Liceul Tehnologic “ASTRA” Piteşti

PROIECT

PENTRU EXAMELUL DE CERTIFICARE A COMPETENŢELOR PROFESIONALE

NIVEL 3

CALIFICAREA : TEHNICIAN ÎN AUTOMATIZĂRI

Tema : Oscilatoare

Îndrumător: Candidat:

Profesor : BUCIU OVIDIA Manu Claudiu

Clasa a XII- a D

1

CUPRINS

Pag.

Argument……………………………………………………………3

Cap. 1Generalitati. …...……………………………………………4

Cap. 2 Oscilatoare sinusoidale cu reacţie ………………………5

Cap 3. Oscilatoare RC................................................................6

Cap.4 Oscilatoare cu cuarţ........................................................11

Cap.5 Oscilatorul Colpitts cu cristal de cuarţ.............................13

Clasificare..................................................................................14

Bibliografie…………………………………………………………26

2

ARGUMENT

Obiectul proiectului îl constituie studierea principalelor tipuri de redresoare.

Prin redresor se întelege un circuit electronic capabil sa transforme energia electrica de curent alternativ în energie electrica de curent continuu. Pentru alimentarea circuitelor electronice şi a altor consumatoare de curent continuu este necesarã obţinerea energiei de curent continuu prin redresarea tensiunii alternative de la reţea. Circuitele care realizează această transformare se numeşte redresoare. Redresorul este un convertor static de putere care face conversia unei tensiuni alternative într-o tensiune continuă, sensul energiei fiind de la reţeaua de current alternative spre consumatorii de curent continu.

Redresoarele pot fi clasificate în redresoare comandate, care furnizează la ieşire o tensiune reglabilă şi necomandate, care la ieşire furnizează o tensiune fixă.

După tipul tensiunii alternative redresate, redresoarele sunt monofazate sau polifazate. Redresoarele monofazate se folosesc pentru puteri mai mici de 1kW şi se conectează la reţeaua alternativă 220V/50Hz prin intermediul unui transformator monofazat. Ele se pot clasifica în redresoare monoalternanţă, când redresează o singură alternanţă a tensiunii alternative¸ sau dublă alternanţă, când redresează ambele alternanţe. Ca elemente redresoare se utilizează diodele redresoare semiconductoare sau tiristoarele. Tiristoarele se folosesc în redresoarele de putere a căror tensiune poate fi variată independent de sarcină.

3

Oscilatoare

Capitolul 1. Generalităţi

Definiţie: Oscilatoarele sunt generatoare de oscilaţii electrice întreţinute,

cu frecvenţă proprie (funcţionează fără semnal de intrare).

a. Parametrii oscilatoarelor

Forma semnalului generat

Domeniul de frecvenţă în care lucrează

Stabilitatea frecvenţei de oscilaţie

Amplitudinea semnalului de ieşire

Stabilitatea amplitudinii semnalului de ieşire

Coeficientul de distorsiuni neliniare impus

b. Clasificarea oscilatoarelor

Nr. crt.

Criterii de clasificare Tipuri de oscilatoare

1 După forma semnalului generat - oscilatoare sinusoidale

- oscilatoare nesinusoidale

2 După domeniul de frecvenţă în care lucrează

- oscilatoare de audiofrecvenţă ( j. f)

- oscilatoare de radiofrecvenţă (î. f)

- oscilatoare de foarte înaltă frecvenţă

3 După natura componentelor din reţeaua selectivă

- oscilatoare RC

- oscilatoare LC

- oscilatoare cu cuarţ

4

Capitolul 2. Oscilatoare sinusoidale cu reacţie

Definiţie: Oscilatoarele cu reacţie sunt amplificatoare cu reacţie pozitivă

care generează un semnal sinusoidal de forma u = Umax sin ωt .

Valoarea frecvenţei de oscilaţie se obţine cu ajutorul unui circuit acordat LC

sau cu o reţea selectivă RC

a. Schema de principiu

Fig. 4.1 Oscilator cu reacţie – schema de principiu

Relaţii specifice

Valoarea amplificării cu reacţie este

Ar - amplificarea circuitului cu reacţie

β– factor de reacţie sau de transfer

A - amplificarea circuitului fără reacţie

5

Ar=A

1−β A

Condiţia de oscilaţie sau de reacţie pozitivă

1- β A = 0 sau β A = 1 - Relaţia lui Barkhausen

Amplificarea cu reacţie Ar = ∞ şi amplificatorul devine oscilator

Relaţia lui Barkhausen este echivalentă cu două condiţii : condiţia de

amplitudine şi condiţia de fază ce rezultă din forma de exprimare în

complex a amplificării şi a factorului de transfer.

