Oscil·lador de pont Wein

En aquest tutorial, coneixerem l' Oscillator de Wein Bridge, que va ser desenvolupat per un físic alemany Max Wien. Es va desenvolupar originalment per calcular la capacitat on es coneixen la resistència i la freqüència. Abans d’anar a una discussió més profunda sobre què és en realitat l’ Oscillator de Wein Bridge i com s’utilitza, vegem què és l’Oscillator i què és l’Oscillator de Wein Bridge.

Oscil·lador del pont Wein:

Com a l’anterior tutorial de l’oscil·lador RC, es necessita una resistència i un condensador per produir un desplaçament de fase i, si connectem un amplificador en inversió d’especificacions i connectem l’amplificador i les xarxes RC amb una connexió de retroalimentació, la sortida de l’amplificador comença a produir un forma d'ona sinusoïdal per oscil·lació.

En un oscil·lador de pont de Wien s’utilitzen dues xarxes RC a través d’un amplificador i produeixen un circuit d’oscil·lador.

Però, per què hauríem de triar l’oscil·lador de pont de Wien ?

A causa dels següents punts, l'oscil·lador de pont de Wien és una opció més encertada per produir ona sinusoïdal.

1. És estable.
2. La distorsió o la distorsió harmònica total (THD) està sota límit controlable.
3. Podem canviar la freqüència de manera molt efectiva.

Com s’ha dit abans, l’oscil·lador de Wein Bridge té xarxes RC de dues etapes. Això vol dir que consta de dos condensadors no polars i dues resistències en una formació de filtres de pas alt i baix. Una resistència i un condensador en sèrie, d'altra banda, un condensador i una resistència en formació paral·lela. Si construïm el circuit, l’esquema serà el següent: -

Com es veu clarament, hi ha dos condensadors i s’utilitzen dues resistències. Ambdues etapes RC que actuen com a filtre de pas alt i de pas baix connectades entre si, que és el producte d’un filtre de pas de banda que acumula la dependència de freqüència de dues etapes d’ordre. La resistència R1 i R2 és la mateixa i la capacitat C1 i C2 és la mateixa.

Guany de sortida de l'oscil·lador de Wein Bridge i canvi de fase:

El que passa dins del circuit de xarxa RC de la imatge anterior és molt interessant.

Quan s’aplica Baixa freqüència, la primera reactància del condensador (C1) és prou alta i bloqueja el senyal d’entrada i resisteix el circuit per produir 0 sortides, d’altra banda, passa el mateix d’una manera diferent per al segon condensador (C2) que és connectat en paral·lel. La reactància C2 es fa massa baixa i ignora el senyal i torna a produir 0 sortides.

Però en el cas d'una freqüència mitjana quan la reactància C1 no sigui alta i la C2 sigui reactiva no baixa, donarà sortida a través del punt C2. Aquesta freqüència es coneix com a Freqüència de ressonància.

Si veiem en profunditat a l'interior del circuit veurem que la reactància del circuit i la resistència del circuit són iguals si s'aconsegueix la freqüència de ressonància.

Per tant, hi ha dues regles aplicades en aquest cas quan el circuit és proporcionat per la freqüència de ressonància de l’entrada.

A. La diferència de fase d’entrada i sortida és igual a 0 graus.

B. Com que està en 0 graus, la sortida serà màxima. Però quant? És molt de prop o de precisió 1/3 ^rd de la magnitud del senyal d'entrada.

Si veiem la sortida dels circuits, entendrem aquests punts.

La sortida és exactament igual a la mateixa corba que la imatge que es mostra. A baixa freqüència a partir d’1 Hz, la sortida és menor o gairebé 0 i augmenta amb la freqüència d’entrada fins a la freqüència de ressonància, i quan s’arriba a la freqüència de ressonància la sortida es troba en el seu punt màxim màxim i disminueix contínuament amb l’augment de la freqüència produeix 0 sortida a alta freqüència. Per tant, és clar que passa un cert interval de freqüència i produeix la sortida. És per això que anteriorment es descrivia com a filtre de pas de banda variable (banda de freqüència) fiable de la freqüència. Si observem de prop el desplaçament de fase de la sortida, veurem clarament el marge de fase de 0 graus a través de la sortida a la freqüència de ressonància adequada.

