Problemas Electronica Industrial (Diodos, Transistores Amplificadores Operacionales

PROBLEMAS DE ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

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ÍNDICE 1 DIODOS pag 3 2 TRANSISTORES pag 44 3 AMPLIFICADORES pag 67 4 OPERACIONALES

pag 86

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DIODOS 1 Calcular la corriente I en función del potencial V del generador. Suponer los diodos ideales.

SOLUCIÓN:

Consideramos valores de V muy grandes: Vamos a suponer que los diodos D1 y D2 conducen. El circuito equivalente será:

10 = 2(Id2 – Id1) → Id2 = (10/2) + Id1 = 5 + V + 5 = V+10 > 0 V = Id1 – 5 → Id1 = V + 5 >0 Entonces podemos ver que las suposiciones anteriormente hechas resultan ser correctas, los dos diodos están conduciendo. Por lo tanto: Para V< ∞: I = V + 5 ya que I = Id1

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Analizando los diodos vemos que el cambio se produciría cuando: Id1 = V + 5 = 0→ V = -5 Id2 = V + 10 = 0 → V = -10 Vemos que primero cambia D1, por lo tanto nuestro intervalo sería -5 < V < ∞ y I = V+5 Entonces ahora vamos a trabajar con V < -5, el circuito correspondiente sería el siguiente:

10 = 2Id2 → Id2 = 10/2 = 5 mA > 0 Vd1 – V – 5 = -I → Vd1 – V – 5 = 0 → Vd1 = V + 5 < 0 Las suposiciones que hemos hecho son correctas: I = 0 ya que el circuito está abierto Ahora vamos a analizar los diodos D1 y D2: Id2 = 5 mA → No cambia Vd1 = V + 5 = 0 → V = -5 Por lo tanto, para el intervalo -∞ < V < -5 queda I = 0mA Finalmente la solución del ejercicio queda del siguiente modo: Para -5 < V < ∞ → I = V + 5 Para -∞ < V < -5 → I = 0

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DIODOS 2:

-Calcular la tension en la resistencia de 4k.

Para empezar a resolverlo, consideremos valores de V positivos y muy grandes. El diodo D4 conducirá mientras que el diodo D3 no conducirá, el circuito que nos queda será el siguiente:

V4K = 4 * I4K como I4K = V/ 7 entonces V4k = 4V/ 7 Comprobamos si la suposición es correcta:

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Id1 = ( V/ 1,5) + (V / 7) = ( 8,5V / 10,5) > 0 Para que cambie Id1 debe ser Id1= 0 entonces V = 0 VAB = 0 – (4V / 7) = -(4V / 7) como VAB < 0 entonces la SUPOSICIÓN ES CORRECTA. Consideremos valores de V 0 y ya no hay más cambios. VCD = VC – VD = 0 + (4V / 5,5) como VCD < 0 SUPOSICIÓN CORRECTA. 0 < V < ∞ => V4K = ( 4V / 7) - ∞ < V < 0 => V4k = -( 4V / 5,5) DIODOS 3 6

Calcular las funciones V0 = f(V) e i = f(V) en el circuito de la figura. Los diodos se suponen ideales.

i

+

V0

Comenzaremos desde el valor más grande de V, es decir, cuando V se aproxime a infinito. •

V < ∞: B ID1

A VD2

+ B V0

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V − 25 = 10 ⋅ I D1 ; I D1 =

V − 25 > 0 ; Suposición correcta. 10

VD 2 = V A − VB = 100 − V < 0 ; Suposición correcta. En este intervalo el valor de V0 = 100 V y el valor de I = ID1 =

V − 25 A. 10

Buscamos cambios: V − 25 = 0 , por lo que V = 25. 10 El diodo D2 cambia cuando VD2 = 0. Esto ocurre cuando 100 – V = 0, por lo que V = 100.

El diodo D1 cambia cuando ID1 = 0. Esto ocurre cuando

Vemos que el cambio del diodo D2 se produce antes. Pasa a conducir directamente. Por tanto el siguiente intervalo será cuando V sea inferior a 100 V. •

V < 100V: ID2

ID1

ID1 + ID2

+ V0

V − 25 = 10 ⋅ (I D1 + I D 2 ) V − 100 = 20 ⋅ (− I D 2 ) ; I D 2 =

100 − V > 0 ; Suposición correcta. 20

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I D1 =

V − 25 100 − V 2 ⋅ V − 50 − 100 + V 3 ⋅ V − 150 > 0 ; Suposición correcta. = = = 10 20 20 20

En este intervalo el valor de V0 = V y el valor de I = ID1 =

3 ⋅V − 150 A. 20

Buscamos cambios: El diodo D1 cambia cuando ID1 = 0. Esto ocurre cuando

3 ⋅V − 150 = 0 , por lo que 20

V = 50. El diodo D2 cambia cuando ID2 = 0. Esto ocurre cuando

100 − V = 0 , por lo que 20

V = 100, quedando fuera del intervalo. Vemos que el cambio se produce en el diodo D1. Pasa a actuar como un circuito abierto. Por tanto el siguiente intervalo será cuando V sea inferior a 50 V. •

