Capacitores de acoplamiento

ContenidoINTRODUCCIÓN.........................................................................................................3

TEORÍA PREVIA..........................................................................................................3

EFECTO DE LOS CAPACITORES DE ACOPLAMIENTO...........................................7

EFECTO DE LOS CAPACITORES DE PUENTEO......................................................8

EFECTO DE LAS CAPACITANCIAS INTERNAS DE UN TRANSISTOR....................8

BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................11

INTRODUCCIÓN

Ejemplo de aplicación:

“En el caso de nuestro bio-amplificador, queremos "amplificar"

las pequeñas señales eléctricas en los nervios de la cucaracha.

Vamos a buscar una ganancia de 150 o, en otras palabras,

aumentar en 150 veces la amplitud de la señal. También

queremos limitar lo que amplificaremos, para garantizar que

sólo estemos escuchando spikes (potenciales de acción) y no

otras señales eléctricas, como los latidos del corazón, actividad

muscular, o el ruido eléctrico de tu casa. Así que, como con el

SpikerBox real, sólo queremos medir señales con componentes

por encima de 300 Hz (ciclos por segundo). Esto también se

conoce como filtro paso alto de la señal.”

(http://www.backyardbrains.cl/experiments/transistorDesign)

TEORÍA PREVIA

Supóngase el circuito que se muestra a continuación:

R1

R2

C

Vcc

vS

i

+-

Donde vS es una fuente de voltaje alterno esto es y VCC es

una fuente de voltaje directo.

Si el acoplamiento es ideal, significa que el potencial del extremo derecho

de R1 es idéntico al potencial en el terminal superior de R2. Cuando esto

se cumple, se dice que el capacitor está actuando con un acoplamiento

ideal. Para que se cumpla un acoplamiento ideal se requiere que la

reactancia del capacitor sea cero. En otras palabras, la capacitancia de C

debe ser idealmente infinita para que sin importar la frecuencia este tenga

siempre XC = 0 (recordar que ).

Otra de las funciones que realiza el capacitor en este circuito es que no

permite el paso de la señal de CD entre R1 y R2. Pues cabe recordar que el

capacitor tiene como modelo para CD un circuito abierto, mientras que

para CA el capacitor presenta una impedancia en función de la frecuencia

del voltaje que se le aplica.

La forma general de la impedancia en un circuito RC es un número

complejo, donde la parte real es el valor de la resistencia y el valor

imaginario es el de la reactancia capacitiva que presenta el capacitor:

(Impedancia en un circuito RC)

Donde:

Es la reactancia capacitiva a una frecuencia f y para una

capacitancia C.

La impedancia posee entonces una magnitud y un ángulo:

,

De esta forma, remitiéndonos al circuito, la corriente “i” esta dada por:

Observamos que “i” tiene la forma

Donde:

Para un acoplamiento ideal el capacitor debería comportarse como un

corto circuito para frecuencias mayores a una que se establece como

referencia , esto es , para lograrlo se requiere que la capacitancia sea

infinita, es decir , obteniéndose con este acoplamiento ideal una

corriente “i” igual a:

Dado que no es posible obtener este acoplamiento ideal, se opta por tener

algunos acercamientos:

Tipo de

AcoplamientoXC C Im θ

% de error

respecto a

amplitud

Ideal 0 ∞ 0º 0 %

A frecuencia de

corteRT 45º 29.3 %

Aproximación al

ideal5.7º 0.5%

En la tabla anterior, RT representa la resistencia total vista por el capacitor

en cuestión, esto es la resistencia equivalente de Thévenin vista por las

terminales del mismo.

De aquí pueden obtenerse dos criterios de diseño.

A) Cálculo del capacitor para que la respuesta en frecuencia presente

un determinado valor de frecuencia de corte (XC = RTH)

B) Cálculo del capacitor para que la respuesta en frecuencia presente

un acoplamiento aproximado al ideal en 0.5 % de error (XC = 0.1RTH)

De lo anterior, podemos ya definir la función realizada por:

Capacitor de acoplo: Aquel que permite el paso de una señal de un

punto a otro sin que esta sufra atenuación (acoplamiento ideal).

Capacitor de desacoplo: Aquel que deriva las señales para que no pasen

por algún elemento.

En el siguiente circuito el capacitor C1 es un capacitor de acoplo y el

capacitor C2 es un capacitor de desacoplo.

