Oscilador ponte Wein

Neste tutorial, aprenderemos sobre o Wein Bridge Oscillator, desenvolvido pelo físico alemão Max Wien. Ele foi originalmente desenvolvido para calcular a capacitância onde a resistência e a frequência são conhecidas. Antes de prosseguir com uma discussão mais aprofundada sobre o que realmente é o oscilador de ponte Wein e como ele é usado, vamos ver o que é oscilador e o que é oscilador de ponte Wein.

Oscilador de ponte Wein:

Como no tutorial anterior do Oscilador RC, um resistor e um capacitor são necessários para produzir uma mudança de fase, e se conectarmos um amplificador na especificação de inversão e conectarmos o amplificador e as redes RC com uma conexão de feedback, a saída do amplificador começará a produzir um forma de onda sinusoidal por oscilação.

Em um oscilador de ponte Wien, duas redes RC são usadas em um amplificador e produzem um circuito oscilador.

Mas por que devemos escolher o oscilador de ponte de Wien ?

Por causa dos pontos a seguir, o oscilador ponte de Wien é uma escolha mais sábia para produzir onda senoidal.

1. É estável.
2. A distorção ou THD (Distorção Harmônica Total) está abaixo do limite controlável.
3. Podemos mudar a frequência de maneira muito eficaz.

Como dito antes, o oscilador Wein Bridge tem redes RC de dois estágios. Isso significa que ele consiste em dois capacitores não polares e dois resistores em uma formação de filtro passa-alta e passa-baixa. Um resistor e um capacitor em série, por outro lado, um capacitor e um resistor em formação paralela. Se construirmos o circuito, o esquema será apenas parecido com este: -

Como visto claramente, existem dois capacitores e dois resistores são usados. Ambos os estágios RC que atuam como filtro passa-alto e passa-baixo conectados juntos, que são o produto de um filtro passa-banda que acumula a dependência de frequência de dois estágios de ordem. A resistência R1 e R2 são iguais e também a capacitância C1 e C2 é a mesma.

Ganho de saída do oscilador da ponte Wein e mudança de fase:

O que acontece dentro do circuito da rede RC na imagem acima é muito interessante.

Quando a baixa frequência é aplicada, a reatância do primeiro capacitor (C1) é alta o suficiente e bloqueia o sinal de entrada e resiste ao circuito para produzir saída 0, por outro lado, a mesma coisa acontece de maneira diferente para o segundo capacitor (C2) que é conectado em condição paralela. A reatância C2 se tornou muito baixa e ignora o sinal e novamente produz 0 saídas.

Mas no caso de uma frequência média, quando a reatância C1 não é alta e a reatância C2 não é baixa, ela dará saída através do ponto C2. Esta frequência é conhecida como frequência ressonante.

Se observarmos em profundidade dentro do circuito, veremos que a reatância do circuito e a resistência do circuito são iguais se a frequência de ressonância for atingida.

Portanto, existem duas regras aplicadas em tal caso, quando o circuito é fornecido pela frequência ressonante na entrada.

A. A diferença de fase de entrada e saída é igual a 0 grau.

B. Como está em 0 grau, a saída será máxima. Mas quanto? É intimamente com precisão ou 1/3 ^rd de grandeza do sinal de entrada.

Se virmos a saída do circuito, entenderemos esses pontos.

A saída é exatamente a mesma curva da imagem exibida. Em baixa frequência de 1 Hz a saída é menor ou quase 0 e aumentando com a frequência na entrada até a frequência ressonante, e quando a frequência ressonante é alcançada, a saída está em seu ponto máximo de pico e diminuindo continuamente com o aumento da frequência e novamente é produzir 0 saída em alta frequência. Portanto, está claramente passando uma certa faixa de frequência e produzindo a saída. É por isso que anteriormente era descrito como filtro passa de faixa variável dependente da frequência (Faixa de frequência). Se observarmos de perto a mudança de fase da saída, veremos claramente a margem de fase de 0 grau na saída na frequência de ressonância adequada.

Nesta curva de saída de fase, a fase é exatamente 0 grau na frequência de ressonância e é iniciada de 90 graus para diminuir em 0 grau quando a frequência de entrada aumenta até que a frequência de ressonância seja alcançada e depois disso a fase continua a diminuir no ponto final de - 90 graus. Existem dois termos que são usados ​​em ambos os casos, se a fase for positiva é chamada de Phase Advance e em caso negativo é chamado de Phase Delay.

Veremos a saída do estágio de filtro neste vídeo de simulação:

Neste vídeo, 4,7k usado como R em R1 R2 e o capacitor 10nF é usado para C1 e C2. Aplicamos onda senoidal nos estágios e, no osciloscópio, o Canal Amarelo mostra a entrada do circuito e a linha azul mostra a saída do circuito. Se olharmos de perto, a amplitude de saída é 1/3 do sinal de entrada e a fase de saída é quase idêntica à mudança de fase de 0 grau na frequência de ressonância, conforme discutido antes.

Frequência de ressonância e saída de tensão:

Se considerarmos que R1 = R2 = R ou o mesmo resistor é usado, e para a seleção do capacitor C1 = C2 = C o mesmo valor de capacitância é usado, então a frequência de ressonância será

Fhz = 1 / 2πRC

O R representa o resistor e o C representa o capacitor ou capacitância, e o Fhz é a frequência de ressonância.

Se quisermos calcular o Vout da rede RC, devemos ver o circuito de uma maneira diferente.

Esta rede RC funciona com entrada de sinais AC. Calcular a resistência do circuito no caso de CA em vez de calcular a resistência do circuito no caso de CC é um pouco complicado.

