- Què és l'Oscillator?
- Oscil·lador RC i fase:
- Canvi de fase mitjançant el circuit de l’oscil·lador RC:
- Filtres RC múltiples en cascada:
- Oscil·lador de canvi de fase RC amb transistor:
- Freqüència de l'oscil·lador RC:
- Oscil·lador de canvi de fase RC amb amplificador operatiu:
Què és l'Oscillator?
Un oscil·lador és una construcció mecànica o electrònica que produeix oscil·lació en funció de poques variables. Tots tenim dispositius que necessiten oscil·ladors, un rellotge tradicional que tots tenim a casa com a rellotge de paret o rellotge de polsera, diversos tipus de detectors de metalls, ordinadors on intervenen microcontroladors i microprocessadors, fan servir oscil·ladors, especialment l’oscil·lador electrònic que produeix senyals periòdics.
Oscil·lador RC i fase:
Quan discutim sobre l'oscil·lador RC, i com també es coneix com oscil·lador de desplaçament de fase, necessitem una comprensió justa sobre què és la fase. Veure aquesta imatge: -
Si veiem l’ona sinusoïdal anterior com aquesta, veurem clarament que el punt inicial del senyal és de 0 graus en fase i, després d’això, cada punt de pic del senyal de positiu a 0, de nou, el punt negatiu, de nou 0, es denota respectivament 90 grau, 180 graus, 270 graus i 360 graus en posició de fase.
La fase és un període de cicle complet d’una ona sinusoïdal en una referència de 360 graus.
Ara, sense més demora, vegem què és el canvi de fase?
Si canviem el punt inicial de l’ona sinusoïdal diferent del grau 0, la fase es desplaça. Comprendrem el canvi de fase a la següent imatge.
En aquesta imatge, hi ha dues ones de senyal sinusoïdal de CA presentades, la primera ona sinusoïdal verda té una fase de 360 graus, però la vermella que és la rèplica del primer senyal de lectura es troba a 90 graus de la fase del senyal verd.
Mitjançant l’oscil·lador RC podem canviar la fase d’un senyal sinusoïdal.
Canvi de fase mitjançant el circuit de l’oscil·lador RC:
RC significa Resistor i Condensador. Simplement podem formar una xarxa de resistència-condensador de canvi de fase utilitzant només una formació de resistència i un condensador.
Com es veu al tutorial del filtre de pas alt, aquí s’aplica el mateix circuit. Un oscil·lador de desplaçament de fase RC típic pot ser produït per un condensador en sèrie juntament amb una resistència en paral·lel.
Es tracta d’una xarxa de desplaçament de fase d’ un pol; el circuit és el mateix que el filtre passiu d’alta. Teòricament, si apliquem un senyal en fase en aquesta xarxa RC, la fase de sortida es desplaçarà exactament en 90 graus. Però si ho provem en realitat i comprovem el desplaçament de fase, aconseguim un desplaçament de fase de 60 a menys de 90 graus. Depèn de la freqüència i de les toleràncies dels components que creen efectes adversos a la realitat. Com tots sabem que res no és perfecte, hi hauria d’haver alguna diferència que els valors reals anomenats o esperats que la realitat. La temperatura i altres dependències exteriors creen dificultats per aconseguir un desplaçament de fase exacte de 90 graus, 45 graus en general, 60 graus són habituals en funció de les freqüències i assolir 90 graus és una feina molt difícil en molts casos.
Com es va comentar al tutorial de passar alt, construirem el mateix circuit i investigarem sobre el desplaçament de fase del mateix circuit.
El circuit del filtre High Pass juntament amb els valors dels components es troba a la imatge següent: -
Aquest és l'exemple que hem utilitzat en tutorials passius de filtres passius superiors anteriors. Produirà una amplada de banda de 4,9 KHz. Si comprovem la freqüència de la cantonada identificarem l’angle de fase a la sortida de l’oscil·lador.
Ara podem veure que el desplaçament de fase s’inicia a partir de 90 graus, que és el desplaçament de fase màxim per la xarxa de l’oscil·lador RC, però en el punt de freqüència de la cantonada el desplaçament de fase és de 45 graus.
Ara tenint en compte el fet que el desplaçament de fase és de 90 graus o si seleccionem la construcció del circuit de l’oscil·lador com una forma especial que produirà un desplaçament de fase de 90 graus, el circuit perdrà la seva immunitat en el rang de fronteres a causa d’un factor d’estabilització de freqüència deficient. Com podem imaginar en el punt de 90 graus on la corba acaba de començar com des dels 10Hz o inferior fins als 100Hz és gairebé plana. Això significa que si la freqüència de l'oscil·lador canvia lleugerament a causa de la tolerància dels components, la temperatura i altres circumstàncies inevitables, el canvi de fase no canviarà. No és una bona opció. Per tant, considerem que 60 o 45 graus és el canvi de fase acceptable per a l’oscil·lador de xarxa RC unipolar. L’estabilitat de freqüència millorarà.
