- Oscilador de puente Wein:
- Ganancia de salida del oscilador de puente Wein y cambio de fase:
- Frecuencia de resonancia y salida de voltaje:
- Trabajo y construcción del oscilador de puente Wein:
- Ejemplo práctico de oscilador de puente Wein:
- Aplicaciones:
En este tutorial, aprenderemos sobre Wein Bridge Oscillator, que fue desarrollado por un físico alemán Max Wien. Se desarrolló originalmente para calcular la capacitancia donde se conocen la resistencia y la frecuencia. Antes de continuar con una discusión más profunda sobre qué es realmente el oscilador de puente Wein y cómo se usa, veamos qué es el oscilador y qué es el oscilador de puente Wein.
Oscilador de puente Wein:
Como en el tutorial anterior de RC Oscillator, se requiere una resistencia y un condensador para producir un cambio de fase, y si conectamos un amplificador en especificación inversora y conectamos el amplificador y las redes RC con una conexión de retroalimentación, la salida del amplificador comenzará a producir una forma de onda sinusoidal por oscilación.
En un oscilador de puente de Viena se utilizan dos redes RC a través de un amplificador y producen un circuito oscilador.
Pero, ¿por qué deberíamos elegir el oscilador de puente de Wien ?
Debido a los siguientes puntos, el oscilador de puente de Wien es una opción más inteligente para producir ondas sinusoidales.
- Es estable.
- La distorsión o THD (distorsión armónica total) está por debajo del límite controlable.
- Podemos cambiar la frecuencia de forma muy eficaz.
Como se dijo antes, el oscilador Wein Bridge tiene redes RC de dos etapas. Eso significa que consta de dos condensadores no polares y dos resistencias en una formación de filtro de paso alto y paso bajo. Un resistor y un condensador en serie, por otro lado, un condensador y un resistor en formación en paralelo. Si construimos el circuito, el esquema se verá así: -
Como se ve claramente, hay dos condensadores y se utilizan dos resistencias. Ambas etapas RC que actúan como filtro de paso alto y paso bajo conectadas entre sí, que es el producto de un filtro de paso de banda que acumula la dependencia de frecuencia de dos etapas de orden. La resistencia R1 y R2 son las mismas y también la capacitancia C1 y C2 es la misma.
Ganancia de salida del oscilador de puente Wein y cambio de fase:
Lo que sucede dentro del circuito de la red RC en la imagen de arriba es muy interesante.
Cuando se aplica baja frecuencia, la reactancia del primer capacitor (C1) es lo suficientemente alta y bloquea la señal de entrada y resiste el circuito para producir una salida 0, por otro lado, lo mismo sucede de manera diferente para el segundo capacitor (C2) que es conectado en paralelo. La reactancia C2 se vuelve demasiado baja y omite la señal y vuelve a producir 0 salidas.
Pero en el caso de una frecuencia media cuando la reactancia C1 no es alta y la reactancia C2 no es baja, dará salida a través del punto C2. Esta frecuencia se conoce como frecuencia resonante.
Si miramos en profundidad dentro del circuito veremos que la reactancia del circuito y la Resistencia del circuito es igual si se alcanza la frecuencia de resonancia.
Entonces, hay dos reglas que se aplican en tal caso cuando el circuito es proporcionado por la frecuencia de resonancia a través de la Entrada.
A. La diferencia de fase de entrada y salida es igual a 0 grados.
B. Como está en 0 grados, la salida será máxima. ¿Pero cuanto? Es muy de cerca o de precisión 1/3 rd de la magnitud de la señal de entrada.
Si vemos la salida de los circuitos, entenderemos esos puntos.
La salida es exactamente la misma curva que muestra la imagen. A baja frecuencia desde 1Hz, la salida es menor o casi 0 y aumenta con la frecuencia en la entrada hasta la frecuencia resonante, y cuando se alcanza la frecuencia resonante, la salida está en su punto pico máximo y disminuyendo continuamente con el aumento de la frecuencia y nuevamente. produce una salida 0 a alta frecuencia. Así que claramente está pasando un cierto rango de frecuencia y produciendo la salida. Es por eso que anteriormente se describió como filtro de paso de banda variable (banda de frecuencia) confiable en frecuencia. Si observamos de cerca el cambio de fase de la salida, veremos claramente el margen de fase de 0 grados en la salida a la frecuencia de resonancia adecuada.
