Obwody oscylatora wytwarzają na wyjściu okresowe sygnały. Mogą konwertować dowolny sygnał prądu stałego na sygnał prądu przemiennego o różnych częstotliwościach, w zależności od jego składu. W tym artykule omówimy oscylator mostkowy Wiena, jego zasadę działania wraz ze zmodyfikowanymi wersjami i przykładami.
Oscylator Mostu Wiedeńskiego
Oscylator mostkowy Weina jest zorientowaną częstotliwościowo formą mostka Wheatstone'a. W swojej konstrukcji mostkowej dwa ramiona zawierają tylko rezystancje, podczas gdy pozostałe dwa zawierają kombinacje rezystancji i kondensatorów. Jedno z ramion oscylatora mostkowego składa się z szeregowego obwodu RC z innym równoległym obwodem RC, jak pokazano poniżej:
Kombinacje kondensator-rezystor dwóch ramion wyglądają jak filtry górnoprzepustowe i dolnoprzepustowe, jak pokazano na poniższym rysunku:
Zasada działania
Gdy stosowane są niższe częstotliwości, kondensatory szeregowe oferują bardzo wysoką reaktancję, ponieważ reaktancja kondensatora jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości, jak podaje wzór:
Ze względu na bardzo wysoką reaktancję kondensator zachowuje się jak obwód otwarty i dlatego moc wyjściowa pozostaje zerowa.
Gdy stosowane są wyższe częstotliwości, oba kondensatory C1 i C2 zapewniają niską reaktancję i działają jak zwarcie. W tej sytuacji sygnał wejściowy podąża ścieżką zwartą od C1 i C2, aby powrócić do zasilania. Napięcie wyjściowe również w tym przypadku pozostaje zerowe.
Możemy jednak wybrać zakres średniej częstotliwości pomiędzy bardzo wysoką częstotliwością a bardzo niską częstotliwością, dzięki czemu można uniknąć zarówno warunków rozwarcia, jak i zwarcia. Częstotliwość średnia, przy której napięcie wyjściowe wydaje się być maksymalne, nazywana jest częstotliwością rezonansową.
Reprezentacja graficzna
Przy częstotliwości rezonansowej wielkość mocy wyjściowej wynosi prawie jedną trzecią napięcia wejściowego. Wykres przedstawiający wzmocnienie wyjściowe i przesunięcie fazowe przedstawia postęp fazy, opóźnienie fazy i punkt rezonansu, jak pokazano poniżej:
Przy niskich częstotliwościach kąt fazowy wynosi +90 stopni, wskazując postęp fazowy pomiędzy sygnałami wejściowymi i wyjściowymi, natomiast przy wysokich częstotliwościach kąt fazowy wynosi -90 stopni, co oznacza, że wystąpi opóźnienie fazowe pomiędzy sygnałami wejściowymi i wyjściowymi. Punkt średniej częstotliwości fr wskazuje częstotliwości rezonansowe, w których dwa sygnały są ze sobą w fazie.
Przy niskich częstotliwościach kąt fazowy wynosi +90 stopni, wskazując postęp fazowy pomiędzy sygnałami wejściowymi i wyjściowymi, natomiast przy wysokich częstotliwościach kąt fazowy wynosi -90 stopni, co oznacza, że wystąpi opóźnienie fazowe pomiędzy sygnałami wejściowymi i wyjściowymi. Punkt średniej częstotliwości fr wskazuje częstotliwości rezonansowe, w których dwa sygnały są ze sobą w fazie.
Wyrażenie częstotliwości oscylatora
Częstotliwość rezonansową oblicza się poniżej:
Dla częstotliwości rezonansowej; R1=R2=R i C1=C2=C:
Oscylator mostkowy Weina ze wzmacniaczem operacyjnym
Oscylatory mostkowe Weina mogą również integrować wzmacniacze operacyjne w swoim obwodzie. Zaciski wzmacniaczy operacyjnych są podłączone do dwóch punktów oscylatora mostka Weina, jak pokazano poniżej:
Jedynym ograniczeniem tej konfiguracji jest ograniczenie wyższych częstotliwości. Oscylatory mostkowe Weina oparte na wzmacniaczach operacyjnych powinny pracować poniżej 1 MHz. Wynika to z faktu, że mostki Weina są oscylatorami o niskiej częstotliwości w zakresie od 20 Hz do 20 kHz.
Przykład
Rozważ rezystor 20 kΩ i zmienny kondensator od 10 nf do 2000 nf w obwodzie oscylatora mostka Weina. Wyznaczyć maksymalne i minimalne wartości częstotliwości drgań.
Częstotliwość oscylacji jest określona wzorem:
Dla najniższej częstotliwości fmin;
Dla najwyższej częstotliwości fmax:
Wniosek
Oscylator mostkowy Weina jest kombinacją sieci filtrów górnoprzepustowych i dolnoprzepustowych. Działa przy częstotliwości rezonansowej, gdzie napięcie wyjściowe wydaje się być maksymalne. Powyżej i poniżej tej częstotliwości utrzymywane jest wyjście zerowe.