TEMA PROIECTULUI

S` se proiecteze un oscilator sinusoidal de frecven\` variabil` cu re\ea Wien . S` se proiecteze ii sursa de alimentare a oscilatorului .

DATELE PROIECTULUI

1. Frecven\a de oscila\ie 5 -; 50 kHz h7r6rh
2. Amplitudinea oscila\iei 3 V
3. Rezisten\a de sarcin` 400 ?
4. Temperatura de lucru 25 °C
5. Varia\ia temperaturii de lucru 0 -; 60 °C
6. Element de stabilizare a tranzistor cu efect de camp amplitudinii oscila\iei
7. Sursa de alimentare stabilizat`

INTRODUCERE

Oscilatoarele sinusoidale sunt folosite la producerea unor semnale periodice de frecven\` - fix` sau variabil` - avand amplitudinea constant` an gama de frecven\e pe care le genereaz` . Semnalele periodice reprezint` oscila\ii antre\inute care se realizeaz` prin aplicarea la intrarea unui amplificator , printr-o reac\ie pozitiv` , a unei p`r\i din tensiunea de la ie\irea acestuia .

Principiul de func\ionare al unui oscilator sinusoidal

Func\ionarea este bazat` pe urm`toarea schem` bloc :

Semnalul xe de la ieiirea amplificatorului este egal cu produsul A³ xi , unde xi reprezint` semnalul de la intrarea amplificatorului .
Semnalul de la ieiirea re\elei de reac\ie este xr=ßxe , unde este coeficientul de reac\ie . Cu ajutorul re\elei de reac\ie se poate ob\ine un semnal xr egal cu semnalul xi aplicat la intrare . Coeficientul de amplificare cu reac\ie este dat de rela\ia :

Dac` este andeplinit` condi\ia de oscila\ie a lui Barkhausen :

atunci amplificarea Ar devine infinit` , adic` exist` un semnal la ieiirea amplificatorului chiar an absen\a semnalului de la intrare .
M`rimile ß ii A se pot scrie :

unde fa este defazajul dintre semnalul de ieiire xe ii semnalul de ieiire xi ii fb este defazajul dintre semnalul de reac\ie xr ii semnalul xe . Prin urmare condi\ia de oscila\ie a lui Barkhausen se mai poate scrie :

sau separand partea real` de cea imaginar` :

unde ? este atenuarea re\elei de reac\ie .

La realizarea practic` a unui oscilator trebuie s` se aleag` ß³A an intervalul 1,05 - 1,1 ii amplitudinea oscila\iilor va fi limitat` de un element neliniar .

RE|EAUA WIEN

Re\eaua Wien este o re\ea cu propriet`\i selective bune . Este compus` din dou` re\ele de defazare : una este format` din C1 ii R2 (trece sus) , iar cealalt` este format` din C2 ii R1 (trece jos) . Re\eaua trece sus introduce un defazaj pozitiv , iar cea trece jos unul negativ . Astfel exist` posibitatea ca an re\eaua Wien s` se ob\in` , la o anumit` frecven\` f0 , un defazaj nul antre tensiunea de intrare u1 ii cea de ieiire u2 .

Se noteaz` cu Z1 ii Z2 , impedan\ele celor dou` bra\e ale re\elei :

Func\ia de transfer este dat` de :

Anlocuind pe Z1 ii pe Z2 , se ob\ine :

ii prin anularea p`r\ii imaginare se va ob\ine frecven\a (f0) la care defazajul este nul .

An general , valorile rezisten\elor ii capacit`\ilor folosite pentru puntea Wien se aleg egale R1=R2=R ii C1=C2=C . Func\ia de transfer poate fi scris` astfel :

Modulul func\iei de transfer va fi :

Defazajul este :

La frecven\a f=f0 , func\ia de tranfer are valoarea maxim` :

iar defazajul :

Calculul re\elei Wien

Frecven\a de rezonan\` este dat` de rela\ia :

Schema re\elei Wien , utilizat` la realizarea oscilatorului este :

Pentru calculul re\elei Wien se vor folosi rela\iile :

unde Pmax= valoarea maxim` a poten\iometrului , fmin= frecven\a minim` de oscila\ie ii fmax= frecven\a maxim` de oscila\ie . Poten\iometrul este de tipul tandem , cu toleran\a de 20% , valoarea de 10k ii puterea disipat` nominal` egal` cu 0,25W. Acest poten\iometru are codul P-32725 .
Vom avea dou` ecua\ii cu dou` necunoscute (R ii C) :

