N º 1 1 2
Di rec tor de la Colección Club Saber Electrónica Ing. Ho ra cio D. Va lle jo
Jefe de Redacción Pablo M. Dodero
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Club Sa ber Elec tró ni ca. Fe cha de pu bli ca ción: julio 2014. Pu - bli ca ción men sual edi ta da y pu bli ca da por Edi to rial Quark, He rre ra 761 (1295) Ca pi tal Fe de ral, Ar gen ti na (005411- 43018804), en con jun to con Sa ber In ter na cio nal SA de CV, Av. Moc te zu ma Nº 2, Col. Sta. Ague da, Eca te pec de Mo re - los, Mé xi co (005255-58395277), con Cer ti fi ca do de Li ci tud del tí tu lo (en trá mi te). Dis tri bu ción en Mé xi co: REI SA de CV.
Dis tri bu ción en Ar gen ti na: Ca pi tal: Car los Can ce lla ro e Hi - jos SH, Gu ten berg 3258 - Cap. 4301-4942 - In te rior: Dis tri bui - do ra Ber trán S.A.C. Av. Vé lez Sárs field 1950 - Cap. – Dis tri - bu ción en Uru guay: Ro de sol SA Ciu da de la 1416 – Mon te vi deo, 901-1184 – La Edi to rial no se res pon sa bi li za por el con te ni do de las no tas fir ma das. To dos los pro duc tos o mar cas que se men cio nan son a los efec tos de pres tar un ser - vi cio al lec tor, y no en tra ñan res pon sa bi li dad de nues tra par - te. Es tá pro hi bi da la re pro duc ción to tal o par cial del ma te rial con te ni do en es ta re vis ta, así co mo la in dus tria li za ción y/o co mer cia li za ción de los apa ra tos o ideas que apa re cen en los men cio na dos tex tos, ba jo pe na de san cio nes le ga les, sal vo me dian te au to ri za ción por es cri to de la Edi to rial.
ContinuamoslaseriedelibrosdelClub SaberElectrónica, estaveznosdedicaremosalaudio.
Esporesoqueincluimosenestaobratodoloreferente al audio,desdeelprincipio,paraquecualquierpersonaqueten- ga,ono,conocimientosdeelectrónicapuedaentenderlo.
Veráenelcapítulo1:quéeselsonido,cómosedesplazan lasondassonoras,período,frecuencia,paraluegoseguircon los modelos clásicos de amplificadores, las configuraciones circuitalesbásicasendonde,atravésdealgunasfórmulasno muy complicadas, aprenderá a calcular diferentes tipos de amplificadoressegúnlautilidadparalacualustedlonecesite.
Segúnlasdistintasconfiguraciones,existenvariasformasde polarizar un transistor con susventajas y desventajas, apren- derá también a calcular capacitores de paso y verá los dife- rentestiposdeacoplamientosentreetapas.
En el capítulo 3 damos una explicación de qué son los preamplificadoresysuscircuitosderivados,comosercontro- les de tono, qué es realimentación negativa, realimentación multietapa,elsistemaBaxendall,filtros,controlesdevolumeny balance,entradas,ecualización.Veráluegoetapasdesalida, parlantes obocinas comoles llaman en México,su construc- ción, clasificación, características técnicas, cajas acústicas, construcciónydetallesdediferentesdiseñosysuarmado.
Parafinalizar,publicamosdiferentesmontajesrelacionados conelaudioyquecreemosleserándeutilidad:unmezclador de audio expansible, un preamplificador universal, un ecuali- zadorde3bandasyunmedidordepotenciadeaudio.
No se pierda el próximo número de la colección del Club S.E.
¡¡¡Hastalapróxima!!!
IngHoracioD.Vallejo
ISBN Nº: 987-1116-60-8
Frecuencia ...4
Curva umbral...6
Curva de sensación dolorosa...6
La cadena audiofrecuente...7
MODELOS CLASICOS DE AMPLIFICADORES...9
Configuraciones circuitales básicas...9
El amplificador emisor común ...10
El amplificador colector común ...15
Resumen sobre polarización...15
Recta estática de carga ...16
Recta dinámica de carga...18
Acoplamiento interetapas...21
Acoplamiento por transformador ...23
Acoplamiento directo ...24
PREAMPLIFICADORES...27
Controles de tono ...27
Controles de tono pasivos ...28
Realimentación negativa ...31
Realimentación multietapas ...33
Realimentación en controles de tono. Sistema Báxendall...34
Filtros ...35
Controles de volumen y balance ...37
Preamplificadores...38
Ecualización ...40
Ecualizador de discos...41
Red de ecualización para fonocaptor cerámico o a cristal ...42
Respuestas en frecuencia...43
Elasticidad ...43
Separación de canales...43
Fuerza de apoyo ...43
Tensión de salida ...43
Diferencia entre canales ...43
EtAPAS DE SALIDA...45
Sistema Quad...55
PARLANtES y CAjAS ACúStICAS ...57
Constitución de los parlantes...57
Clasificación de los parlantes...57
Parlantes dinámicos...57
Imán permanente y yugo...58
Bobina móvil...58
Cono o diafragma...58
Suspensión interna del cono, o araña ...59
Suspensión externa del cono ...59
Campana o cuerpo principal...59
Cables de conexión a la bobina móvil - Polarización ...59
Tapa de retención del polvo...60
Principio de funcionamiento de un parlante dinámico...60
Parlantes electrostáticos ...61
Parlantes piezoeléctricos ...62
Otros tipos de parlantes...62
Auriculares ...62
Características técnicas...63
Impedancia ...63
Resistencia de la bobina móvil...64
Respuesta en frecuencia ...64
Frecuencia de resonancia...64
Directividad...65
Potencia máxima y mínima del parlante ...65
Parlantes para tonos graves ...65
Parlantes para tonos medios ...66
Parlantes para tonos agudos ...66
Filtros divisores de frecuencia...67
Baffles o cajas acústicas...71
Baffles infinitos ...71
El radiador pasivo...75
Construcción de baffles...75
Bocinas...76
E
l so ni do es una for ma de ener gía que se trans mi te des de el cuer po que la irra dia a tra vés del me dio que lo cir cun da, en for ma de on das de pre sión.Has ta el si glo pa sa do, pa ra es cu char mú si ca era ne ce sa rio dis po ner de los eje cu tan tes en el lu gar, por lo que la bue na mú si ca era ca ra y obli ga ba a asis tir a fun cio nes es pe cia les en tea tros pa ra tal pro pó si to.
Nues tra “Era Téc ni ca” per mi tió am pliar y ge ne ra li - zar es ta po si bi li dad. Al re de dor de 1878, Tho mas Al - va Edi son in ven tó el apa ra to que hoy lla ma mos “fo - nó gra fo” que pue de con si de rar se co mo el pun ta pié ini cial de los sis te mas de re gis tro y re pro duc ción del so ni do.
El avan ce de la téc ni ca ha si do tal, que en la ac tua - li dad son muy po cos los ho ga res que no cuen tan con apa ra tos de gra ba ción y/o re pro duc ción del so ni do (gra ba do res, to ca dis cos, cen tros mu si ca les, CDs, etc.).
Co mo una pri me ra apro xi ma ción po dría mos de fi - nir el so ni do co mo el mo vi mien to vi bra to rio de los cuer pos que es trans mi ti do a tra vés de un me dio elás - ti co co mo el ai re, en for ma de on das de pre sión; no - te mos que no só lo los ga ses si no tam bién lí qui dos y só li dos trans mi ten el so ni do. En los só li dos la pro pa - ga ción de las on das se rea li za en am bas di rec cio nes, es de cir, lon gi tu di nal y trans ver sal men te.
Co mo fe nó me no fí si co, el so ni do pue de de fi nir se co mo la per tur ba ción pro du ci da por un cuer po que es tá vi bran do den tro de un me dio y que pue de iden - ti fi cár se lo por su ce si vas va ria cio nes de pre sión que pro vo can la ge ne ra ción de las de no mi na das “On das So no ras” que se pro pa gan a tra vés de es te me dio
trans por tan do ener gía a una de ter mi na da ve lo ci dad.
Por lo tan to, “so ni do” es el mo vi mien to vi bra to rio pro du ci do por un cuer po y “sen sa ción so no ra” -no con fun dir- es el efec to que pro du ce una on da so no ra en el ór ga no au di ti vo.
¡Aten ción! pa ra la pro duc ción de un so ni do no só - lo es ne ce sa rio que un cuer po vi bre, si no que ha ce fal ta un me dio ma te rial que per mi ta la pro pa ga ción de la on da so no ra. Qui zás es to úl ti mo pue da pa re cer ex tra ño, pe ro se de mues tra fá cil men te co lo can do una ra dio den tro de una cam pa na de vi drio. Si en el in te - rior de la cam pa na hay ai re, des de el ex te rior se es - cu cha rá el so ni do emi ti do por la ra dio, aun que un po - co ate nua do (fi gu ra 1-a). Qui te mos aho ra el ai re con - te ni do en el in te rior del re ci pien te; no ta re mos que el so ni do de ja de per ci bir se ya que de ja de exis tir el me dio de trans mi sión del so ni do: “el ai re” (fi gu ra 1- b).
Con si de re mos aho ra una re gla de acrí li co co mún de las que usan los es tu dian tes, a la que su je ta mos con tra el bor de de una me sa, con la ma no (fi gu ra 2).
Con la otra ma no do ble mos la re gla ha cia arri ba o ha cia aba jo y sol té mos la; in me dia ta men te per ci bi re - mos un so ni do (fi gu ra 3).
