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LABORATORIO DI TECNOLOGIA DISEGNO E PROGETTAZIONE: Realizzazione di un pre-amplificatore

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ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE

AUGUSTO RIGHI E VIII

LABORATORIO

DI

TECNOLOGIA DISEGNO

E

PROGETTAZIONE

Oggetto: Realizzazione di un pre-amplificatore

INDICE



INTRODUZIONE                     939g69j            PAG 1

ANOMALIE AMPLIFICATORI           PAG 2

COMPONENTI UTILIZZATI              PAG 2

                     939g69j                      939g69j                      939g69j                      939g69j      

CONDENSATORE                         939g69j     PAG 2

RESISTORE                     939g69j                  PAG 3

 

TRANSISTOR                     939g69j                PAG 4

FASI DI REALIZZAZZIONE              PAG 5

ALIMENTATORE                     939g69j          PAG 6/7

 

OSCILLOSCOPIO                            PAG 8

GENERATORE DI FUNZIONE        PAG 8

COLLAUDO                     939g69j                  PAG 9

ALLEGATI: DATASHEET TRANSITOR 2N3904, SCHEMA MOTAGGIO,                     939g69j    SBROGLI ORCAD, SBROGLIO MANUAELE

Lo scopo di questa esperienza è quello di creare un amplificatore di tensione tramite l'uso del transistor

Si dice amplificatore un circuito in grado di aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso. Un buon amplificatore deve essere lineare, nel senso che deve amplificare tutte le forme d'onda presenti in ingresso nello stesso modo. Un amplificatore si dice amplificatore di tensione se amplifica la tensione; si dice amplificatore di corrente se amplifica la corrente. Può essere utile il seguente schema:

Schema a blocchi di un amplificatore. La tensione in uscita è più grande di quella di ingresso

in cui notiamo che la frequenza del segnale di ingresso è rimasta inalterata e così la forma d'onda, che è sinusoidale sia in ingresso che in uscita; viene amplificata solo l'ampiezza. Occorre precisare che l'amplificatore non è un generatore, infatti l'amplificazione avviene a spese del generatore di tensione che alimenta il circuito.

Un amplificatore si dice per piccoli segnali quando l'ampiezza della forma d'onda applicata in ingresso è molto piccola e la potenza in uscita è dell'ordine delle centinaia di mW. Quando, invece, la potenza fornita in uscita è dell'ordine dei Watt si dice che l'amplificatore è di potenza

Inoltre possiamo avere un amplificatore di bassa frequenza se amplifica le frequenze basse, cioè le frequenze audio, udibili dall'orecchio umano; le frequenze audio vanno da 16 Hz a 16.000 Hz.. Mentre  si dice amplificatore ad alta frequenza quando amplifica frequenze superiori ai 16 kHz. Ciò è dovuto al fatto che un amplificatore è selettivo, cioè amplifica una ristretta gamma di frequenze; di conseguenza per ogni gamma di frequenze di lavoro si costruisce un idoneo amplificatore. Naturalmente ogni amplificatore, essendo un quadripolo, ha un suo guadagno di tensione, dato dalla formula: Av = vu / vi; e un suo guadagno di corrente, dato dalla formula:Ai = iu / ii

Oltre al guadagno, che abbiamo visto essere uguale al rapporto tra la grandezza in uscita ed in entrata, fanno parte dei parametri che caratterizzano la risposta dell'amplificatore anche il tempo di salita (tempo di transizione impiegato dall'uscita per passare dal 10% al 90% del valore finale), risposta in fase ( indica lo sfasamento tra ilò segnale di ingresso e quello di uscita), risposta in frequenza ( indica l'andamento del guadagno al variare della frequenza di ingresso)

Le principali forme di anomalie che possono avere gli amplificatori sono:

                     939g69j                      939g69j                  

IL RUMORE Si dice rumore un insieme di frequenze che genera un segnale che si unisce a quello principale disturbandolo o sovrastandolo, per cui il segnale di uscita risulta diverso nella forma da quello di ingresso. In pratica il rumore viene generato dall'amplificatore ed è un difetto dell'amplificatore stesso; ha un origine interna, quando proviene dai componenti utilizzati, oppure una origine esterna, come disturbi atmosferici, circuiti vicini; in tal caso si chiama disturbo. Altre forme di anomalie possono essere la distorsione e il ronzio.

