Post on 05-Apr-2018
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
1/23
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
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
2/23
Schema de principiu (schema bloc)
Asa cum se observa , circuitul principal al oscilatorului este amplificatorul cureactie 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 reactienegativa , 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()=Uin
Uies, 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:
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
3/23
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
4/23
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=0/2 valoarea de 1/3 adica atenuarea minima a reteleiWien 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 deidealitate , 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>RWien
iesire
Se calculeaza analitic impedantele de intrare ale retelei Wien la 0:
RWienintrare=3R
RWieniesire=2
3R
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
5/23
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 loculrezistentelor din retea a unor rezistente variabile intre Rmin se Rmax astfel incat
fmin>CRmaz2
1 si fmax>3
-Rezistenta de intrare la borna neinversoare >>1,5 57k
-Rezistenta de iesire
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
8/23
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 inmontaj oglinda de curent.Aceasta solutie face ca spre etajul urmator , Q6 sa treaca atat
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
9/23
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 livratensiunea necesara de 1V fara ca nici unul din tranzistoare sa se blocheze sau sa sesatureze.
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= =
=
mA
VV
I
VU
C
BEz
1
6,06,3
3
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
=150 U0=1v este I6=6mA , deci R4 va fi:
R4=(Vcc-Va-Vbe)/I4=1,3 k
Putem calcula astfel si R5:
R5= 5006
6,06,3
6=
=
mA
VV
mA
VVz BE
Rezistenta R6 polarizeaza dioda Zerner astfel incat prin ea sa circule curentul nominal de
5mA:
R6=[-(-Vcc)-Vz]/5mA=1,48k
Rp se alege astfel incat curentul de polarizare al bazei tranzistorului Q2 sa nu provoace ocadere 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 Rpde:
URp=Rp IB2=0,2V
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
10/23
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 atensiunii 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
RfXC
Rfmin
1
unde min este pulsatia minima la care va functiona (
2
min
min
f=
=60Hz/2*3.14=9.55 rad/s)
Alegerea tranzistoarelor din circuit:
Alegem :
Q1,Q2,Q3,Q7=BC107 si
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
11/23
Q4,Q5,Q6=BC177 cu paramerii dati in tabelul de mai jos:
Tranzistor
VALORI MAXIM ADMISIBILE
h21eVCE max
[V]
IC max
[mA]
Pd max
[mW]
BC 107 45 100 300 125300
BC 177 -45 -100 300 125300
Alegerea rezistoarelor din circuit :
Pentru rezistoarele folosite am ales valorile standardizate din tabelul de mai jos:
Rezistor
nr
Valoarea
calculata
[k]
Rezistenta aleasa
Valoarea
aleasa
[k]
Toleranta
[%]
Puterea disipata
[W]
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
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
12/23
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 R
echivC2
unde Rechiv
C2 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+r6=126 800+c
e
I
h
4021
=100800+
+21040
125
=100800+312,5=101112,5
Rezulta ca amplificarea etajului diferential este de -gm [ (h21e+1) R4+r6 ] =
= -0,02*101112,5=-2022 ori .
Etajul urmator , realizat cu tranzistorul Q6 este un etaj cu sarcina distribuita si are
amplificarea de-4
//7
R
RR LQ
echiv . Deoarece rezistenta de iesire a tranzistorului Q7 est mult mai
mare decat RL , avem ca amplificarea etajului de iesire este de- 14
R
RL
Rezulta amplificarea circuitului , av=-2022 -1=2022. Aceasta valoare este convenabiladeoarece este mult mai mare decat amplificarea necesara in bucla inchisa de valoare 3,decise va folosi o reactie negativa puternica , care are avantaje:
-mareste rezistenta de intrare a circuitului amplificator ;
-micsoreaza rezistenta de iesire a circuitului;
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
13/23
-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 r2//Rp=2 421
10540
eh//50k=12500//50k=49k
ries=ro
e
m
m
h
Rg
Rg
21
41
41
+
+
= C
A
I
V
e
m
m
h
Rg
Rg
21
41
41
+
+
=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=v
v
fa
a
+1unde av este amplificarea in bucla deschisa 2022 iar Av trabuie sa
fie , conform relatiei Barkhausen , egala cu 3. Rezulita un factor de reactie fVA
1=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
Ries=T
ries =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
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
14/23
-Rezistenta de iesire inrmin
1
=inrfmin2
1
=5,4nF. Alegem C1=100nF 10%
Veificarea functionarii sigure a componentelor active:
Tensiunile la care functioneaza 11V la care adaugam amplitudunea maxima de 1V nupot 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
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
15/23
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 practicrezistenta etajului anterior de 1 2 ori.Rezulta , daca consideram ca tranzistorii arumin=125 , ca rezistenta etajului anterior trebuie sa fie de maxim 900k.
