DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE - Generator de semnal sinusoidal pentru domeniul de audio-frecventa

 

DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE

Generator de semnal sinusoidal pentru domeniul de audio-frecventa.

 

Se cere proiectarea unui generator de semnal sinusoidal pentru domeniul de audiofrecventa.

I. OSCILATORUL

Va fi realizat cu ajutorul unui amplificator operational si va avea frecventa cuprinsa intre f_min = 20 Hz si f_max = 27 KHz.

Tensiunea de iesire a oscilatorului va fi V_omax = 4V , iar tensiunea de iesire minima va fi V_omin = 2 mV.

Impedanta de sarcina va fi 50 Ω.

N = 2.

II.        RETELE DE REACTIE

Se va proiecta reteaua de reactie, ai carei paremetri vor determina proiectarea amplificatorului. Reteaua de reactie negativa este un circuit RC cu proprietati de selectivitate , in sensul ca prezinta un maxim al caracteristicii de transfer, F_W(w)= , unde U_ies,U_in sunt tensiunile de iesire , respectiv de intrare ale retelei de reactie negativa.

Exista mai multe tipuri de retele de reactie negativa din care mentionam:

Oscilatoare de ordin I la care reteaua de reactie defazeaza semnalul cu 180 iar amplificatorul defazeaza si el cu 180 ..Acestea sunt de fapt filtre trece jos sau trece sus de un anumit ordin la care se pune conditia ca la frecventa necesara , defazajul sa fie 180

Retea de defazare cu trei celule identice de tip trece sus:

Aceasta retea are frecventa la care defazeaza cu 180 data de relatia: f = unde k = , R = impedanta de intrare in amplificator si R_ies = impedanta de intrare a amplificatorului.

Retea de defazare cu trei celule identice de tip trece jos:

Frecventa de lucru a acestui filtru este :    f=.

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

reteaua dublu "T":

In cazul retelei dublu "T", frecventa utila este:    f = .

Reteaua Wien:

Reteaua Wien este cel mai folosit circuit de reactie pozitiva din oscilatoarele RC. Comportarea in frecventa a circuitului poate fi intuita tinand cont ca la frecvente joase condensatorul C1 reprezinta o intrerupere , iar la frecvente inalte C2 scurcircuiteaza la masa semnalul de la iesire . Astfel la frecvente extreme circitul are caracteristica de transfer nula in sensul ca la aceste frecvente circuitul nu lasa sa treaca nimic.

Rezolvand analitic se obtine un factor de transfer:

F_W(w)= =.

Maximul acestei functii de w este la frecventa la care termenul :

este nul , adica w = . La aceasta pulsatie defazajul introdus de retea este nul. Si acest aspect este important , pentru ca defazajul introdus de retea poate influenta caracterul reactiei (de exemplu , daca s-ar introduce un defazaj de 90 reactia nu ar mai fi pozitiva, ci negativa). Alura caracteristicii de transfer F_W(w) si a defazajului F_W w) introdus de reteaua Wien este data in figura de mai jos:

In practica se aleg cele doua rezistente respectiv cele doua condensatoare de valori egale astfel incat R₁=R₂=R iar C₁=C₂=C . In acest caz se obtine pentru caracteristica de transfer a amplificatorului , la frecventa f₀=w P, valoarea 1/3 adica atenuarea minima a retelei Wien este de 3 ori. Rezulta ca , pentru a indeplini conditia lui Barkhausen , care este in cazul nostru: F_W(w A_v =1 trebuie realizat un amplificator cu amplificarea A_v=3.

De o importanta deosebita sunt si aspectele legate de impedantele de intrare si iesire ale retelei Wien , care trebuie sa satisfaca anumite relatii impreuna cu impedantele de intrare, respectiv de iesire ale amplificatorului . Aceste relatii sunt legate de conditiile de idealitate in care a fost dedusa analitic caracteristica de transfer a retelei . In aceste conditii de idealitate , impedanta de iesire a amplificatorului ( considerat ca generatorul care ataca reteaua ) a fost considerata nula , iar impedanta de intrare la borna neinversoare a amplificatorului (considerata ca sarcina a retelei Wien) a fost considerata infinit de mare (reteaua in gol). Cum aceste valori nu pot fi obtinute , se va cauta ca rezistentele de intrare , respectiv iesire ale amplificatorului sa satisfaca conditiile de idealitate prin inegalitatile:

R^amplificator_iesire<< R^Wien_intrare

R^amplificator_intrare>>R^Wien_iesire

Se calculeaza analitic impedantele de intrare ale retelei Wien la w

R^Wien_intrare=3R

R^Wien_iesire=

Astfel se va proiecta amplificatorul , astfel incit conditiile de mai sus sa fie indeplinite.

