Generatory w służbie Narodu - część 1

Wzorcowy generator sinusoidalny 1 kHz o małych zniekształceniach

Podczas prac z urządzeniami audio, podstawowe wyposażenie warsztatu w warunkach amatorskich stanowi zazwyczaj multimetr, oscyloskop i generator. Chociaż obecnie dominują urządzenia fabrycznie wyprodukowane na Dalekim Wschodzie, podczas niektórych prac, dane przyrządy potrafią mieć niewystarczające parametry. O ile dziś zakup przyzwoitego multimetru czy oscyloskopu za względnie rozsądne pieniądze nie stanowi problemu, o tyle z generatorem jest pewien problem. Większość ludzi posiada na swoim wyposażeniu generatory funkcyjne, które mimo młodego wieku, nie nadają się do pomiarów audio, ze względu na zbyt wysokie zniekształcenia. O ile w przypadku pomiarów charakterystyk czy ogólnych napraw, zniekształcenia rzędu dziesiątych części procenta, nie są dokuczliwe, o tyle w przypadku pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych, jest to poziom dyskwalifikujący pomiar.

Pewną alternatywą mogą być generatory mostkowe z dawnych lat do kupienia na rynku wtórnym, jednak ich podaż jest ograniczona, a stan techniczny zazwyczaj wymagający co najmniej przeglądu, jeśli nie napraw i kalibracji. Praktyka zresztą pokazuje, że rzadko kiedy jest potrzeba sprawdzania zniekształceń w całym paśmie, zazwyczaj pomiar tyczy się kilku konkretnych częstotliwości, na przykład 100 Hz, 1 kHz i 10 kHz.

Zaproponowany w artykule układ spełnia powyższe założenia - jest to generator nastrojony na jedną konkretną częstotliwość 1 kHz, zoptymalizowany pod kątem niskich zniekształceń nieliniowych przebiegu wyjściowego. Zbudowany z użyciem podzespołów łatwo dostępnych i o prostej procedurze uruchomienia, może być z powodzeniem wykonany przez średnio zaawansowanego radioamatora.

Schemat uproszczony generatora przedstawiono na rysunku nr 1, z kolei schemat ideowy przedstawiono na rysunku nr 2.

Układ składa się z trzech zasadniczych bloków - wzmacniacza generatora, układu automatycznej stabilizacji amplitudy oraz obwodu zasilania.

Dawniej dominującą topologią generatorów sinusoidalnych był mostek Wiena. Rozwiązanie powszechne zwłaszcza w rozwiązaniach DIY. W literaturze oraz urządzeniach fabrycznych można jednak natknąć się na inne rozwiązania, równie dobre lub lepsze. Jednym z nich jest mostek typu T (zastosowany na przykład w generatorze HP 239A i Zopan KZ 1118). Główną częścią generatora z artykułu jest układ IC 1A oraz elementy mu towarzyszące - ujemne sprzężenie zwrotne - cześć selektywna R1, R2, C1, C2 oraz dodatnie sprzężenie zwrotne - R3, R4, R5 i US3 odpowiadające za wzmocnienie. Podobnie jak w mostku Wiena, obwód selektywny składa się z dwóch rezystorów i dwóch kondensatorów, jednak połączonych w inny sposób. Drugą odmienną cechą jest zróżnicowanie wielkości obu pojemności. Stosunek ten wpływa na zawartość drugiej harmonicznej i w małym stopniu, także trzeciej. Przestrajanie częstotliwości odbywa się poprzez jednoczesną zmianę obu pojemności lub obu rezystancji, co stanowi rozwiązanie typowe dla tego typu układów. W generatorze stosunek pojemności C1/C2 określono na 1:100.

Dla zapewnienia właściwego wzmocnienia układu, jeden z rezystorów sprzężenia zwrotnego musi być elementem o płynnie zmienianej rezystancji. Dawniej w konstrukcjach fabrycznych najczęściej spotykanym elementem w tej roli był termistor, czasem termistor ogrzewany dodatkowo grzałką. Spotykano także rozwiązanie z żarówką małej mocy, w rozwiązaniach DIY bardzo często spotykane z powodu łatwej dostępności i prostej aplikacji. Zmiana rezystancji włókna termistora/żarówki pod wpływem przepływu prądu, zapewniała utrzymanie właściwego poziomu wzmocnienia. W konstrukcjach lepszej jakości, także generatorach fabrycznych, w roli zmiennej rezystancji wykorzystywano tranzystor polowy JFET. Sposób ten zapewnia dużo lepsze parametry niż termistor czy żarówka, jednak wymaga zastosowania rozbudowanego układu ARW.

