Wein köprü osilatörü

Bu eğitimde, Alman fizikçi Max Wien tarafından geliştirilen Wein Köprü Osilatörü hakkında bilgi edineceğiz. Başlangıçta, direnç ve frekansın bilindiği kapasitansı hesaplamak için geliştirilmiştir. Wein Köprü Osilatörünün gerçekte ne olduğu ve nasıl kullanıldığı hakkında derinlemesine tartışmaya geçmeden önce, Osilatörün ne olduğunu ve Wein Köprü Osilatörünün ne olduğunu görelim.

Wein Köprü Osilatörü:

Önceki RC Osilatör eğitiminde olduğu gibi, bir faz kayması üretmek için bir direnç ve kapasitör gereklidir ve eğer ters çevirme spesifikasyonunda bir amplifikatör bağlarsak ve amplifikatör ve RC ağlarını bir geri besleme bağlantısı ile bağlarsak, amplifikatörün çıkışı bir üretmeye başlar. salınımla sinüzoidal dalga formu.

Bir Wien köprü osilatöründe, bir amplifikatörde iki RC ağı kullanılır ve bir osilatör devresi üretir.

Ama neden Wien köprü osilatörünü seçmeliyiz ?

Aşağıdaki noktalardan dolayı Wien köprü osilatörü, Sinüzoidal dalga üretmek için daha akıllıca bir seçimdir.

Kararlıdır.
Bozulma veya THD (Toplam Harmonik Bozulma) kontrol edilebilir sınırın altında.
Frekansı çok etkili bir şekilde değiştirebiliriz.

Daha önce söylendiği gibi Wein Bridge osilatörünün iki aşamalı RC ağları vardır. Bu, yüksek geçişli ve Düşük geçişli filtre oluşumunda iki polar olmayan kapasitör ve iki dirençten oluştuğu anlamına gelir. Seri olarak bir direnç ve bir kapasitör, diğer yandan paralel oluşumda bir kapasitör ve bir direnç. Devreyi inşa edersek, şematik şuna benzeyecektir: -

Açıkça görüldüğü gibi iki kondansatör vardır ve iki direnç kullanılmaktadır. İki sıra kademesinin frekans bağımlılığını biriktiren bir Bant geçiş filtresinin ürünü olan, birbirine bağlı Yüksek Geçiş ve Düşük geçiş filtresi olarak görev yapan RC aşaması. R1 ve R2 Direnci aynıdır ve ayrıca C1 ve C2 kapasitansı aynıdır.

Wein Bridge Osilatör Çıkışı Kazancı ve Faz Kayması:

Yukarıdaki görüntüde RC ağ devresinde yaşananlar çok ilginç.

Düşük frekans uygulandığında birinci kondansatör (C1) reaktansı yeterince yüksektir ve giriş sinyalini bloke ederek devreyi 0 çıkış üretecek şekilde direnir, öte yandan aynı şey ikinci kondansatör (C2) için farklı bir şekilde olur. paralel durumda bağlı. C2 reaktansı çok düşük hale gelir ve sinyali baypas eder ve tekrar 0 çıkış üretir.

Ancak orta frekans durumunda, C1 reaktansı yüksek olmadığında ve C2 reaktans düşük olmadığında, C2 noktasında çıktı verecektir. Bu frekansa Rezonans Frekansı denir.

Devrenin içini derinlemesine görürsek, rezonans frekansı elde edilirse devrenin reaktansının ve devrenin Direncinin eşit olduğunu göreceğiz.

Dolayısıyla, devre Giriş boyunca rezonans frekansı tarafından sağlandığında böyle bir durumda uygulanan iki kural vardır.

A. Giriş ve çıkışın faz farkı 0 dereceye eşittir.

B. 0 derecede olduğu için çıkış maksimum olacaktır. Ama ne kadar? Yakından veya doğru bir 1/3 olan ^rd giriş sinyalinin büyüklük.

Devrenin çıktısını görürsek, bu noktaları anlayacağız.

Çıktı, gösterilen görüntüyle tam olarak aynı eğridir. 1Hz'den Düşük Frekansta çıkış 0'dan küçük veya neredeyse 0'dır ve rezonans frekansına kadar girişteki frekansla artar ve rezonans frekansına ulaşıldığında çıkış maksimum tepe noktasındadır ve frekansın artmasıyla ve tekrar tekrar azalır. yüksek frekansta 0 çıkış üretir. Yani açıkça belli bir frekans aralığını geçiyor ve çıktı üretiyor. Bu nedenle daha önce frekansa bağımlı değişken Bant (Frekans Bandı) geçiren filtre olarak tanımlanmıştı. Çıktının faz kaymasına yakından bakarsak, uygun rezonans frekansında çıkış boyunca 0 derece faz marjını açıkça göreceğiz.

