Az oszcillátor áramkörök periodikus jeleket állítanak elő a kimeneten. Bármilyen egyenáramú jelet AC jellé alakíthatnak, különböző frekvenciájúak, összetételétől függően. Ebben a cikkben megvitatjuk a bécsi hídoszcillátort, működési elvét, valamint a módosított változatokat és példákat.
A Wien Bridge oszcillátor
A Wein-híd oszcillátor a Wheatstone-híd frekvencia-orientált formája. Hídképzésében két kar csak ellenállást, míg a másik kettő ellenállás és kondenzátor kombinációkat tartalmaz. A hídoszcillátor egyik karja egy soros RC áramkörből és egy másik párhuzamos RC áramkörből áll, az alábbiak szerint:
A két karból álló kondenzátor-ellenállás kombinációk felül- és aluláteresztő szűrőknek tűnnek, amint az alábbi ábrán látható:
Működési elv
Alacsonyabb frekvenciák alkalmazásakor a soros kondenzátorok nagyon nagy reaktanciát kínálnak, mivel a kondenzátor reaktanciája fordítottan arányos a frekvenciával, amint azt a következő képlet adja meg:
A nagyon nagy reaktancia miatt a kondenzátor szakadt áramkörként viselkedik, ezért a kimenet nulla marad.
Magasabb frekvenciák alkalmazásakor mindkét C1 és C2 kondenzátor alacsony reaktanciát kínál, és rövidzárként viselkedik. Ebben a helyzetben a bemeneti jel a rövidre zárt utat követi a C1 és C2 között, hogy visszatérjen a tápellátáshoz. A kimeneti feszültség ebben az esetben is nulla marad.
Azonban választhatunk egy közepes frekvenciatartományt a nagyon magas és a nagyon alacsony frekvencia között, így elkerülhető a szakadás és a rövidzárlat is. Azt a középfrekvenciát, amelynél a kimeneti feszültség maximálisnak tűnik, rezonanciafrekvenciának nevezzük.
Grafikus ábrázolás
A rezonancia frekvencián a kimenet nagysága a bemeneti feszültség közel egyharmada. A grafikon a kimeneti erősítés és a fáziseltolás között ábrázolva a fáziselőrelépést, a fáziskésleltetést és a rezonanciapontot szemlélteti az alábbiak szerint:
Alacsony frekvenciákon a fázisszög +90 fokot mutat, jelezve a fáziselőrelépést a bemeneti és a kimeneti jelek között, míg magas frekvenciákon a fázisszög -90 fokossá válik, jelezve, hogy fáziskésés lesz a bemeneti és kimeneti jelek között. A középfrekvencia pont, fr olyan rezonanciafrekvenciákat jelöl, ahol két jel fázisban van egymással.
Alacsony frekvenciákon a fázisszög +90 fokot mutat, jelezve a fáziselőrelépést a bemeneti és a kimeneti jelek között, míg magas frekvenciákon a fázisszög -90 fokossá válik, jelezve, hogy fáziskésés lesz a bemeneti és kimeneti jelek között. A középfrekvencia pont, fr olyan rezonanciafrekvenciákat jelöl, ahol két jel fázisban van egymással.
Oszcillátor frekvencia kifejezés
A rezonanciafrekvencia kiszámítása az alábbiak szerint történik:
Rezonanciafrekvenciához; R1=R2=R és C1=C2=C:
Wein híd oszcillátor op-Amp-vel
A Wein-híd oszcillátorok op-erősítőket is integrálhatnak az áramkörükbe. Az op-amp terminálok a Wein-híd oszcillátor két pontjához csatlakoznak az alábbiak szerint:
Ennek a konfigurációnak az egyetlen korlátja a magasabb frekvenciák korlátozása. Az op-amp alapú Wein hídoszcillátorokat 1 MHz alatt kell üzemeltetni. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a Wein hidak alacsony frekvenciájú oszcillátorok 20 Hz és 20 kHz között.
Példa
Vegyünk egy 20 kΩ-os ellenállást és egy 10 nf és 2000 nf közötti változó kondenzátort a Wein híd oszcillátor áramkörében. Értékelje a rezgési frekvenciák maximális és minimális értékét.
Az oszcilláció gyakoriságát a következő képlet adja meg:
A legalacsonyabb frekvencia esetén fmin;
A legmagasabb frekvenciához fmax:
Következtetés
A Wein hídoszcillátor felül- és aluláteresztő szűrőhálózatok kombinációja. Olyan rezonanciafrekvencián működik, ahol a kimeneti feszültség a legnagyobbnak tűnik. E frekvencia felett és alatt a kimenet nulla marad.