A rede RC cria impedância que atua como resistência em um sinal CA aplicado. Um divisor de tensão tem duas resistências, nestes estágios RC as duas resistências são a impedância do primeiro filtro (C1 R1) e a impedância do segundo filtro (R2 C2).

Como há um capacitor conectado em série ou em configuração paralela, a fórmula de impedância será: -

Z é o símbolo da impedância, R é a resistência e Xc representa a reatância capacitiva do capacitor.

Usando a mesma fórmula, podemos calcular a impedância do primeiro estágio.

No caso do segundo estágio, a fórmula é a mesma que calcular o resistor equivalente paralelo,

Z é a impedância, R é a resistência, X é o capacitor

A impedância final do circuito pode ser calculada usando esta fórmula: -

Podemos calcular um exemplo prático e ver o resultado nesse caso.

Se calcularmos o valor e vermos o resultado, veremos que a tensão de saída será 1/3 da tensão de entrada.

Se conectarmos a saída do filtro RC de dois estágios em um pino de entrada do amplificador não inversor ou pino + Vin, e ajustar o ganho para recuperar a perda, a saída produzirá uma onda senoidal. Essa é a oscilação da ponte de Wien e o circuito é o circuito oscilador da ponte Wein.

Trabalho e construção do oscilador da ponte Wein:

Na imagem acima, o filtro RC está conectado a um amplificador operacional que está em uma configuração não inversora. R1 e R2 são resistores de valor fixo, enquanto C1 e C2 são capacitores de compensação variável. Variando o valor desses dois capacitores ao mesmo tempo, poderíamos obter a oscilação adequada de uma faixa inferior para uma faixa superior. É muito útil se quisermos usar o oscilador de ponte de Wein para produzir onda senoidal em diferentes frequências de uma faixa inferior para superior. E o R3 e o R4 são usados ​​para o ganho de feedback do amp op. O ganho de saída ou a amplificação são altamente confiáveis ​​nessas duas combinações de valores. Como os dois estágios RC diminuem a tensão de saída em 1/3, é essencial recuperá-la. Também é uma escolha mais sensata obter pelo menos 3x ou mais de 3x (4x preferencial) de ganho.

Podemos calcular o ganho usando a relação 1+ (R4 / R3).

Se virmos novamente a imagem, podemos ver que o caminho de feedback do amplificador operacional da saída está diretamente conectado ao estágio de entrada do filtro RC. Como o filtro RC de dois estágios tem uma propriedade de mudança de fase de 0 grau na região da frequência de ressonância e diretamente conectado ao feedback positivo do amp op, vamos assumir que é xV + e no feedback negativo a mesma tensão é aplicada, que é xV- com a mesma fase de 0 grau, o amplificador operacional diferencia as duas entradas e descarta o sinal de feedback negativo e, devido a isso, continua enquanto a saída conectada nos estágios RC o amplificador operacional começa a oscilar.

Se usarmos uma taxa de variação mais alta, amplificador operacional de frequência mais alta, a frequência de saída pode ser maximizada por uma grande quantidade.

Poucos amplificadores operacionais de alta frequência estão neste segmento.

Também precisamos lembrar que, como no tutorial anterior do oscilador RC, discutimos sobre o efeito de carregamento, devemos escolher o amplificador operacional com alta impedância de entrada mais do que o filtro RC para reduzir o efeito de carregamento e garantir oscilação estável adequada.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 que é um amplificador operacional de alta semente de 900 MHz!
• LTC6409, que é um amplificador operacional diferencial GBW de 10 Ghz. Sem mencionar que isso requer um circuito especial adicional e táticas de design de RF excepcionalmente boas para obter essa saída de alta frequência também.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Amplificador operacional de nível industrial.

Exemplo prático de oscilador de ponte Wein:

Vamos calcular um valor de exemplo prático escolhendo o valor do resistor e do capacitor.

Nesta imagem, para o oscilador RC, um resistor de 4,7k é usado para R1 e R2. E um capacitor aparador usado com dois pólos contém 1-100nF para capacidade de aparagem C1 e C2. Vamos calcular a frequência de oscilação para 1nF, 50nF e 100nF. Além disso, calcularemos o ganho do amplificador operacional como R3 selecionado como 100k e R4 selecionado como 300k.

Como calcular a frequência é fácil pela fórmula de

Fhz = 1 / 2πRC

Para o valor de C é 1nF e para o resistor é 4,7k, a frequência será

Fhz = 33.849 Hz ou 33,85 KHz

Para o valor de C é 50nF e para o resistor é 4,7k, a frequência será

Fhz = 677Hz

Para o valor de C é 100nF e para o resistor é 4,7k, a frequência será

Fhz = 339 Hz

Portanto, a frequência mais alta que podemos alcançar usando 1nF que é 33,85 Khz e a frequência mais baixa que podemos alcançar usando 100nF é 339 Hz.

O ganho do op-amp é 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Portanto, o ganho = 1+ (300k + 100k) = 4x

O op-amp produzirá um ganho de 4x da entrada no pino “positivo” não invertido.

Então, usando desta forma, podemos produzir o oscilador Wein Bridge de largura de banda de frequência variável.

Formulários:

Oscilador de ponte Wein usado em um amplo nível de aplicações no campo da eletrônica, desde encontrar o valor exato do capacitor, para gerar circuitos relacionados ao oscilador estável de fase de 0 grau, devido ao baixo nível de ruído, também é uma escolha mais sábia para vários níveis de qualidade de áudio aplicações onde a oscilação contínua é necessária.