Curso práctico de electrónica orientado al trabajo en física:

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Notas 1 y 2...   Crearemos una oscilación senoidal, mantenida en el tiempo!!!

  -En un divisor de tensión formado por 2 resistencias, entre la salida y la entrada solo hay atenuación, permaneciendo en fase la onda de salida con respecto a la de entrada.

Pero si reemplazamos a una de esas resistencias por un capacitor (fig.1), la onda de salida se atrasará con respecto a la de entrada, un ángulo de hasta casi 90° .

Si en la entrada de ese divisor de tensión, presentamos ondas de distintas frecuencias, para cada frecuencia habrá un desfasaje diferente.

Si en cambio, presentamos en la entrada una sola onda senoidal de frecuencia constante y variamos, por ejemplo, el valor de la resistencia (fig.2), controlaremos así, el ángulo de desfase... No variando en ninguno de estos casos el valor de las frecuencias de las ondas, solo su desfase.

En una red de desfasaje (Fig. 3), lo que sucede es lo siguiente: cada uno de los 3 divisores de tensión formados por una resistencia y un capacitor, desfasa a cada una de las frecuencias que la atraviesan, un ángulo distinto de 0 a 90 grados (nunca alcanzando esos 90 grados).  Así que si queremos desfasar una determinada frecuencia 180 grados, debemos desfasar 60 grados en cada divisor de tensión y conectarlos en serie...

Si dejamos fijos los 3 capacitores y variamos las 3 resistencias a la vez(podrían también, ser variables los capacitores y fijos los valores resistivos), tendremos por cada valor de resistencia una frecuencia y solo una, cuyo desfase total sea exactamente 180 grados.

Por otro lado, un amplificador formado por un transistor en configuración “emisor común” y de clase “a”, desfasa a cualquier onda de cualquier frecuencia que presentemos en su entrada, un ángulo fijo y constante de 180°. Mas adelante se explicarán configuraciones y clases de amplificadores...

      -Si ahora, conectamos al amplificador mencionado nuestra red de desfasaje, como se observa en la (fig. 4), al conectar el circuito, de todas las ondas de distintas frecuencias que aparecen en el instante inicial, sobrevivirá solo la que la red de desfasaje desfase exactamente 180° !!! manteniéndose esta oscilación permanentemente...

nota 3:

   Los transistores son bichitos de 3 patas, sus patas tienen por nombres: colector, base y emisor. (esta definición es... terrible, pero es la que quiero dar...)(dejo por el momento afuera los de efecto de campo, cuyos terminales se denominan D,G,S(fuente, compuerta, sumidero)... y funcionan como sus antecesoras: las válvulas de vacío, de hecho se los denomina válvulas sólidas)

   Si usamos un tester para medir de a dos sus patas, veremos que es como tener 2 diodos(componentes que conducen solo en una sola dirección), 2 diodos con un terminal común(la base).

   Aclarando que “jamás traten de unir 2 diodos y pensar que tienen un transistor...” EL TODO ES MUCHO MÁS QUE LA SUMA DE SUS PARTES !!!

   Y aclarando también que algunos transistores de potencia, traen dentro de su cápsula un diodo entre emisor y colector: llamado diodo de rueda de giro...  para cortocircuitar la fem inducida por un bobinado externo(si no lo traen, hay que soldárselo para que no se dañen)

   Todavía no explico su funcionamiento, pero mencionaré sus tipos. Hay muchos mas, por ejemplo el foto transistor tiene 2 patas y reacciona con radiación a través de su cápsula...

De silicio:    conducen a partir de los 0.5 voltios aprox.

De Germanio:    conducen a partir de los 0.25 voltios aprox.

Npn:    son mas rápidos que los pnp, porque en su interior predomina la corriente de electrones y no de huecos.

Pnp:    a mi me desagrada trabajar con ellos, hay que pensar todo en sentido contrario, pero son necesarios en configuraciones clase “b”, por ej. en salidas Push pull(Push pull: es alimentar un primario de un transformador con 2 amplificadores clase “b” que amplifican separadamente el semiciclo positivo y el negativo, recogiendo la onda completa en su secundario).

De baja potencia:    para preamplificar, exitar leds, armar osciladores, o producir reacciones primarias.

