Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

Embed Size (px)

Text of Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    1/22

    Universitatea Politehnica din Bucureti- Facultatea de Electronic i Telecomunicaii

    Dispozitive i Circuite Electronice

    Proiect

    Blan Daniela Prof. Coordonator:432 C Cristea Miron

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    2/22

    2

    Cuprins:

    1. Tema proiectului

    2. Schema bloc functionala

    3. Reteaua RC de tip Wien

    4. Calcularea retelei Wien

    5. Schema reala a oscilatorului

    6. Schema reala a stabilizatorului

    7. Simularea circuitului

    8. Bibliografie

    9. Anexe

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    3/22

    3

    1. Tema proiectului

    N=11

    Sa se proiecteze un oscilator armonic cu urmatorii parametri:-tensiunea de iesire reglabila in gama N/10 - N/5 volti rezulta Vout =[1.12.2]-sarcina la iesire 10N, rezulta R=110 ohmi;-frecventa de oscilatie N (kHz), rezulta f=11kHz;

    Schema va contine reglarea nivelului tensiunii de iesire cu TEC-JCircuitul va fi alimentat de la un stabilizator cu reactie si element reglator serieSe pot folosi tranzistoare bipolare, tec-j si circuite integrate uA723 sau bA723 (beta)

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    4/22

    4

    2. Schema bloc funcional

    Se utilizeaz o schem deamplificator avand o retea de reactie pozitiva si o retea

    de reactie negativa, la acestea se adauga un circuit de stabilizare a oscilatiilor (AGC)realizat cu un tranzistor TEC-J.

    Conditia de oscilatie

    Oscilatorul armonic este un circuit electronic care genereaza un semnalsinusoidal, pe baza energiei furnizate de sursa de alimentare fara a avea nevoie deun semnal la intrare.

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    5/22

    5

    Amplificatorul cu reactie pozitiva din Fig.1 devine oscilator daca fara a avea unsemnal aplicat la intrare( Xi= 0 ) se obtine semnal la iesire ( X2 0), ceea ceechivaleaza cu conditia: Ar=X2/Xi

    Astfel se deduce conditia lui Barkhausen pentru amorsarea oscilatiilor: A=1

    Din aceasta conditie se determina amplificarea minima necesara produceriioscilatiilor. Pentru a determina frecventa de oscilatie scriem urmatoarea conditie de

    faza: A + = 2k

    In majoritatea situatiilor practice, amplificarea A este un numar real, decidefazajul A = 0 sau A= . In acest caz frecventa de oscilatie este determinatanumai de reteaua de reactie.

    3.Reteaua RC de tip Wien

    Reteaua Wien este o retea RC selectiva cu functie de transfer de tip trece-banda,folosim o astfel de retea deoarece este usor de implementat si permite reglareafrecventei de oscilatie prin utilizarea unui potentiometru dublu in loc de cele douarezistoare.

    4. Calcularea retelei Wien

    Factorul de transfer al retelei Wien are valoarea =1/3, stiind conditia pentruamorsarea oscilatiilor A=1rezulta ca amplificarea circuitului trebuie sa aiba ovaloare egala cu 3.

    Bucla de reactie negativa este cea care stabileste la o valoare fixa amplificareain tensiune, valoarea amplificarii este data doar de rezistoarele RG si RF dupaurmatoarea formula: A=1+RF/RG

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    6/22

    6

    Pentru indeplinirea conditiei lui Barkhausen rezulta ca RF trebuie sa aiba ovaloare dubla fata de RG astfel incat amplificarea in tensiune sa fie cel putin 3.

    Daca fixam valoarea lui RG=10k rezulta ca RF trebuie sa aiba o valoarea deaproximativ 20k, in realitate valoarea acestuia trebuie sa fie putin mai mare decatvaloarea calculata teoretic pentru a se realiza amorsarea oscilatiilor.

    Frecventa de oscilatie se calculeaza dupa formula: f=1/(2RC)

    In general pentru calcul incercam sa dam condensatoarelor o valoare fixa si sadimensionam rezistorul R astfel incat sa rezulte frecventa dorita.

