GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS DE LABORATORIO L2 B LABORATORIO REAL Y PRACTICAS DE RECICLADO Objetivos: 1. Efectuar mediciones estáticas y dinámicas sobre etapas amplificadoras. 2. Reconocer características de transistores bipolares de señal utilizados en etapas amplificadoras. 3. Medir las ganancias de corriente y tensión; impedancias de entrada y salida; excursión simétrica. 4. Verificar características de acoplamiento. 5. Interpretar el funcionamiento de etapas de salida y amplificadores de potencia. 6. Reconocer características funcionales de amplificadores operacionales integrados 7. Interpretar el funcionamiento de circuitos osciladores senoidales. Componentes: Se utilizarán hasta donde fuere posible, componentes usados provenientes de residuos y plaquetas de descarte, previa extracción, verificación de estado y medición. Instrumental y Equipo de Laboratorio: Multímetro Digital de alta impedancia de 4 1/2 Dígitos (Fluke 8080A o similar) Osciloscopio de 2 Canales, 60 Mhz. (Tektronix TDS 2024B, Tektronix 2213 ó similar) Generador de audiofrecuencia o generador de funciones arbitrarias (Tektronix AFG 3021 ó similar). Plaqueta de protoboard con alimentación regulada incorporada (Global Specialities Proto-Board 203A o similar) Soldador tipo lápiz con punta cerámica de 40 W, cables y conectores para armado de circuitos prototipo, plaqueta con puentes aislantes para soldar, alambre estañado de 0.3 / 0.4 mm, estaño 60%. Hojas cuadriculadas o milimetradas para croquis de formas de onda, pendrives para guardar mediciones. Experimento 1 Circuitos de Emisor común Armar el circuito amplificador de emisor común de la figura con C1 = 10 µf, R1 = 18 KΩ, R2 = 150 KΩ, R L = 2,2 KΩ, C2 = 25 µf, R C = 6,8 KΩ, R E = 1 KΩ, controlando previamente el valor exacto de las mismas con el multímetro digital. 2A 239 ó eq. Ce Fig. 1 - Amplificador de Emisor Común
Antes de inyectar señal a la etapa, medir las tensiones de CC con el voltímetro digital, calcular las corrientes y ubicar los valores de reposo de colector y emisor. Inyectar señal senoidal de entre 0,5 y 2,5 KHZ a la entrada, graduando su amplitud con el atenuador del generador o bien con un potenciómetro de preajuste (preset) y conectar el osciloscopio con el canal 1 en la entrada y el canal 2 en la salida. Medir la diferencia de fase entre las señales de entrada y salida. A qué se debe la diferencia? Probar distintos valores de la tensión de señal de entrada hasta ubicar el punto donde la etapa empieza a recortar, midiendo las tensiones de señal de entrada y salida en ese momento. Registrar los valores y reducir luego la amplitud del generador de baja frecuencia hasta que en la salida haya menos de 3 V pico a pico. Medir allí los valores pico a pico de la señal de entrada y la salida, calculando la Ganancia de Tensión Av y expresar su valor en db. Si el generador de señal lo permite, realizar la medición de Av en por lo menos 5 frecuencias entre 20 Hz y 20 Khz, cuidando que la señal de salida se mantenga en amplitudes por debajo del nivel de recorte (por ejemplo en 20, 100, 500, 2.000, 5.000 y 20.000 Hz). Graficar en una escala de db en la computadora. De acuerdo a la teoría de funcionamiento, cuál debería ser el valor aproximado de la ganancia de tensión Av? Cuál debería ser la máxima tensión de salida sin distorsión? Experimento 2 Calcular los valores de punto de reposo para las etapas 1 y 2 del circuito amplificador de acoplamiento directo de la figura 2, utilizando transistores discretos 2A 237 o similares. Armar el circuito con los siguientes valores: R1 = 220 Ω, Rc1 = 2,2 KΩ, Rc2 = 1,2 KΩ, Re2 = 1,8 KΩ, R2 = 560 Ω, Ci = Co = 10 uf, Ce = 100 uf, Vcc = 9 V. Vcc Rc 1 Rc 2 Co - Vi R 1 Ci i b1 - I b2 I c1 2A237 V be1 Vbe2 i 3-2A237 I e2 Re 2 R 2 Ce - VL Medir el valor exacto de los componentes con el multímetro digital. Tomar las tensiones y calcular las corrientes efectivas resultantes de punto de reposo. Tabular ambos juegos de valores (teóricos y lecturas del instrumental) comparando los mismos en función de las tolerancias de los componentes y de las suposiciones de ganancia de corriente adoptadas para los transistores. Reemplazar uno por uno los transistores con otros del mismo tipo pero de distinto grupo de ganancia ganancia (Ej= 2A 237 A / 2A 237 B) y registrar la posible variación del punto Q de la etapa respectiva. Es adecuada la estabilidad frente a variaciones de hfe? Conectar el canal 1 del osciloscopio a la base de la etapa 1, y el canal 2 primeramente al colector de la etapa 1 y después al de la etapa 2. Determinar como en el experimento 2, los valores de ganancia de tensión total, preservando el nivel de salida por debajo del punto de recorte. Observar la fase la amplitud y la linealidad de las señales en los colectores de ambas etapas. Aumentar la señal de entrada hasta que comience el recorte y medir la máxima excursión de la tensión en el colector de la etapa 2. Calcular la ganancia del circuito equivalente para señal débil y comparar los valores medidos con los teóricos.
