Osilatör devreleri çıkışta periyodik sinyaller üretir. Herhangi bir DC sinyalini, bileşimine bağlı olarak farklı frekanslarda AC sinyaline dönüştürebilirler. Bu yazımızda Wien köprü osilatörünü, çalışma prensibini, değiştirilmiş versiyonlarını ve örneklerini ele alacağız.
Wien Köprüsü Osilatörü
Wein köprüsü osilatörü, Wheatstone köprüsünün frekans odaklı şeklidir. Köprü oluşumunda iki kol sadece dirençleri içerirken diğer iki kolda direnç ve kapasitör kombinasyonları bulunur. Köprü osilatörünün kollarından biri, aşağıda gösterildiği gibi başka bir paralel RC devresine sahip bir seri RC devresinden oluşur:
İki kolun kapasitör-direnç kombinasyonları, aşağıdaki şekilde tanımlandığı gibi yüksek geçişli ve alçak geçişli filtrelere benzer:
Çalışma prensibi
Daha düşük frekanslar uygulandığında, seri kapasitörler çok yüksek reaktans sunar çünkü bir kapasitörün reaktansı aşağıdaki şekilde verildiği gibi frekansla ters orantılıdır:
Çok yüksek reaktans nedeniyle kapasitör açık devre gibi davranır ve bu nedenle çıkış sıfır kalır.
Daha yüksek frekanslar uygulandığında, C1 ve C2 kapasitörlerinin her ikisi de düşük reaktans sunar ve kısa devre gibi davranır. Bu durumda giriş sinyali, kaynağa geri dönmek için C1 ve C2'den kısa devre yolunu izler. Bu durumda da çıkış voltajı sıfır kalır.
Ancak çok yüksek frekans ile çok düşük frekans arasında bir orta frekans aralığı seçebiliriz, böylece hem açık devre hem de kısa devre koşulları önlenebilir. Çıkış voltajının maksimum göründüğü orta seviye frekansı, rezonans frekansı olarak bilinir.
Grafiksel Gösterim
Rezonans frekansında çıkışın büyüklüğü giriş voltajının neredeyse üçte birine eşittir. Çıkış kazancı ve faz kayması arasında çizilen grafik, aşağıda gösterildiği gibi faz ilerlemesi, faz gecikmesi ve rezonans noktasının bir gösterimini sağlar:
Düşük frekanslarda faz açısı +90 dereceyi göstererek giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki faz ilerlemesini gösterirken, yüksek frekanslarda faz açısı -90 derece olur ve bu da giriş ve çıkış sinyalleri arasında faz gecikmesi olacağını gösterir. Orta frekans noktası, fr, iki sinyalin birbiriyle aynı fazda olduğu rezonans frekanslarını gösterir.
Düşük frekanslarda faz açısı +90 dereceyi göstererek giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki faz ilerlemesini gösterirken, yüksek frekanslarda faz açısı -90 derece olur ve bu da giriş ve çıkış sinyalleri arasında faz gecikmesi olacağını gösterir. Orta frekans noktası, fr, iki sinyalin birbiriyle aynı fazda olduğu rezonans frekanslarını gösterir.
Osilatör Frekans İfadesi
Rezonans frekansı aşağıda hesaplanır:
Rezonans frekansı için; R1=R2=R ve C1=C2=C:
Op-Amp'li Wein Köprüsü Osilatörü
Wein köprü osilatörleri ayrıca op-amp'leri devrelerine entegre edebilir. Op-amp terminalleri Wein köprü osilatörünün iki noktasına aşağıda gösterildiği gibi bağlanır:
Bu konfigürasyonun tek sınırlaması daha yüksek frekansların sınırlandırılmasıdır. Op-amp tabanlı Wein köprü osilatörleri 1 MHz'in altında çalıştırılmalıdır. Bunun nedeni Wein köprülerinin 20Hz ila 20kHz arasındaki düşük frekanslı osilatörler olmasıdır.
Örnek
Wein köprüsü osilatör devresinde 20kΩ'luk bir direnç ve 10nf ila 2000nf arasında değişken bir kapasitör düşünün. Salınım frekanslarının maksimum ve minimum değerlerini değerlendirin.
Salınımların frekansı şu şekilde verilir:
En düşük frekans için fmin;
En yüksek frekans için fmax:
Çözüm
Wein köprüsü osilatörü, yüksek geçişli ve alçak geçişli filtre ağlarının bir kombinasyonudur. Çıkış voltajının maksimum göründüğü rezonans frekansında çalışır. Bu frekansın üstünde ve altında sıfır çıkış korunur.