Oscilatorul Punte Wien utilizează două rețele RC conectate împreună pentru a produce un oscilator sinusoidal.

În tutorialul Oscilator RC am văzut că un număr de rezistoare și condensatoare pot fi conectate împreună cu un amplificator inversor pentru a produce un circuit oscilator.

Unul dintre cele mai simple oscilatoare de unde sinusoidale care utilizează o rețea RC în locul circuitului rezervor LC acordat convențional pentru a produce o formă de undă sinusoidală de ieșire este denumit Oscilatorul Punte Wien.

Oscilatorul Punte Wien este numit astfel deoarece circuitul se bazează pe o formă selectivă de frecvență a circuitului punte Wien. Oscilatorul este un circuit amplificator cu două etaje, cuplat RC, care are o bună stabilitate la frecvența sa de rezonanță, distorsiune redusă și este foarte ușor de acordat făcându-l un circuit popular ca un oscilator de frecvență audio, dar defazarea semnalului de ieșire este considerabil diferită de oscilatorul RC defazor anterior.

Oscilatorul Punte Wien folosește un circuit de feedback care constă dintr-un circuit RC serie conectat cu RC paralel cu aceleași valori de componente ce produc un circuit de întârziere de fază sau avans de fază în funcție de frecvență. La frecvența de rezonanță ƒr defazajul este 0^o. Considerați circuitul de mai jos.

Rețea de defazare RC

Rețeaua RC de mai sus constă dintr-un circuit RC serie conectat cu RC paralel formând practic un filtru High Pass conectat la un filtru Low Pass producând un foarte selectiv filtru Band Pass, de ordinul doi, dependent de frecvență, cu un înalt factor Q la frecvența selectată ƒr.

La frecvențe joase, reactanța condensatorului serie (C1) este foarte mare, deci acționează puțin ca un circuit deschis, blocând orice semnal de intrare la Vin, rezultând practic nici un semnal de ieșire Vout. De asemenea, la frecvențe înalte, reactanța condensatorului paralel (C2) devine foarte scăzută, astfel încât acest condensator conectat paralel acționează puțin ca un scurtcircuit peste ieșire, astfel încât din nou nu există nici un semnal de ieșire.

Deci, trebuie să existe un punct de frecvență între aceste două extreme de C1 fiind deschis și C2 fiind scurtcircuitat atunci când tensiunea de ieșire Vout atinge valoarea maximă. Valoarea de frecvență a formei de undă de intrare la care se întâmplă acest lucru se numește frecvența de rezonanță a oscilatorului (ƒr).

La această frecvență de rezonanță, reactanța circuitului este egală cu rezistența sa, adică: Xc = R, iar diferența de fază dintre intrare și ieșire este egală cu zero grade. Mărimea tensiunii de ieșire este, prin urmare, la maxim și este egală cu o treime (1/3) din tensiunea de intrare, așa cum se arată.

Câștigul de ieșire al oscilatorului și defazarea

Se poate observa că, la frecvențe foarte scăzute, unghiul de fază dintre semnalele de intrare și ieșire este "pozitiv" (fază avans), în timp ce la frecvențe foarte ridicate unghiul de fază devine "negativ" (fază de întârziere). La mijlocul acestor două puncte, circuitul este la frecvența de rezonanță (ƒr), cele două semnale fiind "în fază" sau 0^o. Prin urmare, putem defini acest punct de frecvență de rezonanță cu următoarea expresie.

Frecvența oscilatorului Punte Wien

unde:
ƒr este frecvența de rezonanță în Hertz
R este rezistența în ohmi
C este Capacitatea în Farazi

Am spus anterior că magnitudinea tensiunii de ieșire Vout din rețeaua RC este la valoarea sa maximă și egală cu o treime (1/3) din tensiunea de intrare Vin pentru a permite să se producă oscilații. Dar de ce o treime și nu o altă valoare. Pentru a înțelege de ce ieșirea din circuitul RC de mai sus trebuie să fie o treime, adică 0,333 x Vin, trebuie să luăm în considerare impedanța complexă (Z = R ± jX) a celor două circuite RC conectate.

Noi știm din teoria AC că partea reală a impedanței complexe este rezistența R în timp ce partea imaginară este reactanța X. Deoarece avem de-a face cu condensatoare aici, partea reactantă va fi reactanță capacitivă, Xc.