V < 50V: C

D

ID2

VD1

+

V0

100 − 25 = 20 ⋅ I D 2 + 10 ⋅ I D 2

; I D2 =

75 = 2,5mA > 0 ; Suposición correcta. 30

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V D1 = VC − VD = V − (10 ⋅ I D 2 + 25) = V − 25 − 25 = V − 50 < 0 ; Suposición correcta. En este intervalo el valor de V0 = 50V y el valor de I = 0 A. Buscamos cambios: El diodo D1 cambia cuando VD1 = 0. Esto ocurre cuando V − 50 = 0 , por lo que V = 50. Queda fuera del intervalo. El diodo D2 cambia cuando ID2 = 0. En este caso ID2 es constante por lo que no puede ser nunca cero. Por tanto vemos que no existen más cambios. Resultados:

Intervalo

Valor V0 (V)

100 < V < ∞

100

50 < V < 100

V

V < 50

50

Valor de I (A) V − 25 10 3 ⋅V − 150 20

0

10

DIODOS 4 En el circuito de la Fig.3.30 los diodos son ideales, siendo la tensión Vz=5V. Hallar el estado, la intensidad y tensión de los dos diodos para cada región de operación del circuito, supuesto que la intensidad I puede tomar cualquiera valor positivo o negativo.

*V con valores muy grandes Vamos a suponer valores de V muy grandes, es decir, valores de tensión muy grandes. Para estos valores suponemos que el diodo zéner conduce en zona zéner y el diodo D conduce en polarización directa. Por lo tanto como observamos en el circuito, el diodo zéner se comporta como una fuente de tensión y el diodo se comporta cómo un cortocircuito, quedando los siguientes resultados a raíz del esquema:

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Las ecuaciones son las siguientes: (1) 5-Iz+5 = 2I+2Iz-10 de donde sacamos que I=(20-3Iz)/2 (2) I+Iz=Id

de donde obtenemos que Id=(20-Iz)/2

(3) V=2I+2Iz-5 ; sustituimos la ecuación (1) en ésta y obtenemos Iz=15-V Sustituyendo unas en otras obtenemos: Id=(5-V)/2 que le corresponde Vd=0V (suposiciones correctas) Iz=15-V que le corresponde Vz=-5V Por lo tanto: D cambia cuando Id=0, es decir, para V=5 Dz cambia cuando Iz=0, es decir, para V=15 Id=(5-V)/2 , Vd=0V INTERVALO 15 0.2 No está saturado. El transistor está en activa y los resultados son correctos.

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TRANSISTORES 3:

VBE

Suponemos un transistor de β = 170 y con una tensión base-emisor de = 0.7V , calcular: 1. IB, IC, IE. 2. VCE.

Primer caso: Suponiendo el transistor en activa. Vamos a suponer que I B ≈ 0 A , es decir la vamos a despreciar. Calculamos el valor de I: I=

12 = 0.19mA 47 + 15

La tensión de base será:

VB = 15I = 15 ⋅ 0.19 = 2.85V A partir de VBE y VB sacamos el valor de VE :

VE = VB − VBE = 2.85 − 0.7 = 2.15V

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Con VE podemos obtener el valor de I E :

IE =

VE 2.15 = = 4.57mA ≈ I C R3 0.47

Ahora planteando la ecuación de malla para el transistor tenemos: 12 = 1 ⋅ I C + VCE + 0.47 ⋅ I E VCE = 12 − 1.47 ⋅ 4.57 = 5.27V > 0.2V Se saca la conclusión de que no está saturado. Tenemos pues: I B = 0A I C = I E = 5mA VCE = 5.27V Segundo caso: Vamos a considerar I B Planteando un sistema de ecuaciones para la malla exterior e inferior tenemos: ⎧ ⎛ 12 + 15I B ⎞ − I B ⎟ − 0.7 = 0.47 ⋅ 171 ⋅ I B 15 ⋅ ⎜ 12 + 15I B ⎧ ⎪ 62 ⎪12 = 47 I + 15(I − I B ) → I = ⎪ ⎠ →⎨ ⎝ 62 ⎨ ⎪⎩15(I − I B ) = 0.7 + 0.47(β + 1)I B ⎪180 + 275I B − 15I = 0.7 + 0.47 ⋅ 171 ⋅ I B B ⎪⎩ 62 62

IB =

180 − 0 .7 62

275 0.47 ⋅ 171 + 15 − 62

= 0.024mA > 0

I C = β ⋅ I B = 170 ⋅ 0.024 = 4.08mA I E = I C + I B = β ⋅ I B + I B = I B ⋅ (β + 1) = 0.024 ⋅ (170 + 1) = 4.184mA 12 = 1 ⋅ I C + VCE + 0.47 ⋅ I E VCE = 12 − 0.47 ⋅ 4.184 − 4.08 = 5.92V > 0.2

Al ser I B > 0 indica que el transistor no está en corte. Al ser VCE > 0.2 indica que el transistor no está saturado.

