Generatore di segnali sinusoidali a ponte di Wien

Stampa
( 2 Votes ) 
Valutazione attuale:  / 2
ScarsoOttimo 
Categoria: Elettronica
Data pubblicazione
Scritto da Equelna Visite: 6851

Generatore di segnali sinusoidali a ponte di Wien

Un generatore di segnali sinusoidali a ponte di Wien con ampio sweep e valore di uscita costante. Il progetto è nato per verifica della funzianalità e per la taratura di dispositivi audio. Lo sweep in un unica soluzione è 17Hz - 31.2KHz. Molti avranno provato a costruirsi un generatore di segnali sinusoidali che oltre ad avere un segnale di uscita il meno possibile distorto avesse anche l'ampiezza del segnale di output il più costante possibile.
La problematica distorsione non è scollegata dalla seconda, in quanto per aver un segnale il più pulito possibile l'ampiezza dello stesso deve essere contenuta, cosa che implica che l'amplificatore oscillante deve avere un guadagno molto basso.



Un guadagno basso significa difficoltà nell'innesco dell'oscillazione, da cui instabilità e/o funzionamento discontinuo etc..

Ho visto su molte vecchie riviste che per risolvere la problematica veniva utilizzato come resistenza controllo di guadagno una lampadina la quale varia la sua resistenza in funzione della corrente che attraversa il filamento, ovvero più è grande la correnre maggiore è la resistenza.

Ora direte ok tutto facile compriamo la lampadina e costruiamo il generatore sinusoidale.

Qui sta l'inghippo ovvero dovreste trovare un lampadina di un certo voltaggio e che sopporti una specifica corrente.

Io nella mia ricerca ho trovato il più delle volte queste specifiche 14V e da 14÷15mA ca.

Ebbene ho provato a trovare una lampadina del genere, ma come ben capirete, non è stato possibile verirne a capo. Il più delle volte la risposta è stata eh... cosa!? e così di seguito. Altra soluzione è mettere in parallelo alla resitenza di controreazione (quella che dall'uscita va all'ingresso invertente)  una coppia di diodi contropolarizzati ognuno dei quali deve avere in serie una resistenza che deve far funzionare il diodo nel punto di polarizzazione, tanto per capirci dove comincia a condurre. Cosa non facile in primis perchè bisognerebbe avere tutte le caratteristiche non solo elettriche ma anche funzionali dei diodi e poi trovare in via sperimentale il valore delle resistenze (potrebbero non essere uguali), altro tempo speso in ricerca di valori Â± impossibili e quando finalmente si trovano dei valori che sono abbastanza soddisfacenti quando si va a verificare il funzionamento con un oscilloscopio si nota che la sinusoide nei tratti intorno allo zero risulta essere un poco stiracchiata, ovvero onda distorta, tempo sprecato.

 

E allora direte è impossibile, bisogna solo comprarsi uno di quegli IC che fanno tutto ai quali bisogna solo collegare qualche componente passivo et voilà. Pura illusione nel senso che per far funzionare correttamente (bassa distorsione, forma d'onda corretta etc.) uno di questi dispositivi bisogna essere attrezzati con una strumentazione più che discreta ed armarsi di santissima pazienza per effettuare le giuste tarature.

 

Io vi propongo la soluzione di seguito che non prevede l'utilizzo di alcun IC speciale e che se utilizzate i componenti riportati non dovrebbe richiedere alcuna taratura !!!

 

Schema elettrico

 

L'immagine è stata ridimensionata. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. Le dimensioni originali sono 929x622

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lo schema è composto da due sezioni:

  1. l'oscillatore U2A
  2. buffer di output U1B

Ora veniamo a spiegare il funzionamento della sezione oscillatore.

Il generatore vero e proprio è composto da U2A   R1, R2+R23 sono le resistenze di controreazione e di il guadagno di tensione dell'operazionale.

C1,R7,R3,C2R4,R27 sono i due circuiti accordati dell'oscillatore. Il primo è un circuito serie che riportando all'ingresso non invertente il segnale di rumore dell'uscita dello OP innesca l'oscillazione, il secondo Ã¨ un curcuito risonamte parallelo che serve a smorzare l'oscillazione e far si che in uscita l'onda sia sinusoidale (senza di questo il segnale tende ad essere un'onda quadra).