Rozwiązaniem dużo mniej popularnym, aczkolwiek równie skutecznym jak JFET jest zastosowanie fotorezystora oświetlonego diodą LED, po które sięgnięto tutaj. Napięcie wyjściowe po wyprostowaniu w prostowniku pełno-okresowym na układach IC 2A i IC 2B oraz przejściu przed filtr dolnoprzepustowy na układzie IC 2C, steruje diodą LED oświetlającą fotorezystor, zapewniając odpowiednie sterowanie rezystancją w obwodzie sprzężenia zwrotnego generatora. Po włączeniu, rezystancja ciemna, dając duże wzmocnienie, zapewnia wzbudzenie drgań, wraz z czasem powodując ograniczenie wzmocnienia, zwiększając natężenie diody, powoduje zwiększenie jasności, zmniejszenie rezystancji i stabilizację drgań na ustalonym poziomie. Rozwiązanie choć wygląda na skomplikowane, jest proste i skuteczne w działaniu. Można spróbować uprościć koncepcję, zmieniając układ prostownika i filtra (literatura jest bardzo obszerna pod tym względem), aczkolwiek należy pamiętać, że kluczem do uzyskania niskiego poziomu zniekształceń jest odpowiedni obwód sterowania automatyczną regulacją wzmocnienia jak i zniekształcenia własne wprowadzane przez nasz „zmienny rezystor”.

Dobór wzmacniacza operacyjnego w obwodzie generatora nie jest krytyczny. Jak wykazały testy, nie ma potrzeby inwestowania w drogie kości o super wyszukanych parametrach. Zniekształcenia wnoszone przez układ ARW i zmienną rezystancję i tak są o rząd lub kilka rzędów większe niż zniekształcenia nawet średniej klasy układu scalonego. Popularny NE 5532 sprawdzi się tu wystarczająco dobrze. OPA 2134 czy LM 4562, choć na papierze sprawiają dużo lepsze wrażenie, nie przyniosły znacznego zysku jakości. W obwodzie prostownika i filtru zastosowano popularny TL 074. Zarówno jego oszczędniejsza wersja TL 064 jak i klasyczny LM 324 powodowały, że układ nie wzbudzał się poprawnie.

Aby uniezależnić generator od zmian obciążenia podłączonego do jego wyjścia, na wyjściu zastosowano bufor w postaci jednej polówki wzmacniacza operacyjnego IC 1B. Płynną regulację napięcia wyjściowego zapewnia wielo obrotowy potencjometr, w tym przypadku użyto drutowego Telpodu DM102, można zastosować inny wedle uznania. Lepiej jednak unikać potencjometrów niskiej jakości, zwłaszcza tanich jedno obrotowych węglowych.

Cały układ wymaga zasilania symetrycznego. Zastosowano prosty symetryzator zasilania, oparty na wzmacniaczu operacyjnym IC 2D, dzielący wejściowe napięcie asymetryczne na dwa równe napięcia symetryczne względem masy. Wykorzystano w tym celu czwarty wzmacniacz z kości TL 074 - IC 2D. Dzięki temu do zasilania układu wystarczy zwykły zasilacz wtyczkowy lub bateria. UWAGA - masą układu jest masa z wyjścia symetryzatora, a nie biegun zasilania z zasilacza lub baterii!

