Facultatea de Electronica si Telecomunicatii j4c11ci
Sectia Inginerie Fizica

Dispozitive si Circuite Electronice - Generatorul de semnal de audiofrecventa

Coordonator:

Tema
Sa se proiecteze un generator de semnal sinusoidal pentru domeniul de audiofrecventa.
Elemente de proiect
1. Oscilator va fi realizat cu ajutorul unui amplificator avand frecventa cuprinsa intre fmin=25Hz si fmax=27kHz.
Tensiunea de iesire va avea amplitudine minima V0min=2mV si amplitudinea maxima V0max=1V. Impedanta de sarcina se considera pur rezistiva si are RL=50ohmi.
2. Retale de reactie (filtre)
Se va realiza o prezentare si o comparatie intre reteaua Wien si alte tipuri de retale de reactie si se vor adopta pentru oscilator una din acele retele.
3. Buffer-ul (etaj separator) va fi realizat cu posibilitatea de reglare in trepte si fin a amplitudinii semnalului de iesire.
4. Sursa de alimentare stabilizata pentru alimentarea intregului montaj este compusa din: transformator, redresor, filtru si stabilizator.
Stabilizatorul ce se proiecteaza va fi obligatoriu pe tranzistori.
Sursele de alimentare pot fi unipolare sau bipolare avand vcc=9V si vcc=-9V.
5. Material grafic obligatoriu: a) Schema bloc generala b)Schema de detaliu generala c) lista de materiale si componente electronice

CAPITOLUL I
Prezentare generala
1.1. Oscilatorul
Oscilatorul este acel circuit operational ce produce o tensiune alternativa variabila, in timp pe o sarcina RL, pe baza energiei electrice preluata de la o sursa de tensiune continua.
Schema generala a unui oscilator cu un amplificator ideal si o retea de reactie:

XI X1 A XO X0

X2 R XO

A -; amplificator, cu amplitudinea
R -; reteaua de reactie, cu functia de transfer
Se observa ca x1=x2+xI si amplitudinea circuitului total este . Pentru ca acest circuit sa devina un oscilator, trebuie sa avem pentru xi<0 , de unde AF=1.
In cazul nostru folosim R- retea de reactie pozitiva (reactie identica) si A -; amplificator de tensiune de reactie negativa (amplificator operational, impreuna cu reactia negativa).
1.2. A) Amplificator operational
Se utilizeaza un amplificator operational integrat A741 (in fig de mai jos) ce are caracteristicile:
• Amplificarea av in banda deschisa foarte mare (sute de mii)
• Rezistenta de intrare Ri foarte mare (Mohmi)
• Curenti de intrare foarte mici ( )
• Relatia de legatura intre tensiuni de intrare (VI+ pe intrare neinversoare si VI- pe intrare inversoare) si tensiunea de iesire Vo (

R0 +vcc
VI+ +

VI- -vcc

Vi R2’

V0 RL0
R1’

b) Reteaua de reactie negativa este formata din rezistentele R1’ si R2’. Reteaua impreuna cu circuitul integrat (amplificator operational) realizeaza un amplificator cu reactie negativa.
Datorita curentului de intrare foarte mic pe intrare avem:


O analiza mai amanuntita pune in evidenta valorii tensiunii de alimentare (+vcc,-vcc) precum si a rezitentei de sarcina RL0 asupra compotarii acestui amplificator. O analiza in frecventa demonstreaza ca amplificarea av a amplificatorului operational scade putirnic cu cresterea frecventei (cu aproximativ 20dB pe decada, ajungand la frecventa de 1MHz amplificatorul operational are amplificare unitara). c) Reteaua de reactie pozitiva (Reteaua Wien) este un circuit RC cu o comportare selectiva prezentata la 1.2.