Ora veniamo alla circuitazione che consente di ottenere un guadagno di tensione costante indipendentemente dalla frequenza.

Il cuore è il JFet BF244(A,B,C) il quale viene fatto funzionare come resistore variabile ed insieme ad R6 è posto in parallelo ad R23. Il partitore restistivo R5, R4 serve a polarizzare positivamente il Gate ( serve a far si che all'accensione sia in totale conduzione).  Dall'uscita di U2A tramite C3, R14  il segnale viene raddrizzato e livellato da D1 e D2  e C4  il quale vornisce una tensione negativa che tramite R15 va al Gate di Q1. (R13 serve a garantire la scarica di C4)

E quì che viene il bello.

Nel BF244 quando la VGS (la tensione tra Gate e Source) comincia ad assumere valori negativi questo si comporta come un reostato il cui valore è proprio funzione di tale tensione ovvero maggiore è la tensione (negativa) maggiore è la resitenza e viceversa .

Ovviamente la variazione è specifica per ogni tipo di Jfet nel caso del BF244 essa varia tra 100 Ohm 0V e ca 100K -2.6V. Come si può notare un bel range ... !!!!

(Per esempio un altro modello BF246 (stessa famiglia [N-Channel epitexial planar silicon Field Effetc Transistor] e stessa casa produttrice ) varia da 20 Ohm a ca. 10K tra 0V e -4.7V.)

Quindi come Ã¨ facile intuire quando il generatore viene alimentato il gate di Q1 viene a trovarsi polarizzato a poco più di 0.5 - 0.6 V (valore positivo)  e quindi la sua resitenza è di circa 100 Ohm che sommati alla R6  (39K) e messi in parallelo alla R23 di 15k aumentano il guadagno in tensione di U2A fino al punto di facilitare l'innesco dell'oscillazione. Con l'aumentare del segnale di uscita di U2A aumenta anche la tensione negativa ed la RDS (Resistenza Drain-Source) di Q1 aumenta fin quando tutto l'ambaradan non va a regime e si sistabilizza (pochi millisecondi).

Semplice ed efficacie.

Veniamo ora alle resistenze R3 ed R4 dovrebbero essere un doppio resistore variabile (non un potenzionetro con 3 terminali)  con un errore di accoppiamento veramente minimo, nell'ordine dello 0.1% tanto per capirci, e dovrebbero essere da 2.7M Ohm.

Un poco difficilini da trovare eh.!!   Beh la soluzione è semplice utilizziamo due partitori resistivi che collegati ad un commutatore rotativo 2 vie faccia il lavoro dei due resistori variabili accoppiati. Perchè il partitore resistivo ?

Oltre a poter utilizzare delle resistenze di precisione (es. 2%) possiamo sapere in ogni istante quale è la frequenza sulla quale li generatore sta oscillando in quanto questo funziona secondo la ben nota formula



Fout= 1/(2* PI * R * C)

dove PI=pi greco

R=resistenza (R3 o R4)

C=C1 o C2

Ma dove trovare un commutatore rotativo da 2 vie 32 posizioni, quasi impossibile a meno di non voler spendere una cifra, allora lo scomponiamo in 4 rorativi 2 vie 8 posizioni certamente più accessibili sotto tutti gli aspetti.

Ecco come è fatto il commutatore

 



 

Scusate per la rappresentazione poco ortodossa ma non avendo la simbologia adatta ho riarrangiato lo schema dove

S1÷ S8 è il primo commutatore S9 ÷ S14 il secondo etc.

Come potete notare il polo centrale del primo è connesso alla rete resistiva del secondo e così di seguito formando una resistenza equivalente di 3102960 Ohm.

Quindi conoscendo la posizione di ognuno dei commutatori è facilmente ricavabile la resistenza equivalente da cui la frequenza.