R1C1

Vcc

vS+-

C2

R2

R2

EFECTO DE LOS CAPACITORES DE ACOPLAMIENTO

Recuerde que, de acuerdo con la teoría básica de circuitos, Xc = 1/(2 pfC).

Esta fórmula muestra que la reactancia capacitiva varía inversamente con

la frecuencia. En bajas frecuencias, la reactancia es más grande y se

reduce a medida que la frecuencia incrementa. En bajas frecuencias (por

ejemplo las frecuencias de audio por debajo de 10 Hz), los amplificadores

acoplados capacitivamente tales como los de la figura 10-1, tienen menos

ganancia de voltaje que a frecuencias más altas. La razón es que en bajas

frecuencias, más voltaje de señal cae a través de C1 y C3

porque sus reactancias son más altas; esta caída de voltaje reduce la

ganancia de voltaje. Además, los capacitores de acoplamiento provocan un

desfasamiento porque C1 forma un circuito de adelanto de fase con la

Rent del amplificador y C3 hace lo mismo con la RL en paralelo con RC o

RD. Recuerde que un circuito de adelanto de fase es un circuito RC en el

cual el voltaje de salida a través de R se adelanta al voltaje de entrada en

cuanto a fase.

EFECTO DE LOS CAPACITORES DE PUENTEO

En bajas frecuencias, la reactancia del capacitor de puenteo, C2 en la

figura 10-1, llega a ser significativa y el emisor (o terminal fuente de un

FET) ya no está a tierra de ca. La reactancia capacitiva Xc2 en paralelo con

RE (o RS) crea una impedancia que reduce la ganancia. Esto se ilustra en

la figura 10.2.

Por ejemplo, cuando la frecuencia es suficientemente

alta, y la ganancia de voltaje del amplificador

en emisor común es En bajas frecuencias,

y la ganancia de voltaje es

EFECTO DE LAS CAPACITANCIAS INTERNAS DE UN TRANSISTOR

En altas frecuencias, los capacitores de acoplamiento y puenteo se

vuelven como cortos efectivos de ca y no afectan la respuesta del

amplificador. Las capacitancias internas en la unión de un transistor, sin

embargo, entran en juego, lo que reduce la ganancia de un amplificador y

provoca un desfasamiento conforme se incrementa la frecuencia de la

señal.

La figura 10-3 muestra las capacitancias internas en la unión pn, tanto de

un transistor de unión bipolar como de un JFET. En el caso de un BJT, Cbe

es la capacitancia en la unión base-emisor y Cbc es la capacitancia en la

unión base-colector. En el caso del JFET, Cgs es la capacitancia entre la

compuerta y la fuente y Cgd es la capacitancia entre la compuerta y el

drenaje.

Las hojas de datos a menudo se refieren a la capacitancia de un BJT, Cbc,

como la capacitancia de salida, designada a menudo como Cob. La

capacitancia Cbe a menudo se designa como la capacitancia de entrada

Cib. Las hojas de datos de los FET normalmente especifican la capacitancia

de entrada Ciss y la capacitancia de transferencia en inversa Crss. Con

éstas, se pueden calcular Cgs y Cgd, como se verá en la sección 10-4.

A frecuencias más bajas, las capacitancias internas tienen una reactancia

muy alta debido a su bajo valor de capacitancia (casi siempre de sólo unos

cuantos pico-farads) y el bajo valor de la frecuencia. Por consiguiente, se

ven como circuitos abiertos y no afectan el desempeño del transistor.

Conforme la frecuencia se incrementa, las reactancias capacitivas internas

se reducen y en algún punto comienzan a tener un efecto significativo en

la ganancia del transistor. Cuando la reactancia de Cbe (o Cgs) se vuelve

suficientemente pequeña, se pierde una cantidad significativa del voltaje

de señal a causa del efecto de divisor de voltaje de la resistencia de la

fuente de señales y a la reactancia de Cbe, como ilustra la figura 10-4(a).

Cuando la reactancia de Cbc (o Cgd) se vuelve suficientemente pequeña,

una cantidad significativa de voltaje de señal de salida se realimenta y

está desfasada con respecto a la entrada (realimentación negativa), por lo

que efectivamente se reduce la ganancia de voltaje. Esto se ilustra en la

figura 10-4(b) (Floyd, 2008)

BIBLIOGRAFÍA

Floyd, T. L. (2008). DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS. PEARSON Educación.

EXPERIMENTO: DISEÑO DEL CIRCUITO DEL TRANSISTOR (http://www.backyardbrains.cl/experiments/transistorDesign)