Generador de puente de Wien
Un generador de puente de Wien es un tipo de generador electrónico de oscilaciones sinusoidales .
La parte de ajuste de frecuencia de este generador está hecha en un filtro de paso de banda capacitivo-resistivo , propuesto por primera vez por Max Wien en 1891 para medir las impedancias de los circuitos eléctricos, y ahora llamado puente de Wien .
El oscilador es un amplificador electrónico cubierto por retroalimentación positiva dependiente de la frecuencia a través de un puente Wien. Al cambiar los parámetros del puente de Wien, el generador puede generar un voltaje en un amplio rango de frecuencia sintonizable y genera un voltaje sinusoidal con pequeñas diferencias de una señal sinusoidal ideal.
Historia
La implementación del circuito electrónico del generador se describió por primera vez en la tesis de grado de maestría de William Hewlett , que defendió en 1939 en la Universidad de Stanford .
Posteriormente , Hewlett cofundó la firma Hewlett-Packard con David Packard . El primer producto industrial de la empresa fue el generador de onda sinusoidal de precisión HP200A con un puente Wien. El HP200A fue uno de los primeros generadores de onda sinusoidal comercialmente disponibles en el laboratorio con una distorsión de onda sinusoidal tan baja.
Cómo funciona
Un circuito eléctrico que consta de conexiones en un patrón generalmente se llama puente de Wien.
Si los valores de resistencia y , así como las capacidades y no difieren demasiado, entonces dicho circuito tiene una cuasi-resonancia suavizada, es decir, el coeficiente de transferencia de voltaje de la salida derecha según el circuito de salida (señal de entrada ) al punto de conexión (señal de salida) tiene un máximo a una determinada frecuencia.
La fórmula más simple para la frecuencia cuasi-resonante tiene lugar bajo las igualdades:
y
en este caso, la frecuencia de cuasi-resonancia es igual a:
A la frecuencia de casi resonancia, el cambio de fase de la señal de salida del puente de Wien en relación con la señal de entrada es cero y el módulo de la ganancia es 1/3. Si incluimos en el bucle de realimentación, cubriendo la entrada y la salida del puente de Wien, un elemento amplificador no inversor activo, idealmente sin desfase, con un coeficiente de transferencia de más de 3, entonces las autooscilaciones aumentan hasta el infinito en amplitud se producirá en el circuito, ya que este circuito no tiene criterio de estabilidad para los sistemas lineales.
En la práctica, en los generadores reales, la amplitud de las oscilaciones sinusoidales no aumenta hasta el infinito, sino que se establece en un cierto nivel debido a las propiedades no lineales del elemento amplificador activo, por ejemplo, la limitación natural de la tensión de alimentación que alimenta al amplificador. Con una limitación de amplitud no lineal, la forma de la tensión sinusoidal que se produce inicialmente se distorsiona a medida que aumenta y, al final, se aleja de la sinusoidal, por ejemplo, cerca de la trapezoidal.
Cuando el coeficiente de transmisión en el bucle de realimentación es inferior a 3, se amortiguan las oscilaciones aleatorias, ya que en este caso el sistema es estable.
Así, para mantener oscilaciones sinusoidales con pequeñas desviaciones de la sinusoide en este generador, es necesario, después del establecimiento de oscilaciones con la amplitud deseada, mantener estrictamente el coeficiente de transferencia de tensión del elemento amplificador activo exactamente igual a 3.
En el diagrama anterior, un ejemplo de un elemento amplificador activo es un amplificador operacional (op-amp), incluido para la señal generada según el circuito amplificador no inversor . El coeficiente de transferencia de voltaje del amplificador no inversor en el amplificador operacional:
Así, se proporciona una generación estable de una señal sinusoidal con baja distorsión y sin fluctuaciones de amplitud para:
la frecuencia de la tensión generada será entonces igual a la frecuencia cuasi-resonante del puente de Wien.
Las relaciones dadas son válidas para componentes pasivos ideales: resistencias y condensadores y elementos amplificadores activos ideales. En la práctica, el amplificador introduce las principales desviaciones de la idealidad, principalmente debido al cambio de fase interno de la señal de salida en relación con la señal de entrada, que aumenta con el aumento de la frecuencia. Por lo tanto, a alguna alta frecuencia, el "avance" del cambio de fase convertirá la retroalimentación positiva en negativa. Por lo tanto, el rango de frecuencia de las oscilaciones generadas está limitado desde arriba, en la práctica, por varios MHz.
Estabilización de amplitud y forma de onda
El mantenimiento de la relación especificada de resistencias de resistencias en circuitos prácticos de tales generadores se lleva a cabo introduciendo la dependencia de la resistencia de estas resistencias en la amplitud del voltaje a través de ellas, es decir, el uso de resistencias no lineales.
Como resistencias no lineales se utilizan termistores con coeficiente de resistencia térmica (TCS) negativo o resistencias térmicas metálicas con TCR positivo.
La esencia de estabilizar la relación de resistencia es reducir la resistencia con un aumento en la amplitud del voltaje generado, o aumentar la resistencia con un aumento en la amplitud o, respectivamente, viceversa, con una disminución en la amplitud.
Dado que la potencia liberada en la resistencia es proporcional al cuadrado del voltaje efectivo a través de ella, y la temperatura de estado estable de la resistencia es proporcional a la potencia, se utilizan para estabilizar la amplitud con un TCS negativo - termistores semiconductores , o con un TCS positivo, por ejemplo, lámparas incandescentes con un cuerpo de radiación de tungsteno .
Para la manifestación de las propiedades no lineales de las resistencias termodependientes con el fin de estabilizar la amplitud y la forma del voltaje generado, es importante que la temperatura establecida en ellas, provocada por el calentamiento de la corriente que las atraviesa, supere significativamente la temperatura ambiente. la temperatura. También es importante, para garantizar bajas distorsiones, que la constante de tiempo térmica intrínseca de las resistencias termodependientes aplicadas sea muchas veces mayor que el período de la oscilación generada. Un requisito adicional es el funcionamiento del elemento amplificador activo dentro de la linealidad de su característica de transferencia.
Además de las populares retroalimentaciones negativas termistivas no lineales descritas en dichos generadores, las retroalimentaciones negativas paramétricas se utilizan a menudo a través de redes de dos terminales con una característica de corriente-voltaje no lineal , por ejemplo, diodos zener o sistemas de seguimiento de autorregulación de amplitud. , donde los transistores de efecto de campo se usan como resistencias controladas por voltaje en el circuito de retroalimentación y fotorresistores de optoacopladores .
Aplicación
El uso tradicional de tales generadores es como generadores de señales de medición estándar. También en diversos dispositivos electrónicos donde no se requiere estabilidad de alta frecuencia con baja distorsión de la señal sinusoidal.