Oszillatorschaltungen erzeugen am Ausgang periodische Signale. Sie können jedes Gleichstromsignal je nach Zusammensetzung in ein Wechselstromsignal mit unterschiedlichen Frequenzen umwandeln. In diesem Artikel besprechen wir den Wien-Brückenoszillator, sein Funktionsprinzip sowie modifizierte Versionen und Beispiele.
Der Wienbrückenoszillator
Der Wein-Brückenoszillator ist die frequenzorientierte Form der Wheatstone-Brücke. Bei der Brückenbildung enthalten zwei Arme nur Widerstände, während die anderen beiden Widerstands- und Kondensatorkombinationen enthalten. Einer der Arme des Brückenoszillators besteht aus einer RC-Reihenschaltung mit einer weiteren parallelen RC-Schaltung, wie unten dargestellt:
Die Kondensator-Widerstands-Kombinationen zweier Arme sehen wie Hochpass- und Tiefpassfilter aus, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Arbeitsprinzip
Wenn niedrigere Frequenzen angelegt werden, bieten die Reihenkondensatoren eine sehr hohe Reaktanz, da die Reaktanz eines Kondensators umgekehrt proportional zur Frequenz ist, wie folgt:
Aufgrund der sehr hohen Reaktanz verhält sich der Kondensator wie ein offener Stromkreis und der Ausgang bleibt daher Null.
Wenn höhere Frequenzen angelegt werden, weisen beide Kondensatoren C1 und C2 eine geringe Reaktanz auf und wirken wie ein Kurzschluss. In dieser Situation folgt das Eingangssignal dem kurzgeschlossenen Pfad von C1 und C2, um zur Versorgung zurückzukehren. Auch in diesem Fall bleibt die Ausgangsspannung Null.
Wir können jedoch einen mittleren Frequenzbereich zwischen sehr hoher und sehr niedriger Frequenz wählen, sodass sowohl Leerlauf- als auch Kurzschlusszustände vermieden werden können. Die mittlere Frequenz, bei der die Ausgangsspannung ihr Maximum zu erreichen scheint, wird als Resonanzfrequenz bezeichnet.
Grafische Darstellung
Bei der Resonanzfrequenz beträgt die Größe der Ausgangsspannung fast ein Drittel der Eingangsspannung. Wenn das Diagramm zwischen Ausgangsverstärkung und Phasenverschiebung aufgetragen wird, bietet es eine Darstellung der Phasenvoreilung, Phasenverzögerung und des Resonanzpunkts, wie unten dargestellt:
Bei niedrigen Frequenzen zeigt der Phasenwinkel +90 Grad an, was auf eine Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen hinweist, während bei hohen Frequenzen der Phasenwinkel -90 Grad beträgt, was darauf hinweist, dass es eine Phasenverzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen gibt. Der Mittelfrequenzpunkt fr gibt Resonanzfrequenzen an, bei denen zwei Signale miteinander in Phase sind.
Bei niedrigen Frequenzen zeigt der Phasenwinkel +90 Grad an, was auf eine Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen hinweist, während bei hohen Frequenzen der Phasenwinkel -90 Grad beträgt, was darauf hinweist, dass es eine Phasenverzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen gibt. Der Mittelfrequenzpunkt fr gibt Resonanzfrequenzen an, bei denen zwei Signale miteinander in Phase sind.
Ausdruck der Oszillatorfrequenz
Die Resonanzfrequenz wird wie folgt berechnet:
Für Resonanzfrequenz; R1=R2=R & C1=C2=C:
Wein-Brückenoszillator mit Operationsverstärker
Wein-Brückenoszillatoren können auch Operationsverstärker in ihre Schaltung integrieren. Die Anschlüsse des Operationsverstärkers sind wie unten gezeigt mit den beiden Punkten des Wein-Brückenoszillators verbunden:
Die einzige Einschränkung dieser Konfiguration ist die Begrenzung höherer Frequenzen. Die auf Operationsverstärkern basierenden Wein-Brückenoszillatoren sollten unter 1 MHz betrieben werden. Dies liegt daran, dass Weinbrücken Niederfrequenzoszillatoren zwischen 20 Hz und 20 kHz sind.
Beispiel
Betrachten Sie einen Widerstand von 20 kΩ und einen variablen Kondensator von 10 nf bis 2000 nf in der Wein-Brückenoszillatorschaltung. Bewerten Sie die Maximal- und Minimalwerte der Schwingungsfrequenzen.
Die Schwingungsfrequenz ergibt sich aus:
Für die niedrigste Frequenz fmin;
Für die höchste Frequenz fmax:
Abschluss
Der Wein-Brückenoszillator ist eine Kombination aus Hochpass- und Tiefpassfilternetzwerken. Er arbeitet bei der Resonanzfrequenz, bei der die Ausgangsspannung maximal zu sein scheint. Oberhalb und unterhalb dieser Frequenz bleibt die Ausgangsleistung Null.