oscillatore bf a ponte di wien

Istituto Professionale di Stato per l'Industria e l'Artigianato
MORETTO
Via Luigi Apollonio, 21 BRESCIA
Oscillatore a bassa frequenza
a Ponte di Wien LX609
Realizzato da :
PETROGALLI GIUSEPPE
TANTINI MASSIMO
ZILIANI MANUEL
classe 5BI TIEE
corso per Tecnici delle Industrie Elettriche ed Elettroniche
anno scolastico 1996-97 (7-2-97)
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Premessa
Gli oscillatori di BF (basse frequenze) hanno parecchi impieghi, si va dal controllo degli stadi finali di
amplificatori, al controllo dell’efficacia degli equalizzatori, all’individuazione della banda passante e della
distorsione di un qualunque impianto Hi-Fi.
Schema elettrico
S2
C7
100uF
R4
3.3K
VCC
9 VOLT
GND
TR1
BC328
C1
82nF
1
S1A
2VIE
3POS
2
C2
8.2nF
FT1
BF244
G
C
3
R8
5.6K
D
TR2
BC237
DS1
1N4148
DS2
1N4148
S
R1A
100K
R1B
100K
T.P.2
C9
470uF
A.L.
C8
22uF
C3
820pF
R12
10
R9
1K
DS3
1N4148
R13
10
R2
8.2K
R5
1K
R3
8.2K
R15
R10K
R10
TR3
BC328
4.7K
R6
470
R14
1KA
B.L.
R16
1K
LP1
12V.
R11
10K
GND
C4
82nF
1
S1B
2VIE
3POS
R7
33
2
C5
8.2nF
3
C
C6
820pF
Elenco componenti
n°
quantità
nome
1
2
C1,C4
82nF
2
2
C2,C5
8,2nF Poliestere
3
2
C3,C6
820pF a Disco
4
1
C7
100uF elettr. 16 V
5
1
C8
22uF
6
1
C9
470uF elettr. 16 V
7
3
DS1,DS2,DS3
8
1
FT1
BF244
9
1
LP1
12V , 100mA
5BI 96-97
Poliestere
elettr. 16 V
1N4148 diodi al silicio
2
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
10
2
R1A,R1B
100K Ohm
11
2
R2,R3
8,2K Ohm 1/4 W
12
1
R4
3,3K Ohm 1/4 W
13
2
R5,R16
1K Ohm
1/4 W
14
1
R14
1 K Ohm
Pot . Lin.
15
1
R6
470 Ohm
trimmer
16
1
R7
33 Ohm 1/4 W
17
1
R8
5,6 K Ohm 1/4 W
18
1
R9
1 K Ohm 1/4 W
19
1
R10
470 Ohm trimmer
20
1
R11
1 K Ohm 1/4 W
21
2
R12,R13
22
1
R15
23
1
S1A,S1B
24
1
S2
Swich
25
1
TR1
BC328
26
1
TR2
BC237
27
1
TR3
BC328
10 Ohm
Pot . Lin.
1/4 W
10 K Ohm 1/4 W
commutatore rot. 2 vie 3 Pos.
Elenco strumenti :
n°
quantità
1
1
Oscilloscopio
2
1
Alimentatore
3
1
Sonda oscilloscopio
4
2
Cavetti di collegamento
5BI 96-97
nome
modello
HP Hewlett Packard 54600B
Corrente continua GPR-3030
3
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Schema a blocchi :
Ve
CONTROLLO
DI
GUADAGNO
Aβ Ve
A Ve
AMPLIFICATORE
DI
POTENZA
AMPLIFICATORE
LAMPADA
RETE SELETTIVA
PONTE DI WIEN
fig.2
Questo oscillatore serve per basse frequenze ; in questo circuito sono presenti elementi resistivi e capacitivi (
non come nei normali oscillatori nei quali si trovano elementi resistivi, capacitivi ed induttivi ). Alle basse
frequenze le induttanze [ L ] hanno un fattore di merito molto basso; con induttanze grandi si otterranno
fattori di bontà bassi a causa delle perdite che avvengono sulle spire.
