Purezza d'onda

 

 

 

Quale musica è più sublime, alle orecchie dei seguaci del morse, di quella prodotta da una limpida sinusoide tra gli 800 e 1000 hertz?

Un oscillatore sinusoidale di elevata purezza ed encomiabile semplicità, può spesso essere il più allettante compromesso per chi si diletta nel campo radiantistico e audiotecnico: dalle misure di risposta di amplificatori e filtri in bassa frequenza ai "telegrafomaniaci", e perché no, agli sperimentatori necessitati dall'uso di generatori di note modulanti per i loro nuovi trasmettitori autocostruiti. Penso proprio che, la soluzione ottimale, per queste ed altre esigenze, risieda sicuramente nell'oscillatore a ponte di Wien. Di estrema semplicità, ma dalle eccellenti prestazioni, l'oscillatore a ponte di Wien è in grado di generare delle sinusoidi talmente pulite che la loro distorsione armonica risulta inferiore all'1%.

 

Funzionamento

 

La figura 1 mostra lo schema elettrico basilare dell'oscillatore a ponte di Wien. Le oscillazioni potranno essere generate grazie al braccio sinistro (di tipo RC) del ponte e, la frequenza di tali oscillazioni, è matematicamente calcolabile nel seguente modo:

 

 

 

 

 

 

Se ponessimo R1=R2=R e C1=C2=C la precedente equazione matematica verrebbe molto semplificata:

 

 

 

 

 

 

 

in cui "R" e "C" sono rispettivamente i valori ohmico e capacitivo dei resistori "R1, R2" e "C1, C2" mentre, come tutti sapranno, è un valore costante pari a 6,28. Se andassimo a modificare topograficamente lo schema di figura 1 in quello di figura 2 ci accorgeremmo che gli altri due resistori del ponte "R3" ed "R4", fungono da anello di retroazione per l'amplificatore operazionale. Come andranno dimensionate queste due ultime resistenze? La risposta è immediata:

 

 

Cerchiamo, ora, di dare una spiegazione plausibile a tale risposta. Il ramo reattivo R2-C2, inserisce, alla sua frequenza di risonanza, un'attenuazione pari a 3; ciò significa che solo un terzo dell'ampiezza delle oscillazioni sinusoidali, uscenti dall'amplificatore operazionale, verrà riportato all'ingresso tramite R2-C2. Per tale motivo l'amplificatore dovrà provvedere ad amplificare di tre volte tale segnale, per ripristinarlo al giusto livello. Sarà proprio il partitore resistivo del ponte, composto da "R3" e "R4" che, ben dimensionato, stabilirà la dovuta amplificazione dell'operazionale:

 

 

Nasce a tal punto un piccolo problema; poiché il livello di amplificazione dell'operazionale deve essere mantenuto al suo valore rigorosamente costante, l'usura dei componenti al tempo ed agli agenti atmosferici potrebbero comprometterlo, con il conseguente smorzamento o distorcimento delle onde sinusoidali. Infatti se l'amplificazione dell'operazionale dovesse scendere al di sotto di tre, le

oscillazioni si smorzerebbero, mentre se dovesse salire al di sopra di tale valore, l'amplificatore operazionale saturerebbe, distorcendo le onde. Il problema suddetto, però, è sempre stato risolto in modo semplice, ma non empirico, cioè sostituendo la resistenza del ponte R4 con una comune lampadina ad incandescenza da 24 V – 35/40 mA (vedi figura 3).  Motivare l'uso di questa lampadina è molto semplice: se si osserva la caratteristica tensione-corrente di una banale lampadina a filamento da 24 V - 35/40 mA, in figura 4, si nota che all'aumentare della tensione la corrente di filamento aumenta bruscamente in un primo tratto mentre, nel secondo tratto, ai continui e regolari incrementi di tensione, corrispondono degli incrementi sempre minori di corrente. Questo si traduce con il dire che, dopo il brusco tratto iniziale, l'aumento della tensione produce un considerevole aumento della resistenza del filamento. Perciò, se per l'invecchiamento dei componenti dell'oscillatore, l'ampiezza delle sinusoidi in uscita tende a diminuire, diminuirà la tensione ai capi della lampadina e quindi anche la resistenza del filamento che, a sua volta, farà aumentare il guadagno in tensione dell'operazionale (vedi relazione del guadagno).In caso contrario accadrà l'inverso.

Questo dovrebbe convincere che la semplice lampadina, fungerà da controllo automatico di guadagno (ACG) per far sì che il nostro oscillatore mantenga stabili le sue eccellenti prestazioni di purezza. Preciso, comunque, che questo filamento, per la bassissima corrente che vi circolerà, non emetterà mai luce.

 

 

 

 

 

 

Un generatore di B. F.

 

La figura 5 mostra un piccolo schema applicativo di un oscillatore a ponte di Wien con frequenza variabile, facente uso del classico integrato TL082. Poiché dovremo variare equamente la frequenza dei due circuiti risonanti del ponte, varieremo di pari passo le resistenze con un unico doppio potenziometro. Il trimmer "R1" da 1000 ohm va regolato con l'ausilio di un oscilloscopio per ottenere

una forma d'onda con la massima ampiezza ed assenza di distorsioni. Per chi non disponesse di oscilloscopio, potrà tarare il trimmer con un tester sino a leggere una tensione efficace tra i "3" e i "3,6 V" con l'oscillatore settato sulla più bassa portata di frequenza (commutatore in posizione "1,") ed il potenziometro "R5" ruotato per la massima ampiezza (max). Il secondo operazionale "U2/B" del TL082 servirà come stadio separatore nella nota configurazione di inseguitore di tensione con guadagno unitario. I ranges di frequenza ottenibili ruotando il potenziometro doppio R4, sono rispettivamente, nelle tre portate di CM1:

 

 

- L da 43,8 Hz a 482 Hz

- M da 439 Hz a 4,825 kHz

- H da 4,386 kHz a 48,253 kHz.

 

Suggerisco alcuni tipi di lampadine adatte per la realizzazione e di semplice reperibilità commerciale:

 

- lampada tubolare da 24 V - 35 mA codice GBC GHI0028-03

- lampada micromidget da 28 V - 40 mA codice GBC GH10440-00

- lampada telefonica da 30 V - 40 mA codice GBG GHIO654-06.

 

 

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