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TRANSISTORES 4 Calcular para el circuito la tensión corriente emisor (Vce) y la corriente del colector (Ic),en función de V. Datos: Vbe=0.7 ; β=200

6V

R3

1k

R1 1V 30k R2

15k

-2V

Suponiendo el transistor en activaç. Para calcular la tensión Colector Emisor (Vce) y la corriente del colector (Ic) debemos obtener dos ecuaciones del circuito, para ello realizamos dos ecuaciones: •

V = 30*I +0.7

•

15(I-Ib)-2=0.7

A continuación despejamos la corriente de la primera ecuación I=(V-0.7)/30. Este valor lo sustituyo en la segunda ecuación y despejo la corriente de la base Ib=(V-6.1)/30. Obtengo la otra ecuación del circuito 6=1*Ic+Vce Como Ic=β*Ic Ic=200Ib Despejamos Vce quedando Vce=(1400-200V)/30 Despejamos V y nos queda 6.47v.

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Vemos para que valores tenemos el circuito en corte, activa y saturacióm: Transistor en corte si Ib0 NO EN CORTE 20=10(100I B1+I B2)+0.7+9.3x101I B2 20=9.8+0.7+I B2(10+9.3x101); I B2=9.5/(10+9.3x101)=0.001mA>0 NO EN CORTE 59

V CE(1)=20-10(100I B1+I B2)-9.3x101xI B1=20-9.8-0.1-9.2=0.89>0.2V ESTA EN ACTIVA NO EN SATURACION V CE(2)=20-9.3x100I B2-9.3x101I B2=20-9.3-9.3=1.4>0.2 ESTA EN SATURACION Y NO EN ACTIVA V A=0-9.3I B1=0-0.93x9.8x10-3=-0.091V V B=V A-0.7=-0.791V V C=V B+V CE=-0.798+0.89=0.099V V D=V C-0.7=-0.601V V E=V D+V CE(2)=0.801V

TRANSISTOR 9 Calcular las tensiones en A, B, C, D y E. Sabiendo que VBE = 0.7V y β = ∞.

Suponiendo los transistores funcionando en activa. IB=0 0=0.7+9.3Ic1-10 Ic1=(10-0.7)/9.3= 1mA

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9.3Ic2+0.7=10Ic1= 10 Ic=(10-0.7)/9.3=1mA VA=0 VB=VA-VBE=0-0.7=-0.7V Vc=20-10Ic1=10V VD = 20-9.3Ic2=10.7

VE=-10+10IC2=0 Comprobamos los resultados obtenidos los resultados obtenidos: VCE1=VC-VD=10-(-0.7)=10.7 > 0.2 NO SATURADO VCE2=VE-VD=0-10.7=-10.7 < -0.2 NO SATURADO Por tanto los resultados obtenidos anteriormente son los correctos.

TRANSISTORES 10 En el circuito de la figura, calcular las tensiones en los puntos A, B, C, D, E si VBE=0.7: a) β=∞ b) β=10

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Calcular las tensiones en A,B,C Y D. Datos: Vbe=0.7 a) β=∞ b) β=10 a) β=∞ Suponemos Activa 10=9.3(Ic1+Ic2)+0.7 5.4Ic1-10=0.7+4Ic2-10 De la última ecuación despejamos Ic2, quedando: Ic2=(5.4Ic1-0.7)/4 1=Ic1 + (5.4Ic1-0.7)/4 despejamos Ic1, quedando Ic1=4.7/9.4=0.5mA Sustituyo Ic1, dándome como resultado Ic2=(2.7-0.7)/4=0.5mA Por tanto las tensiones para β=∞ son: Va=0 Vb=0.7 V Vc= -10+5.4Ic1= -10+2.7= -7.3 V Vd= -8 V Vce1= Vc-Vb= -7.3-0.7= -8 V < -0.2 Suposición correcta Vce2= Vb-Vd= 0.7+8=8.7>0.2 Suposición correcta b) β=10 Suponemos Activa Hay que aclarar que ahora Ic1= 11Ib1; Ic2=10Ib2; Ie1=10Ib1; Ie2=11Ib2, ya que ahora β vale 10. Ahora operamos de la misma manera que anteriormente. 10=9.3(11Ib1+10Ib2)+0.7+10Ib1 5.4(10Ib1-Ib2)-10=0.7+4*11Ib2-10 De la segunda ecuación despejo Ib1 y sustituyo en la primera, quedándome Ib2=0.023m A. Sustituyo este valor en la primera y despejo Ib1 dándome como resultado Ib1=0.081m A. Por tanto las tensiones para ß=10 son: Va= -Ib1*10=-0.81 V Vb=Ic1*9.3+10=17.53 V Vc=5.4*Ie1-10=-5.6 V Vd=4*Ie2-10=-8.9 V

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Vce1=Vc-Vd= -5.6-(-8.9)=3.3>-0.2 suposición incorrecta, está saturado Vce2=Vb-Vd=17.53-(-8.9)=26.43>0.2 suposición correcta, no está saturado TRANSISTORES 11: En el circuito de la figura, calcular las tensiones en A, B, C y D, suponiendo una Vab= 0,7 para los casos: a) ß=∞ , b) ß=10

