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Diseño de un Preamplificador de 2 transistores.
Design d'un Preamplificateur de 2 transistors.
2 Transistors Preamplifier Design.

Ing - Eng : Hugo Gutiérrez Salazar

Dificultad - Difficulté - Difficulty :
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  • Este diseño se basó en un artículo escrito por:
  • Cet design est basé sur un article écrit par :
  • This design was based in an artícle wrote by : Mike Martell

    (http://www.rason.org/Projects/bipolamp/bipolamp.htm)

    trans2f01.jpg trans2f02.jpg

    Chile.gif Francia.gif Inglaterra.gif

    Introducción

    Se han preguntado, cómo se calculan las resistencias, que se le ponen a los transistores ? A continuación se mostrará un método bastante preciso, sin necesidad de introducirse al cálculo superior, especifícamente en el uso de Integrales triples. Simplemente se utilizará una calculadora de 4 operaciones, si no desea calcularlo a lápiz.

    La Ley de Ohm

    Se utiliza la ley de ohm, para calcular las resistencias, que se usaran en el diseño de las dos etapas transistorizadas.

    La primera etapa comprende las resistencias R1 a R4, los condensadores electrolíticos C1, C2, C3 y el transistor Q1.

    La segunda etapa comprende las resistencias R5 a R8 y los condensadores electrolíticos C4, C5 y el transistor Q2.

    La configuración utilizada en cada etapa es la de emisor común.

    Los Transistores

    Los transistores utilizados pueden ser cualquiera, que tenga un hfe de 50 a 100. Mike, utilizó dos transistores NPN de silicio 2N3904. Yo utilicé 2 transistores 2N2222A porque los tenía en mi caja de componentes.

    El hfe

    Actualmente es muy fácil medir el hfe de un transistor, ya que la mayoría de los testers, traen incorporado el medidor de hfe. De esa forma pude medir el hfe de ambos transistores antes de instalarlos. En mi caso Q1 = 223 y Q2 = 173.

    Utilizar transistores de 170 a 220 de hfe es un desperdicio, pero me evito comprar más, para hacer este experimento.

    Esto demuestra que un transistor, aunque sea el mismo número de pieza, puede tener variaciones bastante grandes en su construcción. Por esta razón, cuando se utilizan transistores para etapas simétricas o preamplicadores estéreos, se prefieren transistores pareados (se han buscado dos de características similares).

    Qué es el hfe ?

    El hfe es la razón entre la Ic (Corriente de Colector) e Ib (Corriente de Base) en un transistor.

    Introduction

    Vous vous avez faitez la question de comment se fait le calcul des resistances, qui s'attachent aux transistors ? A la suite; se montrera une mèthode; assez prècis, sans besoin de s'introduire au calcul superieur, especifiquement a l'utilisation d'Intégrales triples. Tout simplement on va a utiliser; une calculatrice de 4 operations, si vous désirez de ne pas le faire au crayon.

    La loi d'Ohm

    On utilise la Loi d'Ohm, pour calculer les resistances, qu'on doit utiliser au design des 2 étages transistorisés.

    La première étage comprends les resistances R1 a R4, les condenseurs éléctrolitiques C1, C2, C3 et le transistor Q1.

    La seconde étage comprends les resistances R5 a R8 et les condenseurs électrolitiques C4 et C5 et le transistor Q2.

    La configuration utilisée en chaque étage est celle d'émiseur commun.

    Les Transistors

    On peut utiliser n'importe quel transistor, qui a un hfe de 50 à 100. Mike, a utilisé deux transistors NPN de silice 2N3904. Moi j'ai utilisé 2 transistors 2N2222A par-ce que je les avais dans ma boîte de composants.

    Le hfe

    Actuellement il est très facile de mésurer le hfe d'un transistor, dépuis que la mayorité des testers, incorporent la mesure de hfe. De cette façon, j'ai pus mésurer le hfe des deux transistors avant de les installer. Dans mon cas Qhfe1 = 223 et Qhfe2 = 173.