Realizarea unei retele Wien a carei frecvente f₀ sa poata fi reglata in cazul nostru pe aproape trei decade (20Hz-27kHz) se va face prin introducerea , in locul rezistentelor din retea a unor rezistente variabile intre Rmin se Rmax astfel incat

f_min> si f_max<.

Cum introducerea doar a rezistentelor variabile nu este eficace in cazul gamei largi de frecvente , se vor folosi 3 condensatoare pe fiecare decada:

Schema retelei Wien pentru oscilator.

Asa cum se vede in figura 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.

Pentru proiectarea acestei retele Wien a fost necesara impartirea domeniului de frecventa in 3 benzi separate:

Banda 1 : 10Hz.100Hz   

Banda 2 : 100Hz.1kHz

Banda 3 : 1kHz.10kHz

Banda 4 : 10khz.100khz

Banda 1 - 10Hz.100Hz

Pentru amplificatoare obisnuite , rezistenta minima a retelei Wien o alegem de 1kW. Alegem o rezistenta RBC de 0,25W cu toleranta 1% ( E96 ) .In cazul cel mai defavorabil R_min=1kW+0,01KW W

Calculam condensatorul retelei Wien:

C1 ==15,75 10^-7F=1,5mF

Alegem C1=1,5mF

In cel mai defavorabil caz , atunci cand R_min=1010W si C1=1mF+10%=1,1mF , frecventa maxima va fi:

f_max== 143 Hz .

Calculam acum potentiometrul necesar.Valoarea sa maxima ,

P^max= -R_min==13144 W

Alegem P^max=15kW cu o toleranta de 10%.De mentionat ca in calculul acestei valori am considerat tot cazul cel mai defavorabil , adica:

R_min=1010W si

C1=0,9mF

Calculam , in cazul cel mai defavorabil (C1=0,9mF , P^max=13,5 kW , R_min=900 W ), frecventa minima a oscilatorului.:

f_min==11.4 Hz ,

deci este atinsa oricum si frecventa minima de 12,5 Hz

Banda 2 - 100Hz.1kHz

In acest caz , alegem C2=0,1 C1=100nF Se modifica imediat si frecventele limita ale benzii:

f_max=1430Hz

f_min=114Hz

Banda 3 - 1kHz.10kHz

In acest caz , alegem C3=0,01 C1=10nF Frecventele limita ale benzii sunt in acest caz:

f_max=14300Hz

f_min=1140Hz

Banda 4 - 10khz.100khz

In acest caz , alegem C4=0,01 C1=1nF Frecventele limita ale benzii sunt in acest caz:

f_max=143000Hz

f_min=11400Hz

Dupa cum se observa , frecventele limita sunt atinse , iar in cazul cel mai defavorabil, beznzile se suprapun , astfel incat nu exista frecvente din domeniu care sa nu fie atinse.

III.     PROIECTAREA AMPLIFICATORULUI

Se va proiecta un amplificator cu intrare diferentiala si cu urmatorii parametri:

- Amplificarea in bucla deschisa a_v>>3

- Rezistenta de intrare la borna neinversoare >>1,5 57kW

- Rezistenta de iesire <<1,5 1kW

- Rezistenta de sarcina R_L=50W

Schema circuitului ce include amplificatorul. Se alege AO de tip BA 741.

