Ταλαντωτής γέφυρας Wein

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθουμε για το Wein Bridge Oscillator που αναπτύχθηκε από έναν Γερμανό φυσικό Max Wien. Αρχικά αναπτύχθηκε για τον υπολογισμό της χωρητικότητας όπου είναι γνωστή η αντίσταση και η συχνότητα. Πριν προχωρήσουμε σε μια πιο εμπεριστατωμένη συζήτηση σχετικά με το τι είναι πραγματικά ο ταλαντωτής Wein Bridge και πώς χρησιμοποιείται, ας δούμε τι είναι ο ταλαντωτής και τι είναι ο ταλαντωτής Wein Bridge.

Ταλαντωτής Γέφυρας Wein:

Όπως και στο προηγούμενο σεμινάριο του RC Oscillator, απαιτείται αντίσταση και πυκνωτής για την παραγωγή μετατόπισης φάσης και εάν συνδέσουμε έναν ενισχυτή στην αντιστροφή προδιαγραφών και συνδέσουμε τον ενισχυτή και τα δίκτυα RC με μια σύνδεση ανατροφοδότησης, η έξοδος του ενισχυτή αρχίζει να παράγει ένα ημιτονοειδής κυματομορφή με ταλάντωση.

Σε έναν ταλαντωτή γέφυρας Wien χρησιμοποιούνται δύο δίκτυα RC σε έναν ενισχυτή και παράγουν ένα κύκλωμα ταλαντωτή.

Γιατί όμως να επιλέξουμε τον ταλαντωτή γέφυρας Wien;

Λόγω των ακόλουθων σημείων, ο ταλαντωτής γέφυρας Wien είναι μια πιο σοφή επιλογή για την παραγωγή ημιτονοειδούς κύματος.

1. Είναι σταθερό.
2. Η παραμόρφωση ή το THD (Total Harmonic Distortion) είναι υπό ελεγχόμενο όριο.
3. Μπορούμε να αλλάξουμε τη συχνότητα πολύ αποτελεσματικά.

Όπως είπαμε προηγουμένως, ο ταλαντωτής Wein Bridge διαθέτει δίκτυα RC δύο σταδίων. Αυτό σημαίνει ότι αποτελείται από δύο μη πολικούς πυκνωτές και δύο αντιστάσεις σε σχηματισμό φίλτρου υψηλής και χαμηλής διέλευσης. Μία αντίσταση και ένας πυκνωτής σε σειρά από την άλλη ένας πυκνωτής και μία αντίσταση σε παράλληλο σχηματισμό. Αν κατασκευάσουμε το κύκλωμα, το σχηματικό θα μοιάζει με αυτό: -

Όπως φαίνεται καθαρά, υπάρχουν δύο πυκνωτές και χρησιμοποιούνται δύο αντιστάσεις. Τόσο το στάδιο RC που λειτουργούν ως φίλτρο High Pass και Low pass συνδέονται μεταξύ τους, το οποίο είναι προϊόν ενός φίλτρου διέλευσης ζώνης που συσσωρεύει την εξάρτηση συχνότητας δύο σταδίων σειράς. Η αντίσταση R1 και R2 είναι ίδια και επίσης η χωρητικότητα C1 και C2 είναι ίδια.

Κέρδος εξόδου ταλαντωτή Wein Bridge και μετατόπιση φάσης:

Αυτό που συμβαίνει μέσα στο κύκλωμα δικτύου RC στην παραπάνω εικόνα είναι πολύ ενδιαφέρον.

Όταν εφαρμόζεται χαμηλή συχνότητα, η πρώτη αντίσταση πυκνωτή (C1) είναι αρκετά υψηλή και μπλοκάρει το σήμα εισόδου και αντιστέκεται στο κύκλωμα για να παράγει 0 έξοδο, από την άλλη πλευρά, το ίδιο πράγμα συμβαίνει με διαφορετικό τρόπο για τον δεύτερο πυκνωτή (C2) που είναι συνδέεται σε παράλληλη κατάσταση. Η αντίδραση C2 γίνεται πολύ χαμηλή και παρακάμπτει το σήμα και παράγει και πάλι 0 εξόδους.

Αλλά σε περίπτωση μεσαίας συχνότητας όταν η αντίδραση C1 δεν είναι υψηλή και η C2 είναι η αντίσταση δεν είναι χαμηλή, θα δώσει έξοδο κατά μήκος του σημείου C2. Αυτή η συχνότητα αναφέρεται ως ηχητική συχνότητα.

