Oscilador de mudança de fase Rc

O que é Oscillator?

Um oscilador é uma construção mecânica ou eletrônica que produz oscilação dependendo de algumas variáveis. Todos nós temos dispositivos que precisam de osciladores, relógio tradicional que todos temos em nossa casa como relógio de parede ou de pulso, vários tipos de detectores de metal, computadores onde microcontroladores e microprocessadores estão envolvidos, todos usam osciladores, principalmente osciladores eletrônicos que produzem sinais periódicos.

Oscilador RC e Fase:

Conforme discutimos sobre o oscilador RC, e como ele também é referido como oscilador de mudança de fase, precisamos de um entendimento justo sobre o que é fase. Veja esta imagem: -

Se virmos a onda senoidal acima como esta, veremos claramente que o ponto inicial do sinal é 0 grau de fase e, depois disso, cada ponto de pico do sinal de positivo a 0, novamente o ponto negativo e novamente 0 denota respectivamente 90 graus, 180 graus, 270 graus e 360 graus na posição de fase.

Fase é um período de ciclo completo de uma onda senoidal em uma referência de 360 graus.

Agora, sem mais demora, vamos ver o que é a mudança de fase?

Se mudarmos o ponto inicial da onda senoidal diferente do grau 0, a fase será alterada. Vamos entender a mudança de fase na próxima imagem.

Nesta imagem, há duas ondas de sinal sinusoidal AC apresentadas, a primeira onda sinusoidal verde está em fase de 360 graus, mas a onda vermelha que é a réplica da primeira, o sinal lido está 90 graus fora da fase do sinal verde.

Usando o oscilador RC, podemos mudar a fase de um sinal sinusoidal.

Mudança de fase usando o circuito oscilador RC:

RC significa Resistor e Capacitor. Podemos simplesmente formar uma rede Resistor-capacitor de mudança de fase usando apenas um resistor e uma formação de capacitor.

Como visto no tutorial do filtro passa-altas, o mesmo circuito se aplica aqui. Um oscilador de deslocamento de fase RC típico pode ser produzido por um capacitor em série junto com um resistor em paralelo.

Esta é uma rede de deslocamento de fase de um pólo; o circuito é igual ao Filtro Passivo Passivo. Teoricamente, se aplicarmos um sinal em fase através desta rede RC, a fase de saída será deslocada em exatamente 90 graus. Mas se tentarmos na realidade e verificarmos a mudança de fase, alcançamos uma mudança de fase de 60 graus a menos de 90 graus. Depende da frequência e das tolerâncias dos componentes que criam efeitos adversos na realidade. Como todos sabemos que nada é perfeito, deve haver alguma diferença entre os chamados valores reais ou esperados e a realidade. A temperatura e outras dependências externas criam dificuldades para atingir a mudança de fase exata de 90 graus, 45 graus é em geral, 60 graus é comum dependendo das frequências e atingir 90 graus é uma tarefa muito difícil em muitos casos.

Como discutido no tutorial de passa-altas, construiremos o mesmo circuito e investigaremos sobre a mudança de fase do mesmo circuito.

O circuito desse filtro passa-alto junto com os valores dos componentes está na imagem abaixo: -

Este é o exemplo que usamos em tutoriais anteriores de filtros passa-altas passivos. Ele produzirá 4,9 KHz de largura de banda. Se verificarmos a frequência de canto, identificaremos o ângulo de fase na saída do Oscillator.

Agora podemos ver que a mudança de fase é iniciada em 90 graus, que é a mudança de fase máxima pela rede do oscilador RC, mas no ponto de frequência de canto, a mudança de fase é de 45 graus.

Agora, considerando o fato de que a mudança de fase é de 90 graus ou se selecionarmos a construção do circuito do oscilador como uma forma especial que produzirá mudança de fase de 90 graus, o circuito perderá sua imunidade na faixa de fronteira devido ao fator de estabilização de frequência pobre. Como podemos imaginar no ponto de 90 graus, onde a curva apenas começou como de 10 Hz ou mais baixo para 100 Hz é quase plana. Isso significa que se a frequência do oscilador mudou ligeiramente devido à tolerância dos componentes, temperatura, outras circunstâncias inevitáveis, a mudança de fase não mudará. Essa não é uma boa escolha. Portanto, consideramos que 60 graus ou 45 graus é o deslocamento de fase aceitável para o oscilador de rede RC monopolar. A estabilidade da frequência melhorará.