Para el caso a): Al ser ß=∞ las corrientes de base van a ser despreciables y por lo tanto la corriente de colector va a ser la misma que la corriente de emisor. Vamos a suponer que los transistores está en activa. Por lo tanto vamos a obtener las siguientes ecuaciones: 1) 10=9,3(Ic1+Ic2)+0,7 2) 5,4Ic1=0,7+4Ic2, despejando Ic2 obtenemos => Ic2=(5,4Ic1-0,7)/4 La primera ecuación simplificando queda: 9,3=9,3Ic1+9,3Ic2 . Dividimos por 9,3 y nos queda: 1) 1=Ic1+Ic2 2) Ic2=(5,4Ic1-0,7)/4 , y esta la sustituimos en 1) y obtenemos: 1=Ic1+(5,4Ic1-0,7)/4 => 4=9,4Ic1-0,7 => Ic1=(4,7)/(9,4)=0.5mA

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Por lo tanto: Ic2=(2,7-0,7)/4=0,5mA Con estos valores de corriente, obtenemos: Va= 0V Vb= 0,7V Vc= -10+5,4Ic1=-10+2,7=-7,3V Vd= -8V Para asegurarnos de que los resultados son correctos realizamos lo siguiente: Vce1= Vc-Vb = -7,3-0,7=-8V < -0,2 (Suposición correcta) Vce2= Vb-Vd = 0,7+8=8,7 >0,2 (Suposición correcta) b) Para éste caso vamos a tener el siguiente dibujo:

Vamos a suponer en ACTIVA; por lo tanto tenemos las siguientes ecuaciones: 1) 10=9,3*(11Ib1+10Ib2)+0,7+10Ib1 2) 5,4(10Ib1-Ib2)-10=0,7+4*11Ib2-10

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Simplificando: 1) 9,3=112,3Ib1+9,3Ib2 Î 9,3=112[(49,4Ib2-0,7)/5,4]+9,3Ib2 2) 0,7=49,4Ib2-54Ib1 Î Ib1=(49,4Ib2-0,7)/5,4 Despejamos Ib2 de la primera, donde se obtiene: 1) Ib2=(128,62)/5583,02 Î Ib2=0,023 mA (sustituimos en Ib1) 2) Ib1=0,081 mA Por lo tanto: Ib2=0,023mA Ib1=0,081mA Con estos resultados se obtiene: Vb= 0,7V Vc= -10+5,4(10Ib1) Î Vc= -5,626V Vd= -10+4*(11Ib2) Î Vd= -8,988V Vce1=Vc-Vb= -5,62-0,7= -6,32 < -0,2 NO ESTA SATURADO Vce2=Vb-Vd= 0,7-(-8,988)= 9,688 > 0,2 NO ESTA SATURADO Por lo tanto los transistores están en activa y los resultados son válidos. AMPLIFICADORES 1 En el amplificador de la figura determinar: A) El punto Q de funcionamiento en continua. B) La máxima potencia que puede entregar a la carga sin distorsión. Dato: VBE = 0.6V

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Análisis en continua:

IC = ß·IB → IC >> IB ≈ 0 6 = 4.4I + 1.6I → I = 6 / (4.4 + 1.6) = 6 / 6 = 1 mA VB = 1.6I = 1.6 V VB = VBE + VE → VE = VB-VBE = 1.6 – 0.6 = 1 V 66

IE = VE / RE = 1 / 0.5 = 2 mA Este valor es el correspondiente a IQ en el punto Q 6 = VCE + IE(2 + 0.5) → VCE = 6 – 2(2 + 0.5) = 1 V Este valor es VQ del punto Q Las coordenadas del punto Q de funcionamiento por el que pasa la recta de carga son Q(VQ, IQ) siendo: VQ = 1 V y IQ = 2 mA

Análisis en alterna: El circuito en alterna nos quedaría de la siguiente manera:

Ahora vemos que: VCE + IC · (RL // RC) = k → VQ + IQ · (Req) = k Req = (2 · 2) / (2 + 2) = 1 Por lo que:

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k=1+2·1=3 La recta de carga será: VCE + 1 · IC = 3 El punto de corte con el eje de VCE: VCE = 0 → IC = 3

El punto es (0,3)

El punto de corte con el eje de IC: IC = 0 → VCE = 3

El punto es (3,0)

Al no estar centrado el punto de funcionamiento en la recta de carga el margen de tensión será 1V y el margen de intensidad 1mA. Por lo tanto la potencia máxima será: Pmax = (VCE)2 / RL = (IC)2 · RL Pmax = (1 / √2)2 / 2 = 0.25 mW

AMPLIFICADORES 2 Calcular la resistencia quew recibiría la máxima potencia si la VBE = 0.6 y VCC=6V

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VCC

4k4

2k

C1 Q1 R V 1k6 C2 0,5k

La resistencia que recibirá la máxima potencia será aquella que haga que el punto de funcionamiento este centrado en la recta de carga. Por lo tanto haremos un análisis en continua y otro en alterna e impondremos el condicionante. En continua:

6=Vce+2.5Ice En alterna : VC+IC(2R/2+R)=2VQ Condición de Q centrado : K=2VQ VQ=IQ(2R/(2+R)+2.5) VB=6*1.6/6=1.6 VE=1V IQ=2Ma 3=2R/(2+R)+2.5 R=2/3K

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AMPLIFICADORES 3 En el amplificador de la figura determinar: C) El punto Q de funcionamiento en continua. D) La máxima potencia que puede entregar a la carga sin distorsión. Dato: VBE = 0.6V

