Osilator jembatan Wein

Dalam tutorial ini, kita akan belajar tentang Wein Bridge Oscillator yang dikembangkan oleh fisikawan Jerman Max Wien. Ini awalnya dikembangkan untuk menghitung kapasitansi di mana resistansi dan frekuensi diketahui. Sebelum melangkah lebih jauh ke pembahasan mendalam tentang apa sebenarnya Wein Bridge Oscillator dan bagaimana penggunaannya, mari kita lihat apa itu Oscillator dan apa itu Wein Bridge Oscillator.

Osilator Jembatan Wein:

Seperti dalam tutorial RC Oscillator sebelumnya, diperlukan resistor dan kapasitor untuk menghasilkan pergeseran fasa, dan Jika kita menghubungkan penguat dalam spesifikasi pembalik dan menghubungkan penguat dan jaringan RC dengan koneksi umpan balik, keluaran penguat mulai menghasilkan a bentuk gelombang sinusoidal dengan osilasi.

Dalam osilator jembatan Wien, dua jaringan RC digunakan melintasi penguat dan menghasilkan rangkaian osilator.

Tetapi mengapa kita harus memilih osilator jembatan Wien ?

Karena poin-poin berikut osilator jembatan Wien adalah pilihan bijak untuk menghasilkan gelombang Sinusoidal.

1. Itu stabil.
2. Distorsi atau THD (Total Harmonic Distortion) berada di bawah batas yang dapat dikontrol.
3. Kami dapat mengubah frekuensi dengan sangat efektif.

Seperti yang diceritakan sebelumnya bahwa osilator Jembatan Wein memiliki jaringan RC dua tahap. Itu berarti terdiri dari dua kapasitor non-polar dan dua resistor dalam formasi filter lolos tinggi dan filter lolos rendah. Satu resistor dan satu kapasitor di seri di sisi lain satu kapasitor dan satu resistor dalam formasi paralel. Jika kita membangun rangkaian, skema akan terlihat seperti ini: -

Terlihat jelas ada dua buah kapasitor dan dua buah resistor yang digunakan. Kedua tahap RC yang berfungsi sebagai High Pass dan Low pass filter yang dihubungkan bersama yang merupakan produk dari Band pass filter yang mengakumulasi ketergantungan frekuensi dari dua tahap urutan. Resistansi R1 dan R2 sama dan juga kapasitansi C1 dan C2 sama.

Penguatan Output Osilator Jembatan Wein dan Pergeseran Fase:

Apa yang terjadi di dalam rangkaian jaringan RC pada gambar di atas sangat menarik.

Ketika frekuensi rendah diterapkan reaktansi kapasitor pertama (C1) cukup tinggi dan memblokir sinyal input dan menahan rangkaian untuk menghasilkan 0 output, di sisi lain, hal yang sama terjadi dengan cara yang berbeda untuk kapasitor kedua (C2) yaitu terhubung dalam kondisi paralel. Reaktansi C2 menjadi terlalu rendah dan melewati sinyal dan kembali menghasilkan 0 keluaran.

Tetapi dalam kasus frekuensi sedang ketika reaktansi C1 tidak tinggi dan reaktansi C2 tidak rendah, itu akan memberikan keluaran melintasi titik C2. Frekuensi ini disebut sebagai Frekuensi Resonan.

Jika kita melihat secara mendalam di dalam rangkaian kita akan melihat bahwa reaktansi rangkaian dan Resistansi rangkaian adalah sama jika frekuensi resonansi tercapai.

Jadi, ada dua aturan yang diterapkan dalam kasus seperti itu ketika rangkaian disediakan oleh frekuensi resonansi di seluruh Input.

A. Perbedaan fasa Input dan output sama dengan 0 derajat.

B. Karena dalam 0 derajat, output akan maksimal. Tapi berapa? Hal ini erat atau akurat 1/3 ^rd besarnya sinyal input ini.

Jika kita melihat keluaran dari rangkaian kita akan mengerti poin-poin tersebut.

Outputnya persis seperti kurva yang ditampilkan pada gambar. Pada Frekuensi Rendah dari 1Hz output kurang atau hampir 0 dan meningkat dengan frekuensi pada input hingga frekuensi resonansi, dan ketika frekuensi resonansi tercapai, output berada pada titik puncak maksimum dan terus menurun dengan meningkatnya frekuensi dan lagi itu menghasilkan 0 output pada frekuensi tinggi. Jadi jelas melewati rentang frekuensi tertentu dan menghasilkan keluaran. Itulah mengapa sebelumnya ini digambarkan sebagai filter lolos Pita variabel yang dapat diandalkan frekuensi (Pita Frekuensi). Jika kita melihat lebih dekat pada pergeseran fasa keluaran, kita akan dengan jelas melihat margin fasa 0 derajat di seluruh keluaran pada frekuensi resonansi yang tepat.