A=|A|ejϕ A , j=√−1 β=|β|e

jϕβ

|A | . |b | = 1 Condiţia de amplitudine

jA + jb = 0, 2 p, 4p.... Condiţia de fază

φA - defazajul produs de amplificator ; φβ - defazajul produs de circuitul de reacţie

Capitolul 3.Oscilatoare RC

Definiţie: Oscilatoarele RC sunt amplificatoare cu reacţie pozitivă selectivă

având cuadripolul de reacţie format din rezistenţe R şi condensatoare C .

a. Clasificare

6

Nr. Crt.

Criteriul de clasificare Tipuri de oscilatoare RC

1 După numărul de tranzistoare ale amplificatorului

- cu un tranzistor

- cu două tranzistoare

2 După configuraţia cuadripolului de reacţie

- cu reţea de defazare trece – sus

- cu reţea de defazare trece – jos

- cu punte Wien

- cu punte dublu T

b. Condiţia de oscilaţie

Pentru orice oscilator aspectele cele mai importante sunt :

Condiţia de oscilaţie – relaţia între parametrii circuitului pentru

amorsarea oscilaţiilor

Valoarea frecvenţei de oscilaţie

Frecvenţa de oscilaţie - este frecvenţa la care datorită reacţiei pozitive ,

amplificarea circuitului devine infinită.

Frecvenţa de oscilaţie se determină din condiţia de fază , jA + jb = 0, 2p, 4p.. care este satisfăcută pentru o singură frecvenţă, care este frecvenţa

de oscilaţie.

Defazajele produse de elementele de circuit depind de frecvenţă.

3.1 Oscilatoare RC cu un tranzistor

7

Defazajul produs de amplificator este φA = 1800

Reţeaua de defazare ar trebui să producă un defazaj φβ = 1800 pentru a

îndeplini condiţia de fază.

Un condensator ideal produce un defazaj de 900 între curentul şi

tensiunea la bornele sale, iar unul real mai puţin de 900 .

Deoarece rezistoarele şi condensatoarele sunt elemente reale, numărul

minim de celule RC identice este 3.

a. Oscilatorul RC cu reţea de defazare trece – sus

Frecvenţa de oscilaţie este ω ≈ 1 / √6 RC

Rolul elementelor de circuit este :

- R1, R2 au rolul de polarizare a bazei

tranzistorului cu tensiune constantă

- RC limitează curentul din colector

- RE stabilizează termic PSF

- CE capacitate de decuplare a rezistenţei de emitor în c.a.

Fig. 4.2 a. Oscilator RC cu reţea de

defazare trece – sus

- R şi C elementele reţelei de

defazare

- R’ asigură conectarea reţelei de

defazare cu intrarea amplificatorului

8

b. Oscilatorul RC cu reţea de defazare trece - jos

Frecvenţa de oscilaţie este ω ≈ √6 / RC

Fig. 4.3 Oscilatorul RC cu reţea de defazare trece – jos

9

3.2 Oscilatoare RC cu două tranzistoare

Este un oscilator cu punte Wien

Defazajul produs de amplificatorul cu două tranzistoare este φA = 2 p Cuadripolul de reacţie trebuie să introducă un defazaj φβ = 0 ; 2 p pentru

a se respecta condiţia de fază φA + φβ = 0 ; 2 p ; 4p

Puntea Wien este formată din două circuite RC, serie şi celălalt paralel

Frecvenţa de oscilaţie este ω = 1 / RC

Fig 4.4 Oscilator RC cu punte Wien

Fig. 4.5 Oscilator RC cu punte Wien-schema simplificată

10

Capitolul 4. Oscilatoare cu cuarţ

Definiţie: Oscilatoarele cu cuarţ sunt oscilatoare de semnale sinusoidale

de foarte mare stabilitate a frecvenţei.

1. Cuarţul

Cuarţul are proprietăţi piezoelectrice. Aceste proprietăţi constau în faptul

că aplicând plăcuţei o tensiune electrică , ea se deformează. Aplicând

plăcuţei forţe mecanice, apar sarcini electrice pe feţele solicitate.

a. Simbol , schema electrică echivalentă

Fig 4.6 Cuarţul – simbol şi schema electrică echivalentă

11

Cuarţul se comportă într- un montaj ca un circuit RLC.

