Pengayun jambatan Wein

Dalam tutorial ini, kita akan belajar mengenai Wein Bridge Oscillator yang dikembangkan oleh seorang ahli fizik Jerman Max Wien. Asalnya dikembangkan untuk mengira kapasitansi di mana rintangan dan frekuensi diketahui. Sebelum pergi ke perbincangan mendalam lebih lanjut mengenai apa sebenarnya Wein Bridge Oscillator dan bagaimana ia digunakan, mari kita lihat apa itu Oscillator dan apa itu Wein Bridge Oscillator.

Pengayun Jambatan Wein:

Seperti dalam tutorial sebelumnya Oscillator RC, resistor dan kapasitor diperlukan untuk menghasilkan pergeseran fasa, dan jika kita menghubungkan penguat dalam membalikkan spesifikasi dan menghubungkan penguat dan rangkaian RC dengan sambungan maklum balas, output penguat mula menghasilkan bentuk gelombang sinusoid dengan ayunan.

Dalam osilator jambatan Wien dua rangkaian RC digunakan melintasi penguat dan menghasilkan litar pengayun.

Tetapi mengapa kita mesti memilih pengayun jambatan Wien ?

Oleh kerana perkara berikut, pengayun jambatan Wien adalah pilihan yang lebih bijak untuk menghasilkan gelombang Sinusoidal.

Ia stabil.
Penyelewengan atau THD (Total Harmonic Distortion) berada di bawah had yang dapat dikawal.
Kita dapat mengubah frekuensi dengan sangat berkesan.

Seperti diberitahu sebelumnya bahawa pengayun Wein Bridge mempunyai rangkaian RC dua tahap. Yang cara ia terdiri dua kapasitor bukan kutub dan dua perintang dalam pas tinggi dan pembentukan penapis lulus rendah. Satu perintang dan satu kapasitor secara siri satu kapasitor dan satu perintang dalam pembentukan selari. Sekiranya kita membina litar, skema akan kelihatan seperti ini: -

Seperti yang dapat dilihat dengan jelas terdapat dua kapasitor dan dua perintang digunakan. Kedua-dua tahap RC yang berfungsi sebagai penapis Lulus Tinggi dan Lulus Rendah disambungkan bersama-sama yang merupakan produk penapis lulus Band yang mengumpulkan ketergantungan frekuensi dua peringkat pesanan. Rintangan R1 dan R2 adalah sama dan juga kapasitansi C1 dan C2 adalah sama.

Perolehan Output Jambatan Wein dan Pergeseran Fasa:

Apa yang berlaku di dalam rangkaian rangkaian RC pada gambar di atas sangat menarik.

Apabila frekuensi rendah digunakan, reaktansi kapasitor pertama (C1) cukup tinggi dan menyekat isyarat input dan menahan litar untuk menghasilkan 0 output, sebaliknya, perkara yang sama berlaku dengan cara yang berbeza untuk kapasitor kedua (C2) iaitu disambungkan dalam keadaan selari. Reaktansi C2 menjadi terlalu rendah dan memintas isyarat dan sekali lagi menghasilkan 0 output.

Tetapi sekiranya frekuensi sederhana ketika reaktansi C1 tidak tinggi dan reaktansi C2 tidak rendah maka akan memberikan output melintasi titik C2. Frekuensi ini disebut sebagai Frekuensi Resonan.

Sekiranya kita melihat secara mendalam di dalam litar, kita akan melihat bahawa reaktansi litar dan Rintangan litar sama jika frekuensi resonan dicapai.

Oleh itu, ada dua peraturan yang berlaku dalam keadaan tersebut apabila litar disediakan oleh frekuensi resonan di seluruh Input.

A. Perbezaan Fasa Input dan output sama dengan 0 darjah.

B. Seperti dalam 0 darjah output akan maksimum. Tetapi berapa banyak? Ia adalah rapat atau tepat 1/3 ^rd magnitud isyarat input ini.

Sekiranya kita melihat output litar kita akan memahami perkara-perkara tersebut.

Keluarannya sama seperti keluk yang sama seperti gambar yang ditunjukkan. Pada Frekuensi Rendah dari 1Hz outputnya kurang atau hampir 0 dan meningkat dengan frekuensi pada input hingga frekuensi resonan, dan ketika frekuensi resonan tercapai output berada pada titik puncak maksimumnya dan terus berkurang dengan peningkatan frekuensi dan lagi ia menghasilkan 0 output pada frekuensi tinggi. Jadi jelas melewati julat frekuensi tertentu dan menghasilkan output. Itulah sebabnya sebelum ini digambarkan sebagai penapis lulus Band (Frequency Band) pemboleh ubah yang boleh dipercayai. Sekiranya kita melihat pergeseran fasa output dengan teliti, kita akan melihat dengan jelas margin fasa 0 darjah melintasi output pada frekuensi resonan yang betul.