1.2. Reteaua Wien

Reteaua WIEN alimentata de un generator de tensiune are urmatoarea schema:

Schema este compusa din doua retele de defazare:
• retea trece-sus, formata din C1 si R2 (care introduce un defazaj pozitiv)
• retea trece-jos, formata din R1 si C2 (care introduce un defazaj negativ)
Exista posibilitatea ca pentru o anumita frecventa f0 defazajul intre tensiunea de intrare si cea de iesire in reteaua Wien sa fie nul. Aceasta valoare a frecventei depinde de valoarea rezistentelor si capacitatilor din retea.
Fie Z1 si Z2 impedantele celor doua brate ale retelei:


Functia de transfer in conditii ideale (deci o sarcina infinita) este:

Inlocuind Z1 si Z2 se obtine:


Reprezentand modulul si faza functiei de transfer in functi de frecventa se observa ca:
• reteaua are proprietati selective lasand sa treaca frecventele din jurul lui ?o in rest atenuand
• defazajul este nul pentru o frecventa egala cu cea de rezonanta
Conditia de amorsare a oscilatiilor este:
Pentru AV?R ?FW(?) ?R ? de unde rezulta ca frecventa de oscilatie este: iar functia de transfer

Functia de transfer este reprezentata grafic mai jos

1.3. Comparatii cu alte tipuri de retele

Un alt tip de retea selectiva RC, care prezinta unele avantaje fata de reteaua dublu T, este compusa din 2 cuadripoli in T (figura de mai jos) conectati in pararel:
Cuadripolul format rezistentele R si capacitatea C/K (filtru trece-jos) ;I cuadripolul format din capacitatile C si rezistenta KR (filtru trece-sus).

C C

R R
V1 KR C/K V2

Pentru a calcula functia de transfer a retelei dublu T folosim formalismul Y de admitanta decris in fig de mai jos. i1 i2

V1 a Y i V2 RL1

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 functia de transfer este: pentru rezonanta si deci al rezonanta. Rezulta pentru k>0.
Facand o reprezentare grafica a modului functiei de transfer si a defazajului in functie de frecventa, se constata ca reteaua dublu T prezinta o selectivitate inalta si ca modulul are o variatie, la frecventa de rezonanta: identica cu cea stabilita pentru frecventa f0 a retalei Wien si determinarea elementelor R si C ale retelei dublu T se face analog ca la Wien.
Pentru .
Pentru .
Pentru .
In figurile de mai jos este reprezentat modulul functiei de transfer pentru k<0.5 si respectiv k>0.5, iar in a treia figura este reprezentat defazajul in functie de frecventa. 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 conditiilorBarkhansen avem .
Pentru k=1/2, reteaua dublu T introduce un defazaj nul la frecventa f0, iar functia de transfer are valoare nula.

|F| |F| |F|

0 0 0
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 V2 V1 C C V2
KC R

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: functia de transfer la aceasta frecventa are modulul valoarii: .
Alt tip de retea este reteaua dublu T (figurile de mai jos)

R1 C2 C1 R2

V1 C1 R2 V2 V1 R1 C2 V2

Se calculeaza la fel c) Reteaua de reactie pozitiva (Reteaua Wien): este un circuit RC, cu o comportare selectiva si este prezentata la 1.2.
Se va folosi un etaj separator pentru a permite cuplarea directa a sarcinii si reglajul amplitudinii tensiunii de iesire.
Sistemul va fi alimentat de la retea (220V) printr-o sursa stabilizata.

