Oscillatorcircuits produceren periodieke signalen aan de uitgang. Ze kunnen elk DC-signaal omzetten in AC-signaal met verschillende frequenties, afhankelijk van de samenstelling. We zullen de Wien-brugoscillator, het werkingsprincipe ervan, samen met aangepaste versies en voorbeelden in dit artikel bespreken.
De Wien-brugoscillator
De Wein-brugoscillator is de frequentiegeoriënteerde vorm van de Wheatstone-brug. In de brugformatie bevatten twee armen alleen weerstanden, terwijl de andere twee combinaties van weerstand en condensator bevatten. Een van de armen van de brugoscillator bestaat uit een serie-RC-circuit met een ander parallel RC-circuit, zoals hieronder weergegeven:
De condensator-weerstandcombinaties van twee armen zien eruit als hoogdoorlaat- en laagdoorlaatfilters, zoals aangegeven in onderstaande afbeelding:
Werkend principe
Wanneer lagere frequenties worden toegepast, bieden de seriecondensatoren een zeer hoge reactantie, aangezien de reactantie van een condensator omgekeerd evenredig is met de frequentie, zoals gegeven door:
Vanwege de zeer hoge reactantie gedraagt de condensator zich als een open circuit en blijft de output daarom nul.
Wanneer hogere frequenties worden toegepast, bieden beide condensatoren C1 en C2 een lage reactantie en werken ze als kortsluiting. In deze situatie volgt het ingangssignaal het kortgesloten pad van C1 en C2 om terug te keren naar de voeding. Ook hier blijft de uitgangsspanning nul.
We kunnen echter een middenfrequentiebereik selecteren tussen zeer hoge frequentie en zeer lage frequentie, zodat zowel open circuit- als kortsluitingsomstandigheden kunnen worden vermeden. De middenfrequentie waarbij de uitgangsspanning maximaal lijkt, staat bekend als de resonantiefrequentie.
Grafische weergave
Bij de resonantiefrequentie is de uitgangsgrootte gelijk aan bijna een derde van de ingangsspanning. De grafiek, weergegeven tussen uitgangsversterking en faseverschuiving, geeft een illustratie van fasevooruitgang, fasevertraging en resonantiepunt, zoals hieronder weergegeven:
Bij lage frequenties toont de fasehoek +90 graden, wat wijst op fasevoortgang tussen ingangs- en uitgangssignalen, terwijl bij hoge frequenties de fasehoek -90 graden wordt, wat aangeeft dat er een fasevertraging zal zijn tussen ingangs- en uitgangssignalen. Het middenfrequentiepunt fr geeft resonantiefrequenties aan waarbij twee signalen met elkaar in fase zijn.
Bij lage frequenties toont de fasehoek +90 graden, wat wijst op fasevoortgang tussen ingangs- en uitgangssignalen, terwijl bij hoge frequenties de fasehoek -90 graden wordt, wat aangeeft dat er een fasevertraging zal zijn tussen ingangs- en uitgangssignalen. Het middenfrequentiepunt fr geeft resonantiefrequenties aan waarbij twee signalen met elkaar in fase zijn.
Oscillatorfrequentie-expressie
De resonantiefrequentie wordt hieronder berekend:
Voor resonantiefrequentie; R1=R2=R & C1=C2=C:
Wein Brugoscillator met Op-Amp
Wein-brugoscillatoren kunnen ook op-amps in hun circuit integreren. De op-amps-terminals zijn verbonden met de twee punten van de Wein-brugoscillator, zoals hieronder weergegeven:
De enige beperking van deze configuratie is de beperking van hogere frequenties. De op-amps gebaseerde Wein-brugoscillatoren moeten onder 1 MHz worden gebruikt. Dit komt door het feit dat Wein-bruggen laagfrequente oscillatoren zijn tussen 20 Hz en 20 kHz.
Voorbeeld
Beschouw een weerstand van 20 kΩ en een variabele condensator van 10 nf tot 2000 nf in het Wein-brugoscillatorcircuit. Evalueer de maximale en minimale waarden van oscillatiefrequenties.
De frequentie van oscillaties wordt gegeven door:
Voor de laagste frequentie fmin;
Voor de hoogste frequentie, fmax:
Conclusie
De Wein-brugoscillator is een combinatie van hoogdoorlaat- en laagdoorlaatfilternetwerken. Het werkt op de resonantiefrequentie waarbij de uitgangsspanning maximaal lijkt. Boven en onder deze frequentie wordt een nuluitgang gehandhaafd.