Vea que el me dio que en vuel ve a la re gla es el ai - re, tal que al pa sar la re gla de la po si ción 1 a la 2, com pri me el ai re que se en cuen tra en ci ma y en ra re - ce (de pre sio na) el ai re que se en cuen tra por de ba jo.
Des de la po si ción 2 a la 3 el ca mi no re co rri do es in - ver so y la si tua ción se in vier te (se com pri me el ai re por de ba jo de la re gla y se ex pan de el que se en cuen - tra por arri ba).
E l S onido
Figura 1
To dos los pun tos del re co rri do de la re gla ex pe ri - men ta rán va ria cio nes al ter na ti vas de pre sión que se pue den re pre sen tar co mo una on da se noi dal, tal co - mo se ob ser va en la fig. 4.
El lec tor ya ha brá no ta do que la se ñal di bu ja da tie - ne for ma de on da se noi dal, la cual se ca rac te ri za con va rios pa rá me tros, co mo ser: pe río do, am pli tud de pi co, am pli tud de pi co a pi co, va lor ins tan tá neo, fre - cuen cia, etc.
Pa ra fa ci li tar el es tu dio re cor de mos la de fi ni ción de ca da uno de es tos pa rá me tros:
Amplituddelavibraciónovalordepico Es la dis tan cia que exis te en tre el pun to en que la re gla al can za la má xi ma elon ga ción y la po si ción ini cial de la mis ma (dis tan cia en tre los pun tos 1 y 2 de la fi gu ra 5).
Amplitudpicoapicodelavibración
Es la dis tan cia que exis te en tre los pun tos en que la re gla al can za las má xi mas elon ga cio nes en am bos sen ti dos.
Amplitudinstantánea
Es la am pli tud que al can za el mo vi mien to de la re - gla en un ins tan te de tiem po de ter mi na do res pec to del va lor de re po so.
Período
Es el tiem po em plea do por la re gla en com ple tar un ci clo; se lo de sig na con la le tra T.
Frecuencia
Es la in ver sa del pe río do; es de cir, es la can ti dad de ci clos que com ple ta la re gla en la uni dad de tiem - po, y se la de sig na con la le tra f.
1 f = ––––––
T
El so ni do se pro pa ga con ve lo ci dad cons tan te, la cual só lo de pen de del me dio en que se des pla za.
Es to quie re de cir que la lon gi tud de on da de una se ñal que se des pla za en el tiem po de pen de rá del me - dio y se cal cu la co mo:
l = Ve lo ci dad de Pro pa ga ción x Pe río do
Re cuer de que pa ra una on da elec tro mag né ti ca, por ejem plo, la lon gi tud de on da se cal cu la co mo:
V
l = –––––––– = V x T f
don de V es la “ve lo ci dad de la luz”y co rres pon de a la ve lo ci dad de des pla za mien to de di chas on das (la luz es co mo una ga ma de on das elec tro mag né ti cas que po de mos per ci bir con los ojos).
Figura 4
Figura 5
Figura 3
den te ner o no ca rác ter mu si cal, mien tras que los so - ni dos ape rió di cos (que no se re pi ten) son ge ne ral - men te ca ta lo ga dos co mo rui dos.
Los so ni dos pe rió di cos se ca rac te ri zan por su to no, por su tim bre y por su in ten si dad.
El to no au men ta cuan do se pa sa de los so ni dos gra ves (ba jas fre cuen cias) a los so ni dos agu dos (al - tas fre cuen cias). De es ta ma ne ra, el to no de un so ni - do que da de ter mi na do por su fre cuen cia, pe ro mu - chas ve ces el so ni do no es pu ro y es tá com pues to por más de una se ñal de dis tin tas fre cuen cias. En ese ca - so el to no que da de ter mi na do por la fre cuen cia del so ni do fun da men tal.
Así, por ejem plo, si se co lo ca un fle je de ma de ra so bre una rue da den ta da que es tá gi ran do (es el ca so de las “ma tra cas” uti li za das en los fes te jos de car na - val), tal co mo se gra fi ca en la fi gu ra 6, el to no del so - ni do emi ti do por el con jun to de pen de rá de la ve lo ci - dad de gi ro de la rue da, ya que si gi ra a ma yor ve lo - ci dad, el fle je gol pea rá con tra los dien tes de la rue da ma yor can ti dad de ve ces por se gun do, y el so ni do ten drá un to no más agu do (au men tó la fre cuen cia de los gol pes).
En ge ne ral, el oí do hu ma no no en tre na do no es tá ca pa ci ta do pa ra dis tin guir va ria cio nes muy pe que ñas en el to no de un so ni do, y mu cho me nos sa ber cuál es la fre cuen cia de la se ñal que le dio ori gen, si bien pue de de du cir si se tra ta de una se ñal de ba ja fre - cuen cia o al ta fre cuen cia.
Por es ta ra zón, en mú si ca no se ha bla de fre cuen - cia, si no de “in ter va lo”, adu cien do a las re la cio nes en tre fre cuen cias; las “no tas mu si ca les” po seen fre - cuen cias ca rac te rís ti cas y un gru po de sie te no tas ocu pan un in ter va lo mu si cal. Ver tabla 2.
Así, por ejem plo, si en un in ter va lo mu si cal el “la”
po see una fre cuen cia de 440Hz, en el in ter va lo si - guien te el “la” emi ti do ten drá el do ble de fre cuen cia, es de cir, 880Hz.
Se es tu dia rá más ade lan te que a es te in ter va lo se lo de no mi na OC TA VA MU SI CAL. Pe ro nos po de mos ha cer la si guien te pre gun ta:
- ¿có mo es que la mis ma no ta eje cu ta da por un vio lín pro du ce una sen sa ción so no ra dis tin ta de la de un pia no?
Las dos no tas ten drán el mis mo to no pe ro cau san dis tin ta im pre sión a nues tros oí dos, ya que se dis tin - gui rán por el “tim bre”.
El tim bre de un so ni do que da de ter mi na do por la can ti dad de ar mó ni cas que acom pa ñan a un so ni do fun da men tal cuan do és te es emi ti do y tam bién por la am pli tud de esos ar mó ni cos. Por ejem plo, una se ñal se noi dal de 1000Hz no se es cu cha rá igual que una on da cua dra da de igual fre cuen cia ya que la pri me ra es una se ñal pu ra mien tras que la on da cua dra da, co - mo sa be mos, po see mu chas ar mó ni cas im pa res de la fun da men tal (vea la fi gu ra 7).
Se di ce que un so ni do es ri co en ar mó ni cas cuan - do va acom pa ña do has ta la 6a ó 7a ar mó ni ca con am - pli tu des apre cia bles.
Si po see ma yor can ti dad de ar mó ni cas (más agu - dos) el so ni do se tor na muy ás pe ro. Ade más, los so - ni dos con ar mó ni cas im pa res (co mo la on da cua dra - da) re sul tan agra da bles, mien tras que don de pre do - mi nan las ar mó ni cas pa res (co mo la on da trian gu lar) re sul tan de sa gra da bles.
Dos per so nas se dis tin guen por su tim bre de voz, pues si bien pue den de cir lo mis mo con to nos pa re - ci dos, la sen sa ción so no ra es dis tin ta en am bos ca - sos.
Cuan do Ud. ha bla por te lé fo no su voz tien de a de - for mar se, ya que si bien se pue de en ten der per fec ta -
Figura 6
tA BlA i
Velocidades que adquieren las ondas acústicas en distintos medios
medio velocidad
Aire frío (0°C) 331 m/seg
Aire moderado (25°C) 343 m/seg Hidrógeno frío (0°C) 1290 m/seg
Agua de río 1450 m/seg
Agua de mar 1504 m/seg
Si un so ni do vie ne acom pa ña do por una se ñal que no es ar mó ni ca de la fun da men tal, se in ter pre ta rá co - mo “rui do” ya que la sen sa ción so no ra se rá de sa gra - da ble. La in ten si dad de las on das so no ras de ter mi nan las ma yo res o me no res pre sio nes y de pre sio nes que la on da pro vo ca so bre los tím pa nos de nues tros oí - dos.
Si vol ve mos al ca so en que vi bra ba la re gla su je ta por un ex tre mo, cuan do au men ta la am pli tud de las vi bra cio nes, au men ta rá la ener gía trans por ta da por la on da so no ra y ma yor se rá la in ten si dad del so ni do.
“Se di ce que un so ni do es más in ten so cuan to ma - yor sea la ener gía trans por ta da por la on da so no ra”.
La in ten si dad mí ni ma de so ni do ca paz de ser re - pro du ci da por el oí do hu ma no es de 10-16 watt/cm2 o, lo que es lo mis mo 0,0002 di na/cm2. A es ta in ten - si dad mí ni ma se la lla ma UM BRAL AU DI TI VO IN - FE RIOR o IN TEN SI DAD UM BRAL, ya que es el
“um bral” en tre las se ña les que se es cu chan, y las que no se es cu chan y se la de sig na co mo Wo (Wo = 10- 16 watt), vea la fi gu ra 8.
Se de be te ner en cuen ta que la res pues ta del oí do no es li neal con la po ten cia, si no lo ga rít mi ca; es to quie re de cir que, si asig na mos el va lor “1” co mo sen sa ción so no ra a una po ten cia 10 ve ces su pe rior a la de um bral (10Wo), pa ra que el oí do hu ma no re - con coz ca el do ble de la sen sa ción so no ra ini cial ha - ce fal ta apli car una po ten cia de 100Wo. Vea la tabla 3.
