Obvody oscilátora vytvárajú na výstupe periodické signály. Môžu konvertovať akýkoľvek jednosmerný signál na striedavý signál s rôznymi frekvenciami v závislosti od jeho zloženia. V tomto článku budeme diskutovať o oscilátore Wien bridge, jeho princípe fungovania spolu s upravenými verziami a príkladmi.
Oscilátor Wien Bridge
Oscilátor Weinovho mostíka je frekvenčne orientovaná forma Wheatstonovho mostíka. Vo svojom mostíku obsahujú dve ramená iba odpory, zatiaľ čo ďalšie dve obsahujú kombinácie odporov a kondenzátorov. Jedno z ramien mostíkového oscilátora pozostáva zo sériového RC obvodu s ďalším paralelným RC obvodom, ako je znázornené nižšie:
Kombinácie kondenzátor-rezistor dvoch ramien vyzerajú ako hornopriepustné a dolnopriepustné filtre, ako je znázornené na obrázku nižšie:
Pracovný princíp
Keď sa použijú nižšie frekvencie, sériové kondenzátory ponúkajú veľmi vysokú reaktanciu, pretože reaktancia kondenzátora je nepriamo úmerná frekvencii, ako je dané:
Kvôli veľmi vysokej reaktancii sa kondenzátor správa ako otvorený obvod a preto výstup zostáva nulový.
Keď sa použijú vyššie frekvencie, oba kondenzátory C1 a C2 ponúkajú nízku reaktanciu a pôsobia ako skrat. V tejto situácii vstupný signál sleduje skratovanú cestu z C1 a C2, aby sa vrátil do napájania. Výstupné napätie zostáva aj v tomto prípade nulové.
Môžeme však zvoliť stredný frekvenčný rozsah medzi veľmi vysokou frekvenciou a veľmi nízkou frekvenciou, aby sa predišlo stavom otvoreného okruhu aj skratu. Stredná frekvencia, pri ktorej sa výstupné napätie javí ako maximálne, je známa ako rezonančná frekvencia.
Grafické znázornenie
Pri rezonančnej frekvencii sa veľkosť výstupu rovná takmer jednej tretine vstupného napätia. Graf, keď je vynesený medzi výstupným ziskom a fázovým posunom, poskytuje ilustráciu fázového predstihu, fázového oneskorenia a bodu rezonancie, ako je uvedené nižšie:
Pri nízkych frekvenciách ukazuje fázový uhol +90 stupňov, čo znamená fázový posun medzi vstupnými a výstupnými signálmi, zatiaľ čo pri vysokých frekvenciách sa fázový uhol zmení na -90 stupňov, čo znamená, že medzi vstupnými a výstupnými signálmi dôjde k fázovému oneskoreniu. Stredný frekvenčný bod fr označuje rezonančné frekvencie, kde sú dva signály navzájom vo fáze.
Pri nízkych frekvenciách ukazuje fázový uhol +90 stupňov, čo znamená fázový posun medzi vstupnými a výstupnými signálmi, zatiaľ čo pri vysokých frekvenciách sa fázový uhol zmení na -90 stupňov, čo znamená, že medzi vstupnými a výstupnými signálmi dôjde k fázovému oneskoreniu. Stredný frekvenčný bod fr označuje rezonančné frekvencie, kde sú dva signály navzájom vo fáze.
Vyjadrenie frekvencie oscilátora
Rezonančná frekvencia sa vypočíta nižšie:
Pre rezonančnú frekvenciu; R1=R2=R & C1=C2=C:
Oscilátor Weinovho mosta s operačným zosilňovačom
Oscilátory Weinovho mostíka môžu do svojho obvodu integrovať aj operačné zosilňovače. Terminály operačných zosilňovačov sú pripojené k dvom bodom oscilátora Weinovho mostíka, ako je znázornené nižšie:
Jediným obmedzením tejto konfigurácie je obmedzenie vyšších frekvencií. Oscilátory Weinovho mostíka založené na operačných zosilňovačoch by mali pracovať pod 1 MHz. Je to spôsobené tým, že Weinove mostíky sú nízkofrekvenčné oscilátory medzi 20 Hz až 20 kHz.
Príklad
Zvážte odpor 20 kΩ a premenlivý kondenzátor 10nf až 2000nf v obvode oscilátora Weinovho mostíka. Vyhodnoťte maximálne a minimálne hodnoty frekvencií kmitania.
Frekvencia kmitov je daná:
Pre najnižšiu frekvenciu fmin;
Pre najvyššiu frekvenciu, fmax:
Záver
Oscilátor Weinovho mostíka je kombináciou hornopriepustných a dolnopriepustných filtračných sietí. Pracuje na rezonančnej frekvencii, kde sa výstupné napätie javí ako maximálne. Nad a pod touto frekvenciou sa udržiava nulový výkon.