Pada kurva keluaran fase ini fase tepat 0 derajat pada frekuensi resonansi dan dimulai dari 90 derajat menjadi menurun pada derajat 0 ketika frekuensi masukan ditingkatkan hingga frekuensi resonansi tercapai dan setelah itu fase terus menurun pada titik akhir - 90 derajat. Ada dua istilah yang digunakan dalam kedua kasus, Jika fase positif disebut Fase Maju dan dalam kasus negatif disebut Fase Tunda.

Kami akan melihat output dari tahap filter dalam video simulasi ini:

Dalam video ini, 4.7k digunakan sebagai R di R1 R2 dan kapasitor 10nF digunakan untuk C1 dan C2. Kami menerapkan gelombang sinusoidal di seluruh tahapan dan dalam osiloskop Saluran Kuning menunjukkan input dari sirkuit dan garis biru menunjukkan output dari sirkuit. Jika kita melihat lebih dekat amplitudo keluaran adalah 1/3 dari sinyal masukan dan fasa keluaran hampir identik dengan pergeseran fasa 0 derajat dalam frekuensi resonansi seperti yang dibahas sebelumnya.

Frekuensi Resonansi dan Output Tegangan:

Jika kita menganggap bahwa R1 = R2 = R atau resistor yang sama digunakan, dan untuk pemilihan kapasitor C1 = C2 = C nilai kapasitansi yang sama digunakan maka frekuensi resonansi akan menjadi

Fhz = 1 / 2πRC

R adalah singkatan dari Resistor dan C adalah singkatan dari kapasitor atau kapasitansi, dan Fhz jika frekuensi Resonansi.

Jika kita ingin menghitung Vout dari jaringan RC kita harus melihat rangkaian dengan cara yang berbeda.

Jaringan RC ini bekerja dengan Input sinyal AC. Menghitung resistansi sirkuit dalam kasus AC daripada menghitung resistansi sirkuit dalam kasus DC agak rumit.

Jaringan RC menciptakan impedansi yang bertindak sebagai resistansi pada sinyal AC yang diterapkan. Pembagi tegangan memiliki dua resistansi, dalam tahap RC ini dua resistansi adalah impedansi filter Pertama (C1 R1) dan impedansi filter Kedua (R2 C2).

Karena ada kapasitor yang dihubungkan baik seri maupun paralel maka rumus Impedansi adalah: -

Z adalah simbol Impedansi, R adalah Resistansi dan Xc adalah singkatan dari reaktansi kapasitif kapasitor.

Dengan menggunakan rumus yang sama kita dapat menghitung impedansi tahap pertama.

Dalam kasus tahap kedua, rumusnya sama dengan menghitung resistor ekivalen paralel,

Z adalah impedansinya, R adalah Resistensi, X adalah Kapasitor

Impedansi Akhir dari sirkuit dapat dihitung dengan menggunakan rumus ini: -

Kita dapat menghitung Contoh Praktis dan melihat Output Dalam kasus seperti itu.

Jika kita menghitung nilai dan melihat hasilnya kita akan melihat bahwa tegangan output akan menjadi 1/3 dari tegangan input.

Jika kita menghubungkan output filter RC dua tahap ke pin input penguat non-inverting atau pin + Vin, dan menyesuaikan penguatan untuk memulihkan kerugian, output akan menghasilkan gelombang sinusoidal. Itu adalah osilasi jembatan Wien dan rangkaiannya adalah rangkaian Osilator Jembatan Wein.