Es to quie re de cir que, pa ra ob te ner un au men to uni ta rio de la sen sa ción au di ti va, se de be au men tar la
Curvaumbral
El oí do no res pon de de la mis ma ma ne ra pa ra to - das las fre cuen cias.
Se di ce que el oí do me dio hu ma no re co no ce se ña - les com pren di das en tre 40Hz y 16000Hz pe ro se ha con ve ni do en se ña lar que el es pec tro au di ble va de 20Hz a 20kHz. Asi mis mo, la in ten si dad um bral es dis tin ta pa ra to das las fre cuen cias. Por ejem plo, el oí do res pon de me jor a las de no mi na das fre cuen cias me dias (en tre 800Hz y 4500Hz apro xi ma da men te).
He mos di cho an te rior men te, (y gra fi ca do en la fi - gu ra 8) que la in ten si dad um bral era de Wo = 10-16 watt/cm2. Es ta in ten si dad se da pa ra una fre cuen cia de 1000Hz.
Pa ra 100Hz la in ten si dad um bral ron da el va lor Wo’ = 10-12 watt/cm2 ; es de cir, se re co no ce re cién cuan do la po ten cia es 10000 ve ces ma yor que la mí - ni ma po ten cia au di ble pa ra 1000Hz.
Los va lo res de po ten cia mí ni ma re co no ci ble pa ra ca da fre cuen cia se dan en una CUR VA DE IN TEN - SI DAD UM BRAL que abar ca to do el es pec tro au di - ble. Así, por ejem plo, pa ra una fre cuen cia de 500Hz la in ten si dad um bral es de 10-14 watt/cm2; es de cir, só lo se es cu cha rán los to nos de 500Hz por en ci ma de esa po ten cia. Idén ti co aná li sis pue de efec tuar se pa ra cual quier otra fre cuen cia.
Curvadesensacióndolorosa
La cur va de in ten si dad um bral de ter mi na el ni vel mí ni mo de in ten si dad re co no ci ble por el oí do hu ma - no pa ra dis tin tas fre cuen cias. Si se au men ta la po ten - cia del so ni do lle ga un mo men to en que pro du ce una sen sa ción de do lor. La CUR VA DE SEN SA CION DO LO RO SA de ter mi na el lí mi te, pa sa do el cual, el so ni do pro du ce una sen sa ción de do lor en nues tros oí dos (tal co mo se pue de apre ciar en la fi gu ra 9). Co - mo se ob ser va, la zo na del grá fi co en ce rra da por las cur vas de in ten si dad um bral y sen sa ción do lo ro sa, tA BlA ii
Figura 7
de ter mi na el ni vel que pue den to mar los so ni dos de dis tin tos to nos pa ra que pue dan es cu char se por el oí - do hu ma no sin in con ve nien tes.
Se ve en el grá fi co que pa ra un so ni do de 1000Hz la in ten si dad do lo ro sa (Wd) es de 10-4 watt/cm2 (lue go se es tu dia rá que co rres pon de a 120dB). Se de -
be de du cir en ton ces que una pre sión de 1 watt/cm2 con una fre cuen cia de 1000Hz pro vo ca rá le sio nes muy gra ves en el oí do.
Lacadenaaudiofrecuente
El so ni do pue de con ver tir se en una co rrien te eléc - Figura 9
Figura 9 Figura 8
tri ca. Lla ma mos trans duc to res elec troa cús ti cos a los dis po si ti vos ca pa ces de con ver tir una se ñal eléc tri ca en un so ni do. Así, el mi cró fo no es un trans duc tor que con vier te la ener gía so no ra en co rrien te eléc tri ca.
Pa ra que el trans duc tor sea útil de be pro por cio nar una sa li da que re pre sen te una ré pli ca exac ta de la on - da que lo es tá ex ci tan do. La al tu ra o am pli tud de la se ñal eléc tri ca re pre sen ta la in ten si dad del so ni do; la fre cuen cia re pre sen ta el to no y la for ma de on da, el tim bre. Es tos tres ele men tos de ben co rres pon der se en tre sí.
Ob te ni da la co rrien te eléc tri ca co mo una ré pli ca exac ta de la on da so no ra que le dio ori gen, el so ni do pue de am pli fi car se, gra bar se y re pro du cir se por me - dios eléc tri cos y elec tró ni cos.
Los pro ce sos que su fre la se ñal des de su con ver - sión en co rrien te eléc tri ca has ta la re pro duc ción por me dio de par lan tes u otros re pro duc to res elec troa - cús ti cos se lle va a ca bo en la de no mi na da “CA DE - NA AU DIO FRE CUEN TE”.
Si con si de ra mos un dis co fo no grá fi co co mo el me - dio de gra ba ción de la co rrien te eléc tri ca co rres pon - dien te al so ni do que le dio ori gen, el pri mer es la bón de la ca de na au dio fre cuen te se rá un mi cró fo no; lue -
pa ra que pue dan gra bar se mu chos dis cos se gún la in - for ma ción al ma ce na da en la cin ta. Pos te rior men te, una ca be za lec to ra trans mi ti rá la se ñal de au dio a una púa es pe cial de no mi na da “es ti lo gra ba dor”. Di cha púa va ca van do un sur co en el dis co que gi ra a ve lo - ci dad cons tan te (ge ne ral men te a ra zón de 33 1/3 de re vo lu cio nes por mi nu to).
De es ta ma ne ra, en los sur cos del dis co que da gra - ba da la in for ma ción que lue go se po drá re co ger con un ca be zal re pro duc tor (fo no cap tor) ob te nien do así nue va men te una se ñal eléc tri ca que de be rá ser am - pli fi ca da y por me dio de re pro duc to res acús ti cos se con ver ti rá nue va men te en so ni do que se rá ex pul sa do al me dio am bien te.
Di ga mos, en ton ces, que la ca de na au dio fre cuen te es el “es la bón” en tre el IN TER PRE TE y el OYEN - TE y no só lo se pue de con se guir me dian te la gra ba - ción de dis cos si no tam bién me dian te una emi sión ra dio fó ni ca o por me dio de la gra ba cion de cin tas mag ne to fó ni cas.
A lo lar go de es ta obra nos ocu pa re mos de ca da uno de los ele men tos que in te gran es tas ca de nas de au dio. En úl ti ma ins tan cia, la fi na li dad que per se gui - mos es tra tar de re pro du cir un so ni do exac ta men te igual al que se pro du ce en el lu gar de ori gen, den tro de lo que per ci be el oí do hu ma no o, a ve ces, in tro du - cir le de for ma cio nes que re sul ten agra da bles al oyen - te. ********
10-13 watt (1000Wo) 3
10-12 watt (10000Wo) 4
E
n re cep to res de ra dio, am pli fi ca do res o equi - pos de au dio, etc, la se ñal in gre san te al “am - pli fi ca dor de au dio” pue de te ner una fre cuen - cia com pren di da en tre 20Hz y 20kHz. Esos equi pos se pue den cons truir a par tir de dis tin tas con fi gu ra cio - nes es pe cia les. Por ejem plo, po dría ser ne ce sa rio am - pli fi car la se ñal que en tre ga un ge ne ra dor de ba ja im - pe dan cia o la se ñal que su mi nis tra un sin to ni za dor de al ta im pe dan cia; en es tos ca sos no po dría uti li zar el mis mo am pli fi ca dor. Ade más, po dría ne ce si tar un am pli fi ca dor de co rrien te, de ten sión o de po ten cia.Exis ten dis tin tas con fi gu ra cio nes y exis ten va rias for mas de po la ri zar un tran sis tor, ca da una con sus ven ta jas y des ven ta jas.
Se di ce que un am pli fi ca dor de au dio es aquel que in cre men ta el ni vel de una de ter mi na da se ñal que po - see una fre cuen cia com pren di da den tro del es pec tro au di ble (20Hz a 20kHz). Pa ra el di se ño de un am pli - fi ca dor in te re san ca rac te rís ti cas ta les co mo la po ten - cia de sa li da, im pe dan cia de car ga, im pe dan cia de en tra da, ni vel de la se ñal de en tra da, ten sión de ali - men ta ción, etc.
Configuracionescircuitalesbásicas
Bá si ca men te, a un tran sis tor se lo pue de uti li zar en tres con fi gu ra cio nes dis tin tas, a sa ber:
a-ConfiguraciónBaseComún b-ConfiguraciónEmisorComún c-ConfiguraciónColectorComún a)ElamplificadorBaseComún Las prin ci pa les ca rac te rís ti cas son:
• Ba ja im pe dan cia de en tra da (en tre 50 ohm y 300 ohm)
• Al ta im pe dan cia de sa li da (en tre 100 ki lohm y 1 Me gohm).
• Po see al ta ga nan cia de ten sión.
• No po see ga nan cia de co rrien te.
• La se ñal de sa li da no es tá des fa sa da res pec to de la de en tra da.
En la fi gu ra 1 ve mos el cir cui to de un am pli fi ca dor ba se co mún.
Si ob ser va mos el cir cui to, la po la ri za ción del emi - sor es tal que la jun tu ra ba se-emi sor que da en di rec - ta, cons ti tu yen do así un cir cui to de muy ba ja re sis - ten cia de en tra da (dio do en di rec ta) que os ci la en tre 50 y 300 ohm, mien tras que el co lec tor que da po la - ri za do en in ver sa, lo que ha ce que la sa li da ten ga una re sis ten cia ele va da que os ci la en tre 100 kohm y 1 Mohm.
