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Teoría
Las válvulas de vacío VII

Séptimo artículo dedicado a las válvulas termoiónicas. Tocaremos en esta ocasión el receptor a reacción, sin lugar a dudas el preferido por los radioaficionados en la época en que vieron la luz las válvulas de vacío. Con una sensibilidad extraordinaria, la única pega de este receptor era su limitada selectividad si lo comparamos con el superheterodino.

Sin embargo, debido a la sencillez de montaje y bajo presupuesto, todo aquel que hacía sus pinitos en la electrónica por aquella época se aventuraba a construir uno de estos equipos.

Podemos asegurar que aquel que acababa de construir un receptor a reacción con exito ya nunca sería capaz de desligarse de la radio durante toda su vida, acumulando tantas ganas e ilusión que esto le impulsaba a acometer montajes más complejos y sofisticados.

Aunque ya pasó el apogeo de estos antiguos componentes electrónicos, el estudio del receptor a reacción con válvulas termoiónicas nos servirá para entender los del mismo tipo que podremos construir a transistores, e incluso en artículos posteriores ahondar en el funcionamiento de un modelo de receptor simple aún más avanzado utilizable para ondas cortas, el receptor a super-reacción. Por estas razones, no puedes dejar de leer este artículo.

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Esperamos que con esto podamos ayudar a muchas de aquellas personas que nos han pedido detalles sobre este tema.

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De todos es sabido la cantidad de micrófonos preamplificados que invaden el mercado destinado a la C.B. (Banda Ciudadana o 27 MHz.). Unos los vemos en versión "de sobremesa" y otros en versión "de mano". Algunos de estos micrófonos dicen poseer un "compresor" para de esta manera conseguir una modulación profunda que permita obtener el máximo rendimiento de nuestra emisora. Otros publican su producto como provisto de un estupendo "limitador de audio" para así obtener el mismo o parecido resultado.

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Para poner a prueba la rapidez de respuesta a tus estímulos nerviosos hemos ideado un pequeño circuito con el que podrás medirte en este aspecto con otra persona, y de paso cultivar la faceta "reflexológica" del ser humano. Se trata de algo así como un duelo, lógicamente sin pistolas y sin balas pero eso si, al ser del todo electrónico, con botones y con luces.

Una vez construido el dispositivo se dispondrán dos botones de mayor o menor tamaño, los cuales accionarán sendos pulsadores conectados a nuestro circuito. Al oir una señal, los dos participantes se apresurarán a pulsar su correspondiente botón.

El más rápido de los dos se llevará el gato al agua y ganará el juego. Su victoria quedará fehacientemente constatada porque la luz que le corresponde indicará ese hecho.

Comenzamos con esta reseña una nueva categoría de artículos a la que llamaremos "Miscelánea", en la que tendrán cabida una amplia variedad de temas con multitud de contenidos. Esperamos que esta novedad sea de tu agrado.

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Uno de los mayores errores que se cometen al enchufar equipos electrónicos a baterías o a fuentes de alimentación de corriente continua es la inversión de polaridad. ¿Te ha ocurrido esto a ti alguna vez al instalar una emisora de radioaficionado en tu automóvil y conectarla a su circuito eléctrico?.

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Para que esto no te vuelva a pasar vamos a enseñarte a construir un sencillo aparato con el que podrás detectar muy facilmente la polaridad de una tensión continua desde 2 hasta 230 voltios aproximadamente. También te indicará, caso de que no se trate de una tensión continua, si dicha tensión es alterna.

Mediante unos diodos LED bicolor este tester te marcará, sin ninguna posibilidad de error, cual es el polo positivo y cual el negativo de una determinada toma de corriente eléctrica o si por contra se trata de una tensión alterna. ¿Te interesa?. Sigue leyendo, por favor...

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¿Como se distribuye la carga individual de cada condensador en este tipo de montaje? ¿Pasará lo mismo que en el montaje serie que estudiamos en el artículo anterior, en el que la carga de cada condensador era idéntica?.

