Osilator pergeseran fasa Rc

Apa itu Osilator?

Osilator adalah konstruksi mekanis atau elektronik yang menghasilkan osilasi bergantung pada beberapa variabel. Kita semua memiliki perangkat yang membutuhkan osilator, jam tradisional yang kita miliki di rumah seperti jam dinding atau jam tangan, berbagai jenis detektor logam, komputer yang melibatkan mikrokontroler dan mikroprosesor, semuanya menggunakan osilator, terutama osilator elektronik yang menghasilkan sinyal periodik.

RC Osilator dan Fase:

Saat kita membahas tentang osilator RC, dan karena itu juga disebut sebagai osilator pergeseran fasa, kita memerlukan pemahaman yang adil tentang apa itu fase. Lihat gambar ini: -

Jika kita melihat gelombang sinusoidal di atas seperti ini, kita akan melihat dengan jelas bahwa titik awal sinyal adalah 0 derajat dalam fase, dan setelah itu setiap titik puncak sinyal dari positif ke 0 kemudian lagi titik negatif kemudian lagi 0 masing-masing menunjukkan 90 derajat, 180 derajat, 270 derajat dan 360 derajat dalam posisi fase.

Fase adalah periode siklus penuh dari gelombang sinusoidal dengan referensi 360 derajat.

Sekarang tanpa penundaan lebih lanjut mari kita lihat apa itu pergeseran fasa?

Jika kita menggeser titik awal gelombang sinusoidal selain derajat 0 maka fase akan bergeser. Kami akan memahami pergeseran fasa pada gambar berikutnya.

Pada gambar ini, ada dua gelombang sinyal sinusoidal AC yang disajikan, gelombang Sinusoidal Hijau pertama adalah 360 derajat dalam fase tetapi yang merah yang merupakan replika dari sinyal baca pertama 90 derajat keluar dari fase sinyal hijau.

Dengan menggunakan osilator RC kita dapat menggeser fase sinyal Sinusoidal.

Phase Shift menggunakan RC Oscillator Circuit:

RC adalah singkatan dari Resistor and Capacitor. Kita secara sederhana dapat membentuk sebuah jaringan resistor-kapasitor pergeseran fasa hanya dengan menggunakan satu resistor dan satu formasi kapasitor.

Seperti yang terlihat di tutorial High pass filter, sirkuit yang sama berlaku di sini. Sebuah RC pergeseran fasa osilator khas dapat dihasilkan oleh kapasitor secara seri bersama dengan resistor secara paralel.

Ini adalah jaringan pergeseran fasa kutub tunggal; rangkaiannya sama dengan Passive High Pass Filter. Secara teoritis jika kita menerapkan sinyal fase di seluruh jaringan RC ini, fase keluaran akan bergeser tepat 90 derajat. Tetapi jika kita mencobanya dalam kenyataan dan memeriksa pergeseran fasa, maka kita mencapai pergeseran fasa 60 derajat hingga kurang dari 90 derajat. Itu tergantung pada frekuensi, dan toleransi komponen yang membuat efek buruk dalam kenyataan. Seperti yang kita semua tahu tidak ada yang sempurna, harus ada beberapa perbedaan dari nilai aktual yang disebut atau diharapkan daripada kenyataan. Suhu dan ketergantungan luar lainnya menciptakan kesulitan untuk mencapai pergeseran fasa 90 derajat yang tepat, 45 derajat secara umum, 60 derajat adalah umum tergantung pada frekuensi dan mencapai 90 derajat adalah pekerjaan yang sangat sulit dalam banyak kasus.

Seperti yang dibahas dalam tutorial high pass kita akan membangun sirkuit yang sama dan akan menyelidiki tentang pergeseran fasa dari rangkaian yang sama.

Rangkaian filter High Pass tersebut beserta nilai komponennya ada pada gambar di bawah ini: -

Ini adalah contoh yang kami gunakan di tutorial filter akses tinggi pasif sebelumnya. Ini akan menghasilkan 4,9 KHz Bandwidth. Jika kita memeriksa frekuensi sudut, kita akan mengidentifikasi sudut fasa pada output Osilator.

Sekarang kita bisa melihat pergeseran fasa dimulai dari 90 derajat yang merupakan pergeseran fasa maksimum oleh jaringan osilator RC tetapi pada frekuensi titik sudut pergeseran fasa adalah 45 derajat.

Sekarang dengan mempertimbangkan fakta bahwa pergeseran fasa adalah 90 derajat atau jika kita memilih konstruksi rangkaian osilator seperti cara khusus yang akan menghasilkan pergeseran fasa 90 derajat maka rangkaian akan kehilangan kekebalannya dalam rentang batas karena faktor stabilisasi frekuensi yang buruk. Seperti yang bisa kita bayangkan pada titik 90 derajat di mana kurva baru saja dimulai seperti dari 10Hz atau Lebih rendah ke 100Hz hampir datar. Itu berarti jika frekuensi osilator berubah sedikit karena toleransi komponen, Suhu, keadaan lain yang tidak dapat dihindari, pergeseran fasa tidak akan berubah. Itu bukan pilihan yang bagus. Jadi kami menganggap 60 derajat atau 45 derajat adalah pergeseran fasa yang dapat diterima untuk osilator jaringan RC tiang tunggal. Stabilitas frekuensi akan meningkat.

