Manual Laboratorio Electronica Analogica

LABORATORIO DE INGENIERIA ELECTROMECANICA E INGENIERIA MECANICA

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CONTENIDO

PRESENTACIÓN

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LABORATORIO I: EL DIODO Y SUS APLICACIONES

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LABORATORIO II: DIODO ZENER

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LABORATORIO III: FUENTE DE ALIMENTACIÓN CON REGULADOR

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LABORATORIO IV: EL TRANSISTOR: ANÁLISIS EN DC Y AC

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LABORATORIO V: AMPLIFICADORES EN CASCADA

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LABORATORIO VI: AMPLIFICADORES OPERACIONALES

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PRESENTACION Los circuitos analógicos son el punto de partida para el desarrollo de circuitos más complejos, pues aquí se estudia el comportamiento de componentes básicos, para luego desarrollar aplicaciones. El presente módulo se divide en seis prácticas, que van acorde con la teoría impartida en clase. El primer laboratorio se refiere al Diodo y sus Aplicaciones, donde se demostrará el funcionamiento del diodo y además se dan pautas de rectificación y filtrado. El segundo laboratorio presenta la práctica de Diodo Zener con el objetivo de conocer su funcionamiento y aplicación como regulador. El tercer laboratorio se refiere a la implementación de una Fuente de alimentación con regulador, con el fin de trabajar con componentes y circuitos desarrollados en laboratorios anteriores. El cuarto laboratorio da una revisión al Transistor en un pequeño amplificador de señal, aquí se hará el análisis en DC y en AC. El quinto laboratorio presenta dos amplificadores en cascada para conocer de manera práctica un circuito multietapa y un modelo de acople, y finalmente se concluye con el tema de Amplificadores Operacionales. El presente módulo de laboratorio tiene como objetivo principal guiar al alumno a la comprobación de la teoría impartida en clase de una forma práctica. El LABORATORIO DE INGENIERÍA ELECTROMECANICA E INGENIERÍA MECANICA agradece a los involucrados en el desarrollo del presente módulo y esta dispuesto a recibir sugerencias sobre el presente trabajo para su posterior revisión y mejora.

V.J.M.J. // A.M.M.J.

Ingeniero Monteza Zevallos Fidel Tomas

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LABORATORIO I: EL DIODO Y SUS APLICACIONES OBJETIVOS  Comprender el funcionamiento del diodo.  Determinar y representar la caracteristica voltamperimetrica de un diodo de unión empleando medidas de punto por punto.  Aprender una aplicación con diodo como rectificación de media onda.  Conocer los efectos del colocar un filtro a la salida de tensión. FUNDAMENTO TEÓRICO El diodo ideal Es un dispositivo semiconductor (unión p-n, con ánodo y cátodo) no lineal con características de corriente contra tensión, como la mostrada en la figura 1.1. Esta característica se conoce como lineal a segmentos, ya que la curva se construye con segmentos de rectas. Nótese que si se intenta colocar una tensión positiva (o directa) a través del diodo, la tensión tiende a cero. La pendiente de la curva es infinita. Por lo tanto, bajo esta condición la resistencia es cero y el diodo se comporta como un corto circuito. Si se le coloca una tensión negativa (o inversa) a través del diodo, la corriente es cero y la pendiente de la curva también es cero. Por lo tanto, el diodo se comporta ahora como una resistencia infinita, o circuito abierto.