Análisis en continua:

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I C = β ⋅ I B ; I C >> I B ≈ 0 6 = 4.4I + 1.6I; I =

6 6 = = 1 mA ( 4 .4 + 1 .6 ) 6

VB = 1.6I = 1.6V VB = VBE + VE ; VE = VB − VBE = 1.6 − 0.6 = 1V IE =

VE 1 = = 2 mA R E 0.5

Ese valor corresponde a I Q en el punto Q. 6 = VCE + I E ⋅ (2 + 0.5); VCE = 6 − 2 ⋅ (2 + 0.5) = 1V Este valor es VQ del punto Q. Las coordenadas del punto Q de funcionamiento por el que pasa la recta de carga son Q ⋅ (VQ , I Q ) siendo : VQ = 1V y I Q = 2 mA

Análisis en alterna: El circuito en alterna nos quedaría de la siguiente manera:

Ahora vemos que: V CE + IQ ⋅ R EQ = K R EQ = 0.5 +

2⋅2 4 = 0.5 + = 0.5 + 1 = 1.5kΩ 2+2 4

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Particularizando en Q;

k = 1 + 1.5·2 = 4

La recta de carga será por tanto: VCE + 1.5IC = 4 El punto de corte con el eje IC será: Para VCE = 0; IC = 4/1.5 por lo que el punto será el (0, 4/1.5) El punto de corte con el eje VCE será: Para una IC = 0; VCE = 4 por lo que el punto será el (4, 0) Al no estar centrado en el punto de funcionamiento en la recta de carga, la potencia máxima será: I RL =

1 IC 2 2

Pmax

⎛ 4 / 1 .5 ⎞ = I RL = ⎜ ⎟ ⋅ 2 = 7.11W ⎝ 2 ⎠ 2 RL

AMPLIFICADORES 4 El transistor tiene una tensión VBE de 0.6V. a) Diseñar la red de polarización de modo que le punto Q de operación del transistor se encuentre en el punto medio de la recta dinámica de carga, con las siguientes especificaciones: Ic = 2mA, Re = 1k, R1//R2 = 4 y Vcc= 8V.

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1º ANÁLISIS EN CONTINUA El circuito equivalente para el análisis en continua sería:

Esto es debido a que los condensadores en continua se comportan como circuitos abiertos, por ello hemos eliminado la fuente de intensidad en paralelo con la resistencia

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Rs que había a la izquierda del condensador C1, y la resistencia de carga RL que había a la derecha del condensador C3. Ecuación de la recta de carga en continua: 8= Rc*Ic + VCE + RE*IE Sabemos que Ic = IE = IQ = 2mA. Si despejamos en la ecuación anterior, la ecuación de la recta de carga quedaría: VCE = 6-2Rc Si despreciamos la IB, la intensidad que circula por la R1 es la misma que la que circula por la R2. La incógnita en este caso el la UB , la cual podemos hallar basándonos en las siguientes relaciones: IR1 = IR2 R1//R2 = 4 Si igualamos las intensidades obtenemos: (8 - UB)/R1 = UB /R2 Para calcular UB = UBE + UE • UBE = 0.6 • UE = RE*IE = 1*2= 2V Entonces si despejamos en la ecuación obtenemos que: UB = 0.6 + 2= 2.6V A partir de la ecuación de las intensidades y de la relación que nos daba el problema , R1//R2=4, podemos calcular el valor de las resistencias: (8-2.6)/R1 = 2.6/ R2 (R1*R2)/(R1 + R2) = 4 De este sistema de ecuaciones obtenemos los resultados de R1 y R2: R1= 12.3K R2= 5.92K

ANÁLISIS EN ALTERNA Para hacer este análisis cortocircuitaremos las fuentes de continua. Los condensadores en este caso se comportan como cortocircuitos. Circuito equivalente en alterna:

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Ecuación de la recta de carga: VCE +RC*IC = 0 Æ VCE + 2RC = K Los puntos de corte de la recta serán (VQ, 2) y (2VQ, 0) para el punto de polarización esté centrado. Sustituimos los puntos de corte en la ecuación de la recta de carga. (VQ, 2) Æ VQ + 2Rc = K (2VQ, 0)Æ 2VQ= K VQ = 2Rc El punto de polarización debe ser el mismo para alterna que para continua, por lo tanto, igualamos las ecuaciones de las rectas de carga obtenidas en los dos análisis: 2Rc= 6- 2Rc Æ Rc= 1.5k A partir del valor de Rc calculamos los valores de VQ El punto de polarización es (3, 2)

b) Si cerramos el interruptor S, calcular la corriente instantánea máxima de colector y la tensión máxima colector-emisor, supuesto que la señal de entrada sea lo bastante elevada para llevar al transistor de corte a saturación.

ANÁLISIS DEL CIRCUITO CON EL INTERRUPTOR CERRADO El circuito equivalente con el interruptor cerrado sería:

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1º ANÁLISIS EN CONTINUA El análisis en continua en este caso, coincide con el análisis que hemos hecho con el interruptor abierto, es decir, no influye. 2º ANÁLISIS EN ALTERNA El circuito equivalente en alterna sería:

Ecuación de la recta de carga: VCE + Rp*Ic = K Siendo Rp la resistencia equivalente entre el paralelo de las resistencias Rc y RL.

