Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7

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


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:


3/23


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


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


8/23

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


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


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


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


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;


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


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


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.


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:


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


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.


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:


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


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:


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


23/23

Calculul rezistentei de iesire:

Ro=(R//Rz)/12=( 400//20)/70125=0,002

Ro

Documents

Oscilator Sinusoidal de Audiofrecventa N=7