De media potencia:    para salidas a parlantitos o relés o para excitar transistores de potencia.

De potencia:    salidas de grandes corrientes( por ejemplo 15 amperes es gran)

Para audio frecuencia:    para trabajar con frecuencias de hasta 1 mega hertz.

Para radio frecuencia:    para frecuencias de mas de 1 mega hertz, sus patas suelen ser planas, tengo algunos que trabajan a 5000 mega Hz 5GHz.

Para alta tensión:    por ejemplo para trabajar con 2200 voltios con un solo transistor.

De arseniuro de galio:  suprimen el ruido térmico.

Miniatura:    tiene que ver con su tamaño, de 1x1x3 milímetros, son por ej. para armar una punta de pruebas dentro del tubito de una virome.

Nota 4: como averiguar cosas de esos bichitos de 3 patas:

  Con el tester(si uno no tiene tester, se puede hacer también con una batería  de 9v en serie con una resistencia de 10k  en serie con un diodo led), puesto para medir diodos o para medir resistencias también se puede... hay que buscar la base, recordando que los transistores se comportan como 2 diodos unidos en la base(los 2 diodos conduciendo hacia la base es un transistor PNP y conduciendo de la base hacia fuera es un NPN).

Una vez ubicada la base, si tienen un tester y está para medir diodos: Donde mida mayor caída de tensión, es la juntura mas pequeña o sea la juntura base emisor, o sea encontraron el emisor, la pata que queda será el colector.

Si no tienen tester para diodos o están usando la batería con la resistencia y el led, es mas complicado(había escrito como hacerlo pero lo borré para no complicar): cuando explique como funciona un transistor se van a dar cuenta solitos, van a tocar con el dedo la base y...

Usando para este ejemplo un transistor bc 548 B en el tester puesto en diodos se descubre que es NPN y se lee:

E-B=721

C-B=718

Esos números son las caídas de tensión en dichas junturas( 0,721 voltios y 0,718 voltios)

Si tienen un tester que mida transistores(los tester que valen 20 pesos traen esa función), van a encontrar unos agujeritos con letras: C B E...  y separado PNP o NPN...  dentro de una medición que dice:  Hfe, luego de hacer lo que explique antes, si colocan adecuadamente las patitas del transistor en esos agujeritos, medirán:

hFE= 286

o algún número por el estilo...  Ese número es muy importante y representa la ganancia en corriente contínua de dicho transistor, es el número que multiplicado por la corriente base-emisor, nos da la corriente colector-emisor... cuando esas corrientes son variables, el hfe depende de la frecuencia, también depende de la corriente de colector, para mensionar algo...

Ahora ya tienen trabajo: busquen alguna radio o plaqueta de alguna cosa electrónica que tengan rota en sus casas o rompan algo y sáquenle la plaqueta y busquen uno de esos bichitos soldados de 3 patitas, desuélenlo o arránquenlo de la plaqueta y hagan lo que se explicó en este texto...

Envíenme luego un email para contarme cuanto les dieron las caídas de tensiones, que tipo de transistor era, cuanto hFE tenía, si tiene escrito algún numerito cual es, si rompieron algún aparato cual era, etc...

P/d: como esas caídas de tensión entre terminales son elevadas, sabemos también que es un transistor de silicio.

P/d: hay otra clase de transistores: los de efecto de campo y otros dispositivos que se comportan como transistores: las válvulas de vacío triodo, y otras sustancias para hacer transistores además del silicio y el germanio: el selenio, arseniuro de galio, etc...

Nota 5 y 6:       Como funciona un transistor....             

     -Si uno tiene un potenciómetro(es una resistencia que varía al girar una perilla), y quiere cambiar el valor de su resistencia, tendrá que aplicar un torque mecánico al eje y así cambiará el valor...

   A un transistor, ahora no lo vamos a ver como a un bicho, ni como a 2 diodos unidos... ahora nuestro transistor es un “potenciómetro”(ya parezco esos hipnotizadores truchos de TV, falta que diga: duro duro duro feliz feliz feliz...), nuestro transistor ahora es una resistencia variable que está entre colector y emisor...  y para variar el valor de dicha resistencia, no tenemos que girar ninguna perilla... sino que variaremos una corriente eléctrica entre su base y su emisor: para cada valor de corriente entre base-emisor, un valor distinto de “resistencia“ entre colector emisor !!!