Bertingkat Beberapa Filter RC:

Bertingkat Tiga Filter RC:

Dengan mempertimbangkan fakta ini bahwa kita tidak dapat mencapai hanya mencapai pergeseran fasa 60 Derajat alih-alih 90 derajat, kita dapat mengalirkan tiga filter RC (Jika pergeseran fasa 60 derajat oleh osilator RC) atau dengan mengalirkan empat filter secara seri (Jika pergeseran fasa adalah 45 derajat oleh setiap osilator RC) dan dapatkan 180 derajat.

Pada gambar ini tiga osilator RC mengalir dan setiap kali pergeseran fasa 60 derajat ditambahkan dan akhirnya setelah tahap ketiga kita akan mendapatkan pergeseran fasa 180 derajat.

Kami akan membangun sirkuit ini dalam perangkat lunak simulasi dan melihat bentuk gelombang input dan output dari sirkuit.

Sebelum masuk ke video mari kita lihat gambar sirkuit dan akan melihat koneksi osiloskop juga.

Pada gambar atas kami menggunakan kapasitor 100pF dan resistor 330k. Osiloskop terhubung di VSIN Input (A / Kuning saluran), di output pertama pole (B / Biru saluran), 2 ^nd tiang keluaran

(channel C / Red) dan hasil akhir di tiang ketiga (D / Hijau channel).

Kita akan melihat simulasi di Video dan akan melihat perubahan fase dalam 60 derajat di kutub pertama, 120 derajat di kutub kedua dan 180 derajat di kutub ketiga. Juga amplitudo sinyal akan meminimalkan langkah demi langkah.

1 ^st tiang amplitudo> 2 tiang amplitudo> 3 tiang amplitudo. Semakin kita menuju kutub terakhir penurunan amplitudo sinyal berkurang.

Sekarang kita akan melihat video simulasi: -

Terlihat jelas bahwa setiap kutub secara aktif mengubah pergeseran fasa dan pada keluaran akhir bergeser ke 180 derajat.

Bertingkat Empat RC Filter:

Pada gambar berikut digunakan empat buah osilator pergeseran fasa RC dengan masing-masing pergeseran fasa 45 derajat, yang menghasilkan pergeseran fasa 180 derajat pada ujung jaringan RC.

RC Phase Shift Oscillator dengan Transistor:

Ini semua adalah elemen atau komponen pasif dalam osilator RC. Kami mendapatkan pergeseran fasa 180 derajat. Jika kita ingin melakukan pergeseran fasa 360 derajat maka diperlukan komponen aktif yang menghasilkan tambahan pergeseran fasa 180 derajat. Ini dilakukan oleh Transistor atau Amplifier dan membutuhkan tegangan suplai tambahan.

Pada gambar ini Transistor NPN digunakan untuk menghasilkan pergeseran fasa 180 derajat sedangkan C1R1 C2R2 C3R3 akan menghasilkan tunda fasa 60 derajat. Jadi mengumpulkan ketiga pergeseran fasa 60 + 60 + 60 = 180 derajat ini dilakukan di sisi lain menambahkan 180 derajat lagi dengan total transistor pergeseran fasa 360 derajat dibuat. Kami akan mendapatkan 360 derajat pergeseran fasa melintasi kapasitor elektrolitik C5. Jika kita ingin mengubah frekuensi, cara yang satu ini untuk mengubah nilai kapasitor atau menggunakan kapasitor preset variabel di ketiga kutub tersebut secara individual dengan menghilangkan kapasitor tetap individu.

Sambungan umpan balik dibuat untuk mengambil kembali energi ke penguat menggunakan jaringan RC tiga kutub. Ini diperlukan untuk osilasi positif yang stabil dan untuk menghasilkan tegangan sinusoidal. Karena

koneksi umpan balik atau konfigurasi, osilator RC adalah osilator jenis umpan balik.

Pada tahun 1921, fisikawan Jerman Heinrich Georg Barkhausen memperkenalkan "kriteria Barkhausen" untuk menentukan hubungan antara pergeseran fasa melintasi loop umpan balik. Sesuai kriteria, rangkaian hanya akan berosilasi jika pergeseran fasa di sekitar loop umpan balik sama atau kelipatan 360 derajat dan gain loop sama dengan satu. Jika pergeseran fasa akurat pada frekuensi yang diinginkan dan loop umpan balik menciptakan osilasi 360 derajat, maka keluarannya adalah gelombang sinus. Filter RC berfungsi untuk mencapai tujuan ini.