Figura 1.1: Curva característica del diodo ideal. Operación del diodo La operación del diodo se explica mejor con la curva de la figura 1.2. Conforme la tensión en directa aumenta más alla de cero, la corriente no fluye de inmediato, es necesaria una tensión mínima, denotada por Vγ, para obtener una corriente significativa. Conforme la tensión tiende a exceder Vγ, la corriente aumenta con rapidez. La pendiente de la curva característica es grande pero no infinita, como es el caso del diodo ideal. La tensión mínima necesaria para obtener una corriente significativa, Vγ, es aproximadamente 0.7V para semiconductores de silicio (a temperatura ambiente) y 0.2V para semiconductores de germanio. Para diodos de galio, Vγ es aproximadamente 1.2V. Rectificación Es el proceso de convertir una señal alterna (ca) en otra que se restringe a una sola dirección (cd). La rectificación se clasifica ya sea como de media onda o de onda completa. Filtrado Los impulsos de la onda rectificada pueden alisarse mediante filtros. Los filtros son elementos como los condensadores y los choques, los cuales se emplean como elementos pasivos del filtro. MATERIALES  

Resistencia de 100Ω / 1/2w (1) Resistencia de 1000Ω / 1/2w (1)

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         

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Diodo rectificador 1N4001 (1) Condensador de 100F / 16V (1) Condensador de 220F / 16V o 50V (1) Condensador de 470F / 16V o 50V (1) Protoboard (1) Multímetro (1) Osciloscopio (1) Fuente de voltaje regulable 0-15Vcd (1) Generador de funciones (1) Cables de Conexión

Figura 1.2: Curva característica del diodo real PROCEDIMIENTO 1. Implemente el circuito que se presenta en la figura 1.3. 100 ID +

V

VD -

1N4001

Figura 1.3: Circuito con diodo en directa. 2. Eleve el voltaje de la fuente V de 0 a 5 voltios (tomar 10 datos), y realice las mediciones de voltaje del diodo (VD) y corriente del diodo (ID), colocar los resultados en la tabla 1.1 y graficar V D vs. ID. Dibujar la curva en MatLab. V(V)

ID(mA)

VD(mV)

Tabla 1.1: Datos para curva del diodo.

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3. Implemente el circuito que se presenta en la figura 1.4. En los nodos Vi y Vo colocar las puntas del osciloscopio en el canal I y II respectivamente con referencia a tierra. Vi

1N4001

Vo

1k

Vi

Figura 1.4: Circuito rectificador de media onda. 4. Coloque Vi a 10Vpp/60Hz, y observe la salida Vo en el osciloscopio, dibuje la onda de salida y compare la salida Vo con la entrada Vi, use las cuadrículas de la figura 1.5. Realice la medición de amplitud de la onda de salida. Vo  ________ V Vi  ________ V

Figura 1.5: Señales de entrada y de salida. 5. Implemente el circuito que se presenta en la figura 1.6. Vi

Vi

1N4001

Vo

1k

+

100uF

Figura 1.6: Circuito rectificador con filtro C. 6. Coloque Vi a 10Vpp/60Hz, y observe la salida Vo en el osciloscopio, dibuje la onda de salida y compare la salida Vo con la entrada Vi. Realice la medición de la onda de salida, es decir el voltaje de rizo. Cambie el valor del condensador de 100F por uno de 220F y luego por otro de 470F y apunte los datos obtenidos en la tabla 1.2. Dibuje lo que ocurre en Vi y Vo, use las cuadrículas de la figura 1.7.

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Figura 1.5: Señales de entrada y de salida. Condensador Voltaje de Rizo 100F 220F 470F Tabla 1.2: Relación entre condensador y voltaje de rizo. 7. Comente los resultados de la tabla 1.1. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 8. Comente los resultados de la tabla 1.2. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ CUESTIONARIO 1. ¿Dejaría un diodo semiconductor que pase la corriente cuando tenga polarización directa? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Cómo identificaría usted el anodo de un diodo que no este marcado? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. ¿Qué sucede con la rectificación si se invierte el sentido del diodo del circuito de la figura 1.4? Dibuje que sucede con la rectificación, y explique el resultado.

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___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

4. Analice el circuito de la figura 1.5 tomando en cuenta un condensador de 470F.

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5. ¿Qué sucede con la salida Vo, si se cambia el condensador de 470F por uno de 1000F?. Analice teóricamente el circuito.

