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.