Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

Oscilator armonic de audiofrecventa

1. Tema proiectului

Sa se proiecteze un oscilator armonic de audiofrecventa cu tranzistoare cunoscand urmatoarele:

Frecventa de oscilatie in gama:.20Hz

Rezistenta de sarcina R_L W

Amplitudinea tensiunii sinusoidale pe sarcina V_0Max= 4V

Limitarea amplitudinii de oscilatie se va obtine cu baretor.

Alimentarea montajului va fi facuta cu o sursa stabilizata cu protectie la scurtcircuit si la supratensiune al carei coeficient de stabilizare K= va fi de minim 100, iar randamentul h de minim 60%.

Tensiunea de alimentare este de 220 V_ef si frecventa de 50Hz.

La iesire, oscilatorul va fi prevazut cu un atenuator calibrat cu treptele de atenuare 1/1, 1/10 si 1/100.

2. Schema bloc

Oscilatorul de audiofrecventa contine urmatoarele blocuri funtionale:

			Etaj final

out

								Limitator    cu reactie negativa

~220V_ef

Transformator, redresor, filtru.

Stabilizator de tensiune.

Amplificator.

Retea de reactie pozitiva.

Limitator cu reactie negativa.

Etaj final (atenuator calibrat).

3. Functionarea circuitului

Functionarea oscilatorului se bazeaza pe teoria reactiei pozitive, reactie care duce la apritia oscilatiilor autointretinute. Conditiile pentru autooscilatie depind de amplificator si reteaua de reactie pozitiva. Din dimensionarea elementelor retelei de reactie pozitiva se obtine frecventa de rezonanta la care este posibila autooscilatia. Dar, daca amplificatorul s-ar comporta liniar, aceasta autooscilatie ar duce la cresterea pana la infinit a amplitudinii semnalului la iesire. Acest lucru nu este dorit, de aceea se introduce o limitare prin reteaua de reactie negativa, pentru a se mentine conditia Barkhausen .

Amplificatorul este alimentat de la reteaua de curent printr-un transformator cu redresor si filtru si printr-un stabilizator de tensiune.

Semnalul sinusoidal este livrat pe rezistenta de sarcina prin intermediul unui etaj final, care realizeaza atenuarile de 1 si

4. Oscilatorul

4.1 Reteua de reactie pozitiva

Se foloseste o retea de reactie pozitiva de tip Wien (prezinta multe avantaje fata de alte tipuri de retele de reactie pozitiva). Aceasta este cea care da frecventa de oscilatie daca sunt respectate conditiile de impedante (la frecventa de oscilatie):

impedanta da iesire din amplificatorul de tensiune sa fie mult mai mica decat impedanta de intrare in reteaua de reactie pozitiva:

impedanta de intrare in amplificatorul de tensiune sa fie mult mai mare decat impedanta de iesire din reteaua de reactie pozitiva:

S-au ales pentru simplificare valori egale ale rezistentelor, respectiv condensatoarelor din bratele retelei Wien. In acest caz, notand cu si impedantele celor doua brate ale retelei, vom avea:

si .

Functia de transfer pentru reteaua Wien este:

Pulsatia la care defazajul este nul se obtine anuland partea imaginara a functiei de transfer:

Aceasta este frecventa de rezonanta a retelei Wien. La aceasta frecventa se obtine maximul functiei de transfer:

Impedantele de intrare si iesire pentru retea sunt:

In practica se pot realiza amplificatoare de tensiune cu:

si

Deci este suficienta o rezistenta (care este standardizata). Din conditia ca frecventa de oscilatie sa fie si din rezulta . Si aceasta valoare se gaseste standardizata.

Reteaua de reactie pozitiva va avea urmatoarea schema:

4.2 Amplificatorul cu reactie negativa

Conditia de oscilatie in regim permanent este:

Pentru amorsarea oscilatiilor atunci cand amplitudinea lor creste peste valoarea este necesar sa avem o comportare neliniara a amplificatorului cu reactie negativa. Este nevoie ca amplificarea acestuia sa fie functie de amplitudinea semnalului de la iesire: . Pentru amorsarea oscilatiilor este nevoie ca . Deci, daca dintr-un motiv oarecare creste amplitudinea semnalului de la iesire peste 4V, amplificarea scade, deci si scade la valoarea initiala. O schema de reactie negativa este:

Daca folosim un amplificator cu , amplificarea cu bucla de reactie negativa este:

.

Deci este nevoie ca un dintre rezistente sa fie neliniara in raport cu amplitudinea . In regim de oscilatie se obtin conditiile: , si . S-a considerat rezistenta de intrare in amplificator suficient de mare pentru a se face aproximarea ca ambele rezistente din reteaua de reactie negativa sunt parcurse de acelasi curent.

