacin del circuito. Por ejemplo, si R2 = se supone que el circuito no atena ninguna frecuencia ya que no hay camino a masa para ninguna seal. Si R2 = 0 ohm, la pendiente de atenuacin la define R1 y C (figura 5). En este circuito la frecuencia de transicin se calcula mediante la siguiente frmula: 1 ft = 6,28 x C x R1 Donde: ft = Frecuencia de transicin en hertz C = Capacidad en faradFigura 4

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PREAMPLIFICADORESFigura 5

Corresponde a un filtro con una atenuacin de 12dB por octava con una frecuencia de transicin de 500Hz. Ejemplo 3 Este mismo anlisis puede efectuarse con una red pasiva pasa altos (rechaza bajos), donde debe colocarse un circuito RC en el camino de la seal con constante de tiempo variable, pues el capacitor ofrece menor impedancia en la medida que aumenta la frecuencia de trabajo. Para entender el funcionamiento de este filtro, sea el siguiente circuito pasa altos (figura 6). En este circuito, si R2 = 0, la atenuacin es constante para todas las frecuencias y porporcional a la relacin: R1 R1 + Rt mientras que para R2 = , la pendiente de atenuacin para bajas frecuencias es mxima, ya que C define el paso de la seal (figura 7). En este circuito existe una prdida de insercin que es distinta, segn la frecuencia de que se trate, dependiendo de la posicin del cursor de R2. O sea que el circuito atenuar ms o menos segn sea el valor de R2. En los grficos vistos, la atenuacin est expresada en dB y se calcula mediante la siguiente frmula: eo At = 20 log ei Nos preguntamos ahora, cmo se puede efectuar un arreglo para tener en un mismo circuito el control de graves y agudos sin que el movimiento de un control afecte la respuesta del otro?, Qu valores elegiremos como frecuencias de transicin de sendos filtros?Figura 7

R1 = Resistencia conectada en serie con la seal dada, en ohm Debemos tener en cuenta que en esta frmula R1 ser la suma de R1 y la resistencia interna de la fuente generadora de seal. Para obtener la pendiente de operacin deseada se utiliza la grfica mostrada para este tipo de circuitos, donde R2 se calcula a partir del valor de R1 y de la pendiente elegida. Para dar un caso general, en la grfica se han dibujado los valores expresados en multipolos de ft. Ejemplo 2 Calcule la frecuencia de transicin y la pendiente de atenuacin de un filtro pasivo pasa bajos con los siguientes datos: R1 = 31.800 ohm R2 = 10.600 ohm C = 0,01F ft = frecuencia de transicin; es el punto en que comienza a trabajar el filtro. Reemplazando valores: 1 ft = 500Hz 6,28 . 31.800 . 0,01 . 10-6 R2 10.600 1 Pte = = = 12dB/octava R1 31.800 3

Figura 6


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PREAMPLIFICADORESFigura 8

En la curva de respuesta en frecuencias del filtro pasabajo estudiado, se observa que con mxima pendiente de atenuacin existe una disminucin en la ganancia de 25dB entre las frecuencias ft y 16ft, pero: qu frecuencia elegimos como ft? Si ftg (frecuencia de transicin del control de graves) es superior a los 200Hz dejaramos pasar las frecuencias bajas hasta esta frecuencia y se introduciran sucesivas atenuaciones hasta llegar a 25dB por debajo de la ganancia nominal para una frecuencia superior a los 3200Hz. Es peligroso amplificar (reforzar) en exceso frecuencias superiores a los 200Hz pues si bien pueden parecer muy agradables los tonos graves emitidos por una orquesta, la voz humana se torna pastosa, como si el que hablara tuviera la cabeza metida dentro de una caja, lo cual quita fidelidad al sistema de audio, pues cualquier oyente se dara cuenta de esta situacin. Por lo tanto, no conviene reforzar en demasa tonos bajos superiores a los 200Hz. Tambin adquiere matices desagradables la voz humana cuando se refuerzan tonos agudos por debajo de 1000Hz. Es decir, en principio conviene fijar las frecuencias de transicin de la siguiente manera: ftg = frecuencia de transicin de graves = 200Hz fta = frecuencia de transicin de agudos = 1000HzFigura 9