La ga nan cia de co rrien te:
Ic α = –––––– < 1
Ie
es me nor que la uni dad pe ro se ase me ja a 1; va ría en tre 0,98 y 0,999, pe ro lo que aquí im por ta es que la ga nan cia de re sis ten cia es muy gran de (apro xi ma - da men te Rs/Re = 1500) con lo cual la eta pa po see gran ga nan cia de ten sión.
Exis te una fa mi lia de cur vas que ca rac te ri zan el fun cio na mien to de ca da tran sis tor en la con fi gu ra - ción ba se co mún, y se lla man cur vas ca rac te rís ti cas pa ra co ne xión ba se co mún (o ba se a tie rra, o ba se a ma sa).
Mu chas ve ces es có mo do tra ba jar con una so la ba - te ría y pa ra ello se po la ri za al tran sis tor (fi gu ra 2).
Los re sis to res de ba se Rb y Ra dan a la ba se una po la ri za ción po si ti va res pec to de emi sor a los fi nes de que la jun tu ra BE que de po la ri za da en di rec ta mien tras que el co lec tor es po si ti vo res pec to del emi - sor. C1 es un ca mi no a ma sa pa ra la se ñal al ter na a los fi nes de ob te ner má xi ma se ñal so bre la re sis ten - cia de car ga Rc. La se ñal a la sa li da es tá en fa se con la se ñal de en tra da, pues un au men to de la ten sión de ba se pro vo ca rá un in cre men to de la co rrien te de co - lec tor y, a su vez, au men ta rá la se ñal so bre Rc que es la car ga (sa li da) del cir cui to. Ob ser ve que C1 es un cor to cir cui to pa ra co rrien te al ter na; anu la los re sis to -
M odelos C lásiCos
de A MplifiCAdores
Figura 1 Figura 2
ca en tre ba se y emi sor del tran sis tor. Aquí tam bién la po la ri za ción del tran sis tor es tal que el emi sor que da po la ri za do en di rec ta, con di cio nes im pres cin di bles pa ra que el tran sis tor fun cio ne co mo tal.
Se tra ta de un am pli fi ca dor de im pe dan cia de en - tra da mo de ra da, no muy al ta im pe dan cia de sa li da, po see ga nan cia de ten sión y co rrien te y la se ñal de sa li da es tá des fa sa da 180° res pec to de la se ñal apli - ca da a la en tra da.
Ten sión de en tra da = Ten sión Ba se-emi sor Ten sión de sa li da = Ten sión Co lec tor-Emi sor Co rrien te de en tra da = Co rrien te de Ba se Co rrien te de sa li da = Co rrien te de Co lec tor De sa rro lle mos es te te ma ana li zan do el cir cui to de un am pli fi ca dor emi sor co mún (fi gu ra 3).
La re sis ten cia de en tra da va ría con la po la ri za ción, sien do un va lor nor mal 5000 ohm, aun que pue de va - riar en tre 100 ohm y 10.000 ohm, se gún la po la ri za - ción. La re sis ten cia de sa li da es mo de ra da, es de cir, unos 50.000 ohm se gún el tran sis tor y su po la ri za - ción. Aquí la corr rien te de co lec tor se con tro la con la co rrien te de ba se, de aquí que con pe que ñas va ria - cio nes de la co rrien te de ba se se ob ten gan gran des va ria cio nes de la co rrien te de co lec tor, ra zón por la cual, ac tuan do co mo am pli fi ca dor de corr rien te, se
Ic β = –––––
Ib
Pe ro la di fe ren cia fun da men tal es que es te cir cui to (emi sor co mún) tie ne ga nan cia de co rrien te y tam - bién ga nan cia de ten sión, por lo cual se pue de te ner una ga nan cia de po ten cia que pue de lle gar a 10.000 ve ces (40dB), lo que lo ha ce muy po pu lar.
Nó te se que, si al apli car una se ñal de en tra da au - men ta la ten sión de ba se, au men ta rá la Ib, lo que ha - rá au men tar la Ic; si es to ocu rre, au men ta rá la caí da de ten sión so bre RL y, por ley de Kirch hoff, dis mi - nui rá la ten sión co lec tor-emi sor (ten sión de sa li da) pues:
Vcc = VRL + Vce
Co mo Vcc es cons tan te, si au men ta VRL de be rá dis mi nuir Vce. En sín te sis, un au men to de la se ñal de en tra da pro vo ca rá una dis mi nu ción (ma yor) de la ten sión de sa li da por lo cual hay una in ver sión de fa - se en tre en tra da y sa li da, al re vés de lo que ocu rría en un cir cui to Ba se-Co mún.
Aquí tam bién es ne ce sa rio, a los fi nes de sim pli fi - car la cons truc ción del cir cui to, po la ri zar al tran sis - tor con una so la ba te ría o fuen te de ali men ta ción y pa ra ello hay mu chas for mas de ha cer lo; una de ellas es la de no mi na da po la ri za ción fi ja, que con sis te en co lo car un re sis tor en tre ba se y ba te ría con el fin de po la ri zar la jun tu ra ba se-emi sor en di rec ta (fi gu ra 4).
Pa ra cal cu lar el va lor de la re sis ten cia de ba se, bas - ta con fi jar un va lor de co rrien te de ba se. Sa be mos que ha brá ade más, una caí da de ten sión so bre RL, que no de be ser de ma sia do al ta pa ra que el co lec tor si ga sien do po si ti vo res pec to de la ba se.
Figura 3
Figura 4
Pa ra ha cer el cál cu lo de Rb se em plea la ma lla for - ma da por Vcc, Rb y la jun tu ra BE del tran sis tor (fi - gu ra 5).
Ejemplo1
Si con si de ra mos la Vbe = 0,6V y que re mos una co rrien te de ba se de 50µA con una Vcc = 6V, la Rb de be ser de:
6V - 0,6V
Rb = –––––––––––– = 108.000Ω 50 x 10-6 A
Un va lor co mer cial que se ase me je a es te va lor es 100 kohm: por lo tan to, adop ta mos una Rb = 100 kohm.
Es fá cil no tar que, pa se lo que pa se, la Ib per ma ne - ce cons tan te fren te a va ria cio nes de tem pe ra tu ra o por cam bios de tran sis tor, pues pa ra to dos los tran - sis to res Vbe = 0,6V (Si) o Vbe = 0,2V (Ge) apro xi - ma da men te.
Ic Se gún lo es tu dia do: β = –––––
Ib Con lo cual: Ic = β . Ib
Ocu rre que to dos los tran sis to res “no” son igua les y su b pue de va riar por cam bios de tem pe ra tu ra (ade - más de va riar en tre tran sis to res), con lo cual, si es fun da men tal que Ic no va ríe, ten dría que cam biar el
va lor de Rb ca da vez que se cam bia de tran sis tor, lo que com pli ca el aná li sis.
Es to ha ce que la po la ri za ción fi ja no sea la más ade cua da, ya que es ines ta ble fren te a cam bios de tran sis to res y fren te a va ria cio nes de tem pe ra tu ra, por lo que re sul ta im po si ble man te ner fi ja la co rrien - te tí pi ca de co lec tor.
Pa ra so lu cio nar en par te es te pro ble ma, se uti li za la po la ri za ción au to má ti ca que con sis te en co nec tar el re sis tor Rb en tre ba se y co lec tor, que cum ple la fun ción de “sen sar” la ten sión en tre co lec tor y ba se pa ra po la ri zar a és ta. Es de cir, exis te una rea li men ta - ción des de el co lec tor ha cia la ba se (rea li men tar sig - ni fi ca to mar una mues tra de al gu na par te del cir cui - to y en viar la a otra par te del cir cui to con el fin de va - riar al gu na ca rac te rís ti ca del mis mo). La po la ri za - ción au to má ti ca, aun que tie ne la des ven ta ja de dis - mi nuir la ga nan cia del am pli fi ca dor, me jo ra al gu nas fa llas de la po la ri za ción fi ja (fi gu ra 6).
Pa ra cal cu lar el va lor de Rb de be mos sa ber cuál es el va lor de ten sión que pre ten de mos que exis ta en co lec tor y cuál es la co rrien te que cir cu la rá por la ba - se.
Ana li zan do el cir cui to y apli can do Kirch hoff pue - de de du cir se que:
Vce - Vbe Rb = ––––––––––
Ib Ejemplo2
Si se de sea te ner una ten sión en tre co lec tor y emi sor Vce = 4V con una co rrien te de ba se de Ib = 50µA, de be - mos co lo car una Rb (fi gu ra 7), que se cal cu la:
4U - 0,6U
Rb = –––––––––––– = 68.000Ω 50 x 10-6A
Ca sual men te, es ta vez el va lor cal cu la do pa ra Rb
= 68 kohm coin ci de con un va lor co mer cial.
Pa ra cal cu lar la po la ri za ción de un cir cui to con po - la ri za ción au to má ti ca, se de be re cu rrir al cir cui to de en tra da (fi gu ra 8).
Se de du ce que:
Vcc = VRc + VRb + Vbe Figura 5
Figura 6
Figura 7
VRb = Ib . Rb
Lue go:
Vcc = Ic . Rc + Ib . Rb + Vbe Reem pla zan do la re la ción:
Ic Ic
Ib = ––––– Vcc = Ic . Rc + –––– . Rb + Vbe
β β
Si se tra ba ja ma te má ti ca men te, se lle ga a:
Vcc-Vbe Ic= –––––––––––––(1)
Rb Rc+–––––
β
En la fór mu la de cál cu lo de Ic se ve que aho ra el β no in flu ye tan to so bre el va lor de la co rrien te de co - lec tor, ra zón por la cual no hay gran des va ria cio nes de Ic con la tem pe ra tu ra o por cam bios del tran sis tor.
