Oscilatorul pod Wein

În acest tutorial, vom afla despre oscilatorul Wein Bridge, care a fost dezvoltat de un fizician german Max Wien. Este inițial dezvoltat pentru calcularea capacității unde sunt cunoscute rezistența și frecvența. Înainte de a merge la o discuție mai aprofundată despre ce este de fapt Oscilatorul Wein Bridge și cum este utilizat, să vedem ce este Oscilatorul și ce este Oscilatorul Wein Bridge.

Oscilatorul podului Wein:

La fel ca în tutorialul anterior al oscilatorului RC, este necesar un rezistor și un condensator pentru a produce o schimbare de fază, iar dacă conectăm un amplificator în specificații inversoare și conectăm amplificatorul și rețelele RC cu o conexiune de feedback, ieșirea amplificatorului începe să producă un forma de undă sinusoidală prin oscilație.

Într-un oscilator Wien bridge, două rețele RC sunt utilizate pe un amplificator și produc un circuit oscilator.

Dar de ce ar trebui să alegem oscilatorul de pod Wien ?

Datorită următoarelor puncte, oscilatorul pod Wien este o alegere mai înțeleaptă pentru producerea undei sinusoidale.

Este stabil.
Distorsiunea sau THD (Distorsiunea armonică totală) se află sub limită controlabilă.
Putem schimba frecvența foarte eficient.

După cum am spus mai devreme, oscilatorul Wein Bridge are rețele RC în două etape. Asta înseamnă că este format din doi condensatori nepolari și două rezistențe într-o formare de filtru trece înalt și trece jos. Un rezistor și un condensator în serie, pe de altă parte, un condensator și un rezistor în paralel. Dacă construim circuitul, schema va arăta ca aceasta: -

După cum s-a văzut clar, există doi condensatori și se folosesc două rezistențe. Ambele stadii RC care acționează ca filtru trecere înaltă și trecere joasă conectate împreună, care este produsul unui filtru trecere bandă care acumulează dependența de frecvență a două trepte de ordine. Rezistența R1 și R2 sunt aceleași și capacitatea C1 și C2 este aceeași.

Câștigul de ieșire al oscilatorului Wein Bridge și schimbarea fazei:

Ce se întâmplă în interiorul circuitului de rețea RC din imaginea de mai sus este foarte interesant.

Când se aplică frecvență joasă, primul reactor (C1) este suficient de mare și blochează semnalul de intrare și rezistă circuitului pentru a produce 0 ieșire, pe de altă parte, același lucru se întâmplă într-un mod diferit pentru al doilea condensator (C2) care este conectat în paralel. Reactanța C2 devine prea mică și ocolește semnalul și produce din nou 0 ieșiri.

Dar, în cazul unei frecvențe medii, când reactanța C1 nu este mare și C2 este reactanța nu este scăzută, va da ieșire peste punctul C2. Această frecvență se referă la Frecvență de rezonanță.

Dacă vedem în profunzime în interiorul circuitului, vom vedea că reactanța circuitului și rezistența circuitului sunt egale dacă se atinge frecvența de rezonanță.

Deci, există două reguli aplicate într-un astfel de caz când circuitul este furnizat de frecvența de rezonanță de pe intrare.

A. Diferența de fază de intrare și ieșire este egală cu 0 grade.

B. Deoarece este în 0 grade, ieșirea va fi maximă. Dar cât? Este strâns sau în mod corect 1/3 ^rd de mărime a semnalului de intrare a lui.

Dacă vedem ieșirea circuitelor, vom înțelege aceste puncte.

Ieșirea este exact la fel ca aceeași curbă ca imaginea afișată. La frecvență joasă de la 1Hz, ieșirea este mai mică sau aproape 0 și crește odată cu frecvența la intrare până la frecvența rezonantă, iar când frecvența rezonantă este atinsă, ieșirea se află la punctul maxim maxim și scade continuu odată cu creșterea frecvenței și din nou produce 0 ieșire la frecvență înaltă. Deci, trece clar un anumit interval de frecvență și produce ieșirea. De aceea, anterior a fost descris ca filtru de trecere cu bandă variabilă (bandă de frecvență) fiabilă. Dacă privim cu atenție defazarea ieșirii, vom vedea clar marja de fază de 0 grade pe ieșire la frecvența rezonantă corespunzătoare.

