Praktyczny_kurs_elektroniki_cz14.pdf

Zestaw EdW09 zawiera nastpujce elementy (specy kacja rodzajowa):1. Diody prostownicze 4 szt.2. Ukady scalone 4 szt.3. Tranzystory 8 szt.4. Fotorezystor 1 szt.5. Przekanik 1 szt.6. Kondensatory 22 szt.7. Mikrofon 1 szt.8. Diody LED 11 szt.9. Przewd 1 m10. Mikroswitch 2 szt.11. Piezo zgeneratorem 1 szt.12. Rezystory 64 szt.13. Srebrzanka 1 odcinek14. Zatrzask do baterii 9V 1 szt.15. Pytka stykowa prototypowa 840 pl stykowych 1 szt.Cena zestawu EdW09 47 z brutto(www.sklep.avt.pl)

Uwaga SzkoyTylko dla szk prenumerujcych Modego Technika przygotowano Pakiety Szkolne zawierajce 10 zestaww EdW09(PS EdW09) wpromocyjnej cenie 280 z brutto,tj. zrabatem 40%.

PRAKTYCZNYKURSELEKTRONIKI

cz. 14

Jeli nie masz bladego pojcia oelektronice, ale chtnie by pozna jej podstawy, to nadarza Ci si niepowtarzalna okazja. We wsppracy zbratni redakcj miesicznika Elektronika dla Wszystkich publikujemy wModym Techniku cykl fascynujcych lekcji dla zupenie pocztku-jcych. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) zakcen-tem na Praktyczny, gdy kada lekcja skada si zprojektu iwykadu zwiczeniami, przy czym projekt to konkretny ukad elektroniczny samodzielnie montowany iurucha-miany przez kursanta. Pewnie mylisz sobie piknie, ale jak ja mam montowa ukady, nie majc lutownicy ani adnych czci elektronicznych. Ot jest rozwizanie. Lutownicy nie bdziesz wogle uywa, gdy wszystkie ukady bd montowane na pytce stykowej, do ktrej wkada si nki elementw na wcisk.

Irzecz najwaniejsza! Wydawnictwo AVT przy-gotowao zestaw EdW09, zawierajcy pytk stykow iwszystkie elementy, jakie bd potrzebne do wykonania kilkunastu projektw zaplanowanych wPKE. Zestaw EdW09 mona kupi wsklepie internetowymwww.sklep.avt.pl lub wsklepie rmowym AVT (Warszawa, ul. Leszczynowa 11) cena brutto 47 z.

Ale Ty nie musisz kupowa! Dostaniesz ten zastaw za darmo, jeli jeste prenumeratorem MT lub wykupisz wkrtce prenumerat. Wystarczy wysa na adres: [email protected] dwa zdania:

Jestem prenumeratorem MT izamawiam bezpatny zestaw EdW09. Mj numer prenumeraty: ......................

Jeli otrzymamy to zamwienie przed 28 marca 2014roku, to zestaw EdW09 wylemy Ci wpoowie kwietnia 2014, wraz zmajowym numerem MT.

Uwaga uczniowie!Szkoy prenumerujce MT otrzymuj Pakiety Szkolne

PS EdW09, zawierajce po 10 zestaww EdW09 (kady zestaw EdW09 zawiera komplet elementw zpytk sty-kow) skalkulowane na zasadach non pro t wpromocyj-nej cenie 280 z brutto za jeden pakiet PSEdW09 (tj. zra-batem 40% 28 z brutto za pojedynczy zestaw EdW09, ktrego cena handlowa wynosi 47 z). Upewnij si, czy Twoja szkoa prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoy ponadpodstawowe iwiele podstawowych otrzymuj MT wprenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo Nauki iSzkolnictwa Wyszego) iprzeka nauczycielom informacj oPraktycznym Kursie Elektroniki zpromo-cyjnymi dostawami Pakietw Szkolnych PS EdW09 do wicze praktycznych.

Oto czternasta cz PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, ktry zainaugurowalimy wMT 2/2013 ibdziemy kontynuowa wkolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowalimy si umo-liwi czytelnikom doczenie do niego wdowolnym momencie. Wszystkie poprzednie czci s dla wszystkich do-stpne wformacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Mona znich korzysta wkomputerze lub sobie je wydrukowa. Mona te kupi wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja kadej kolejnej czci jest zawsze poprzedzona jedn stron wstpnych informacji (jest to wanie ta strona), eby nowi czytelnicy mogli zapo-zna si zzasadami KURSU idoczy do kursantw. ZAPRASZAMY!

Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr Grecki, redaktor naczelny kultowego wwiecie hob-bystw elektronikw miesicznika Elektronika dla Wszystkich iautor legendarnych cykli artykuw iksi-ek uczcych elektroniki od podstaw.