Din cea de-a doua ecua\ie rezult` . Aceast` rela\ie se introduce an prima ecua\ie , rezultand :

Anlocuind numeric , se ob\ine :

Se alege pentru condensator valoarea standard de 3nF.
Acest condensator este de tipul PMP 06.01 (cu poliester metalizat), avand toleran\a ± 5% , din seria E24 ii tensiunea nominal` de 100V.
Se calculeaz` valoarea rezistorului R :

Se alege pentru rezistor valoarea standard de 1kO . Acest rezistor are toleran\a ± 5% , seria E24 , tipul RCG-1050 ii tensiunea nominal` limit` egal` cu 250V.
Cu valorile standard ale componentelor re\elei Wien , se va calcula din nou limitele de frecven\` :

Se calculeaz` influen\a toleran\ei componentelor asupra valorii frecven\ei de rezonan\` , folosindu-se rela\ia de mai jos :

unde reprezint` abaterile frecven\ei , rezistorului , poten\iometrului ii condensatorului de la valorile calculate (nominale - an cazul componentelor) .

Din acest calcul rezult` c` cea mai mare eroare este introdus` de poten\iometru . Este astfel necesar ca valoarea acestuia s` fie m`surat` , an cazul realiz`rii practice , urmand s` se fac` ulterior ajust`rile necesare pentru acoperirea intervalului de frecven\` .

Calculul impedan\elor de intrare ii de ieiire ale re\elei Wien

Pentru calculul impedan\elor se folosesc urm`toarele formule :

Acestea folosesc la calculul curentului absorbit de re\eaua Wien , pentru a se realiza reac\ia pozitiv` . Condi\ia de adaptare cu ieiirea amplificatorului este :

unde ZoutA este impedan\a de ieiire a amplificatorului . Astfel ZinW va avea valoarea :

Impedan\a de ieiire a re\elei Wien va fi folosit` pentru realizarea adapt`rii cu intrarea amplificatorului :

Calculul factorului de calitate (Q) a re\elei Wien

Factorul de calitate se calculeaz` dup` formula :

unde f1 ii f2 sunt frecven\ele la care modulul factorului de transfer devine jum`tate din valoarea sa (adic` |ß|=1/6) ii f0 este valoarea frecven\ei la care acelaii modul al factorului de transfer are valoarea maxim` (de obicei , aceast` frecven\` se alege undeva la mijlocul intervalului de frecven\` ini\ial) .
Se alege f0=22kHz , intervalul fiind 5 -; 50 kHz .

Factorul de calitate are valoarea :

iar banda (B) :

f1 fmin f0 fmax f2

4,07 5 22 50 118,38

Calculul defazajului (f) re\elei Wien

Defazajul re\elei Wien se calculeaz` dup` formula :

Se vor calcula trei defazaje pentru fiecare frecven\` (f0 , f1 , f2) ii se va reprezenta grafic :

CALCULUL REAC|IEI NEGATIVE
CU ELEMENT NELINIAR

Pentru stabilizarea amplitudinii oscila\iei se foloseite un amplificator cu reac\ie negativ` , care include un element neliniar (un element de circuit cu varia\ie neliniar` a rezisten\ei an raport cu temperatura) . Elemente cu varia\ie negativ` sunt termistorul NTC ii puntea cu diode , iar cele cu varia\ie pozitiv` sunt tranzistoarele cu efect de camp (TEC - urile) .

Este suficient` o foarte mic` varia\ie a valorii amplific`rii pentru ca oscila\iile s` anceteze sau , din contr` , ca amplitudinea lor s` creasc` ii s` fie limitat` doar de neliniarit`\ile caracteristicilor tranzistoarelor , coeficientul de distorsiuni devenind astfel considerabil .

Prin introducerea reac\iei negative nu se modific` frecven\a de oscila\ie , ans` apare o dependen\` antre atenuarea ? a re\elei Wien , amplificarea A ii coeficientul de reac\ie negativ` , notat cu K :

Dac` A este mult mai mare decat atenuarea ? , atunci coeficientul de reac\ie negativ` este aproximativ egal cu valoarea maxim` a modulului func\iei de transfer a re\elei Wien :

Astfel , amplificarea global` este redus` la o valoare egal` cu 3 , cu ajutorul reac\iei negative . Aceast` reac\ie negativ` se aplic` prin divizorul format de rezisten\ele r ii ? la intrarea amplificatorului .
Deoarece la limita de amorsare K=1/3 , rezult` :

Prin urmare antre rezisten\ele r ii apare urm`toarea rela\ie :