Que ocurrirá con la d.d.p. que acumula cada uno de estos componentes al estar montados con este tipo de configuración... ¿serán también diferentes en cada condensador, o por contra en este caso serán iguales?

Si quieres conocer las respuestas a estas y más preguntas, tienes ahora la oportunidad con solo seguir leyendo este artículo.

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AFHA - Curso Electrónica, Radio y TV - Tomo 12

Tomo 12 del curso de Electrónica, Radio y Televisión de AFHA.

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Diseño fácil de un amplificador transistorizado EC

Transistor amplificador emisor común

¿A que aficionado a la electrónica no le atrae el diseño de circuitos?. Yo creo que son pocos los que escapan de esto.

Después de un largo periodo sin publicar artículos sobre teoría, aquí tienes uno que estoy seguro te va a encantar. Te explico como diseñar etapas amplificadoras con transistores en configuración de emisor común.

No te preocupes, que no te harán falta muchas matemáticas. Para llevar a cabo este pequeño proyecto solo necesitarás algunos conocimientos básicos sobre circuitos y saber sumar, restar, multiplicar y dividir.

Además, por si después de leer el artículo te quedan dudas, te hemos dejado un video en el que verás un ejemplo completo de como realizar el diseño desde cero.

El video incluye una simulación con Multisim, en la que podremos comprobar si lo que hemos hecho funciona o no funciona.

No te puedes perder la lectura de este artículo y la posterior visualización del video. Ya estás tardando en clicar en "Leer completo...".

Está claro que el diseño de algo requiere un proceso, una metodología, la ejecución de unos determinados pasos necesarios para llegar al fin propuesto.

El diseño electrónico, aunque bien es verdad que tiene cierto componente que podríamos calificar de arte, también requiere un proceso y, además, para obtener buenos resultados, casi siempre hay que acompañarlo de las llamadas ciencias exactas, o sea, de las matemáticas.

Una etapa amplificadora con transistor en configuración de emisor común no es algo excesivamente dificultoso, pero su realización tampoco es coser y cantar. De hecho, si quisieramos complicarnos la vida con su diseño podríamos estar horas calculando valores de componentes, impedancias y otros parámetros.

Esquema de principio etapa con transistor EC

Pero como casi todo en la vida, ese proceso puede resumirse y simplificarse de manera que, sin que el circuito pierda sus buenas cualidades y atributos, podamos obtener un excelente resultado sin enredarnos demasiado con fórmulas complicadas y usando solo las matemáticas indispensables.

Esto es precisamente lo que te vamos a enseñar a partir de ahora, un método que podríamos calificar de sencillo y hasta ameno, mediante el cual puedas crear tu propio diseño de etapa amplificadora con la que sensibilizar un dispositivo de audio usando solo las cuatro reglas básicas.

UN MÉTODO BASADO EN LA SENCILLEZ
En realidad, cuando logramos entender aquellas cosas que en un principio nos parecían muy complicadas, cuando llegamos a comprender aquello que creíamos que era tan difícil que no estaba a nuestro alcance, entonces y solo entonces el asunto comienza a parecernos muy sencillo. ¡A partir de ahí se convierte en un juego de niños!.

En infinidad de páginas a lo largo y ancho de internet existen tutoriales y videos en los que se explica como diseñar una etapa amplificadora a transistor en emisor común. Después de visitar algunos de estos sitios podremos apreciar que existe una gran diversidad de métodos de diseño, unos mas complicados que otros, y entonces confirmamos que se cumple el dicho que reza... "cada maestrillo tiene su librillo".

Sin embargo, en la mayoría de ocasiones, si has conseguido acabar de visualizar la información, resulta que no sabes por donde empezar el trabajo. Entonces te das cuenta que no te has enterado de nada y la razón de ello es que no has entendido aquello que estabas viendo, oyendo o leyendo.