76 m.technik - www.mt.com.pl

Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

Oto czternasta cz PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, ktry zainaugurowalimy wMT 2/2013 ibdziemy

Projekt 14

Wzorcowy generator sinusoidalny

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

A

Na fotografii wstpnej pokazany jest model generatora sygnau sinusoidalnego. Jak wiadomo, matematyczny przebieg sinusoidalny jest przebiegiem podstawowym, elementarnym, pierwotnym iwpewnym sensie czystym. Wbrew pozorom, wygenerowanie takiego przebiegu nie jest wcale pro-ste kady realny przebieg jest wpewnym stopniu znieksztacony. Wwielu przypadkach potrzebny jest generator przebiegu sinusoidalnego ojak najmniejszych znieksztaceniach. My wramach kursu PKE zracji ograniczonego skadu zestawu EdW09 realizujemy tylko proste ukady. Jednak nawet za pomoc skromnych rodkw moemy zrealizowa ukady ozaskakujco wysokich parametrach, na

+

wyjcie

D2

RF

RF =10k+4,7k

RF =10k+4,7k

R134,7k

T6BC548

T2BC548

R310kLED1

biaa

LED3biaa

CF

CF

D1-D31N4148

8

T7BC548

T8BC558

sztuczna masa

Pot R141k

C2100nF

BAT

R21k

D1

T1BC558

R1 22k

R1022k

R522k

3 2

1

4

5

6

7

LED4nieb.

RA

LED2ta

R1247k

LED5nieb.

T3

T5

BC548

BC

558

R6* patrz tekst

T4BC558

100nF

100n

F

+

U1AU1ALM358

U1BLM358

+

+

+

C4100F

100nF lub 1F

C11F

C5100F

C3

LED6ziel.

R92,2k

R8 100

R7100

220 R15R410k

R1122k

D3

R102,2k

77

CB

przykad generator bardzo czystego sinusa wedug rysunku A. Taki autonomiczny generator moe by znakomit pomoc przy pomiarach, gwnie sprztu audio. Wprawdzie czysty sygna sinusoidalny mona dzi wygenerowa za pomoc karty dwikowej komputera, ale lepiej jest, jeli generator bdzie oddzielnym urzdzeniem, najlepiej zasila-nym zbaterii, anie zzasilacza, akomputer moe by wykorzystany do pomiarw jako analizator, anie jako generator.

Opis ukadu dla zaawansowanychChcemy zbudowa generator owysokich parametrach zasilany zbate-rii 9V, dlatego na wszelki wypadek zastosujemy stabilizator napicia ztranzystorami T1, T2. Zasadniczo taki stabilizator nie jest konieczny, ale zasad jest, e wszelkie precyzyjne ukady zasilamy napiciem stabilizowanym, anie napiciem wprost zbaterii, ktre znacznie si zmienia podczas wyadowania.

Aby wpeni wykorzysta bateri, zastosowalimy prosty stabilizator typu LDO (Low Drop Out omaym minimalnym spadku napicia), ktry utrzymuje na wyjciu okoo 7V, gdy napicie bate-rii jest oco najmniej 0,1V wiksze. Tylko 0,1V midzy wejciem iwyjciem stabilizatora wystarczy do jego prawidowej pracy. Rezystor rozruchowy R1 jest potrzebny, bo bez niego taki stabilizator nie zacznie pracowa po doczeniu baterii. Zasadniczo tego typu stabilizatory realizuje si we-dug idei zrysunku B ztrzema tranzystorami. Napicie wyjciowe ustala tu dzielnik RA, RB. Dioda Zenera wytwarza stabilne napicie odniesienia UREF, aukad dy do tego, by napicie UA byo rw-ne UREF. Gdy napicie na wyjciu jest za due, bardziej otwiera si tranzystor TA iprzejmuje wicej prdu, pyncego przez rezystor RE. Zmniejsza tym samym prd pyncy przez TB, czyli prd bazy tranzystora TC. Zmniejszenie prdu bazy zmniejsza te prd kolektora TC, ato zmniejsza napicie wyjciowe iprzywraca rwnowag.

Wmodelu zamiast diody Zenera DZ, rdem napicia odniesienia jest szeregowe poczenie krzemowej diody D2 ibiaej diody LED, co daje napicie owartoci nieco powyej 3,5V. Obwd ten jest te wykorzystywany jako sztuczna masa, niezbdna przy zasilaniu generatora pojedynczym napiciem jednej baterii. Wukadzie wykorzystane s wszystkie tranzystory zzestawu EdW09 ipo prostu zabrako jeszcze jednego tranzystora do stabilizatora (TA). Dlatego ukad jest uproszczony izamiast TA idzielnika RA, RB wczone s dwie diody wiecce (LED2, LED3), ktre peni funkcj diody Zenera.

Podczas pracy stabilizatora mocno wieci biaa dioda LED1, przez ktr pynie znaczny prd okoo 3mA. Sabiej wiec te diody LED2, LED3, ktre przy okazji s te monitorem stanu baterii gdy nie wiec, napicie jest za niskie ibateri trzeba wymieni.

Najwaniejsz czci projektu jest wyrniony t podkadk klasyczny generator zmostkiem Wiena, zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym U1A. Czstotliwo generatora wyznaczaj pary jednakowych elementw RF, CF: (f = 1/2RFCF). Rezystory R4, R5 gwarantuj, e ukad zacznie wy-twarza drgania po wczeniu zasilania. Sygna sinusoidalny zwyjcia oscylatora U1A podawany jest na wtrnik U1B idalej na wyjcie. Na wyjciu mona wczy potencjometr (1k...2,2k), aja wmodelu dodaem dzielnik R14, R15 ipodaem ze sygna na wejcie liniowe laptopa audio, ktry wraz zodpowiednim programem posuy jako oscyloskop ianalizator.