   En la gráfica de la nota5, se ve claramente que la corriente “Ibe” variará si varía “V1” o si varía “Rb”... 

   -En la gráfica de la nota 6 esta la práctica de lo explicado anteriormente: nuestro cuerpo tiene una resistencia del orden de millones de ohms(menos si estamos transpirados), si armamos ese circuito y ponemos el tester para medir resistencias, usando el transistor BC 548 B mediremos una “resistencia” entre colector-emisor del orden de los mil ohms...  si apretamos fuerte los alambrecitos mediremos menos, unos 300 ohms... si transpiramos y nuestra piel se moja con transpiración(saladita) mediremos aún menos... algunos transistores se podrían dañar si hacen esto último... 

  P/d: si tienen un tester analógico(a aguja) sepan que el positivo es el negativo y la punta que esta en masa es el positivo!!!  Con estos testers no necesitan batería externa, pongan para medir resistencia, pongan el terminal positivo real en el colector, y el terminal negativo real en el emisor, pueden tocar con una mano el colector(ya que es positivo) y con la otra mano la base... ESTA ES LA OTRA FORMA DE DETERMINAR CUAL ES EL EMISOR Y CUAL EL COLECTOR QUE HABÍA QUEDADO PENDIENTE...EN ESTE CASO LA RESISTENCIA LEIDA ES DEL ORDEN DE LOS 80K OHMS(al soltar la base aumenta a decenas de millones de ohms).

Notas 7,8 y 9:

Vamos a aprovechar esa “resistencia” que varía entre colector-emisor:

   Como ya quedo claro...  al variar la corriente base-emisor, varía la “resistencia” colector-emisor..., si ahora integramos esa resistencia variable, dentro de un divisor de tensión puramente resistivo(Fig. 8), la caída de tensión entre colector y emisor, determinará la salida del amplificador. Fíjense que es necesaria para este tipo de amplificador, la resistencia “Rc” ...  ya que si no, no variaría la tensión de salida y además, si la corriente de base-emisor fuera muy alta, se quemaría el transistor por exceso de corriente de colector-emisor(también se pondría en corto la fuente de alimentación).

    PENSAR QUE MAS CORRIENTE DE BASE-EMISOR, GENERARÁ MAS CORRIENTE DE COLECTOR-EMISOR, Y “MENOS” TENSIÓN COLECTOR-EMISOR !!! como se ve en la Fig. 7.

    Es por esto último que este tipo de configuración, produce que la forma de la onda en su salida, este desfasada siempre 180 grados con respecto a la forma de la onda en su entrada...(mas tensión “V1” de entrada, provoca mas corriente Ibe y esto genera que la “resistencia” colector-emisor disminuya, disminuyendo la caída de tensión colector-emisor).

   Por último, aclaro que no es necesario tener 2 fuentes separadas de tensión(V1 separada de V2), por lo general se usa la misma fuente, como se muestra en la Fig. 9, donde además, he agregado nuestra ya conocida red de desfasaje para mostrar nuestro oscilador completo, con la formulita para calcular a que frecuencia oscila.

   Para realizar el trabajo de práctica:  el transistor que sea el BC 548B, la tensión “V2” puede ser de 7 a 12 voltios, la “Rc” puede ser un preset de 100k (para encontrar prácticamente la resistencia justa) y obviamente los componentes de la red de desfasaje, los calculan con la formulita(Fig.  9).

   Cuando compren las resistencias que sean de un cuarto de vatio de disipación y los capacitores de 16 o más voltios de tolerancia).

NOTA 10:                      Componentes en torno de los transistores:

Las resistencias que se colocan entre los transistores y la fuente de alimentación, son en su mayoría para llevarlo a trabajar en determinados niveles de tensión.

También, hay resistencias(o resistores) que se colocan por ejemplo para producirle realimentaciones(negativas o positivas).

Encontrándose también, por ejemplo, capacitores(de paso y/o acoplamiento) para que las señales(corrientes alternas) pasen libremente, puenteando resistores(de polarización del transistor en corriente continua).