4.3 Reactie negativa cu baretor

Baretorul este un bec telefonic. Acesta are o comportare asemanatoare cu a unui termistor PTC. Ca urmare, rezistenta becului creste cu curentul care il parcurge. In schema amplificatorului becul substituie rezistenta . Tensiunea efectiva la bornele becului va fi:

Se obtine: . Acest punct trebuie sa fie plasat in domeniul de variatie maxima a rezistentei becului. Este deci recomandat un bec de 24V 45mA. Pentru acesta , deci .

Din conditia se obtine .

Amorsarea oscilatiilor este asigurata de cresterea rezistentei becului odata cu cresterea amplitudinii semnalului sinusoidal de la iesire.

Schema retelei de reactie negativa este:

4.4 Amplificatorul de tensiune

Pentru amplificatorul de tensiune se utilizeaza o schema de tipul:

S-a utilizat o intrare diferentiala pentru a avea o impedanta de intrare cat mai mare si un castig cat mai bun in amplificare.

Pentru avea un PSF care sa ofere la iesire un offset de curent continuu nul s-a folosit alimentarea diferentiala.

4.4.1 Calculul de curent continuu

Presupunem ca tranzistoarele si lucreya in RAN :

Iar (din cauza simetriei).

Se va alege valoarea standardizata

se alege valoarea standardizata

Se aleg si de tip BC107A cu

Presupunem in RAN cu

Vom considera potentialul pe colectorul lui nul, deci

Se alege pentru valoarea standardizata

Se va alege de tip BC 177 cu

La tranzistorul pentru a evita blocarea sau saturarea in regim oscilant trebuie sa avem un PSF suficient de ridicat:   

Presupunand ca amplificatorul lucreaza pe rezistenta iar lucreaza in conexiune colector comun, in semnal alternativ, vom avea:

Deci este suficient pentru in RAN (pentru a avea potential nul la iesirea amplificatorului). Atunci:

Se alege tranzistorul de tip 2N2218A (tranzistor de audiofrecventa care poate disipa maxim 3W).

Pentru tranzistorul trebuie avut in vedere ca el este generator de curent pentru tranzistorul . Deci vom avea: si daca presupunem vom avea:

.

Se alege (valoare standardizata). Refacand calculele:

.

Facand bilantul de putere:

.

Si in acest caz se alege un tranzistor de tip 2N2218A. Acesta va lucra in regim activ normal fara a exista pericolul unei supradisipari.

Tinand cont de faptul ca cel mai mare curent prin circuit este de 40mA iar tensiunea maxima este de 24V (limitata de alimentarea oscilatorului), puterea maxim disipata de oricare dintre rezistente trebuie sa fie mai mare sau egala cu 1W.

4.4.2 Calculul de semnal mic

Pentru si de tip BC107A avem:

Deci rezistenta de intrare in amplificator va fi:

Rezistenta de iesire din primul etaj este practic egala cu .

Tranzistorul lucreaza in conexiune sarcina distribuita deci amplificarea sa va fi:

.

Etajul tranzistorului este de tip emitor comun. Pe seama acestui etaj se realizeaza amplificarea in tensiune. Pentru BC177 avem:

deci:

Atunci

Iar

Amplificarea totala in bucla deschisa va fi: (foarte buna). Se asigura astfel pentru amplificatorul cu reactie negativa.

4.5 Simularea SPICE a oscilatorului

Oscilatorul complet (Anexa 2) a fost simulat SPICE. Considerand alimentarea de 12V curent continuu si rezistenta de sarcina de se observa aparitia la iesire a unui semnalde tip sinusoidal.

Semnalul la iesirea oscilatorului este prezentat in Anexa 3. In Anexa 4 este prezentat semnalul pe durata a doua perioade. Forma de unda este destul de apropiata de o sinusoida.

5. Alimentarea circuitului

Alimentarea circuitului se face de la reteaua de tensiune de 220V curent alternativ (50Hz) printr-un bloc de transformare, redresare si filtrare, iar apoi printr-un stabilizator de tensiune. Amplificatorul se alimenteaza diferential cu +/- 12V

5.1 Blocul transformator, redresor, filtru

<de copiat>

<de copiat>

5.2 Stabilizatorul de tensiune

<de copiat>

<de copiat>

<de copiat>

6. Etajul final

<de copiat>

<de copiat>

7. Schema finala

Schema completa a circuitului proiectat este prezentata in Anexa 5 iar componentele, valorile si tipul acestora se gasesc in Anexa 1.

Bibliografie

Anexa 1 - Componentele utilizate