Wkadym generatorze zmostkiem Wiena potrzebny jest ukad stabilizacji amplitudy wytwarza-nego przebiegu. Wzasadzie generator mgby mie prosty schemat, jak na rysunku C, gdzie wyko-rzystany jest prosty stabilizator-ogranicznik zdiodami krzemowymi DX, DY.

Gdy warto R5 jest zbyt dua, generator chce wytworzy przebieg oduej amplitudzie, awtedy wszczytach sinusoidy przez diody DX, DY pynie prd inastpuje ograniczanie amplitudy drga przebieg wyjciowy jest jednak znaczco znieksztacony. Jeli zmniej-szymy warto R5, generator chce wytwarza przebieg omniejszej amplitudzie diody DY, DX, rwnie przewodz, ale ich prd, atake znieksztacenia przebiegu s mniejsze. Czym mniejszy prd diod, tym mniejsze znieksztacenia przebiegu sinusoidalnego. Gdy jednak nadmiernie zmniejszymy warto R5, generator przestanie wytwarza drgania inie zacznie pracy po wczeniu zasilania.

Wtakich prostych generatorach Wiena ze stabilizacj diodo-w wroli R5 stosuje si potencjometr itak ustawia jego warto, eby niezalenie od zmian temperatury iinnych czynnikw zagwa-rantowa szybkie powstanie iutrzymanie drga, ajednoczenie

wyjcie

wejcie

RA

RE(R3)

RS (R1)

TC (T1)

RB

DZ

RR

TB(T2)

TA

UREF UA

+ +

+

RF RS

R410k

DYDXRF

R5

CF

CF

*ok. 20k


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny


D

byznieksztacenia nie byy zbyt due. Caa sztuka budowy iregulacji takiego generatora

polega na dobraniu jak najmniejszej wartoci R5: nie moe ona by za maa, bo generator po wcze-

niu zasilania nie zacznie pracowa; nie moe by za dua, bo przebieg bdzie

znieksztacony.WInternecie mona znale mnstwo schematw

podobnych do tego zrysunku C, ale trudno byoby zna-le rozwizanie zdwoma monitorami, jak wnaszym projekcie. My nie mamy wzestawie ani jednego poten-cjometru, ktry umoliwiby tak regulacj, wic po-

trzebn rezystancj uzyskamy, doczajc rwnolegle do R5 rezystor R6 lub kilka rezystorw owikszej wartoci. Aby to zrobi bez przyrzdw, mamy te wukadzie dwa monitory, kontrolujce parametry wytwarzanego przebiegu sinusoidalnego.

Monitor amplitudy zbudowany jest na tranzystorach T7, T8. Jeli na wyjciu generatora wystpi przebieg oamplitudzie powyej 0,6V, zawieci si zielona dioda LED6.

Monitor znieksztace zawiera tranzystory T3, T4, ktrych zcza baza-emiter peni funkcj diod DY, DX zrysunku B. cilej biorc, prd baz tych tranzystorw odpowiada prdom, pyncym przez diody DY, DX. Poniewa znieksztacenia wytwarzanego przebiegu s proporcjonalne do pr-dw baz, sprawdzamy, czy prdy te nie s zbyt due. Wykorzystujemy do tego prdy kolektorw T3, T4, ktre s proporcjonalne do prdw baz. Jeli znieksztacenia, atym samym prdy baz ikolekto-rw T3, T4 bd zbyt due, spadki napicia na R9 iR10 bd otwiera tranzystory T5, T6 izawie-ca niebieskie diody LED4, LED5. Prg zadziaania monitora znieksztace wyznaczaj rezystory R9, R10.

Rysunek D zrzut zekranu oscyloskopu pokazuje, e wukadzie modelowym uzyskujemy adny przebieg sinusoidalny oczstotliwoci 107,8Hz iwartoci midzyszczytowej 1,56V, co daje amplitud 0,78V iwarto skuteczn 0,55V. Jeli wieci zielona dioda LED6, anie wiec niebieskie LED4, LED5, to wytwarzany przebieg ma znieksztacenia poniej 1%. Staranny dobr rezystancji R5 pozwala uzyska duo mniejsze znieksztacenia.

Wnaszym ukadzie mamy do dyspozycji nieprecyzyjne elementy, wtym rezystory otolerancji 5%. Dlatego dobr optymalnej wartoci rezystancji R5 polega na doczaniu rwnolegle do niej re-zystora R6 lub kilku rezystorw. Zapewne bez rezystora R6 bd wieci iLED6, iniebieskie LED4, LED5. Naley doczy R6 onominale 100k. Zapewne wszystkie te diody wtedy zgasn wypad-kowa rezystancja jest za niska. Nomina 100k trzeba odczy iwstawi 220k. Jeli po docze-niu R6 = 220k zielona dioda LED6 zganie, trzeba zastosowa R6 = 470k. Najprawdopodobniej jednak po doczeniu R6 = 220k dioda LED6 bdzie nadal wieci. Jeli zgasn przy tym niebie-skie LED4, LED5, procedur mona byoby zakoczy. Jednak niezalenie od stanu niebieskich diod warto rwnolegle do R5, R6 doda kolejny rezystor (470k, 1M, 2,2M, 4,7M, 10M) lub szeregowe ich poczenie, przy ktrym zielona LED6 wieci, apo doczeniu baterii zawieca si wczasie nie duszym ni jedna sekunda. Tak dostrojony ukad bdzie wytwarza sinusoid oza-skakujco maych znieksztaceniach.