Bu Faz çıkış eğrisinde , Rezonans frekansında faz tam olarak 0 derecedir ve rezonans frekansına ulaşılana kadar giriş frekansı arttığında 90 dereceden 0 dereceye düşmeye başlar ve bundan sonra fazın son noktasında azalmaya devam eder - 90 derece. Her iki durumda da kullanılan iki terim vardır, faz pozitif ise Faz İlerlemesi, negatif olması durumunda Faz Gecikmesi olarak adlandırılır .

Bu simülasyon videosunda filtre aşamasının çıktısını göreceğiz:

Bu videoda 4.7k hem R1 R2 hem de 10nF kondansatör hem C1 hem de C2 için R olarak kullanılmıştır. Aşamalar boyunca sinüzoidal dalga uyguladık ve osiloskopta Sarı Kanal devre girişini ve mavi çizgi devrenin çıkışını gösteriyor. Yakından bakarsak, çıkış genliği giriş sinyalinin 1 / 3'üdür ve çıkış fazı, daha önce tartışıldığı gibi rezonans frekansındaki 0 derece faz kayması ile neredeyse aynıdır.

Rezonans Frekansı ve Gerilim Çıkışı:

R1 = R2 = R veya aynı direncin kullanıldığını düşünürsek ve C1 = C2 = C kondansatör seçimi için aynı kapasitans değeri kullanılırsa rezonans frekansı

Fhz = 1 / 2πRC

R, Direnç anlamına gelir ve C, kapasitör veya kapasitans anlamına gelir ve Fhz, Rezonans frekansıdır.

RC ağının Vout'unu hesaplamak istiyorsak, devreyi farklı bir şekilde görmeliyiz.

Bu RC ağı, AC sinyal Girişleri ile çalışır. DC durumunda devre direncini hesaplamak yerine AC durumunda devre direncini hesaplamak biraz zordur.

RC ağı, uygulanan bir AC sinyalinde direnç görevi gören empedans oluşturur. Bir voltaj bölücünün iki direnci vardır, bu RC aşamalarında iki direnç Birinci filtre (C1 R1) empedansı ve İkinci filtre (R2 C2) empedansıdır.

Seri veya paralel konfigürasyonda bir kondansatör bağlandığından, Empedans formülü şöyle olacaktır: -

Z, Empedans'ın sembolüdür, R Dirençtir ve Xc, kapasitörün kapasitif reaktansını temsil eder.

Aynı formülü kullanarak ilk aşama empedansını hesaplayabiliriz.

Durumunda , ikinci aşamada, formül paralel eşdeğer direnci hesaplanması ile aynıdır,

Z empedanstır, R, Direniş, X Kondansatördür

Devrenin Nihai Empedansı şu formül kullanılarak hesaplanabilir: -

Bu durumda Pratik bir Örnek hesaplayabilir ve Çıktıyı görebiliriz.

Değeri hesaplar ve sonucu görürsek, çıkış geriliminin giriş geriliminin 1 / 3'ü olacağını görürüz.

İki aşamalı RC filtre çıkışını ters çevirmeyen bir amplifikatör giriş pinine veya + Vin pinine bağlarsak ve kaybı geri kazanmak için kazancı ayarlarsak, çıkış sinüzoidal bir dalga üretecektir. Bu Wien köprüsü salınımıdır ve devre Wein Köprüsü Osilatör devresidir.

Wein Köprü Osilatörünün Çalışması ve Yapımı:

Yukarıdaki görüntüde, RC filtresi, tersine çevrilemeyen bir konfigürasyonda olan bir op-amp üzerinden bağlanmıştır. R1 ve R2 Sabit değerli dirençtir, C1 ve C2 değişken trim kapasitördür. Bu iki kapasitörün değerini aynı anda değiştirerek, daha düşük bir aralıktan üst aralığa doğru bir salınım elde edebiliriz. Wein köprü osilatörünü aşağıdan yukarıya doğru farklı frekansta sinüzoidal dalga üretmek için kullanmak istiyorsak çok yararlıdır. Ve R3 ve R4, op-amp geri besleme kazancı için kullanılır. Çıkış kazancı veya amplifikasyon, bu iki değer kombinasyonuna oldukça bağlıdır. İki RC aşaması çıkış voltajını 1 / 3'e düşürdüğünden, onu geri kazanmak çok önemlidir. En az 3x veya 3x'ten fazla (4x tercih edilir) kazanç elde etmek de akıllıca bir seçimdir.