A demás, se suelen encontrar diodos para por ejemplo amplificar solo un semiciclo, o transistores usados como diodos,  para compensaciones térmicas, etc etc etc...

                         Tipos de configuraciones:

Emisor común: la señal entra por base y sale por colector. Desfasa siempre 180 grados. Amplifica tanto tensión como corriente.

Colector común: la señal entra por base y sale por emisor. No desfasa. Se usa para amplificar corriente, la tensión de salida es igual a la de entrada menos la caída base-emisor.

Base común: La entrada es por emisor y la salida por colector. No desfasa. Amplifica tanto tensión como corriente.

Emisor y Base común: 2 entradas(por base y por emisor) y una salida única(por colector).  La salida es una hermosa mezcla de las frecuencias de las 2 ondas, aparecen también, ondas de frecuencias sumadas y frecuencias restadas.

Emisor y colector común: una entrada(por base) y 2 salidas diferentes. Una de las salidas muestra desfasaje(la del colector), mientras que la otra no(la de emisor). Las consideraciones para cada salida, son las escritas mas arriba.

  Clases de amplificadores:

Clase A: Trabaja con la totalidad de las ondas entrantes.

Clase B:  Trabaja con un 60 por ciento aprox. de la onda entrante(un semiciclo completo y un poquito del otro).

Clase C: trabaja con menos de un semiciclo(un sector del semiciclo positivo ó un sector del negativo).

   -En el circuito que usamos en nuestro anterior oscilador de red de desfasaje, la configuración era emisor común y la clase de amplificador era del tipo “A”.

-En nuestra siguiente gráfica( Fig.10), puede estudiarse la configuración base común y en clase “C”...  el ejercicio será, pensar como funciona y enviarme un e-mail contándome o dejando el texto en el Foro que aparece al principio...

CONTINUARÁ...

Nota 11:

Hola, en ésta clase quiero insertar en un amplificador con un solo transistor, un circuito resonante LC, que esté en serie, y luego con el mismo transistor, el mismo conjunto LC, pero que esté en paralelo...

Para estos ensayos recomiendo el transistor: MJE 15030 (es económico, de potencia, resistente, y con bastante alta frecuencia de corte... se usa en los nebulizadores para excitar al piezoeléctrico... creo que llega a los 40 MHz).

Para polarizar la base, sugiero en lugar de 2 resistencias, un potenciómetro de 100k lineal.

Para el circuito con el resonador serie, la resistencia de colector que sea de 920 ohms.

Para el circuito con el resonador paralelo, que la resistencia de emisor sea de 150 ohms.

Alimenten los circuitos con 5 voltios que pueden chuparlos de sus PC´s.

Armen sobre núcleo de ferrite, un buen pedazo de bobina(en éste caso, mas es siempre mejor).

El capacitor del LC, que NO sea electrolítico...  QUE NO TENGA POLARIDAD(yo usé uno de 8,2 microF para corriente alterna, que le arranqué a un monitor).

Los capacitores de paso y/o acoplamiento deben elegirse minimizando sus valores de capacidad(en éste caso, menos es siempre mejor).

Seguramente la mayoría no tiene en sus casas un osciloscopio, o una punta especial para el tester(yo tiré 200 dólares en una porquería de esas)... así que para medir la radiofrecuencia de salida, tendrán que esperar a la clase 12, donde mostraré como armar un simple medidor de campo.

P/d: yo medí 16,7 k y 71,6 k en el pote de de la base del oscilador serie... y 10 k y 90 k en el pote de la base del oscilador paralelo... (en ambos casos el menor valor es al positivo) Y NO MEDIR SIN DESOLDAR!!!!!!!! cuando algo está integrado a un circuito hay que aislarlo antes de medirlo.

P/d: el capacitor de acople entre colector-emisor es de 100 pF y el de paso de 2 microF(para alterna) en paralelo con la resistencia de polarización de 10 k... en el circuito del oscilador paralelo... (((estos valores dependen de los valores que usen en sus LC, así que tendrán que calcularlos ustedes)))

P/d: no usé capacitor de salida en ningún caso, ya que les puse unas antenitas...