Rețeaua RC

Dacă redesenăm rețeaua RC de mai sus, așa cum se arată, putem vedea clar că aceasta constă din două circuite RC conectate împreună, cu ieșirea luată de la joncțiunea lor. Rezistorul R1 și condensatorul C1 formează rețeaua serie de sus, în timp ce rezistorul R2 și condensatorul C2 formează rețeaua paralelă de jos.

Prin urmare, impedanța DC totală a combinației serie (R1C1) o putem spune ZS și impedanța totală a combinației paralele (R2C2) o putem numi ZP. Deoarece ZS și ZP sunt efectiv conectate împreună în serie pe intrare VIN, ele formează o rețea de divizare de tensiune cu ieșirea preluată de pe ZP, așa cum se arată.

Să presupunem atunci că valorile componentelor R1 și R2 sunt aceleași de: 12 kΩ, condensatoarele C1 și C2 sunt aceleași de: 3,9 nF și frecvența alimentării ƒ este 3,4 kHz.

Circuit serie

Impedanța totală a combinației serie cu rezistorul R1 și condensatorul C1 este pur și simplu:

Știm acum că, cu o frecvență de alimentare de 3,4 kHz, reactanța condensatorului este aceeași cu rezistența rezistorului de 12 kΩ. Acest lucru ne dă o impedanță serie superioară ZS de 17 kΩ.

Pentru impedanța paralelă inferioară ZP, deoarece cele două componente sunt în paralel, trebuie tratată diferit, deoarece impedanța circuitului paralel este influențată de această combinație paralelă.

Circuitul paralel

Impedanța totală a combinației inferioare paralele cu rezistorul R2 și condensatorul C2 este dată de:

La frecvența de alimentare de 3400 Hz sau 3,4 kHz, impedanța DC combinată a circuitului paralel RC devine 6 kΩ (R || Xc), suma vectorială a acestei impedanțe paralele fiind calculată ca:

Deci avem acum valoarea pentru suma vectorială a impedanței serie: 17 kΩ, (ZS = 17 kΩ) și pentru impedanța paralelă: 8,5 kΩ, (ZP = 8,5 kΩ). Prin urmare, impedanța totală de ieșire, Zout a rețelei divizoare de tensiune la frecvența dată este:

Atunci, la frecvența de oscilație, amplitudinea tensiunii de ieșire Vout va fi egală cu Zout x Vin care, așa cum este arătat, este egală cu o treime (1/3) din tensiunea de intrare Vin și este această rețea selectivă RC de frecvență care formează baza circuitului oscilator Punte Wien.

Dacă plasăm acum această rețea RC într-un amplificator neinversor care are un câștig de 1+ R1/R2 se produce următorul circuit oscilator de bază Punte Wien.

Oscillator Punte Wien

Ieșirea A.O. este trimisă înapoi la ambele intrări ale amplificatorului. O parte a semnalului de reacție este conectată la terminalul de intrare inversă (feedback negativ sau degenerativ) prin rețeaua de divizare a rezistoarelor R1 și R2, care permite ajustarea câștigului de tensiune a amplificatorului în limite înguste.

Cealaltă parte, care formează combinațiile serie și paralel ale R și C, formează rețeaua de reacție și este trimisă înapoi la terminalul de intrare neinversor (feedback pozitiv sau regenerativ) prin intermediul rețelei RC Punte Wien și este această combinație de feedback pozitiv care dă naștere la oscilație.

Rețeaua RC este conectată în calea feedback-ului pozitiv al amplificatorului și are o defazare zero a fazei cu o singură frecvență. Atunci, la frecvența de rezonanță selectată (ƒr), tensiunile aplicate la intrările inversoare și neinversoare vor fi egale și "în fază", astfel încât feedback-ul pozitiv va anula semnalul de feedback negativ determinând oscilarea circuitului.

Câștigul de tensiune al circuitului amplificatorului TREBUIE să fie egal sau mai mare decât trei "Gain = 3" pentru ca oscilațiile să pornească deoarece, așa cum am văzut mai sus, intrarea este 1/3 din ieșire. Această valoare (Av ≥ 3) este stabilită de rețeaua rezistoarelor de reacție, R1 și R2, iar pentru un amplificator neinversor, acesta este dat ca raportul 1+ (R1/R2).