L – echivalentul electric al masei cristalului

CS - echivalentul electric al elasticităţii

R - echivalentul electric al pierderilor prin frecare

CP- capacitatea monturii, capacitatea dintre electrozi

b. Proprietăţi

Circuitul are două frecvenţe de rezonanţă, una serie şi cealaltă derivaţie

Rezistenţa de pierderi R ‹‹ X – reactanţa

Factorul de calitate Q = ωO L / R este foarte mare

Valorile parametrilor R, L, CS, CP sunt foarte stabile în timp

Aceste proprietăţi determină marea stabilitate a frecvenţei oscilatoarelor cu cuarţ.

12

Capitolul 5. Oscilatorul Colpitts cu cristal de cuarţ

Între frecvenţa de rezonanţă serie – mai mică şi frecvenţa de rezonanţă

derivaţie, cristalul se comportă inductiv

Cuarţul înlocuieşte inductanţa din circuitul de reacţie a unui oscilator

Colpitts obţinându–se un oscilator de foarte mare stabilitate.

Fig. 4. 7 Oscilatorul Colpitts cu cuarţ

Avantaje- Are foarte bună stabilitate a frecvenţei

- Construcţie simplă şi robustă

Dezavantaje- Lucrează numai pe frecvenţe fixe, în funcţie de caracteristicile cuarţului f

= 100 kHz – 40 MHz

- La frecvenţe mai joase, dimensiunile plăcii devin prea mari, iar la

frecvenţe mai înalte, plăcile sunt foarte subtiri si fragile.

13

Oscilatoarele sunt circuite capabile să transforme energia de alimentare

continuă a unei surse în energie alternativă de o anumită frecvenţă (caz

particular al invertoarelor)

Clasificare

►După principiul de funcţionare :

- oscilatoare cu reacţie pozitivă- oscilatoare cu rezistenţă negativă

►Dupa domeniul de frecvenţă :

- oscilatoare cu audio frecvenţă (de la _Hz la 100KHz)- oscilatoare de radio frecvenţă (de la 100KHz la 1GHz)- oscilatoare cu microunde (peste 1GHz)

►Dupa natura reţelei de reacţie selectivă :

- oscilatoare RC (audio frecvenţă)- oscilatoare LC (radio frecvenţă şi microunde)

Oscilatoare cu reacţie pozitivă

Principiu : Schema bloc a unui amplificator cu reacţie pozitivă este prezentată în figura urmatoare

Unde A şi β sunt funcţiile de transfer complexe ale amplificatorului, respectiv cuadripolului de reacţie.

⇒ A r=u0ui

= A1−β A

14

Dacă este îndeplinită condiţia de oscilaţie a lui Barkhausen adică 1−β A=0 atunci Ar tinde către infinit, ceea ce înseamnă că poate exista

semnal de ieşire chiar şi în absenţa semnalului de intrare ui=0 .

Mărimile complexe A si β se pot scrie :

A=Ae jϕ A ¿}¿¿⇒ β Aej (ϕA+ϕB)=1 ceea ce conduce la :

{β⋅A=1¿ ¿¿¿ k=0,1,2,.....

(condiţia de amplificare, respectiv de frecvenţă)

Oscilatoare RC

►După tipul reţelei utilizate oscilatoarele RC pot fi clasificate în următoarele grupe :

- oscilatoare cu reţea Wien- oscilatoare cu reţea de defazare- oscilatoare cu reţea dublu T- alte tipuri-Din punctul de vedere al modului de cuplare a retelei de reactie la AO se deosebesc doua cazuri:

oscilatoare cu retea de defazare (implementare cu AO in structura inversoare)

oscilatoare cu retea de faza minima (implementare cu AO in structura neinversoare)

15

Oscilatoare cu reţea Wien

Schema unui oscilator cu AO şi reţea Wien este prezentată in figura urmatoare

Calculăm amplificările

A=1+R3R4 (amplificator neinversor)

β=R2 //

1SC2

R1+1SC1

+R2 //1SC2

Înlocuind S=ωj, condiţia A β=1 devine succesiv:

16

R3+R4R4

R21+R2C2 S

R1+1SC1

+R2

1+R2C2S

=1

(R3+R4)R2 SC1=R4 (1+R2C2 S+R2SC1+R1C1S+R1C1R2C2 S2)

R2R3C1 jω=R [1−R1C1R2C2( jω )2+(R2C2+R1C ) jω ]Egaland cu zero partea reala si imaginara rezultă conditiile de faza si

de amplitudine:

{ω2=1R1C1R2C2 ¿¿¿¿

{ω=1RC

⇒ f=12π RC ¿ ¿¿¿

În condiţiile în care {R1=R2=R ¿ ¿¿¿

În practică R3≈2 R4 . Dacă R3<2R4 atunci oscilaţia va fi din ce în ce mai mare până când se va satura amplificatorul, forma de semnal devenind dreptunghiulară.