I componenti utilizzati per questa esperienza sono elencati nella tabelle che segue:

COMPONENTE

VALORE

FOOT PRINT

R1 Resistore

56k

AX/.825X200/.034

R2 Resistore

10k

AX/.575X.150/.037

R3 Resistore

3.3k

AX/.575X.150/.037

R4 Resistore

820

AX/.575X.150/.037

R5 Resistore

10k

AX/.575X.150/.037

C1 Condensatore

4.7 mF

CYL/D.250/LS.150/.031

C2 Condensatore

47 mF

CYL/D.250/LS.150/.031

C3 Condensatore

4.7 mF

CYL/D.250/LS.150/.031

Transistore

2n3904

TO226AB/R0500

J1 Header

SIP/TM/L.200/2

J2 Header

SIP/TM/L.300/3

Andremo ora ad analizzare ogni componente singolarmente

CONDENSATORE

Il condensatore Il condensatore è un componente elettronico a due terminali formato da due armature metalliche separate da un dielettrico. è caratterizzato da una capacità elettrica (C), che si misura in farad (F) e che dipende:
- in modo direttamente proporzionale dalla grandezza delle armature;
- in modo inversamente proporzionale dalla distanza delle armature;
- dal tipo di isolante interposto tra le armature.

Questa capacità è uguale a: e (s/d)

Dove e è la costante dielettrica del materiale posto tra le armature, s= è la superficie di una faccia di un armatura, d= distanza tra le armature

La stessa capacita è uguale a: C= Q/V

Dove Q e la quantità di carica misurata in coulomb e immagazzinata da un condensatore e dove V è la tensione applicata alle armature.
I condensatori hanno forme molto diverse solitamente sono dei cilindretti verticali orizzontali.  Oltre alla pila, il condensatore è l'unico dispositivo elettronico che può immagazzinare energia elettrica ma contrariamente alla pila rilascia la sua carica in maniera istantanea. I condensatori possono essere normali oppure elettrolitici. I condensatori elettrolitici funzionano esattamente come quelli normali ma hanno una polarità, il piedino polarizzato viene indicato con una freccia o un segno sul corpo del condensatore, se non viene rispettata durante il montaggio del condensatore sul circuito questo verrà danneggiato irreparabilmente. Di seguito il simbolo elettrico.

         

RESISTORE

Il RESISTORE: Il componente elettronico/elettrico più comune ed elementare è il resistore, impropriamente chiamato resistenza.Il resistore fa parte della famiglia dei componenti bipolari, (ha due contatti che vengono chiamati reofori), è di tipo passivo (non genera ne tensione ne corrente) ed infine è lineare (la sua curva caratteristica è una linea retta).La grandezza fisica che caratterizza il resistore è la resistenza, ecco perchè viene detto anche così. Matematicamente il valore della resistenza è ottenuto dal rapporto della tensione e della corrente: la tensione è quella presente ai capi del resistore, mentre la corrente è quella che lo attraversa.
L'unità di misura della resistenza è l' Ohm (om) che deriva dal nome di chi ha elaborato la più semplice ed elementari delle leggi del mondo elettrico: la legge di ohm:



V = R x I

Quindi, come gia detto sopre, R = V/I                     939g69j                      939g69j                      939g69j                           939g69j               il simbolo per rappresentare la resistenza è la lettera greca omega maiuscola:W I valori di resistenza di un resistenza che un resistore può assumere coprono un campo molto esteso: si va da pochi ohm ad alcuni megaohm. Il simbolo elettrico è il seguente:

Sottoponendo il resistore a diversi valori di tensioni (V1,V2,V3..),possiamo tracciare il luogo di tutti i possibili punti di lavoro ottenendo la retta passante per l'origine detta caratteristica di un resistore.

