UNIDAD CURRICULAR ELECTRÓNICA II Guía de Laboratorios AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA OBJETIVOS • Determinar el intervalo de funcionamiento lineal de un amplificador de dos etapas con acoplamiento de DC. • Observar las relaciones de fase de la entrada y la salida de cada etapa del amplificador. • Localizar fallas en un amplificador de audio. INFORMACIÓN BÁSICA Cuando dos amplificadores se conectan de manera que la señal de salida del primero es la señal de entrada del segundo, se dice que los amplificadores están conectados en cascada. Los amplificadores conectados en cascada permiten aumentar la ganancia con amplificadores de una sola etapa. La configuración en cascada más conocida es la de emisor común. Estos amplificadores tienen ganancias de voltaje, corriente y potencia grandes. Se emplean en sistemas de reproducción de sonido; por ejemplo, amplificadores de audio, televisores y amplificadores de video (películas), como en muchas otras aplicaciones. Acoplamiento de DC Existen otros métodos de acoplamiento: acoplamiento directo, acoplamiento de RC y acoplamiento por impedancia. La figura 1-2 muestra un amplificador en cascada acoplado por RC. Los capacitores C1 y C3 acoplan la señal respectiva de Q1 y Q2. C 5 acopla la señal de Q2 con su carga total. En otros aspectos, las funciones de las componentes de las etapas Q1 y Q2 son las mismas que las de sus componentes equivalentes del amplificador acoplado por transformador de la figura 1-1. Si se considera el funcionamiento de los amplificadores acoplados, hay que tener en cuenta un aspecto. La adición de una segunda etapa podría alterar las características de la primera etapa y modificar el nivel de la señal que se alimenta a la segunda etapa. Por ejemplo, si en la figura 1- 2 C4 estuviera abierto, R4 funcionaría como carga de la señal de ca y de la carga de cd de Q 1. Cuando C3 se conecta como se muestra (figura 1-2), R4 ya no funciona como carga del colector de ca de Q1. Ahora la carga de ca está formada por R4 en paralelo con R5, R6 y la resistencia de entrada, Rent, de Q2. La resistencia de carga de colector de ca, RL es menor que R4. En este análisis se supone que la reactancia de C3 es insignificante en la frecuencia de la señal de entrada y que la batería, Vcc ofrece una trayectoria de impedancia muy baja para la señal de ca; es decir, Vcc funciona, ante la señal, como corto circuito de ca. Métodos de acoplamiento Acoplamiento mediante transformador En el acoplamiento de las etapas de los amplificadores es frecuente usar transformadores. Con ellos se logra acoplar la impedancia de salida de la primera etapa con la impedancia de entrada de la siguiente etapa. Con un adecuado acoplamiento de impedancias se logra una máxima transferencia de potencia de una etapa a la siguiente. La figura 1-1 es el diagrama del circuito de un amplificador de transistores de dos etapas acopladas por transformador. La señal de entrada se acopla mediante T 1 en la base de Q1. C1 sirve para aislar el secundario del transformador T1 del circuito de polarización de la base. La polarización de a base y la estabilización de la polarización se logra mediante el divisor del voltaje de R 1 y R2 en la batería VCC, y el resistor R3 en e1 emisor. C2 está conectado en paralelo con R3 para evitar una degeneración. T2 Acopla el serial de salida del transistor Q1 con el circuito de base de Q2. En el circuito de Q2 los componentes C3, C4, R4, R5 y R6 tienen la misma función que sus respectivas contrapartes de Q1: C1, C2, R1, R2 y R3. La salida amplificada de Q1 alimenta a Q2, donde ocurre una amplificación adicional. Figura 1-2. Amplificador de transistores con acoplamiento RC. Figura 1-3. Acoplamiento RC y por transformador. Figura 1-1. Amplificador de transistor en cascada con acoplamiento mediante transformador. Elaborado por: Ing. Pedro Olivares El voltaje de señal en el colector de Q1, es igual a (ic x RL). Un efecto de reducir la resistencia de carga de ca es la disminución del voltaje de señal VIsal en el