Condiţia de amorsare a oscilaţiei este βA>1. Apare evidentă

menţinerea constantă a amplificării : A=1+

R3R4

=3

Modalităţi de stabilizare a amplificării

Se utilizează în locul rezistenţei R4 un bec cu incandescenţă sau un termistor cu coeficientul de temperatură pozitiv.

Se utilizează în locul rezistenţei R3 un termistor cu coeficient negativ de temperatură.La amorsarea oscilaţiilor sau la schimbarea frecvenţei, din cauza

inerţiei becului cu incandescentă sau a termistorului pot apărea variaţii ale amplitudinii semnalului de ieşire. Acest lucru poate fi evitat prin utilizarea unor diode Zener sau diode de comutaţie (cuplate in anti-paralel) în bucla de reacţie :

17

Figura Limitare cu diode Zener

Figura Limitare cu diode de comutatie

O reducere substanţială a distorsiunilor şi o stabilitate a amplificării mai bună se obţine prin utilizarea unei bucle de control automat a amplificării. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui tranzistor TEC care poate fi cuplat în serie sau în paralel cu rezistenţa R4.

18

Controlul controlul frecventei, la oscilatoarele Wien, poate fi realizat dacă rezistenţele R sunt modificate simultan (in general nu se utilizeaza reglajul capacitatilor). O altă posibilitate este realizată de următoarea implementare, care utilizeaza un singur potentiometru :

Observatie : Pentru AO1 este indeplinita conditia de amplitudine a oscilatorului (amplificarea in conexiune de neinversor este 3), deci demonstratia va furniza numai conditia de faza (data de coeficientul lui j). Desfacand bucla de reactie se deduce :

19

Efectuand calculele si egaland cu zero coeficientul partii complexe se deduce conditia de faza

►Oscilatoare cu reţea de defazare

Oscilator cu reţea tip FTS

Circuitul de calculează prin echivalări Thevenin succesive. Dupa prima echivalare se obtine circuitul

Ee 1=u0R

R+ 1SC

=u0RSC1+RSC

Re1=R 1SC

R+ 1SC

= R1+RSC

20

Dupa prima echivalare Thevenin

Ee 2=Ee1R

R+ 1SC

+Re1

Re 2=R(Re1+ 1

SC )R+ 1SC

+Re1

Aplicand teorema lui Millman in nodul A, rezulta :

U−=0=

u0Rr

+Ee2

Re2+1SC

1Rr

+ 1Re2+1/SC

Efectuand calculele obtinem :

Din aceasta relatie rezulta conditia de faza si de amplitudine (de calculat).

21

Oscilator cu reţea dublu T

Deducerea condiţiilor de oscilaţie :

U−=u0R1

R1+R2

Pentru calculul lui U+ se echivalează cu Thevenin generatorul de la ieşirea AO.

Re1=R 1nSC

R+ 1nSC şi

Re 2=

1SC

Rn

1SC

Rn

22

Ee 1=u0

1nSC

R+ 1nSC şi

Ee 2=u0

Rn

Rn

+ 1SC

Potenţialul U+ se calculează cu ajutorul teoremei lui Millman

U+=

Ee1R+Re1

+Ee2

Re2+1 /SC1

R+Re1+

1Re2+1 /SC

Identificând partea reală şi imaginară din identitatea U+=U− se deduc condiţiile de oscilaţie.

Oscilator cu retea T – « podit »

Oscilator cu reţea trece-bandă

23

Se echivaleaza Thevenin generatorul de la iesirea AO.

In aceste conditii expresia tensiunii de iesire are expresia:

Conditia ca circuitul sa se comporte ca un oscilator se reduce la relatia

Identificand componenta reala si cea imaginar se obtin conditiile de faza si de amplitudine

Oscilator cu reţea trece-tot

24

Vom calcula separat amplificarile celor doua AO. Rezulta:

Conditia Barkhausen este data de relatia: ceea ce conduce la

relatia: rezutand conditiile

25

BIBLIOGRAFIE

1. Constantin P., s.a. - Electronica industrială - E.D.P., Bucureşti, 1983;

2. Drăgulănescu N. - Agenda radioelectronistului - Editura Tehnică, Bucureşti, 1989;

3. Constantin Cruceru – Tehnica măsurărilor in telecomunicaţii – Editura Tehnica, 1982;

4. Isac E.-Masurari electrice si electronice- manual pentru clasele a-X-a, a-XI-a si a-XII-a, E.D.P.R.A. , Bucureşti, 1994.

5. www.regielive.ro 6. http://mee.didactic.ro/

26

27

28