L’oscillatore non è altro che un amplificatore reazionato con reazione positiva selettiva. Detto Ve il segnale
di ingresso allo stadio amplificatore di guadagno A, AVe sarà il seegnale presente in uscita ai due stadi
amplificatori. AβVe il segnale in uscita al blocco di reazione (rete ponte di Wien). La condizione perché il
segnale si mantenga nel ramo di retroazione è la seguente
Ve = A ⋅ β ⋅ V E
β Funzione di trasferimento del Ponte di Wien , o guadagno di Wien
Aβ viene chiamato : Guadagno d’anello cioè il guadagno del segnale che percorre l’anello
Bisogna sottolineare che A e β sono molto importanti per andamento dell’oscillazione.
5BI 96-97
4
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Si possono esporre tre casi :
Primo Caso Oscillazione costante e persistente
A ⋅ β ⋅ VE = VE
In questo primo caso noteremo che chiudendo l’anello nello schema otterremo un’oscillazione costante nel
tempo; quindi si verificherà la condizione di Barkausen
| A |⋅| β | = 1 e che
ovvero
A ⋅ β = 1 ;questo vorrà dire che
Arg( A ⋅ β ) = 0 → ArgA + Argβ = 0
Secondo caso : oscillatore in saturazione
A ⋅ β ⋅ VE > VE
In questo caso invece l’uscita VU
è maggiore dell’ingresso VE
quindi chiudendo l’anello nel circuito
otterremo un’oscillazione in continuo aumento, che però non potrà aumentare all’infinito,visto che il suo
limite sarà la tensione di alimentazione; quindi l’oscillazione andrà in saturazione.
Terzo caso : oscillazione in via di spegnimento
A ⋅ β ⋅ VE < VE
L’andamento nel tempo di VE continuerà a diminuire fino a 0; questo comporterà un incremento negativo
dell’onda.
5BI 96-97
5
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Spiegazione schema a blocchi
Analizzando lo schema notiamo che il primo stadio non è altro che un amplificatore composto da un Fet e
da un transistor, con una rete selettiva di Wien. Dallo schema si nota che l’amplificatore e la rete di Wien
sono collegate ad anello; ciò vuole dire che l’uscita e l’entrata interagiscono tra di loro.
Si trova pure una lampadina nel circuito in funzione di PTC
Spiegazione funzionamento lampadina
Per regolare automaticamente il guadagno del Fet (FT1)si sfrutta la caratteristica del filamento della
lampadina,cioè di aumentare la sua resistenza all’ aumentare della temperatura per effetto della corrente che
l’attraversa .Quindi LP1 si comporterà come una resistenza in grado di modificare il suo valore al variare
della temperatura del filamento.
In questo modo, se la tensione di uscita dovesse aumentare, rispetto al valore prefissato tramite il trimmer
(resistenza variabile R6) grazie al filamento di LP1 si riporterà automaticamente la tensione di uscita di 4
volt picco-picco,prestabilito.
Al contrario accadrà se la tensione di uscita dovesse scendere al di sotto di questi valori.
Il filamento LP1 raffreddandosi ridurrà la propria resistenza, ed il guadagno di FT1 e TR1 ( Fet e Transistor)
aumenterà proporzionalmente fino ai valori prestabiliti (queste variazioni avverranno con tensioni
basse.Questo è il motivo per cui ruotando il potenziometro della sintonia,ovvero passando da una frequenza
minima ad una massima occorrerà attendere qualche secondo prima che la tensione d’uscita si stabilizzi.Si
noti che la lampadina non si dovrà mai accendere.