En esta curva de salida de fase, la fase es exactamente 0 grados en la frecuencia de resonancia y se inicia desde 90 grados hasta disminuir a 0 grados cuando la frecuencia de entrada aumenta hasta que se alcanza la frecuencia de resonancia y luego la fase continúa disminuyendo en el punto final de - 90 grados. Hay dos términos que se utilizan en ambos casos, si la fase es positiva se llama Phase Advance y en caso de negativo se llama Phase Delay.
Veremos la salida de la etapa de filtrado en este video de simulación:
En este video, 4.7k usado como R tanto en R1 R2 como en el capacitor de 10nF se usa para C1 y C2. Aplicamos ondas sinusoidales a través de las etapas y en el osciloscopio, el canal amarillo muestra la entrada de los circuitos y la línea azul muestra la salida de los circuitos. Si miramos de cerca, la amplitud de salida es 1/3 de la señal de entrada y la fase de salida es casi idéntica al cambio de fase de 0 grados en la frecuencia resonante como se discutió anteriormente.
Frecuencia de resonancia y salida de voltaje:
Si consideramos que R1 = R2 = R o se usa la misma resistencia, y para la selección del capacitor C1 = C2 = C se usa el mismo valor de capacitancia entonces la frecuencia de resonancia será
Fhz = 1 / 2πRC
La R significa resistencia y la C significa condensador o capacitancia, y Fhz si es frecuencia de resonancia.
Si queremos calcular el Vout de la red RC deberíamos ver el circuito de otra forma.
Este trabajo red RC con el AC Señales de entrada. Calcular la resistencia de los circuitos en el caso de CA en lugar de calcular la resistencia de los circuitos en el caso de CC es un poco complicado.
La red RC crea impedancia que actúa como resistencia en una señal de CA aplicada. Un divisor de voltaje tiene dos resistencias, en estas etapas RC las dos resistencias son la impedancia del primer filtro (C1 R1) y la impedancia del segundo filtro (R2 C2).
Como hay un condensador conectado en serie o en paralelo, la fórmula de impedancia será:
Z es el símbolo de impedancia, R es la resistencia y Xc representa la reactancia capacitiva del capacitor.
Usando la misma fórmula, podemos calcular la impedancia de la primera etapa.
En el caso de la segunda etapa, la fórmula es la misma que para calcular la resistencia equivalente en paralelo,
Z es la impedancia, R es la Resistencia, X es el condensador
La impedancia final de los circuitos se puede calcular usando esta fórmula: -
Podemos calcular un ejemplo práctico y ver el resultado en tal caso.
Si calculamos el valor y vemos el resultado veremos que la tensión de salida será 1/3 de la tensión de entrada.
Si conectamos la salida del filtro RC de dos etapas a un pin de entrada de amplificador no inversor o pin + Vin, y ajustamos la ganancia para recuperar la pérdida, la salida producirá una onda sinusoidal. Esa es la oscilación del puente de Wien y el circuito es el circuito del oscilador del puente de Wein.
Trabajo y construcción del oscilador de puente Wein:
En la imagen de arriba, el filtro RC está conectado a través de un amplificador operacional que está en una configuración no inversora. R1 y R2 es una resistencia de valor fijo, mientras que C1 y C2 es un condensador de ajuste variable. Al variar el valor de esos dos condensadores al mismo tiempo, podríamos obtener una oscilación adecuada desde un rango inferior al rango superior. Es muy útil si queremos usar el oscilador de puente de Wein para producir una onda sinusoidal a una frecuencia diferente de un rango inferior al superior. Y el R3 y R4 se utilizan para la ganancia de retroalimentación del amplificador operacional. La ganancia de salida o la amplificación dependen en gran medida de esas dos combinaciones de valores. Como las dos etapas RC reducen el voltaje de salida a 1/3, es esencial recuperarlo. También es una opción más inteligente obtener al menos 3x o más de 3x (se prefiere 4x) de ganancia.