Como no es mi intención que abandones este artículo en esas condiciones, voy a facilitarte las cosas exponiéndote un método, mi método, en el que prima la sencillez y la simplicidad, usando la menor cantidad de matemáticas posible, y comenzando desde cero.

El método de la sencillez

Te lo expongo a continuación punto por punto:

1. ELEGIR LA CORRIENTE DE COLECTOR (IC)
Este debería ser el primer paso en nuestro diseño. La pregunta que surge es... ¿en base a qué tomo esta decisión?.

Pues en base al nivel de las señales que queremos amplificar. Con señales débiles usaremos corrientes de colector bajas, y con señales medias y altas usaremos corrientes de colector más elevadas.

En las etapas amplificadoras de pequeña señal, las corrientes de colector habituales están entre 0,5mA y 10mA.

Además, si la etapa va alimentada a pilas será conveniente que este parámetro sea lo más bajo posible para que su consumo no sea excesivo.

Para las primeras etapas de un dispositivo amplificador, las cuales son atacadas en su entrada con señales del orden de los milivoltios, e incluso de los microvoltios, son normales las corrientes de colector más bajas, entre 0,5mA y 2,5mA.

Para nuestro ejemplo usaré una intensidad de corriente de colector de, por ejemplo 1mA, la cual nos permitirá obtener una señal de salida de amplitud suficiente junto con un escaso consumo.

Corrientes de emisor y colector

2. ELEGIR EL VALOR DE LA RESISTENCIA DE EMISOR (RE)
Una vez que hemos decidido el valor de la corriente de colector (IC), a partir de ella deberemos elegir el valor de la resistencia de emisor (RE).

Para darle un valor adecuado a esta resistencia primero hemos de fijar la tensión que caerá en la misma (VRE). Da muy buenos resultados asignarle una caída de tensión que suponga el 10% del valor de la tensión de alimentación (VCC) de la etapa.

Por ejemplo, si la etapa la queremos alimentar con una pila de 9 voltios, la tensión en bornes de RE ha de ser 0,9 voltios, que es el 10% de VCC.

¿Como conseguir que caiga esta tensión en esta resistencia?... Como estoy seguro que sabes, y también has notado al ver la ilustración anterior, la corriente de colector (IC) de un transistor es practicamente del mismo valor que su corriente de emisor (IE), por lo que podemos considerar que son iguales.

Sabiendo esto, por la simple aplicación de la ley de Ohm podemos conocer el valor que ha de tener esta resistencia.

Formula para hallar la resistencia de emisor

Por lo tanto, si ya sabemos que la caída en RE será de 0,9 voltios y que por ella circulará practicamente la misma intensidad de corriente que por el colector, que hemos decidido que será de 1mA, el valor de RE ha de ser de 900 ohmios ¿estás de acuerdo?.

Valor de la resistencia de emisor RE

¡FACIL!... ¿No?. Pues entonces continuemos avanzando y estudiemos el siguiente punto.

3. CALCULAR EL VALOR DE LA RESISTENCIA DE COLECTOR (RC)
Antes de continuar, y ya que hemos hablado de "caídas de tensión expresadas en porcentajes" con respecto a la tensión de alimentación (VCC), te informaremos a continuación de los que nos han dado mejores resultados.

Como hemos dejado claro en el punto anterior, en la resistencia de emisor RE ha de caer el 10% de VCC., que en nuestro caso son 0,9 voltios.

La tensión que debe caer en la resistencia de colector RC ha de ser de un 40% del valor de la tensión de alimentación VCC. Siguiendo con el ejemplo anterior, el 40% de 9 voltios son 3,6 voltios.

Por último, el 50% restante es el que ha de haber entre el emisor y el colector del transistor. Si continuamos con el mismo ejemplo, en nuestro circuito esta tensión sería de 4,5 voltios.

Porcentajes de las caidas de tensión

Para calcular el valor de la resistencia de colector tenemos a nuestra disposición dos opciones diferentes.