Schema della curva di instabilità
La rete di Wien
La rete in questione è rappresentata da una serie ed un parallelo R e C come il seguente:
5BI 96-97
6
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
VC1
VR1
C1
R1
C
A
IT
IR2
IC2
R2
VAB
D
B
Essendo Z1 = R1 +
VCD
C2
JωC1 R1 + 1
1
la serie di C ed R primo;
=
JωC1
JωC1
1
JωC1
R
il parallelo di C ed R primo si può svolgere la seguente formula:
Z2 =
=
1
JωC1 R1 + 1
R1 +
JωC1
R1 ⋅
e
VU I
Z2
β=
=
VE
Z1 + Z2
R1
JωC1 R1 + 1
=
JωC1 R1 + 1
R1
+
JωC1 R1
JωC1 R1 + 1
=
R1
JωC1 R1 + 1
( JωC R + 1) + JωC R
JωC ( JωC R + 1)
2
1
1
1
1
1
1
Da quest’ultima, semplificando
R1 ⋅
5BI 96-97
1
( JωC1 R1 + 1)
JωC1
( JωC1 R1 + 1)
2
+ JωC1 R1
=
al denominatore ed al numeratore si ottiene:
JωC1 R1
JωC1 R1 + 1 − ω 2 C1 R1 + 2 JωC1 R1
2
2
7
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Quindi :
β=
(1 − ω C
2
JωC1 R1
2
1
R12 ) + 3 JωC1 R1
E’ necessario osservare che negli oscillatori la F è reale soltanto se Vu è in fase con VE ; questo sarà
possibile se 1 − ω 2 C 2 R 2 = 0 e quindi ω 2 C 2 R 2 = 1 è dunque facilmente deducibile che ωCR = 1 da cui
ω0 =
1
.E’ molto importante far notare che la F0 dipende da R e C presenti nel circuito,come dalla
CR
seguente formula:
f0 =
1
2πRC
Quindi il circuito sarà fornito di resistenze variabili per la regolazione “fine” della frequenza e di un
deviatore per cambiare l’uso dei condansatori per la variazione “grossa” .
Si ottengono quindi con questo circuito tre gamme di frequenza delle quali sono state misurate la frequenza
massima e minima.
Prima gamma
Frequenza massima
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8
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Frequenza minima
Seconda gamma
Frequenza massima
5BI 96-97
9
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Frequenza minima
Terza gamma
Frequenza massima
5BI 96-97
10
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Frequenza minima
| VU | e | VAB | ; 1 − ω 2 C 2 R 2 = 0 avendo posto ω 2 C 2 R 2 = 1 ora è possibile semplificare numeratore e
denominatore
( β ) = F ( Jω 0 ) =
A⋅β =
1
quindi A = 3
3
Modulo = β =
Fase
Jω 0 CR 1
=
3 Jω 0 CR 3
1
→ A= 3
3
= Argβ = 0 → ArgA = 0
Inoltre le misure hanno portato a variare il valore del trimmer R6 ed è stata ottenuta la seguente oscillazione:
5BI 96-97
11
PETROGALLI TANTINI ZILIANI
Diagramma vettoriale
V
R
|I | X
tgϕ2 = c = C =
= ωC2 R2
XC
| IR| V
R
e
tgϕ1 =
|VC1 | X c1 ⋅ I T
1
=
=
|VR1 | RI ⋅ I T ωC1 R1
Dal diagramma vettoriale vediamo che | VE | è la somma di | VU | e | VAB | . E’ nostro interesse mettere in
fase | VE | con | VU | ;per ottenere ciò è necessario che | VAB | sia in fase con | VU | quindi in questo caso la
| VE | dovrà essere in fase con | VU | e | VAB |.Per fare ciò φ1 e φ2 dovrebbero essere non sfasati.
Analisi Finale
La realizzazione del progetto ha comportato l’apprendimento in primo luogo di nuovi strumenti di misura
come ad esempio l’intefaccia per il PC della (HP-IB professional ) che ci ha permesso di salvare gli
andamenti come immagini (riportate in relazione). In secondo luogo l’utilizzo del personal come editore di
testi e soprattutto di equazioni come nel nostro caso.La relazione è prevalentemente composta da calcoli (in
quanto si basa più che altro su guadagni e frequenze) senza particolari approfondimenti
riguardo al
funzionamento visto che si tratta di un oscillatore ”comune” basilare,semplice ma di particolare importanza.
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