Pekerjaan dan Konstruksi Osilator Jembatan Wein:

Pada gambar di atas, filter RC dihubungkan melintasi op-amp yang berada dalam konfigurasi non-inverting. R1 dan R2 adalah resistor nilai tetap sedangkan C1 dan C2 adalah kapasitor trim variabel. Dengan memvariasikan nilai kedua kapasitor tersebut pada saat yang sama kita bisa mendapatkan osilasi yang tepat dari kisaran bawah ke kisaran atas. Ini sangat berguna jika kita ingin menggunakan osilator jembatan Wein untuk menghasilkan gelombang sinusoidal pada frekuensi yang berbeda dari rentang bawah ke atas. Dan R3 dan R4 digunakan untuk penguatan umpan balik op-amp. Penguatan keluaran atau amplifikasi sangat bergantung pada dua kombinasi nilai tersebut. Karena dua tahap RC menurunkan tegangan output pada 1/3, penting untuk memulihkannya kembali. Ini juga merupakan pilihan bijak untuk mendapatkan setidaknya 3x atau lebih dari 3x (lebih disukai 4x).

Kita dapat menghitung keuntungan menggunakan relasi 1+ (R4 / R3).

Jika kita kembali melihat gambar kita dapat melihat bahwa jalur umpan balik penguat operasional dari output terhubung langsung ke tahap input filter RC. Karena filter RC dua tahap memiliki properti pergeseran fasa 0 derajat di wilayah frekuensi resonansi, dan terhubung langsung ke umpan balik positif op-amp, anggap saja itu adalah xV + dan di umpan balik negatif tegangan yang sama diterapkan yaitu xV- dengan Fase 0 derajat yang sama, op-amp membedakan dua input dan menyingkirkan sinyal umpan balik negatif dan karena itu berlanjut saat output terhubung melintasi tahapan RC op-amp mulai berosilasi.

Jika kita menggunakan laju perubahan tegangan yang lebih tinggi, frekuensi op-amp yang lebih tinggi frekuensi keluaran dapat dimaksimalkan dengan jumlah yang luas.

Beberapa op-amp frekuensi tinggi ada di segmen ini

Juga perlu kita ingat seperti pada tutorial osilator RC sebelumnya yang kita bahas tentang efek pembebanan, kita harus memilih op-amp dengan impedansi input tinggi lebih banyak daripada filter RC untuk mengurangi efek pembebanan dan memastikan osilasi stabil yang tepat.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 yang merupakan Op-amp benih tinggi 900 mHz!
• LTC6409 yang merupakan Op-amp Diferensial 10 Ghz GBW. Belum lagi ini memerlukan tambahan khusus pada sirkuit dan taktik desain RF yang sangat bagus untuk mencapai keluaran Frekuensi Tinggi ini juga.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Op-amp kelas industri.

Contoh Praktis dari Wein Bridge Oscillator:

Mari menghitung nilai contoh praktis dengan memilih nilai Resistor dan kapasitor.

Pada gambar ini, untuk osilator RC, resistor 4,7k digunakan untuk R1 dan R2. Dan digunakan kapasitor pemangkas yang memiliki dua kutub berisi 1-100nF untuk kapasitas pemangkasan C1 dan C2. Mari menghitung Frekuensi osilasi untuk 1nF, 50nF dan 100nF. Juga kami akan menghitung penguatan op-amp sebagai R3 dipilih sebagai 100k, dan R4 dipilih sebagai 300k.

Karena menghitung frekuensi mudah dengan rumus

Fhz = 1 / 2πRC

Untuk nilai C adalah 1nF dan untuk resistor 4.7k Frekuensi akan

Fhz = 33.849 Hz atau 33,85 KHz

Untuk nilai C adalah 50nF dan untuk resistor 4.7k Frekuensi Akan

Fhz = 677Hz

Untuk nilai C adalah 100nF dan untuk resistor 4.7k Frekuensi Akan

Fhz = 339Hz

Sehingga Frekuensi Tertinggi yang dapat kita capai dengan menggunakan 1nF yaitu 33,85 Khz dan frekuensi terendah yang dapat kita capai dengan menggunakan 100nF adalah 339Hz.

The gain dari op-amp adalah 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Jadi Penguatan = 1+ (300k + 100k) = 4x

Op-amp akan menghasilkan penguatan input 4x melewati pin "positif" yang tidak dibalik.

Sehingga dengan menggunakan cara ini kita dapat menghasilkan bandwidth frekuensi variabel Wein Bridge Oscillator.

Aplikasi:

Wein Bridge Oscillator digunakan dalam aplikasi tingkat luas di bidang elektronik, mulai dari menemukan nilai pasti kapasitor, Untuk menghasilkan rangkaian terkait osilator fase stabil 0 derajat, karena tingkat kebisingan yang rendah, ini juga merupakan pilihan bijak untuk berbagai tingkat kelas Audio aplikasi di mana osilasi kontinu diperlukan.