Frekuensi RC Oscillator:

Kita dapat dengan mudah menentukan frekuensi osilasi menggunakan persamaan ini: -

Dimana,

R = Tahanan (Ohm)

C = Kapasitansi

N = Jumlah jaringan RC yang akan / akan digunakan

Formula ini digunakan untuk desain terkait High pass filter, kita juga dapat menggunakan filter low pass dan pergeseran fasa akan negatif. Dalam kasus seperti itu rumus atas tidak akan berfungsi untuk menghitung frekuensi osilator, rumus yang berbeda akan berlaku.

Dimana,

R = Tahanan (Ohm)

C = Kapasitansi

N = Jumlah jaringan RC yang akan / akan digunakan

RC Phase Shift Oscillator dengan Op-amp:

Karena kita dapat membangun osilator pergeseran fasa RC menggunakan Transistor yaitu BJT, ada batasan lain dengan Transistor juga.

Stabil untuk frekuensi rendah.
Hanya dengan menggunakan satu BJT maka amplitudo gelombang Output tidak sempurna, diperlukan sirkuit tambahan untuk menstabilkan amplitudo gelombang tersebut.
Akurasi frekuensi tidak sempurna dan tidak kebal terhadap gangguan bising.
Efek Pemuatan yang Merugikan. Karena pembentukan kaskade, impedansi masukan kutub kedua mengubah sifat resistansi resistor dari filter kutub pertama. Semakin banyak filter yang mengalir semakin memperburuk situasi karena akan mempengaruhi akurasi frekuensi osilator pergeseran fasa yang dihitung.

Karena pelemahan di resistor dan kapasitor, hilangnya di setiap tahap meningkat dan total kerugian kira-kira total kerugian 1/29 ^th dari sinyal input.

Sebagai attenuates sirkuit di 1/29 ^th kita perlu untuk memulihkan kerugian.

Inilah saatnya mengganti BJT dengan Op-amp. Kita juga dapat memulihkan empat kelemahan tersebut dan mendapatkan lebih banyak ruang kepala dari kontrol jika kita menggunakan op-amp sebagai pengganti BJT. Karena impedansi masukan yang tinggi, efek pembebanan juga dikontrol secara efektif karena impedansi masukan op-amp meningkatkan efek pembebanan secara keseluruhan.

Sekarang tanpa modifikasi lebih lanjut mari kita ubah BJT dengan Op-Amp dan lihat seperti apa rangkaian atau skema osilator RC menggunakan Op-amp.

Seperti yang bisa kita lihat, Just BJT diganti dengan op-amp terbalik. Putaran umpan balik dihubungkan melintasi osilator RC kutub pertama dan diumpankan ke pin input terbalik op-amp. Karena koneksi umpan balik terbalik ini, op-amp akan menghasilkan pergeseran fasa 180 derajat. Pergeseran fasa 180 derajat tambahan akan disediakan oleh tiga tahapan RC. Kita akan mendapatkan keluaran yang diinginkan dari gelombang bergeser fase 360 derajat melintasi pin pertama op-amp yang dinamai OSC out. R4 digunakan untuk mendapatkan kompensasi op-amp. Kita dapat men-tweak rangkaian untuk mendapatkan output berosilasi frekuensi tinggi tetapi tergantung pada bandwidth rentang frekuensi op-amp.

Juga, untuk mendapatkan hasil yang diinginkan kita perlu menghitung keuntungan resistor R4 untuk mencapai 29 ^th amplitudo kali lebih besar di seluruh op-amp seperti yang kita perlu untuk mengkompensasi dengan hilangnya 1/29 ^th di tahap RC.

Mari kita lihat, kita akan membuat rangkaian dengan nilai komponen nyata dan melihat apa yang akan menjadi output simulasi osilator pergeseran fasa RC.

Kami akan menggunakan resistor 10k ohm dan kapasitor 500pF dan menentukan frekuensi osilasi. Kami juga akan menghitung nilai resistor gain.

N = 3, karena 3 tahap akan digunakan.

R = 10000, karena 10k ohm diubah menjadi ohm

C = 500 x ^10-12 karena nilai kapasitor adalah 500pF

Outputnya adalah 12995Hz atau nilai yang relatif dekat adalah 13 KHz.

Sebagai gain op-amp yang dibutuhkan 29 ^th kali nilai gain resistor dihitung dengan menggunakan rumus ini: -

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

Ini adalah bagaimana osilator pergeseran fasa dibangun menggunakan komponen RC dan Op-amp.

Aplikasi osilator pergeseran fasa RC termasuk amplifier di mana trafo audio digunakan dan sinyal audio diferensial diperlukan tetapi sinyal terbalik tidak tersedia, atau jika sumber sinyal AC diperlukan untuk aplikasi apa pun maka filter RC digunakan. Selain itu, generator sinyal atau generator fungsi menggunakan osilator pergeseran fasa RC.