Etapa separadora

En la última clase introdujimos la idea de incorporar una etapa separadora entre nuestro circuito actual y el que diseñaremos en las próximas semanas. ¿ Y esto porqué ? Pues bien, una etapa separadora nos permitirá prescindir de los efectos de carga que nos provocaría la resistencia de entrada equivalente de las posteriores etapas, de esta manera no nos quedaría alterado el ancho de banda de nuestra etapa de sintonía ni la amplificación de la etapa amplificadora-regeneradora. ¿ Cómo podemos realizar esta separación ? Un amplificador operacional puede realizar la función descrita anteriormente. Su representación circuital queda reflejada como una diferencia de tensión entre sus dos terminales de entrada y una fuente dependiente controlada por esta diferencia de tensión a su salida.

Una vez definido el comportamiento que debe tener esta etapa en nuestro circuito pasamos al laboratorio a comprobar su efecto en nuestro diseño. Nuestra hipótesis es que a la salida de esta etapa la amplificación conseguida en la etapa previa no debe quedar alterada.

El montaje de nuestro circuito queda de la siguiente manera :

 
Notar que no se ha añadido la etapa de realimentación.

Queremos comprobar si la amplificación es la misma que sin la etapa separadora. A la entrada conectaremos una señal de 20mV pico a pico haciendo variar su frecuencia dentro del rango de Onda Media ( de 550 kHz a 1,7 MHz ) y así obtener su curva de amplificación, que debe ser contante en todo el rango. Destacar que el amplificador esta polarizado unipolarmente, por lo tanto a su entrada debemos tener una componente continua para que la señal a la salida no quede recortada. Casualmente la tensión del colector en el punto de trabajo es esta componente continua requerida. 

El resultado de nuestro experimento concuerda con nuestras previsiones sólo hasta los 1,2 MHz, a partir de esa frecuencia nuestras suposiciones no se cumplen. El próximo día pasaremos directamente al laboratorio para proseguir con este estudio.

Realimentación positiva

En la última entrada finalizabamos el diseño de la etapa amplificadora, y en la clase del lunes vimos como podíamos aumentar el valor de esa amplificación realizando lo que se conoce como realimentación positiva. La realimentación o feedback positivo consiste en coger una fracción de la salida y hacerla pasar de nuevo por la etapa de amplificación. Pudimos comprobar con un ejemplo que el valor de esta amplificación incrementaba en un orden de magnitud.

Después leer estas líneas puede surgir la siguiente duda: ¿Cómo realizamos esta realimentación? Pues bien, primero es mejor realizar un análisis circuital de lo que tenemos hasta ahora; una antena construida a partir de un devanado de espiras sobre un núcleo de ferrita, una etapa de sintonía que consiste en un condensador en paralelo con la inductancia del devanado anterior y una etapa amplificadora conectada al resto del circuito a través de un segundo devanado sobre el núcleo de ferrita. La tensión que tenemos en bornes de nuestra antena la modelamos como una fuente independiente de tensión conectada en série con una resisténcia y una bobina que se encuentra en paralelo con un condensador, el voltage en terminales del condensador es el voltage entregado por la etapa de sintonía a las siguientes etapas. La etapa amplificadora esta representada por una fuente dependiente de tensión, la salida de esta etapa será la salida del circuito hasta ahora realizado. Una vez reinterpretado nuestro diseño circuitalmente, la parte de la salida que se añade a la entrada debe quedar reflejada como una fuente de tensión dependiente sumada en fase con la fuente de tensión independiente que modela la entrada del circuito. Si las dos fuentes de tensión estuvieran en contrafase la realimentación sería negativa, no contribuiría a nuestra finalidad que es aumentar la amplificación. Esta realimentación la representamos con un tercer devanado sobre la ferrita conectado a la salida del circuito mediante una resisténcia. 

Una vez explicada la realimentación positiva encontramos la función de transferéncia de nuestro nuevo circuito y pudimos observar que el ancho de banda se podía ver reducido si el valor de la resisténcia que conecta el tercer devanado con la salida tomaba un valor muy pequeño y consecuentemente aumentaba el valor de la amplificación, así pues la preséncia de un determinado valor de esta resisténcia aumentaría la sensibilidad y la selectividad de nuestra etapa de sintonía.

Para finalizar la clase, durante la última media hora estuvimos en el laboratorio de José Mª viendo como Jordi, técnico del laboratorio, nos enseñaba todos los pasos para la realización de una placa de circuito impreso. Fue algo nuevo para todos nosotros, nunca habíamos visto como se realizaba este proceso y tuvimos la oportunidad de verlo y seguirlo en directo.