Pewnego omówienia wymaga dobór kluczowych elementów. W gałęzi selektywnej mostka zarówno kondensatory jak i rezystory, powinny być precyzyjnie dobrane z zachowaniem jak najmniejszej tolerancji. Elementy powinny być wysokiej jakości. O ile zakup rezystorów metalizowanych o tolerancji 0,5%, a nawet 0,1% nie stanowi problemu, o tyle kondensatory najpowszechniej występują z tolerancją 5%. Należy zatem dobrać je ręcznie z użyciem dobrej klasy miernika pojemności lub mostka RLC z zachowaniem stosunku 100:1. Częstotliwość obliczona według podanego wyżej wzoru może różnić się od tej rzeczywistej z uwagi na niedoskonałość elementów, jednak nie ma to większego znaczenia. Wszak co za różnica, czy generator będzie generował na wyjściu 1000 czy 1010 Hz?

Na schemacie uwzględniono jako fotorezystor i diodę LED, fabryczny transoptor NSL32SR3 firmy Advanced Photonix. Element ten wybrano, przeprowadzając wcześniej testy z transoptorem LCR 03 oraz samodzielnie wykonanym, na bazie dostępnego w handlu, fotorezystora firmy TOKEN PGM 1200 oraz diody LED 5 mm o dużej jasności w kolorze czerwonym. Kluczem było uzyskanie niskiego poziomu zniekształceń przebiegu na wyjściu. Jeśli ktoś lubi eksperymentować lub uzna, że nie chce z różnych powodów (cena/dostępność) montować NSL32SR3, może spróbować zaimplementować własnoręcznie wykonany transoptor zrobiony z tego co akurat ma pod ręką. Warto wtedy wypróbować kilka kombinacji różnych fotorezystorów i diod. Zarówno kolor diody jak i jej jasność mają tu znaczenie, pamiętając że fotorezystor osiąga dane parametry nie tylko przy danym natężeniu świetlnym, ale także długości fali emitowanego światła.

Układ zbudowano na kawałku jednostronnej płytki uniwersalnej o wymianach 100x53mm. Cała procedura uruchomienia sprowadza się do ustawienia jednego potencjometru, uzyskując maksimum amplitudy na wyjściu przy zachowaniu minimum zniekształceń. Warto poświęcić na to trochę czasu, bo układ jest precyzyjny, a do zauważalnej zmiany wystarczy minimalny obrót suwaka. Rezystor R5 oznaczono gwiazdką, gdyż może okazać się, że nie jest on konieczny do prawidłowej pracy układu. Amplituda przebiegu wyjściowego w granicach napięć zasilania wskazanych na schemacie jest w zasadzie niezmienna. Zakres napięcia zasilającego 9 - 24V pozwala zasilić generator zarówno z wtyczkowego zasilacza, jak i dwóch baterii 9V (6F22).

Parametry końcowe generatora

(rzeczywiste wartości zmierzone):
- częstotliwość - 1003 Hz
- napięcie wyjściowe - 0,9 Vrms
*- THD - 0,001%
*- napięcia zasilania - od 9 do 24 V
*- pobór prądu - 20 mA
*sprzęt pomiarowy:
*- Fluke 8060,
*- Creative Sound Blaster X-Fi HD USB 2.0,
*- Visual Analyser 2010

Literatura

• - Instrukcja serwisowa generatora HP 239A
• - Instrukcja serwisowa generatora Zopan KZ 1118
• - Wireless World 5/1981
• - http://www.tronola.com/moorepage/RC.html
• - https://sound-au.com/appnotes/an001.htm
• - https://sound-au.com/articles/sinewave.htm

Konrad Klekot, listopad 2024 r.

Załącznik nr 1 Wykaz elementów: IC 1 NE 5532 IC 2 TL 074 IC 3 NSL32SR3 R1 15,4 kΩ 0,2% R2 15,4 kΩ 0,2% R3 potencjometr helitrim 10 kΩ R4 18 kΩ R5 430 Ω (opcjonalnie) R6 potencjometr 10 kΩ Telpod DM102 R7 3,3 kΩ R8 3,3 kΩ R9 3,3 kΩ R10 3,3 kΩ R11 3,3 kΩ R12 56 kΩ R13 68 kΩ R14 150 Ω R15 1 kΩ R16 10 kΩ R17 10 kΩ C1 1 nF foliowy C2 100 nF foliowy C3 10 uF/50V elektrolityczny C4 47 uF/50V elektrolityczny wszystkie rezystory o tolerancji 1%, metalizowane, chyba że wskazano inaczej