Nota 12:

En el circuito oscilador serie, la configuración del amplificador es emisor común, así que es obvio que a la frecuencia de resonancia, se produce un desfasaje exactamente de 180 grados en el LC, ya que el amplificador emisor común desfasa también 180 grados, lográndose así la condición de realimentación positiva que mantiene la oscilación armónica(condición de autoexcitación).

Mientras que en el que contiene un LC en paralelo(circuito tanque), la configuración del amplificador es base común, la salida está pues en fase con la entrada así que podemos tomar directamente una porción de la señal oscilante y reinyectarla nuevamente en la entrada, en mi caso particular, a través de ese capacitor de 100pF(acoplando la entrada con la salida), esta porción de la señal, excitará la juntura base-emisor, para luego retornar al tanque LC a través de ese capacitor de paso de 2 microF(también en mi caso particular) puenteando la resistencia de polarización de base.

Para medir la amplitud de las oscilaciones, recomiendo buscar alguna radio vieja, sacarle ese diodo encapsulado en vidrio(o comprar un diodo detector) y con un resistor de 100 ohms y un par de capacitores variables de 30 pF, soldar el circuito que adjunto y jugar un rato con los valores de capacidades hasta encontrar los mas eficientes para la frecuencia a la cual están oscilando nuestros circuitos(en mi caso en particular fueron de 2pF para el capacitor en paralelo con el diodo, y de 9 pF en el capacitor en serie...)

Si van a usar un dipolo y no van a hacer contacto directo metálico, no es necesaria la resistencia(y sugiero que tanto la masa del oscilador, como la masa del demodulador, estén en contacto con Tierra... por ej. el caño de una canilla), en éste caso estarán demodulando un amplio espectro de frecuencias locales... si en lugar del tester conectan un audífono piezoeléctrico(por su alta impedancia), o un amplificador de audio, escucharán en la zona norte LT8 y en la zona de Facultad LT3, la radio de AM mas cercana.

El tester obviamente deberá ponerse en voltaje continuo.

Nota 13:

Ahora que sabemos como mantener una oscilación electromagnética usando capacidades e inductancias, y que podemos medir su amplitud... es buen momento para decidir que frecuencia generamos, y/o que frecuencia sintonizamos.

Un oscilador es un ente capaz de por ej., presentar fluctuaciones repetitivas de: energías potenciales y cinéticas, o campo eléctrico y campo magnético. Si los elementos donde varían esas energías o campos se hallan en distintos lugares, a saber, en un oscilador compuesto de un punto fijo del cual se fija un resorte que lleva en su otro extremo una masa, la energía potencial estaría variando en el resorte mientras que la cinética en la masa, o en un circuito compuesto por un capacitor en paralelo con una inductancia, en donde el campo eléctrico varia en el capacitor y el campo magnético solo en la inductancia... se llaman osciladores con elementos agrupados. Si las variaciones de energías o de campos, no ocurren en lugares distintos, si por ej. en el mismo espacio se producen las variaciones de campos, o moléculas de aire varían su velocidad y su presión dentro de un mismo recipiente, se llaman osciladores con elementos distribuidos.

Frecuencias a la cual resuenan osciladores con elementos agrupados:

La frecuencia de oscilación de un resorte y una masa, viene dada por la dureza del resorte(k) y por el valor de la masa (m), así:

  -cuanto más duro sea el resorte mayor será la frecuencia, por el contrario cuanto menor sea la masa mayor será dicha frecuencia.

  La frecuencia de oscilación entre un capacitor y una inductancia es:

-menor capacidad y/o menor inductancia, implican mayor frecuencia.

  Osciladores con elementos distribuidos:

Los osciladores mecánicos (masa-resorte), serian ahora:  cavidades llenas de, por ejemplo aire.

Los osciladores electrónicos (capacitor-inductancia), serian ahora: envases metálicos (latas cerradas).

Frecuencias a la cual resuenan osciladores con elementos distribuidos:

Para facilitar los cálculos tomaremos como ejemplo una misma lata cerrada cilíndrica tapada y soldada en sus extremos, llena de aire común.

-metálica y soldada para que sirva como cavidad electromagnética resonante, y llena de aire para que sirva como cavidad acústica resonante.

-podría tener otra forma, no tiene por que ser cilíndrica.