CONCLUSIONES ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

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LABORATORIO II: EL DIODO ZENER OBJETIVOS  Conocer los efectos de las polarizaciones directa e inversa de un diodo Zener.  Conocer el funcionamiento del diodo Zener y su aplicación como regulador FUNDAMENTO TEÓRICO Diodo Zener El diodo Zener es un dispositivo donde la contaminación se realiza de tal forma que la tensión característica de ruptura o avalancha VZ, es muy pronunciada.

Figura 2.1: Curva característica del diodo Zener y su símbolo. Si la tensión en inverso excede la tensión de ruptura, el diodo normalmente no se destruye. Esto siempre que la corriente no exceda un máximo predeterminado y el dispositivo no se sobrecaliente. La curva característica de un diodo Zener típico se muestra en la figura 1 junto con el símbolo de este diodo. Para el circuito para el diodo Zener es diferente del de un diodo regular. La cantidad de potencia que el diodo Zener puede soportar es:

Pz  I Z max  VZ

Aplicación: Regulador Zener Esta es una aplicación básica del diodo Zener, en donde la finalidad del diodo es mantener constante una tensión entre los extremos de la carga, cuando cambia la fuente de voltaje o la resistencia de carga, para ello se coloca un resistor de carga R L (Ver figura 2.2). RS

IR

IL

IZ +

V

VZ

RL

-

Figura 2.2: Circuito regulador de voltaje.

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MATERIALES       

Diodo Zener de 4.7V / 1/2W (1) Resistencia de 470Ω / 1/2W (1) Resistencia variable de 5KΩ (1) Multímetro (1) Protoboard (1) Fuente de voltaje Regulable 0-15Vcd (1) Cables de Conexión

PROCEDIMIENTO Polarización Inversa 1. Implemente el circuito que se muestra en la figura 2.3. 470 IZ V

+

VD -

VZ

Figura 2.3: Circuito con diodo Zener en inversa. 2. Mida la corriente del diodo I Z y el voltaje VZ, si la hay, con la fuente ajustada en 0v. Anote el resultado en la tabla 2.1. Repita este paso para cada valor de tensión de entrada V. V(V) IZ(mA) VZ(V) 0.00 1.50 3.00 4.50 6.00 7.50 9.00 10.5 12.0 13.5 Tabla 2.1: Polarización Inversa. 3. Comente los resultados de la tabla 2.1. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ Polarización Directa 4. Del circuito montado, desconecte la fuente de voltaje, y ajuste la fuente de voltaje a 0 voltios, invierta el diodo en el circuito. Mida y anote en la tabla 2.2 la corriente directa del diodo y su respectivo nivel de tensión VZ para cada valor de V.

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V(V) IZ(mA) VZ(V) 0.00 1.50 3.00 4.50 6.00 7.50 9.00 10.5 12.0 13.5 Tabla 2.2: Polarización Directa. 5. Comente los resultados de la tabla 2.2. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ 6. Con los datos de la tabla 2.1 y la 2.2 dibuje un gráfico de corriente del diodo (eje vertical) en función de la tensión del diodo (eje horizontal). Diodo Zener como Regulador 7. Implemente el circuito que se muestra en la figura 2.4. 470

IR

IL IZ

10V

RL=5k +

VZ -

Figura 2.4: Circuito regulador de voltaje. 8. Utilizando el Multímetro, determine las corrientes IR, IL, VL, y IZ, ajustando el valor de la fuente de alimentación a 10 voltios, determinar un valor mínimo y un valor máximo de voltaje para que el diodo Zener conduzca y opere como regulador de voltaje. Realice mediciones para diferentes valores de resistencia de carga. Anote los valores obtenidos en la tabla 2.3 y comente los resultados. N 1 2 3 4 5

Vi(V) 10 10 10 10 10

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RL(KΩ) IR(mA) IL(mA) IZ(mA) VL(V) 1 2 3 4 5 Tabla 2.3: Datos del circuito de la figura 2.4.

