Dispozitive si Circuite Electronice

Tema

N=5

Sa se proiecteze un oscilator de audio frecventa cu scop didactic.

Specificatii constructive:

1)Oscilatorul va fi realizat cu ajutorul unui amplificator operational si va avea frecventa cuprinsa intre f_min = 50 Hz si f_max = 30 KHz.

Tensiunea de iesire are o amplitudine maxima V_omax = 4V si o tensiune de iesire minima V_omin = 5 mV.

Impedanta de sarcina este pur rezistiva cu RL

Retele de reactie.

Se va realiza o prezentare si o comparatie intre reteaua Wien si alte tipuri de retele de reactie (dublu T, T podit) ridicandu-se caracteristica functie de transfer. Se va adapta pentru oscilator una din retele.

Buffer (etaj separator): Se va realiza eventual folosind o retea de tip atenuator calibrat. Acesta va permite un reglaj in trepte (brut) precum si fin a amplitudinii semnalului de iesire.

Adaptare etaj amplificator à repertor pe emitor

Sursa de alimentare stabilizata pentru alimentarea intregului montaj este compusa din: transformator, redresor, filtru si stabilizator.

Stabilizator va fi tranzistorizat.

Schema de principiu (schema bloc):

Circuitul principal al oscilatorului este amplificatorul cu reactie negativa. Acest circuit are doua intrari: una inversoare, notata pe schema cu "-", si una neinversoare notata pe schema cu "+". Semnificatia lor este aceea ca amplificatorul amplifica de fapt diferenta semnalelor de la cele doua intrari, cea neinversoare, respectiv cea inversoare. Astfel la iesirea amplificatorului vom avea un semnal :

U_ies= A (U_in⁺ - U_in^-)

Unde:

U_ies - este tensiunea la iesirea amplificatorului

U_in⁺ - tensiunea la borna neinversoare

U_in^- - tensiunea la borna inversoare

A - amplificarea in prezenta reactiei negative.

Proiectarea retelei de reactie negativa

Reteaua de reactie negativa este un circuit RC cu proprietati de selectivitate , in sensul ca prezinta un maxim al caracteristicii de transfer, FW(w) = , unde U_ies, U_in sunt tensiunile de iesire, respectiv de intrare ale retelei de reactie negativa .

Clasificare.

- Oscilatoare de ordin I: reteaua de RN defazeaza cu 180 grade iar amplificatorul defazeaza si el cu 180 de grade - constituie filtre trece jos sau filtre trece sus la care se impune conditia ca la frecventa stabilita, semnalul sa fie defazat cu   180 grade.

a)              Filtru trece sus:

Daca notam k = , atunci frecventa la care reteaua defazeaza cu 180 grade va fi data de formula f = unde :

R = impedanta de intrare in amplificator;

R_ies = impedanta de intrare a amplificatorului

b)              Filtru trece jos:

frecventa de lucru a acestui filtru este : f =

- Oscilatoare de ordin II: reteaua are defazaj nul la frecventa utila, iar amplificatorul este neinversor:

a) Reteaua dublu T:

frecventa utila este , in acest caz f =

b)              Reteaua Wien:

La frecvente joase condensatorul C1 este o intrerupere iar la frecvente inalte C2 va scutcircuita semnalul la masa. Deci este un filtru trece banda, la frecventele extreme el nu lasa semnalul sa treaca.

Vom analiza circuitul calculand functia de transfer :

F_W(w)= =.

Pentru a obtine un maxim, trebuie anulata partea imaginara a numitorului rezultand = 0 , adica w = . w este frecvanta la care functia de transfer a circuitului atinge un maxim. Prin urmare defazajul introdus de aceasa retea este nul la frecventa w

Daca s-ar introduce un defazaj de 90 grade atunci reactia nu ar mai fi pozitiva ci negativa.

Pentru valori egale R1 = R2 = R si C1 = C2 = C se obtine w = . Rezulta ca la frecventa f₀ = w P , F_W(w) = 1/3 adica atenuarea minima a retelei Wien este de 3 ori.

Tinand cont de conditia lui Bakhausen care spune:

F_W(w A_v = 1, rezulta ca trebuie realizat un amplificator care are A_v =3.

Un alt lucru de care trebuie tinut cont sunt impedantele de intrare / iesire ale retelei Wien care trebuie sa indeplineasca conditiile de adaptare la impedantele de intrare / iesire ale amplificatorului operational.

