Τα κυκλώματα ταλαντωτή παράγουν περιοδικά σήματα στην έξοδο. Μπορούν να μετατρέψουν οποιοδήποτε σήμα DC σε σήμα AC με διαφορετικές συχνότητες ανάλογα με τη σύνθεσή του. Θα συζητήσουμε τον ταλαντωτή γέφυρας Wien, την αρχή λειτουργίας του μαζί με τροποποιημένες εκδόσεις και παραδείγματα σε αυτό το άρθρο.
Ο Ταλαντωτής Γέφυρας της Βιέννης
Ο ταλαντωτής γέφυρας Wein είναι η προσανατολισμένη στη συχνότητα μορφή της γέφυρας Wheatstone. Στο σχηματισμό της γέφυρας, δύο βραχίονες περιέχουν μόνο αντιστάσεις, ενώ οι άλλοι δύο περιέχουν συνδυασμούς αντίστασης και πυκνωτών. Ένας από τους βραχίονες του ταλαντωτή γέφυρας αποτελείται από ένα κύκλωμα σειράς RC με ένα άλλο παράλληλο κύκλωμα RC όπως φαίνεται παρακάτω:
Οι συνδυασμοί πυκνωτή-αντίστασης δύο βραχιόνων μοιάζουν με φίλτρα υψηλής και χαμηλής διέλευσης, όπως προσδιορίζονται στο παρακάτω σχήμα:
Αρχή λειτουργίας
Όταν εφαρμόζονται χαμηλότερες συχνότητες, οι πυκνωτές σειράς προσφέρουν πολύ υψηλή αντίδραση καθώς η αντίδραση ενός πυκνωτή είναι αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας όπως δίνεται από:
Λόγω της πολύ υψηλής αντίδρασης, ο πυκνωτής συμπεριφέρεται ως ανοιχτό κύκλωμα και επομένως η έξοδος παραμένει μηδενική.
Όταν εφαρμόζονται υψηλότερες συχνότητες, και οι δύο πυκνωτές C1 και C2 προσφέρουν χαμηλή αντίδραση και λειτουργούν σαν βραχυκύκλωμα. Σε αυτήν την περίπτωση, το σήμα εισόδου ακολουθεί τη βραχυκυκλωμένη διαδρομή από το C1 & C2 για να επιστρέψει στην παροχή. Η τάση εξόδου παραμένει μηδενική και σε αυτή την περίπτωση.
Ωστόσο, μπορούμε να επιλέξουμε ένα εύρος μεσαίας συχνότητας μεταξύ πολύ υψηλής συχνότητας και πολύ χαμηλής συχνότητας, έτσι ώστε να αποφευχθούν οι συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος και βραχυκυκλώματος. Η συχνότητα μεσαίου επιπέδου στην οποία η τάση εξόδου φαίνεται να είναι μέγιστη είναι γνωστή ως συχνότητα συντονισμού.
ΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ
Στη συχνότητα συντονισμού, το μέγεθος της εξόδου ισούται σχεδόν με το ένα τρίτο της τάσης εισόδου. Το γράφημα, όταν σχεδιάζεται μεταξύ του κέρδους εξόδου και της μετατόπισης φάσης, παρέχει μια απεικόνιση της προώθησης φάσης, της καθυστέρησης φάσης και του σημείου συντονισμού όπως φαίνεται παρακάτω:
Σε χαμηλές συχνότητες, η γωνία φάσης δείχνει +90 μοίρες, υποδεικνύοντας πρόοδο φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου, ενώ στις υψηλές συχνότητες, η γωνία φάσης γίνεται -90 μοίρες, υποδεικνύοντας ότι θα υπάρξει καθυστέρηση φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου. Το σημείο μέσης συχνότητας, fr υποδεικνύει συχνότητες συντονισμού όπου δύο σήματα βρίσκονται σε φάση μεταξύ τους.
Σε χαμηλές συχνότητες, η γωνία φάσης δείχνει +90 μοίρες, υποδεικνύοντας πρόοδο φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου, ενώ στις υψηλές συχνότητες, η γωνία φάσης γίνεται -90 μοίρες, υποδεικνύοντας ότι θα υπάρξει καθυστέρηση φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου. Το σημείο μέσης συχνότητας, fr υποδεικνύει συχνότητες συντονισμού όπου δύο σήματα βρίσκονται σε φάση μεταξύ τους.
Έκφραση συχνότητας ταλαντωτή
Η συχνότητα συντονισμού υπολογίζεται παρακάτω:
Για συχνότητα συντονισμού? R1=R2=R & C1=C2=C:
Ταλαντωτής Γέφυρας Wein με Op-Amp
Οι ταλαντωτές γέφυρας Wein μπορούν επίσης να ενσωματώσουν op-amp στο κύκλωμά τους. Οι ακροδέκτες op-amp συνδέονται στα δύο σημεία του ταλαντωτή της γέφυρας Wein όπως φαίνεται παρακάτω:
Ο μόνος περιορισμός αυτής της διαμόρφωσης είναι ο περιορισμός των υψηλότερων συχνοτήτων. Οι ταλαντωτές γέφυρας Wein που βασίζονται σε ενισχυτές op-amps θα πρέπει να λειτουργούν κάτω από 1 MHz. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι γέφυρες Wein είναι ταλαντωτές χαμηλής συχνότητας μεταξύ 20Hz και 20kHz.
Παράδειγμα
Θεωρήστε μια αντίσταση 20kΩ και έναν μεταβλητό πυκνωτή από 10nf έως 2000nf στο κύκλωμα ταλαντωτή γέφυρας Wein. Εκτιμήστε μέγιστες και ελάχιστες τιμές συχνοτήτων ταλάντωσης.
Η συχνότητα των ταλαντώσεων δίνεται από:
Για τη χαμηλότερη συχνότητα, fmin;
Για την υψηλότερη συχνότητα, fmax:
συμπέρασμα
Ο ταλαντωτής γέφυρας Wein είναι ένας συνδυασμός δικτύων φίλτρων υψηλής και χαμηλής διέλευσης. Λειτουργεί στη συχνότητα συντονισμού όπου η τάση εξόδου φαίνεται να είναι μέγιστη. Πάνω και κάτω από αυτή τη συχνότητα, διατηρείται μηδενική έξοδος.