VZ(V)

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CUESTIONARIO 1. ¿Qué regiones caracterizan al diodo Zener? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Qué sucede con la corriente del diodo Zener cuando se aumenta la carga.? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. ¿Qué valores intervienen en el diseño de la potencia del diodo Zener? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4. ¿Qué porción de característica de diodo Zener es mas útil para aplicaciones de regulación de tensión? ¿Por qué? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 5. Analice teóricamente el circuito de la figura 2.4.

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CONCLUSIONES ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

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___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

LABORATORIO III: FUENTE DE ALIMENTACIÓN OBJETIVOS  Conocer el funcionamiento de un regulador de tres terminales.  Implementar una fuente de alimentación utilizando los conceptos de rectificación, filtrado y regulación. FUNDAMENTO TEÓRICO Para la implementación de la fuente de tensión utilizaremos conceptos abordados en prácticas anteriores, como rectificación, filtrado y regulación, los cuales describimos rápidamente. Rectificación Etapa en la cual se pasa de una señal alterna a una con nivel continuo. Filtrado Elemento capacitivo o inductivo cuya función es eliminar la amplitud del rizado. Regulación Circuito que permite mantener constante la salida de tensión. Entrada no regulada

Rectificación

Filtrado

Regulación

Voltaje Regulado

Figura 3.1: Diagrama de bloques de una fuente de tensión. MATERIALES              

Diodo rectificador 1N4001 (2) Resistencia de 1000Ω / 1/2w (2) Condensador de 1000F / 50V (2) Condensador de 0.1F / 16V (2) Regulador LM7812 con disipador (1) Regulador LM7912 con disipador (1) Transformador 220VAC a 12VDC/1A (1) Cable mellizo (2 metros) Enchufe (1) Cinta aislante (1) Protoboard (1) Multímetro (1) Osciloscopio (1) Cables de conexión

PROCEDIMIENTO 1. Conecte un extremo del cable mellizo al enchufe y el otro extremo conecte al primario del transformador, aísle esta última conexión con cinta aislante.

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2. Conecte el transformador a la toma de 220VAC y mida la tensión en el secundario del transformador (mida el voltaje entre los extremos, y entre un extremo y la toma central). Para esta medición coloque el multimetro en voltaje alterno. Anote las mediciones. A C B

220VAC

220-12

Figura 3.2: Transformador 220VAC-12VAC/1A. V AB  ________ V V AC  ________ V V BC  ________ V

3. Implemente el circuito que se muestra en la figura 3.2. La implementación de la fuente de alimentación se realizará por etapas. Conecte el canal I del osciloscopio a +Vi y el canal II a +Vo. Observe lo que ocurre en +Vi y +Vo, anote y comente los resultados. Luego, conecte el canal I del osciloscopio a –Vi y el canal II a –Vo. Observe lo que ocurre en -Vi y –Vo, anote y comente los resultados. Dibuje lo que observa en el osciloscopio para cada caso, use las cuadrículas de la figura 3.4. +Vi

1N4001

+Vo

1k 220VAC 1k

220-12

-Vi

-Vo 1N4001

Figura 3.3: Etapa de rectificación. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

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Figura 3.4: Señales de entrada y de salida. 4. Implemente el circuito que se muestra en la figura 3.5. Observe lo que ocurre en +Vo y –Vo, apunte, dibuje y comente los resultados. Use las cuadrículas de la figura 3.6. 1N4001 +Vo

+

1000uF

1k

1000uF

1k

220VAC 220-12

+

1N4001 -Vo

Figura 3.5: Etapa de rectificación y filtrado. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ __________________________________________________________________

Figura 3.6: Señales filtradas. 5. Implemente el circuito de la figura 3.7. Observe lo que ocurre en las salidas +12V y –12V, utilice el osciloscopio (también el multimetro) y dibuje las señales en la figura 3.8 y comente los resultados. Conecte resistencia de carga de 1KΩ y repita este paso. LM7812

1N4001

VIN

+ 1000uF

+12V

VOUT

GND

+

0.1uF

220VAC 220-12

+

1000uF

GND

VIN

1N4001

VOUT

+

0.1uF -12V

LM7912

Figura 3.7: Fuente de tensión fija de 12V.