DETERMINAREA ELEMENTELOR SCHEMEI

Oscilatorul
Oscilatorul cu punte Wien este prezentat mai jos:
R

+

-

r

R C

V0 S V0

Daca sunt indeplinite conditiile: rezulta ca frecventa de oscilatie este determinata de reteaua Wien, iar amplitudinea de oscilatie nu depinde decat de amplificatorul cu reactie negativa (unde ziw, RiA, RoA, zow sunt impedante de intrare si de iesire proprii retelei Wien, respectiv amplificatorului). Amplificatorul datorita tipului de reactie negativa are rezistenta de intrare mare si rezistenta de iesire mica. Practic se poate obtine cu usurinta RiA>500kohmi si RoA<10kohmi conditia de oscilatie in regim permanent este AwFw(w0), pentru amorsarea ocilatiei este necesar Av>3 si rezulta ca Av=Av(v0). Expresia de calcul a lui Av depinde numai de rezistentele din reteaua de reactie negativa Av=1+r/s, deoarece av>100. In regim permanent de oscilatie se obtin r=2s, vr=2/3v0, vs=1/3v0 (pentru ca rezistentele r si s sunt parcurse de acelasi curent. Pentru inlocuirea lui S se foloseste rezistenta un tranzistor TEC functionand in reg. liniara a caracteristicii. La tensiuni drena-sursa mici (vA<vd=0,3V pentru tranzistoarele de mica putere) TEC se compara ca o rezistenta dependenta de tensiune cu .
Amplitudinea drena sursa se determina din relatia . Pentru ca vd<vd1=0.3 V, se alege R1=330ohmi. Se obtine R2=2(R1+rd)=910ohmi. De obicei din cursorul potentiometrului P se regleaza pentru ca R1 si R2 sa fie valori standardizate.
R c
+
R2

R C D
R1

Rf
T P2
Cf

R2=910 ;Rf=500k ;R1=330 ;P2=10k ;
T=BF256;Cf=200nF;D=AA130;
Amorsarea oscilatiilor este asigurata de prezenta rezistentei nelineare. Dar in realitate, imediat dupa alimentarea cu tensiunea cintinua a oscilatorului V0=0 si rd=rd0=100 rezulta Av>3. In alegerea elementelor redresorului cu filtru capacitiv se prefera o dioda, de pilda AA130 (de tensiune inversa mica). grupul Rf, Cf se alege din conditia CfRf>>1/f0. Se alege de exemplu: Rf=500k ; Cf=200nF;RL=10k ; si AO=BA741.

Reteaua de reactie pozitiva

Proiectarea: in cazul nostru se foloseste schema de mai jos, alegand R=P+r, P-potentiometru, P=40K si r=2,5k . Se obtin din formula frecventei de rezonanta ; fiecare capacitate necesara impartirii decadice (o variatie de 3 decade) a frecventei de oscilatie.
C1 k1 C2 r1

C3

P C1 C2 C3

r2 k2

Astfel pentru:
C1=220nF reglaj fin al frecventei intre 19-275 Hz
C2=22nF reglaj fin al frecventei intre 190-2750 Hz
C3=2,2nF reglaj fin al frecventei intre 1,9-27,5 kHz

Etajul separator

Se considera un repetor pe emitor (deoarece are o rezistenta de iesire foarte mica), permitand cuplarea directa a sarcinii si prezinta distorsiuni foarte mici, din cauza reactiei negative a montajului. Repetorul pe emitor este un amplificator in curent, amplificarea in tensiune fiind egala cu unitatea.

Pentru reglaj fin al amplitudinii tensiunii de iesire se alege P=48k . astfel pentru P=0 avem V0=1V si daca P=48k , avem , rezulta V0=90mV. alternatorul va asigura variatia bruta a tensiunii. Se asigura astfel si suprapunerea gamelor de variatie a amplitudinii.

Tranzistoarele T2 si T3 si rezistentele R1, R2, R3 formeaza o sursa de curent constant io. Calculam io=Vo/Ro=180mA si alegem io=90mA si ioRL=VRL=9V, deci RL=100 .
Se stie ca IR1=IoR2/R1=9mA, deci R1=1k .
Calculam Ec=0,6V+IR1(R3+R1), deci R3=(Ec-0,6V)/IR1-R1, de unde luam R3=0,6k . Pentru a calcula R4 si R5 folosim 0,6V=EcR5/(R4+R5), deci R4=24R5 si se alege R4=120k si R5=5k .
Tranzistoarele se aleg de tipul BC107. Cand oscilatorul nu este un oscilator de putere, el nu se conecteaza la o impeddanta de sarcina externa pentru ca ar produce modificarea frecventei de oscilatie si distorsionarea semnalului generat si de aceea intre oscilato si sarcina se introduce un etaj separator (repetor pe emitor pentru RL mic).
Alternatorul
A
B
A k2 k1 R3 R1 C
B