Αν δούμε σε βάθος μέσα στο κύκλωμα θα δούμε ότι η αντίδραση του κυκλώματος και η αντίσταση του κυκλώματος είναι ίση εάν επιτευχθεί η συχνότητα συντονισμού.

Έτσι, υπάρχουν δύο κανόνες που εφαρμόζονται σε μια τέτοια περίπτωση όταν το κύκλωμα παρέχεται από τη συχνότητα συντονισμού κατά μήκος της εισόδου.

A. Η διαφορά φάσης εισόδου και εξόδου είναι ίση με 0 μοίρες.

Β. Καθώς είναι σε 0 βαθμό, η έξοδος θα είναι μέγιστη Αλλά πόσο; Είναι στενά ή με ακρίβεια 1/3 ^ου μεγέθους του σήματος εισόδου του.

Αν δούμε την έξοδο του κυκλώματος θα καταλάβουμε αυτά τα σημεία.

Η έξοδος είναι ακριβώς η ίδια καμπύλη με την εικόνα που εμφανίζεται. Σε χαμηλή συχνότητα από 1Hz η έξοδος είναι μικρότερη ή σχεδόν 0 και αυξάνεται με τη συχνότητα εισόδου μέχρι τη συχνότητα συντονισμού, και όταν επιτευχθεί η συχνότητα συντονισμού, η έξοδος βρίσκεται στο μέγιστο σημείο κορυφής της και μειώνεται συνεχώς με την αύξηση της συχνότητας και ξανά παράγει 0 έξοδο σε υψηλή συχνότητα. Έτσι, ξεπερνά σαφώς ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων και παράγει την έξοδο. Γι 'αυτό προηγουμένως περιγράφηκε ως φίλτρο διέλευσης μεταβλητής ζώνης (Frequency Band) που εξαρτάται από τη συχνότητα. Εάν κοιτάξουμε προσεκτικά τη μετατόπιση φάσης της εξόδου, θα δούμε καθαρά το περιθώριο φάσης 0 μοιρών κατά μήκος της εξόδου στην κατάλληλη συχνότητα συντονισμού.

Σε αυτήν την καμπύλη εξόδου φάσης η φάση είναι ακριβώς 0 βαθμός στη συχνότητα συντονισμού και ξεκινά από 90 βαθμούς σε μείωση σε 0 βαθμό όταν η συχνότητα εισόδου αυξάνεται έως ότου επιτευχθεί η συχνότητα συντονισμού και μετά από αυτό η φάση συνεχίζει να μειώνεται στο τελικό σημείο - 90 μοίρες. Υπάρχουν δύο όροι που χρησιμοποιούνται και στις δύο περιπτώσεις, εάν η φάση είναι θετική ονομάζεται Phase Advance και στην περίπτωση αρνητικής ονομάζεται Phase Delay.

Θα δούμε την έξοδο του σταδίου φίλτρου σε αυτό το βίντεο προσομοίωσης:

Σε αυτό το βίντεο, το 4.7k χρησιμοποιείται ως R τόσο στο R1 R2 όσο και στον πυκνωτή 10nF και για το C1 και το C2. Εφαρμόσαμε ημιτονοειδές κύμα στα στάδια και στον παλμογράφο το κίτρινο κανάλι δείχνει την είσοδο του κυκλώματος και η μπλε γραμμή δείχνει την έξοδο του κυκλώματος. Αν κοιτάξουμε προσεκτικά το πλάτος εξόδου είναι το 1/3 του σήματος εισόδου και η φάση εξόδου είναι σχεδόν ίδια με τη μετατόπιση φάσης 0 μοιρών στη συχνότητα συντονισμού όπως συζητήθηκε προηγουμένως.

Έξοδος συχνότητας και τάσης συντονισμού:

Εάν θεωρήσουμε ότι χρησιμοποιείται R1 = R2 = R ή η ίδια αντίσταση και για την επιλογή του πυκνωτή C1 = C2 = C χρησιμοποιείται η ίδια τιμή χωρητικότητας τότε η συχνότητα συντονισμού θα είναι

Fhz = 1 / 2πRC

Το R σημαίνει Αντίσταση και το C σημαίνει τον πυκνωτή ή την χωρητικότητα και το Fhz εάν η συχνότητα συντονισμού.

Αν θέλουμε να υπολογίσουμε το Vout του δικτύου RC θα πρέπει να δούμε το κύκλωμα με διαφορετικό τρόπο.