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Rp = ( Rc*RL)/(Rc+RL) = (1.5*1.5)/(1.5+1.5)= 0.75 VCE + 0.75*Ic = K El punto de polarización hallado en el caso en el que el interruptor no estaba conectado pertenece a la recta de carga. Al sustituirlo en dicha recta, obtenemos el valor de la constante K. VQ + 0.75*IQ = 3 +(0.75*2) = 4.5 Æ K = 4.5 VQ + 0.75*IQ = 4.5 Puntos de corte de la ecuación de la recta de carga: P1 (4.5, 0) P2 (0, 6) La intensidad máxima de colector es de 6mA y la máxima tensión de colector-emisor es 4.5V. c) Calcular la variación máxima de la corriente de colector para que no exista distorsión en la salida. No existirá distorsión en la tensión de salida mientras el transistor opere en zona activa. Como no está polarizado en el punto medio de la recta dinámica de carga, alcanzará antes el corte (Ic = 0) que la saturación (VCE = 0), y la máxima variación de la intensidad de colector será 2mA. d) Modificando únicamente Vcc, R1 y R2, hallar su valor para que el transistor esté polarizado en el punto medio de su recta dinámica de carga, con el interruptor S cerrado, e Ic = 2mA. La condición de polarización en el punto medio: VCE = Rp*Ic = 0.75*2 = 1.5V Vcc = VCE + (Ic*Rp) = 4.5 + (2*0.75) = 6.5V R1//R2= 4K VR2 = VBE + (Rc*Ic) = 2.6V A partir de estos resultados y con VCE = 6.5V, se obtienen R1 y R2. • •

R1 = 10k R2= 6.7K

AMPLIFICADORES 5

En el amplificador de la figura se desea que la tensión contínua en el punto A sea nula. Diseñar la red de polarización para que el punto Q de operación del transistor se encuentre en el centro de la recta dinámica de carga, con las siguientes condiciones: RL = 1 k, Vcc1 = 10 V, Vcc2 = -6 V, VBE = 0, n = 2.

77

•

Contínua: Vcc1 + Vcc2 = VQ + REIQ 16 = VQ + REIQ

•

Alterna: VCE + IC(Re + n2RL) = K Particularizando en el punto de funcionamiento: VQ + IQ(RE +4*1) = K Si Q está centrado : K = 2VQ Por tanto : VQ = IQ(RE+4) Si VA = 0 : 0 = -6 + REIQ REIQ = 6

78

Resolviendo el sistema de ecuaciones : REIQ = 6 16 = VQ + REIQ VQ = IQ(RE+4) Se obtiene: VQ = 10 10 = 6+4IQ IQ = 1mA RE = 6k AMPLIFICADORES 6 Diseñar la red de polarización del amplificador de abajo, de modo que las variaciones máximas negativas de la intensidad de colector será el doble de las positivas con las siguientes especificaciones: Vcc = 14Vc Ic = 4 mA Vce = 2V RL = 2k R1//R2 = 4k

Si las variaciones negativas de intensidad son el doble de las positivas, el punto Q y la recta de carga serían:

79

Análisis en continua: 14 = IQ(RC + RE) + VQ → 14 = IQ(RC + RE) + 2 → 12 = 4(RC + RE) → 3 = RC + RE Análisis en alterna:

VCE + IQ( RC·RL / (RC + RL )) = k En el punto (6 , 0): 6=k En el punto (2 , IQ): 2 + 4( RC·RL / (RC + RL )) = 6 → ( RC·RL / (RC + RL )) = 1

80

Resolviendo la ecuación de continua y de alterna se obtiene: RE = 1k RC = 2k AMPLIFICADORES 7 El amplificador de potencia de la figura es un montaje en contratase clase B a base de transistores complementarios. Para el mismo cuando se cita con una señal Ue = Asen(wt) , se pide: a) La potencia máxima de la señal de salida. b) Disipación de potencia en cada transistor y rendimiento de la conversión de potencia para la condición expresada en el apartado anterior. c) La máxima disipación de potencia que se puede dar en los transistores y el rendimiento de la conversión de potencia para estas condiciones. Datos: Uc = 15 Voltios. Rl = 4 Ohmnios. Ube = 0.6 Voltios. Nota: Considerar comportamiento ideal del sistema.

81

En continua los transistores están en corte Ube = 0 Iq = 0 Vq = 15 En alterna

RL

Q2N3904

Uce + RL Ic = K Particularizando Iq = 0 ; Vq = 15 La recta de carga es : Vce + RL Ic = 15 Ic

Uce 15 a)

La potencia alterna suministrada a la carga es:

Pa = ( Im / √2 )( Um / √2 ) = Im2 RL / 2 = U m2 / 2 RL Um = Uc = 15 V.

82

Pa = 152 / 2.4 = 28.125 W. b)

La potencia disipada por los transistores es la potencia de continua suministrada por la batería a cada transistor menos la de alterna suministrada a la carga.