Uwaga!Po kadej zmianie wukadzie, wszczeglnoci zmianie RF iCF, procedur dobierania rezystancji naley powtrzy!

Jak pokazuje fotografia wstpna, wmodelu zkondensatorami CF = 100nF do R5, oprcz rezystan-cji R6 = 220k, rwnolegle doczone s te dwa rezystory osumarycznej wartoci 5,7M (4,7M + 1M).

Tego rodzaju generator moesz zpowodzeniem wykorzystywa do pomiarw. Dla ciekawoci sprawd, jak brzmi czysta sinusoida ijak ucho odbiera znieksztacenia wtym celu do wyjcia generatora docz suchawki przez rezystor owartoci 470 lub 1k.

Wykad zwiczeniami 14Poznajemy elementy iukady elektroniczneWprojekcie wstpnym wykorzystalimy generator oparty na mostku Wiena, wedug idei zrysun-ku1. Uwani Czytelnicy spostrzegli te, e podobny generator wykorzystywalimy ju wczeniej

79

12

3

patrz wykad 9, rysunki 11 i12. Dwa jednakowe rezystory RF ikondensatory CF tworz obwd selektywny, ktry przy czsto-tliwoci f = 1/2RFCF najmniej tumi sygna (trzykrotnie) inie przesuwa wtedy fazy. Sprzenie zwrotne przez ten obwd jest dodatnie, ale aby skompensowa trzykrotne tumienie, wgenera-torze potrzebne s rezystory RA, 2RA, ktre zapewni wzmocnie-nie rwne 3, by wzmocnienie wypadkowe wynosio 1 iby ukad wytwarza drgania. Zuwagi na zmiany tempe-ratury iinnych czynnikw, pocztkowe wzmocnienie powinno by nieco wiksze od jednoci, apo powstaniu drga powinno by na bieco regulowane, by miao warto dokadnie rwn jednoci, co zagwarantuje wytwarzanie nieznieksztaconego przebiegu sinusoidalnego. Wpraktyce ukad generatora musi zawiera obwd stabilizacji amplitudy wytwa-rzanego przebiegu. Wliteraturze znajdziesz rozmaite rozwizania takiej stabilizacji. Wzasilanej napiciem symetrycznym wersji zrysunku 2a zwyka arweczka (ojak najmniejszym prdzie) ma dodatni wspczynnik cieplny. Gdy powstan drgania, przez arwk popynie prd zmienny, co rozgrzeje wkno, zwikszy jego rezystancj itym samym zmniejszy wzmocnienie, stabilizujc amplitud wytwarzanego sinusa. Tego rodzaju proste generatory zarwk byy dawniej bardzo czsto wykorzystywane, nawet wsprzcie profesjonalnym. Wwersji zrysunku 2b do stabilizacji amplitudy suy termistor oujemnym wspczynniku cieplnym (NTC), ktry po powstaniu drga pod wpywem prdu inagrzewania zmniejsza swoj rezystancj, zmniejszajc wzmocnienie.

Jeeli masz wdomu arweczk onaprawd maym prdzie, np. od choinki lub telefoniczn oprdzie 20mA, moesz sprbowa zrealizowa prociutki generator wedug rysunku 2a, zasila-ny napiciem symetrycznym 4,5V 9V. Zuwagi na bardzo ma rezystancj zimnego wkna arwki potrzebna warto rezystancji RX wyniesie kilkanacie do kilkudziesiciu omw, awtedy problemem okae si maa wydajno prdowa wzmacniacza operacyjnego.

Powtarzalno idobre parametry zapewnia obwd regulacyjny ztranzystorem polowym z-czowym (JFET) prosty przykad na rysunku 3a. Jeszcze lepsze, znikomo mae znieksztacenia mona uzyska wgeneratorze ztransoptorem zawierajcym fotorezystor wedug idei zrysunku 3b. Dopracowane wersje takich generatorw zodpowiedniej jakoci wzmacniaczem operacyjnym po-zwalaj wytworzy bardzo czysty, niemal idealny przebieg sinusoidalny ozawartoci znieksztace rzdu tysicznych czci procenta.

Przy okazji wspomnij-my, e znieksztacenia nieliniowe to realne znieksztacenia. To kade, jakiekolwiek odksztacenie przebiegu sinusoidalne-go, ktry, jak wiemy, jest przebiegiem podstawo-wym, elementarnym. Co bardzo ciekawe iwane wpraktyce, kady przebieg okresowy, powtarzalny, jest znieksztaconym

+

RF

RF

RF

RARA RFRF

2RA2RA

CF

CF2RFCF2

CF

CF

CF

Generator z mostkiem Wiena

a) b)1

f=Uwy = 0 przy czstotliwoci

Uw

e

~Uwy

1f=~

a) b)

+

RF

arweczka

o jak najmniejszymprdzie

UWAGA! ZASILANIE NAPICIEM SYMETRYCZNYM!