En aquesta corba de sortida de fase, la fase és exactament 0 graus a la freqüència de ressonància i s’inicia de 90 graus a disminuir a 0 graus quan augmenta la freqüència d’entrada fins que s’aconsegueix la freqüència de ressonància i després la fase continua disminuint al punt final de - 90 graus. Hi ha dos termes que s’utilitzen en ambdós casos, si la fase és positiva s’anomena Avanç de fase i en cas de negatiu s’anomena Retard de fase.

Veurem la sortida de l’etapa de filtre en aquest vídeo de simulació:

En aquest vídeo s'utilitza 4.7k com a R tant en R1 R2 com en el condensador 10nF tant per a C1 com per a C2. Vam aplicar ona sinusoïdal a través de les etapes i a l’oscil·loscopi el Canal Groc mostra l’entrada del circuit i la línia blava mostra la sortida del circuit. Si observem detingudament, l’ amplitud de sortida és 1/3 del senyal d’entrada i la fase de sortida és gairebé idèntica a la de desplaçament de fase de 0 graus en freqüència de ressonància com s’ha comentat anteriorment.

Freqüència de ressonància i sortida de voltatge:

Si considerem que s’utilitza R1 = R2 = R o la mateixa resistència, i per a la selecció del condensador C1 = C2 = C s’utilitza el mateix valor de capacitat, la freqüència de ressonància serà

Fhz = 1 / 2πRC

La R significa Resistor i la C significa el condensador o capacitància, i la Fhz si la freqüència de ressonància.

Si volem calcular el Vout de la xarxa RC hauríem de veure el circuit d’una altra manera.

Aquest treball xarxa RC amb l'AC Senyals d'entrada. Calcular la resistència dels circuits en cas de corrent altern en lloc de calcular la resistència dels circuits en cas de corrent continu és una mica complicat.

La xarxa RC crea una impedància que actua com a resistència en un senyal de CA aplicat. Un divisor de tensió té dues resistències, en aquestes etapes RC les dues resistències són la impedància del primer filtre (C1 R1) i la impedància del segon filtre (R2 C2).

Com hi ha un condensador connectat en sèrie o en configuració paral·lela, la fórmula de la impedància serà: -

Z és el símbol de la impedància, R és la resistència i Xc representa la reactància capacitiva del condensador.

Mitjançant la mateixa fórmula podem calcular la impedància de la primera etapa.

En el cas de la segona etapa, la fórmula és la mateixa que el càlcul de la resistència equivalent en paral·lel,

Z és la impedància, R és la resistència, X és el condensador

La impedància final dels circuits es pot calcular mitjançant aquesta fórmula: -

Podem calcular un exemple pràctic i veure la sortida En aquest cas.

Si calculem el valor i veiem el resultat veurem que la tensió de sortida serà 1 / 3r de la tensió d’entrada.

Si connectem la sortida del filtre RC de dues etapes a un pin d’entrada d’amplificador no inversor o un pin + Vin, i ajustem el guany per recuperar la pèrdua, la sortida produirà una ona sinusoïdal. Això és l’oscil·lació del pont de Wien i el circuit és el circuit de l’oscil·lador del pont Wein.

Funcionament i construcció de l'oscil·lador del pont Wein:

A la imatge anterior, el filtre RC està connectat a un amplificador operatiu que té una configuració sense inversió. R1 i R2 són resistències de valor fix, mentre que C1 i C2 són un condensador de retall variable. Al variar el valor d’aquests dos condensadors al mateix temps, podríem obtenir una oscil·lació adequada d’un rang inferior a un rang superior. És molt útil si volem utilitzar l'oscil·lador de pont Wein per produir ona sinusoïdal a diferents freqüències, des d'un rang inferior fins a un rang superior. I R3 i R4 s’utilitzen per obtenir el guany de retroalimentació de l’amplificador operatiu. El guany de sortida o l'amplificació és molt fiable en aquestes dues combinacions de valors. Com que les dues etapes RC baixen el voltatge de sortida a 1/3, és fonamental recuperar-lo. També és una opció més encertada obtenir almenys un guany de 3x o més de 3x (4x preferit).