Esto quiere decir que el control de graves tiene respuesta plana hasta 100Hz (ft/2) y atena la ganancia para frecuencias superiores, mientras que el control de agudos produce una atenuacin de seales hasta una frecuencia de 2000Hz (2 ft), punto a partir del cual no hay atenuacin (figura 8). Si se desea una diferencia bien apreciable en el tono al variar los controles de graves y agudos, sin importar demasiado la fidelidad de la voz humana, se sube ftg una octava y se baja una octava fta, es decir: ftg = 400hz y fta = 500Hz. Con el objeto de tener una buena separacin entre el filtro de graves y el filtro de agudos (menor interaccin entre los controles) suelen utilizarse estos circuitos intercalndolos en distintas etapas del preamplificador. Este, aunque es efectivo, no se acostumbra emplear en amplificadores comerciales. Suele utilizarse una celda donde ambos controles (graves y agudos) se sitan en el mismo circuito, eligiendo cada control con una frecuencia de transicin tal que no se superpongan (figura 9). Si bien los controles pasivos son todos atenuadores, puede construirse un sistema que posea una respuesta plana (se atenan las seales de todas las frecuencias por igual) cuando los potencimetros se encuentran en la mitad del recorrido, y luego, un giro hacia la izquierda provoque una atenuacin y un giro hacia la derecha permita reforzar un rango del espectro audible. Un circuito de control de tono combinado con estas caractersticas sera el que vemos en la figura 10. En general, un giro horario implica un refuerzo y un giro antihorario provocar una atenuacin. En los diagramas esquemticos, una flecha sobre la corredera del potencimetro indica hacia dnde se mueve el cursor cuando se gira en el sentido horario (o hacia arriba o adelante, en caso de ser tipo corredera). Analicemos uno de todos los posibles movimientos:Figura 10

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P REAMPLIFICADORESSupongamos que el control de graves se encuentra al mximo (R4 queda en paralelo con C3, y C2 queda cortocircuitado). Ntese que las frecuencias bajas circularn hacia la salida con mayor facilidad a causa de que ha sido eliminado -cortocircuitado- el capacitor C2 (figura 11). En este movimiento no hemos analizado lo que ocurre con la rama superior ya que hay un capacitor (C1) en serie, lo que dificulta el paso de las seales de baja frecuencia. Realice el mismo anlisis dibujando los circuitos equivalentes para el caso en que el potencimetro de graves se encuentre en el mnimo, repitiendo el estudio con el control de agudos; de esta manera entender perfectamente el funcionamiento de este circuito. Slo cabe acotar -para facilitar el anlisis- que C1, R5 y C4 forman el filtro de agudos y R1, C2, R2, C3 y R3 constituyen el control de graves. Veamos en la figura 12 cmo son las curvas de respuesta en frecuencia del circuito estudiado. En este caso, el nivel de referencia (0 dB) no corresponde a la tensin de entrada ei, sino que ser una seal de menor valor que se obtiene cuando los controles se encuentran en la mitad de su recorrido. Analicemos un control de tonos pasivo utilizado comnmente en circuitos comerciales (figura 13). Se trata de un filtro de diseo complejo que posee una red formada por R2, C3 y R5 que permite que las frecuencias medias pasen a la salida sin sufrir variacin en su respuesta. C1, P1, C3 y R1 forman el filtro de agudos y la red P2, C4, R3 y R4 forman el control de graves. Cuando P1 est en la posicin A, el circuito se comporta como un filtro pasa alto, ya que C1 es un camino directo entre la entrada y la salida. De todos modos el paralelo (R1/P1), en serie con C2, limitarn un poco el paso de la seal. Al estar P1 en la posicin B las frecuencias altas son suprimidas ya que C2 queda en paralelo con la salida haciendo que estas seales se deriven a masa; es decir, el potencimetro facilita el paso de las seales de alta frecuencia en una posicin e impide el paso de las mismas en la otra posicin. Analizando el control de graves, cuando P2 est en la posicin X se cortocircuita el capacitor C3, permitiendo que las seales de baja frecuencia circulen libremente hacia la salida a travs de R2 y R5. Si P2 se encuentra en la posicin Y, las frecuencias bajas no pasarn por C3 pero s (aunque atenuadas) por el divisor resistivo formado por P2 y R3. Este circuito fue diseado para obtener una correccin de 12dB (12dB por encima y por debajo de la respuesta plana) con una frecuencia de transicin deFigura 11