Dalam kurva keluaran Fasa ini fasa tepat 0 darjah pada frekuensi Resonans dan ia dimulakan dari 90 darjah hingga menurun pada 0 darjah apabila frekuensi input meningkat sehingga frekuensi resonans dicapai dan setelah itu fasa terus menurun pada titik akhir - 90 darjah. Terdapat dua istilah yang digunakan dalam kedua-dua kes, Jika fasa positif disebut sebagai Fasa Pendahuluan dan dalam keadaan negatif disebut sebagai Penundaan Fasa.

Kami akan melihat output tahap penapis dalam video simulasi ini:

Dalam video ini 4.7k digunakan sebagai R di kedua R1 R2 dan kapasitor 10nF digunakan untuk kedua-dua C1 dan C2. Kami menggunakan gelombang sinusoidal di semua peringkat dan di osiloskop Saluran Kuning menunjukkan input litar dan garis biru menunjukkan keluaran litar. Sekiranya kita melihat dengan teliti, amplitud output adalah 1/3 dari isyarat input dan fasa output hampir sama dengan peralihan fasa 0 darjah dalam frekuensi resonan seperti yang dibincangkan sebelumnya.

Keluaran Frekuensi dan Voltan Resonans:

Sekiranya kita menganggap bahawa R1 = R2 = R atau perintang yang sama digunakan, dan untuk pemilihan kapasitor C1 = C2 = C nilai kapasitansi yang sama digunakan maka frekuensi resonans akan

Fhz = 1 / 2πRC

R bermaksud Resistor dan C bermaksud kapasitor atau kapasitansi, dan Fhz jika frekuensi Resonans.

Sekiranya kita ingin mengira Vout dari rangkaian RC kita harus melihat litar dengan cara yang berbeza.

Rangkaian RC ini berfungsi dengan input AC. Mengira rintangan litar sekiranya berlaku AC dan bukannya mengira rintangan litar sekiranya DC agak rumit.

Rangkaian RC mewujudkan impedans yang bertindak sebagai rintangan pada isyarat AC yang digunakan Pembahagi voltan mempunyai dua rintangan, dalam tahap RC ini dua rintangan adalah impedans saringan Pertama (C1 R1) dan impedans penapis Kedua (R2 C2).

Oleh kerana terdapat kapasitor yang dihubungkan sama ada siri atau dalam konfigurasi selari maka formula Impedance akan menjadi: -

Z adalah simbol Impedansi, R adalah Rintangan dan Xc bermaksud kereaktifan kapasitor kapasitor.

Dengan menggunakan formula yang sama kita dapat mengira impedans tahap pertama.

Sekiranya tahap kedua, formula sama dengan mengira perintang setara selari,

Z adalah impedans, R adalah Penentangan, X ialah Kapasitor

Impedansi Akhir litar dapat dihitung menggunakan formula ini: -

Kita boleh mengira Contoh Praktikal dan melihat Hasilnya sekiranya berlaku.

Sekiranya kita mengira nilai dan melihat hasilnya, kita akan melihat bahawa voltan output akan menjadi 1/3 dari voltan input.

Sekiranya kita menyambungkan output penapis RC dua peringkat ke dalam pin input penguat bukan pembalik atau pin + Vin, dan menyesuaikan keuntungan untuk memulihkan kerugian, output akan menghasilkan gelombang sinusoidal. Itulah osilasi jambatan Wien dan litarnya adalah litar Pengayun Jambatan Wein.

Kerja dan Pembinaan Osilator Jambatan Wein:

Pada gambar di atas, penapis RC disambungkan melintang op-amp yang dalam konfigurasi tidak terbalik. R1 dan R2 adalah Perintang nilai tetap sedangkan C1 dan C2 adalah kapasitor trim berubah. Dengan mengubah nilai dua kapasitor pada masa yang sama, kita dapat mendapatkan ayunan yang betul dari julat bawah ke julat atas. Ia sangat berguna jika kita mahu menggunakan pengayun jambatan Wein untuk menghasilkan gelombang sinusoidal pada frekuensi berbeza dari julat bawah ke atas. Dan R3 dan R4 digunakan untuk mendapatkan maklum balas op-amp. Keuntungan output atau penguatan sangat bergantung pada kedua kombinasi nilai tersebut. Oleh kerana kedua-dua tahap RC menurunkan voltan output pada 1/3, adalah mustahak untuk memulihkannya kembali. Ini juga merupakan pilihan yang lebih bijak untuk mendapatkan sekurang-kurangnya 3x atau lebih daripada 3x (4x pilihan) keuntungan.

