Oscillatore a ponte di Wien

 

Generalità

L’oscillatore di Wien utilizza un ponte di Wien, cioè un quadrilatero di impedenze utilizzato in elettrotecnica per le misure di capacità.

L’oscillatore viene realizzato collegando la tensione di sbilanciamento del ponte, prelevata sulla diagonale di rivelazione, all’ingresso differenziale di un amplificatore operazionale ed alimentando il ponte con la tensione di uscita Vo dello stesso operazionale.

Circuito di base

Esso è costituito da:

punto elenco

Un amplificatore non invertente, di guadagno A=1+R2/R1, la cui uscita Vo costituisce l’ingresso della rete di reazione;

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Una rete di reazione formata da una rete lead-lag , R in serie a C + R in parallelo a C ;          l’uscita Vf di tale rete è applicata all’ingresso non invertente dell’amplificatore.

Analisi del circuito

Dato che l’amplificatore presenta una impedenza di ingresso molto alta ed una di uscita piccola, si può ritenere che la funzione di trasferimento della rete passiva di Wien non venga alterata dall’amplificatore. In queste condizioni risulta:

E quindi per una frequenza    risultano:

   

Dimostrazione di β

 

L’amplificatore, essendo non invertente, non introduce alcun sfasamento. Pertanto , dovendo essere nullo lo sfasamento del guadagno di anello A β, ne deriva che anche la rete di retroazione non deve introdurre alcun sfasamento, per cui il coefficiente β deve essere reale.

Questa condizione si ottiene imponendo che la parte immaginaria del coefficiente β alla pulsazione di oscillazione wo sia nulla, cioè:

A.G.C.: controllo automatico di guadagno con termistori

Il controllo automatico di guadagno( A.G.C.) si può effettuare utilizzando elementi non lineari ( per es. Termistori), i quali variano la loro resistenza con la temperatura: si può utilizzare un PTC al posto di R1 o un NTC al posto di RF.

C.A.G.: controllo automatico di guadagno con PTC

Del componente PTC si conosce la caratteristica RPTC= f (IPTC), dalla quale si nota che per IPTC =0 la sua resistenza è minore del valore R1 di regime, per cui risulta A>3.

Non appena la tensione Vo comincia a crescere , aumenta anche la corrente nel PTC e di conseguenza diminuisce la RPTC, finchè alla corrente Io non risulta RPTC= R1reg, per cui risulta A=3 e quindi Aβ=1; a questo punto l’uscita non aumenta più e si mantiene costante.

La stabilizzazione della tensione di uscita si conserva anche nel caso di variazioni accidentali delle caratteristiche dei componenti (invecchiamento); infatti, ad un aumento di Vo rispetto alle condizioni di regime corrisponde un valore di RPTC > R1reg, che produce una reazione negativa e quindi A<3 con conseguente riduzione di Vo.

C.A.G.: controllo automatico di guadagno con NTC

Del componente NTC si conosce la caratteristica RNTC= f (INTC), dalla quale si nota che per IPTC = 0 la sua resistenza è maggiore del valore R1 di regime, per cui risulta A>3.

Non appena la tensione Vo comincia a crescere , aumenta anche la corrente nel PTC e di conseguenza diminuisce la RPTC, finchè alla corrente Io non risulta RPTC= R1reg, per cui risulta A=3 e quindi Aβ=1; a questo punto l’uscita non aumenta più e si mantiene costante.

Regolazione della frequenza di oscillazione fo

La regolazione della frequenza fo si ottiene variando contemporaneamente il valore di ciascuna delle due capacità mediante condensatori coassiali. Talvolta la regolazione si ottiene modificando il valore delle due resistenze R= R3+Rp mediante potenziometri o trimmer coassiali, affidando il cambio di portata alla eguale variazione della capacità C .

A.G.C con diodi

All’accensione il segnale di uscita è praticamente nullo e di conseguenza i due diodi risultano interdetti; essendo la resistenza R4 disinserita, il guadagno dell’amplificatore è regolato dalla R3, dimensionata in modo che il guadagno di anello sia maggiore di 3 .

Al crescere dell’ampiezza dell’uscita i diodi vanno alternativamente in conduzione, D1 dalle semionde positive di Vo e D2 da quelle negative, risultando dei cortocircuiti. In tal caso il guadagno dell’amplificatore è regolato dal parallelo R2//R3 , dimensionato in modo che R2//R3=2R1, che permette il mantenimento dell’oscillazione.

A.G.C con JFET a canale N

Il controllo del guadagno viene realizzato sostituendo alla resistenza R1 dell’amplificatore non invertente la rete di figura Il segnale Vin sinusoidale, inviato alla rete di pilotaggio del transistore JFET, viene raddrizzato dal diodo D, eliminando le semionde positive; si ottiene una tensione pulsante negativa, che, filtrata dal gruppo RF - CF , genera una tensione VGS continua e negativa che produce tra drain e source una resistenza variabile dipendente, quindi , da da Vin.

Per VGS=0 la resistenza rDS del JFET è bassa e quindi determina un elevato guadagno dell’amplificatore innescando le oscillazioni. Al crescere di Vo e quindi anche di VGS aumenta il valore di rDS, diminuisce di conseguenza il guadagno dell’amplificatore , fino al raggiungimento della condizione di equilibrio del mantenimento dell’oscillazione.