Αυτό το δίκτυο RC λειτουργεί με είσοδο σημάτων AC. Ο υπολογισμός της αντίστασης κυκλώματος σε περίπτωση AC και όχι ο υπολογισμός της αντίστασης κυκλώματος σε περίπτωση DC είναι λίγο δύσκολο.

Το δίκτυο RC δημιουργεί σύνθετη αντίσταση η οποία ενεργεί ως αντίσταση σε ένα σήμα AC Ένας διαχωριστής τάσης έχει δύο αντιστάσεις, σε αυτά τα στάδια RC οι δύο αντιστάσεις είναι η σύνθετη αντίσταση του πρώτου φίλτρου (C1 R1) και η αντίσταση του δεύτερου φίλτρου (R2 C2).

Καθώς υπάρχει ένας πυκνωτής συνδεδεμένος είτε σε σειρά είτε σε παράλληλη διαμόρφωση, τότε ο τύπος Impedance θα είναι:

Το Ζ είναι το σύμβολο της αντίστασης, το R είναι η αντίσταση και το Xc σημαίνει την χωρητική αντίδραση του πυκνωτή.

Χρησιμοποιώντας τον ίδιο τύπο μπορούμε να υπολογίσουμε την αντίσταση πρώτου σταδίου.

Στην περίπτωση του δεύτερου σταδίου, ο τύπος είναι ίδιος με τον υπολογισμό της παράλληλης ισοδύναμης αντίστασης,

Το Ζ είναι η σύνθετη αντίσταση, Το R είναι η Αντίσταση, Το X είναι ο πυκνωτής

Η Τελική Αντίσταση του κυκλώματος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο: -

Μπορούμε να υπολογίσουμε ένα Πρακτικό Παράδειγμα και να δούμε το αποτέλεσμα σε τέτοια περίπτωση.

Αν υπολογίσουμε την τιμή και δούμε το αποτέλεσμα θα δούμε ότι η τάση εξόδου θα είναι το 1/3 της τάσης εισόδου.

Εάν συνδέσουμε την έξοδο φίλτρου RC δύο σταδίων σε έναν ακροδέκτη εισόδου ενισχυτή που δεν αναστρέφει ή έναν ακροδέκτη + Vin και προσαρμόσουμε το κέρδος για να ανακτήσουμε την απώλεια, η έξοδος θα παράγει ημιτονοειδές κύμα. Αυτό είναι ταλάντωση γέφυρας Wien και το κύκλωμα είναι κύκλωμα ταλαντωτή Wein Bridge.

Εργασία και κατασκευή του ταλαντωτή Wein Bridge:

Στην παραπάνω εικόνα, το φίλτρο RC συνδέεται σε ένα op-amp που είναι σε μη αναστρέψιμη διαμόρφωση. Τα R1 και R2 είναι αντίσταση σταθερής τιμής ενώ τα C1 και C2 είναι ένας μεταβλητός πυκνωτής τελειώματος. Μεταβάλλοντας την τιμή αυτών των δύο πυκνωτών ταυτόχρονα θα μπορούσαμε να έχουμε σωστή ταλάντωση από χαμηλότερο σε ανώτερο εύρος. Είναι πολύ χρήσιμο εάν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τον ταλαντωτή γέφυρας Wein για να παράγουμε ημιτονοειδές κύμα σε διαφορετική συχνότητα από χαμηλότερο έως ανώτερο εύρος. Και τα R3 και R4 χρησιμοποιούνται για το κέρδος ανατροφοδότησης op-amp. Το κέρδος εξόδου ή η ενίσχυση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από αυτούς τους δύο συνδυασμούς τιμών. Καθώς τα δύο στάδια RC μειώνουν την τάση εξόδου στο 1/3, είναι απαραίτητο να ανακτήσετε αυτήν την επιστροφή. Είναι επίσης μια πιο σοφή επιλογή για να κερδίσετε τουλάχιστον 3x ή περισσότερα από 3x (προτιμώμενο 4x) κέρδος.

Μπορούμε να υπολογίσουμε το κέρδος χρησιμοποιώντας τη σχέση 1+ (R4 / R3).

Εάν δούμε ξανά την εικόνα, μπορούμε να δούμε ότι η διαδρομή ανάδρασης του λειτουργικού ενισχυτή από την έξοδο συνδέεται απευθείας με το στάδιο εισόδου φίλτρου RC. Δεδομένου ότι το φίλτρο RC δύο σταδίων έχει μια ιδιότητα μετατόπισης φάσης 0 μοιρών στην περιοχή συχνότητας συντονισμού και συνδέεται άμεσα με τη θετική ανατροφοδότηση op-amp ας υποθέσουμε ότι είναι xV + και στην αρνητική ανάδραση εφαρμόζεται η ίδια τάση που είναι xV- με την ίδια Φάση 0 μοιρών, το op-amp διαφοροποιεί τις δύο εισόδους και αποκλείει το σήμα αρνητικής ανάδρασης και αυτό συνεχίζεται καθώς η έξοδος που συνδέεται στα RC στάδια αρχίζει να ταλαντεύεται το op-amp.