Pd = Pc – Pat . Pat = Pa / 2 = 14.062 W Pc = ( Im / π ) Uc = ( Uc / πRL) Uc = Uc2 / πRL = 17.905 W Pd = 17.905 – 14.062 = 3.843 W El rendimiento de la conversión es el máximo ideal de este tipo de amplificadores. η = ( Pa / Pc )100 = [( Uc2 / 2RL ) / ( 2 Uc2 / πRL )] 100 = ( π / 4 ) 100 = 78.55 % c)

En el caso generalk de que Um < Uc, se tiene :

Pd = Pc – Pat Um = RL Im Pat = ( Im Um ) / 4 = Um2 / 4RL Pc = ( Im / π) Uc = Um Uc / πRL Pd = ( Um Uc / πRL ) - ( Um2 / 4RL ) El máximo de Pd , tomando como variable a Um, es dPd / dUm = ( Uc / πRL ) – ( Um / 2RL) = 0 Um = 2Uc / π = 9.594 V Pdmax = ( 2 Uc2 / π 2 RL ) – ( Uc2 / π 2 RL ) = Uc2 / π 2 RL = 5.7 W El rendimiento en este caso vale : η = ( Pa / Pc )100 Pa = Um2 / 2RL = 4 Uc2 / 2 π 2 RL Pc = 2UmUc / πRL = 4 Uc2 / π 2 RL η = [ (4 Uc2 / 2 π 2 RL) / (4 Uc2 / π 2 RL ) ] 100 = 200 / 4 = 50 %.

83

OPERACIONALES 1 Calcula la impedancia de entrada.

84

Los operacionales igualaran las tensiones en las entradas. Al no circular corriente por los terminales de entrada: IR1 = IR2

Ue / R1 = (US1 – Ue)/ R2

US1 = Ue R2 ( 1/R1 + 1/R2)

IR3 = IR4

(US1 – Ue) / R3 = (Ue – US2) / R4

US2 = US1 R1 / R3 Ue R4( 1/R3 + 1/R4) US2 = -Ue ( R2(R4 / R3)(1 / R1 + 1 / R2) – (R4 / R3) – 1) = Ue ((R2R4 / R3R1) – 1) En R5: Ie = (Ue – US2) / R5 Ie =( Ue + Ue((R2R4) / (R1R3)) – Ue) / R5 = Ue (R2R4) / (R1R3R5) Ze = Ue / Ie = (R1R3R5) / R2R4

OPERACIONALES 2: En el circuito de la figura, calcular la impedancia de entrada Zen:

V

I

Z1

Z2 I1

Z3 I2

Z4 I3

I4

I5 Z5 85

Al no circular intensidad por los terminales de entrada: I2 = I3

;

I4 = I5

;

I = I1

Por ser iguales las tensiones de entrada en cada operacional:

Z1 ⋅I Z2 Z Z3 ⋅ I3 − Z4 ⋅ I4 = 0 ; I 4 = 3 I3 Z4 Z1 ⋅ I − Z 2 ⋅ I 2 = 0 ; I 2 =

V = Z1 ⋅ I1 − Z 2 ⋅ I 2 − Z 3 ⋅ I 3 + Z 4 ⋅ I 4 + Z 5 ⋅ I 5

V = Z5 ⋅ I5 = Z5 ⋅ I 4 = Z5 ⋅

Z3 Z Z Z ⋅ I3 = Z5 ⋅ 3 ⋅ I 2 = Z5 ⋅ 3 ⋅ 1 Z4 Z4 Z4 Z2

⇒ Z en =

V Z 5 ⋅ Z 3 ⋅ Z1 = I Z4 ⋅ Z2

OPERACIONALES 3 El diodo del circuito de la figura tiene las siguientes características: Vy = 1 V, Rd=0, Ri= ∞. Para la tensión de entrada indicada, calcular la tensión de salida.

86

15 V

Ue Us

0V

Suponemos que el diodo no conduce

A

C

Ie = Ue / R = -Us / R Vac < 0 ; Vac = Va - Vc; I1 = (15 - Vc) / 4R; Vc = 15 – (4RI1); I1 = (15 – Us) / 5R; Vc = 15 - [(4R) (15 – Us) / 5R] = 15 – [(60 + 4Us) / 5] = 15 – 12 + (4/5Us); Vc = 3 + (4/5Us). Como lo tenemos que poner en función de Ue, sustituimos Us = -Ue. Vc = 3 – (4/5Ue). Vac = Va - Vb = 0 – [3 – (4/5Ue)]; Vac = -3 + (4/5Ue); Vac < 0 luego no conduce. 87

Ahora el siguiente caso es el que CONDUCE. El diodo cambia: Vac = -3 + (4/5Ue); Ecuación cuando cambia nuestro diodo. Vac = Vy = 1 = -3 + (4/5Ue); 20 = 4Ue; Ue = 5 V. Resumen Ue < 5;

Us = - Ue; No conduce.

Ahora cuando Ue > 5; el diodo CONDUCE.

1V

Ie = Id + I2; Id = Ie - I2 : Ie - I2 = I3 - I1 Id = I3 - I1

:

Ie = (Ue - 0) / R I1 = (15 – Vc) / 4R

I2 = - Us / R. I3 = ( Vc - Vs) / R.