In conditii de idealitate se considera impedanta de iesire a amplificatorului ca fiind nula , iar impedanta de intrare la borna neinversoare a amplificatorului operational (care este de fapt sarcina retelei Wien ) infinita, adica reteaua este in gol.

Dar cazurile de idealitate sunt doar teoretice si in practica trebuie sa ne apropiem cat mai mult de situatia ideala.

Se vor impune conditiile ca:

R^am_iesire<< R^Wien_intrare

R^am_intrare>>R^Wien_iesire

La frecventa w frecventa calculam R^Wien_{intrare ,} R^Wien_iesire

R^Wien_intrare = 3R R^Wien_iesire =

Realizarea unei retele Wien a carei frecvente f₀ sa poata fi reglata in cazul nostru pe aproape trei decade (50Hz-30kHz) se va face prin introducerea , in locul rezistentelor din retea a unor rezistente variabile intre R_min si R_max astfel incat

f_min> si f_max<.

Schema retelei Wien:

Potentiometrele P variaza sincron iar cand cursorul este la minim acestea au rezistenta nula si R = Rmin. Cand cursorul este la maxim, potentiometrele vor avea o valoare Pmax si R = Rmin + Pmax

Comparatie cu alte tipuri de retele de reactie

Un alt tip de retea selectiva RC, este compusa din 2 cuadripoli in T (figura de mai jos) conectati in paralel:

Cuadripolul format rezistentele R si capacitatea C/K (filtru trece-jos) si cuadripolul format din capacitatile C si rezistenta KR (filtru trece-sus).

C C

R R

V₁ KR C/K V₂

Calculam functia de tranfer a retelei.Deorece avem 2 cuadripoli conectati in paralel vom folosi exprimarea sub forma de admitanta(Y).

i₁ i₂

V₁ [ Y ] V₂ R_L1

Pentru avem:

Pentru a calcula functia de transfer a relatiei dublu T folosim 2 cuadripoli y^' si y^'' de tipul celui din figura de mai sus, pentru care avem relatiile:

- pentru y^'

- pentru y^''

Adunand ecuatiile (2) si (4), respectiv (1) cu (3) obtinem:

, respectiv

.

Daca

,dar .

Analog pentru

Rezulta ca functia de transfer este:

pentru rezonanta si

deci la rezonanta. Rezulta pentru k>0.

Pentru .

Pentru .

Pentru .

Facand derivata funtiei de transfer in functie de k se obtine si daca (nu este bun deoarece nu a fost ales conform conditiilor)

este optim si da maximul cel mai mare cu conditia .

Pentru acest k₂ maximul functiei de trasfer este conform conditiilor Barkhansen avem .

Pentru k=1/2, reteaua dublu T introduce un defazaj nul la frecventa f₀, iar functia de transfer are valoare nula.

O alta retea selectiva, derivata din reteaua dublu T, este reteaua T ce poate fi realizata ca in figurile de mai jos:

C KR

V₁  R R V₁ V C C V

KC R V

si alimentata de la un generator de tensiune. Aceasta retea prezinta un defazaj nul la o frecventa si modulul functiei de transfer pentru frecventa f₀ are valoarea . Aceasta retea nu se foloseste de obicei datorita slabei sale selectivitati, cu toate ca ea ofera posibilitatea realizarii unui oscilator de frecventa variabila.

Reteaua dublu T poate fi alimentata de un generator de tensiune sau de curent (in figura de mai jos). Iesirea este considerata in gol, iar in figura de mai jos iesirea retelei este considerata ca fiind in scurtcircuit.

Functia de transfer a acestei retele este:

, cu

R KC

i₁ i₂

R R/K

R C

Reteaua introduce defezajul , intre curentul de iesire i₂ si cel de intrare i₁ la frecventa de - frecventa de rezonanta de la Wien.

Realizarea unei retele Wien a carei frecvente f₀ sa poata fi reglata in cazul nostru pe intervalul [50Hz ; 30kHz] se va face prin introducerea, in locul rezistentelor din retea a unor rezistente variabile intre Rmin si Rmax astfel incat

f_min> si f_max<.