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___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ __________________________________________________________________

Figura 3.8: Fuente de tensión fija de 12V. CUESTIONARIO 1. ¿Qué función cumple cada diodo en el circuito de la figura 3.5? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Qué función cumple cada condensador en el circuito de la figura 3.5? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. ¿Qué función cumple el LM7812 y el LM7912 en el circuito de la figura 3.5? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4. ¿Cuál es a frecuencia de trabajo de la fuente de alimentación? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 5. Analice el circuito de la figura 3.4. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

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___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

CONCLUSIONES ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

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___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

LABORATORIO IV: EL TRANSISTOR: ANÁLISIS EN DC Y AC OBJETIVOS  Determinar el punto de operación del transistor (punto Q).  Determinar si el transistor se encuentra en el estado de corte, saturación o lineal, para visualizar el estado de amplificación del transistor.  Estudiar el trazado de la Línea de carga en C.C. de un amplificador Emisor común y predecir las condiciones de funcionamiento del amplificador  Medir la ganancia de tensión de un amplificador EC con un condensador de desacoplamiento de emisor. FUNDAMENTO TEÓRICO Transistores Bipolares El transistor es un dispositivo de tres terminales (como se muestra en la figura 4.1), a diferencia del diodo, que tiene dos terminales (Éste consiste en un material de tipo p y uno de tipo n), el transistor consiste en dos materiales de tipo n separados por un material p (transistor NPN) o en dos materiales p separados por un material n (transistor PNP).

Figura 4.1: Símbolo del transistor NPN y PNP. Las tres capas o secciones diferentes se identifican como: emisor, base y colector. El emisor, capa de tamaño medio diseñada para emitir o inyectar electrones, el cual se encuentra bastante contaminado. La base, con una contaminación media, es una capa delgada diseñada para pasar electrones. El colector, capa grande diseñada para recolectar electrones, está poco contaminada. Curva característica IC vs. VCE Como el transistor es un dispositivo no lineal, una forma de definir su operación es usar una serie de curvas características de manera similar a las utilizadas en los diodos. En la figura 4.2 se ilustra la corriente de colector como función de la tensión entre el colector y el emisor para obtener la recta de carga que interceptado con la operación del diodo, nos permite encontrar el punto de reposo (Punto Q). Operación del transistor El transistor de unión bipolar presenta ganancia de tensión, ganancia de corriente, lo cual se puede utilizar para amplificar señales. En la figura 4.3 se muestra el circuito equivalente simplificado de un transistor npn que es utiliza en el análisis en AC.

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Ganancia de tensión del Amplificador en Emisor Común. Aplicando una tensión a la entrada del amplificador puede determinarse experimentalmente su ganancia de tensión (mediante un osciloscopio o un voltímetro) siempre y cuando se trabaje en la

región lineal. La relación entre las tensiones de salida y de entrada es la ganancia de tensión. VCC Figura 3.2: Curva característica del transistor. B

iB

C

iC iB

R

iE

iB =corriente de base iC =corriente de colector iE =corriente de emisor

Figura 3.3: Circuito híbrido. entre base y emisor R =resistencia

E

De la gráfica anterior queda claro que:

i E  iC  i B iC  ß i B iC  i E

MATERIALES        

Transistor BC548 (1) Resistencia de 9.1k / 1/2W (1) Resistencia de 100 / 1/2W (1) Resistencia de 1k / 1/2W (2) Condensador de 10F / 16V (2) Condensador de 10F / 16V (1) Condensador de 150pF (1) Multímetro (1)

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    

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Protoboard (1) Osciloscopio (1) Una fuente de voltaje regulable 0-15Vcd (1) Un generador de funciones (1) Cables de Conexión