colector de Q1. Este voltaje determina el valor de la corriente en e1 circuito de entrada de la base de Q2. Es evidente que la resistencia de carga de ca de Q1 (uno de los factores que determina que la corriente de señal se acople a la base de Q2) se altera por el acoplamiento de RC de amplificadores en cascada. PRACTICA 01 AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA UNIDAD CURRICULAR ELECTRÓNICA II Guía de Laboratorios La combinación de acoplamientos de RC y de transformador es aprovechable. La figura 1-3 es el diagrama del circuito de un amplificador de transistores en una configuración de acoplamiento combinado. La etapa Q1 esta acoplada por RC con Q2 . La etapa Q2 se acopla a su carga mediante transformador. Las configuraciones de polarización de las etapas Q1 y Q2 son convencionales. Figura 1-4. Amplificador de transistores con acoplamiento directo. Acoplamiento directo En los amplificadores de transistores en cascada también se utiliza el acoplamiento directo. Una ventaja de éste es el ahorro en componentes y su mejor respuesta a la frecuencia. La figura 1-4 es el diagrama del circuito de un amplificador de dos etapas acoplado de manera directa. La polarización y la estabilización de polarización de Q1 son convencionales. La polarización de Q2 está en función del voltaje de colector de Q1 y del voltaje de emisor de Q2. Los valores de R4, (en el colector de Q1), de R5 y del punto de operación de Q1 deben elegirse de manera que el colector de Q 1 , y, por lo tanto, la base de Q2, sea positivo respecto del emisor de Q2. Esto permite estabilizar la polarización en directa de Q2. La estabilización de la polarización de Q2 depende de la conexión directa entre Q1 y Q2. Así, cuando aumenta la temperatura de operación, las corrientes de colector de Q1 y Q2 también aumentan. Por otra parte, el incremento de la corriente de colector de Q1; produce que el voltaje del colector de Q1 sea menos positivo, es decir, más negativo. Esto hace que la base de Q2 sea menos positiva y reduce la polarización en directa de Q2, con lo que disminuye la corriente de colector de Q2. En efecto, el circuito de acoplamiento directo de la figura 1-4 produce la estabilización de la polarización de Q2. Funcionamiento lineal Cuando dos o más amplificadores funcionan en cascada, las características de la unidad total deberán ser adecuadas a las necesidades de la aplicación. Por ejemplo, si en un amplificador de audio hay dos o más transistores, dicho amplificador deberá utilizarse dentro de sus características lineales para obtener una reproducción de sonido sin distorsiones. Para probar el funcionamiento lineal se puede utilizar un osciloscopio. Como fuente de señal se recurre a un generador de onda senoidal de audio. La salida del amplificador se monitorea con un osciloscopio. Para determinar el intervalo de funcionamiento lineal, el nivel de la serial de entrada se aumenta desde 0 hasta justo un Elaborado por: Ing. Pedro Olivares valor antes del punto de distorsión (punto de truncado) de la salida. Así se procede a determinar y medir el valor máximo de la señal del generador que no produce distorsión. Procedimiento lógico para localizar fallas Localizar la falla de un dispositivo electrónico averiado, por ejemplo un amplificador de audio de varias etapas, requiere un procedimiento lógico y sistemático. Un eficiente primer paso de este procedimiento es suponer que sólo una falla provoca el problema. El técnico trata de ubicar esa falla de la manera mas sencilla y rápida. Una vez descubierto y corregido el problema, el funcionamiento del amplificador deberá ser normal. Si no es así, el técnico deberá buscar una segunda posible causa y, de ser necesario, una tercera, y así sucesivamente. Las etapas de este sencillo procedimiento son: 1. Escuche el funcionamiento del amplificador. Para ello se necesita un generador de onda senoidal de AF o un reproductor de discos. Los síntomas, así como conocimientos y experiencias anteriores, permitirán un rápido diagnostico. 