Wien-hidas oszcillátor

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Wien-hidas oszcillátor műveleti erősítővel (Az áramkör csak az elvet mutatja be, mivel amplitúdóstabilizáló áramkör hiányában nem üzemképes) (1: frekvencia függő ág 2: frekvencia független ág)
A HP 200A készülék előlapja

A Wien-hidas oszcillátor a szinusz-jelet generáló RC oszcillátorok egy típusa. Működése a Wien-hídon alapul. Max Wien fejlesztette ki 1891-ben, 1939-ben William Hewlett továbbfejlesztette, és miután David Packarddal megalapították a Hewlett-Packard céget, az egyik első termékük, a HP200A[1] a Wien-hídon alapult.[2]

Szükségessége[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kis frekvenciákon (általában 1 Hz és 1 MHz között RC oszcillátorokat, míg általában 100 kHz felett LC oszcillátorokat szoktak használni.[3]) az LC oszcillátorok rezgőköri elemeinek értéke gazdaságtalanul magas lenne, illetve egyes esetekben az RC tagok használata gazdaságosabb, mint a tekercsek elkészítése. Hangfrekvenciás tartományban tipikusan az RC visszacsatolású (Wien hidas vagy kettős T szűrős) oszcillátorok gazdaságosabbak.[4] Mivel a Wien-híd a rezgőkörrel ellentétben nem rezgőképes az F0 rezonancia-frekvencia egész számú többszörösein, ezért a kimeneti jelben ezek nem jelennek meg, ezért a torzítása kisebb lehet, mint a hasonló LC oszcillátornak.

További előnye, hogy a frekvenciaátfogás jelentősen nagyobb lehet, mivel a Wien-hidas oszcillátor esetén a frekvencia értékét a következő képlet írja le: f = \frac{1}{2 \pi R C}, míg LC oszcillátor esetén:f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

Tehát ha a frekvencia hangolását 1:10 átfogású forgókondenzátor végzi egy LC oszcillátor átfogása 1:\sqrt{10} ami hozzávetőleg 1:3,162 addig, egy wien-hidas oszcillátor esetén: 1:10[5]

Wien hidas oszcillátorral megvalósítható 1:100 000 frekvenciaátfogás, 5 darab 1:10 frekvenciaátfogású sávban, a minőségi mutatók romlása nélkül.

Hátrányai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A felhasznált erősítő erősítését szabályozni kell, hogy a rezgés stabil, az amplitúdó állandó, a jelalak kis torzítású legyen, míg az LC oszcillátorok az az erősítő linearitására érzéketlenek, akár C osztályú erősítővel is üzemeltethetőek, rezgőkör önrezgése miatt.

Működési elve[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Wien-híd frekvencia-meghatározó áramköre a Wien-osztó, ami azonos R és C elemekből felépített frekvenciafüggő feszültségosztó. Kisfrekvencián a nagy kapacitív reaktanciát jelentő soros kapacitás miatt kis kimeneti feszültséget szolgáltat. A frekvencia növekedésével csökken a reaktancia, ezért növekszik a kimeneti feszültség. A frekvencia további növelésével a kapacitás egyre csökkenti a kimeneti feszültséget. Az átvitel az RC tagok f0 határfrekvenciáján maximális: f_0 = \frac{1}{2 \pi R C}

F0 frekvencián a Wien-osztó kimeneti feszültsége: U_{ki}=\frac {U_{be}} {3}, fázistolása 0. Minden más frekvencián a kimeneti feszültsége ennél kisebb, valamint a fázistolása 0-tól eltérő.

Az osztó fázistolását kisfrekvencián a soros RC tag határozza meg, ezért a fázistolás a frekvencia növekedésével +90°-ról csökken. Nagyfrekvencián a párhuzamos RC tag dominál, ezért a fázistolás -90° felé tart. A fázistolás ebből következően az f0 frekvencián zérus. A Wien-osztó tulajdonságaiból következik, hogy az oszcilláció feltételeinek teljesítéséhez pontosan háromszoros(Au=3) erősítéssel és nulla (A=0°) fázistolással rendelkező erősítőt kell pozitívan visszacsatolni a Wien-osztóval.

Az oszcillátor frekvenciájának változtatása a Wien-híd R ellenállásainak (ritkábban a kondenzátorok[mj 1]) együttes változtatásával lehetséges. Ilyenkor az ellenállások helyett kettős potenciométert alkalmaznak. Ezzel a módszerrel általában tízszeres frekvenciaátfogást[mj 2] célszerű megvalósítani. Ha egy dekádnál[mj 3] szélesebb tartományban kell változtatni a frekvenciát, akkor a kondenzátorokat célszerű cserélni, így újra változtatható a frekvencia a potenciométerekkel egy dekádon belül.

Megvalósítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az oszcillátor megvalósítható műveleti erősítő vagy diszkrét elemekből felépített erősítőkapcsolás segítségével.[6]

Tervezési meggondolások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Az erősítő fázistolásának a Wien-osztó felől nézve 360°-nak vagy egész számú többszörösének kell lennie
  • Az erősítő fázistolása, illetve erősítése a használt frekvenciatartományban jelentősen nem változhat
  • Az ellenállások eredő értéke az erősítő bemenete felől nézve, jelentősen kisebb kell hogy legyen, mint az erősítő bemeneti ellenállása
  • Az ellenállások eredő értékének az erősítő kimenete felől nézve, jelentősen nagyobbnak kell lennie, mint az erősítő kimeneti ellenállása
  • Az erősítőt terhelő áram nem befolyásolhatja jelentősen az erősítő kimeneti feszültségét (ez a megkötés a C kondenzátor maximális értékét is meghatározza)
  • A C kondenzátornak jelentősen nagyobbnak kell lennie, mint az erősítő bemeneti kapacitása[5][3]
  • A wien-hídnak kis mértékben kiegyenlítetlennek kell lennie, mivel biztosítania kell az erősítő meghajtó jelét.
  • Az erősítő kör erősítésének 3X-osnak kell lennie A=3=\frac{R_1+R_2}{R_2}

A megvalósítható legalacsonyabb frekvenciát meghatározza, hogy a beállításához szükséges ellenállások (R3,R4) értéke jelentősen kisebb legyen, mint az erősítő bementeti ellenállása, illetve a szigetelések kúszó és szivárgási ellenállásából számolt ellenállás.

A megvalósítható maximális frekvenciát az erősítő sávszélessége, illetve a kimeneti fokozatot terhelő, párhuzamosan kapcsolt negatív (R1,R2) és pozitív (C1,R4,C2,R3) visszacsatoló ág terhelése, amelyek a kimenetet párhuzamosan kapcsolva terhelik, illetve az emiatt létrejövő fázistolás, valamint az erősítő bemeneti kapacitása korlátozza.

Az oszcillátor stabilitása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az áramkör stabilitását a beépített elemek stabilitása, illetve az összeszerelés, és a mechanikai kialakítás stabilitása határozza meg, hangolható oszcillátorok esetén ehhez hozzájön a hangolóelemek stabilitása, ami azt jelenti, hogy egy adott frekvenciát milyen pontossággal lehet kétszer egymás után beállítani.

A stabilitás rövidtávú (kevesebb mint 30 perc időtáv) és hosszútávú (több hónapos, éves időtáv) stabilitásból tevődik össze.

A megfelelő stabilitást (a költségek figyelembevételével) az elérhető legmegfelelőbb elemek használatával lehet biztosítani.

A beállítási stabilitást a sávátfogás csökkentésével, az RC oszcillátoroknál szokásos 1:10 helyett 1:3 vagy 1:2 sávátfogás használatával is javítható, adott minőségű elemek használata esetén.

Adott amplitúdószabályzó rendszer esetén a stabilizált tápfeszültség, illetve szabályozó potenciométerek helyett fix ellenállások használatával növelhető.[7]

A Wien-híd szükséges kiegyenlítetlenségének meghatározása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Wien-hídnak f0 frekvencián is kell hogy valamekkora feszültséget szolgáltasson, mivel az erősítő nulla bemeneti feszültségnél nem adna kimeneti jelet. A tervezett kimeneti feszültség alapján a szükséges kiegyenlítetlenség meghatározható:

Uki=Ube*A0

A szükséges negatív visszacsatoló áramkör méretezése:

R_2=\frac{R_1}{2+\epsilon}

A két egyenlet összevonásával:

U_{be}=U_{ki}\left(\frac{1}{3}-\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)=U_{ki}\left(\frac{1}{3}-\frac{\frac{R_1}{2+\epsilon}}{\frac{R_1}{2+\epsilon}+R_1}\right)=U_{ki}\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{3+\epsilon}\right)\approx U_{ki}\frac{\epsilon}{9} ebből \epsilon=\frac{9}{A_0}

Ahol:

  • Uki Az erősítő elvárt kimeneti feszültsége
  • Ube Az erősítő differenciális bementi feszültsége
  • A0 Az erősítő nyílthurkú erősítése
  • έ A kiegyenlítetlenség mértéke [8]

A kis torzítású kimeneti jel biztosítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kis torzítás és kis zaj érdekében a felhasznált elemeknek megfelelő minőségűeknek (műveleti erősítős megoldás esetén különösen a műveleti erősítőnek), illetve a szerelésnek gondosnak kell lennie. A kis torzítású kimeneti jel, illetve a stabil rezgés biztosítása érdekében az erősítőfokozat erősítését a kimeneti feszültséggel fordított arányban szabályozni kell. (ha a kimeneti jel amplitúdója csökken, az erősítést növelni, ha nő, az erősítést csökkenteni kell. Másképpen szabályozott negatív visszacsatolást kell alkalmazni).