RF

dobierany

*RX

CFCF

wy_U

+U+

RF

termistor (NTC)

RF

Tm

CFCF

wy_U

+U

dobierany

*RX

+

+

a) b)

+

RF

RF

10k

CFCF

wy

D11N4148

T1- JFET N

22

1M

dobierany*ok. 5k

+

RF

transoptorz fotorezystorem

RFCFCF

wy

* *

*

ukadsterujcy


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny


5

6

4

przebiegiem sinusoidalnym. Jak to byo zasygnalizowane wwykadzie 9, kady przebieg powtarzalny oczstotliwoci f jest wrzeczywistoci sum sinu-soidalnych skadowych oczsto-tliwociach harmonicznych 2f, 3f, 4f, 5f,... Na przykad przebieg prostoktny mona rozoy, choby za pomoc filtrw, na ele-mentarne skadowe sinusoidalne: podstawow oczstotliwoci f, oraz na harmoniczne (wycznie nieparzyste) oczstotliwociach 3f, 5f, 7f,... Mona byoby tak-e zbudowa zharmonicznych przebieg odowolnym ksztacie. Interesujce zobrazowanie tego znajdziesz np. na stronach: www.falstad.com/fourier czy te www.indiana.edu/~acoustic/s522/fourapdkp.html. Znieksztacenie przebiegu sinusoidalnego polega wic na obecnoci dodatkowych harmonicznych, dlatego mwimy oznieksztaceniach harmonicz-nych. Natomiast wspczynnik THD (Total Harmonic Distortion), podawany wprocentach, wyraa sumaryczn zawarto wszyst-kich harmonicznych wdanym przebiegu. Jeli zawarto har-monicznych nie przekracza 1%,

sygna uznaje si za przyzwoity sinus. Szczegow analiz (metodami matematycznymi, zwykorzystaniem transformaty Fouriera) przeprowadzaj analizatory widma, powszechnie stosowane wodtwarzaczach audio. Dostpne s te programy komputerowe do takich pomiarw, jak choby synny darmowy RMAA (http://audio.rightmark.org/download.shtml). Pochodzcy zniego rysunek 4 pokazuje zawarto harmonicznych wsygnale generatora zwiczenia wstpnego. Jak wida, harmoniczne s ookoo 60dB, czyli 1000 razy mniejsze od skadowej podstawowej, co oznacza, e znieksztacenia s rzdu 0,1%. Nasz wzmacniacz operacyjny LM358 ma sab dynamik wymiana na szybszy ilepszy NE5532 (ktre-go, niestety, nie masz wzestawie EdW09) pozwala, jak pokazuje rysunek 5, uzyska harmoniczne rzdu 70dB poniej podstawowej, czyli znakomit warto wspczynnika THD rzdu 0,03%. Natomiast popularny wzmacniacz TL072 nie zapewnia takiej poprawy.

Wukadach audio czsto wykorzystuje si czstotliwo 1kHz, ktr moglibymy uzyska przy C

F = 10nF iRF = 15,9k. Jednak przy takich elementach iczstotliwoci przebieg jest wyranie znieksztacony, jak pokazuje rysunek 6a. Natomiast rysu-nek 6b pokazu-je przebieg przy zastosowaniu wzmacniacza operacyjnego NE5532 (fo-tografia7). Wtedy moe-my uzyska

81

97

8

znieksztacenia THD rzdu 0,1% znakomicie jak na tak prosty ukad, zawierajcy wycznie nieprecyzyjne elementy. Wlepszej wersji generatora tytuowego zastosowalibymy te stabilniejsze rezystory orezystancji 1% idobralibymy tranzystory T3, T4, by miay jak najbardziej jednakowe parametry (wzmocnienie prdo-we). Na wyjciu naleaoby jeszcze doda (zaznaczony na rysun-ku Aszarym kolorem) potencjometr, np. owartoci 1k4,7k.

Zachcam do samodzielnych eksperymentw ztego rodzaju generatorami. Jeeli nawet nie masz oscyloskopu, do pomiarw moesz wykorzysta komputer/laptop, wktrym jest dobra karta zwejciem liniowym (wejcie mikrofonowe zwykle si nie nadaje, bo dodany jest tam wzmacniacz osabych parametrach) zzainsta-lowanym odpowiednim programem (fotografia 8). Zdarmowych, oprcz wspomnianego RMAA RightMark Audio Analyzer, moesz wykorzysta Audacity (http://audacity.sourceforge.net) do nagry-wania ianalizowania widma (rysunek 9). Moesz te wykorzysta zaskakujco potny iniezbyt skomplikowany wobsudze podsta-wowych funkcji analizator SpectrumLab ze strony www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html, akonkretnie zlinku http://dl4yhf.ssl7.com/speclab/install_speclab.zip.

Wdarmowym SpectrumLab oprcz dokadnego analizatora znajdziesz te funkcj dwukanaowego oscyloskopu rysunek10. Zamienisz swj komputer woscyloskop, tylko pamitaj, e na wejcie karty dwikowej nie mona poda zbyt duych napi ipotrzeb-ny bdzie dzielnik (std R14, R15 na rysunkuAiwmodelu).