Proiectarea retelei Wien

Vom urmari acoperirea unei benzi de frecventa situate intre 50Hz si 30kHz prin impartirea acesteia in trei intervale.

se vor folosi 3 condensatoare, cate unul pentru fiecare interval de selectie. Vom imparti domeniul de frecvente in trei decade:

50Hz300Hz

300Hz..3KHz

3KHz30KHz

Potentiometrele P variaza sincron (fizic ele au cursoarele montate pe acelasi ax) iar cand cursorul e la minim, rezistenta potentiometrelor este nula iar R=R_min. Cand cursorul e la maxim R=P^max+Rmin, unde P^max este valoarea maxima pe care o poate lua potentiometrul P.

P=10R_min

Alegem potentiometrul liniar dublu P32723 de valoare nominala 10KΩ±10% si rezistenta minima R_min=1 KΩ±1%.

Prima decada: 50Hz.300Hz

Alegem ca valoare de referinta frecventa minima, pentru cazul de fata f_1min=50Hz. Alegem conditiile astfel incat in cazul cel mai defavorizat sa avem frecventa minima reglabila.

Potentiometrul si rezistentele au valorile in cazul cel mai defavorizat la toleranta negativa:

=9KΩ

=990Ω

=318nF

, alegem din catalog cea mai apropiata valoare superioara si care sa functioneze in parametrii la aceasta frecventa C₁=0.47uF±10% (CTS-P.10.71 - condensator cu tantal cu electrolit solid)

A doua decada: 300Hz..3KHz

, alegem din catalog valoarea cea mai apropiata care sa satisfaca conditiile impuse C₂=0.047uF±10%. (HC 24.23 - condensator cu hartie uleiata)

A treia decada: 3KHz..30KHz

, alegem condensatorul C₃=0.047uF±10% (HC33.02-condensator cu hartie impregnata cu ceara)

Proiectarea amplificatorului

Parametrii de proiectare:

-Amplificarea in bucla deschisa a_v>>3

-Rezistenta de intrare la borna neinversoare >>1,5 10KW

-Rezistenta de iesire <<1,5 1KW

-Rezistenta de sarcina R_L=50W

Realizam acest circuit dupa schema:

Alegem AO de tip BA741.

Rezistenta de intrare in cele doua intrari (cea inversoare si cea neinversoare) este mai mare de 2MW , iar cea de iesire este de ordinul zecilor de ohmi deci acest amplificator satisface cerintele legate de rezistentele de intrare, respectiv iesire.

Amplificarea in bucla deschisa este de minim 2 10⁵>>3

Tensiunea de alimentare diferentiala o este de 9V (data de proiectare).

Tranzistorii T₁ si T₂ indeplinesc functia de buffer si sunt necesari deoarece rezistenta de sarcina, R_L este mica, 50W. Tinand cont ca este repetor pe emitor, el va micsora practic rezistenta etajului anterior de b b ori. Rezulta, daca consideram ca tranzistorii au b_min = 100, ca rezistenta etajului anterior trebuie sa fie de maxim 500kW. Alegem deci P = 500kW. La randul sau P trebuie sa fie mult mai mare decat rezistenta maxima de iesire a etajului urmator (atenuatorul in trepte). Aceasta la randul sau are valoarea de R1/(R2+R3+R4+R5) si este, tinand cont de treptele alese, de R1/2 (R1=R2+R3+R4+R5). Rezulta ca putem alege R1=10kW, de unde rezulta si celelalte rezistente ale atenuatorului:

R2 = 9,09kW, R3=909W, R4=90,9W, R5=9.09W - rezistente de 0,25W, clasa de precizie E96 cu toleranta

Prin R7 va circula un curent de minim , iar la borne va avea o tensiune de circa Vcc-V_BE1-V_BE2 = 8-1,2 = 7,8V deci va avea valoarea de:

R7=. Puterea maxima disipata este de P=2 7,8 V 60mA = 0,936W, deci R7 va avea puterea disipata de mimim 1W. Alegem R7 de 110W din clasa E12 cu toleranta

T1 disipa tot 0,936W, deci il alegem de tip BD135 (V_CE=45V, I_C=1A, P_d=6,5W, bmin=70)

T2 il alegem BC107 cu (V_CE=45V, I_C=100mA, P_d=300mW , bmin=125).

R5 o alegem de 100KW 10%, 0,25W, astfel incat r_p >R5>P.

Condensatoarele C1, C2 trebuie sa prezinte o reactanta neglijabila la frecventele de lucru. Rezulta relatia de dimensionare:

;

Alegem C1=100nF 10%, C2=100mF

Proiectarea amplificatorului

Circuitul de reactie negativa este realizat cu TEC-J. Functia lui este de autoreglare, el mentinand amplificarea circuitului la valuarea 3 - relatia Barkhausen este imposibil de realizat practic (cand semnalul de iesire creste, amplificarea circuitului scade si invers).