Ue / R – ( - Us / R) = [(Vc - Vs) / R] – [(15 – Vc) / 4R]. Ue / R + Us / R = [( - 1 – Us ) / R – (15 - ( - 1)) / 4R] = [( - 1 - Us) / R] - (4 / R) = -1 – Us – 4; Us = (-5-Ue)/2 OPERACIONALES 4 Dado el circuito de la figura, calcular la tensión de salida si Ue = 10.V.sen.w.t

88

Al poder realimentarse el operacional iguala las tensiones en las entradas por lo que la tensión en la entrada inversora será 0V. Por estar los diodos en serie conducirán solidariamente. Si Ue>5 Dz1 estará en zona zener y Dz2 en directa circulando intensidad hacia la derecha. Æ Si Ue > 5

Ue − 5 0 − Us Æ = R R

Us = 5 – Ue

Æ Si -5< Ue < 5

89

Al no circular corriente por el circuito abierto, se tiene que:

Us = 0 v

Æ Si Ue < -5

Si Ue0, por lo tanto, diremos que el Diodo CONDUCE. Si Ue es menor que 2V, al sustituir en la ecuación de Id, la Id será menor que 0 y en consecuencia, el diodo NO CONDUCE. Ya no podemos igualar tensiones a la entrada del operacional. Si el diodo no conduce, por la R4= 3R no circula intensidad. Debido a ello tampoco circulará intensidad por R3. Suponemos que el diodo D, NO conduce.

Resultado: Æ US1 = (5Ue – 6)/2 Æ US2 = 2V

93

OPERACIONALES 6 Calcular las tensiones de salida en función de la tensión de entrada.

Suponer que el Diodo conduce (los dos operacionales se realimentan, por lo tanto se igualan en tensiones): (Ue-V)/1+(Us1-V)/1=(V-3)/3 donde Us1=(7V-3-3Ue)/3 (0-V)/2=(V-Us1)/2 donde Us1=2V Igualamos las dos ecuaciones: (7V-3-3Ue)/3=2V y obtenemos V=3+3Ue Us1=6+6Ue

94

Por lo tanto: Id=(3-V)/3=(3-3-3Ue)/3=-Ue Us1=6+6Ue Us2=3V

Cuando el diodo no conduce:

El operacional de abajo no se realimenta. Por lo que no iguala las tensiones en las entradas. Si analizamos el nudo de la entrada inversora de ese operacional, vemos que todas las corrientes deben ser cero. Por lo tanto: IR=1=IR=1 (Ue-V)/1=(V-Us1)/1 Î Us1=2V-Ue IR=2 = IR=2 (0-V)/2=(V-Us1)/2 Î Us1= 2V

95

El sistema de ecuaciones es incompatible por lo que el operacional está saturado.

OPERACIONALES 7

Cómo por las entradas no circula intensidad: IR=20 = 0; Vs1 = V1 Vs2 = V2 I1; (Vs1 – V)/10 = (V – Vo)/10 => (V1 – V)/10 = (V – Vo)/10 => Vo = 2V – V1 I2; (Vs2 – V)/10 = V/10 => V2 – V = V => V = V2/2 De dónde: Vo = V2 – V1

96

OPERACIONALES 8 Comprobar que el circuito de la figura se comporta como una fuente de intensidad, para ello calcular I.

Solución: La intensidad en ambas entradas (positiva y negativa) es nula. Al realimentar el operacional va a hacer que se igualen las tensiones en los dos terminales de entrada. Esta tensión de entrada de los terminales la llamamos V. Por lo que el circuito sería:

97

V=R·I (V1 - V) / R1 = (V- V0) / R1 → (V1 - RI) / R1 = (RI- V0) / R1 V0= -V1+ 2RI (V0 - V) / R2 = I + (V- V2) / R2 → (V0 - RI) / R2 = I + (RI- V2) / R2 V0- RI = R2 I + RI – V2 Sustituimos V0 por el valor obtenido anteriormente. -V1 + 2RI – RI = R2 I + RI – V2 → I = (V2- V1) / R2

98

OPERACIONAL 9 En el circuito de la figura calcular la tensión de salida (Vs) en función de la de entrada Ve:

1ª Suposición: el diodo conduce

Id =

2 − Ue Æ siempre que : Ue2v Æ D no conduce

Vs1 − 2 2 − 0 = Æ [Vs1= 4V] 2 R [Vs2 = 2V]

99

2ª Suposición: el diodo no conduce [2V = Ve] Vs − 2V 2V − 0 Æ [Vs1 =2Ve] = R R

OPERACIONALES 10 Para el circuito de la figura determinar la tensión de salida, Us, a partir de la tensión de entrada, Ue, indicada. Indicar asimismo cual es la impedancia de entrada del circuito y que función es la que realiza. R1= R2 =10kΩ Ue = 5*sen (100*л*t) Considerar todos los componentes ideales.

La principal condición que cumplen los operacionales es que en estado de conducción la tensión en sus entradas es la misma. Si Ue>0 la corriente que pasa por R1 circulará hacia la derecha, por lo tanto circula D2. Si Ue0, D1 está cortocircuitada por lo tanto Us será igual a cero, independientemente de lo que valga Ue. Si Ue