2. Revise el amplificador de audio pare localizar problemas evidentes. Por ejemplo, conexiones abiertas o defectuosas, resistores quemados, partes rotas o sobrecalentadas. Los resistores y los transformadores quemados tienen un olor característico. Antes de reemplazar una parte defectuosa, determine la causa de su falla. 3. Mida el voltaje de la fuente de alimentación para determinar si en ella está el problema. 4. Para aislar la etapa con falla haga un seguimiento de señal en el amplificador. Cuando la etapa defectuosa se localiza, el problema estará en uno o varios de los componentes de esa etapa. 5. Aísle la parte con falla. Se realizan pruebas para medir el voltaje en cd en la etapa defectuosa y estos valores se comparan con los nominales. Si no se dispone de éstos, el técnico deberá calcular valores aproximados a partir de su conocimiento del circuito. Se deben analizar las diferencias entre los valores nominales y los medidos para inferir cual es la parte con falla. Se prueba la parte de la que se sospecha o se reemplaza por una que funciona bien y así comprobar la localización de la falla. Las pruebas de voltaje en cd se complementan con pruebas de resistencia del circuito del que se sospecha. 6. Corrija el problema. La parte de repuesto debe satisfacer las especificaciones eléctricas y físicas de la original. Para reparar amplificadores, utilice las partes de repuesto que recomienda el fabricante. Cómo detectar una seguimiento de señal etapa defectuosa mediante La figura 1-5 es un diagrama esquemático de un amplificador de audio de dos etapas que incluye un amplificador excitador y uno de salida. Los puntos de PRACTICA 01 AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA UNIDAD CURRICULAR ELECTRÓNICA II Guía de Laboratorios pruebas dinámicas para el seguimiento de señal de este amplificador están numerados del 1 al 8. Suponga que el amplificador no funciona (no se escucha ningún sonido en la bocina) y que deseamos detectar la etapa defectuosa mediante seguimiento de señal. El siguiente es el procedimiento que se lleva a cabo. 1. Conecte el generador de AF a la entrada del amplificador. Como fuente de señal se utiliza una señal de 1000 Hz calibrada a nivel moderado. 2. Con un osciloscopio haga el seguimiento de la señal desde la entrada (base de Q1,) hasta la salida (devanado de voz de la bocina). 3. Si el amplificador funcionara de manera normal, la onda senoidal de 1000 Hz debería aparecer en los puntos de prueba 1, 2, 4, 5 y 7. Los niveles aproximados (amplitudes) de la onda senoidal son: TP 1: Nivel bajo, determinado por la salida del generador. TP 2: Señal pico a pico mayor que TP 1 (debido a la ganancia de Q1). voltaje en los resistores de emisor ni de colector. Las mediciones sugieren un defecto en el transistor. Al reemplazar Q1, por un transistor 2N3904 en buen estado se soluciona el problema. Antes de sustituir el transistor, es posible hacer otra prueba con un probador de transistores en circuito o un trazador de curvas en circuito. En la falla anterior es evidente que el transistor esta defectuoso. Para problemas menos evidentes con frecuencia se requieren pruebas de voltaje y de resistencia para localizar la parte dañada. NOTA: Los amplificadores de audio de estado sólido son, en general, más complejos que el circuito de la figura 1-5, ya que cuentan con una polarización de cd y estabilización de ca. Estos circuitos de realimentación aumentan una dimensión más al proceso de localizar fallas. Existe la posibilidad de que se produzcan fallas por reacciones en cadena y se deben abrir las trayectorias de realimentación para aislar el problema. TP 4: Las señales de TP 2 y TP 4 deben estar casi al mismo nivel. TP 5: Señal pico a pico mayor que TP 4. TP 7: La onda senoidal de salida se mide con el punto 8 como referencia. El técnico debe estudiar el diagrama del circuito cuyo seguimiento de señal identifica los puntos de prueba dinámicos y conocer qué hay en cada uno. 4. Si el amplificador estuviese averiado (por completo inactivo), es evidente que la