La más sencilla y rápida es la siguiente; como las corrientes que recorren a RE y a RC son practicamente iguales, y la caída de tensión en esta última es de un 40% de VCC, o sea, cuatro veces más que la que cae en RE, el valor de RC no tiene más remedio que ser 4 veces superior al de RE.

Eso significa que hallaremos el valor de RC multiplicando por 4 los 900 ohmios de RE, lo que nos da 3600 ohmios.

Valor de la resistencia de colector

La segunda manera de calcular RC es muy similar a la manera en que lo hicimos antes con RE. Como ya sabemos tanto la tensión que ha de caer en ella como la intensidad de corriente que la ha de atravesar, simplemente aplicamos Ohm para descubrir su valor.

En nuestro modelo, en RC han de caer 3,6 voltios y la intensidad de corriente que la atraviesa es de 1mA. Una vez aplicada la fórmula de Ohm obtenemos el mismo resultado anterior, o sea, 3600 ohmios.

Valor de la resistencia de colector

Observa como poco a poco vamos avanzando en nuestro diseñovamos otorgando los valores a cada componente del circuito. Interesante... ¿no?.

Valor de la resistencia de colector

¡A por el punto número 4 del proceso!.

4. CALCULAR EL VALOR DE LAS RESISTENCIAS DEL DIVISOR DE TENSIÓN (R1 y R2)
Como principio básico y fundamental para el cálculo de estas resistencias deberemos entender que la corriente que circule a su través deberá ser mucho mayor que la que exija la base del transistor.

Solo así lograremos que la tensión que aplicamos a la base sea estable, o dicho con otras palabras, que la tensión presente en R2 se altere lo menos posible cuando le conectemos la base del transistor.

Corriente por el divisor mucho mas grande que por la base

La pregunta que seguro te estás haciendo en estos momentos es... ¿cuanto exactamente es "mucho mayor"?.

La realidad es que si queremos proveer de una gran estabilidad a R2, la corriente a través del divisor de tensión debería ser al menos 100 veces superior a la que vaya a circular por la base. Solo así "apenas se notará" que el transistor está "robándole" corriente a las resistencias.

Surge entonces una dificultad. Si queremos hacer la corriente del divisor 100 veces mayor que la de la base, necesitaremos saber cuanto vale la corriente de esta última. Lamentablemente este dato no lo conocemos, pero si que conocemos otro dato que nos llevará por buen camino. Se trata de la BETA MÍNIMA especificada por el fabricante del transistor. Luego te explico que quiero decir con esto. Antes necesito que entiendas otra cosa.

Hacer la corriente del divisor 100 veces mayor que la de la base establecerá un punto Q de reposo del transistor extremadamente estable, y eso es bueno. Sin embargo, en la práctica esto puede acarrear ciertos problemas. Uno de ellos es que en ocasiones, para poder conseguirlo, deberemos conceder a las resistencias R1 y R2 valores tan bajos que la impedancia de entrada de la etapa caerá en picado, y eso no es nada bueno.

Otro contratiempo que puede generarse es el sobreconsumo, detalle este importante sobre todo si el dispositivo que estamos diseñando se alimenta a pilas y contiene una docena de transistores.

Siempre que conozcamos estas dificultades, sepamos exactamente lo que estamos haciendo y seamos capaces de evadir los inconvenientes, es preferible usar esta relación de 100 a 1 entre ambas corrientes.

Sin embargo, para evitar estos problemas, en la práctica muchos diseñadores suelen establecer los valores de R1 y R2 de manera que la intensidad de corriente que las atraviesa sea como mínimo 10 veces mayor, y no 100, que la que exija la base del transistor.

Con esto último conseguimos una buena estabilidad, una impedancia de entrada bastante aceptable y un consumo reducido.