De asemenea, datorită limitelor câștigului în buclă deschisă a A.O., frecvențele de peste 1 MHz sunt imposibil de realizat fără utilizarea unor A.O. speciale de înaltă frecvență.

Oscilator Punte Wien. Exemplu nr. 1

Determinați frecvența maximă și minimă a oscilațiilor unui circuit Oscilator Punte Wien având un rezistor de 10 kΩ și un condensator variabil de la 1 nF la 1000 nF.

Frecvența oscilațiilor pentru oscilatorul Punte Wien este dată de:

Cea mai mică frecvență a oscilatorului Punte Wien

Cea mai mare frecvență a oscilatorului Punte Wien

Oscillator Punte Wien. Exemplu nr. 2

Pentru a genera o formă de undă sinusoidală de 5.200 Hertz (5,2 kHz), este necesar un circuit Oscilator Punte Wien. Calculați valorile rezistoarelor determinante de frecvență R1 și R2 și cele două condensatoare C1 și C2 pentru a produce frecvența necesară.

De asemenea, dacă circuitul oscilatorului se bazează pe o configurație de A.O. neinversor, determinați valorile minime pentru rezistoarele de câștig pentru a produce oscilațiile necesare. În cele din urmă trasați circuitul oscilator rezultat.

Frecvența oscilațiilor pentru oscilatorul Punte Wien a fost dată ca 5200 Hertz. Dacă rezistoarele R1 = R2 și condensatoarele C1 = C2 și presupunem o valoare pentru condensatoarele de feedback de 3,0 nF, atunci valoarea corespunzătoare a rezistoarelor de reacție se calculează astfel:

Pentru a începe oscilațiile sinusoidale, câștigul de tensiune al circuitului Punte Wien trebuie să fie egal sau mai mare de 3, (Av ≥ 3). Pentru o configurație A.O. ne-inversoare, această valoare este stabilită de rețeaua de rezistoare de reacție R3 și R4 și este dată ca:

Dacă alegem o valoare pentru rezistorul R3, să spunem 100 kΩ, atunci valoarea rezistorului R4 se calculează după cum urmează:

În timp ce un câștig de 3 este valoarea minimă necesară pentru a asigura oscilațiile, în realitate o valoare puțin mai mare decât aceasta este, în general, necesară. Dacă presupunem o valoare a câștigului de 3,1, rezistorul R4 este recalculat pentru a da o valoare de 47 kΩ. Acest lucru dă circuitul final al oscilatorului Punte Wien ca:

Circuitul oscilatorului Punte Wien

Rezumat Oscilator Punte Wien

Pentru ca oscilațiile să apară într-un circuit oscilator Punte Wien, trebuie să se aplice următoarele condiții:

• Cu nici un semnal de intrare, un Oscilator Punte Wien produce oscilații de ieșire continue.

• Oscilatorul Punte Wien poate produce o gamă largă de frecvențe.

• Câștigul de tensiune al amplificatorului trebuie să fie mai mare de 3.

• Rețeaua RC poate fi utilizată cu un amplificator neinversor.

• Rezistența de intrare a amplificatorului trebuie să fie ridicată în comparație cu R, astfel încât rețeaua RC să nu fie supraîncărcată și să modifice condițiile necesare.

• Rezistența de ieșire a amplificatorului trebuie să fie redusă, astfel încât efectul sarcinii externe să fie redus la minimum.

• Trebuie prevăzută o metodă de stabilizare a amplitudinii oscilațiilor. Dacă câștigul de tensiune al amplificatorului este prea mic, oscilația dorită se va stinge și se va opri. Dacă este prea mare, ieșirea se va satura până la valoarea șinelor de alimentare și va distorsiona.

• Cu stabilizarea amplitudinii sub formă de diode de feedback, oscilațiile de la Oscilatorul Punte Wien pot continua pe o perioadă nedeterminată.

În ultimul nostru capitol despre Oscilatoare, vom examina Oscilatorul cu Cristal de cuarț care utilizează un cristal de cuarț drept circuitul său rezervor pentru a produce o formă de undă sinusoidală de înaltă frecvență și foarte stabilă.