señal desaparecerá en algún punto del circuito. Suponga, por ejemplo, que la señal es normal hasta TP 4, pero que desaparece en TP 5. Una posibilidad es que la falla esté en la etapa de excitación (Q2) y otra que el transformador T2 esté abierto, por lo que Q2 no funciona de manera adecuada. Si es posible, cargue Q2 conectando un resistor de 100 Ω entre el punto 5 y Vcc y pruebe otra vez la señal en TP 5. Si ahora la señal es normal, el problema esta en T2. Pero si aun no hay señal en TP 5, el problema está en Q2. Este procedimiento de seguimiento de señal permite aislar el problema en la etapa defectuosa. A continuación, se prueba la etapa de la que se sospecha para localizar el defecto. Figura 1-5. Aislamiento de etapa con falla mediante seguimiento de señal. RESUMEN 1. 2. 3. Cómo aislar la parte defectuosa con mediciones 4. Suponga que el problema se detecto en el excitador Q1 de la figura 1-5. En la base de TP 1 se mide una onda senoidal de 60 mV, pero en el colector TP 2 no hay señal. Al hacer pruebas de voltaje en cd en la base, el emisor y el colector de Q1 es posible localizar el problema. 5. Los voltajes normales en cd de los puntos de prueba son: colector, +6.6 V; base, + 1.8 V; emisor. + 1.2 V. Suponga que los voltajes medidos en el transistor defectuoso son: colector, +9 V; base, + 1.9 V; emisor. 0 V. Es obvio, el transistor no conduce, pues no hay caída de Elaborado por: Ing. Pedro Olivares 6. Se dice que dos amplificadores funcionan en cascada cuando la señal de salida del primero se usa como señal de entrada del segundo. Los amplificadores se acoplan en diversas formas: acoplamiento por RC directo, por transformador y por impedancia. Los transformadores se usan cuando es necesario igualar la impedancia de salida de la primera etapa con la impedancia de entrada de la segunda, a fin de garantizar la máxima transferencia de potencia de la primera a la segunda etapa. La figura 1-1 es un ejemplo de Acoplamiento por transformador. La figura 1-2 es un ejemplo de amplificador acoplado por RC. Cuando dos amplificadores se acoplan, se debe tener en cuenta el efecto de la entrada de la segunda etapa en la resistencia de carga de ca de la primera. En la figura 1-2 la carga de ca de Q1, consiste en la combinación en paralelo de R4, R5, R6 y Rent (de Q2). El efecto de esta carga de ca “reducida” en Q1 es disminuir el nivel de la señal de salida de ca en el colector de Q1. Entre un amplificador y otro es posible usar configuraciones que combinan acoplamientos. Por ejemplo, en la figura 1-3, Q1, y Q2 están acoplados por PRACTICA 01 AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA UNIDAD CURRICULAR ELECTRÓNICA II Guía de Laboratorios RC. en tanto que la salida de Q2 está acoplada a su carga mediante un transformador. 7. Las etapas acopladas en forma directa (figura 1-4), en las que se usan transistores PNP a PNP o NPN a NPN, son muy comunes en los circuitos de transistores. Una ventaja es la eliminación de componentes de acoplamiento (transformadores, capacitores). Otra ventaja es su mejor respuesta a la frecuencia. 8. Para localizar fallas en un dispositivo electrónico, como un amplificador de audio, hay que seguir un procedimiento lógico y sistemático. 9. Para simplificar la localización de fallas es muy útil suponer que sólo hay una falla. Cuando ésta se localiza, y si el circuito aun no funciona de manera correcta, el técnico tratará de localizar otro defecto, y así en forma sucesiva hasta localizar y corregir todos los problemas. 10. Los pasos del procedimiento de localización lógica de fallas en un amplificador de audio son los siguientes: a) Escuche el amplificador para obtener pistas sobre el posible problema. b) Revise el amplificador para ubicar defectos evidentes, como partes rotas, quemadas o desconectadas. c) Mida el voltaje de la fuente en cd para asegurar que es normal. d) Con un seguimiento de señal aísle la etapa con falla de un amplificador de varias etapas; es decir, siguiendo con un osciloscopio el avance de la señal desde la entrada hasta la salida. e) Si se produce una discontinuidad en la señal, suponga que todo funciona en forma adecuada en el último punto de prueba donde se localizó la señal normal. Es posible que el problema esté en la etapa donde desapareció la señal, o en la carga que en ese circuito produce la siguiente etapa. f) Pruebas de voltaje y resistencia de la etapa de la que se sospecha permitirá identificar la parte defectuosa. 