Kita boleh mengira keuntungan menggunakan hubungan 1+ (R4 / R3).

Sekiranya kita melihat kembali gambar itu, kita dapat melihat bahawa jalan maklum balas penguat operasi dari output secara langsung dihubungkan ke tahap input penapis RC. Oleh kerana penapis RC dua peringkat mempunyai sifat peralihan fasa 0 darjah di rantau frekuensi resonans, dan dihubungkan secara langsung dengan maklum balas positif op-amp mari kita anggap ia adalah xV + dan dalam maklum balas negatif voltan yang sama digunakan iaitu xV- dengan Fasa 0 darjah yang sama, op-amp membezakan dua input dan mengesampingkan isyarat maklum balas negatif dan disebabkan itu berterusan apabila output yang disambungkan merentasi RC tahap op-amp mula berayun.

Sekiranya kita menggunakan kadar slew yang lebih tinggi, frekuensi op-amp yang lebih tinggi maka frekuensi output dapat dimaksimumkan dengan jumlah yang luas.

Beberapa op-amp frekuensi tinggi ada di segmen ini

Juga kita perlu ingat seperti dalam tutorial pengayun RC sebelumnya yang telah kita bincangkan mengenai kesan pemuatan, kita harus memilih op-amp dengan impedans input tinggi lebih daripada penapis RC untuk mengurangkan kesan pemuatan dan memastikan ayunan stabil yang betul.

LM318A
LT1192
MAX477
LT1226
OPA838
THS3491 yang berukuran 900 mHz Op-amp pilihan tinggi!
LTC6409 yang merupakan 10 Ghz GBW op-amp Pembezaan. Belum lagi ini memerlukan tambahan litar khas dan taktik reka bentuk RF yang sangat baik untuk mencapai output Frekuensi Tinggi ini juga.
LTC160
OPA365
TSH22 Op-amp gred perindustrian.

Contoh Praktikal Pengayun Jambatan Wein:

Mari hitung nilai contoh praktikal dengan memilih nilai Resistor dan kapasitor.

Dalam gambar ini, untuk pengayun RC perintang 4.7k digunakan untuk kedua-dua R1 dan R2. Kapasitor pemangkas yang digunakan yang mempunyai dua kutub mengandungi 1-100nF untuk kapasiti pemangkasan C1 dan C2. Mari kita mengira Kekerapan ayunan untuk 1nF, 50nF dan 100nF. Kami juga akan mengira keuntungan op-amp sebagai R3 dipilih sebagai 100k, dan R4 dipilih sebagai 300k.

Seperti mengira frekuensi mudah dengan formula

Fhz = 1 / 2πRC

Untuk nilai C ialah 1nF dan untuk perintang ialah 4.7k Kekerapan Akan

Fhz = 33,849 Hz atau 33,85 KHz

Untuk nilai C ialah 50nF dan untuk perintang ialah 4.7k Frekuensi Akan

Fhz = 677Hz

Untuk nilai C ialah 100nF dan untuk perintang ialah 4.7k Kekerapan Akan

Fhz = 339Hz

Jadi Frekuensi Tertinggi yang dapat kita capai dengan menggunakan 1nF iaitu 33.85 Khz dan frekuensi terendah yang dapat kita capai menggunakan 100nF adalah 339Hz.

The keuntungan daripada op-amp adalah 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Jadi Keuntungan = 1+ (300k + 100k) = 4x

Op-amp akan menghasilkan keuntungan 4x dari merentasi pin "positif" yang tidak terbalik.

Oleh itu dengan menggunakan cara ini kita dapat menghasilkan lebar jalur frekuensi berubah-ubah Wein Bridge Oscillator.

Permohonan:

Wein Bridge Oscillator digunakan dalam aplikasi tingkat luas dalam bidang elektronik, dari mencari nilai tepat kapasitor, Untuk menghasilkan litar berosilator stabil fasa 0 darjah, kerana tahap kebisingan yang rendah, ia juga merupakan pilihan yang lebih bijak untuk pelbagai tahap kelas Audio aplikasi di mana ayunan berterusan diperlukan.