Podemos calcular la ganancia usando la relación 1+ (R4 / R3).
Si volvemos a ver la imagen, podemos ver que la ruta de retroalimentación del amplificador operacional desde la salida está directamente conectada a la etapa de entrada del filtro RC. Como el filtro RC de dos etapas tiene una propiedad de cambio de fase de 0 grados en la región de frecuencia de resonancia, y está directamente conectado a la retroalimentación positiva del amplificador operacional, supongamos que es xV + y en la retroalimentación negativa se aplica el mismo voltaje que es xV- con la misma fase de 0 grados, el amplificador operacional diferencia las dos entradas y descarta la señal de retroalimentación negativa y, debido a eso, continúa mientras la salida está conectada a través de las etapas RC, el amplificador operacional comienza a oscilar.
Si usamos una velocidad de respuesta más alta, un amplificador operacional de frecuencia más alta, la frecuencia de salida se puede maximizar en una gran cantidad.
Hay pocos amplificadores operacionales de alta frecuencia en este segmento.También
debemos recordar que en el tutorial anterior del oscilador RC que discutimos sobre el efecto de carga, debemos elegir el amplificador operacional con alta impedancia de entrada más que el filtro RC para reducir el efecto de carga y asegurar oscilación estable adecuada.
- LM318A
- LT1192
- MAX477
- LT1226
- OPA838
- THS3491 que es un amplificador operacional de alta semilla de 900 mHz.
- LTC6409 que es un amplificador operacional diferencial de 10 Ghz GBW. Sin mencionar que esto requiere circuitos adicionales especiales y tácticas de diseño de RF excepcionalmente buenas para lograr esta salida de alta frecuencia también.
- LTC160
- OPA365
- Amplificador operacional de grado industrial TSH22.
Ejemplo práctico de oscilador de puente Wein:
Calculemos un valor de ejemplo práctico eligiendo el valor de la resistencia y el condensador.
En esta imagen, para el oscilador RC se usa una resistencia de 4.7k tanto para R1 como para R2. Y un condensador recortador utilizado que tiene dos polos contiene 1-100nF para la capacidad de recorte C1 y C2. Calculemos la frecuencia de oscilación para 1nF, 50nF y 100nF. También calcularemos la ganancia del amplificador operacional como R3 seleccionado como 100k y R4 seleccionado como 300k.
Como calcular la frecuencia es fácil mediante la fórmula de
Fhz = 1 / 2πRC
Para el valor de C es 1nF y para la resistencia es 4.7k, la frecuencia será
Fhz = 33,849 Hz o 33,85 KHz
Para el valor de C es 50nF y para la resistencia es 4.7k, la frecuencia será
Fhz = 677 Hz
Para el valor de C es 100nF y para la resistencia es 4.7k, la frecuencia será
Fhz = 339 Hz
Entonces, la frecuencia más alta que podemos lograr usando 1nF que es 33.85 Khz y la frecuencia más baja que podemos lograr usando 100nF es 339Hz.
La ganancia del amplificador operacional es 1+ (R4 / R3)
R4 = 300k
R3 = 100k
Entonces la ganancia = 1+ (300k + 100k) = 4x
El amplificador operacional producirá una ganancia 4x de la entrada a través del pin "positivo" no invertido.
Entonces, al usar esta forma, podemos producir un oscilador de puente Wein de ancho de banda de frecuencia variable.
Aplicaciones:
El oscilador de puente Wein se utiliza en un amplio nivel de aplicaciones en el campo de la electrónica, desde encontrar el valor exacto del condensador, para generar circuitos relacionados con el oscilador estable de fase de 0 grados, debido al bajo nivel de ruido, también es una opción más sabia para varios niveles de grado de audio aplicaciones donde se requiere oscilación continua.