TRANSISTOR

Il transistor: Un transistor può avere diversi aspetti, a seconda del fabbricante e del tipo di applicazioni per cui è previsto; in ogni caso, i terminali o punti di contatto che permettono di inserirlo in un circuito sono tre, e sono sempre gli stessi: collettore, emettitore e base. I transistor di bassa potenza, il cui scopo è principalmente l'amplificazione dei segnali, hanno in genere

l'aspetto di uno dei primi due a sinistra: da un piccolo corpo più o meno cilindrico, metallico o di materiale plastico, fuoriescono tre zampe, nella forma di fili o di linguette, che sono i tre elettrodi ci cui si parlava poco fa. La disposizione di questi elettrodi può variare da un tipo all'altro, e va quindi determinata disponendo delle informazioni tecniche relative (i famosi "data sheet") Una prima divisione nel mondo dei transistor riguarda la polarità degli elettrodi; senza scendere troppo nei particolari, almeno per il momento, sarà sufficiente sapere che esistono transistori NPN e transistori PNP. La differenza principale è che il funzionamento in circuito è invertito: mentre per un NPN il collettore deve essere collegato al polo positivo e l'emettitore al negativo, nel caso di un PNP le polarità sono di segno opposto. L'esistenza di queste due famiglie di transistori torna molto utile, perchè permette di realizzare circuitazioni particolari, sfruttando le diverse polarità. le principali caratteristiche di un transistor sono:

Vbe - è la massima tensione che può essere applicata fra la base e l'emettitore

Vce - è la massima tensione che può essere applicata fra il collettore e l'emettitore
Ic - è la massima corrente che può attraversare il circuito di collettore
Ib - è la massima corrente che può attraversare il circuito di base

Altro fattore di cui è importante tener conto è la frequenza di taglio, la frequenza oltre la quale la capacità di amplificazione del transistor discende rapidamente. Ogni transistor lavora con segnali all'interno di una certa banda di frequenze, quindi avremo transistor per piccole, medie e alte frequenze.

FASI DI REALIZZAZIONE:

per realizzare un circuito elettronico su supporto stampato la prima fase è la progettazione: per questo fine si possono impiegare programmi di disegno elettronico come Orcad Capture, con cui è possibile realizzare uno schema elettrico basilare. La seconda parte della progettazione consiste nel dimensionamento dei componenti, cioè nel regolare le grandezze elettriche del circuito per ottenerne il massimo rendimento; e quindi stabilire i foot print. Per costruire uno schema elettrico reale (cioè un disegno elettronico che visualizzi le piste di connessione tra componenti e il loro effettivo ingombro su un supporto fisico) è necessario creare una Netlist, cioè una lista tecnica di lavorazione contenente il nome e il valore dei componenti e le connessioni elettriche tra gli stessi, operazione resa molto semplice in questo programma Capture. Tale lista risulterà necessaria per l'utilizzo di un secondo programma di disegno elettronico, Orcad Layout, che servirà appunto per realizzare l'aspetto del nostro progetto. Attingendo ai dati della netlist tramite questo programma sarà possibile, tramite appositi comandi e funzioni, ottenere uno schema effettivo di come dovrà essere costruito il nostro alimentatore, in pratica otterremo il nostro sbroglio.

Se il disegno risulta essere elettricamente corretto e fisicamente realizzabile si può passare alla vera e propria costruzione dell'alimentatore.

Per prima cosa è necessario effettuare il così detto calcolo della basetta (riportati in una tabella che segue) e quindi ottenere una basetta dalle giuste misure dopodichè segue la fase più laboriosa della fabbricazione.

  • Come prima cosa bisogna riportare lo sbroglio del circuito su carta millimetrata
  • Dopodichè e necessario realizzare lo schema circuitale con le sole piste su carta lucida
  • Quindi ora bisogna riportare sulla basetta, tramite martello e chiodo, i punti dei collegamenti stando attenti però a non forare completamente la basetta.
  • A questo punto occorre riportare le linee che rappresentano le piste del circuito, per questo fine si utilizzano i trasferibili,prima però se necessario pulire la superficie della basetta
  • Dopodichè immergere la basetta nell'acido e lasciar riposare.