Para llevar esto a cabo, y suponiendo que estamos usando un transistor moderno, lo único que tendremos que hacer para calcular adecuadamente R2 es multiplicar por 10 el valor que antes le hemos dado a RE.

Formula para asignar el valor a R2

Simplemente con esto nos garantizaremos que la corriente por el divisor será, al menos, 10 veces superior a la de la base del transistor.

En nuestro caso particular, y según lo explicado hasta el momento, R2 deberá tener un valor de 9000 ohmios.

Asignacion de un valor de 9k ohmios a R2

Insisto en que esto es válido en el supuesto que estemos usando un transistor para señal moderno, con una BETA MÍNIMA de 100. Este dato es suministrado por todos los fabricantes.

Hoy dia, la BETA MÍNIMA de la mayoría de transistores para señal de reciente aparición rara vez baja de 100. Sin embargo, si vas a usar uno que no llega a este valor, simplemente usa la siguiente fórmula para establecer el valor de la mencionada resistencia:

Formula R2 para transistores con beta menor de 100

Esto simplemente supone multiplicar 0,1 por la BETA MÍNIMA del transistor y por la resistencia de emisor (RE) de nuestra etapa.

Observa que en el caso general de BETA MÍNIMA de 100, si usamos esta fórmula, el valor para R2 será de 0,1x100xRE, lo que es exactamente igual a lo que hemos indicado antes: R2=10xRE.

Con esto ya hemos generado el valor para una de las resistencias del divisor de tensión; ahora nos queda la otra. ¡Ánimo que ya casi hemos llegado al final!.

Para conocer el valor de la última resistencia que nos queda por calcular es necesario saber las tensiones que caen tanto en R1 como en R2.

La lógica que vamos a utilizar en este caso será la siguiente: Como la intensidad de corriente que atraviesa a ambas resistencias es practicamente igual, si sabemos cuanto es mayor la caída en R1 (VR1) con relación a la caída en R2 (VR2) y el resultado lo multiplicamos por el valor que ya conocemos de R2, obtendremos el valor de R1. ¿Lo pillas?.

Fórmula para hallar el valor de R1

Observa que si averiguamos cuanto es mayor VR1 con respecto a VR2 el resultado nos indicará también cuanto es mayor R1 con relación a R2 ya que son atravesadas por casi la misma intensidad de corriente. Una vez que sepamos este resultado, solo tenemos que multiplicar por él a R2 para hallar el valor de R1.

Por lo tanto, lo primero será investigar cuanta tensión cae en R2. Una vez que conozcamos este dato podremos deducir la tensión que cae en R1 y entonces aplicaremos la fórmula anterior ¿OK?.

Observa que R2, junto con el diodo base-emisor del transistor y la resistencia RE, forman lo que se llama una malla. Aplicando la segunda ley de Kirchhoff, podremos conocer la tensión que cae en R2.

Cálculo de VR2

No voy a calentarte la cabeza con esta ley. Solo mira la imagen anterior y aplica el sentido común. Observa simplemente como R2 está justo en paralelo con el conjunto de la resistencia RE y el diodo base-emisor, por lo que la tensión en bornes de la primera tiene que ser la misma que la suma de tensiones de los componentes del mencionado conjunto.

Como sabemos desde el principio de este artículo que la tensión en RE es de 0,9 voltios y somos conocedores de que en una unión PN polarizada en directa caen aproximadamente 0,7 voltios, la suma de estas dos tensiones nos dará justo la que cae en R2, la cual vale 0,9+0,7=1,6 voltios.

Valor para VR2

Ya solo nos falta averiguar la caída en R1 para poder aplicar la fórmula anterior. Observa la siguiente imagen. Estoy seguro que te dará una buena pista para conocer su valor.

Cálculo de VR1

Al estar ambas resistencias en serie y alimentadas directamente por la batería, la tensión de dicha batería se reparte entre las dos resistencias.

Por lo tanto, la tensión en R1 debe ser igual a la diferencia entre la tensión de la batería y la tensión en R2, lo que nos da 9 - 1,6 = 7,4 voltios.