    Utiliser transistors de 170 à 220 de hfe est gaspiller, mais je m'évite d'acheter d'autres pour faire l'expériment.

    Ceçi demontre qu'un transistor, quoi qu'il a le même numero de piece, peut avoir variations très grandes dans sa construction. Par cette raison, quand on utilise transistors pour étages symétriques ou preamplicateurs stéreos, on préfére transistors pairées (On a cherché deux de charactéristiques similaires).

    Quesque-cet le hfe?

    Le hfe est la raison entre la Ic (Courrant de Colecteur) et Ib (Courrant de Base) à un transistor.

    Preliminar

    Are you questioned anytime how do you calculate the resistors, they are normaly attached to the transistors ? In this paper I will show a very accurate method to calculate it, without the need to introduice to the superior calculus, especificaly in the use of triple Integrals. Simply using a pocket 4 operations calculator, if you don't want to calculate it with a pencil.

    Ohm's Law

    Ohm's Law, is used to compute the resistors, you have to use in the design of the two transistorized stages.

    The first stage include the resistors R1 to R4, Electrolitic Capacitors C1, C2, C3 and the transistor Q1.

    The second stage includes resistors R5 to R8 and the electrolitic capacitors C4, C5 and the transistor Q2.

    Each stage use the common emiter configuration.

    The Transistors

    Transistors used can be any, but with a hfe of 50 to 100. Mike, used two Silicon NPN transistors 2N3904. I used 2 transistors 2N2222A because I had them in my components box.

    The hfe

    Now it's easy mesure transistor hfe, since the mayority of new tester devices, include the hfe meter. This form I could made the mesure of the hfe of both transistors before use them. In my case Qhfe1 = 223 and Qhfe2 = 173.

    Use 170 to 220 hfe transistors is a waste, but I avoid to buy another, to make this experiment.

    This prove that a transistor, although it's the same number part, it can have great diferences in it's construction. By this reason, when we use transistors for symetric purposes or stereo preamplifiers, we prefer matched pair transistors ( there're similar characteristics selected transistors).

    What's the hfe?

    hfe is the quotient between Ic (Colector Current) and Ib (Base Current) of a transistor.

    hfe = Ic / Ib

    El hfe equivale al número de veces que se amplificará una señal en el colector del transistor, al entrar por la base. Si la señal de entrada es de 0.1 [mA], en el colector será de 5 [mA].

    La ganancia de cada etapa, se multiplica con la de la etapa siguiente y como cada etapa tiene una ganancia de 50 veces, la ganancia total será de 2500 veces, para este diseño.

    Mike parte fijando los valores de :

    Le hfe est equivalent au nombre de fois que s'amplifie une signale au colecteur du transistor, entrant par la base. Si la signal d'entrée est de 0.1 [mA], au colecteur sera de 5 [mA].

    La gagnance de chaque étage se multiplie avec la gagnance de l'étage suivante, comme chaque étage a une gagnance de 50 fois, la gagnance totale sera de 2500 fois pour c'est design.

    Mike commence fixant les valeurs de :

    hfe it's the gain number, the number of times signal will amplified in the transistor colector, entering by the base. If the input signal is 0.1 [mA], in the colector will be 5 [mA].

    Gain of each stage will be multiplied with the gain of the next stage, since each stage have 50 times gain, the total gain will be 2500 times for this design.

    Mike begins fixing the values of :

    Vcc = 12 [V]
    Ic = 5 [mA]
    Hfe = 50
    Q1= 2N2222A (2N3904 en el diseño de Mike).

    trans2f03.gif

    Como en este ejercicio, el Ic se fijó en 5 [mA] y el hfe en 50, ello significa que la señal de entrada prevista será de 0,1 [mA] = Ib.

    Primero Calcularemos R3

    Se toma por convención que el voltaje de R3 será la ½ del voltaje de alimentación, en este caso 6 [V], la corriente, es la del colector 0.005 [A] ( 5 mA), por Ley de Ohm.