Schema retelei de reactie negativa:

Functionare:

Tensiunea de la iesirea amplificatorului este redresata de tensiunea Df. Vom avea astfel la bornele condensatorului Cf2 o tensiune continua proportionala cu tensiunea de iesire.

Alegem TEC-J-ul de tip BF 256 cu I_DSS = 6..10 mA, V_T = -1..-3V, V_Dsmax = 30V.

Deoarece R_F1 = Rp₁ = 100kW trebuie ca rezistenta echivalenta a circuitului format din Rf2 in paralel cu restul circuitului sa fie de circa 50kW, pentru ca factorul de transfer sa fie 1/3=.

Cand semnalul de iesite are valoarea OV (conditie initiala), TEC-ul are transconductanta:

g_m = ;

Cum V_GS = 0 rezulta ca g_m = - = - = 8mA/V

Rezistenta echivalenta a TEC-J-ului este r_ech = = 0,125 kW W

Estimam transconductanta TEC-J-ului la V_GS = -0.1V:

g_m = -(1-) = 4mA/V

Rezistenta echivalenta in acest caz este 1/gm W

Rf2 = 56 kW

Calculam Rf3:

50kW = =>

Rf3 = = 466kW deci alegem Rf3 = 470 kW

Mai trebuie proiectat divizorul Rf4 - Pf.

Alegem Rf4 de 10kW. Rezulta valoarea lui P din relatia:

deci P = Rf4 = 10kW

Deoarece reglajul amplitudinii este destul de critic , vom alege un potentiometru semireglabil de 100kW pentru P din care de va regla precis amplitudinea dorita.

Alegem condensatorul Cf2 astfel incat:

Cf2 >> = = 41mF. Alegem un condensator electrolitic de 100mF 20% la tensiune de lucru de16V.

Alegem Cf1 >> = = 14mF. Alegem un condensator de 100mF 20% la tensiune de lucru de 16V.

Mai alegem dioda Df de tip 1N4148 care suporta 200mA si o tensiune inversa maxima de 75V.

Proiectarea sursei de alimentare

Sursa de alimentare va asigura cele doua tensiuni de alimentare, direct de la reteaua de 220V

Schema bloc:

Pentru o buna functionare a stabilizatorului va trebui ca la intrarea acestuia, adica la iesirea redresorului sa avem o tensiune mai mare cu cativa volti fata de cea stabilizata. O tensiune mare duce de obicei la cresterea factorului de stabilizare a stabilizatorului prin cresterea amplificarii amplificatorului de eroare, dar scade randamentul sursei. Uzual, pentru tensiuni mai mici de 12V se alege tensiunea mai mare cu circa 2V. Vom avea, asadar o tensiune de 11V dupa redresor si filtru. Aceasta este obtinuta prin redresarea si filtrarea unei tensiuni sinusoidale si este de obicei egala cu valoarea de varf a tensiunii alternative. Astfel, putem calcula valorile efective ale tensiunilor date de transformator:

V_ef = V_{intr,stabilizator} ==7,8V.

Vom dimensiona un transformator cu priza mediana care are cele doua tensiuni secundare de 8V_ef.

Proiectarea transformatorului

Grosimea pachetului de tole: 2a. Calculul parametrilor transformatorului:

-dimensiunea a

-numarul de spire pe volt

-grosimea conductorilor folositi

Pentru a calcula parametrii transformatorului, tinem cont ca pe cele doua ramuri curentul de varf nu depasaete 200 mA. Proiectam transformatorul la o putere de 200mA 5 = 2W

Sectiunea miezului de tole este S_f unde f este fercventa retelei, 50Hz

Rezulta, cu aceasta formula o sectiune de: 1,4cm². Cu valoarea acestei sectiuni alegem tola necesara. Alegem tola de tip E16 cu a = 16mm.

Pentru acest tip de tole se calculeaza numarul de spire pe volt

n_v = , unde B este inductia maxima in miez si care se considera 0,6.1,2 T

pentru B = 0,6, cazul cel mai nefavorabil, n_v = 29 spire pe volt (in primar se vor lua cu circa 10% mai multe).