Przebieg sinusoidalny mona te wy-twarza na kilka innych sposobw.

Generatory zprzesuwnikiem fazo-wym. Zwykadw 9 i10 dowiedzieli-my si, e wobwodach RC (take RL) wystpuje przesunicie fazy midzy przebiegiem wejciowym iwyjcio-wym. Jak pokazuje rysunek 11, jeden obwd (filtr) RC moe przesun faz maksymalnie o90 stopni, ateoretycznie dwa jednakowe obwody RC mogyby przesun faz o180 stopni, czyli odwrci faz awtedy sprzenie zwrotne zujemnego stanie si dodatnie. Niestety, czym wiksze jest przesunicie fazy, tym wiksze jest te tumienie syg-nau przez taki filtr wr do pocztku wykadu 10 izamieszczonych tam ry-sunkw 1 i2.

Aby przesun faz o180 stopni, czyli odwrci sygna inie stumi go przy tym nadmiernie, potrzeb-ne s co najmniej trzy ogniwa RC, czyli co najmniej filtr 3-ogniwowy. Zgodnie zrysunkiem 11, prosty obwd zrysunku 12a przesuwa faz o180 stopni dla jakiej czstotliwoci, wikszej od f

0 = 1 / 2RFCF iprzy okazji znacznie tumi sygna. Jeli dodamy wzmacniacz odwracajcy odpowiednim wzmocnieniu (RB/RA), wtedy skompensujemy to tumienie iotrzy-mamy generator (rysunek 12b).

Oglnie biorc, wzmacniacz ze sprzeniem zwrot-nym zamienimy wgenerator przebiegu sinusoidal-nego, jeli dla jakiej czstotliwoci wypadkowe


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny


!

@

#

-

przesunicie fazy bdzie rwne 0 stopni (dodatnie sprzenie zwrotne) ijednoczenie wzmoc-nienie wypadkowe ukadu bdzie dokadnie rwne 1 s to tzw. warunki fazy iamplitudy. Te same warunki dotycz te gene-ratora zmostkiem Wiena. Gdy wzmocnienie wypadkowe bdzie wiksze od jednoci, ukad bdzie generowa przebieg zobcitymi wierzchokami trapezowy, ana-wet prostoktny. Gdy wzmocnie-

nie bdzie mniejsze od jednoci, ukad nie bdzie generowa, tylko bdzie filtrem dzwonicym tym bardziej, im blisze jednoci bdzie wzmocnienie wypadkowe.

Na rysunku 13 ina fotografii 14 masz generator ztrzystopniowym przesuwnikiem fazowym. Wartoci RF oraz CF nie musz by jednakowe zawsze dla jakiej czstotliwoci przesunicie fazy wyniesie 180 stopni itak czstotliwo moe wytworzy generator, jeeli wzmoc-nienie wypadkowe bdzie odpo-wiednie. Rezystancje R4 iR3 usta-laj wzmocnienie wypadkowe na warto nieco wiksz od jednoci, eby po wczeniu zasilania genera-tor pewnie rozpocz prac. Wprak-tyce R3 trzeba dobra zwiksza, zaczynajc od 22k a do progu

gaszenia drga. Wmoim modelu ta rezystancja jest zoona zszeregowo po-czonych rezystorw 22k, 4,7k, 1k, 470. Obwd zdiodami LED1, LED2 ire-zystorem R5 jest ograniczni-kiem amplitudy. Taki prosty ogranicznik wprowadza oczy-wicie pewne znieksztacenia, niemniej przy duej wartoci R5 (10M) moemy uzy-ska generator przyzwoitego przebiegu sinusoidalnego

180

225

270

3600.01

90

45

0

100

135

315

Czstotliwo znormalizowana f/f0

1 ogniwo RC

Prz

esun

ici

e fa

zy (s

topn

ie)

2 ogniwa RC

3 ogniwa RC

4 ogniwa RC

1010.1

b) RBRA

CF

a)

+

wyjcie

RF

*RX_U

+U

CF

RFCF

RFCF

RFCF

RFCF

RF

sygna o przeciwnej faziei mniejszej amplitudzie

Uwe Uwy

+

+wy

RB

R5 10M LED1

LED2R4 1M

+

+

R3R2

100k

C1

LM358

dobierany

U1B

U1A

*

CF100n

CF100n

CF100n

RF 10kRF 10k RF 10k

+9...+12V

100F

7

4

5

63

2 1

8 100

R7220

R62,2k

R1100k

83

^&

%

$

(rysunek 15). Znw kiepskie waci-woci wzmacniacza LM358 spowodo-way widoczn deformacj sygnau, natomiast ze wzmacniaczem NE5532 mona uzyska znieksztacenia rzdu 0,2%.

Taki generator zprzesuwnikiem fazowym jest bardziej kapryny ni ge-nerator zmostkiem Wiena inie wyko-rzystujemy go wpraktyce. Rysunek16 pokazuje koncepcj generatora kwa-draturowego, ktry na swoich dwch wyjciach daje przebiegi sinusoidalne ofazach przesunitych o90 stopni, czyli ojedn czwart okresu. Wprak-tyce take itaki generator musi by wyposaony wjaki obwd ogranicza-nia istabilizacji amplitudy.