    Stabilim pentru condensatoare o valoare mica, astfel luamC1=C2=10nF.

    Astfel putem scrie urmatoarea formula pentru rezistori:R=1/(2Cf).

    Pentru valoarea maxima a rezistorului aveam urmatoarea

    relatie: R1 = R2 = 1.44 k.

    Astfel rezulta ca vom folosi cate un rezistor de 1440 pentru R1 si R2 , se pot folosi rezistori de precizie din clasaE96 (toleranta 1%).

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    7/22

    7

    5.Schema reala a oscilatorului

    In figura am reprezentat schema reala a oscilatorului pe care am folosit-o insimularile SPICE.

    Functionarea:

    Reteaua Wien este alcatuita din R1,R2,C1 siC2, pentru simulari am folosit o

    valoare fixa a rezistorilor R1 si R2.

    Amplificatorul este realizat in principal in jurul unui amplificator diferential, acestaeste unul din cele mai performante tipuri de etaj utilizat la intrare, insa caracteristicileacestuia pot fi mult imbunatatite utilizand anumite elemente aditionale.

    Etajul amplificator diferential este realizat in principal cu tranzistoarele Q4 si Q5.Pentru a imbunatati performantele acestuia in ceea ce priveste stabilitatea, viteza,castigul si raportul semnal-zgomot, vom utiliza alte etaje auxiliare (sursa de curentconstant si oglinda de curent).

    Tranzistoarele Q4 si Q5 sunt de tipul BF256B (TEC-J canal n), am folosit acest tipde tranzistoare deoarece ofera multe avantaje in ceea ce priveste impedanta deintrare, imunitatea la zgomot si castigul in curent oferit.

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    8/22

    8

    Sursa de curent constant furnizeaza aproximativ 1mA prin fiecare dintranzistoarele Q4 si Q5 iar tensiunea drena-sursa este mult mai mica decat valoareamaxima admisa, asadar acestea functioneaza fara risc de defectare.

    Sursa de curent constant realizata cu Q1 si R7 are rolul de a furniza un curent devaloare fixa prin etajul diferential indiferent de valoarea sarcinii sau a tensiunii dealimentare, astfel etajul de intrare este imun la variatiile tensiunii de alimentare.

    Pentru aceasta surs de curent constant se folosete un tranzistor TEC -J de tipul

    BF256B. Acesta are un curentDSS

    I ntre 6mA i 13mA pentru tensiuni dren-surs

    de pana la 30V.

    Curentii prin etajul diferential respecta urmatoarea relatie: ID4 + ID5 = ID1

    Curentul ID6 are o valoare constanta si se poate determina din ecuatiile:ID = IdSS (1- VGS/VT)ID=-VGS/R7

    Pentru IDSS=8mA, VT =-2V rezulta un curent ID1=2.5mA. Astfel curentii prin etajuldiferential au valoarea ID4 = ID5 = ID1/2 rezulta ID4 = ID5=1.2mA

    Rezistorii R4 si R6 au rolul de a egaliza curentii prin etajul diferential, pe acestiaavem o cadere mica de tensiune de unde rezulta o valoare mica a puterii disipate(aproximativ 1mW).

    Rezistorii R4 si R6au o valoare mica astfel incat sa produca o cadere de tensiunede circa 1V. Astfel alegem R4=R6=1V/1.2mA, de aici rezulta o valoare de 1k.

    Se pot folosi rezistori cu pelicula de carbon de 250mW cu tolerana 5% .

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    9/22

    9

    Pentru a realiza o impartire egala a curentului dat de sursa de curent constantprin cei doi tranzistori din etajul diferential vom utiliza o oglinda de curent realizata cuQ2, Q3, R5 si R3.

    Aceasta oglinda de curent poate fi realizata foarte usor folosind doua tranzistoare

    bipolare pentru ca la aceste tranzistoare exista o dependenta puternica intre curentulde colector si tensiunea baza-emitor.

    Deoarece Q3 si Q2 vor avea aceeasi tensiune baza-emitor si curentii lor decolector vor fi egali, pentru a echilibra eventualele diferente de curent vom utiliza doirezistori in serie cu emitorul tranzistoarelor.

