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 5BI 96-97 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. 5BI 96-97 12