WInternecie znajdziesz takie ipokrewne generato-ry zprzesuwnikami fazowymi, np. generator Bubby (Bubba oscillator), ktry daje na czterech wyjciach sygnay ofazie przesunitej o45 stopni. Generatory zprzesuwnikami fazowymi doprowadziy nas do kolej-nego bardzo wanego tematu.

Samowzbudzenie. Problem obwodw zasilania. Co wane, kilka obwodw RC przesunie o180 stopni faz sygnaw ojakiej czstotliwoci itym samym zmie-ni sprzenie zujemnego na dodatnie. Tumaczy to, dlaczego wzmacniacze do czsto same zmieniaj si wgeneratory, czyli nastpuje wnich niepodane samowzbudzenie. Dotyczy to np. konstruowanych przez hobbystw tranzystorowych wzmacniaczy mocy. Ot wrealnych ukadach wzmacniajcych wystpuje mnstwo ukrytych obwodw opnia-jcych RC, zarwno wewntrz wzmacniacza, wptli sprzenia zwrotnego, atake wobwodach zasilania. Zwykle takie szkodliwe rezystancje ipojemnoci s mae, wic znaczce przesunicie iodwrcenie fazy

++

sinRF

CF RF

CFCF

RF

generator kwadraturowy

cos

+

RW

+

+

filtry RC tumice sygnay zmienneniepodanego sprzenia zwrotnego

wy

+

+

+

ME

+

RW+

+

+

+

+

+

niepoadane ptlesprzenia zwrotnego

wy

ME

+

+

bateriao rezystancjiwewntrznej

RW

a)

ICCIZAS

ptlaujemnegosprzeniazwrotnego

+RW

bateriao rezystancjiwewntrznej

RW

ptlaujemnegosprzeniazwrotnego

U = IZAS*RW

b)


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

*(

skutkujce samowzbudzeniem wy-stpuje dopiero przy wysokich cz-stotliwociach. Izwykle na takich wysokich czstotliwociach wzbu-dza si system.

Trzeba te wiedzie ipamita, e we wzmacniaczach tworz si do-datkowe obwody sprzenia zwrot-nego, midzy innymi przez obwody zasilania iobwody masy. Itak jak ilustruje rysunek 17a, choby tyl-ko zuwagi na spadek napicia na niezerowej rezystancji wewntrznej zasilacza/baterii RW, napicie zasila-jce waha si wtakt poboru prdu (wtakt sygnau). Te zmiany wracaj potem przez rezystory polaryzujce na wejcie wzmacniacza niewt-pliwie tworz si dodatkowe ptle sprzenia zwrotnego. Sprzenie zwrotne jest tym silniejsze, im wiksza jest rezystancja wewntrzna baterii (RW). Wzmacniacz mikrofo-nowy zzasady ma due wzmocnie-

nie, wic atwo zamienia si wgenerator, bo dla jakiej czstotliwoci spenione s wspomniane warunki amplitudy ifazy. Aby do tego nie dopuci, musimy stumi sygna niepodanego sprz-enia zwrotnego, czyli zmniejszy ttnienia wobwodzie szyny zasilania. Midzy innymi dlatego wobwodzie zasilania wczamy filtry RC przykad na rysunku 17b. Tumi one niepodane sygnay, ale jednoczenie przesuwaj ich faz jeli oka si za mao skuteczne, to one wyznacz czstotliwo generacji podczas samowzbudzenia.

Problem niepodanych ptli sprzenia zwrotnego wystpuje te wobwodzie masy. wiczenia wykadu 12 pokazay problem zapomnianych rezystancji iudowodniy, e na rezystancjach cie-ek iprzewodw masy, gdzie pyn due prdy, wystpuj znaczce spadki napi, ktre mog by porwnywalne zsygnaami zmikrofonu niewtpliwie nie bdzie to korzystne. Zalenie od wzajemnego rozmieszczenia obwodw, gdzie pyn wiksze prdy, te spadki napi mog si do-dawa lub odejmowa od sygnaw wejciowych. Po pierwsze, obwd masy powinien wic mie jak najmniejsz rezystancj, dlatego zwykle cieki ipoczenia masy s grubsze od innych cieek ipocze. Po drugie, problem moe zosta zminimalizowany przez odpowiednie skonfigurowanie

obwodw masy.Rysunek 18a pokazuje ewidentnie

bdn konfiguracj, poniewa due prdy zasilajce wzmacniacza mocy, modulowane wzmacnianym sygnaem, powoduj znaczce spadki napi wobwodzie masy przedwzmacniacza. Spadek napicia U1 dodaje si do sygnau mikrofonowego (lub odejmu-je), aspadek napicia U2 dodaje si lub odejmuje od sygnau wyjciowego przedwzmacniacza. Na pewno spowo-duje to znieksztacenia igrozi te sa-mowzbudzeniem systemu. Prawidowa jest konfiguracja zrysunku 18b, gdzie przez mas przedwzmacniacza nie pyn due prdy zasilajce wzmac-niacza mocy. Rezystancje wobwodzie masy s identyczne, ale spadki napi na nich (U1, U2) s teraz zdecydo-wanie mniejsze iproblem jest mocno

+

a)

b)

M

M

Uwy UweUM

U1 U2 U3

+

Uwy Uwe

U1 ~0V U2 U3

CP

CP

CP

~230

V

urz

dzen

iael

ektro

nicz

ne

urz

dzen

iael

ektro

nicz

ne

pros

tow

nik

i filt

r

zasilacz

ttnieniazasilacza 100Hz

zakcenia z sieci 230V

ziemia

85

)zredukowany (cho nie wyeliminowany cakowicie).