A questo punto la preparazione del nostro supporto su cui andremo a realizzare il circuito è conclusa. La fase seguente consiste nell'istallare sulla superficie della basetta i componenti elettrici necessari alla realizzazione dell'alimentatore; per fare ciò è necessario realizzare la foratura per permettere ai piedini dei vari componenti di essere posizionati e fissati. La foratura si esegue attraverso l'apposito trapano da laboratorio. Terminata la forature è consigliabile pulire la superficie della basetta per eliminare eventuali residui di trucioli.

Ora siamo arrivati all'epilogo del nostro assemblaggio, la saldatura. Per essa si procede avvicinando alla base del piedino, nel lato opposto al montaggio dei componenti, la punta del saldatore. Al termine di tutte le saldature è necessario controllare l'effettivo collegamento elettrico tra i componenti.  Una volta concluso tutto ciò, occorre verificare il buon funzionamento dell'apparecchiatura e quindi si passa al collaudo per il quale serviranno un generatore di funzione, un alimentatore ed un oscilloscopio.

ALIMENTATORE

La parola alimentatore indica un dispositivo generico che è in grado di convertire una corrente alternata in corrente continua. Esistono diversi tipi di alimentatori.La qualità di un alimentatore è individuata da un parametro denominato fattore di ripple, la cui definizione è

In essa Vreff rappresenta il valore efficace dell'ondulazione residua, mentre Vm il valore medio della tensione di uscita.

L'alimentatore in genere può essere suddiviso essenzialmente in quattro blocchi con ognuno la propria specifica funzione: il trasformatore, il raddrizzatore, il filtro e il regolatore.


  • Il trasformatore: è una macchina elettrica (necessaria per il funzionamento dell'alimentatore) capace di variare i due fattori che costituiscono l'espressione della potenza (V*I),e quindi è usato per trasferire potenza elettrica da un livello di tensione alternata ad un altro. Un trasformatore è costituito da un nucleo magnetico e da almeno due avvolgimenti. Nel suo circuito di ingresso, detto anche primario, entra potenza elettrica, nel circuito di uscita o secondario, esce potenza elettrica con valori di tensione e corrente modificati e più appropriati alle nostre esigenze. Il trasformatore lavora solo in corrente alternata e la frequenza di ingresso è identica a quella di uscita.  Nella figura sottostante è rappresentato il simbolo elettrico del trasformatore.

  • Il raddrizzatore è una delle molteplici applicazioni del diodo ed è sicuramente la più utilizzata. Per raddrizzatore si intende un dispositivo in grado di convertire la corrente alternata in corrente continua (in verità si tratta di corrente di tipo pulsante positiva). È abbastanza noto che in elettronica l' uso della corrente continua è fondamentale, e quindi bisogna trovare il modo di disporre di essa senza incorrere in grandi spese. Visto che l' energia elettrica (per convenienza) viene fornita sotto forma di corrente alternata, è indispensabile poterla trasformare in continua per le varie applicazioni. A tale scopo si utilizza il raddrizzatore. Nel nostro caso il raddrizzatore è caratterizzato dal ponte di Graetz esso è costituito da 4 diodi predisposti opportunamente per ottenere un collegamento a ponte.


  • Il filtro: dal raddrizzatore viene erogata una corrente di tipo pulsante e unipolare, e per ovviare a questo inconveniente intervengono i filtri, di solito formati da condensatori. Dunque il filtro ha il compito di livellare la tensione pulsante in uscita dal raddrizzatore fornendo una tensione di valore sostanzialmente costante. In relazione alla potenza ed al grado di livellamento richiesto le capacità assumono una determinata configurazione circuitale.
  • regolatore: Il regolatore di tensione ha il compito di stabilizzare la tensione continua contro le variazioni dei parametri dei componenti circuitali, della tensione di rete e del carico applicato.