PROCEDIMIENTO 1. Use el multimetro para configurar el transistor y además obtener el  o hFE. Apunte el resultado obtenido. hFE  _________

2. Implementar el circuito de la figura 4.4:

9.1k 12V

1k

BC548

1k

100

Figura 4.4: Circuito para análisis en DC. 3. Utilizando el multímetro, realice las siguientes mediciones: VE, VC, VB, VCE, IE, IC, IB, y anote los valores obtenidos en la tabla 4.1. VE(V)

VC(V)

VB(V)

VCE(V)

IE(mA)

IC(mA)

IB(mA)

Tabla 4.1: Datos del circuito de la figura 4.4. 4. Al circuito de la figura 4.4 agregue los condensadores de acople a la entrada y a la salida de 10F/16V y otro de 150pF en paralelo con la resistencia de emisor (Ver figura 4.5).

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9.1k

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1k 10uF +

Vi

12V

Vo

10uF +

BC548

1k

Vi 1k

100

150pF

Figura 4.5: Circuito amplificador de voltaje. 5. Coloque una señal senoidal de 100mV/1KHz a Vi. Coloque las puntas del osciloscopio en Vi y Vo y observe que sucede con la salida respecto a la entrada. Realice las respectivas mediciones de las amplitudes de Vi y Vo; con estos valores obtenga la ganancia del amplificador. Vi  ________ V , Vo  ________ V , Ganancia  ________

Figura 4.6: Señales de entrada y salida.

CUESTIONARIO 1. ¿Cómo obtendría de manera práctica la configuración de un transistor pnp? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Cuál es la importancia de analizar el transistor en corriente continua? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. ¿En qué región es factible que el transistor opere?

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___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4. ¿Qué se entiende por ganancia de tensión de un amplificador? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 5. Analice teóricamente en DC y AC el circuito de la figura 4.5. Con los datos obtenidos en laboratorio (tabla 4.1), encuentre la recta de carga y compare con los datos obtenidos teóricamente.

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CONCLUSIONES ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

LABORATORIO V: AMPLIFICADORES DE TRANSISTOR EN CASCADA OBJETIVOS  Estudiar el funcionamiento de un amplificador de transistores de dos etapas acopladas.  Determinar el margen lineal de trabajo de un amplificador de dos etapas acopladas directamente. FUNDAMENTO TEÓRICO Un amplificador de un solo transistor, como el amplificador EC no tiene la ganancia de tensión que se necesita en un dispositivo electrónico como por ejemplo, un receptor de TV. Para cumplir con los requerimientos de una ganancia más elevada, se conectan dos o más amplificadores de transistor en cascada. Una conexión en cascada es aquella en la que la señal de salida de una etapa sirve como la señal de entrada para la siguiente. En el diagrama de bloques de la figura 5.1 pueden verse 2 amplificadores conectados en cascada. La señal de salida de cada etapa actúa como la entrada de la siguiente. Los amplificadores en cascada se emplean como amplificadores de audio en sistemas de reproducción de sonido, como amplificadores de video (imagen) en los receptores de televisión y en muchas otras aplicaciones.

Figura 5.1: Señales: moduladora, portadora y envolvente. Métodos de acoplamiento Acoplamiento con Transformador Los transformadores permiten adaptar la impedancia de salida de la primera etapa a la impedancia de entrada de la siguiente. Acoplamiento RC Los condensadores acoplan la señal entre una etapa y la siguiente. Al acoplar dos amplificadores debe tenerse en cuenta el efecto de la carga de la impedancia de entrada de la segunda etapa sobre la carga de salida de la primera. Este efecto produce una disminución de la impedancia de carga de c.a. de la primera etapa, reduciendo el nivel de la señal de salida de c.a. de la primera etapa.