Podem calcular el guany mitjançant la relació 1+ (R4 / R3).

Si tornem a veure la imatge, podem veure que el camí de retroalimentació de l'amplificador operacional des de la sortida està directament connectat a l'etapa d'entrada del filtre RC. Com que el filtre RC de dues etapes té una propietat de desplaçament de fase de 0 graus a la regió de freqüència de ressonància i està directament connectat a la retroalimentació positiva de l'amplificador operacional, suposem que és xV + i que a la retroalimentació negativa s'aplica la mateixa tensió que és xV- amb la mateixa fase de 0 graus, l'amplificador operacional diferencia les dues entrades i descarta el senyal de retroalimentació negativa i, a causa d'això, continua la sortida connectada a les etapes RC, l'amplificador operatiu comença a oscil·lar.

Si fem servir una velocitat de rotació més elevada, la freqüència de sortida es pot maximitzar en una àmplia quantitat.

Hi ha pocs amplificadors operatius d’alta freqüència en aquest segment.

També hem de recordar que, a l’anterior tutorial de l’oscil·lador RC, vam parlar sobre l’efecte de càrrega, hauríem de triar l’ampli operatiu amb alta impedància d’entrada que el filtre RC per reduir l’efecte de càrrega i garantir oscil·lació estable adequada.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, que és amplificador operatiu de llavor alta de 900 mHz.
• LTC6409 que és amplificador operatiu diferencial de 10 Ghz GBW. Per no parlar d’això, cal una addició especial als circuits i unes tàctiques de disseny de RF excepcionalment bones per aconseguir també aquesta sortida d’alta freqüència.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 amplificador operacional de grau industrial.

Exemple pràctic de l'oscil·lador de Wein Bridge:

Calculem un valor d’exemple pràctic escollint el valor de la resistència i del condensador.

En aquesta imatge, per a l’oscil·lador RC s’utilitza una resistència de 4,7 k tant per R1 com per R2. I un condensador de retallador utilitzat que té dos pols conté 1-100nF per a la capacitat de retall C1 i C2. Calculem la freqüència d'oscil·lació de 1nF, 50nF i 100nF. També calcularem el guany de l’ampli operatiu com R3 seleccionat com a 100k i R4 seleccionat com a 300k.

Com calcular la freqüència és fàcil mitjançant la fórmula de

Fhz = 1 / 2πRC

Per al valor de C és 1nF i per a la resistència és de 4,7 k, la freqüència serà

Fhz = 33.849 Hz o 33,85 KHz

Per al valor de C és de 50 nF i per a la resistència de 4,7 k, la freqüència serà

Fhz = 677Hz

Per al valor de C és de 100 nF i per a la resistència de 4,7 k, la freqüència serà

Fhz = 339Hz

Per tant, la freqüència més alta que podem aconseguir utilitzant 1nF que és 33,85 Khz i la freqüència més baixa que podem aconseguir utilitzant 100nF és 339Hz.

El guany de l'amplificador operatiu és d'1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Per tant, el guany = 1+ (300k + 100k) = 4x

L'amplificador operatiu produirà un guany de 4x de l'entrada a través del pin "positiu" no invertit.

Així doncs, utilitzant aquesta manera podem produir un oscil·lador de pont Wein amb ample de banda de freqüència variable.

Aplicacions:

L'oscil·lador de pont Wein s'utilitza en un ampli nivell d'aplicacions en el camp de l'electrònica, des de trobar el valor exacte del condensador, per generar circuits relacionats amb l'oscil·lador estable de fase de 0 graus, a causa del baix nivell de soroll, també és una opció més intel·ligent per a diversos nivells de grau d'àudio. aplicacions on es requereix una oscil·lació contínua.