Εάν χρησιμοποιούμε υψηλότερο ρυθμό αναμονής, υψηλότερη συχνότητα op-amp η συχνότητα εξόδου μπορεί να μεγιστοποιηθεί κατά ένα μεγάλο ποσό.

Λίγοι ενισχυτές υψηλής συχνότητας βρίσκονται σε αυτό το τμήμα.

Επίσης, πρέπει να θυμόμαστε όπως και στο προηγούμενο σεμινάριο ταλαντωτή RC που συζητήσαμε για το φαινόμενο φόρτωσης, θα πρέπει να επιλέξουμε το op-amp με υψηλή αντίσταση εισόδου περισσότερο από το φίλτρο RC για να μειώσουμε το αποτέλεσμα φόρτωσης σωστή σταθερή ταλάντωση.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 που είναι 900 mHz Υψηλός σπόρος op-amp!
• LTC6409 που είναι 10 Ghz GBW Διαφορικό op-amp. Για να μην αναφέρουμε αυτό απαιτεί ειδική προσθήκη κυκλωμάτων και εξαιρετικά καλές τακτικές σχεδιασμού RF για την επίτευξη αυτής της παραγωγής υψηλής συχνότητας επίσης.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Βιομηχανικός βαθμός op-amp.

Πρακτικό παράδειγμα του ταλαντωτή Wein Bridge:

Ας υπολογίσουμε μια πρακτική τιμή παραδείγματος επιλέγοντας την τιμή αντίστασης και πυκνωτή.

Σε αυτήν την εικόνα, για τον ταλαντωτή RC χρησιμοποιείται αντίσταση 4,7k και για τα R1 και R2. Και χρησιμοποιείται ένας πυκνωτής trimmer που έχει δύο πόλους περιέχει 1-100nF για ικανότητα κοπής C1 και C2. Ας υπολογίσουμε τη Συχνότητα ταλαντώσεων για 1nF, 50nF και 100nF. Επίσης θα υπολογίσουμε το κέρδος του op-amp ως R3 επιλεγμένο ως 100k και R4 επιλεγμένο ως 300k.

Καθώς ο υπολογισμός της συχνότητας είναι εύκολος με τον τύπο του

Fhz = 1 / 2πRC

Για την τιμή του C είναι 1nF και για την αντίσταση είναι 4,7k η συχνότητα θα είναι

Fhz = 33.849 Hz ή 33.85 KHz

Για την τιμή του C είναι 50nF και για την αντίσταση είναι 4,7k η συχνότητα θα είναι

Fhz = 677Hz

Για την τιμή του C είναι 100nF και για την αντίσταση είναι 4,7k η συχνότητα θα είναι

Fhz = 339Hz

Έτσι, η υψηλότερη συχνότητα μπορούμε να επιτύχουμε χρησιμοποιώντας 1nF που είναι 33,85 Khz και η χαμηλότερη συχνότητα που μπορούμε να επιτύχουμε χρησιμοποιώντας 100nF είναι 339Hz.

Το κέρδος του op-amp είναι 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Έτσι το κέρδος = 1+ (300k + 100k) = 4x

Το op-amp θα παράγει κέρδος 4x της εισόδου μέσω του μη ανεστραμμένου «θετικού» πείρου.

Έτσι, χρησιμοποιώντας αυτόν τον τρόπο μπορούμε να παράγουμε εύρος ζώνης μεταβλητής συχνότητας Wein Bridge Oscillator.

Εφαρμογές:

Ο ταλαντωτής Wein Bridge χρησιμοποιείται σε ευρύ επίπεδο εφαρμογών στον τομέα των ηλεκτρονικών, από την εύρεση της ακριβούς τιμής του πυκνωτή, Για τη δημιουργία κυκλωμάτων που σχετίζονται με σταθερό ταλαντωτή φάσης 0 μοιρών, λόγω χαμηλού επιπέδου θορύβου, είναι επίσης μια πιο σοφή επιλογή για διάφορα επίπεδα ποιότητας ήχου εφαρμογές όπου απαιτείται συνεχής ταλάντωση.