    Rezistorii R5 siR3 au rolul de a egaliza tensiunile baza-emitor a tranzistorilor dinoglinda de curent realizata cu Q2, Q3. Aceastia au fost dimensionati astfel incat saobtinem o cadere de tensiune de aproximativ 100mV.

    R5=R3=100mV/1.2mA=100

    Pe acesti rezistori avem o cadere mica de tensiune de unde rezulta o valoaremica a puterii disipate, astfel se pot folosi rezistori cu pelicula de carbon de 250mWcu tolerana 5%.

    Tranzistoarele Q4 si Q5 trebuie sa suporte o tensiune mica in comparatie cutensiunea VDSmax si un curent de doar 1mA prin acestia. Din foaia de catalog reieseca tranzistoarele BF256 pot disipa pana la 350mW, iar tensiunea drena-sursamaxima este de 30V, asadar acestea nu se vor defecta datorita puterii sau tensiuniiexcesive.

    Convertorul curent-tensiune este realizat cu un tranzistor bipolar Q7care va lucran conexiune emitor comun. Acesta are ca sarcinun amplificator de curent si ungenerator de curent constant Q6,realizat cu un tranzistor TEC-J de tipul BF256B,acesta genereaza aproximativ 10mA avand poarta legata direct la sursa.

    Fara o stabilizare, amplitudinea oscilatiilor creste necontrolat pana candamplificatorul ajunge la saturatie iar semnalul devine puternic distorsionat. Din acestmotiv am implementat un circuit care realizeaza controlul automat al amplitudinii deoscilatie, am folosit o topologie clasica de limitator realizat cu un tranzistor TEC-J.

    Dioda D1 redreseaza alternanta negativa a tensiunii de la iesirea oscilatorului,aceasta tensiune negativa este inmagazinata in condensatorul C3 , care alaturi deR10 si R12, realizeaza o constanta de timp mult mai mare fata de cea a semnalului dela iesire. Tensiunea inmagazinata in C3 va controla rezistenta drena-sursa atranzistorului Q8, astfel am realizat un rezistor a carui valoarea depinde de tensiuneade la iesirea oscilatorului.

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    10/22

    10

    La pornire, tensiunea pe C3 este nula iar rezistenta drena-sursa a lui Q8 are ovaloare mica, acest lucru face ca amplificarea sa fie mare iar oscilatiile sa seamorseze. Pe masura ce amplitudinea oscilatiilor creste, tensiunea pe C3 ia valori dince in ce mai negative, acest lucru duce la marirea rezistentei drena-sursa a lui Q8 siin final la micsorarea amplificarii.

    Dorim ca la iesirea oscilatorului sa avem un semnal cu o amplitudine variabilaintre 1.5V si 3.1V, astfel dimensionam R12, R10 si R9 pentru a obtine VGS = VT = -2V.

    VGS=R9(Vout-Vd)/(R9+R10+R12)

    Scriem aceasta ecuatie pentru doua cazuri: Vout (min)=1.5V si Vout(max)= 3.1V

    Fixam R9=4.7k si apoi scoatem din cele doua ecuatii valoarea maxima siminima a grupului (R10 + R12).Obtinem o valoare minima a rezistentei de 1.2k simaxima de 1.8k. Pentru a putea varia rezistenta in acest interval alegem valoareafixa R10=1K si rezistorul variabil R12 =1K.

    Rezistoarele R9 si R10 sunt de tipul pelicula de carbon de 250mW si au o tolerantade 5%.

    Pentru a realiza o decuplare in curent continuu realizam un cuplaj capacitiv intreoscilator si etajul final (amplificator in curent). Astfel introducem condensatorul C4 =1uF, valoarea acestuia este aleasa suficient de mare astfel incat oscilatia sa treacaneatenuata. Condensatorul C4 formeaza impreuna cu rezistorii R14 si R15 un filtrutrece-sus de ordin I.

