t2k3kx
Tema proiectului:

N=7;
Sa se proiecteze un oscilator sinusoidal de audiofrecventa cu urmatorii parametri:

-frecventa 40Hz… 40 kHz
-amplitudinea oscilatiei: 1V
-rezistenta de sarcina RS=150?
-tensiunea de alimentare 11V
-curentul maxim al stabilizatorului 0,6 A
-rezistenta de iesire a stabilizatorului 0,03?

Schema de principiu (schema bloc)

Asa cum se observa , 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 :

Uies= A(Uin+-Uin-)

Unde:
Uies este tensiunea la iesirea amplificatorului
Uin+ tensiunea la borna neinversoare
Uin- tensiunea la borna inversoare
A amplifiacrea amplificatorului in prezenta reactiei negative.

Inainte de a proiecta propriu-zis amplificatorul, vom proiecta reteaua de reactie negativa , 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, FW(?)= , unde Uies,Uin sunt tensiunile de iesire , respectiv de intrare ale retelei de reactie negativa .

Reteaua Wien este cel mai folosit circuit de reactie pozitiva din oscilatoarele RC:

Schema retelei Wien este urmatoarea:

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

FW(?)= = .

Maximul acestei functii de ? este la frecventa la care termenul

este nul , adica ?0= . La acesata 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 FW(?) si a defazajului ?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 R¬¬1=R2=R iar C1=C2=C . In acest caz se obtine pentru caracteristica de transfer a amplificatorului , la frecventa f0=?0/2? valoarea de 1/3 adica atenuarea minima a retelei Wien este de 3 ori. Rezulta ca , pentru a indeplini conditia lui Bakhausen , care este in cazul nostru: FW(?) ? Av =1 trebuie realizat un amplificator cu amplificarea Av=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:

Ramplificatoriesire<< RWienintrare
Ramplificatorintrare>>RWieniesire

Se calculeaza analitic impedantele de intrare ale retelei Wien la ?0:

RWienintrare=3R

RWieniesire=

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 (75Hz-31kHz) se va face prin introducerea , in locul rezistentelor din retea a unor rezistente variabile intre Rmin se Rmax astfel incat

fmin> si fmax< .
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 este data mai jos:

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=Rmin. Cand cursorul e la maxim R=Pmax+Rmin , unde Pmax este valoarea maxima pe care o poate lua potentiometrul P.
Proiectarea Retelei Wien:
Am impartit asadar, gama 70...40kHz in trei benzi , Le alegem in felul urmator:
Banda I:40Hz…100Hz
Banda II:100Hz…10kHz
Banda III:10kHz…40kHz
Am ales benzile astfel incat sa fie acoperit lejer domeniul de frecvente dat
Pentru banda 40Hz …100Hz:
Pentru amplificatoare obisnuite , rezistenta minima a retelei Wien o alegem de 1k?. Alegem o rezistenta RBC de 0,25W cu toleranta 1% ( E96 ) .In cazul cel mai defavorabil Rmin=1k?+0,01K?=1010 ?.
Calculam condensatorul retelei Wien:
C1? == 1/(2*3.14*1010*600)=2.62?10-7F=0.262?F
Alegem C1=0,22?F?10%.
In cel mai defavorabil caz , atunci cand Rmin=1010? si C1=0,22?F+10%=0,159?F , frecventa maxima va fi: fmax=1/(2*3.14*1010*0.242)=1120 Hz .
Calculam acum potentiometrul necesar.Valoarea sa maxima ,
Pmax= -Rmin=1/(2*3.14*0.198*70)=124000 ?
Alegem Pmax=15k? cu o toleranta de 20%.De mentionat ca in calculul acestei valori am considerat tot cazul cel mai defavorabil , adica:
Rmin=12k? si
C1=0,198?F
Calculam , in cazul cel mai defavorabil (C1=0,198?F , Pmax=12 k? , Rmin=900 ? ), frecventa minima a oscilatorului.: fmin==62,34 Hz , deci este atinsa oricum si frecventa minima de 70Hz..
Pentru banda 100Hz…10kHz:
In acest caz , alegem C2=16nF Se modifica imediat si frecventele limita ale benzii: fmax=4.34kHz fmin=415Hz

Pentru banda 10kHz…40kHz fmax=43.4kHz fmin=4.15kHz
C3=4nf
Dupa cum se observa , frecventele limita sunt atinse , iar in cazul cel mai defavorabil ,benzile se suprapun , astfel incat nu exista frecvente din domeniu care sa nu fie atinse.