Experimento 3 Transistores de Efecto de Campo Materiales: Transistor JFET tipos 2N5245, 2N4416 ó similares; Resistencias de 1/4W: 25KΩ; 6 KΩ; 1 KΩ; 1,5 KΩ; Capacitores electroliticos: 2 de 10µf / 25V (2); 1 de 1µf / 25V (1); Diodo LED (verde o rojo) (1). Controlar los valores de los componentes. Obtener los valores caracteristicos principales del transistor JFET de canal N 2N5245, mediante la hoja de datos. I DSS : Es la corriente de drenaje cuando el transistor JFET se encuentra en configuración de fuente común y se cortocircuita la puerta y la fuente (V GS =0). En la práctica marca la máxima intensidad que puede circular por el transistor. Conviene tener en cuenta que los transistores JFET presentan amplias dispersiones en este valor. V P (Pinch-Off Voltage): es la tensión de estrangulamiento del canal. Al igual que I DSS, presenta fuertes dispersiones en su valor. g m (Transconductancia): es el cambio en I D dividido por el pequeño cambio en V GS con V DS constante R DS(ON) : Es el inverso de la pendiente de la curva I D /V DS en la zona lineal. Este valor se mantiene constante hasta valores de V GD cercanos a la tensión de estrangulamiento. B VDS (Drain-Source Breakdown Voltage): es la tensión de ruptura entre fuente y drenaje. Tensiones más altas que B VDS provocan un fuerte incremento de I D. B VGS (Gate-Source Breakdown Voltage): es la tensión de ruptura de la unión entre puerta y fuente, que se encuentra polarizada inversa. Valores mayores de B VGS provocan conducción por avalancha de la unión Parametro Valor Unidad I DSS V p g m R DS(ON) B VDS B VGS 3) Obtener V p y I DSS en forma practica. Para esto realizar los circuitos de las figuras 1 y 2. En la figura 1, I D = I DSS - En la figura 2, ajustar el valor del potenciometro hasta que I D = 0, Entonces V GS = V P Fig.1 Fig.2
4) Armar el ampificador de la Fig 3 en protoboard. Verificar con multimetro los valores de componentes. Medir los parámetros estáticos del circuito con multímetro y los dinámicos con osciloscopio y generador de funciones. Fig.3 Parámetros estáticos VG VS VD VDS IS ID IG VG Parámetros dinámicos Vi Vo Av Experimento 4 Amplificadores de Potencia En este experimento se utilizarán plaquetas de descarte de circuitos amplificadores con etapas de salida de simetría complementaria del tipo Single-Ended sin transformador, que respondan aproximadamente a alguno de los esquemas (Figuras 1, 2, 3). Controlar el estado de los componentes y conectar como carga un altavoz de 8 Ω. La tensión de alimentación no deberá superar la permitida por los transistores y electrolíticos de cada plaqueta. Figura 1
Lista de Partes Q1-Q3: BC148, BC548 Q2: BC158, BC558 Q4: BC338 Q5: BC328 R1: 270 K Ω R2: 470 K Ω R3: 3,9 Ω 22 Ω ó 68 Ω R4: 15 K Ω R5: 2,7 K Ω R6: 1,5 K Ω R7: 220 Ω (Preset) R8: 330 Ω R9-R10: 1 Ω C1: 10 uf 16 V. C2: 2,2 uf 63 V. C3: 220 uf 16 V. C4: 0,01 uf 50 V. C5: 470 uf 16 V. Figura 2 Figura 3 Operaciones comunes a los experimentos 4 y 5: Inyectar señal senoidal de entre 0,5 y 2,5 Khz a la entrada, graduando su amplitud con el atenuador del generador y conectar el osciloscopio con el canal 1 en la entrada y el canal 2 en la salida. Medir la ganancia. Registrar los valores. Probar distintos valores de la tensión de señal de entrada hasta ubicar el punto donde el amplificador empieza a recortar, midiendo las tensiones de señal de entrada y salida en ese momento. Registrar los valores y