An datele ini\iale este dat ca element neliniar de circuit tranzistorul cu efect de camp .
La valori mici ale tensiunii dren`-surs` (VDS) apare o dependen\` liniar` antre curentul de dren` (ID) ii tensiunea gril`-surs` (VGS) . Rezisten\a dren`-surs` (rDS) va fi calculat` cu rela\ia :

cu respectarea condi\iei :

Schema circuitului de reac\ie negativ`

Pentru calculul circuitului de filtrare format din Rfil ii Cfil se va \ine cont de condi\ia :

unde ?min este frecven\a minim` de oscila\ie . Condi\ia este andeplinit` pentru urm`toarele valori :

Pentru redresor ii filtru se vor alege urm`toarele componente :

1. dioda(D) : 1N4148 , diod` de comuta\ie , cu siliciu ;
2. condensatorul (Cfil) : PMP 06.02 , toleran\a ± 5% , seria E24 , tensiunea nominal` 250V, poliester metalizat ;
3. rezistorul (Rfil) : rezisten\` semireglabil` , toleran\` ± 20% , putere disipat` nominal` 50mW , cod P-32824 .

Am ales ca tranzistorul cu efect de camp (elementul neliniar) s` fie de tipul BF256 . Acesta are urm`toarele caracteristici : canal n , VDS=30V, PD=200mW , VP=- 0,5…-7V , IDSS=3…18mA . Din gamele de valori ale lui VP ii IDSS se vor alege urm`toarele : VP=-2V ii IDSS=8mA .
Astfel , rezisten\a dren`-surs` (rds) va avea valoarea :

Pentru ca tranzistorul BF256 s` “lucreze” an regiunea liniar` a caracteristicii sale , se va alege VGS=- 0,5V .
Se va alege tensiunea VDS=0,05V. Conform teoremei divizorului de tensiune , va rezulta :

Valoarea de 1V reprezint` 1/3 din valoarea tensiunii de ieiire a oscilatorului (Vout=3V) . Conform condi\iei:

va rezulta pentru rezisten\a ? valoarea :

Se va alege ?=3kO , cu toleran\a ±5% , seria E24 , tipul RCG 1050.
Din considerente de polarizare a lui T1 , se va alege RE=3kO , de toleran\` ±5% , seria E24 , de tipul RCG 1050 .
Pentru RE1 vom avea valoarea :

RE1 va avea astfel valoarea de 1,54kO , deci r va fi egal cu 3,08kO (dublul lui RE1) . Dar r se va alege cu pu\in peste aceast` valoare pentru ca amplificarea cu reac\ie negativ` s` fie an intervalul 3,15 -; 3,3 . Deci r va avea valoarea de 3,48kO , cu toleran\a ±5% , seria E24 , de tipul RCG 1050 .
Schema reac\iei negative are urm`toarea schem` :

Factorul de transfer se va calcula cu formula :

Rezisten\a de intrare (rif) ii cea de ieiire (rof) se vor calcula dup` formulele urm`toare :

CALCULUL AMPLIFICATORULUI

Determinarea punctelor statice de func\ionare ale tranzistorilor T3 ii T4

Tranzistorul T4 va asigura curentul de colector pentru T3 , deoarece func\ioneaz` ca un generator de curent constant . Deci antre curen\ii de colector ale celor doi tranzistori apare urm`toarea rela\ie :

Schema echivalent` a lui T4 este :

Din schema prezentat` mai sus rezult` urm`toarele rela\ii :

Condi\ia de a nu trece an starea de blocare a lui T3 este :

unde iC3=iS+iW+ir . Aceitia trei curen\i se calculeaz` cu formulele :

Deci iC3 va avea valoarea :

Se va alege ICS cu valoarea :

Condi\ia de a nu intra an satura\ie T3 este :

Se va alege tensiunea de alimentare VCC=15V . Un tranzistor BC 107 are parametrii urm`tori :VCE sat=0,6V ii IC=100mA . Respectand condi\ia de mai sus , se va alege VCE3=7V . Vom avea deci :

Pentru ca ii cel`lalt tranzistor T4 s` nu intre an satura\ie , se fixeaz` VCE4=5V . Astfel :

Acest rezistor este de tipul RCG 1050 cu o toleran\` de ±5% , seria E24 .

Tranzistorul BC 107 are urm`torii parametrii : VCE max=45V , IC max=100mA , Ptot=300mW .