Wliteraturze cz-sto zaleca si konfi-guracj zwan star ground, czyli mas wpostaci gwiazdy. Nie zawsze jednak jest to optymalne, aczasem wrcz nie-moliwe. Problem prowadzenia obwo-dw masy okazuje si powany, szcze-glnie wurzdze-niach audio, wroz-budowanych uka-dach pomiarowych, atake systemach, gdzie ukady analo-gowe (wzmacniacze) wsppracuj zcyfrowymi (np. mikroprocesorami). Aby unikn problemu, stosuje si tam oddzielne obwody zasilania ukadw analogowych icyfrowych, amasy analogow (GNDA) icyfrow (GNDD) czy si tylko wjednym, sensownie dobranym punkcie.

Zakcenia zewntrzne. Omawiany wanie problem niepodanych sygnaw wobwodach za-silania imasy dotyczy nie tylko samowzbudzenia iznieksztace, ale take przenikania zakce zewntrznych. Itak obwd masy nigdy nie powinien tworzy zamknitej ptli, poniewa wtakiej jednozwojowej cewce obce pola magnetyczne zaindukuj prdy, ktre wywoaj spadki napi iprzejd do toru sygnaowego, gwnie jako brum sieci 50Hz.

Zkolei napicie zasilajce moe zmienia si pod wpywem czynnikw przechodzcych zsieci energetycznej, jak ilustruje rysunek 19. Bd to niedoskonale stumione ttnienia wyprostowane-go napicia sieci (100Hz) oraz rne krtkie iszybkie zakcenia impulsowe zsieci energetycznej przechodzce przez szkodliwe pojemnoci C

P wzasilaczu ipojemnoci do ziemi.Problem ten najostrzej wystpuje wukadach zlampami elektronowymi. Ukady ztranzystorami

komplementarnymi, wtym wzmacniacze operacyjne, atwiej jest optymalizowa pod wzgldem przenikania zakce zszyny zasilania. Wkatalogach wzmacniaczy operacyjnych podawany jest parametr oznaczany PSR lub PSRR tumienie ttnie zasilania, wyraany wdecybelach, aczasem te zaleno tego tumienia od czstotliwoci itemperatury. Niestety, cho wzmacniacze opera-cyjne dobrze tumi ttnienia zasilania, jednak te mog przenika do toru sygnaowego przez inne obwody. Dlatego wniektrych ukadach spotyka si rozbudowane, kilkustopniowe filtry obwodw zasilania iobowodw polaryzacyjnych, niekiedy zawierajce take dawiki (cewki), aregu jest rwnolege czenie kondensatora elektrolitycznego 10mF...1000mF, ktry dobrze radzi sobie zprze-biegami omniejszych czstotliwociach zmaym kondensatorem ceramicznym 100nF, ktry lepiej tumi ewentualne mieci owysokich czstotliwociach. Dobrym zwyczajem jest zasilanie obwo-dw sygnaowych ze (scalonych) stabilizatorw. Natomiast wzmacniacze mocy audio zzasady s zasilane napiciem filtrowanym, ale niestabilizowanym.

Na koniec gorco zachcam do samodzielnych eksperymentw zbuduj tego rodzaju czuy wzmacniacz mikrofonowy, najlepiej dwustopniowy, na przykad wedug rysunku 20 (wzasadzie warto byoby doczy jeszcze monitor napi zmiennych zdiod LED, np. wg rysunku A, by kon-trolowa te wzbudzanie na czstotliwociach ponadakustycznych). Docz do wyjcia suchawki, ale NIE podczaj mikrofonu. Usuwajc zaznaczone rowymi podkadkami kondensatory, prze-konaj si, na ile skonno do samowzbudzenia zaley od skutecznoci filtracji zasilania. Podczaj zasilanie wrnych miejscach. Moesz te rozdzieli obwd masy ipomidzy takie dwie czci wczy rezystor 10 omw (lub dwa poczone rwnolegle, dajce 5), udajcy fatalnie zrealizowa-ne poczenie doczaj zasilanie zrnych stron takiej rezystancji masy.

Wwykadzie 14 omwilimy dwa bardzo wane zagadnienia realizacj generatorw sinusoidal-nych oraz zapobieganie samowzbudzeniu. Za miesic nadal bdziemy wykorzystywa wzmacniacze operacyjne.

Piotr Grecki

+

+

+UZAS+

9_15V

+

+

NIEdocza

mikrofonu

R5220k+

C5100F

C3 1

C410F

C210F

C6100F lub

1000F

R7 2,2 k

R4100k

R1 100k

U1ALM358

C1 100nF

R21k

R3100k

R64,7k

3

2

8

4

1

+

+

+

R11220k

C51000

C210F

R12

220

R9 100k

2,2k

R8

U1BLM358

76

5

R10220k


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

Praktyczny_kurs_elektroniki_cz14.pdf

Documents