OSCILLOSCOPIO

L'oscilloscopio è uno degli strumenti elettronici più diffusi e versatili. Il suo scopo principale è quello di riprodurre su uno schermo l'andamento temporale dei segnali applicati e ne consente la loro misura. Per poter fare questo esso è dotato di un tubo a raggi catodici il quale permette la visualizzazione dei segnai o più semplicemente delle tensioni che vengono inserite nelle boccole di ingresso dell' oscilloscopio. Nel caso di segnali periodici è quindi possibile visualizzare la forma dell'onda, rilevando così l'ampiezza, la frequenza ed il periodo del segnale stesso, oppure, se l'oscilloscopio è a doppia traccia,cioè permette la visualizzazione di due segnali contemporaneamente, può confrontare due segnali evidenziandone anche lo sfasamento. Esteriormente l'oscilloscopio in genere si presenta come una struttura parallelepipeda suddivisa in due parti: schermo e sezione comandi. Importantissimo per il suo funzionamento è Il tubo a raggi catodici che è formato da un'ampolla di vetro, a vuoto spinto o ad alto vuoto, avente la forma di un cono a base sferica, munito di un collo cilindrico entro il quale sono sistemati gli organi essenziali dello strumento. la visualizzazione di un segnale è ottenuta tramite un sottile fascio di elettroni, che colpisce uno schermo fluorescente ricoperto di fosfori. Lo schermo si illumina nel punto in cui si è verificato l'impatto degli elettroni. Lo schermo dell' oscilloscopio, al suo interno, è fatto da fosfori la cui proprietà è quella di emettere luce se sono colpiti da elettroni con adeguate velocità e intensità. Un' altra importante proprietà è quella di mantenere l' energia che gli viene fornita tramite gli elettroni per un certo periodo di tempo che, se pur molto piccolo, permette al fascetto elettronico di compiere il suo percorso e di ripassare sui punti colpiti precedentemente in modo che all' occhio umano compaia la figura fissa di un segnale..Lo schermo e suddiviso in quattro quadranti delimitati da due assi cartesiani l'asse X e l'asse Y. Ogni quadrante è suddiviso in quadretti; a loro volta i quadretti hanno delle suddivisioni per permettere a chi sta analizzando il segnale di poterlo misurare.

GENERATORE DI FUNZIONE

Questo strumento è caratterizzato dalla capacità di produrre forme d'onda di tipo diverso; infatti, è in grado di generare segnali sinusoidali, onde quadre e triangolari. di tutte le regolazioni effettuabili sono sul pannello frontale, a differenza l'accensione del generatore di funzioni è sul pannello posteriore. Il generatore di funzioni consente di erogare frequenze variabili tra i decimi di Hz ai kHz

 

COLLAUDO

Montaggio del collaudo

Procedura del collaudo:

Si collega il generatore di funzione all'ingresso dell'amplificatore tramite cavo BNC in modo che possa erogare il segnale di ingresso, che poi visualizzeremo sull'oscilloscopio. Dopodichè si passa ad alimentare il circuito tramite un alimentatore regolato a 15V, quindi riportiamo il segnale di uscita sul secondo canale dell'oscilloscopio per poterlo mettere a confronto con quello di ingresso.

Tramite il generatore di funzione aumentiamo il segnale di ingresso portandolo al massimo valore consentito, ovvero il valore oltre il quale il segnale di uscita va in distorsione; nel nostro caso corrisponde a 100mV.

L'amplificazione del segnale,A, è data dalla formula: Vu/Vi o meglio -Vu/Vidove Vu è il segnale di uscita e Vi quello di ingresso il meno indica lo sfasamento di 180° che implica il transistor.

Come abbiamo gia detto il massimo valore consentito è 100mV in corrispondenza del quale si ha un segnale di uscita pari a circa 4.2V

Considerazione importante da fare è che se continuiamo ad aumentare il segnale di ingresso oltre il massimo valore consentito, noteremo che ad un certo punto l'uscita diventerà costante senza più aumentare. Nel nostro caso questo accade per l'ingresso pari 320mV in corrispondenza della quale la Vout sarà uguale a 9.24V. e questa Vout sarà uguale per tutti i segnali di ingresso maggiori di 320mV



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