11. Para identificar transistores defectuosos son útiles un probador de transistores en circuito a un trazador de curvas en circuito. lineal se utiliza un osciloscopio para observar las formas de onda en y . 7. El amplificador de la figura 1-5 no funciona. Después de revisar el circuito no se descubrió ningún defecto evidente. La primera medición que se debe realizar es . 8. El amplificador de la figura 1-5 no funciona. Al efectuar un seguimiento de señal en el circuito en TP 2 se observa una forma de onda normal, pero en TP 4 no aparece ninguna forma de onda. Una posible causa del problema es . 9. En Q 1 se detecta un problema (figura 1-5). Con una prueba de voltaje en cd en Q2 se obtiene la siguiente información: voltaje de colector, 0 V; de base, 1.2 V; de emisor, 0 V. La causa mas probable del problema es: a) 2N2102 esta defectuoso: b) R8 está abierto: c) en T2 hay un primario abierto; d) hay un corto circuito en T2 entre el primario y el secundario. 10. El volumen del amplificador de la figura 1-5 es muy bajo. El seguimiento de señal descubre una señal normal en TP 4. En TP 5 hay una onda senoidal, pero su amplitud es muy baja. La onda senoidal de TP 6 es casi igual en amplitud a la señal de TP 4. Los voltajes en cd medidos son normales. La causa más probable de la falla es: a) 2N2102 esta defectuoso: b) en T2 el secundario está abierto; c) R8 esta abierto; d) C4 está abierto. 11. El amplificador de la figura 1-5 no funciona. Después de revisarlo se descubrió que en la salida de la fuente de alimentación había +9 V en tanto que en R3, R4, R6 y el primario de T2 hay 0 V. Una probable causa de la falla es: a) el primario de T2 está en corto circuito con el armazón; b) S1 está averiado; c) Q2 está averiado; d) C5 tiene un corto circuito. 12. El problema de la figura 1-5 se detecto en Q1. De las pruebas de resistencia respecto de la tierra en los elementos de Q1 se obtuvieron los siguientes datos: colector 0 Ω, base 4700 Ω, emisor 470 Ω. La causa más probable de la falla es: a) C 5 tiene un corto circuito; b) C5 está abierto; c) R4 está abierto; d) R4 esta en corto circuito. AUTOEVALUACIÓN Para evaluar su aprendizaje responda las siguientes preguntas. 1. El acoplamiento entre Q1 y Q2 (figura 1-1) se realiza mediante . 2. En la (figura 1-2) R acopla la señal de la salida de Q1, con la entrada de Q2. 3. En la (figura 1-2) la carga de ca en la salida de Q1 es la resistencia R4. (verdadero o falso). 4. En la entrada de la (figura 1-4) se inyecta una onda senoidal. La señal en la salida es una onda recortada. Se dice que el amplificador en cascada funciona de manera (lineal, no lineal). 5. En un amplificador de audio en cascada bien diseñado, (al aumentar, al disminuir) la señal de excitación en la entrada del amplificador de la pregunta 4, es posible obtener una onda de salida senoidal. 6. Para determinar si un amplificador funciona en forma Elaborado por: Ing. Pedro Olivares PRACTICA 01 AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA UNIDAD CURRICULAR ELECTRÓNICA II Guía de Laboratorios PROCEDIMIENTO MATERIAL NECESARIO • • • • • • Fuente de alimentación: fuente de voltaje en cd de valor bajo, regulada, con valores variables. Equipo: osciloscopio, multímetro digital; generador de AF o generador de funciones; miliamperímetro de cd de 0-25 mA. Resistores: 100 Ω, 470 Ω, 560 Ω, 1kΩ; 8.2 kΩ, 10 kΩ, 18 kΩ y 33 kΩ, toos a ½ W. Capacitores: dos de 25 μF a 50 V; dos de 100 μF a 50 V. Semiconductores: 2N3904; 2N2102 (o equivalentes). Otros: potenciómetro de 500 Ω a 2 W; dos interruptores de un polo un tiro. 1. Arme el circuito de la figura 1-6. Como fuente de señal se utiliza un generador de señal de AF o un generador de funciones, que ajusta su salida a un valor mínimo de 1000 Hz. El interruptor de la alimentación S1 está abierto, S2 está cerrado. El valor de R1 es el mínimo en el punto B, M1 es un miliamperímetro que mide la corriente de cd total del circuito. 