Változtatható kimeneti frekvenciájú oszcillátor esetén a szabályozó tagok (kettős potenciométer, kettős forgókondenzátor, varicap diódák) együttfutásának hibája miatt a kimeneti feszültség kismértékben eltér az ideális 1/3-tól, amit a szabályzóelemnek kompenzálnia kell.

A visszacsatolás szabályozása izzóval[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Wien-hidas oszcillátor műveleti erősítővel és izzólámpás amplitúdó–stabilizálással (1: frekvencia függő ág 2: frekvencia független ág 3: amplitúdó stabilizáló áramkör)

Az ábrán látható izzólámpás erősítésszabályozás a kimeneti jel effektív értékével[mj 4] arányos szabályozást végez. Ebben a kapcsolásban az izzólámpa mint hőmérsékletfüggő ellenállás (PTK) szerepel. A megoldás (az izzólámpa hőtehetetlenségétől függően) kedvező megoldás lehet a hangfrekvenciás tartomány [mj 5] alsó felétől a rádiófrekvenciás tartomány aljáig. A kedvező hullámalak biztosítása érdekében nagyobb időállandójú szabályozás szükséges.

A szabályzás menete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha a kimeneti feszültség nő, a visszacsatoló elemeken folyó áram is nő, ami az izzószálat melegíti, így annak ellenállása megnő, így a negatív visszacsatolás mértéke megnő, az erősítés csökken. Ha a kimeneti feszültség csökken, a folyamat fordított. Az izzószál hőtehetetlensége biztosítja, hogy a szabályozás ne okozzon jelentős jelalaktorzulást. Élettartam megfontolásból az izzólámpát úgy szokás megválasztani, hogy az árama a névleges áram alatt maradjon (általában vörös izzásig melegítse). A megoldás nagy előnye, hogy a környezeti hőmérséklet változására szinte érzéketlen.

Az izzólámpás megoldás hátrányai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]
  • Jelentős energiafogyasztás és hőterhelés, ami elemes táplálásnál különösen kedvezőtlen
  • Amennyiben a kimeneti frekvencia nem jelentősen nagyobb az izzólámpa hőtehetetlenségénél, az izzólámpa hőmérséklet változás miatti erősítésváltozása torzítást okoz
  • Magas kimeneti frekvenciánál az izzólámpa induktivitásának hatása kedvezőtlen
  • Az izzólámpa mechanikai behatásra (például rezgés, ütés) változtathatja elektromos jellemzőit, ami modulációt okoz.

A visszacsatolás szabályozása PTK ellenállással[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az izzólámpás visszacsatoláshoz hasonló, azonban hátrányainak nagy részét kiküszöbölő megoldás, ha az izzólámpa helyére PTK (pozitív hőfokfüggésű ellenállást) teszünk, azonban a visszacsatolás érzékenyebbé válik a külső hőmérsékletre.

A visszacsatolás szabályozása NTK ellenállással[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A PTK ellenállással való szabályozáshoz hasonló eredmény érhető el, ha az R1 ellenállás helyére NTK ellenállást teszünk.

A visszacsatolás szabályozása FET-es visszacsatoló elemmel[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Wien–hidas oszcillátor FET-es amplitúdó–stabilizálással (1: frekvencia függő ág 2: frekvencia független ág 3: amplitúdó stabilizáló áramkör)

A visszacsatolókörbe FET tranzisztort kötve (mint változtatható értékű ellenállást, amelyet az egyenirányított kimeneti feszültséggel vezérelünk) a kívánt szabályozás szintén megoldható. A kapcsolás némileg összetettebb, mint az izzólámpás szabályozás esetében, azonban a teljesítményigénye jelentősen alacsonyabb lehet, valamint a szabályozás paraméterei szabadabban beállíthatók. [9]