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Acoplamiento Directo Este tipo de acoplamiento se encuentra habitualmente en la circuiteria de los transistores. Algunas de las ventajas son el posible ahorro de componentes de acoplamiento (como transformadores o condensadores) y la mejora de la respuesta en frecuencia. Funcionamiento lineal Dos amplificadores que funcionan en cascada pueden considerarse como un solo amplificador con una sola entrada y una sola salida. El margen de trabajo de los amplificadores conectados en cascada puede determinarse inyectando una onda senoidal a la entrada de la primera etapa y observando la salida de la última etapa con un osciloscopio. Se dice que el sistema es lineal en el margen de entradas en las que la salida permanece como onda senoidal efectiva (es decir, para determinar el margen de funcionamiento lineal, el nivel de la señal de entrada se aumentara desde cero hasta el punto preciso en que empieza a producirse distorsión en la salida) en estas condiciones se medirá la máxima señal del generador que no produce distorsión. En esta práctica se medirá el margen de funcionamiento lineal de un amplificador de dos etapas con acoplamiento directo. MATERIALES  Resistencia de 1k / 1/2W (4)  Resistencia de 20k / 1/2W (2)  Resistencia de 10k / 1/2W (1)  Resistencia de 4k / 1/2W (2)  Condensador de 1F / 16V (2)  Condensador de 0.47F / 16V (3)  Transistor TIP31 (2)  Protoboard  Multímetro  Fuente de voltaje regulable 0-20Vcd  Generador de funciones (1)  Contador de frecuencia (1)  Osciloscopio (1)  Cables de conexión PROCEDIMIENTO 1. Implemente el circuito de la figura 5.2.

20K

4K

20K

1K

Vi

0.47uF

TIP31

+

15V

+

0.47uF

+

0.47uF

Vo

TIP31 1K

Vi 4K

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1K

1uF

10K

1K

1uF

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Figura 5.2: Circuito amplificador multietapas. 2. Defina tipo de Amplificador. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 3.

Determine la polarización y cálculos en DC y anótelos en las tablas 5.1 y 5.2. VE (V) VE (V)

VC (V)

VB (V)

VCE (V)

VBB (V)

IE (mA)

IC (mA)

IB (mA)

VC (V)

Tabla 5.1: Datos de la etapa 1. VB (V) VCE (V) VBB (V) IE (mA)

IC (mA)

IB (mA)

Tabla 5.2: Datos de la etapa 2. 4. Coloque un voltaje Vi de 25mV/800Hz y calcular las ganancias del primer y segundo amplificador para luego hallar la ganancia total. AV 1  _________ AV 2  _________ ATOTAL  _________

5. Comente los resultados obtenidos. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ CUESTIONARIO 1. ¿Cuál es el propósito de conectar en cascada los amplificadores? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Cuál es la ganancia de tensión del amplificador? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. ¿Se pueden considerar las ganancias de tensión de cada transistor independientemente? ¿Por qué? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

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___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4. ¿Qué tipo de acople es utilizado en el circuito de la figura 5.2? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 5. Analice teóricamente el circuito de la figura 5.2.

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CUESTIONARIO ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

LABORATORIO VI: AMPLIFICADORES OPERACIONALES OBJETIVOS  Estudiar el funcionamiento de un amplificador operacional.  Determinar la ganancia en tensión de dos tipos de configuración de un amplificador operacional. FUNDAMENTO TEÓRICO Amplificador operacional Un amplificador operacional, u OPAMP, es un amplificador diferencial con una ganancia muy alta, con una elevada impedancia de entrada y una impedancia de salida baja. Entre las aplicaciones típicas de un amplificador operacional se encuentran los circuitos de cambio de amplitud o de polaridad de una señal (configuración inversora y no inversora), osciladores, filtros y otros circuitos de instrumentación. El símbolo de un amplificador operacional básico se muestra en la figura 5.1. Entrada + Entrada -

+

Salida

-

Figura 5.1: OPAMP básico. Configuraciones básicas El OPAMP puede conectarse en una gran cantidad de circuitos para proporcionar diversas características de operación. A continuación se detallará rápidamente dos configuraciones que luego serán tratadas experimentalmente. Amplificador inversor La salida se obtiene multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante, que determinan la resistencia de entrada (RI) y la resistencia de retroalimentación (RF), con la salida invertida respecto a la entrada. Esto se expresa con la siguiente ecuación: R Vo   F  Vi RI RF RI -

Vi

+

Vo

Figura 5.2: Circuito amplificador inversor.