    Pentru ca variatiile sarcinii sa nu influenteze performantele oscilatorului amimplementat la iesire un amplificator de curent in clasa AB. Amplificatorul este

    realizat simplu cu doua tranzistoare complementare Q9 de tipul BC556A si Q10 detipul BC546A, aceste tranzistoare sunt polarizate in conductie de catre un etaj depolarizare realizat cu D2,D3,R14 si R15.

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    11/22

    11

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    12/22

    12

    Acest etaj de polarizare are rolul de a stabili o tensiune baza-emitor de valoareconstanta care va tine tranzistoarele finale in conductie chiar si in lipsa semnalului laintrare.

    Prin acesta polarizare a etajului final se stabileste un curent de mers in gol atranzistoarelor finale, valoarea acestuia trebuie sa fie de ordinul zecilor de mA pentrua minimiza distorsiunile de trecere prin zero.

    Etajul final functioneaza in clasa A pana la depasirea valorii curentului de mers ingol presetat, iar apoi functionarea se face conform clasei B.

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    13/22

    13

    Deoarece curentul prin sarcina are o valoare mica (

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    14/22

    14

    Pentru a realiza un stabilizator de tensiune cu performante cat mai bune in ceeace priveste deriva tensiunii la iesire, am decis sa utilizez un circuit integrat de tipulLM723 pentru generarea semnalului de comanda.

    LM723 este un circuit integrat realizat special pentru surse liniare de tensiune,

    acesta cuprinde un comparator, o referinta de tensiune, un circuit de protectie si untranzistor npn.

    Pe langa circuitul integrat LM723 am mai folosit doi tranzistori in topologie decolector comun pentru elementul serie (repetor pe emitor) si o retea de reactieformata din doi rezistori.

    Referinta de tensiune interna furnizeaza o tensiune de aproximativ 7.5V catreintrarea neinversoare a comparatorului. La intrarea inversoare se aplica tensiunea depe bucla de reactie (realizata cu R2 si R3).

    Astfel comparatorul genereaza semnalul de comanda in urma comparariitensiunii de referinta cu tensiunea de pe bucla de reactie, el urmareste inpermanenta ca valorile celor doua tensiuni sa fie egale si astfel tine tensiunea laiesire la o valoarea constanta.

    Tensiunea la iesire se calculeaza dupa formula:Vout=Vref(R3+R2)/R3 unde Vref=7.5VVout=Vref(R6/R5+R6)

    Astfel pentru o tensiune la iesire de Vout=8V fixam R3=12k si rezultaR2=1.5k.

    Condensatorul C1=100pF este recomandat de producator sa se monteze intreiesirea comparatorului si intrarea inversoare pentru a preveni eventuale oscilatiiparazite.

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    15/22

    15

    7.Simularea circuitului

    Pentru analiza circuitului am fcut urmtoarele simulri cu ajutorul programuluiOrcad Capture 9.2

    Fig. Forma de unda a tensiunii la iesire

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    16/22

    16

    Fig. Forma de unda a tensiunilor debitate de regulatorul de tensiune

    Componente utilizate:

    Dispozitive active

    Tranzistoare bipolare

    Numr Tip Putere maxim

    Q2,Q3,Q9,Q7 BC556A 500mW

    Q10 BC547A 500mW

    Tranzistoare TEC-J

    Numr Tip Putere maxim

    Q1,Q4,Q5,Q8 BF256B 350mW

    Q6 BF256C350mW

    Diode

    D1 1N4148

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    17/22

    17

    8. Bibliografie:

    1. Dispozitive si Circuite electronice A.Rusu, M. Profirescu, s.a, EdituraDidactica si Pedagogica Bucuresti, 1982

    2. Op-Amps for everyone Texas Instruments Design Reference, Ron Mancini2001

    3. An introduction to Junction Field Effect Transistors (JFETs) Rhopointcomponents Application Note

    4. Regulated Linear Power Supply Construction- David Metz

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    18/22

    18

    9.Anexe:

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    19/22

    19

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    20/22

    20

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    21/22

    21

  • 7/25/2019 Proiect Dispozitive si Circuite Electronice

    22/22