Aun que la va ria ción de β sea gran de de bi do a que se cam bió el tran sis tor o hu bo una va ria ción de tem pe -
Cal cu lar la po la ri za ción (fi gu ra 9).
Q es un tran sis tor de si li cio (Vbe = 0,6 V) que po - see un β = 200.
Apli car la fór mu la (1): ver fórmula 1a, más abajo.
Su pon ga mos que hay una va ria ción del 50% del β por cual quier cau sa, lo que lo lle va a un va lor β’ = 300, nos pre gun ta mos, ¿va ria rá mu cho la co rrien te de co lec tor?
Pa ra apla car du das, cal cu le mos el nue vo va lor de Ic. Ver fórmula 2a, más abajo.
Se pue de com pro bar en ton ces, que una va ria ción del 50% en el va lor del β pro vo ca, en es te ca so, una va ria ción in fe rior al 5% en la co rrien te del co lec tor, lo que in di ca que ha au men ta do la es ta bi li dad del cir - cui to.
En es te cir cui to la rea li men ta ción ne ga ti va tam - bién es ta rá pre sen te pa ra la se ñal al ter na que de sea - mos am pli fi car; es
de cir, exis te una dis mi nu ción en la ga nan cia del cir - cui to, pe ro la es ta - bi li dad lo gra da com pen sa am plia - men te es ta pe que - ña des ven ta ja ya
Figura 9
12V - 0,6V 12V - 0,6V 11,4V
Ic = –––––––––––––––––––––– = –––––––––––––––– = –––––––––––– = 8,7mA 22.000Ω
––––––––––– + 1.200Ω 110Ω + 1.200Ω 1310Ω
200
Fórmula 1a
Vcc - Vbe Ic = –––––––––––––
Rb Rc +–––––
Fórmula 2a
que, con el pre cio ac - tual de los tran sis to res, si ne ce si ta mos ma yor ga nan cia, siem pre po - de mos re cu rrir a más eta pas en am pli fi ca - ción.
Co mo ve mos, lo gra - mos es ta bi li dad tér mi - ca ba jan do la ga nan cia del sis te ma.
Si con si de ra mos des pre cia ble la co rrien te de ba se fren te a la co rrien te de co lec tor, po de mos cal cu lar la ten sión co lec tor-emi sor de la si guien te ma ne ra (fi gu - ra 10):
Vcc = VRc + Vce
Co mo Ic» Ib; tra ba jan do ma te má ti ca men te:
Vce = Vcc - Ic . Rc Vcc-Vbe Vce=Vcc-–––––––––– .Rc
Rb Rc+–––––
β
Apli can do es ta fór mu la al ejem plo que he mos ana - li za do, po dre mos co no cer cuán to va le la ten sión co - lec tor-emi sor.
Vce = 12V - 8,7mA . 1,2kΩ =1,56V
La ba ja ten sión Vce in di ca que el tran sis tor es tá ope ran do cer ca de la zo na de sa tu ra ción. Re cor de - mos que es ta zo na tie ne su lí mi te pa ra una Vce ≅ 1V.
Pa ra otras apli ca cio nes re sul ta ne ce sa rio gra duar la ga nan cia de la eta pa a vo lun tad (ga nan cia de ten sión) y ade más que el cir cui to sea tér mi ca men te es ta ble;
pa ra ello sue le uti li zar se una rea li men ta ción de co - rrien te en el cir cui to de po la ri za ción, por me dio de la co lo ca ción de un re sis tor en el emi sor del tran sis tor.
En el cir cui to así cons ti tui do cual quier au men to en la co rrien te de co lec tor por al gu na cau sa, de sa rro lla rá una ten sión so bre el re sis tor de emi sor tal que, si la ten sión de ba se per ma ne ce cons tan te, po la ri za en for ma in ver sa la jun tu ra Ba se-Emi sor que com pen sa - rá la va ria ción de la co rrien te de co lec tor.
La po la ri za ción “fi ja” de la ba se se con si gue por me dio de un di vi sor re sis ti vo.
Vea mos lo si guien te, la po la ri za ción de la ba se es Vcc . R2/(R1 + R2) o sea no de pen de de nin gún pa - rá me tro del tran sis tor.
Un au men to de Ic au men ta VRe que es la caí da so -
bre Re (ver fi gu ra 11).
Pa ra cal cu lar la co rrien te de co lec tor es ne ce sa rio co no cer el va lor de la ten sión de la ba se res pec to de ma sa y la re sis ten cia que “ve” la ba se. El cál cu lo se fa ci li ta si con si de ra mos que I1 es mu cho ma yor que Ib. Di bu jan do la ba te ría del otro la do, se com pren de - rá me jor el cir cui to de en tra da (fi gu ra 12) :
Vcc I1 = –––––––––
R1 + R2 VB = I1 . R2 Reem pla zan do:
Vcc
VB = ––––––––– . R2 (2) R1 + R2
El de sa rro llo que es ta mos ha cien do es una apli ca - ción del teo re ma de The ve nin, que di ce que cual - quier cir cui to pue de ser reem pla za do por un ge ne ra - dor de ten sión en se rie con una re sis ten cia. Apli can - do es te teo re ma al cir cui to que es tá co nec ta do en tre ba se y ma sa del tran sis tor, te ne mos que R2 es tá co - nec ta da a la ba se jun to con R1 y Vcc.
Aho ra bien, el ge ne ra dor de ten sión VB se cal cu la co mo la ten sión que cae en tre ba se y ma sa del tran - sis tor cuan do és te ha si do des co nec ta do; es ta ten sión es la que cae so bre R2 y es la VB, fór mu la (2).
En tan to la re sis ten cia de The ve nin RB la cal cu la - mos con el tran sis tor des co nec ta do y cor to cir cui tan - do la fuen te de ali men ta ción (II). Ob ser ve el cir cui to
Figura 12 Figura 10
Figura 11
de la fi gu ra re cién vis ta, don de al cor to cir cui tar la fuen te de con ti nua (Vcc) R1 y R2 que dan co nec ta - dos en pa ra le lo.
R1 . R2
RB = ––––––––– (3)
R1 + R2
En la fi gu ra 13 ve mos qué ocu rre si reem pla za mos VB y RB en el cir cui to de la fi gu ra 11.
Lo he cho no es más que una apli ca ción del teo re - ma de The ve nin pa ra sim pli fi car el cál cu lo de la co - rrien te de co lec tor.
Apli can do Kirch hoff en el cir cui to de la fi gu ra, se tie ne:
VB = VRB + Vbe + VRe VB = Ib . Rb + Vbe + Ie . Re Co mo Ic ≈ Ie
VB = Ib . RB + Vbe + Ic . Re Ic
Tam bién Ib = –––––––
β Ic
VB = –––––– . RB + Vbe + Ic . Re
VB - Vbe Ic = –––––––––––––––
RB
–––––– + Re β
Don de: VB y RB se cal cu lan por me dio de las fór - mu las (2) y (3).
Vbe = 0,2V pa ra el ger ma nio y 0,7 pa ra el si li cio.
β ga nan cia de co rrien te en emi sor co mún da do por el fa bri can te.
Pa ra que la se ñal al ter na no de sa rro lle una ten sión so bre el re sis tor Re, se co lo ca un ca pa ci tor de de sa - co ple en tre emi sor y ma sa. De es ta for ma, el ca pa ci - tor en pa ra le lo con Re de ri va la se ñal de CA a ma sa pa ra im pe dir pér di das de ga nan cia. En sín te sis, el agre ga do de Re tien de a es ta bi li zar la co rrien te de co lec tor.
Da do que ge ne ral men te Re » Rb/β, si va ría el β, Ic se man tie ne cons tan te, en ton ces hay ma yor es ta bi li - dad (fi gu ra 14).
De la mis ma for ma que he mos pro ce di do an te rior - men te, po de mos cal cu lar la ten sión Co lec tor-Emi sor apli can do Kirch hoff en el cir cui to de sa li da.
Vcc = VRc + Vce + VRe Vcc = Ic . Rc + Vce + Ic . Re Vcc = Ic (Rc + Re) + Vce Vce = Vcc - Ic (RC + Re)
Rc = 2700Ω Q= Si li cio = β = 200 Re = 120Ω
Apli can do las fór mu las vis tas:
R1 . R2 82k . 8,2k
Rb =––––––––– = ––––––––––––– = 7,45kΩ
R1 + R2 82k + 8,2k
Vcc . R2 10V . 8,2
VB =––––––––– = –––––––––––– = 0,91V
R1 + R2 82 + 8,2
VB - Vbe 0,91V - 0,7V
Ic = –––––––––– = ––––––––––––– = 1,33mA
Rb 7450Ω
Re + –––– 120Ω + –––––––
β 200
Vce = Vce - Ic (RC + Re) =
= 10V - (2700Ω + 120Ω) . 1,33mA Vce = 6,25V
El tran sis tor es tá po la ri za do con Ic = 1,33mA y Vce = 6,25V.
En sín te sis, el agre - ga do de Re pro por cio - na una es ta bi li dad adi - cio nal al cir cui to ya que per mi te sen sar la co rrien te de emi sor.