Cu acestea putem trece la proiectarea amplificatorului:

Proiectarea Amplificatorului:
Trebuie , asadar sa proiectam un amplificator cu intrare diferentiala si cu urmatorii parametri:
-Amplificarea in bucla deschisa av>>3
-Rezistenta de intrare la borna neinversoare >>1,5?57k?
-Rezistenta de iesire <<1,5?1k?
-Rezistenta de sarcina RL=75?

Schema propusa este:
Etajul diferentia l de intrare este format din tranzistoarele Q1,Q2 care au in emiteoare sursa de curent constant Q3 iar in colector au fiecare sarcini active realizate cu tranzistoarele Q4,Q5 in montaj “oglinda de curent”.Aceasta solutie face ca spre etajul urmator , Q6 sa treaca atat curentul din colectorul lui Q2 cat si cel din colectorul lui Q1 “oglindit “ de oglinda Q4,Q5, obtinandu-se o mai buna folosire a etajului diferential catre etajul urmator. Etajul urmator este un etaj clasic cu sarcina distribuita care are in colector sarcina activa Q7.
Calculul elementelor de circuit:
Alegem tensiunea de alimentare de ?11V astfel incat etajul de iesire sa poata livra tensiunea necesara de ?1V fara ca nici unul din tranzistoare sa se blocheze sau sa se satureze.
Prin tranzistoarele Q1,Q2 alegem curenti de 0,5mA , deci prin Q3 va circula un curent de 1mA , suma curentilor din cele doua tranzistoare ,Q1,Q2.
Alegand dioda Zerner de 3,6V (DZ3V6) , putem dimensiona R3:
R3= 3k?
Alegand caderi de tensiune pe rezistentele R1,R2 de 2V , obtinem valorile lor:
R1=R2=2V/0.5mA=4K?
Alegem potentiale de +2.4V in colectoarele lui Q1,Q2
Curentul maxim prin Q6 pentru a asigura la bornele rezistentei de sarcina Rl =?????U?=1v este I6=6mA , deci R4 va fi:
R4=(Vcc-Va-Vbe)/I4=1,3 k?
Putem calcula astfel si R5:
R5= ?
Rezistenta R6 polarizeaza dioda Zerner astfel incat prin ea sa circule curentul nominal de 5mA:
R6=a-(-Vcc)-Vzi/5mA=1,48k?
Rp se alege astfel incat curentul de polarizare al bazei tranzistorului Q2 sa nu provoace o cadere semnificativa pe ea.Vom folosi tranzistoare cu factorul de amplificare in curent continuu h21e de minim 125 , deci ,alegand Rp=50k? obtinem o cadere de tensiune pe Rp de:
URp=Rp?IB2=0,2V
De remarcat ca pentru a compensa aceasta cadere si a asigura o functionare simetrica in curent continuu a etajului diferential , bucla de reactie negativa va trebui sa fie in curent continuu o rezistenta egal cuRp , intre iesire si masa. Astfel se asigura o deriva minima a tensiunii de iesire a amplificatorului de la valoarea de 0V , in regim static
Bucla de reactie negativa va avea schema generela din figura de mai jos:
Cf are practic o reactanta nula in banda de frecvente utila si se alege astfel incat adica de unde rezulta Cf>> unde este pulsatia minima la care va functiona ( =60Hz/2*3.14=9.55 rad/s)

Alegerea tranzistoarelor din circuit:

Alegem :
Q1,Q2,Q3,Q7=BC107 si

Q4,Q5,Q6=BC177 cu paramerii dati in tabelul de mai jos:

Tranzistor VALORI MAXIM ADMISIBILE h21e
VCE max
aVi
IC max
amAi Pd max
amWi
BC 107 45 100 300 125…300
BC 177 -45 -100 300 125…300

Alegerea rezistoarelor din circuit :
Pentru rezistoarele folosite am ales valorile standardizate din tabelul de mai jos:

Rezistor nr

Valoarea calculata
ak?i Rezistenta aleasa
Valoarea aleasa
ak?i Toleranta
a%i Puterea disipata
aWi
R1,R2 4 4 E24 5% 0,25
R3 3 3 E24 5% 0,25
R4 1,3 1,3 E24 5% 0,25
R5 0,3 0,3 E48 5% 0,25
R6 1,48 1,5 E12 10% 0,25
Rp 50 50 E12 10% 0,25

Calculul parametrilor de curent alternativ
1.Calculul parametrilor in bucla deschisa
-amplificarea: av
Deoarece sunt folositi ambii curenti ai etajului diferential amplificarea circuitului diferential este: avd=-gm?RechivC2 unde?RechivC2 este rezistenta din colectorul lui Q2 gm? este transconductanta tranzistorului Q2 si este egala cu minim 40?Ic=40?5?10-4=0,02
Neglijand influenta oglinzii de curent se poate afirma ca RechivC2 este chiar rezistneta de intrare a tranzistorului Q6.
Rezistenta de intrare a tranzistorului Q6 este (h21e+1)?R4+r?6=126?800+ =100800+
+ =100800+312,5=101112,5?
Rezulta ca amplificarea etajului diferential este de -gm? (h21e+1)?R4+r?6 =
= -0,02*101112,5=-2022 ori .
Etajul urmator , realizat cu tranzistorul Q6 este un etaj cu sarcina distribuita si are amplificarea de- . Deoarece rezistenta de iesire a tranzistorului Q7 est mult mai mare decat RL , avem ca amplificarea etajului de iesire este de-
Rezulta amplificarea circuitului , av=-2022?-1=2022. Aceasta valoare este convenabila deoarece este mult mai mare decat amplificarea necesara in bucla inchisa de valoare 3,deci se va folosi o reactie negativa puternica , care are avantaje:
-mareste rezistenta de intrare a circuitului amplificator ;
-micsoreaza rezistenta de iesire a circuitului;
-imunizeaza amplificatorul fata de factorii perturbatori (variatii de temperatura , variatii ale tensiunii de alimentare , etc. );
Calculam si ceilalti doi paremetri ai amplificatorului , in bucla deschisa:
-Rezistenta de intrare a circuitului este , daca consideram rezistenta de iesire a lui Q3 foarte mare fata de rezistenta de iintrare a lui Q2 , de valoare: rin= 2?r?2//Rp=2? //50k?=12500?//50k?=49k? ries=ro? = =1507?

Aceste valori sunt calculate in bucla deschisa , adica fara a conecta reactia negativa.In urma conectarii reactiei negative performantele amplificatorului se imbunatatesc , si anume:
Tinand cont de teoria reactiei negative , amplificarea in bucla deschisa este data de formula:
Av= unde av este amplificarea in bucla deschisa -;2022 iar Av trabuie sa fie , conform relatiei Barkhausen , egala cu 3. Rezulita un factor de reactie f? =0,33.
Marimea
T=av?f , numita castig pe bucla are valoarea T=2022?0,33=674.

