Wien-hídos oszcillátor: áramkör és frekvencia kiszámítása

Mi a Wien-híd oszcillátor?

A Wien-híd oszcillátor egy fáziseltolásos oszcillátor, amely egy Wien-híd hálózaton alapul (1a ábra), amely négy ágról áll, melyek hídféle módon vannak összekötve. Itt két ág tiszta ellenállás, míg a másik két ág ellenállások és kondenzátorok kombinációja.

Különösen, az egyik ágon az ellenállás és a kondenzátor sorban van kapcsolva (R1 és C1), míg a másikban párhuzamosan (R2 és C2).

Ez azt jelenti, hogy ez a hálózat két ága azonos viselkedést mutat, mint egy magasátirányító szűrő vagy alacsonyátirányító szűrő, ami a 1b ábrán látható áramkör viselkedését emlékezteti.

Ebben az áramkörben, magas frekvencián a C1 és C2 kondenzátorok reaktanciája sokkal kevesebb lesz, ami miatt a V0 feszültség nulla lesz, mivel az R2 ellenállás rövidzárt lesz.

Ezután, alacsony frekvencián a C1 és C2 kondenzátorok reaktanciája nagyon magas lesz.

Azonban még ebben az esetben is, a kimeneti feszültség V0 nullán marad, mivel a C1 kondenzátor nyitott áramként viselkedik.

A Wien-híd hálózat által mutatott ilyen viselkedés teszi ezt a hálózatot vezető-késleltető áramként, magas és alacsony frekvenciák esetén.

A Wien-híd oszcillátor frekvenciaválaszának számítása

Ennek ellenére, ez a két magas és alacsony frekvencia között, létezik egy speciális frekvencia, amelynél az ellenállás és a kapacitív reaktancia értékei egyenlőek lesznek, ami a maximális kimeneti feszültséget eredményezi.

Ezt a frekvenciát rezonáns frekvenciának nevezik. A Wien-híd oszcillátor rezonáns frekvenciájának kiszámításához a következő képletet használjuk:

Továbbá, ezen a frekvencián a bemenet és a kimenet közötti fáziseltolás nulla lesz, és a kimeneti feszültség nagysága egyharmadra fogja csökkeneni a bemeneti értékhez képest. Ezen felül, a Wien-híd csak ezen speciális frekvencián lesz kiegyensúlyozott.

A Wien-híd oszcillátor esetében, a 1. ábra Wien-híd hálózata a visszacsatolási útvonalban lesz használva, ahogy a 2. ábra mutatja. A BJT (Bipoláris tranzisztor) használatával készült Wien-oszcillátor áramképe a következő:

Ezekben az oszcillátork-ban, a fokozó rész két szintű fokozó alkotja, amely Q1 és Q2 tranzisztorokkal, ahol a Q2 kimenete visszacsatlakozik a Q1 bemenetére a Wien-híd hálózaton keresztül (az ábrán a kék keretben látható).

Itt a körben lévő zaj változtatja meg a Q1 bázisáramát, ami 180° fáziseltolással jelenik meg a kollektor pontján.

Ez a C4 segítségével továbbítódik a Q2 bemenetére, ahol további fokozással és 180° fáziseltolással jelenik meg.

Ez a Wien-híd hálózathoz visszacsatolt jel teljes 360° fáziseltolást eredményez, amely kielégíti a fenntartott oszcillációkhoz szükséges fáziseltolási kritériumot.

Azonban ez a feltétel csak a rezonáns frekvencián teljesül, ezért a Wien-híd oszcillátorok nagyon selektívak a frekvenciában, ami stabilizált frekvencia tervezést eredményez.

A Wien-híd oszcillátorok akár Operációs erősítőkkel is készíthetők, mint a 3. ábra mutatja.

Ugyanakkor, itt az operációs erősítőnek inverz erősítőnek kellene működnie, mivel a Wien-híd hálózat nulla fáziseltolást ad.

Továbbá, az áramkörből látható, hogy a kimeneti feszültség mind a negatív, mind a pozitív beviteli terminálra visszacsatlakozik.

A rezonáns frekvencián, a negatív és pozitív beviteli terminálakra alkalmazott feszültségek egyenlőek és egymással fázison.

Azonban, még itt is, az erősítő erősítésének 3-nál nagyobbnak kell lennie, hogy elinduljanak az oszcillációk, és 3-nak, hogy fenntartsák őket. Általánosságban, ezek a operációs erősítő alapú Wien-híd oszcillátorok nem működhetnek 1 MHz felett, mert nyílt hurok erősítésük korlátozza őket.

A Wien-híd hálózatok alacsony frekvenciás oszcillátorok, amelyek 20 Hz és 20 KHz közötti hang- és alacsonyhangfrekvenciás jeleket generálnak.

Továbbá, ők stabil, alacsony torzítású szinuszos kimenetet biztosítanak egy széles frekvenciasávon, amelyet dekád ellenállásdobozokkal lehet kiválasztani.

Ezen kívül, ebben a típusú áramkörben a rezgéshőmérsékletet könnyen változtathatjuk, mert csak a C1 és C2 kondenzátorok változtatásával.