Se co nec ta un ca pa - ci tor en pa ra le lo pa ra que la co rrien te al ter na se de ri ve a ma sa por él sin pro du cir caí da de ten sión al ter na so bre Re, lo que dis mi nui ría la ga nan cia.
Exis ten otras po la ri - za cio nes pa ra la con fi -
gu ra ción emi sor co mún pe ro to das ellas bus can ma - yor ga nan cia de ten sión y au men to en la es ta bi li dad del cir cui to que son los fac to res de ter mi nan tes pa ra la elec ción del cir cui to adop ta do pa ra ca da ca so.
c)Elamplificadorcolectorcomún
En es te cir cui to la se ñal de en tra da se apli ca en tre co lec tor y ba se que, co mo sa be mos, es una jun tu ra po la ri za da en in ver sa pa ra que el tran sis tor tra ba je co rrec ta men te: de es ta ma ne ra se lo gra que la im pe - dan cia de en tra da de un tran sis tor en es ta con fi gu ra - ción sea muy al ta (re sis ten cia ele va da), mien tras que la sa li da se to ma en tre co lec tor y emi sor, sien do la im pe dan cia de sa li da bas tan te ba ja. Es ta eta pa po see una ga nan cia de po ten cia bas tan te ba ja com pa ra da con la que se pue de ob te ner en una eta pa emi sor co - mún.
La ten sión de sa li da es siem pre me nor que la ten - sión de en tra da: por lo tan to, la ga nan cia de ten sión es me nor que la uni dad. Es te cir cui to se uti li za co mo ele men to adap ta dor de im pe dan cias (fi gu ra 15).
Aco mo da mos el cir cui to pa ra po der ver lo co mo co mún men te se uti li za (fi gu ra 16).
Si au men ta la se ñal de en tra da, au men ta la co rrien - te de emi sor y por lo tan to la se ñal so bre la RC con lo cual, co mo ocu rre en la con fi gu ra ción ba se co - mún, aquí no hay in ver sión de fa se.
Resumensobrepolarización
Los tran sis to res se de ben po la ri zar pa ra que la jun - tu ra Ba se-Emi sor es té en di rec ta y la jun tu ra Ba se- Co lec tor tra ba je en in ver sa: pa ra ello se usa ge ne ral - men te la po la ri za ción por di vi sor re sis ti vo, po la ri za - ción fi ja o po la ri za ción au to má ti ca. Ca da con fi gu ra - ción tie ne ca rac te rís ti cas par ti cu la res, las cua les po - de mos sin te ti zar en la tabla 3.
Rectaestáticadecarga Figura 15
Figura 16
Los tran sis to res pue den ubi car su fun cio na mien to en una zo na de tra ba jo don de su res pues ta es li neal, una zo na de no mi na da “ZO NA DE COR TE” y una ter ce ra zo na que de ter mi na la “SA TU RA CION” del tran sis tor. Se de be es ta ble cer un pun to de fun cio na - mien to del tran sis tor den tro de su re gión ac ti va (zo - na li neal) con el ob je to de ob te ner a la sa li da del am - pli fi ca dor una se ñal ré pli ca de la de en tra da pe ro de ma yor am pli tud.
El pun to de re po so del tran sis tor, que he mos apren di do a cal cu lar pa ra las dis tin tas po la ri za cio - nes, se de be ha llar sin apli car se ñal ex ter na y se lo lla ma pun to “Q” de fun cio na mien to, pun to de re po - so o sim ple men te pun to de tra ba jo.
Ubi can do es te pun to Q so bre las cur vas ca rac te rís - ti cas de sa li da del tran sis tor y apli can do mé to dos grá fi cos se pue de pre de cir el com por ta mien to del am pli fi ca dor cuan do se le apli ca una se ñal a la en tra - da. Si la se ñal de sa li da no es fiel a la in gre san te, lo más pro ba ble es que no se ha ya ele gi do co rrec ta men - te el pun to de re po so.
Al po la ri zar un tran sis tor se de be ele gir los com - po nen tes aso cia dos (re sis to res, ali men ta ción, etc.)
con su mo cui da do, ya que el pun to Q no de be que dar en cual quier par te de la zo na ac ti va del tran sis tor. Se de be te ner en cuen ta las es pe ci fi ca cio nes da das por el fa bri can te, ta les co mo Po ten cia Má xi ma de Di si - pa ción (Pc max), Ten sión Má xi ma de Co lec tor (Vc max), Co rrien te Má xi ma de Co lec tor (Ic max), Fac - tor b de Am pli fi ca ción, etc (fi gu ra 17).
Pa ra pe que ñas se ña les, si el tran sis tor es tá bien po - la ri za do se pue de ase gu rar que la ten sión de sa li da no se rá dis tor sio na da, “pe ro no es la mis ma la ten - sión de co lec tor que la se ñal de sa li da”, ya que es ta úl ti ma no de be po seer ge ne ral men te una com po nen - te de con ti nua, ra zón por la cual se co lo can ca pa ci to - res de de sa co ple a la sa li da del cir cui to (y tam bién a la en tra da) lo que obli ga a ana li zar el cir cui to sin com po nen te con ti nua y con com po nen te con ti nua (fi gu ra 18). En es te cir cui to, la ten sión de con ti nua del co lec tor del tran sis tor no apa re ce so bre la re sis - ten cia de car ga RL a cau sa del blo queo im pues to por Cb 2 pe ro la se ñal so bre RL es una ré pli ca am pli fi - ca da de la se ñal de en tra da.
Los va lo res de los ca pa ci to res de ben ser ta les que a la fre cuen cia mí ni ma de tra ba jo no ofrez can re sis -
COMUN No Sí
50 a 300 ohm 100 k a 1 Mohm
EMISOR Baja-Moderada Moderada-Alta
COMUN Sí Sí
100 a 10.000 ohm 5k a 1 Mohm
COLECTOR Alta Baja-Moderada
COMUN Sí No
100k a 1 Mohm 100 a 1000 ohm
Figura 17 Figura 18
ten cia apre cia ble al pa so de la se ñal.
Pa ra la ubi ca ción del pun to de tra ba jo se re cu rre ge ne ral men te a mé to dos grá fi cos, uti li zan do las cur - vas de sa li da del tran sis tor en la con fi gu ra ción en que se es té uti li zan do el dis po si ti vo.
Si se co no cen los ele men tos aso cia dos a la sa li da del tran sis tor pue den cal cu lar se los re sis to res de po - la ri za ción de ba se, pre via ubi ca ción del pun to de re - po so del tran sis tor, par tien do de la de no mi na da REC TA ES TA TI CA DE CAR GA del tran sis tor (fi gu - ra 19).
Pa ra tra zar es ta rec ta so bre la fa mi lia de cur vas, se ob tie ne la ecua ción de la ma lla de sa li da del cir cui to.
Por ejem plo, en el cir cui to de un tran sis tor en emi sor co mún con po la ri za ción por di vi sor re sis ti vo se tie ne que:
Vcc = Vce + Ic (Rc + Re) (4)
En es ta ecua ción, Vcc, Rc y Re son va lo res co no - ci dos mien tras que Vce e Ic son va ria bles.
En geo me tría se es tu dia que la ecua ción (4) re pre - sen ta una rec ta y pa ra tra zar la ha ce fal ta co no cer dos pun tos de di cha rec ta. Los pun tos ele gi dos se rán:
a) Pa ra Vce = 0 de be mos cal cu lar el va lor de Ic.
b) Pa ra Ic = 0 de be mos cal cu lar el va lor de Vce.
a) Cuan do Vce = 0, de la fór mu la (4):
Vcc = 0 + Ic (Rc + Re) des pe jan do:
Vcc Ic= –––––––––
(Rc+Re) b) Cuan do Ic = 0, de la fór mu la (4):
Vcc = Vce + 0 (Rc + Re) Vcc = Vce
Es de cir, los dos pun tos ele gi dos pa ra tra zar la rec - ta se rán:
Vcc
a (Ic; Vce) ⇒ ( –––––––– ; 0) (Rc + Re) B(Ic;Vce)⇒ (0;Vcc)
Si ubi ca mos es tos pun tos so bre las cur vas de sa li - da del tran sis tor y tra za mos una rec ta que pa se por ellos, en con tra re mos la rec ta es tá ti ca de car ga del cir cui to (fi gu ra 20).
Es ta rec ta es útil por que no im por ta que va ríe la co rrien te de ba se co mo con se cuen cia de la apli ca - ción de una se ñal, los va lo res de Ic y Vce se ubi ca - Figura 19
Figura 20
Figura 21
rán so bre di cha rec ta. Ade más, co no cien do los va lo - res má xi mos de la se ñal a apli car y tras la dán do los al grá fi co se po drá cal cu lar cuá les son los va lo res co - rres pon dien tes de la co rrien te de co lec tor.
Su pon ga mos po la ri zar la ba se tal que cir cu le una co rrien te Ib*; se pue de ha llar el pun to de re po so bus - can do la in ter sec ción en tre la cur va re pre sen ta ti va de Ib2 y la Rec ta Es tá ti ca de Car ga; lue go, tra zan do rec - tas pa ra le las a los ejes de Ic y Vce se pue den co no - cer rá pi da men te los va lo res de Icq y Vcq (ten sión y co rrien te de co lec tor de re po so).
Ejemplo5:
Se de sea le van tar la Rec ta Es tá ti ca de Car ga del am pli fi ca dor del ejem plo Nº 4 (fi gu ra 21).