    Comme dans cet exercice le Ic se fixe sur 5 [mA] et le hfe en 50, ça signifie que la signale d'entrée prevue sera de 0,1 [mA] = Ib.

    On va calculer R3

    Par convenience on fixera le voltage de R3, qui sera la ½ du voltage d' alimentation, en cet cas 6 [V], la courrant, est celle du colecteur 0.005 [A] ( 5 mA), par Loi d'Ohm.

    As in this exercice Ic is fixed in 5 [mA] and hfe in 50, this means input signal will be 0,1 [mA] = Ib.

    First we compute R3

    We fix by convenience R3 voltage, it will be ½ of source voltage , in this case 6 [V], current, is those of the colector 0.005 [A] ( 5 mA), by Ohm's Law.

    R3 = E3 / I3
    R3 = 6 [V] / 0.005 [A]
    R3 = 1200 [Ohms]

    Y así obtenemos nuestro primer valor.

    Cálculo de R4

    Para ello se toma un valor entre el 5 y el 10% de Vcc, para fijar el voltaje de R4 y en este caso usaremos 1 [V] (8% de Vcc)

    La corriente que pasa por R2 es Ib + Ic = 5.1 [mA]

    Por Ley de Ohm nuevamente:

    De cette façon nous obtiendrons nôtre premier valeur.

    Calcul de R4

    Par ceçi on prends un valeur entre 5 et 10% de Vcc, pour fixer le voltage de R4 et en cet cas nous prendrons 1 [V] (8% de Vcc)

    La courrant qui passe par R2 est Ib + Ic = 5.1 [mA]

    Par Loi d'Ohm de nouveau:

    This way we obtain our first value.

    Computing R4

    For this we take a value between 5 to 10% of Vcc, to fix voltage of R4 and in this case we will use 1 [V] (8% of Vcc)

    Current passing by R2 is Ib + Ic = 5.1 [mA]

    Once again by Ohm's Law:

    R4 = E4 / I4
    R4 = 1 [V] / 0.0051 [A]
    R4 = 196[Ohms]

    Las resistencias se fabrican a saltos en sus valores, y los valores son:

    10, 12, 15, 18, 22, 33, 47, 56, 68, 82 y los múltiplos de estos números, por lo tanto, el valor más próximo a 196 es 180 [Ohmios].

    Cálculo de R2

    Les resistances se fabriquent à sauts en ses valeurs, et ils sont:

    10, 12, 15, 18, 22, 33, 47, 56, 68, 82 et les multiples de ces numeros, pourtant, la valeur plus prochaine a 196 est 180 [Ohms].

    Calcul de R2

    Resistors values are made by steps, and they are:

    10, 12, 15, 18, 22, 33, 47, 56, 68, 82 and multiples of this numbers, hence, the nearest value to 196 is 180 [Ohms].

    Computing R2

    CalculoR2.jpg

    Se conviene nuevamente, que la corriente que pasa por R2, debe ser entre 5 y 10 veces , la corriente de base. Tomaremos 9 veces, lo que nos da 0.9 [mA]. On accord de nouveau que la courrant qui pase par R2, doit être entre 5 et 10 fois , la courrant de base. Nous prendrons 9 fois, ce qui nous donne 0.9 [mA]. Once again we set the value of the courrent passing by R2 it has to be between 5 to 10 times , the base current. We will use 9 times, this is 0.9 [mA].

    R2 = 1.7 [V] / 0.0009 [A]
    R2 = 1889 [Ohmios]

    Cálculo de R1

    Calcul de R1

    Computing R1

    CalculoR1.gif

    Por lo tanto: Alors : Hence :
    I1 = Ib + I R2
    I1 = 0.0001 [A] + 0.0009 [A] = 0.001 [A]
    R1 = E1 / I 1
    R1 = 10.3 [V] / 0.001 [A]
    R1 = 10300 [Ohms] = 10.3 [KOhm]

    Elegimos el valor más próximo a 10.3 [KOhms], este es 10 [KOhms].

    Hemos terminado con la primera etapa.