L'ultima particolarità rigurda i condensatori C5,C6 e C7 che insieme al commutatore rotativo S4 Ã· S6 serve a migliorare la stabilità dell'ampiezza secondo la tabella di seguito riportata

 



 

Come si nota il segnale di uscita è molto stabile e solo quando la frequenza scende al disotto di 470Hz il circuito di controllo dell'ampiezza ha bisogno di un condensatore di tank maggiore e la combinazione delle capacità riportate nello schema consente di ottenerle tutte:

  1. 1.2µF valore standard C4
  2. 3.3µF C4 + C7
  3. 6µF C4 + C5 + C7
  4. 8.2µF C4 + C5 + C6 + C7 

C4,C5,C6 e C7 sono condensatori non polarizzati (non elettrolitici)

 

Lo stadio di uscita 

Ora passiamo alla sezione composta da U1B questo no è altro che un semplice amplificatore operazionale che comanda in corrente la coppia di transistor complementari che formano lo stadio di uscita a bassa impedenza e capace di erogare qualche cosa più di qualche mA in uscita, siamo nell'ordine di 150÷200mA oltre i transistor si distruggono. Il guadagno di tensione i questo stadio è di 3 volte (10db).

Questo stadio è stato accoppiato al generatore in continua (senza la presenza di condensatori) tramite il partitore resistivo commutato composto da R11 R25 R26 R22 che è un potenziometro lineare da 1K Ohm possibilmente di buona qualità (ossia totalmente chiuso).

I valori di attenuazione in ingresso di U1B sono

R11, R22                6db

R11+R26, R22    12db

R11+R25, R22     20db

 

Questa è l'attenuazione sul polo caldo di R22. da qui poi è possibile adattare con maggiore precisione il valore desiderato in uscita.

 

Se qualcuno volesse ottenere in uscita una potenza maggiore consiglio di sostituire Q2 e Q3 con una coppia complementare di darlington debitamente alettati .

 

Non ho riportato lo schema dell'alimentazione per la quale è sufficiente un alimentatore duale da 15+15 Vac 0.5÷1A un ponte a diodi da 100V 1A una coppia di elettrolitici da 1000µF due regolatori std da 15V 1A (LM7815 LM7915 o eq.) con le cui uscite devono essere filtrare da una coppia di elettrolitici da 470µF .

Se si opta per la soluzione con i darlington di uscita ovviamente il trasformatore deve essere in grado di erogare la corrente max che si vuole dallo stadio di uscita, i due regolatori devono essere corrdati di dissipatore e tutte le capacità di filtro (elettrolitici) vanno maggiorate. 

 

Di seguito riporto  le forme d'onda a diverse frequenze.

 

Forma d'onda a 17.81Hz

L'immagine è stata ridimensionata. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. Le dimensioni originali sono 1200x528

 

Va premesso che i grafici dei tempi di intervento del controllo di ampiezza sono quelli che si hanno all'accensione del generatore (C4 a 0V)

 

Ecco come interviene il controllo d'ampiezza a 17Hz.

 

L'immagine è stata ridimensionata. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. Le dimensioni originali sono 1200x528

 

Forma d'onda a 474Hz

 

L'immagine è stata ridimensionata. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. Le dimensioni originali sono 1200x528

 



Ecco come interviene il controllo d'ampiezza a 474Hz

L'immagine è stata ridimensionata. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. Le dimensioni originali sono 1200x528

 

Forma d'onda a 30.79Khz

L'immagine è stata ridimensionata. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. Le dimensioni originali sono 1200x528

 

Ecco come interviene il controllo d'ampiezza a 30.79KHz.

 

L'immagine è stata ridimensionata. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. Le dimensioni originali sono 1200x528

 

L'andamento un pò altalenante all'inizio è dato dalla costante di tempo di carica scarica di C4.

 

Penso di aver detto tutto e spero in maniera chiara

 

Forza con il saldatore e buon divertimento.

 

PS. Per coloro che non riuscissero a trovate il BF244(A,B o C) consiglio di cercare sui datasheet del FET che si pensa di utilizzare la curva di funzionamento RDS=f (VGS)  dove sull'asse X è riportato il valore di tensione e sull'asse Y quello resistivo.

Joomla 1.7 Templates designed by College Jacke