Filtres RC múltiples en cascada:
Tres filtres RC en cascada:
Si considerem aquest fet que no podem assolir només un desplaçament de fase de 60 graus en lloc de 90 graus, podem passar en cascada tres filtres RC (si el desplaçament de fase és de 60 graus mitjançant oscil·ladors RC) o en cascada quatre filtres en sèrie (si el desplaçament de fase és 45 graus per cada oscil·lador RC) i obtenir 180 graus.
En aquesta imatge, tres oscil·ladors RC en cascada i cada vegada que s’afegeixen un desplaçament de fase de 60 graus i, finalment, després de la tercera etapa obtindrem un desplaçament de fase de 180 graus.
Construirem aquest circuit en un programari de simulació i veurem la forma d’ona d’entrada i sortida del circuit.
Abans d’entrar al vídeo, vegem la imatge dels circuits i veurem també la connexió de l’oscil·loscopi.
A la imatge superior hem utilitzat un condensador de 100 pF i un valor de resistència de 330 k. L'oscil·loscopi està connectat a través de l'entrada VSIN (canal A / groc), a través de la sortida del primer pol (canal B / blau), la sortida del segon pol
(canal C / vermell) i la sortida final al tercer pol (canal D / verd).
Veurem la simulació al vídeo i veurem el canvi de fase en 60 graus a través del primer pol, 120 graus a través del segon pol i 180 graus a través del tercer pol. També l'amplitud del senyal es minimitzarà pas a pas.
1 st pol amplitud> segona amplitud pol> tercera amplitud pol. Més anem cap a l'últim pol, disminueix l'amplitud del senyal.
Ara veurem el vídeo de simulació: -
Es demostra clarament que cada pol que canvia activament els desplaçaments de fase i a la sortida final es desplaça a 180 graus.
Quatre filtres RC Cascade:
A la següent imatge, es fa servir quatre oscil·ladors de desplaçament de fase RC amb desplaçament de fase de 45 graus cadascun, que produeixen un desplaçament de fase de 180 graus al final de la xarxa RC.
Oscil·lador de canvi de fase RC amb transistor:
Tot això són elements o components passius de l’oscil·lador RC. Obtenim el canvi de fase de 180 graus. Si volem fer un desplaçament de fase de 360 graus, caldrà un component actiu que produeixi un desplaçament de fase addicional de 180 graus. Això es fa mitjançant un transistor o un amplificador i requereix una tensió de subministrament addicional.
En aquesta imatge , s’utilitza un transistor NPN per produir un desplaçament de fase de 180 graus, mentre que el C1R1 C2R2 C3R3 produirà un retard de fase de 60 graus. Per tant, acumular aquests tres 60 + 60 + 60 = 180 graus de canvi de fase es realitza d'altra banda, afegint un altre 180 graus pel transistor es crea un canvi de fase total de 360 graus. Obtenirem un canvi de fase de 360 graus a través del condensador electrolític C5. Si volem canviar la freqüència d'aquesta manera de canviar el valor dels condensadors o utilitzar un condensador predefinit variable a través d'aquests tres pols individualment, eliminant condensadors fixos individuals.
Es fa una connexió de retroalimentació per recuperar les energies de tornada a l'amplificador mitjançant aquesta xarxa RC de tres pols. És necessari per a una oscil·lació positiva estable i produir tensió sinusoidal. A causa de la
connexió de retroalimentació o la configuració, l’ oscil·lador RC és un oscil·lador de tipus retroalimentat.
El 1921, el físic alemany Heinrich Georg Barkhausen va introduir el "criteri de Barkhausen" per determinar la relació entre els canvis de fase a través del bucle de retroalimentació. Segons el criteri, el circuit només oscil·larà si el desplaçament de fase al voltant del bucle de retroalimentació és igual o múltiple de 360 graus i el guany del bucle és igual a un. Si el desplaçament de fase és precís a la freqüència desitjada i el bucle de retroalimentació crea una oscil·lació de 360 graus, la sortida serà una ona sinusoïdal. El filtre RC serveix per aconseguir aquest propòsit.
