ANUL UNIVERSITAR 1998-1999

PROIECT

D.C.E.

STUDENT:

PROFESOR COORDONATOR :].l. dr. ing. Drago]

Dobrescu

Tema proiectului:

N=6;Sa se proiecteze un oscilator sinusoidal de audiofrecventa cu urmatorii parametri:

-frecventa 75 Hz… 31 kHz-amplitudinea oscilatiei: 6mV … 3V-rezistenta de sarcina RS=50-tensiunea de alimentare 13V

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 amplificatoruluiUin

+ tensiunea la borna neinversoareUin

- tensiunea la borna inversoareA 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 . Exista mai multe tipuri de retele de reactie negativa din care mentionam:

-Oscilatoare de ordin I la care reteaua de reactie defazeaza semnalul cu 180 iar amplificatorul defazeaza si el cu 180..Acestea sunt de fapt filtre trece jos sau trece sus de un anumit ordin la care se pune conditia ca la frecventa necesara , defazajul sa fie 180,

Retea de defazare cu trei celule identice :

a) de tip trece sus:

aceasta retea are frecventa la care defazeaza cu 180 data de relatia: f=

unde k= R=impedanta de intrare in amplificator;Ries=impedanta de intrare a

amplificatorului

b) de tip trece jos:

frecventa de lucru a acestui filtru este

f=

- Oscilatoare de ordin II la care reteaua are defazaj nul la frecventa utila , iar amplificatorul este neinversor:

a) reteaua dubu T:

frecventa utula este , in acest caz f=

b) 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 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 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<< RWien

intrare

Ramplificatorintrare>>RWien

iesire

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 75Hz..31kHz in trei benzi , Le alegem in felul urmator:

Banda I:50Hz…500Hz

Banda II:500Hz…5kHz

Banda III:5kHz…50kHz

Am alest baenzile astfel incat sa fie acoperit lejer domeniul de frecvente dat

Pentru banda 50Hz …500Hz:

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 = =3,1510-7F=0,315F

Alegem C1=330nF10%.

In cel mai defavorabil caz , atunci cand Rmin=1010 si C1=330nF+10%=3,63nF , frecventa maxima va fi:

fmax= = 434,32 Hz .

Calculam acum potentiometrul necesar.Valoarea sa maxima ,

Pmax= -Rmin= =12393

Alegem Pmax=15K cu o toleranta de 10%.De mentionat ca in calculul acestei valori am considerat tot cazul cel mai defavorabil , adica:

Rmin=1010 si

C1=297nF

Calculam , in cazul cel mai defavorabil (C1=297nF , Pmax=13,5 k , Rmin=900 ), frecventa minima a oscilatorului.:

fmin= =37,23 Hz ,

deci este atinsa oricum si frecventa minima de 50 Hz..

Pentru banda 500Hz..5kHz:

In acest caz , alegem C2=0,1C1=33nF Se modifica imediat si frecventele limita ale benzii:

fmax=4343,2Hz

fmin=372,3Hz

Pentru banda 5kHz..50kHz:

In acest caz , alegem C2=0,01C1=3,3nF Frecventele limita ale benzii sunt in acest caz:

fmax=43432Hz

fmin=3723Hz

Dupa cum se observa , frecventele limita sunt atinse , iar in cazul cel mai defavorabil ,beznzile 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 >>1,510K

-Rezistenta de iesire <<1,51K

-Rezistenta de sarcina RL=50

Realizam acest circuit dupa schema:

Alegem AO de tip BA741.

Rezistenta de intrare in cele doua intrari (cea inversoare si cea neinversoare) este mai mare de 2M , iar cea de iesire este de ordinul zecilor de ohmi deci acest amplificator satisface cerintele legate de rezistentele de intrare , respectiv iesire.