Valor para VR1 = 7,4V

Acto seguido efectuamos la división de tensiones: 7,4 dividido entre 1,6 nos da 4,625 veces.

Cuantas veces es mayor R1 que R2

Multiplicamos las 4,625 veces que R1 es mayor que R2 por los 9k de R2 y obtenemos un valor para R1 de 41k6 aproximadamente.

Valor para R1 = 41,6k

Ya tenemos nuestro circuito casi terminado. Solo nos falta ajustar las resistencias para que tengan valores estandar, fáciles de hallar en el mercado.

Esto es una operación que podríamos calificar de "tanteo" más que de diseño. Podemos empezar por subir los valores que tenemos hasta los inmediatos superiores.

Por ejemplo, RE la podemos insertar de 1k, RC la cambiamos por 3k9, R1 la ponemos de 47k y R2 de 10k.

Valores estandar en las resistencias

Es posible que en algunos casos los valores estandar se separen excesivamente de los calculados.

Es en esas ocasiones cuando tenemos que "tantear" un poco entre varios de ellos, para tratar de respetar la relación mencionada entre R1 y R2.

Quizás alguna vez sea mejor bajarlos en lugar de subirlos. Por ejemplo, podríamos probar para R1 el valor cercano más bajo que sería 39k y para R2 también el más cercano a la baja que se situaría en 8k2.

Valores a la baja para R1 y R2

Esto bajaría un poco la impedancia de entrada y aumentaría levemente el consumo de la etapa, pero ganaríamos en estabilidad y en seguridad. En cada caso tendríamos que comprobar si el punto de trabajo del transistor se está manteniendo según lo calculado en un principio. Como ves, todo ello es cuestión de tanteo, prueba y error, y para eso son de gran ayuda los simuladores.

Aún tenemos que asignar los valores a los dos condensadores de acoplo de entrada y salida. Para conocer el valor óptimo de estos dos componentes tendríamos que evaluar las impedancias de entrada y salida de la etapa, y las impedancias de la fuente y de la carga.

Pero en este caso hemos tenido mucha suerte, porque estos componentes, si se eligen de un valor suficientemente alto, no son nada críticos.

Por ejemplo, para el valor de C1 podemos usar entre 10 y 15 microfaradios casi sin ningún problema, y para C2 entre 22 y 33 microfaradios casi sin temor a equivocarnos.

Asignación de valores a C1 y a C2

En la entrada de la etapa podemos colocar un trimmer potenciométrico o un potenciómetro en toda regla para controlar la sensibilidad. Este podrá tener un valor de entre 50k y 100k para que cumpla su función a la perfección.

Valor para el potenciómetro de entrada 50k

Esta etapa tiene una ganancia en tensión de casi 4 veces, pero si deseamos aumentarla no seria muy complicado.

Por ejemplo, podríamos sustituir la resistencia de emisor RE de 1k por dos resistencias en serie, una de 180 ohmios y la otra de 820 ohmios, con lo que su valor total seguiría siendo de 1k.

Si la resistencia de 820 ohmios la desacoplamos mediante un condensador de un valor adecuado, que puede ser por ejemplo de 1000μF, la ganancia de nuestra etapa aumentaría hasta aproximadamente unas 20 veces sin que la distorsión creciera excesivamente.

Modificación para ganancia = 20

En caso de que quisiéramos conseguir toda la ganancia posible podríamos desacoplar con el mismo condensador anterior la resistencia completa de 1k del emisor, en cuyo caso la ganancia se dispararía hasta más de 200 veces.

Sin embargo, esto iba a provocar un aumento de la distorsión y también una drástica disminución de la impedancia de entrada de la etapa, por lo que si de veras necesitamos esa alta ganancia de tensión es preferible usar varias etapas en cascada.

Preamplificador con ganancia 200

Pero de esto hablaremos en otro artículo.

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