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Amplificador no inversor La salida se obtiene multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante, que determinan la resistencia de entrada (RI) y la resistencia de retroalimentación (RF), con la salida no invertida respecto a la entrada. Esto se expresa con la siguiente ecuación:  R  Vo   1  F   Vi RI   RF RI -

Vo

+

Vi

Figura 5.3: Circuito amplificador no inversor. MATERIALES          

Resistencia de 1k / 1/2W (1) Resistencia de 10k / 1/2W (1) Resistencia variable de 10KΩ (1) Circuito Integrado TL084 (1) Protoboard Multímetro Fuente de voltaje regulable 0-20Vcd Generador de funciones (1) Osciloscopio (1) Cables de conexión

PROCEDIMIENTO Amplificador inversor 4. Implemente el circuito de la figura 5.4. 10k Vi

1k 2 -

1Vp / 1kHz

3

+

1

Vo

TL084

Figura 5.4: Circuito amplificador. 5. Coloque la entrada Vi a 1Vp con una frecuencia de 1kHz. 6. Alimente el amplificador operacional con 15Vdc. La alimentación positiva (+V CC) es el pin 4 y la alimentación negativa (-VCC) es el pin 11.

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7. Use los canales del osciloscopio para observar la entrada (Vi), en el canal 1, y la salida (Vo), en el canal 2. 8. Observe la entrada Vi y la salida Vo, luego mida cada una de ellas (considere el voltaje pico) para determinar la ganancia. Apunte los resultados obtenidos a continuación y dibuje lo observado en las cuadrículas de la figura 5.5. Vi  ________ V Vo  ________ V GV  _________

Figura 5.5: Señales de entrada y de salida. 9. Cambie la resistencia de retroalimentación de 10k, por una resistencia variable de 10k.. Varíe el valor de la resistencia variable y observe lo que ocurre con la salida respecto a la entrada. Apunte los resultados. ___________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 10. Comente los resultados obtenidos. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Amplificador no inversor 11. Implemente el circuito de la figura 5.6. 10k 1k 2 -

Vi

3

+

1

Vo

TL084

1Vp / 1kHz

Figura 5.6: Circuito amplificador. 12. Coloque la entrada Vi a 1Vp con una frecuencia de 1kHz. 13. Alimente el amplificador operacional con 15Vdc. La alimentación positiva (+V CC) es el pin 4 y la alimentación negativa (-VCC) es el pin 11.

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14. Use los canales del osciloscopio para observar la entrada (Vi), en el canal 1, y la salida (Vo), en el canal 2. 15. Observe la entrada Vi y la salida Vo, luego mida cada una de ellas (considere el voltaje pico) para determinar la ganancia. Apunte los resultados obtenidos a continuación y dibuje lo observado en las cuadrículas de la figura 5.7. Vi  ________ V Vo  ________ V GV  _________

Figura 5.7: Señales de entrada y de salida. 16. Cambie la resistencia de retroalimentación de 10k, por una resistencia variable de 10k.. Varíe el valor de la resistencia variable y observe lo que ocurre con la salida respecto a la entrada. Apunte los resultados. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 17. Comente los resultados obtenidos. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ __________________________________________________________________ CUESTIONARIO 6. ¿Cuál es la función de la alimentación continua del amplificador? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 7. ¿Qué consideraciones se toman en cuenta para el análisis de un amplificador operacional? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

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8. ¿Cómo se comprueba el buen funcionamiento de un amplificador operacional? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 9. Analice teóricamente el circuito de la figura 5.4.

10. Analice teóricamente el circuito de la figura 5.6.

CUESTIONARIO

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________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

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