Tensiunea an baz` a lui T4 este :

iar curentul are valoarea :

Pentru divizorul de tensiune format de rezisten\ele R11 ii R12 se va alege un curent de minim de dou` ori mai mare (I=2mA) :

R12 se va calcula cu formula :

Astfel R12 va avea urm`toarele caracteristici tehnice : R12=1,8kO , tipul RCG 1050 , toleran\a ±5% , seria E24 . R11 va avea aceiaii parametri, dar valoarea sa va fi :

Tranzistorul T3 va fi tot BC 107 . Curentul de baz` a lui T3 se va calcula cu formula :

Func\ionand an conexiune colector-comun , tensiunea de la intrarea lui T3 va fi egal` cu tensiunea de la ieiirea acestuia .
Impedan\a de intrare a lui T3 va avea valoarea :

Determinarea punctului static de func\ionare a tranzistorului T2

Condi\ia acestui tranzistor de a nu intra an satura\ie este :

Se alege VCE=5V.

Condi\ia acestuia de a nu intra an blocare este :

Tranzistorul T2 este an conexiune emitor-comun ; amplificarea sa este dat` de rela\ia :

Se alege pentru IC2 o valoare egal` cu 1,5mA , dup` care se face verificarea dac` tranzistorul nu intr` an blocare . C`derea de tensiune pe R7 va fi de 0,7V . Astfel , aceast` rezisten\` va avea valoarea :

R7=470O , tipul RCG 1050 , toleran\a ±5% , seria E24 .
C`derea de tensiune pe R6 va fi :

iar R6 va avea valoarea :

R6 : tipul RCG 1050 , toleran\a ±5% , seria E24 .

Pentru T2 se alege tipul BC 107.

Determinarea punctului static de func\ionare al tranzistorului T1

An regim alternativ , tensiunea de la intrarea luiT1 apare distribuit` pe an serie cu jonc\iunea colector-emitor a lui T1 . VCE1 trebuie s` fie mult mai mare decat VCE1 sat=0,2V , pentru ca tranzistorul s` nu intre an satura\ie . Astfel se va alege VCE1=3,8V. Curentul din baza lui T2 este :

iar curentul din colectorul lui T1 trebuie s` fie 10 ori mai mare decat acesta . Astfel IC1=1mA .
La bornele lui R4=3kO vom avea tensiunea :

Rezult` c` R3 va avea valoarea :

Aceasta din urm` este de tipul RCG 1050 , toleran\a ±5% , seria E24.
Tensiunea din baza lui T1 este de 3,6V . Se poate deci calcula valoarea lui R1+R2 alegand un curent de 10 ori mai mare decat IB1=8 µA .
Tranzistorul T1este de tipul BC 107 . Se alege curentul prin R1+R2 ca fiind egal cu 80 µA .

Se alege R2=47kO , tipul RCG 1050 , toleran\a ±5% , seria E24 .
Deci R1=150kO , RCG 1050 , toleran\a ±5% , seria E24 .

Schema de curent alternativ cu reac\ie negativ`

Calculul amplific`rii

Amplificarea an tensiune este :

pentru sarcin` distribuit` :

pentru emitor-comun :

pentru colector-comun :

deci aV este :

Amplificarea cu reac\ie negativ` va fi :

Calculul rezisten\elor de intrare ii ieiire

Rezisten\a de ieiire a amplificatorului :

Rezisten\a de intrare a amplificatorului :

Calculul condensatoarelor

Reactan\ele condensatoarelor C2 , C3 , C4 trebuie s` aib` o valoare neglijabil` fa\` de R4 , R7 , r+?+RS+ZinW la frecven\a minim` de oscila\ie . Astfel voi alege pentru cele trei condensatoare valoarea reactan\ei capacitive egal` cu 1O .
Pentru C2 :

Pentru C3 :

Pentru C4 :

Pentru C1 :

SURSA DE ALIMENTARE STABILIZATI

Tensiunea stabilizat` este de 15V . Curentul ce urmeaz` a fi debitat este de valoare 20 -; 50mA .
Determinarea tensiunii de la intrarea stabilizatorului :

Tensiunea normal` :

Tensiunea maxim` :

Tensiunea prezent` an secundarul transformatorului :

C`derea de tensiune ii puterea maxim` disipat` pe tranzistorul T6 :

Se alege tranzistorul BD 135 ce are urm`toarele caracteristici :

Se determin` tensiunea necesar` a diode Zener (VZ) :

Se alege dioda DZ 15 care are parametrii :

Dioda D2 se alege 1N4001 .

Se calculeaz` rezisten\a R13 :

Se alege valoarea 750O , de tipul RCG 1050 , toleran\` ±5% , seria E24 .