    On elige le valeur plus prochain a 10.3 [KOhms], ceçi est 10 [KOhms].

    Nous avons terminé avec la première étage.

    We select the next value near 10.3 [KOhms], it's 10 [Kohms].

    We are complete the first stage.

    Cálculo de los Condensadores

    Los condensadores que permiten desacoplar o aislar eléctricamente la entrada y salida de la etapa y además el condensador del emisor, incrementa la ganancia en corriente del hfe del transistor usado en particular.

    ¿Esto significa que Q1 será llevado a 223 de ganancia ?

    No, porque se fijó la ganancia en 50 inicialmente y no podría sacar más energía, ya que se limitó con R3 y R4 desde un principio.

    ¿Porqué usar un transistor de 223 de ganancia y fijarlo en un valor tan bajo como es 50 ?

    Básicamente por dos razones:

  • Tenía esos transistores en mi caja de herramientas y en este caso, no tenía mayor importancia qué transistor usar.

  • Porque, aunque las fábricas aseguran una ganancia mínima de hfe, este valor es muy variable y conviene fijar el valor en ganancias pequeñas, debido a que se asegura menor distorsión al amplificar, siendo más líneal su comportamiento.

    Yo creo, que en realidad lo que hace el condensador es mantener alta la corriente, cuando se exige el máximo rendimiento en forma sostenida.

    ¿Porqué se eligieron condensadores de 4.7 [ufds] y no de 10 ó 100 [ufds] ?

    Mike no explica la razón, sé que tiene relación con la impedancia a ciertas frecuencias y al ancho de banda , debe dejar pasar las frecuencias del rango de audio (20 [Hz] a 20 [KHz]). Traté de consultarle a Mike cómo realizó estos cálculos, pero no tuve respuesta. (úsenlos así).

    Potencia disipada por las resistencias

    La potencia disipada por cada resistencia es muy baja y basta con usar resistencias de 1/4 de [W]. El cálculo es fácil, ya que : Potencia [W] = F.E.M [Volts] * Intensidad [A]
    ( W = V * I). y además se utiliza un factor de seguridad de 2.5 veces. Aún así, ningun valor de R1 a R4 excede este valor. La tolerancia es suficiente con 5 %.

  • Calcul des Condenseurs

    Los condenseurs permetent desacopler ou isoler éléctriquement l'entrée et la sortie de l' étage et en plus le condenseur du émiseur, incremente la gagnance en courrent du hfe du transistor utilisé en particulier.

    Ça signifie que Q1 atteindra 223 de gagnance ?

    Non, parce-que on l'a fixé en 50 initiellement et on ne pourrait pas générer plus d'énergie, dès qu'on l'a limité avec R3 et R4 du principe.

    Pourquoi utiliser un transistor de 223 de gagnance et le fixer a un valeur si bas, comme c'est 50 ?

    Basiquement par deux raisons:

  • J'avais ces transistors dans ma boîte d'outillaye et en c'est cas, il n'y avait pas d'importance quel transistor utiliser.

  • Parce-que, cependant les fabricants asurrent une gagnance minimale de hfe, ceçi est très variable et convient fixer le valeur en gagnances petites, car on assure une petite distorsion aussi, quand on amplifie, étant plus linaire son comportement.

    Je crois, qu'en realité ce qui fait le condenseur, est maintenir haute la courrant, quand on l'exige le rendiment maximun, en forme soutenue.

    Pourquoi on a elu condenseurs de 4.7 [ufds] et pas de 10 ou 100 [ufds] ?

    Mike n'explique pas la raison, je sais qui a relation avec l'impedance a certaines frequences et au large de bande. Il doit laisser passer les frequences du rang d'audio (20 [Hz] à 20 [KHz]). J'ai éssayé de faire la question a Mike de comment faire le calcul de ces valeurs, mais j'ai pas eu de réponse. (utiliséz-les comme ça).