Filtros RC múltiplos em cascata:

Filtros RC Cascade Três:

Ao considerar este fato de que não podemos atingir apenas o deslocamento de fase de 60 graus em vez de 90 graus, podemos colocar três filtros RC em cascata (se o deslocamento de fase for de 60 graus pelos osciladores RC) ou em cascata quatro filtros em série (se o deslocamento de fase for 45 graus por cada oscilador RC) e obtenha 180 graus.

Nesta imagem, três osciladores RC em cascata e cada vez que um deslocamento de fase de 60 graus é adicionado e, finalmente, após o terceiro estágio, obteremos um deslocamento de fase de 180 graus.

Vamos construir esse circuito em um software de simulação e ver a forma de onda de entrada e saída do circuito.

Antes de entrar no vídeo vamos ver a imagem do circuito e veremos a conexão do osciloscópio também.

Na imagem superior, usamos um capacitor de 100pF e um valor de resistor de 330k. O osciloscópio é conectado à entrada VSIN (canal A / Amarelo), saída do primeiro pólo (canal B / Azul), saída do ^2º pólo

(canal C / Vermelho) e saída final do terceiro pólo (canal D / Verde).

Veremos a simulação no vídeo e veremos a mudança de fase em 60 graus no primeiro pólo, 120 graus no segundo pólo e 180 graus no terceiro pólo. Além disso, a amplitude do sinal será minimizada passo a passo.

1 ^st pólo amplitude> 2ª amplitude pólo> 3ª amplitude pólo. Quanto mais vamos em direção ao último pólo, o decréscimo da amplitude do sinal diminui.

Agora veremos o vídeo de simulação: -

É claramente mostrado que cada pólo que muda ativamente as mudanças de fase e na saída final é deslocado para 180 graus.

Quatro Filtros RC em Cascata:

Na próxima imagem, quatro osciladores de deslocamento de fase RC usados com deslocamento de fase de 45 graus cada, que produzem deslocamento de fase de 180 graus no final da rede RC.

Oscilador de mudança de fase RC com transistor:

Todos são elementos ou componentes passivos do oscilador RC. Obtemos uma mudança de fase de 180 graus. Se quisermos fazer uma mudança de fase de 360 graus, é necessário um componente ativo que produz uma mudança de fase adicional de 180 graus. Isso é feito por um transistor ou amplificador e requer tensão de alimentação adicional.

Nesta imagem, um transistor NPN é usado para produzir deslocamento de fase de 180 graus, enquanto o C1R1 C2R2 C3R3 produzirá 60 graus de atraso de fase. Portanto, o acúmulo desses três 60 + 60 + 60 = deslocamento de fase de 180 graus é feito, por outro lado, a adição de outro 180 graus pelo transistor de mudança de fase total de 360 graus é criada. Obteremos 360 graus de mudança de fase no capacitor eletrolítico C5. Se quisermos alterar a frequência dessa forma, altere o valor dos capacitores ou use um capacitor predefinido variável entre esses três pólos individualmente, eliminando os capacitores fixos individuais.

Uma conexão de feedback é feita para recuperar as energias de volta para o amplificador usando essa rede RC de três pólos. É necessário para uma oscilação positiva estável e para produzir voltagem senoidal. Devido à

conexão de feedback ou à configuração, o oscilador RC é um oscilador do tipo feedback.

Em 1921, o físico alemão Heinrich Georg Barkhausen introduziu o “critério de Barkhausen” para determinar a relação entre as mudanças de fase no ciclo de feedback. De acordo com o critério, o circuito só oscilará se o deslocamento de fase em torno do loop de feedback for igual ou múltiplo de 360 graus e o ganho do loop for igual a um. Se a mudança de fase for precisa na frequência desejada e o loop de feedback criar uma oscilação de 360 graus, a saída será uma onda senoidal. O filtro RC serve para atingir esse objetivo.