Rezistenta de iesire are , in prezenta reactiei negetive , valoarea de
R ies= =1507/674=2,23? , iar cea de intrare are valoarea
Rin=ries?T=50k??674=33.7M?,

valori care verifica relatiile de proiectare:
-Rezistenta de intrare la borna neinversoare >>15 k?
-Rezistenta de iesire <<1,5k?
Putem alege acum si condensatorul de la intrarea amplificatorului ,
C1>> = =5,4nF. Alegem C1=100nF?10%
Veificarea functionarii sigure a componentelor active:
Tensiunile la care functioneaza ?11V la care adaugam amplitudunea maxima de ?1V nu pot pune in pericol functionarea tranzistorilor care suporta tensiuni maxime de 45V.
Curentii de colector nu pot depasi nici ei valoarea maxima admisa de 100mA deoarece in regim static curentii de colector sunt foarte mici.
Verificari in putere :
Q1,Q2:
Q1,Q2 functioneaza la VCE=2,8V si la IC=0,5mA deci disipa P= VCE?IC=2.8?0,5?10-3 =1,4mW<300mW deci functioneaza in zona sigura din punct de vedere a puterii disipate.
Q3:
Q3 functioneaza la VCE=4,4V si la IC=1mA deci P=4,4.10-3=4,4 mW
Q5,Q4:
In mod analog rezulta P=1?0,5?10-3=0,5mW
Q6,Q7
La acesti tranzistori se pune problema luarii in calcul si a coponentei alternative a puterii ce trece prin ei mai ales datorita rezistentei de iesire mici.
La momentele de timp cand tensiunile ating valori extreme de ?2V curentul maxim prin tranzistorul Q6 va fi de Ic7+ =10mA+10mA=20mA.Tensiunea VCE are valoarea maxima de 5V, deci puterea disipata de Q6 nu depaseste 100mW.
La Q7 curentul de colector este constant , de -10mA iar tensiunea maxima , VCE=-5V deci puterea disipata este de 50mW.

Deci toate componentele functioneaza in zona de siguranta.

Etajul de iesire
Schema propusa:

Tranzistorii T1 si T2 indeplinesc functia de buffer si sunt necesari deoarece rezistenta de sarcina ,RL este mica ,75?.Tinand cont ca este repetor pe emitor,el va micsora practic rezistenta etajului anterior de ?1??2 ori.Rezulta , daca consideram ca tranzistorii aru ?min=125 , ca rezistenta etajului anterior trebuie sa fie de maxim 900k?.
Prin R7 va circula un curent de minim ,iar la borne va avea o tensiune de circa Vcc-VBE1-VBE2=11-1,2=9,8V deci va avea valoarea de:

R7=9,8V/80mA=122?..Puterea maxima disipata este deP=2?9,8 V?80mA=1,568W , deci R7 va avea puterea disipata de mimim 2W.Alegem R7 de 130? din clasa E12 cu toleranta ?10%.

T1 disipa tot 1,568W, deci il alegem de tip BD135 (VCE=45V,IC=1A,Pd=6,5W, ?min=70)
T2 il alegem BC107 cu (VCE=45V,IC=100mA,Pd=300mW ,?min=125).

R5 o alegem de 100K? ?10% , 0,25W , astfel incat r?1>R5>P .
Condensatoarele C1,C2 trebuie sa prezinte o reactanta neglijabila la frecventele de lucru.Rezulta relatia de dimensionare:
;

Alegem C1=100nF?10% ,C2-100?F?10%

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 1VVV.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:

Functionare:
Dioda Df redreseaza tensiunea de la iesirea oscilatorului , astfel ca la bornele condensatorului Cf2 de obtine o tensiune continua , negativa proportionala cu amplitudunea 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:
IDSS=6..10 mA , VT=-1..-3V , VDsmax=30V.
Deoarece am ales RF1=Rp1=50k? trebuie ca rezistenta echivalenta a circuitului format din Rf2 in paralel cu restul circuitului sa fie de circa 25k? , pentru ca factorul de transfer sa fie 1/3=25 k?/25 k?+50 k?
Cand semnalul de iesite are valoarea OV (conditie initiala ) , TEC-ul are transconductanta: gm= ;
Cum VGS=0 rezulta ca gm=- =- =8 mA/V
Rezistenta echivalenta a TEC-J-ului este rech= =0,125 k?=125?.
Estimam transconductanta TEC-J-ului la VGS=-1V: gm=- (1- )=4mA/V