Freqüència de l'oscil·lador RC:
Podem determinar fàcilment la freqüència de l’oscil·lació mitjançant aquesta equació: -
On,
R = Resistència (ohms)
C = Capacitat
N = Nombre de xarxes RC
Aquesta fórmula s’utilitza per al disseny relacionat amb el filtre de pas alt, també podem utilitzar filtre de pas baix i el canvi de fase serà negatiu. En aquest cas, la fórmula superior no funcionarà per calcular la freqüència de l’oscil·lador, s’aplicarà una fórmula diferent.
On,
R = Resistència (ohms)
C = Capacitat
N = Nombre de xarxes RC
Oscil·lador de canvi de fase RC amb amplificador operatiu:
Com podem construir un oscil·lador de desplaçament de fase RC mitjançant transistor, és a dir, BJT, també hi ha altres limitacions amb el transistor.
- És estable per a freqüències baixes.
- Només utilitzar un sol BJT l'amplitud de l'ona de sortida no és perfecta, es requereixen circuits addicionals per amplificar l'estabilitat de la forma d'ona.
- La precisió de freqüència no és perfecta i no és immune a interferències sorolloses.
- Efecte de càrrega adversa. A causa de la formació en cascada, la impedància d'entrada del segon pol canvia les propietats de resistència de les resistències del filtre del primer pol. Més els filtres cauen en cascada més la situació empitjora, ja que afectarà la precisió de la freqüència de l'oscil·lador de desplaçament de fase calculada.
A causa de l'atenuació de la resistència i el condensador, la pèrdua en cada etapa augmenta i la pèrdua total és d'aproximadament la pèrdua total d'1 / 29 ª del senyal d'entrada.
Com els circuits atenua en 1/29 º que necessitem per recuperar la pèrdua.
És el moment de canviar el BJT amb un amplificador operatiu. També podem recuperar aquests quatre inconvenients i obtenir més marge per sobre del control si fem servir amplificador operatiu en lloc de BJT. A causa de la impedància d’entrada elevada, l’efecte de càrrega també es controla de manera eficaç perquè la impedància d’entrada d’amplificador operatiu augmenta l’efecte de càrrega general.
Ara, sense la modificació addicional , canviem el BJT amb un Op-Amp i vegem quin serà el circuit o l’esquema de l’oscil·lador RC mitjançant Op-amp.
Com podem veure, Just BJT es va substituir per un amplificador operatiu invertit. El bucle de retroalimentació es connecta a l’oscil·lador RC de primer pol i s’alimenta al pin d’entrada invertit de l’amplificador operacional. A causa d'aquesta connexió de retroalimentació invertida, l' amplificador operatiu produirà un desplaçament de fase de 180 graus. Les tres etapes de RC proporcionaran un canvi de fase addicional de 180 graus. Obtenirem la sortida desitjada d’ona desplaçada de fase de 360 graus a través del primer pin de l’ amplificador operacional anomenat OSC out. El R4 s’utilitza per a la compensació del guany de l’ampli operatiu. Podem ajustar els circuits per obtenir una sortida oscil·lada d’alta freqüència, però depenent de l’amplada de banda del rang de freqüències de l’ampli operatiu.
A més, per aconseguir el resultat desitjat hem de calcular el guany de resistència R4 per aconseguir 29 th vegades major amplitud a través d'l'amplificador operacional, ja que necessitem per compensar la pèrdua de 1/29 XX a través de les etapes de RC.
A veure, farem un circuit amb un valor de components reals i veurem quina serà la sortida simulada de l’oscil·lador de desplaçament de fase RC.
Utilitzarem una resistència de 10k ohms i un condensador de 500pF i determinarem la freqüència de l’oscil·lació. També calcularem el valor de la resistència de guany.
N = 3, ja que s’utilitzaran 3 etapes.
R = 10000, com a 10 k ohms convertits a ohms
C = 500 x 10 -12, ja que el valor del condensador és 500 pF
La sortida és de 12995Hz o el valor relativament proper és de 13 KHz.
Com es necessita el guany op-amp 29 º vegades el valor de la resistència de guany es calcula utilitzant la següent fórmula: -
Guany = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k
Així es construeix l'oscil·lador de canvi de fase mitjançant components RC i amplificador operatiu.
Les aplicacions de l’oscil·lador de desplaçament de fase RC inclouen amplificadors on s’utilitza el transformador d’àudio i es necessita un senyal d’àudio diferencial, però el senyal invertit no està disponible, o si es necessita una font de senyal de CA per a qualsevol aplicació, s’utilitza el filtre RC. A més, el generador de senyals o el generador de funcions utilitzen un oscil·lador de desplaçament de fase RC.