Rg R0 R2 R2 R0

RL=50
I Vg

R0/2 R0/2

R3+R0/2=RL se alege k=10.
2R3+R0=100
10R0=2R3+R0=100 , rezultaR0=10
R3=45
R1=R0(k-1)/(2k); R1=4,5
R2=R0(k+1)/(k-1);R2=12,2
Aceste rezistente nu se aleg din valori standardizate ci se construiesc la valoarea exacta.
Gamele de reglaj al amplitudinii sunt: k1=A1k2=A:V0=0,1-1V k1=B1k2=B:V0=0,01-1V k1=B1k2=C:V0=1-10mV

Transformatorul

Se foloseste un transformator cu doua infasurari de secundar, legate in serie:

1 Ualt=25V
Usec=2Ualt=50V
Isec=60mA
UI Psec=3W n=90%
2UI

Pentru tole de grosimea 0,35mm vom avea numarul de spire pe volt in curent: spire/V
Datorita rezistentei infasurarilor din secundar, numarul de spire va fi mai mare cu5%-10%.
N02=1,07*N01=12,36 spire/V
Numarul de spire din primar, cat si din secundar: n1=220V*11,55 spire/V=2541 spire n2=50V*12,36 spire/V=618 spire
Intensitatea curentului in primar este: i1=p1/V1=10mA
Alegand densitatea curentului prin primar: j=2,5A/mm2, rezulta pentru conductorul din primar diametrul d=0,7mm, iar pentru secundar d=0,18mm.
Sectiunea bobinei , unde nk -; numarul de spire care incap pe o suprafata. nsk -; numarul de spire care incapa pe unitate de suprafata.
Avem nS1=8330 spire/cm2, nS2=1730 spire/cm2.
Sb=2541/8330+618/1730=0,66cm2.
Luand coeficientul de putere 0,7 se calculeaza sectiunea frerestrei: cm2.
Tola se alege dupa criteriile:
- grosimea pachetului de tole c=Sm/b=2,34cm
- factor de forma c/b=1,83
- umplerea ferestri:
Pentru aceasta se calculeaza numarul de spire care incap intr-un strat al bobinajului ns=nl(h-hp), unde nl -; numarul de spire care incappe o latime de 1 cm; h -; este latimea spatiului de bobinaj; hp -; este latimea pierduta. primar: nS1=106*(1,92-0,5)=150,58 spire primar: nS2=47,5*(1,92-0,5)=67,45 spire
Numarul de structuri pentru cele daua infasurari: W=n/nSk
W1=16,8 straturi; W2=9,61 straturi. grosimea infasurarilor se calculeaza tinand cont de diametrul conductorului de izolatie si de faptul ca izolatia intre straturi se face cu fartie de grosime 0,03 mm. gk=W(Dz+S); g1=2,05 mm,g2=2,2 mm
Grosimea bobinei: g= +Sk-1,k+g01, unde g01 -; este grosimea carcasei.

Redresorul

Se foloseste un redresor dubla alternanta realizat cu 4 diode

R0=U0/I0 unde U0 -; tensiuneasiunea ce trebuie stabilizata, I0 -; curentul de sarcina.
R0=25V/25mA=1k
Se determina sarcina rezistentei redresorului: Rr=Rd+Ra= Rd+aR0 unde Rd -; rezistenta dinamica a diodelor; R0 -; sarcina condesatorului
Rr=1 +0,04*1k =41
Coeficientul de rezistente: Kr=Rr/R0=0,041
Se ia factorul de pulsatie al tensiunii la iesirea redresorului p=5%. Coeficientul tensiunii redresate: kn=V0/E0=0,735; E0=25V/0,735=34,01V care este tensiunea redresata in gol. Tensiunea inversa maxima Uimax=2E0=68.02V, iar curentul mediu prin diode este id0=I0/2=12,5mA.
Coeficientul de curent eficace: Kef=Idef||Ido; Idef=28,75mA. Coeficientul kmax=Idmax/Id0=6,4; Idmax=80mA.
Pe baza marimilor calculate Idmax, Id0, Uimax se aleg diode de tip 1N4001. Se determina capacitatea condensatoarelor de filtraj, stiind ca C0R0=14.
C0= C0R0/ R0=44,5 F. Alegem C0= 47 F, tip EG5250.

Stabilizatorul