Vcc A) Vce = 0 ⇒ Ic = ––––––– =
Rc + Re 10V
= –––––––––––––– = 3,55mA (2.700 + 120)
B) Ic = 0 ⇒ Vce = Vcc = 10V
Co mo se ve, tra zan do una pa ra le la al eje Vcc que pa se por una Icq = 1,33mA, cor ta rá a la Rec ta Es tá - ti ca de car ga en un pun to Vceq = 6,25V que coin ci -
vo ca rá un au men to de Vce.
“No te que Vce no pue de va ler me nos de 0 volt, ni más de 10 volt.”
Rectadinámicadecarga
Se ha vis to que por mé to dos grá fi cos se pue den pre - de cir los dis tin tos va lo res de Ic y Vce que pue de to - mar un tran sis tor po la ri za do cuan do se le apli ca una se ñal de en tra da, pe ro en el ra zo na mien to no se ha te - ni do en cuen ta a la car ga que se le apli ca al cir cui to a tra vés de un ca pa ci tor. La Rec ta Es tá ti ca de Car ga es muy útil pa ra ana li zar el fun cio na mien to del cir cui to sin que a és te se le apli que se ñal, es de cir, don de se ubi ca ría el pun to de re po so si hu bie se al gún co rri - mien to de al gún pa rá me tro a cau sa de de ter mi na dos fac to res, co mo por ejem plo la tem pe ra tu ra. Ana li ce - mos el cir cui to de la fi gu ra 22.
Cuan do se apli ca una se ñal de co rrien te al ter na, C2 es un cor tocir cui to; lo mis mo ocu rre con el ca pa ci tor de de sa co ple de emi sor CE y la fuen te de ali men ta - ción (por con si de rar la co mo un ca pa ci tor car ga do de al ta ca pa ci dad). De es ta ma ne ra, el emi sor es ta rá co - nec ta do a ma sa y Rc es ta rá en pa ra le lo con la car ga RL (fi gu ra 23).
Pa ra ana li zar el com por ta mien to del cir cui to pa ra se ña les al ter nas, grá fi ca men te es ne ce sa rio cons truir una REC TA DI NA MI CA DE CAR GA que con tem - ple el pa ra le lo en tre Rc y RL y aho ra RE = 0 a cau - sa de la muy ba ja im pe dan cia que pa sa a te ner CE.
Pa ra tra zar la Rec ta Di ná mi ca de Car ga se tie ne en cuen ta el pun to de re po so del tran sis tor ya que sin se - ñal se ubi ca rá so bre di cho pun to. La téc ni ca con sis - te en tra zar una rec ta que pa se por el pun to Q con
Se tie ne un am pli fi ca dor po la ri za do en con fi gu ra - ción emi sor co mún con di vi sor re sis ti vo al que se le apli ca una se ñal de co rrien te al ter na que pro vo ca una va ria cion en la co rrien te de ba se de 10µA pi co a pi - co. Se de sea co no cer có mo cam bia rá la co rrien te de co lec tor si los da tos del cir cui to son los si guien tes (ver fi gu ra 25) :
Pa ra re sol ver es te pro ble ma uti li zan do mé to dos grá fi cos re cu rri mos a los da tos da dos por el fa bri can - te, don de ge ne ral men te en con tra mos las fa mi lias de cur vas del tran sis tor (fi gu ra 26). Es te mé to do es apli - ca ble por que con si de ra mos una pe que ña se ñal de en - tra da (ANA LI SIS PA RA PE QUE ÑAS SE ÑA LES).
Pa ra tra zar la rec ta es tá ti ca de car ga en pri mer lu - gar ob te ne mos los pun tos ne ce sa rios con los da tos del cir cui to.
a) Cuan do Vce = 0 Vcc 18V
Ic = ––––––––– = ––––––– ≈ 9,5mA Rc + Re 1920
b) Cuan do Ic = 0 Vce = Vcc = 18V
Con es tos da tos cons trui mos la rec ta es tá ti ca de car ga so bre la fa mi lia de cur vas (fi gu ra 27).
De be mos aho ra tra zar la rec ta di ná mi ca de car ga.
Pa ra ha cer lo de be mos co no cer los va lo res de Icq y Rd.
VBB-VBE Icq=––––––––––––
RB RE+–––––––
β
18V . 3,9
VBB = –––––––––– = 1,38 volt;
47 + 3,9
47 . 3,9
RB = –––––––––– = 3,6 kohm 47 + 3,9
1,38V - 0,7V
Icq = ––––––––––––– ≈ 5,27mA 3600
120Ω + –––––
400
VCEq = Vcc - Icq (Rc + Re)
VCEq = 18V - 5,2mA (1800 + 120) Ω ≈ 7,8V Rd = Rc//RL
Figura 24
Figura 25
Figura 25
Rc . RL 1800 . 4700
Rd = ––––––––– = ––––––––––– = 1300Ω
Rc + RL 1800 + 4700
Con los da tos cal cu la dos se pue de tra zar la Rec ta Di ná mi ca de Car ga (RDC) pe ro pa ra quie nes no son muy há bi les en ma te má ti cas di ga mos que co no ce - mos un pun to de la RDC que es el pun to Q (ver fi gu - ra 28), pa ra cal cu lar otro pun to di ga mos que una va - ria ción de 5,2mA en la co rrien te de co lec tor pro vo - ca rá una va ria ción de ten sión de:
∆Vce = ∆ Ic . RD (∆ sig ni fi ca “va ria ción”)
∆Vce = 5,2mA . 1,3k = 6,8V
Tra za da es ta rec ta de be mos ave ri guar qué va ria -
ción de Ic pro vo ca una va ria ción de la co rrien te de ba se de 10µA, se gún so li ci ta el enun cia do del pro - ble ma. A par tir del pun to Q di bu ja mos la se ñal has ta cor tar los pun tos de IB que co rres pon dan; lue go tra - zan do pa ra le las al eje ho ri zon tal ha lla re mos la co - rres pon dien te co rrien te de co lec tor.
Del grá fi co se de du ce que IBq = 16µA (ver fi gu ra 29).
Di bu je mos aho ra es ta se ñal so bre la fa mi lia de cur vas (fi gu ra 30).
Ob ser va mos en el grá fi co que una co rrien te de ba - se de 21µA pro vo ca una co rrien te de co lec tor del or - den de los 7,2mA y una co rrien te de ba se de 11µA ge ne ra rá una co rrien te de co lec tor de 3,4mA. Por lo tan to la co rrien te de co lec tor ten drá la for ma que mues tra la fi gu ra 31.
Del grá fi co se des pren de que la res pues ta del tran - sis tor no es li neal ya que el pi co po si ti vo de la co - rrien te en tran te es am pli fi ca do un po qui to más que el pi co ne ga ti vo. De to dos mo dos, la ali nea li dad no es tan gran de co mo pa ra que pro vo que una gran dis tor - sión. Si ana li za de te ni da men te es te ejem plo po drá com pren der que el pun to Q de be ubi car se siem pre en el cen tro de la R.E.C pa ra te ner igual ex cur sión de la se ñal en los se mi ci clos po si ti vos y ne ga ti vos.
Cál cu lo de los capacitores de paso Figura 28
Figura 30
He mos di cho que tan to los ca pa ci to res de aco pla - mien to de en tra da y sa li da, co mo el ca pa ci tor de de - sa co ple de emi sor, se de ben com por tar co mo un cor - to cir cui to pa ra la se ñal de tra ba jo. La for ma de cál - cu lo de es tos ca pa ci to res es tá ín ti ma men te li ga da con la im pe dan cia del cir cui to “que ven es tos ele - men tos” ya que el efec to re sis ti vo de be ser mu cho me nor que di cha im pe dan cia pa ra to das las se ña les que se de sean am pli fi car.
La reac tan cia de un ca pa ci tor se cal cu la co mo:
L Xc = ––––––––––
2 π . f . C
De aquí se de du ce que, en la me di da que au men ta la fre cuen cia de la se ñal tra ta da, me nor se rá el efec - to de opo si ción del ca pa ci tor al pa so de las se ña les.
Por lo tan to, el peor ca so se pre sen ta con las se ña les de me nor fre cuen cia, don de el ca pa ci tor pue de que no se com por te co mo un cor to cir cui to.
Pa ra cal cu lar el va lor del ca pa ci tor ne ce sa rio, és te de be te ner una “re sis ten cia” (en rea li dad reac tan cia) 10 ve ces me nor que el va lor de la im pe dan cia que él ve rá a la mí ni ma fre cuen cia de tra ba jo del am pli fi ca - dor. Por ejem plo, si la im pe dan cia de en tra da de un am pli fi ca dor es de 5000 ohm, el ca pa ci tor de pa so de en tra da no de be pre sen tar una reac tan cia su pe rior a 500 ohm pa ra la fre cuen cia mí ni ma de ope ra ción.
Ejemplo2
Cal cu lar el va lor del ca pa ci tor de de sa co ple de una re sis ten cia de emi sor de 100 ohm si la mí ni ma fre - cuen cia de ope ra ción del tran sis tor se rá de 20Hz.
Sa be mos que:
1 Xc =–––––––––––
2 π . f . C y que:
Re Xc = –––––––
10 lue go:
Re 1 –––– = –––––––––––
10 2 π . f . C des pe jan do:
10 Ce = ––––––––––––
2 . π . f . Re
Si que re mos dar el va lor del ca pa ci tor en µF mul - ti pli ca mos el se gun do tér mi no por 106, lue go:
107 Ce [µF] = ––––––––––––
2 . π . f . Re Reem pla zan do va lo res:
107 107
Ce [µF] = ––––––––––––––––– = ––––––––– = 6,28 . 20Hz . 100Ω 12,56 . 103 10.000
= –––––––– = 796µF 12,56
En ge ne ral el va lor de Re es ma yor, al igual que la fre cuen cia mí ni ma de ope ra ción, con lo cual el va lor Ce dis mi nu ye bas tan te. Va lo res nor ma les es tán com - pren di dos en tre 50µF y 220µF.