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 etsjului anterior de b b ori.Rezulta , daca consideram ca tranzistorii aru 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 deP=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

IV.      REACTIA NEGATIVA

Acest circuit este realizat cu TEC-J si are rolul de a mentine amplificarea circuitului la valoarea 3 atunci cand semnalul la iesire este de 2V_VV.Atuci cand el tinde sa creasca , amplificarea circuitului scade , iar cand semnalul scade , amplificarea creste.Acest circuit de autoreglare este necesar deoarece conditia de oscilatie a semnalului este o egalitate    (relatia Barkhausen ) , imposibil de obtinut practic.

Schema retelei de reactie negativa:

Schema retelei de reactie negativa.

Dioda Df redreseaza tensiunea de la iesirea oscilatorului , astfel ca la bornele condensatorului C_f2 de obtine o tensiune continua, negativa, proportionala cu amplitudinea semnalului de iesire . Aceasta tensiune comanda poarta tranzistorului care isi modifica transconductanta si influenteaza reactia negativa, asa cum a fost descris. Alegem TEC-J-ul de tip BF 256 cu urmatorii parametri de catalog:

I_DSS=6..10 mA , V_T=-1..-3V , V_Dsmax=30V.

Deoarece am ales 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-J-ul are transconductanta:

g_m=;

Cum V_GS=0 rezulta ca g_m = - = - = 8 mA/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 de 250W

Alegem Rf2 ceva mai mare decat valoarea de 50kW

Rf2=56 kW

Putem calcula acum Rf3:

Rf3 este inseriata cu r_ech si acestea doua , in paralel cu Rf2 trebuie sa aiba rezistenta de 50kW. r_ech = este considerata la V_GS=-5V.

Deci:

50kW= rezulta Rf3:

Rf3==466kW deci alegem Rf3=470 kW

Trebuie proiectat divizorul Rf4-Pf astfel incat , dupa redresare si filtrare in poarta tranzistorului sa avem o tesiune de 1V.

Divizorul de tensiune va diviza tensiunea de la iesirea oscilatorului de 4V la valoarea de 1V.

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

deci Pf = 10kW

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

Alegem condensatorul Cf2 astfel incat:

Cf2>> ==42mF Alegem un condensator electrolitic de 100mF 20% la tensiune de lucru de16V.

Alegem Cf1>> ==21mF Alegem Un condensator de 10mF

Dioda Df va fi de tip 1N4148 care suporta 200mA si o tensiune inversa maxima de 75V.

V.         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.

VI. Proiectarea Transformatorului

Pentru a cacula parametrii transformatorului , tinem cont ca pe cele doua ramuri curentul de varf nu depasaete 200 mA. Proiectam transformatorul la o putere de 200mA 10V=2W.

Sectiunea miezului de tole este S_f unde f este frecventa 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 0,6.1,2T

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 =9.1mA. Alegem diametrul conductorului din infasurarea primara de 0,08 mm.

A rezultat un transformator cu urmatorii parametri:

Proiectarea redresorului si a filtrului:

Schema propusa.

Alegem puntea de diode DB =1PM05 cu un curent maxim admis de 1A si o tensiune maxima admisa de 50V. Alegem condensatoarele electrolitice de filtraj C1=C2=1500mF/16V.

Proiectarea stabilizatorului:

Schema stabilizatorului de 12 V.

La acest tip de stabilizator tensiunea de iesire este de U_ies=U_z-V_BE . Cum V_BE=0,6V, vom alege dioda Zerner de 12V (DZ12 ) care are un curent nominal de 5 mA.

Alegem Ts11=BD135 cu h_21e=70 minim , deci I_Bs11=200mA/70=2,8mA si rezulta un curent prin R_S1 de I_Z+2,8 mA=7,8 mA

Caderea de tensiune de la bornele sale este de circa 1,4V , deci putem calcula Rs1==250W. Alegem Rs1=250W E24 ,

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

-Qs1 se schimba cu Qs2 , complementarul sau BD136

-Dioda Zerner isi schimba anodul cu catodul

Schema stabilizatorului de -9 V

Schema bloc a generatorului de semnal pentru domeniul de audio frecventa este:

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.

BIBLIOGRAFIE

Rusu A., Brezeanu Gh., Circuite electronice: Culegere de probleme pentru proiectare

Dascalu D., Rusu A., Profirescu M., Dispozitive si circuite electronice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982

World Wide Web

Indrumar de laborator DCE