Rezistenta echivalenta in acest caz este de 250?.
Alegem Rf2 ceva mai mare decat valoarea de 25k? :
Rf2=27 k?
Putem calcula acum Rf3:
Rf3 este inseriata cu rech si acestea doua , in paralel cu Rf2 trebuie sa aiba rezistenta de 25k?; rech=este considerata la VGS=-1V.
Deci:
25k?= rezulta Rf3:
Rf3= =337k? deci alegem Rf3=350 k?.
Deoarece tensiunea de la iesirea oscilatorului trebuie sa fie de 1V, grila TEC-j se poate conecta direct la iesirea amplificatorului operational. Rezulta Vgs= -1V

Alegem condensatorul Cf2 astfel incat:
Cf2>> = =42?F Alegem un condensator electrolitic de 100?F?20% la tensiune de lucru de16V.
Alegem Cf1>> = =21?F Alegem Un condensator de 10?F ?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:

Vef=Vintr,stabilizator?=13V/1,41=9,2V.
Vom dimensiona un transformator cu priza mediana care are cele doua tensiuni secundare de 9,2Vef.

a) proiectarea transformatorului

Transformatorul va fi confectionat din tole “E+I” care au cotele standard in figura:

Grosimea pachetului de tole va fi de dimensiune 2a. Vom calcula parametrii transformatorului , care sunt:
-dimensiunea a
-numarul de spire pe volt
-grosimea conductorilor folositi:

Pentru a cacula parametrii transformatorului , tinem cont ca pe cele doua ramuri curentul de varf nu depasaete 350 mA. Proiectam transformatorul la o putere de 350mA?2?5=3,5W

Sectiunea miezului de tole este Sf 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 nv= ,unde B este inductia maxima in miez si care se considera 0,6…1,2 T pentru B=0,6 , cazul cel mai nefavorabil , nv=29 spire pe volt (in primar se vor lua cu circa 10% mai multe).
Rezulta pentru primar n=29*9.2=266 spire
Pentru o incarcare in curent a conductorilor de 2A/mm2 , alegem pentru secundar diametrul conductorullui de 0,7 mm la curentul maxim de 350mA.
In primar curentul este de =9,09mA. Alegem diametrul conductorului din infasurarea primara de 0,08 mm..
A rezultat un transformator cu urmatorii parametri:

Marimea

Prmar
Secundar
Tensiunea: 220Vef 2X9,2Vef
Nr.de spire 6380 sp 2x266 sp
Curentul: 9,09mA 350mA
Puterea 3,5W?110%=3,85mW 3,5W
Diametrul conductorului 0,08mm 0,7mm
Marimea lui “a” 16mm
Suprafata sectiunii miezului 2,56mm2

b) 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 Cr1=Cr2=1500?F/16V.

c) proiectarea stabilizatorului:

Schema propusa:

Calcului elementelor schemei :

La acest tip de satabilizator tensiunea de iesire este de Uies=Uz-2VBE Cum VBE=0,6V, vom alege dioda Zerner de 12V (DZ12 ) care are un curent nominal de 5 mA.
Alegem T1=BC107 , cu h21 = 125 minim , T2=BD135 cu h21e=70 minim , deci IBs11=300mA/70=4,28mA si rezulta un curent de baza pentru T1=4,28mA/125=0,034mA.
Caderea de tensiune pe R este Vin-Vz=13V-12V=1V , iar curentul prin R este IZ+0,034 mA=0,534 mA

Putem calcula R=1V/0,534mA=1,87k? E24 , ?10%.

Pentru stabilizatorul de -;11V toate componentele isi schimba polaritatea:
-T1 se schimba cu T3 , complementarul sau BC 108
-T2 se schimba cu T4 , complementarul sau BD136
-Dioda Zerner isi schimba anodul cu catodul
Schema obtinuta este

Calculul rezistentei de iesire:

Ro=(R//Rz)/???????400?????????????????????
Ro<0,03 , deci conditia de proiectare este satisfacuta.