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Experimento: Diseño del Circuito del Transistor

Ahora vas a poder explicar con propiedad qué es el dopaje tipo P y tipo N, y qué es una zona de depleción. Ahora pondremos tu conocimiento en acción. Tienes el transistor n tus manos. Lo miras fijamente, sabiendo el poder que tiene, y todo lo que ha hecho por el mundo. Aquí lo vas a usar para amplificar unas spikes.

Tiempo 1-3 Horas
Dificultad Avanzada

¿Qué vas a aprender?

En la clase sobre Transistores anterior, aprendiste la teoría. Ahora vas a aplicar la teoría y vas a construir un circuito amplificador sencillo desde cero, usando dos transistores y unas cuantas resistencias y condensadores.

Prácticos Requeridos

  • Teoría de Transistores - Descubre como funciona un transistor antes de seguir
  • SpikerBox - Ojalá estés bien familiarizado con el mundo de las spikes, esto hará que esta actividad sea más especial


Procedimiento

Para construir un amplificador, todo lo que necesitas es un transistor, una fuente de alimentación, unas pocas resistencias, y algunos condensadores. Hay muchas maneras de mezclar todos estos componentes, lo que es todo un arte; (Steve Jobs lo llamaba "arte digital"), pero aquí te daremos algunas condiciones y supuestos básicos para trabajar y luego guiarte a través del diseño de tu propio bio-amplificador!

Hay varias configuraciones que utilizan transistores NPN, pero vamos a utilizar la "configuración de emisor común", ya que es, por lejos, la más popular. Esta configuración nos permite disponer de alto voltaje y alta ganancia de corriente. "¿Y por qué se llama "amplificador en emisor común?" - porque la base es la señal de entrada, el colector es la señal de salida, y el "común" o tierra es el emisor.

Como todo buen ingeniero, vamos a empezar con los "requisitos", que es una forma aburrida de decir "lo que queremos esta máquina haga de verdad". 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.

Por lo tanto, tenemos dos requisitos:

  1. Ganancia de 150.
  2. Ajuste de filtro: frecuencia de corte bajo de 300 Hz.

Ahora volvamos al arte del diseño electrónico. Nuestro amplificador está fuertemente basado en el gran libro "Practical Electronics for Inventors" de Paul Scherz.

Parts
Además de las cucarachas, el cable, y el electrodo, cas a tener que ir a Casa Royal a buscar lo siguiente:
  1. Dos Transistores NPN (2N4401) -from transistor sample pack
  2. Cuatro Resistencias de 4.7 kΩ -from resistor sample pack
  3. Cuatro Resistenias de 1 kΩ
  4. Una Resistencia de 50 Ω
  5. Dos Condensadores de 1 µF
  6. Cuatro Condensadores de 10 µF
  7. Cables conectores para protoboard
  8. Una protoboard sin soldadura
  9. Un conector de batería de 9V
  10. Un batería de 9V
  11. Un conector RCA hembra
  12. Un parlante
También vas a necesitar un pedazo de corcho o de plumavit donde colocar la pata de la cucaracha.

Diseñando el Circuito

Resistencias del Emisor y el Colector

Como vamos a usar una batería de 9V, y nuestras spikes tienen un componente negativo y uno positivo:

Queremos que la señal neuronal viaje sobre +4.5 V, para tener suficiente "espacio" de voltaje para poder amplificar la parte positiva y negativa de la señal. Por lo tanto, necesitamos que Vc, o el voltaje en el colector, sea 1/2 Vcc (es enredado, pero Vcc significa "corriente común", básicamente nuestra fuente de poder de 9V). Por lo tanto tenemos que ponder una resistencia en Vc para dejar Vc = 1/2 Vcc, y usando la ley de Ohm's, V=IR, tenemos que:

Ic es la corriente que pasa a través del colector y función del transistor (se usa la hoja de datos del transistor para calcularla). Vamos a usar un valor de 1 mA para Ic.

4.7 kΩ es un valor típico para un pack de resistencias, así que vamos a usar 4.7 kΩ para Rc

Hasta el momento, la ganancia del circuito es de ΔVc/ΔVe que es equivalente a la proporción de Rc/Re.

Ya dejamos Rc = 4.7 kΩ, y Re ya está integrada al transistor. Su Re se conoce como transresistencia, que se calcula así:

Ie es aproximadamente igual a Ic, por lo que la transresistencia es de 26 Ω.