    Puissance dissipé par les resistances

    La puissance dissipée par chaque resistance est très baisse et il suffit de utiliser resistances de 1/4 de [W]. Le calcul est très facile, car : Puissance [W] = F.E.M. [Volts] * Intensité [A]
    ( W = V * I). et de plus on utilise un facteur de sécurité de 2.5 fois. Même ainsi, aucun valeur de R1 a R4 excede c'est valeur. La tolerance est suffissante avec 5 %.

  • Capacitor Calculus

    The role of capacitors are decoupling or isolate electrically the input and the output stage. Furthermore the emiter capacitor, increase hfe transistor current gain, used in particular.

    Does this means that Q1 will be pulled to a 223 gain ?

    No, because the gain was fixed to 50 initially and couldn't generate more energy, since we limited it with R3 and R4.

    Why to use a 223 gain transistor and fixit in a lower value as 50 ?

    Basically by two reasons:

  • I had those transistors in my workbench box and in this case it doesn't matter which transistor to use.

  • Because, although industries asure an hfe minimal gain, this value is very variable and is better to fix the value in little gains values, due you have assurance of a minor distorsion when you amplified signals, being more linear its performance.

    I think, that in reality what the capacitor do, is to maintain a high current, when you need a maximun performance, in a sustain way.

    Wy to choose 4.7 [ufds] capacitors and no 10 or 100 [ufds] ?

    Mike doesn't explain the reason, I know it have relation with impedance to some frequencies and with the brandwidth , it have to lets pass signals in the audio range frequencies (20 [Hz] a 20 [KHz]). I traid to ask Mike how he compute this values, but I haven't a response. (Use it as is).

    Power Resistors Disipation

    The resistor power dissipation is very low and you can use 1/4 [W] resistors. The calculus is very easy too, since: Power [W] = E.M.F. [Volts] * Intensity [A]
    ( W = V * I). and its useful to consider a security factor of 2.5 times. None value from R1 through R4 excede this value. The tolerance is enought with 5 %.

  • Cálculo de la Segunda Etapa

    La segunda étapa se calcula teniendo como parámetros fijos iniciales, los siguientes:

    Calcul de la séconde étage

    La seconde étage se calcule avant comme paramètres fixes initielles, les suivants:

    The second stage computing

    The second stage is computed having as fixed initial parameters:

    Q2 = 2N2222A (Mike usa 2N3904 )
    Vcc = 12 [V]
    Ic = 10 [mA]
    hfe = 50
    VR8 = 1 [V] (8% de Vcc)
    IR6 = 9 (Veces, Fois, Times) Ib

    Calculemos entonces

    Calculons alors

    Lets compute so

    R7 = 6 / 0.010 = 600 [Ohms]
    Ib = 0.01 / 50 = 0.0002 [A]
    R8 = 1 / (Ic + I b) = 1 / (0.01 + 0.0002 ) = 98 [Ohms]
    IR6 = 9 * 0.0002 = 0.0018 [A]
    R6 = (1 [V]+ 0.7[V])/0.0018 [A] = 944 [Ohms]
    R5 = (12 - 1 - 0.79) / (0.0018[A] + 0.0002 [A]) = 10.3 / 0.002 = 5150 [Ohms] = 5.1 [KOhm]

    Aproximando a los valores más cercanos

    Approchant aux valeurs les plus prochains

    Approaching to the next values

    R5 = 5150 [Ohms] --> 5.1 [KOhms]
    R6 = 944 [Ohms] --> 1 [KOhms]
    R7 = 600 [Ohms] --> 560 [Ohms]
    R8 = 98 [Ohms] --> 100 [Ohms]

    Esta vez los condensadores son de 10 [ufds] , ¿porqué ? Mike no explica como calcularlos. Una vez más, úselos así. Cette fois les condenseurs sont de 10 [ufds], Pourquoi? Mike n'explique pas comment le calculer. Une fois plus, uséz-les comme ça This time capacitors are 10 [ufds], why ? Mike don't explain why, once again use it as is.