Biz olabilir kazanç hesaplanması 1 + (R4 / R3) ilişkisi kullanılarak.

Görüntüyü tekrar görürsek, işlemsel amplifikatörün çıkıştan gelen geri bildirim yolunun doğrudan RC filtresi giriş aşamasına bağlı olduğunu görebiliriz. İki aşamalı RC filtresi, rezonans frekansı bölgesinde 0 derece faz kayması özelliğine sahip olduğundan ve doğrudan op-amp pozitif geri beslemeye bağlı olduğundan, bunun xV + olduğunu ve negatif geri beslemede xV- olan aynı voltaj uygulandığını varsayalım. aynı 0 derece Faz ile op-amp, iki girişi farklılaştırır ve negatif geri besleme sinyalini ortadan kaldırır ve bu nedenle, RC aşamaları boyunca bağlanan çıkış op-amp salınmaya başlarken devam eder.

Daha yüksek bir dönüş hızı, daha yüksek frekanslı op-amp kullanırsak, çıkış frekansı geniş bir miktarda maksimize edilebilir.

Bu segmentte birkaç Yüksek frekanslı op-amp var

Ayrıca, yükleme etkisi hakkında tartıştığımız önceki RC osilatör eğitiminde olduğu gibi, yükleme etkisini azaltmak için RC filtresinden daha yüksek giriş empedanslı op-amp'i seçmeliyiz. uygun kararlı salınım.

LM318A
LT1192
MAX477
LT1226
OPA838
900 mHz olan THS3491 Yüksek tohum op-amp!
10 Ghz GBW Diferansiyel op-amp olan LTC6409. Bundan bahsetmiyorum bile, bu Yüksek Frekans çıkışını elde etmek için özel devre sistemi ve son derece iyi RF tasarım taktikleri gerekiyor.
LTC160
OPA365
TSH22 Endüstriyel sınıf op-amp.

Wein Bridge Osilatörünün Pratik Örneği:

Direnç ve kondansatör değerini seçerek pratik bir örnek değer hesaplayalım.

Bu görüntüde, RC osilatörü için 4.7k direnç hem R1 hem de R2 için kullanılmıştır. C1 ve C2 kırpma kapasitesi için 1-100nF içeren iki kutuplu bir düzeltici kondansatör kullanılır. 1nF, 50nF ve 100nF için salınım frekansını hesaplayalım. Ayrıca op-amp'in kazancını 100k olarak seçilen R3 ve 300k olarak seçilen R4 olarak hesaplayacağız.

Formül sayesinde frekansı hesaplamak kolaydır.

Fhz = 1 / 2πRC

C'nin değeri 1nF ve direnç için 4.7k Frekans

Fhz = 33,849 Hz veya 33,85 KHz

C'nin değeri 50nF ve direnç için 4.7k Frekans

Fhz = 677Hz

C'nin değeri 100nF ve direnç için 4.7k Frekans

Fhz = 339 Hz

Dolayısıyla, 33.85 Khz olan 1nF'yi kullanarak elde edebileceğimiz En Yüksek Frekans ve 100nF kullanarak elde edebileceğimiz en düşük frekans 339Hz'dir.

Op-amp'nin kazanç 1+ (R4, / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Yani Kazanç = 1+ (300k + 100k) = 4x

Op-amp, tersine çevrilmemiş "pozitif" pin boyunca girişin 4x kazancını üretecektir.

Yani bu yolu kullanarak değişken frekans bant genişliğine sahip Wein Bridge Osilatör üretebiliriz.

Uygulamalar:

Wein Bridge Osilatör, elektronik alanında, kapasitörün kesin değerini bulmaktan, geniş seviyeli uygulamalarda kullanılan, 0 derece faz kararlı osilatörle ilgili devre oluşturmak için, düşük gürültü seviyesi nedeniyle, çeşitli Ses seviyesi seviyeleri için daha akıllıca bir seçimdir. sürekli salınımın gerekli olduğu uygulamalar.