Análisis del punto Q y potencia desperdiciada en el diseño de amplificadores bipolares

El pasado 13 de Marzo del año 2020, justo antes de que iniciara el aislamiento provocado por la crisis del COVID-19 tuve la oportunidad de participar como ponente en un congreso de educación matemática. Las conferencias eran sobre educación y aplicación de las matemáticas en diferentes ramas del conocimiento. Allí expuse un trabajo de investigación sobre diseño de amplificadores bipolares, tema que vengo investigando desde hace algunos años. 

Dicha conferencia tuvo un enfoque ingenieril y su respectivo artículo que se encuentra en revisión para publicación. En este post se muestra el desarrollo de dicha investigación desde un punto de vista matemático, específicamente el procedimiento de diseño desarrollado.

AUTORES

Luis Eduardo Ramírez Carvajal

M.Sc. Karla Puerto López

Ing. Jhon Jairo Ramírez Mateus

Grupo de investigación y desarrollo en microelectrónica aplicada y control GIDMAC, Universidad Francisco de Paula Santander, San José de Cúcuta, Colombia

E-mail: luiseduardorc@ufps.edu.co

MARCO TEÓRICO

El transistor tiene 3 regiones de trabajo: saturación, amplificación y corte.

Dependiendo de la polarización el punto Q se ubica en la recta de carga en alguna de estas regiones. 

La mayoría de autores aconsejan ubicar este punto en la mitad de la recta de carga de CA para asegurar la estabilidad del transistor en su región de amplificación cuando se desea polarizar para este propósito. Sin embargo, si la señal de entrada es muy pequeña esto no es necesario pues se desperdicia potencia ya que la disipada en estado estacionario será superior a la necesaria para generar una señal de salida sin distorsión.

PROCESO DE DISEÑO

El proceso de diseño fue desarrollado con base en un planteamiento que se encuentra en el libro "Diseño Electrónico, circuitos y sistemas" (1991), de los autores: Savant CJ, Roden M, y Carpenter G. Inciso 2.9.3 Diseño por debajo de máxima excursión.

El procedimiento desarrollado es el siguiente:

BJT INVERSOR

Variables de entrada: Av, β, Rs, Vcc, Vee, RL,Zin, Zo, Q

NOTA: La variable Q es un punto superior a 0 e inferior a 1. Si se elige Cercano a cero, el transistor estará en la región de saturación y si se elige cercano a 1 estará en la región de corte. Si se elige 0.5 estará en su punto de máxima estabilidad (el cual a su vez es el punto de máxima potencia).

PL (Potencia en RL)=(ic*ic*RL)/8;

Pt (Potencia en el transistor)=vce*ic;

Cálculo de potencia desperdiciada

icmaxp= *Vt*β/rπ;

Vinmaxp= (1.8*icmaxp*Rca/-Av);

k=vin/vinmaxp;

Ptdesp (Potencia desperdiciada) =Pt*k;

Este fue el procedimiento matemático que se codificó y dio como resultado una herramienta computacional con una interfaz gráfica interactiva. Dicha herramienta fue sometida a pruebas dando como resultado errores inferiores a 1.5% en todas las variables evaluadas.

Una visión más amplia de la investigación se expuso en el congreso y su respectivo artículo se encuentra en revisión para su posible publicación en revista científica.