Etapa de amplificación

En la clase de ayer como ya introdujimos en la anterior reseña realizamos unas modificaciones sobre el diseño que ya teníamos de la etapa amplificadora, y una vez listo nuestro nuevo circuito fuimos a probar la capacidad de amplificación que tiene. Según nuestros cálculos la amplificación debía ser constante, no debería variar con la frecuencia, por lo tanto para validar nuestra hipótesis hicimos un barrido en el rango de Onda Media ya será donde trabajará nuestra etapa. Pudimos observar como al ir aumentando la frecuencia de la señal de entrada al circuito la amplificación iba disminuyendo, por lo tanto hay algo en nuestra hipótesis inicial que estamos pasando por alto. Para poder poner solución a este inesperado fenómeno pasamos al aula de teoría dónde el profesor José Mª nos explica que entre las uniones P-N y N-P del transistor aparece unas capacidades que no habíamos previsto y que provocan una disminución en la tensión Base-Emisor al aumentar la frecuencia, lo que nos lleva a tener una tensión de salida cada vez más pequeña. Como solución se nos propone colocar una bobina entre resistencia de colector y colector, dado que un inductor tiene un comportamiento inverso al de un condensador con la frecuencia nuestra curva de amplificación quedará ecualizada, la amplificación será la misma para cualquier frecuencia.

Hasta ahora hemos diseñado la antena, la etapa de sintonía y la etapa de amplificación,y hemos aprendido como trabajan sus componentes y que papel juega cada una en el proceso de recepción de señales de Onda Media.    

El transistor en zona activa

La clase de hoy ha estado partida entre el aula de teoría y el laboratorio. Anteriormente ya habíamos hablado sobre el transistor y un poco sobre su funcionamiento, hoy lo estudiaremos más a fondo, describiremos y montaremos el circuito que nos permitirá amplificar, nuestra finalidad. 

La configuración anterior es la que usaremos para tener el transistor en zona activa y podamos utilizarlo en nuestra etapa amplificadora. Previamente hemos analizado otra configuración posible pero nos dicen que es muy inestable térmicamente y que es preferible utilizar la del esquema. La idea es escoger un valor razonable de ICQ (1mA) y VOQ igual a Vcc/2, y a partir de estas condiciones encontrar el valor de la resistencias que cumplan con las restricciones de la zona activa. Una vez hecho el análisis teórico pasamos a montar el anterior circuito al laboratorio. Aqui muestro una foto de mi circuito:

Basándonos en los valores encontrados en el diseño realizamos las medidas significativas sobre nuestro circuito para obtener el valor de B. B es la relación entre corriente de colector y corriente de base, es a lo que comúnmente se le denomina amplificación del transistor. El valor de nuestra ICQ es de 1,02mA, el de IBQ es 2,17uA y por lo tanto si hacemos la división entre estos dos valor encontramos que B = 470.  

El motivo por el cual VOQ es la mitad de VCC es para poder tener un rango más amplio de amplitudes cuando existan pequeñas variaciones en la base del transistor. 

Sobre el anterior circuito deberemos hacer unas pequeñas variaciones, concretamente deberemos insertar un condensador entre las dos resistencias conectadas en serie a la base para eliminar el efecto Miller, que no es más que un efecto que se da en circuitos que tienen la entrada y la salida conectados por una resistencia, y el valor de su resistencia de entrada en estos circuitos resulta muy pequeño. También deberemos conectar otro condensador justo a la entrada del circuito amplificador para que se cargue a la tensión de polarización Base-Emisor y así asegurarnos que el transistor se encuentra en zona activa.

Mañana continuaremos montando nuestra etapa amplificadora con las modificaciones correspondientes.

El diodo

En la anterior publicación introdujimos al diodo y en esta vamos a hablar un poco más sobre él.

Es un componente que tiene un comportamiento no lineal y eso nos dificultará su análisis en un circuito, por lo tanto buscaremos un modelo lineal que nos facilite el estudio de los diodos.

El diodo es un elemento unidireccional, lo que quiere decir que la corriente que circula por él sólo puede ir en una dirección, y en función de esta corriente y de la tensión que haya entre sus terminales se encontrará en un estado u otro. El diodo estará en ON cuando circule corriente a través suyo, y estará en OFF cuando la tensión entre sus terminales sea inferior a la tensión umbral del mismo diodo.

Una vez vistos los primeros aspectos estudiamos lo que se conoce como modelo incremental, muy comúnmente llamado modelo de pequeña señal. El diodo tiene un punto de trabajo, se trata de la intersección entre las gráficas de la relación V-I del diodo con la relación V-I del circuito a analizar, y con este modelo incremental queremos observar como se ve alterado este punto de trabajo si la tensión de entrada del circuito varía ligeramente.