    Tabla de Resultados

    Table de Résultats

    Testing Table

    Lo que se muestra a continuación es una tabla con valores obtenidos, por cálculo y comprobación de los valores medidos de Voltaje y Corriente, entre cada resistencia del circuito. La idea era verificar qué tan exácto era este método de diseño, de un amplificador de transistores de dos etapas.

    La conclusión es : que es bastante exácto.

    Ce qui se montre a la suite, est une table de valeurs obtenue par le calcul et comprobation des valeurs mésurés de Voltage et Courrant, entre chaque resistance du circuit. L'idée était vérifier l'exactitude de cet méthode de design d'un amplificateur de transistors de deux étages.

    La conclution est : qu'il est très précis.

    What I show below is a table with values obtained by calculus and the value verified mesuring Voltages and Currents between each circuit resistors, once built. The idea was to verify how accurate was this method for a two stages transistor amplifier design.

    The conclusion was : that is very accurate.

    Resistencia
    Resistance
  • Voltaje Medido
  • Voltage Mésuré
  • Mesured Voltage
  • Voltaje Calculado
  • Voltage Calculé
  • Computed Voltage
  • Corriente Medida en
  • Courrant Mésuré
  • Mesured Current in
    [mA]
  • Corriente Calculada en
  • Courrant Calculé en
  • Computed Current in
    [mA]
  • R1=10K10.3910.301.061.00
    R2=1K81.841.71.000.90
    R3=1K27.76.06.605.00
    R4=1801.171.05.505.10
    R5=5K110.3610.302.012.00
    R6=1K 1.661.71.931.80
    R7=5606.916.012.5710.00
    R8=1001.181.010.0210.20
  • Los valores se midieron con
  • Les valeurs on été mésurés avec.
  • Values were tested with

    Vcc=12.38 [V].

  • Condensadores Electrolíticos
    Condenseurs Electrolitiques
    Electrolitic Capacitors
    C1=4.7 [ufds]
    C2=4.7 [ufds]
    C3=4.7 [ufds]
    C4=10 [ufds]
    C5=10 [ufds]
    Potenciómetro Lineal
    Potenciometre Lineal
    Lineal Potenciometer
    R9=10K

    Lista de Componentes - Liste de Composants - Component List

    Cuantas
    Quantité
    How many
    ID Descripción - Description Imagen - Image - Picture
    2 Q1,Q2 Transistores
    Transistors
    Transistors NPN type 2N3904 , 2N2222 or BC-547
    2n2222.jpg
    3 C1,C2,C3 Condensador Electrolitico
    Condenseur Electrolitique
    Electrolitic Capacitor 4,7 [ufd] / 25[V]
    C470-25.jpg
    2 C4,C5 Condensador Electrolitico
    Condenseur Electrolitique
    Electrolitic Capacitor 10 [ufd] / 25[V]
    C470-25.jpg
    1   Pertinax Impreso Virgen 1 cara 10 x 20 [cms]
    Pertinax Vierge 1 face 10 x 20 [cms]
    Virgin Pertinax 1 face 4 x 8 [inches]
    Pertinax.jpg
    1 R1 Resistencia de Carbon
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistance 10[KOhm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R2 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 1.8[KOhm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R3 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 1.2[KOhm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R4 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 180[Ohms] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R5 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 5.1[KOhm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R6 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 1.0[KOhm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R7 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 560[Ohm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R8 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 100[Ohm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 R9 Potenciómetro Lineal
    Potenciomètre liniaire
    Linear Potenciometer 10[KOhm]
    Potenciometros.jpg
    1 R10 Resistencia de Carbón
    Resistance de Charbon
    Carbon Resistor 330[Ohm] 1/4 [W] 5[%]
    Resistencia.jpg
    1 D1 Diodo Led Rojo
    Diode Del Rouge
    Red Led 3 [mm]
    LedRojos.jpg
    10   Trabas de conexión
    Ponts de conection
    Connection Jumpers
    Jumpers.jpg
    20   Terminales de Pin
    Terminaux de Pins
    Pin terminals
    Terminales.jpg