200Hz para los graves y 1000Hz para el control de agudos. En este caso la interaccin entre circuitos es bastante baja. Fue utilizado por la empresa Philips para la construccin de un Preamplificador de excelentes caractersticas, con el objeto de excitar etapas de potencias valvulares y muy bien puede ser empleado en circuitos de estado slido.

Realimentacin negativa Con el objeto de mejorar la linealidad de los amplificadores de tensin, se aplica a los mismos una realimentacin negativa que consiste en aplicar a la entrada una porcin de la seal de salida, pero en contrafase (figura 14). El circuito utilizado para proporcionar la seal de realimentacin se conoce como lazo de realimentacin y generalmente consiste en un circuito que aplica una seal por un extremo distinto a la entrada de seal (por ejemplo, si la seal ingresa por base, el lazo de realimentacin termina en el emisor). Se denomina ganancia de lazo abierto a la ganancia del amplificador antes de realimentarlo y seFigura 12


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PREAMPLIFICADORESeo G = Ganancia de lazo cerrado. ei G 1 + Generalmente se busca que G sea mucho mayor que con lo cual la relacin G/ ser muy grande con lo cual puede despreciarse el 1. G Si G >> 1, entonces >> 1; luego: Figura 13

lo simboliza con la letra G. Llamamos Ganancia de lazo cerrado a la ganancia del amplificador realimentado. Si analizamos detenidamente la figura del amplificador realimentado veremos que al amplificador ingresan dos seales: la de entrada y la del lazo de realimentacin; luego: eo V de entrada = ei + ( - ) eo V de entrada = ei - El signo (-) indica una realimentacin negativa. La tensin de salida eo ser igual a la tensin de entrada por la ganancia de lazo abierto. eo eo = G . ( ei - ) Luego, la ganancia de lazo cerrado se calcular como eo/ei, donde est incluida la realimentacin; por lo tanto, se deduce que:

eo G = = ei G eo = ei Por este motivo, se denomina Ganancia de Lazo a la atenuacin del lazo de realimentacin . Si la realimentacin fue proporcionada a travs de un divisor resistivo , es un nmero real, con lo cual la ganancia de lazo cerrado permanecer constante para todas las frecuencias, no importando el comportamiento del amplificador y siempre que G/ sea muy grande. Si se desea compensar alguna distorsin puede utilizarse una red variable con la frecuencia, como lazo de realimentacin, lo que har que vare con la frecuencia de modo de compensar la alinealidad inicial. La realimentacin negativa disminuye la ganancia de la etapa original, lo cual es una ventaja ya que el ruido producido por algn componente interno (por ejemplo, un transistor es fuente de ruido) quedar reducido al valor G/ . Vruido. En sntesis, la realimentacin negativa es una tcnica destinada a mejorar la respuesta de los amplificadores sacrificando la ganancia del equipo. Un caso tpico de realimentacin negativa est dado por un transistor con polarizacin automtica (figura 15). Se trata de una realimentacin paralelo-paralelo, tomando seal desde el colector y reinyectndola en base. La ganancia del lazo de realimentacin (1/) depende de la relacin entre R2 y R1, aunq

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