A szabályzás menete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szabályozás beavatkozó eleme a Q1 jFET, amelynek a gate feszültségét a kimeneti jel egyutas egyenirányítása ( D1 ) után az R5 ellenálláson keresztül töltődő C3 kondenzátor határozza meg. A gate feszültség változtatásával a FET csatorna ellenállását változtatjuk, ami (váltakozó áramú szempontból) az R1 ellenállással van párhuzamosan kötve, így a műveleti erősítő visszacsatolásának mértékét befolyásolja. A kimeneti jel csökkenése esetén a C3 az R6-on keresztül sül ki. A szabályozás időállandóját a C3 kondenzátor értékének változtatásával lehet beállítani. Ez lehetővé teszi, hogy változtatható frekvenciájú oszcillátornál a C3 cseréjével alacsony frekvenciákon vagy nagy frekvenciákon kicsi szabályozási időállandót lehessen beállítani.

A kapcsolás a kimeneti feszültség csúcsértékével arányos szabályozást végez.

A megoldás hátránya[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A FET tulajdonságai erősen hőmérsékletfüggőek. A hőmérsékleti stabilitást megfelelő áramköri kialakítással – például az amplitúdóstabilizáló körbe kötött műveleti erősítővel – jelentősen javítani lehet.

Wien-hidas oszcillátor műveleti erősítős amplitúdó stabilizálással[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Wien–hidas oszcillátor műveleti erősítős amplitúdó-stabilizálással (1: frekvencia függő ág 2: frekvencia független ág 3: amplitúdó stabilizáló áramkör)

A FET-tranzisztoros amplitúdószabályozás hátrányait műveleti erősítő közbeiktatásával lehet nagy mértékben csökkenteni.

A szabályzás menete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A mellékelt kapcsoláson a Q1 FET vezérlését U2 műveleti erősítő végzi, oly módon, hogy a C1 kondenzátoron eső feszültség megegyezzen az R7 és R8 ellenállások közös pontján található feszültséggel.

Hátránya[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ez a megoldás jelentősen összetettebb, mint az eddig tárgyaltak.

Szabályozás a visszacsatoló körbe kötött nemlineáris elemmel[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Diódás visszacsatolású szabályozás (1: frekvencia függő ág 2: frekvencia független ág 3: amplitúdó stabilizáló áramkör)

Amennyiben a visszacsatoló körben nemlineáris elemet használunk (pl. dióda, Z-dióda) a visszacsatolás mértéke függeni fog a kimeneti feszültségtől. A kapcsolás a kimenőfeszültség pillanatnyi értékével arányos szabályozást végez, ezért szabályzás időállandója a lehető legalacsonyabb.

A szabályzás menete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Amíg az R1 ellenálláson eső feszültség nem haladja meg a D1 és D2 dióda nyitófeszültségét az R5 ellenálláson nem folyik áram, az nem vesz részt a visszacsatolásban. Amennyiben az R1 ellenálláson eső feszültség meghaladja a D1 és D2 dióda nyitófeszültségét, az R5 ellenálláson elkezd áram folyni, az erősítés mértéke csökken.

A megoldás hátránya[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A megfelelő torzítású kimeneti jel biztosítása körültekintést igényel a tervezésnél. Ez a megoldás csak abban az esetben megfelelő, ha a torzítással szembeni elvárások alacsonyak.

A HP200A[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A HP-200 oszcillátor belseje

A HP 200A oszcillátor Bill Hewlett ötletén alapul, amelyet még a Stanford Egyetemen az 1930-as években dolgozott ki, mely szerint a Wien-hidas oszcillátor amplitúdóstabilitását izzólámpával biztosítja, e megoldásnak köszönhetően a szerkezet az akkor megszokottnál egyszerűbb, üzembiztosabb és olcsóbb lett.

Jellemzői[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Elektroncsöves felépítés (a kor műszaki színvonalának megfelelően)
  • Izzólámpás amplitúdó szabályozás
  • 1:10 frekvenciaátfogás minden sávban, az LC oszcillátoroknál megszokott 1:3,162 helyett.
  • Alacsony torzítás[10]

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Híradástechnikai Kutató Intézet (HIKI): TR0107A

Megjegyzések[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Például a HP200A-nál
  2. Sávon belüli frekvenciaátfogás a skála beállítható legmagasabb és legalacsonyabb frekvencia aránya
  3. Dekád: tízszeres frekvencia
  4. Változó vagy váltakozó feszültség esetén az effektív érték annak az egyenfeszültségnek az értéke, amely azonos hőhatást okoz, mint a vizsgált jel
  5. A hangfrekvenciás tartománynak általában 20 Hz és 20 kHz közötti tartományt szokás nevezni

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]