Pentru o incarcare in curent a conductorilor de 2A/mm², alegem pentru secundar diametrul conductorullui de 0,4 mm la curentul maxim de 200mA.

In primar curentul este de = 9,09mA. Alegem diametrul conductorului din infasurarea primara de 0,08 mm.

A rezultat un transformator cu urmatorii parametri:

Proiectarea redresorului si a filtrului

Alegem puntea de diode DB = 1PM05 (I max 1A si Umax = 50V ).

Alegem condensatoarele electrolitice de filtraj Cr1=Cr2=1500mF/16V.

Proiectarea stabilizatorului

Calcului elementelor schemei :

Tensiunea de iesire este U_ies = U_z - 2V_BE Alegem dioda Zener de 12V (DZ12 ) cu un curent nominal de 5 mA.

Alegem T1 = BC107 , cu h₂₁ = 125 minim , T2 = BD135 cu h_21e = 70 minim, deci

I_Bs11 = 300mA/70 = 4,28mA si rezulta un curent de baza pentru

T1 = 4,28mA/125 = 0,034mA.

UR = 1V, iar curentul prin IR = I_Z + 0,034 mA = 0,534 mA

=> R = 1V/0,534mA = 1,87kW E24 ,

Pentru stabilizatorul de -9V toate componentele isi schimba polaritatea:

-T1 BC 108

-T2 BD136

-Dioda Zener isi schimba pozitia:

Calculul rezistentei de iesire:

Ro=(R//Rz)/400

Ro<0,03 , deci conditia de proiectare este satisfacuta.

Schema electronica de detaliu:

Lista componente:

Tip  Cantitate Denumire pe schema

5- Terminal Opamp, 741 1 AR1

Capacitor, 100nF, 10% 3 C1, C4, C8

Capacitor, 100uF, 10% 1 C2

Capacitor, 1uF, 10% 2 C3, C7

Capacitor, 10nF, 10% 2 C5, C9

Capacitor, 1nF, 10% 2 C6, C10

Capacitor, 1500uF, 20% 2 C15, C16

Capacitor, 100uF, 20% 2 C21, C22

Polarised Capacitor, 100uF 2 C19, C18

Polarised Capacitor, 1000uF 2 C20, C17

Diode, 1N4148 1 D4

Full-Wave Bridge Rectifier, 1PM105 1 D1

Zener Diode, Dz12 2 D2, D3

Transformer, ideal 1 T1

N-Channel JFET, BF256 1 Q3

NPN Transistor, BD135 2 Q5, Q1

NPN Transistor, BC107 2 Q4, Q2

PNP Transistor, BC108 1 Q6

PNP Transistor, BD136 1 Q7

Potentiometer, [P], 10k, 50%, 10% 1 R18

Potentiometer, [P], 11k, 50%, 10% 2 R10, R13

Potentiometer, [R], 500k, 50%, 5% 1 R6

Resistor, 10 k, 0/^oC,0/^oC² , 10%  1 R17

Resistor, 56k, 0/^oC,0/^oC² , 10%  1 R15

Resistor, 100k, 0/^oC,0/^oC², 10%  2 R14, R7

Resistor, 190k, 0/^oC,0/^oC², 10%  1 R8

Resistor, 9.09, 0/^oC,0/^oC², 1%  1 R4

Resistor, 90.9, 0/^oC,0/^oC², 1%  1 R5

Resistor, 400k, 0/^oC,0/^oC²  1 R19

Resistor, 909, 0/^oC,0/^oC², 1% 1 R3

Resistor, 9.9k, 0/^oC,0/^oC², 1%  1 R2

Resistor, 1k, 0/^oC,0/^oC², 1%  1 R11

Resistor, 10k, 0/^oC,0/^oC², 1% 1 R1

Resistor, 400, 0/^oC,0/^oC²  1 R20

Resistor, 50, 0/^oC,0/^oC²  1 R9

Resistor, 470k, 0/^oC,0/^oC², 10%  1 R16

Resistor, 1k, 0/^oC,0/^oC²  1 R12

Biblografie:

Circuite intregrate Analogice Editura Tehnica Rapeanu R.

Dioda Zenner. Aplicatii  Editura tehnica I Feier

Disp. Circ. Electr. Inst Politehnic B R. Adrian

Proiectarea unor circ electr  Editura Facla G. Mircea

Internet:

www.elforum.ro

Software folosit pentru realizarea schemelor electrice:

PSpice Schematics 9.1

Electronics Workbench