Amplificador de Audio con Transistor 2N2222 y Polarización por Realimentación Colector-Base

Introducción

La polarización de un transistor bipolar constituye uno de los aspectos fundamentales de la electrónica analógica, ya que determina el punto de operación (punto Q) sobre el cual el dispositivo puede amplificar señales de pequeña amplitud sin introducir distorsión significativa.

Existen diversos métodos para establecer dicho punto de operación. Entre ellos, la polarización por realimentación desde el colector hacia la base destaca por ofrecer una mayor estabilidad frente a las variaciones del transistor y de la temperatura, ya que la propia tensión del colector participa en la regulación automática de la corriente de base.

En esta práctica se implementa un amplificador de audio utilizando un transistor 2N2222, un micrófono electret como fuente de señal y una configuración de polarización basada en la realimentación colector-base. El circuito fue diseñado y simulado en Proteus, permitiendo verificar tanto el punto de operación como la amplificación de una señal de baja amplitud.

Figura 1. Amplificador de audio con transistor 2N2222 polarizado mediante realimentación colector-base. La simulación en Proteus permite observar la amplificación de una señal senoidal de 300 Hz.

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1. Objetivo de la práctica

• Comprender el funcionamiento de la polarización por realimentación colector-base.
• Analizar el punto de operación del transistor.
• Verificar la amplificación de señales de pequeña amplitud.
• Observar el comportamiento del circuito mediante simulación.

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2. Esquema del circuito

El circuito está formado por:

• Transistor NPN 2N2222
• Micrófono electret
• Resistencia de polarización del micrófono
• Red de polarización del transistor
• Condensadores de acoplamiento
• Resistencia de carga

La alimentación utilizada es:

$$V_{CC}=1.5\text{ V}$$

La señal aplicada durante la simulación corresponde a una onda senoidal de:

• Amplitud: 50 mV
• Frecuencia: 300 Hz

Figura 2. Diseño de la placa de circuito impreso (PCB) desarrollada para la implementación práctica del amplificador.

Una vez validado el funcionamiento mediante simulación, se procedió al diseño del circuito impreso, permitiendo construir un módulo compacto que puede emplearse como preamplificador de micrófono o como práctica de laboratorio.

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3. Componentes utilizados

Componente	Valor
Q1	2N2222
R1	100 kΩ
R2	330 Ω
R3	1 kΩ
R5	3.3 kΩ
RL	10 kΩ
C1	1 µF
C2	1 µF
Micrófono	Electret
Alimentación	1.5 V

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4. Funcionamiento general

El micrófono electret convierte las variaciones de presión sonora en una pequeña señal eléctrica de algunos milivoltios.

La resistencia R3 proporciona la corriente necesaria para polarizar internamente el micrófono.

La señal de audio llega hasta la base del transistor mediante el condensador C1, el cual bloquea la componente continua del micrófono y permite únicamente el paso de la señal alterna.

El transistor amplifica esta señal y la entrega al circuito de salida mediante el condensador C2, que nuevamente elimina la componente continua.

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5. Polarización por realimentación colector-base

A diferencia de la polarización fija, en esta configuración la resistencia R1 conecta el colector con la base.

Esta conexión genera una realimentación negativa, ya que cualquier incremento de la corriente del transistor reduce automáticamente la corriente de base.

El resultado es un punto de operación considerablemente más estable.

Su funcionamiento puede resumirse de la siguiente manera:

• Si la corriente del colector aumenta,
• la tensión del colector disminuye,
• disminuye también la tensión aplicada a la base,
• la corriente de base se reduce,
• el transistor vuelve automáticamente a su condición de equilibrio.

Este mecanismo constituye uno de los métodos clásicos de estabilización estudiados en los textos de Boylestad y Malvino.

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Figura 3. Configuración de polarización mediante realimentación desde el colector hacia la base y análisis de la malla base-emisor (adaptado de Boylestad).