  La frecuencia a la cual resuena una cavidad acústica será:

-en donde v es la velocidad del sonido en el aire de su interior y el largo: es la altura del cilindro, sin importar su radio.

-si hacemos unos simples cálculos, nos daremos cuenta que directamente, el largo será media longitud de onda.

  La frecuencia a la cual oscila una cavidad electromagnética resonante será:

Cavidad prismática cilíndrica:

  -en donde c es la velocidad de las ondas electromagnéticas, no depende del largo, sino del radio del cilindro (aunque su altura deberá ser menor de media longitud de onda).

Cavidad prismática rectangular:

Donde u, v y w son números Naturales y c es la velocidad de las ondas electromagnéticas.

EJEMPLOS:

Para un circuito LC que oscile de 15 MHz a 30 MHz, el C deberá ser de 678 pF a 169 pF, y la L de 166 nHy...

Yo reemplazaría el capacitor variable por un diodo varicap BB212 y construiría la L así(ajustando su valor haciéndola más o menos larga, variando el parámetro donde dejé la flecha):

Para una cavidad electromagnética prismática rectangular que oscile a 12 GHz, pondría en la ecuación todos los números naturales iguales a 1, y me daría cuenta que si la construyo de 1cm x 2cm x 3cm, lograría mi objetivo.

Si alguien se fija, ésto me dará 17,5 GHz... es que siempre hay que calcularla para una frecuencia mayor, ya que se lleva luego al valor deseado moviendo un tornillo(que hay que instalar roscando una de las caras), que aumenta el valor capacitivo para su ajuste exacto.

Nota: el tema con las cavidades, es...  lo que más molesta es meter y sacarles energía, es irritante... no solo porque uno debe elegir bien entre usar un dipolo magnético, eléctrico(y donde ponerlos), o soldarles adecuadamente algo aprovechando el camino de la corriente superficial en sus caras... sinó que, por ej. las ondas electromagnéticas viajeras que uno está tratando de capturar, pueden tener polarización circular(derecha o izquierda)... para lo cual, antes deberá reflejarse una porción de ellas(con un ladrillo de teflón, o si la onda es demasiado débil, con una lengüeta interna dentro de la guía de ondas que la inyecta dentro de la cavidad) y luego al ser sumada a las no reflejadas, lograr una polaridad plana.

Nota 14:   EL ELECTROBOSCOPIO...

-Lograremos emitir hermosos destellos  breves de luz.

Parte de la radiación visible(la mas intensa), que se produce en una explosión nuclear, es producida por la circulación de electrones a través del gas Xenón generado.

Se consiguen bulbos de gas Xenón de muchas formas y tamaños... el principio de funcionamiento es el mismo.

El gas encerrado no es conductor, pero se volverá un excelente transmisor de corriente eléctrica, al ser polarizado con respecto a uno de sus electrodos.

Debido a que mientras el gas permanezca polarizado, conduce con muy baja resistencia, será necesario limitar la corriente que lo atraviese... y hacer que luego de un momento, cese totalmente, para anular su estado polarizado(mientras conduzca seguirá polarizado aún interrumpida la tensión de polarización).

Recordar calcular los valores de C y R de tal manera que el capacitor logre alcanzar la carga también a la máxima frecuencia de trabajo...

Ahora que alimentamos correctamente al tubo, deberemos descargar un capacitor cargado a través de una resistencia, en el primario de un transformador de alta tensión: de 311 V a 4000 V... para lograr polarizar el gas y que nuestro otro capacitor se descargue a lo largo de todo el tubo.

El triac descargará el capacitor a través del primario del transformador, cuando en la compuerta haya la tensión adecuada con respecto al terminal 2 de dicho semiconductor.

Uso esta configuración, para lograr también que luego del disparo, baje tanto la tensión entre el terminal 1 y 2 del triac, que logre abrirse para permitir la carga y posterior nueva descarga del capacitor...

Fin nota 14

Nota 15:

Es simplemente una mejora para los tubos de Xenón comerciales.

En lugar de colocar el metal o metalizado polarizador, a la altura del cátodo(contacto negativo), encontré una zona ideal para hacerlo, y lo muestro en la siguiente figura:

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