Una vez acabada la explicación del diodo pasamos a adentrarnos en el transistor bipolar. Recordamos que el uso del transistor nos permitirá amplificar la tensión que recibimos de la etapa de sintonía y que por eso procedemos a realizar su estudio. El transistor se diseño para suplir a los triodos (consta de tres nodos como se puede deducir de su nombre), o válvulas de vació, que logran modificar el valor de la intensidad a la salida de uno de sus terminales a partir de una tensión variable que hay entre los otros dos. Los tres terminales del transistor son base, emisor y colector, y cuando se varía la tensión entre base-emisor la intensidad que entra por el colector se ve alterada, tal como sucedía con el triodo. Para que esto suceda se deben cumplir unas condiciones, al igual que se tenían que cumplir en el diodo para que se encontrara en conducción, las tensiones entre base-emisor y colector-base deben ser positivas, y a esta zona de trabajo se le denomina zona activa.

El próximo día acabaremos de explicar más conceptos sobre el transistor para luego poder diseñar ese amplificador que necesitamos para aumentar la tensión que nos llega de la salida de la etapa anterior.

Saludos.

El transformador

En la anterior entrada adelantamos que en la próxima clase estudiaríamos el transformador, cuyo comportamiento nos solucionará graves problemas que podríamos tener en nuestra etapa de sintonía. Hasta ahora nuestro circuito está formado por una antena receptora y un filtro paso banda, cuando conectemos la siguiente etapa veremos que el efecto de carga nos afectará al ancho de banda de nuestro filtro ensanchándolo y haciéndolo menos selectivo. Cuanto menor sea la resistencia equivalente del resto del circuito, mayor será el ancho de banda y es aquí dónde el transformador juega su papel. Un transformador consta de dos devanados sobre un mismo núcleo con una relación entre espiras del devanado primario y secundario que denominaremos n. Una resistencia de valor R en bornes del devanado secundario tiene un valor de (n^2)R en bornes del primero, y con este comportamiento conseguiremos que la resistencia equivalente de las siguientes etapas se incremente y así minimizar el ancho de nuestra etapa de sintonía. El inconveniente que deberemos soportar es que la tensión se verá reducida en un factor n en el devanado secundario, haciendo aún más necesario la amplificación de la señal

Una vez dada la explicación del transformador y su comportamiento pasamos al laboratorio a comprobar el efecto de dicho componente, en nuestro caso es un transformador con n=6. Monitorizamos la señal a la entrada y salida del transformador y vemos que la relación entre amplitudes es igual a n, relación entre número de espiras primarias y secundarias.

Para acabar la clase comentamos la necesidad del uso de un componente nuevo, el transistor, que nos ayudará a amplificar la señal. Antes pero, José Mª remarca la necesidad que hay de entender bien previamente el funcionamiento de un diodo, así pues concluimos la clase presentando este otro componente de gran utilidad en el mundo circuital.  

Antena de barra de ferrita

En la anterior sesión acabamos construyendo nuestra bobina que nos serviría de antena. Hoy mediremos el valor de su inductancia y de su resistencia parásita variando la posición de las espiras sobre la barra de ferrita. Inicialmente en nuestros cálculos teóricos encontramos que el valor deseado debe ser de 250 uH, pues bien, este valor se debe encontrar comprendido en el margen de inductancias que encontraremos al hacer las medidas.

El procedimiento es el siguiente; montamos el circuito RLC descrito en la entrada del día anterior y conectamos desde el generador de funciones a su entrada una señal a 1 voltio y 300 kHz, medida previamente con el osciloscopio. La medida a la salida la realizaremos con una sonda de baja capacidad que nos minimizará el efecto capacitivo de la entrada del osciloscopio y del cable, el inconveniente de la sonda es que la lectura mostrada en la pantalla del osciloscopio estará atenuada en un factor 10. Una vez ya tenemos visualizada la salida en el osciloscopio vamos aumentando la frecuencia de la señal de entrada hasta que encontramos la máxima amplificación en la señal de salida. Este valor nos permitirá encontrar mediante la fórmula de la frecuencia de resonancia la inductancia presente en nuestra barra de ferrita, y posteriormente a este cálculo podremos encontrar la resistencia parásita usando la ecuación que nos proporcionaba la amplificación de pico. El proceso anterior lo repetimos dos veces; una para las espiras situadas en el centro de la barra, y otra cuando las espiras se encuentran en el extremo. Los valores obtenidos son:

Espiras en el centro: L=316,74uH, Rs=17,27 ohmios

Espiras en el extremo: L=210,72uH, Rs=28,38 ohmios  

Como pronosticábamos en un inicio el valor deseado se encuentra entre los valores encontrados. Ya tenemos nuestra antena!

Después de esta sesión práctica pasamos al aula de teoría para evaluar nuestra etapa de sintonía y vemos que tenemos deficiencias de selectividad provocadas por la resistencia parásita de la bobina que provoca que el ancho de banda del filtro esté por encima de la distancia entre emisoras establecida por el estado.

Por último comentamos que este aspecto irá empeorando a medida que vayamos diseñando nuestro circuito y deberemos ingeniárnoslas para minimizar el efecto de carga de los siguientes etapas del circuito.