6. Análisis del punto de operación

Aplicando la Ley de Voltajes de Kirchhoff sobre la malla base-emisor se obtiene:

$$V_{CC}-I_CR_C-I_BR_B-V_{BE}-I_ER_E=0$$

Considerando las aproximaciones habituales

$$I_C=\beta I_B$$ $$I_E\approx I_C$$

se obtiene la expresión utilizada para calcular la corriente de base:

$$I_B=\frac{V_{CC}-V_{BE}} {R_B+\beta(R_C+R_E)}$$

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Sustituyendo valores

Para este circuito:

$$V_{CC}=1.5V$$ $$V_{BE}=0.7V$$ $$R_B=100k\Omega$$ $$R_C=3.3k\Omega$$ $$R_E=330\Omega$$

Suponiendo

$$\beta=100$$

se obtiene

$$I_B= \frac{1.5-0.7} {100000+100(3300+330)}$$ $$I_B= \frac{0.8} {463000}$$ $$I_B\approx1.73\;\mu A$$

Figura 4. Desarrollo matemático de la corriente de base y análisis de la malla colector-emisor para la configuración de realimentación colector-base (adaptado de Boylestad).

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7. Corriente de colector

La corriente del colector es

$$I_C=\beta I_B$$ $$I_C=100(1.73\mu A)$$ $$I_C\approx0.173mA$$

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8. Corriente de emisor

Como

$$I_E\approx I_C$$

entonces

$$I_E\approx0.173mA$$

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9. Voltaje colector-emisor

Aplicando nuevamente la Ley de Kirchhoff:

$$V_{CE}=V_{CC}-I_C(R_C+R_E)$$

Sustituyendo

$$V_{CE} = 1.5- 0.173mA (3.3k+330)$$ $$V_{CE} = 1.5- 0.628$$ $$V_{CE} \approx0.87V$$

Este valor indica que el transistor trabaja dentro de la región activa, permitiendo la amplificación de señales de pequeña amplitud.

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10. Función de cada componente

R1

Proporciona la corriente de polarización de la base y establece la realimentación negativa desde el colector.

R5

Es la resistencia del colector.

Convierte las variaciones de corriente del transistor en variaciones de tensión.

R2

Estabiliza térmicamente el transistor.

Si aumenta la corriente del emisor, también aumenta la caída de tensión sobre R2, reduciendo automáticamente la conducción del transistor.

R3

Polariza internamente el micrófono electret.

C1

Acopla la señal del micrófono hacia la base del transistor.

Bloquea la componente continua.

C2

Entrega únicamente la señal alterna hacia la salida.

RL

Representa la carga conectada a la salida del amplificador.

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11. Resultados de la simulación

Durante la simulación se aplicó una señal senoidal de 50 mV a 300 Hz.

La gráfica obtenida muestra claramente que la amplitud de la señal de salida es considerablemente mayor que la señal de entrada, confirmando el funcionamiento del transistor como amplificador de pequeña señal.

Además, se observa el desfase característico de aproximadamente 180° propio de la configuración emisor común.

Figura 5. Comparación entre la señal de entrada (rojo) y la señal amplificada a la salida (verde). Se observa el incremento de amplitud y el desfase característico de la configuración en emisor común.

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12. Ventajas de esta configuración

Entre las principales ventajas de la polarización por realimentación colector-base se encuentran:

• Mayor estabilidad frente a cambios de temperatura.
• Menor dependencia del valor de β del transistor.
• Circuito sencillo.
• Bajo costo.
• Excelente para fines didácticos.

Estas características explican por qué esta configuración continúa siendo ampliamente utilizada en laboratorios de electrónica analógica.

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Conclusiones

El amplificador desarrollado demuestra cómo un transistor bipolar puede amplificar señales de audio de muy baja amplitud utilizando una configuración de polarización por realimentación colector-base.

El análisis matemático permitió determinar el punto de operación del transistor mediante la aplicación de la Ley de Voltajes de Kirchhoff y las ecuaciones clásicas de polarización estudiadas en la bibliografía especializada.

La simulación realizada en Proteus confirmó el correcto funcionamiento del circuito, observándose una señal de salida con mayor amplitud que la señal aplicada en la entrada, característica propia de un amplificador en configuración de emisor común.

Este tipo de práctica constituye una excelente introducción al estudio de los amplificadores con transistores BJT y sirve como base para el análisis de configuraciones más complejas empleadas en sistemas de audio y electrónica analógica.