I circuiti oscillatori producono segnali periodici in uscita. Possono convertire qualsiasi segnale CC in segnale CA con frequenze diverse a seconda della sua composizione. Discuteremo dell'oscillatore del ponte di Vienna, del suo principio di funzionamento insieme a versioni modificate ed esempi in questo articolo.
L'oscillatore del ponte di Vienna
L'oscillatore a ponte Wein è la forma orientata alla frequenza del ponte di Wheatstone. Nella sua formazione a ponte, due bracci contengono solo resistenze, mentre gli altri due contengono combinazioni di resistenza e condensatore. Uno dei bracci dell'oscillatore a ponte è costituito da un circuito RC in serie con un altro circuito RC parallelo come mostrato di seguito:
Le combinazioni condensatore-resistore di due bracci assomigliano a filtri passa alto e passa basso come identificato nella figura seguente:
Principio di funzionamento
Quando vengono applicate frequenze più basse, i condensatori in serie offrono una reattanza molto elevata poiché la reattanza di un condensatore è inversamente proporzionale alla frequenza come data da:
A causa della reattanza molto elevata, il condensatore si comporta come un circuito aperto e quindi l'uscita rimane zero.
Quando vengono applicate frequenze più elevate, entrambi i condensatori C1 e C2 offrono una bassa reattanza e si comportano come un cortocircuito. In questa situazione, il segnale di ingresso segue il percorso in cortocircuito da C1 e C2 per ritornare all'alimentazione. Anche in questo caso la tensione di uscita rimane zero.
Tuttavia, possiamo selezionare una gamma di frequenze medie compresa tra la frequenza molto alta e la frequenza molto bassa, in modo da evitare sia condizioni di circuito aperto che di cortocircuito. La frequenza di livello medio alla quale la tensione di uscita sembra essere massima è nota come frequenza di risonanza.
Rappresentazione grafica
Alla frequenza di risonanza, l'entità dell'uscita è pari a quasi un terzo della tensione di ingresso. Il grafico, quando tracciato tra guadagno di uscita e sfasamento, fornisce un'illustrazione dell'anticipo di fase, del ritardo di fase e del punto di risonanza come mostrato di seguito:
Alle basse frequenze, l'angolo di fase mostra +90 gradi, indicando un anticipo di fase tra i segnali di ingresso e di uscita, mentre alle alte frequenze, l'angolo di fase diventa -90 gradi, indicando che ci sarà un ritardo di fase tra i segnali di ingresso e di uscita. Il punto di media frequenza, fr, indica le frequenze di risonanza in cui due segnali sono in fase tra loro.
Alle basse frequenze, l'angolo di fase mostra +90 gradi, indicando un anticipo di fase tra i segnali di ingresso e di uscita, mentre alle alte frequenze, l'angolo di fase diventa -90 gradi, indicando che ci sarà un ritardo di fase tra i segnali di ingresso e di uscita. Il punto di media frequenza, fr, indica le frequenze di risonanza in cui due segnali sono in fase tra loro.
Espressione della frequenza dell'oscillatore
La frequenza di risonanza è calcolata di seguito:
Per frequenza di risonanza; R1=R2=R & C1=C2=C:
Oscillatore a ponte Wein con amplificatore operazionale
Gli oscillatori a ponte Wein possono anche integrare amplificatori operazionali nel loro circuito. I terminali degli amplificatori operazionali sono collegati ai due punti dell'oscillatore del ponte Wein come mostrato di seguito:
L'unica limitazione di questa configurazione è la limitazione delle frequenze più alte. Gli oscillatori a ponte Wein basati su amplificatori operazionali dovrebbero essere utilizzati al di sotto di 1 MHz. Ciò è dovuto al fatto che i ponti Wein sono oscillatori a bassa frequenza tra 20Hz e 20kHz.
Esempio
Considera un resistore da 20 kΩ e un condensatore variabile da 10 nf a 2000 nf nel circuito dell'oscillatore a ponte Wein. Valutare i valori massimi e minimi delle frequenze di oscillazione.
La frequenza delle oscillazioni è data da:
Per la frequenza più bassa, fmin;
Per la frequenza più alta, fmax:
Conclusione
L'oscillatore a ponte Wein è una combinazione di reti di filtri passa alto e passa basso. Funziona alla frequenza di risonanza dove la tensione di uscita sembra essere massima. Al di sopra e al di sotto di questa frequenza, viene mantenuta l'uscita zero.