reducir luego la amplitud del generador de funciones hasta que en la salida haya menos de 3 V pico a pico. Medir allí los valores pico a pico de la señal de entrada y la salida, calculando la ganancia de tensión Av y expresando su valor en db. Realizar la medición de Av en al menos 5 frecuencias entre 20 Hz y 20 Khz, cuidando que la señal de salida se mantenga en amplitudes por debajo del nivel de recorte (por ejemplo en 20, 100, 500, 2.000, 5.000 y 20.000 Hz). Graficar en una escala de db en la computadora. Registrar la máxima tensión de salida sin distorsión. Reemplazar el altoparlante por una carga fantasma constituida por un resistor de 8 Ω - 10 W. Aplicar ahora una señal senoidal de 400 Hz a la entrada ubicando su nivel en el punto inmediatamente anterior al comienzo del recorte en los transistores de salida. Medir la tensión de pico de salida en la carga y calcular la tensión eficaz. Determinar la potencia de salida eficaz (RMS). Experimento 6 Generación de Ondas Circuitos osciladores Componentes: 1 - Circuito Integrado tipo LM 741 (National Semiconductor) ó similar; 1 - Diodo tipo 1N 914 o similar Potenciómetros o preset: 1 de 470 KΩ, 1 de 10 KΩ (lineales); Capacitores de Poliester o Poliester metalizado: 2 de 1 nf 2 de 3,3 nf - 2 de 10 nf - 2 de 47 nf; Capacitores cerámicos: 1 de 47 pf Resistores de 1/4 W: 1 de 270Ω, 1 de 1 KΩ,1 de 2,2 KΩ, 1 de 5,6KΩ, 3 de 8,2 KΩ, 1 de 10 KΩ, 1 de 12 KΩ, 1 de 15 KΩ. ;Varios: Baterías herméticas de 12 V. 10 A/h o más Montar el generador Puente de Wien utilizando un amplificador operacional del tipo LM 741 o similar. Conectar una alimentación dual de 9 9 V ó 10 10 V (baterías o fuente dual de bajo zumbido). Inicialmente colocar en el circuito del puente los capacitores de poliester de 47 nf y ajustar el preset de 10 KΩ para arranque de la oscilación con una ganancia levemente mayor de 3. El de 500 (470) KΩ permite ajustar la amplitud de salida y el diodo D1 la estabiliza automáticamente. Observar la forma de onda con el barrido demorado y usando la doble base de tiempo del osciloscopio (modo de Intensificación). Reajustar el preset para mejor linealidad. Medir la amplitud y la frecuencia de la onda senoidal de salida, sin carga conectada al oscilador. Reemplazar uno de los resistores del puente de 8,2 KΩ por otro de 10 KΩ, y después por otro de 12 KΩ. Arranca el oscilador? Medir y registrar. Reemplazar los capacitores del puente de 47 nf por otros (preferentemente de poliester metalizado) de: 1) 1 nf; 2) 3,3 nf 3) 10 nf.
Repetir las mediciones de amplitud y frecuencia y registrar los valores obtenidos. Especificar si fue necesario reajustar el preset de 470 KΩ durante los cambios de frecuencia. Volver a los valores originales de C = 47 nf y colocar una resistencia de carga R L =5,6 KΩ. Registrar los cambios producidos de amplitud y frecuencia. Reajustar el preset de 470 KΩ en caso necesario y tomar nota. Reemplazar la R de 5,6 KΩ por otra de 1 KΩ y registrar los valores. Reemplazar luego por otra de 270 Ω, ídem, observando los cambios producidos y registrar. Bibliografía de Referencia Beams, D. M.: Electronic Circuits Analysis II Laboratory- Oscillators. Department of Electrical Engineering, University of Texas USA 1998. Cathey, J. Electronic Devices and Circuits 2nd. Ed. Schaumm s Outline McGraw Hill, USA 2002. Hambley, Allan R., "Electronica", 2a. Ed., Prentice Hall, 2000, pp. 248-258 Holbrook, James: "Transformadas de Laplace para Ingenieros en Electrónica". Ed. Limusa, Mexico 1982. Horenstein, Mark N. "Microelectrónica-Circuitos y Dispositivos", 2a. Ed. Prentice-Hall, 1997 Schilling, D. & Belove, C. "Circuitos Electrónicos: Discretos e Integrados". 3a. Ed. Marcombo, España 1993. Gronner, A. D. "Análisis de Circuitos Transistorizados Cap. 7 -Ed Fondo Educativo Interamericano -USA, 1974 Reyes Sánchez, M. A. Diseño de Circuitos con Transistores 2ª. Ed. Limusa, México 1985. Savant, C.; Roden, M. & Carpenter, G. "Diseño Electrónico-Circuitos y Sistemas" 3a. Ed. Prentice-Hall, 2000.