Del mis mo mo do se pue den cal cu lar los ca pa ci to - res de pa so (CB1 y CB2) ob te nién do se va lo res nor - ma les que os ci lan en tre 10µF y 100µF.
acoplamientosinteretapas
Pa ra co nec tar el trans duc tor de en tra da al am pli fi - ca dor, o la car ga u otra eta pa es ne ce sa rio un me dio de aco pla mien to que per mi ta adap tar im pe dan cias pa ra que exis ta má xi ma trans fe ren cia de ener gía. Los aco pla mien tos in te re ta pas más uti li za dos son:
a)acoplamientoRC
b)acoplamientoatransformador c)acoplamientodirecto
a)acoplamientoRC:
Figura 31
Es te ti po de aco pla mien to es muy uti li za do aun que con él no se pro du ce una per fec ta adap ta ción de im - pe dan cias y por lo tan to, no ha brá má xi ma trans fe - ren cia de ener gía. Se pa ra to tal men te a la se ñal de los cir cui tos de po la ri za ción (fi gu ra 32).
El re sis tor R1 pue de ser el re sis tor de car ga (o po - la ri za ción) de la pri me ra eta pa mien tras que R2 pue - de ser el re sis tor de po la ri za ción de ba se, si la se gun - da eta pa es un tran sis tor. El ca pa ci tor C de ja pa sar las se ña les al ter nas pro ve nien tes de la pri me ra eta pa y evi ta que la ten sión de po la ri za ción que de apli ca da en la en tra da de la se gun da eta pa. La ca pa ci dad del ca pa ci tor C tie ne que ser la ade cua da a las fre cuen - cias de las se ña les que se de sean am pli fi car; por ejem plo, pa ra aco plar eta pas de au dio su va lor de be ser ele va do (al gu nos mi cro fa rad) pa ra que su reac - tan cia sea pe que ña a la me nor fre cuen cia que se de - sea am pli fi car. Una ca pa ci dad pe que ña ofre ce ría una reac tan cia ele va da al pa so de las ba jas fre cuen cias, por lo que és tas que da rían ate nua das. Si se de sea aco plar eta pas am pli fi ca do ras con tran sis to res usan - do ca pa ci to res elec tro lí ti cos, la po si ción del ca pa ci - tor de pen de rá de la po la ri dad de los tran sis to res.
Vea mos un ejem plo en la fi gu ra 33. Con tran sis to res NPN la ba se es me nos po si ti va que el co lec tor; por lo tan to, el ca pa ci tor elec tro lí ti co se co nec ta con el po si ti vo del la do del co lec tor de la pri me ra eta pa.
Ge ne ral men te se uti li za un aco pla mien to con re - sis tor y ca pa ci tor en eta pas am pli fi ca do ras de au dio de ba jo ni vel. Vea mos el cir cui to de la fi gu ra 34.
Ca da eta pa tie ne su po la ri za ción, co mo ya he mos vis to, uti li zan do re sis to res de po la ri za ción, Re en emi sor y ca pa ci to res pa ra per mi tir que la co rrien te al ter na no se de sa rro lle so bre ellos. El aco pla mien to lo pro du ce el ca pa ci tor Cc jun to con R1 y Rb2, don - de R1 sir ve de car ga pa ra el pri mer tran sis tor y Rb2 su mi nis tra la po la ri za ción ne ce sa ria a la ba se del se - gun do tran sis tor.
En la fi gu ra 35 po de mos ver qué ocu rre al aco plar
tres eta pas am pli fi ca do ras me dian te re sis tor y ca pa - ci tor. Allí se ob ser va un am pli fi ca dor de tres eta pas con emi sor co mún, aco pla das por re sis tor-ca pa ci tor.
La ga nan cia óp ti ma del con jun to se ob tie ne ajus - tan do el va lor de las re sis ten cias de co lec tor. Si Rc es muy gran de, en ella ha brá una ex ce si va caí da de ten - sión que dis mi nui rá la po la ri za ción del co lec tor; por el con tra rio, si Rc es ba ja ha brá una am pli fi ca ción in su fi cien te. En es te cir cui to el pun to de fun cio na - mien to de los tran sis to res es tá da do por las re sis ten - cias Rb ya que se tra ta de un cir cui to de po la ri za ción fi ja.
En los pream pli fi ca do res de au dio de va rias eta pas (tres, cua tro o más), los tran sis to res es tán co nec ta dos en cas ca da y, de bi do a la al ta ga nan cia del con jun to, el cir cui to pue de tor nar se ines ta ble, por lo que es ne - ce sa rio de sa co plar las eta pas con el fin de evi tar una rea li men ta ción des de la sa li da ha cia la en tra da a tra - vés de la lí nea de ali men ta ción.
Vea mos el cir cui to de la fi gu ra 36 don de se agre ga un re sis tor de de sa co ple en se rie con el re sis tor de ba se del se gun do tran sis tor:
La cons tan te de tiem po R1 . C1 de be ser tal que la fre cuen cia rea li men ta da que se de be am pli fi car sea de ri va da a ma sa a tra vés de C1; ade más R1 de be ser pe que ña pa ra que el su mi nis tro de ten sión de Q1 no se re duz ca de ma sia do, con lo cual C1 de be to mar un va lor al to (100µF o más).
La fi na li dad de es te fil tro es la de com pen sar la in -
Figura 33
Figura 35
fluen cia de la im pe dan cia in ter na de la fuen te de ali - men ta ción en el aco pla mien to de im pe dan cias in te re - ta pas. En otras pa la bras, im pi de que se am pli fi que el rui do que pue de es tar mon ta do so bre se ñal, ema na da de la fuen te de ali men ta ción.
b)acoplamientoportransformador
El aco pla mien to a trans for ma dor se uti li za con el fin de ob te ner má xi ma ga nan cia de po ten cia; pa ra ello de ben adap tar se las im pe dan cias de en tra da y de sa li da del tran sis tor.
Se em plea un trans for ma dor re duc tor T1 pa ra aco - plar la en tra da del tran sis tor con lo cual, si bien hay una dis mi nu ción de la ten sión apli ca da (por ser un trans for ma dor re duc tor), hay un ma yor su mi nis tro de po ten cia ya que, por el teo re ma de má xi ma trans fe - ren cia de po ten cia, se lo gra rá trans fe rir má xi ma ener gía cuan do las par tes es tán per fec ta men te adap - ta das (igual im pe dan cia).
Pa ra adap tar la sa li da tam bién usa mos un trans for -
ma dor re duc tor ya que el par lan te po see ba ja im pe - dan cia, en con tra po si ción con la al ta im pe dan cia del co lec tor del tran sis tor. Es te T2 adap ta las im pe dan - cias de co lec tor y par lan te, per mi tien do así que la po - ten cia en tre ga da al par lan te sea má xi ma.
En es te cir cui to se tie ne una po la ri za ción por di vi - sor de ten sión, don de R1 y R2 dan la po la ri za ción ade cua da a la ba se, y Re da la es ta bi li za ción ne ce sa - ria pa ra evi tar pro ble mas por cam bios en los pa rá me - tros del tran sis tor; C1 se co lo ca pa ra evi tar que la se - ñal se ate núe so bre R1, y C2 pa ra im pe dir que la se - ñal se de sa rro lle so bre Re, así el ren di mien to del cir - cui to au men ta.
En sín te sis, un aco pla mien to a trans for ma dor per - mi te adap tar im pe dan cias y aís la ni ve les de con ti nua, pe ro po see la des ven ta ja fun da men tal de que sus ca - rac te rís ti cas va rían con la fre cuen cia, ra zón por la cual sue le dis tor sio nar (aun que muy po co) a to das aque llas se ña les que no es tán com pues tas por una so - la fre cuen cia. Ade más, es pe sa do y de gran ta ma ño;
si se quie re dis mi nuir las pér di das, el cos to au men ta con si de ra ble men te.
Pe ro el aco pla mien to a trans for ma dor po see tam - bién otras apli ca cio nes co mo ser: in ver tir la fa se de la se ñal apli ca da al bo bi na do pri ma rio, su mar o res - tar dos o más se ña les apli ca das a va rios bo bi na dos pri ma rios del trans for ma dor, etc (fi gu ra 37).
En el cir cui to, Q1 es un am pli fi ca dor de au dio po - la ri za do en cla se A (per mi te am pli fi car to da la se ñal) que de be trans fe rir su ener gía a los tran sis to res Q2 y Q3; pa ra ello se uti li za el trans for ma dor T1 co mo sis - te ma de aco pla mien to. Los bo bi na dos L2 y L3 en tre - gan la se ñal a Q2 y Q3 con fa ses opues tas. Es te sis - te ma per mi te au men tar el ren di mien to de una eta pa de au dio y es muy uti li za do en los re cep to res co mer - cia les. Re cuer de que la re la ción en tre los bo bi na dos L1-L2 y L1-L3 de be ser tal que per mi ta la adap ta - ción de im pe dan cias (fi gu ra 38).
En es te otro ejem plo, el trans for ma dor T2 re ci be la se ñal pro ve nien te de los tran sis to res Q2 y Q3. Las Figura 37
Figura 38 Figura 36