Frequência do oscilador RC:

Podemos facilmente determinar a frequência da oscilação usando esta equação: -

Onde,

R = Resistência (Ohms)

C = Capacitância

N = Número da rede RC é / será usada

Esta fórmula é usada para design relacionado ao filtro passa-alta, também podemos usar o filtro passa-baixa e a mudança de fase será negativa. Nesse caso, a fórmula superior não funcionará para calcular a frequência do oscilador, uma fórmula diferente será aplicável.

Onde,

R = Resistência (Ohms)

C = Capacitância

N = Número da rede RC é / será usada

Oscilador de mudança de fase RC com amp-op:

Como podemos construir o oscilador de mudança de fase RC usando o transistor, isto é, BJT, também existem outras limitações com o transistor.

É estável para baixas frequências.
Usando apenas um BJT a amplitude da onda de Saída não é perfeita, é necessário um circuito adicional para estabilizar a amplitude da forma de onda.
A precisão da frequência não é perfeita e não é imune a interferências ruidosas.
Efeito adverso do carregamento. Devido à formação da cascata, a impedância de entrada do segundo pólo altera as propriedades de resistência dos resistores do filtro do primeiro pólo. Quanto mais os filtros estiverem em cascata, mais a situação se agravará, pois afetará a precisão da frequência calculada do oscilador de deslocamento de fase.

Devido à atenuação através da resistência e do condensador, a perda em cada fase é aumentada e a perda total é de aproximadamente perda total de 29/01 ^° do sinal de entrada.

À medida que as atenua circuito em 1/29 ^th que precisamos para recuperar a perda.

Esta é a hora de trocar o BJT por um Op-amp. Também podemos recuperar essas quatro desvantagens e obter mais espaço sobre o controle se usarmos o amplificador operacional em vez do BJT. Devido à alta impedância de entrada, o efeito de carregamento também é controlado com eficácia, pois a impedância de entrada do amp op promove o efeito de carregamento geral.

Agora, sem outras modificações, vamos trocar o BJT por um Op-Amp e ver qual será o circuito ou esquema do oscilador RC usando Op-amp.

Como podemos ver, Just BJT substituído por um amplificador operacional invertido. O loop de feedback é conectado ao oscilador RC de primeiro pólo e alimenta o pino de entrada invertido do amplificador operacional. Devido a esta conexão de feedback invertido, o op-amp produzirá uma mudança de fase de 180 graus. Mudança de fase adicional de 180 graus será fornecida pelos três estágios RC. Obteremos a saída desejada da onda de mudança de fase de 360 graus através do primeiro pino do amplificador operacional denominado como saída OSC. O R4 é usado para a compensação de ganho do op-amp. Podemos ajustar o circuito para obter saída oscilante de alta frequência, mas dependendo da largura de banda da faixa de frequência do amplificador operacional.

Além disso, para obter o resultado desejado é preciso calcular o ganho resistor R4 para alcançar 29 ^th vezes maior amplitude em todo op-amp como precisamos para compensar a perda de 1/29 ^th através de estágios RC.

Vamos ver, vamos fazer um circuito com valor de componentes reais e ver qual será a saída simulada do oscilador de deslocamento de fase RC.

Usaremos um resistor de 10k ohms e um capacitor de 500pF e determinaremos a frequência da oscilação. Também calcularemos o valor do resistor de ganho.

N = 3, pois serão usados 3 estágios.

R = 10000, como 10k ohms convertidos em ohms

C = 500 x 10 ^-12 já que o valor do capacitor é 500pF

A saída é 12995Hz ou o valor relativamente próximo é 13 KHz.

Como o ganho op-amp é necessário 29 ^th vezes o valor do resistor ganho é calculado usando esta fórmula: -

Ganho = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k

É assim que o oscilador de deslocamento de fase é construído usando componentes RC e amp-op.

As aplicações do oscilador de mudança de fase RC incluem amplificadores onde o transformador de áudio é usado e o sinal de áudio diferencial é necessário, mas o sinal invertido não está disponível, ou se a fonte do sinal AC for necessária para qualquer aplicação, então o filtro RC será usado. Além disso, o gerador de sinal ou gerador de função usa oscilador de deslocamento de fase RC.