În această curbă de ieșire a fazei, faza este exact 0 grade la frecvența de rezonanță și este pornită de la 90 de grade până la scăderea la 0 grade când frecvența de intrare a crescut până când se atinge frecvența de rezonanță și după aceea, faza continuă să scadă la punctul final al - 90 de grade. Există doi termeni care sunt folosiți în ambele cazuri, dacă faza este pozitivă se numește avans de fază și în caz de negativ se numește întârziere de fază.

Vom vedea ieșirea etapei de filtrare în acest videoclip de simulare:

În acest videoclip 4.7k folosit ca R atât în R1 R2, cât și în condensatorul 10nF este utilizat atât pentru C1, cât și pentru C2. Am aplicat undă sinusoidală pe etape și în osciloscop Canalul galben arată intrarea circuitelor, iar linia albastră arată ieșirea circuitului. Dacă privim cu atenție, amplitudinea de ieșire este de 1/3 din semnalul de intrare, iar faza de ieșire este aproape identică cu schimbarea de fază de 0 grade în frecvența de rezonanță, așa cum am discutat anterior.

Frecvență de rezonanță și ieșire de tensiune:

Dacă considerăm că R1 = R2 = R sau același rezistor este utilizat și pentru selectarea condensatorului C1 = C2 = C se utilizează aceeași valoare a capacității, atunci frecvența de rezonanță va fi

Fhz = 1 / 2πRC

R reprezintă Resistor și C reprezintă condensatorul sau capacitatea, iar Fhz dacă frecvența de rezonanță.

Dacă vrem să calculăm Vout-ul rețelei RC ar trebui să vedem circuitul într-un mod diferit.

Această rețea RC funcționează cu intrare de semnale AC. Calculul rezistenței circuitelor în caz de curent alternativ, mai degrabă decât calcularea rezistenței circuitelor în caz de curent continuu, este cam dificil.

Rețeaua RC creează impedanță care acționează ca rezistență la un semnal de curent alternativ aplicat. Un divizor de tensiune are două rezistențe, în aceste etape RC cele două rezistențe sunt impedanța primului filtru (C1 R1) și impedanța celui de-al doilea filtru (R2 C2).

Deoarece există un condensator conectat fie în serie, fie în configurație paralelă, atunci formula de impedanță va fi: -

Z este simbolul impedanței, R este rezistența, iar Xc reprezintă reactanța capacitivă a condensatorului.

Folosind aceeași formulă putem calcula impedanța primului stadiu.

În cazul celei de-a doua etape, formula este aceeași cu calcularea rezistorului echivalent paralel,

Z este impedanța, R este Rezistența, X este condensatorul

Impedanța finală a circuitelor poate fi calculată utilizând această formulă: -

Putem calcula un exemplu practic și putem vedea rezultatul în acest caz.

Dacă calculăm valoarea și vedem rezultatul, vom vedea că tensiunea de ieșire va fi 1/3 din tensiunea de intrare.

Dacă conectăm ieșirea filtrului RC cu două trepte într-un pin de intrare al amplificatorului care nu se inversează sau pinul + Vin și reglăm câștigul pentru a recupera pierderea, ieșirea va produce o undă sinusoidală. Aceasta este oscilația podului Wien, iar circuitul este circuitul oscilatorului podului Wein.

Lucrul și construcția oscilatorului Wein Bridge:

În imaginea de mai sus, filtrul RC este conectat printr-un amplificator operațional care este într-o configurație fără inversare. R1 și R2 sunt rezistențe cu valoare fixă, în timp ce C1 și C2 sunt un condensator variabil. Prin variația valorii celor doi condensatori în același timp, am putea obține o oscilație adecvată de la o gamă inferioară la o gamă superioară. Este foarte util dacă vrem să folosim oscilatorul pod Wein pentru a produce unde sinusoidale la o frecvență diferită de la un interval inferior la cel superior. Iar R3 și R4 sunt folosite pentru câștigul de feedback al amplificatorului op. Câștigul de ieșire sau amplificarea sunt extrem de fiabile de aceste două combinații de valori. Deoarece cele două trepte RC scad tensiunea de ieșire la 1/3 este esențial să o recupereze. Este, de asemenea, o alegere mai înțeleaptă pentru a obține câștig de cel puțin 3x sau mai mult de 3x (4x preferat).