Amplificarea in bucla deschisa este de minim 2105>>3

Tensiunea de alimentare diferentiala o este de 13V (data de proiectare).Tranzistorii T1 si T2 indeplinesc functia de buffer si sunt necesari deoarece rezistenta de sarcina ,RL este mica ,50.Tinand cont ca este repetor pe emitor,el va micsora practic rezistenta etsjului anterior de 12 ori.Rezulta , daca consideram ca tranzistorii aru min=100 , ca rezistenta etajului anterior trebuie sa fie de maxim 500k.Alegem deci P=500k.La randul sau P trebuie sa fie mult mai mare decat rezistenta maxima de iesire a etajului urmator (atenuatorul in trepte) .Aceasta la randul sau are valoarea de R1//(R2+R3+R4+R5) si este , tinand cont de treptele alese , de R1/2 (R1=R2+R3+R4+R5).Rezulta ca putem alege R1=10k , de unde rezulta si celelalte rezistente ale atenuatorului:R2=9,09k,R3=909,R4=90,9,R5=9.09 -rezistente de 0,25W ,clasa de precizie E96 cu toleranta 1%.

Prin R7 va circula un curent de minim ,iar la borne va avea o

tensiune de circa Vcc-VBE1-VBE2=13-1,2=11,8V deci va avea valoarea de:

R7= . Puterea maxima disipata este deP=211,8 V60mA1,4 W , deci

R7 va abea puterea disipata de mimim 2W.Alegem R7 de 180 din clasa E12 cu toleranta 10%.

T1 disipa tot 1,4W 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 astfel incat 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:

;

Alegem C1=100nF10% ,C2-100F10%

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 6VVV.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=100k trebuie ca rezistenta echivalenta a circuitului format din Rf2 in paralel cu restul circuitului sa fie de circa 50k , pentru ca factorul de

transfer sa fie 1/3= .

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 50k :

Rf2=56 k

Putem calcula acum Rf3:

Rf3 este inseriata cu rech si acestea doua , in paralel cu Rf2 trebuie sa aiba rezistenta de 50k;

rech=este considerata la VGS=-1V.

Deci:

50k= rezulta Rf3:

Rf3= =466k deci alegem Rf3=470 k.

Mai trebuie proiectat divizorul Rf4-Pf astfel incat , dupa redresare si filtrare in poarta tranzistorului sa avem o tesiune de 1V.

Divizorul de tensiune va diviza tensiunea de la iesirea oscilatorului de 6V la valoarea de 1V.

Alegem Rf4 de 10k. Rezulta valoarea lui P din relatia:

deci P=5Rf=50k

Deoarece reglajul amplitudinii este destul de critic , vom alege un potentiometru semireglabil de 100k pentru P din care de va regla precis amplitudinea dorita.

Alegem condensatorul Cf2 astfel incat:

Cf2>> = =42F Alegem un cunfensator electrolitic de 100F20%

la tensiune de lucru de16V.

Alegem Cf1>> = =21F Alegem Un condensator de 10F 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 15V 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 = =10V.

Vom dimensiona un transformator cu priza mediana care are cele doua tensiuni secundare de 10Vef.

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 200 mA. Proiectam transformatorul la o putere de 200mA25=2W

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=16mmPentru 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).

Pentru o incarcare in curent a conductorilor de 2A/mm2 , alegem pentru secundar diametrul conductorullui de 0,4 mm la curentul maxim de 200mA.

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 10x5Vef

Curentul: 9,09mA 200mAPuterea 2W110%=2,2mW 2W

Diametrul conductorului 0,08mm 0,4mmMarimea 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 50VAlegem condensatoarele electrolitice de filtraj Cr1=Cr2=1500F/25V.

c) proiectarea stabilizatorului:

Schema propusa:

Calcului elementelor schemei

La acest tip de satabilizator tensiunea de iesire este de Uies=Uz-VBE Cum VBE=0,6V, vom alege dioda Zerner de 14V (DZ 14) care are un curent nominal de 5 mA.Alegem Ts11=BD135 cu h21e=70 minim , deci IBs11=200mA/70=2,8mA si rezulta un curent prin RS1 de IZ+2,8 mA=7,8 mA

Caderea de tensiune de la bornele sale este de circa 1,4V , deci putem calcula Rs1=

=250. Alegem Rs1=250 E24 , 10%.

Pentru stabilizatorul de –13V toate componentele isi schimba polaritatea:

-Qs1 se schimba cu QS2 , complementarul sau BD136

-Dioda Zerner isi schimba anodum cu catodul

Schema obtinuta este