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
16/23
Prin R7 va circula un curent de minim mAV
Rl
Vo6,6
150
1max,=
= ,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 r1>R5>P .
Condensatoarele C1,C2 trebuie sa prezinte o reactanta neglijabila la frecventele de
lucru.Rezulta relatia de dimensionare:
nFkRf
CinT
2,4500752
1
2
111min
=
=>>
;
FRf
CL
4250752
1
2
12
min
=
=>>
Alegem C1=100nF 10% ,C2-100F 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 circuitde autoreglare este necesar deoarece conditia de oscilatie a semnalului este o egalitate
( relatia Barkhausen ) , imposibil de obtinut practic.
Schema retelei de reactie negativa:
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
17/23
Functionare:
Dioda Df redreseaza tensiunea de la iesirea oscilatorului , astfel ca la bornelecondensatorului 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 dinRf2 in paralel cu restul circuitului sa fie de circa 25k , pentru ca factorul de transfer sa fie1/3=25 k/25 k+50 k
Cand semnalul de iesite are valoarea OV (conditie initiala ) , TEC-ul are transconductanta:
gm=
VpV
VI GS
P
DSS 12 ;
Cum VGS=0 rezulta ca gm=-P
DSS
V
I2=-
V
A
2
1082 3
=8 mA/V
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
18/23
Rezistenta echivalenta a TEC-J-ului este rech=mg
1=0,125 k=125.
Estimam transconductanta TEC-J-ului la VGS=-1V:
gm=-V
A21082 3
(1-
21
)=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 de25k;
rech=este considerata la VGS=-1V.
Deci:
25k=( )
32
23
RfRfr
RfRfr
ech
ech
++
+
rezulta Rf3:
Rf3=
+
kRf
rRfRfrk echech
502
2)2(50
=337k deci alegem Rf3=350 k.
Deoarece tensiunea de la iesirea oscilatorului trebuie sa fie de 1V, grila TEC-jse poate conecta direct la iesirea amplificatorului operational. Rezulta Vgs= -1V
Alegem condensatorul Cf2 astfel incat:
Cf2>>4
1minRf
=42
1minRff
=42F Alegem un condensator electrolitic de 100F 20% la
tensiune de lucru de16V.
Alegem Cf1>>2
1
minRf=
22
1
minRff=21F Alegem Un condensator de 10F 20%
la tensiune de lucru de 16V.
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
19/23
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 iesirearedresorului 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 , pentrutensiuni 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 filtrareaunei 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 secundarede 9,2Vef.
a) proiectarea transformatorului
Transformatorul va fi confectionat din tole E+I care au cotele standard in figura:
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
20/23
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 devarf nu depasaete 350 mA. Proiectam transformatorul la o putere de 350mA 2 5=3,5W
Sectiunea miezului de tole este Sff
P310 unde f este fercventa retelei , 50Hz
Rezulta , cu aceasta formula o sectiune de : 1,4cm2. Cu valoarea acestei sectiuni alegemtola necesara. Alegem tola de tip E16 cu a=16mm
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
21/23
Pentru acest tip de tole se calculeaza numarul de spire pe volt
nv=ffBS44,4
1,unde B este inductia maxima in miez si care se considera 0,61,2 T
pentru B=0,6 , cazul cel mai nefavorabil , nv=29 spire pe volt (in primar se vor lua cu circa10% mai multe).
Rezulta pentru primar n=29*9.2=266 spirePentru 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 deV
VI undar
220
10sec =9,09mA. Alegem diametrul conductorului din
infasurarea primara de 0,08 mm..
A rezultat un transformator cu urmatorii parametri:
Marimea Prmar Secundar
Tensiunea: 220Vef 2X9,2VefNr.de spire 6380 sp 2x266 sp
Curentul: 9,09mA 350mA
Puterea 3,5W 110%=3,85mW 3,5WDiametrul conductorului 0,08mm 0,7mm
Marimea lui a 16mm
Suprafata sectiunii miezului 2,56mm2
b) Proiectarea redresorului si a filtrului:
Schema propusa:
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
22/23
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=1500F/16V.
c) proiectarea stabilizatorului:
Schema propusa:
Calcului elementelor schemei :
La acest tip de satabilizator tensiunea de iesire este de U ies=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
8/2/2019 Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7
23/23
Calculul rezistentei de iesire:
Ro=(R//Rz)/12=( 400//20)/70125=0,002
Ro