Putem calcula câștigul folosind relația 1+ (R4 / R3).

Dacă vedem din nou imaginea, putem vedea că calea de feedback a amplificatorului operațional de la ieșire este direct conectată la etapa de intrare a filtrului RC. Deoarece filtrul RC în două etape are o proprietate de deplasare de fază de 0 grade în regiunea frecvenței de rezonanță și este conectat direct la feedback-ul pozitiv al amplificatorului opțional, să presupunem că este xV + și în feedback negativ se aplică aceeași tensiune care este xV- cu aceeași fază de 0 grade, amplificatorul operațional diferențiază cele două intrări și exclude semnalul de feedback negativ și, din acest motiv, continuă pe măsură ce ieșirea conectată pe etape RC, amplificatorul operațional începe să oscileze.

Dacă folosim o rată de rotire mai mare, un amplificator de frecvență mai mare, frecvența de ieșire poate fi maximizată cu o cantitate mare.

Puține amplificatoare de operare de înaltă frecvență sunt în acest segment.

De asemenea, trebuie să ne amintim că, în anteriorul tutorial al oscilatorului RC, am discutat despre efectul de încărcare, ar trebui să alegem amplificatorul opțional cu impedanță mare de intrare mai mult decât filtrul RC pentru a reduce efectul de încărcare și pentru a asigura oscilație stabilă corespunzătoare.

LM318A
LT1192
MAX477
LT1226
OPA838
THS3491, care este un amplificator de 900 mHz cu semințe înalte!
LTC6409 care este op-amp diferențial de 10 Ghz GBW. Ca să nu mai vorbim de acest lucru, este nevoie de adăugarea specială a circuitelor și tactici excepționale de proiectare RF pentru a obține și această ieșire de înaltă frecvență.
LTC160
OPA365
TSH22 op-amp de grad industrial.

Exemplu practic de oscilator Wein Bridge:

Să calculăm un exemplu practic de valoare alegând rezistența și valoarea condensatorului.

În această imagine, pentru oscilatorul RC se folosește un rezistor de 4.7k atât pentru R1, cât și pentru R2. Și un condensator de tundere folosit care are doi poli conține 1-100nF pentru capacitatea de tundere C1 și C2. Să calculăm frecvența oscilației pentru 1nF, 50nF și 100nF. De asemenea, vom calcula câștigul amplificatorului opțional ca R3 selectat ca 100k și R4 selectat ca 300k.

Deoarece calculul frecvenței este ușor prin formula lui

Fhz = 1 / 2πRC

Pentru valoarea lui C este 1nF și pentru rezistor este de 4,7k, frecvența va fi

Fhz = 33.849 Hz sau 33.85 KHz

Pentru valoarea lui C este 50nF, iar pentru rezistor este de 4,7k, frecvența va fi

Fhz = 677Hz

Pentru valoarea lui C este 100nF, iar pentru rezistor este de 4,7k, frecvența va fi

Fhz = 339Hz

Deci, cea mai mare frecvență pe care o putem obține utilizând 1nF, care este 33,85 Khz, iar cea mai mică frecvență pe care o putem obține utilizând 100nF este 339Hz.

Câștig AO este 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Deci Câștigul = 1+ (300k + 100k) = 4x

Amplificatorul operațional va produce câștig de 4x de intrare pe pinul „pozitiv” neinversat.

Deci, folosind acest mod, putem produce o lățime de bandă cu frecvență variabilă Wein Bridge Oscilator.

Aplicații:

Oscilatorul Wein Bridge utilizat la nivel larg de aplicații în domeniul electronicii, de la găsirea valorii exacte a condensatorului, pentru generarea circuitelor legate de oscilatorul stabil de fază de 0 grade, datorită nivelului redus de zgomot, este, de asemenea, o alegere mai înțeleaptă pentru diferite niveluri audio aplicații în care este necesară oscilația continuă.