2. Asigne a la salida de la fuente de alimentación 9 V. Cierre S1. Observe la fuente de cd y mantenga su salida en 9 V durante el experimento. 3. Conecte un osciloscopio en el brazo deslizable de R1 (punto C). Defina la salida del generador en 50 mV. Ahora conecte el osciloscopio en el colector dc Q2, pruebe el punto 5 (TP 5). Poco a poco ajuste R1 justo por debajo del punto donde la onda senoidal empieza a distorsionarse, lo que corresponde a la señal de entrada máxima que el circuito es capaz de manejar sin distorsión. Deje R1 en este nivel. Nota: si el circuito es inestable (oscila), conecte en paralelo el colector de Q1 con un capacitor de 0.l μF. De esta manera se evita la oscilación, aunque también reduce la respuesta a frecuencias altas. 4. Mida y anote en la tabla 1-1 el voltaje de señal pico a pico de los puntos de prueba de la figura 1-5. También mida y anote en la misma tabla el voltaje en cd de los puntos de prueba y la corriente total, IT como aparece en M1. 7. Abra S2 desconectando la salida de la etapa 1 de la entrada de la etapa 2. Mida otra vez y anote la señal pico a pico y el voltaje en cd en todos los puntos de prueba. 8. Pida a un colaborador que inserte un problema en el circuito. Mediante las técnicas para detectar fallas de flujo de señal, localice el problema comparando mediciones de ca y cd en condiciones de “avería” con los valore “buenos” que se midieron en el paso 4. ¿Qué le sucedió al circuito? PREGUNTAS 1. ¿El circuito de entrada de Q2 produce algún efecto en el nivel de la señal del colector de Q1? Indique y explique el efecto. Muestre sus datos. 2. ¿El procedimiento del experimento sugiere un método para aislar el problema de Q1, o de Q2 en un amplificador que no funciona, como el de la (figura 16)? Explique el procedimiento. 3. Explique el nivel de la señal de los puntos de prueba 3 y 6 del circuito del experimento. 4. ¿Cuál es la ganancia de voltaje del amplificador total? Muestre sus cálculos. ¿Qué relación hay entre la ganancia de voltaje total y las ganancias de voltaje individuales de Q1 y Q2? 5. Comente sobre la corriente de cd total del circuito con y sin señal. 6. ¿Hay algún cambio evidente en el nivel de voltaje en cd de los puntos 4, 5 o 6 cuando S2 está abierto o cerrado? ¿Por qué? 7. Mencione tres métodos para acoplar amplificadores en cascada. Referencias Bibliográficas BOYLESTAD, Robert. “Electrónica. Teoría de Circuitos”. Editorial Prentice Hall. Sexta Edición. México. 1.996. MALVINO, Albert. “Principios de Electrónica”. Editorial McGraw Hill. Sexta Edición. España. 1.999. ZBAR, Paul; MALVINO, Albert; MILLER, Michael. ”Prácticas de Electrónica”. Editorial Alfaomega. Septima Edición. México. 2006. Cómo medir el voltaje de la señal TP 1 5. Retire R1 del circuito. No modifique el valor configurado de R1. Mida y anote en la tabla 1-1 la resistencia desde el brazo central (punto C) al punto B. Mida y anote la resistencia total del control, puntos A y B. Calcule y anote la señal de entrada, en milivoltios, distribuida en TP 1, sustituyendo los valores medidos de RGB y qd en la formula: V ent = R CB ×50mV R AB Anote los resultados obtenidos. (Recuerde que 50 mV es la señal aplicada al control de volumen en los pasos 2 al 4). 6. Anote IT, la corriente total cuando no se aplica una señal (se retira R1). Restaure R1 en el circuito con las mismas conexiones originales. Elaborado por: Ing. Pedro Olivares PRACTICA 01 AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA UNIDAD CURRICULAR ELECTRÓNICA II Guía de Laboratorios Figura 1-6. Amplificador de audio experimental con acoplamiento de RC. Elaborado por: Ing. Pedro Olivares PRACTICA 01 AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES EN CASCADA