Podemos calcular la ganancia así:

Sin embargo, la transresistencia puede ser inestable en el transistor, así que necesitamos añadir una R además de la transresistencia. Scherz recomienda que Ve sea igual a 1 V para estabilizar la transresistencia, y según la Ley de Ohm:

Pero fíjate que agregando este R al circuito:

Así tenemos un cambio en la ganancia. La nueva ganancia es:

¡Oh no! ¡Nuestra ganania original de 180 se perdió, y ahora es mucho más pequeña que lo que necesitamos! No te asuste, podemos agregar un condensador en paralelo a la resistencia de 1 kΩ que hará que ese 1 kΩ desaparezca de la señal de nuestra spike. Igual teníamos que agregar el condensador, ya que tenemos que hacer un:

Filtro Paso Alto

En paralelo, una resistencia y un condensador actúan como un filtro paso alto y, como dijimos, queremos dejarlo en 300 Hz. ¿El cálculo? Muy fácil.

Ya sabemos que R = 1 kΩ, y f debiera ser 300 Hz, por lo que el condensador tiene que ser de 20 μF

Lo único que falta es el condensador de entrada para limpiar cualquier compensación DC en la señal de entrada, y mantener el circuito estable. Vamos a dejarla en 1 uF.

Ajustando los Voltajes de Polarización

Recuerda que en la sección de teoría de transistores vimos que el transistor no se enciende sin un empuje de voltaje en el límite inferior, aproximadamente 0.6 V para circuitos de silicio. Tenemos que agregar resistencias de polarización.

Queremos que Vb, el voltaje de la base, sea 0.6 V más grande que el voltaje de Ve, así que

Sabemos que Ve es de 1V por la caída de voltaje que calculamos, así que Vb debiera ser 1.6V. ¡Vamos a hacer un divisor de voltaje!

Nuestro Vin es, por supuesto, 9V, y nuestro Vout es 1.6 V, y ahora usamos la clásica ecuación de división de voltaje:

Podemos ordenar la ecuación y calcular...

Por lo tanto, R1 tiene que ser ~4.6 veces más grande que R2. Suena simple pero, el sentido común para este diseño de transistor dice:

Así que mejor seleccionemos valores para R2 = 1 kΩ, y R1 = 4.7kΩ, ya que son resistencias que hemos usado y tenemos a mano.

¡Y eso sería! Ahora nos toca...

Construir el Circuito

Ya hiciste todo el cálculo matemátco, y ahora tienes que construir el circuito. Coloca la batería, transistor, resistencias y condensadores en la placa, como se muestra:

Una mirada más de cerca a la placa:

Inserta los electrodos en la pata de una cucaracha como en los otros experimentos y conecta el parlante al circuito. Coloca el parlante al máximo, y toca la pata de la cucaracha suavemente con un mondadientes. Quizás puedas escuchar una respuesta muy leve, pero muy oculta entre todo el ruido. Amplifiquemos las spikes un poco más. Puedes crear una "segunda etapa" de amplificación, sililar a lo que hacemos con nuestro SpikerBox normal, donde haces que la señal de salida del circuito entre a una segunda copia del circuito, como puedes ver:

Sin embargo, te vas a dar cuenta que esta "duplicación" hace que el circuito se torne un poco inestable, así que tenemo que disminuri un poco la ganancia de la seguna etapa. Añadimos una resistencia de 50 Ω en paralelo a Re para bajar la ganancia de esta etapa un poco, pero igual nos permitirá tener spikes fuertes cuando conectes la pata de la cucaracha al circuito. Ve el video a continuación.

¡Felicitaciones, acabas de construir tu propio amplificador con transistores!Cuéntanos si descubres una forma para hacer que el circuito sea más simple, limpio, y con mayor amplificación.

Discusión

Has creado tu propio camino para descubrir muchísimas cosas. La historia de la ciencia ha sido definida por la invención de nuevos dispositivos en manos de mentes imaginativas. El telescopio te permite ver cosas muy lejanas. El microscopio te permite ver las cosas más pequeñas. La máquina de PCR permite medir moléculas de ADN, y el transistor permite observar pequeñas señales eléctricas. Con estas herramientas podemos ver y tratar de comprender el mundo más allá de la capacidad de nuestros sentidos básicos. Ahora, comienza a descubrir.

Preguntas de Discusión

  1. ¿Por qué, en nuestro amplificador con transistores, las spikes son más "ruidosas" que las del SpikerBox? ¿Qué hace el SpikerBox? Una pista: el SpikerBox tiene muchos más transistores y los usa para construir amplificadores operacionales, los que luego se unen en un amplificador de instrumentación. ¡Bienvenido al Arte de la Electrónica!