מתנד גשר וין

במדריך זה נלמד על מתנד וויין ברידג ' אשר פותח על ידי הפיזיקאי הגרמני מקס ווין. הוא פותח במקור לחישוב הקיבול במקום בו ידועים ההתנגדות והתדירות. לפני שנלך לדיון מעמיק נוסף על מה בעצם מתנד גשר וין ואיך משתמשים בו, בואו נראה מהו מתנד ומהו מתנד וין גשר.

מתנד וויין ברידג ':

כמו במדריך הקודם של מתנד RC, נדרש קבלים וקבלים לייצור העברת פאזה, ואם נחבר מגבר במפרט הפוך ונחבר את המגבר ורשתות RC עם חיבור משוב יציאת המגבר מתחילה לייצר צורת גל סינוסואידית על ידי תנודה.

בעוד מתנד גשר וין שתי רשתות RC משמשות ברחבי מגבר ולהפיק במתנד.

אבל מדוע שנבחר במתנד גשר בוינה ?

בגלל הנקודות הבאות מתנד גשר וינה הוא בחירה נבונה יותר לייצור גל סינוסי.

1. זה יציב.
2. העיוות או ה- THD (עיוות הרמוני מוחלט) נמצאים תחת מגבלה הניתנת לשליטה.
3. אנו יכולים לשנות את התדר ביעילות רבה.

כפי שנאמר בעבר שלמתנד וויין ברידג 'יש שתי רשתות RC שלביות. פירוש הדבר שהוא מורכב משני קבלים לא קוטביים ושני נגדים במערך מסנני High Pass ו- Low Pass. נגד אחד וקבל אחד בסדרה לעומת זאת קבל אחד ונגד אחד בהרכב מקביל. אם נבנה את המעגל הסכמטי יהיה פשוט להיראות כמו זה: -

כפי שניתן לראות בבירור ישנם שני קבלים ומשמשים נגדים. שניהם שלב RC המשמש כמסנן מעבר גבוה ומעבר נמוך המחובר יחד שהוא תוצר של מסנן פס מעבר אשר צוברים את תלות התדרים של שני שלבי סדר. ההתנגדות R1 ו- R2 זהה וגם הקיבול C1 ו- C2 זהה.

רווח תפוקת מתנד וויין גשר ומשמרת שלב:

מה שקורה בתוך מעגל הרשת RC בתמונה הנ"ל מעניין מאוד.

כאשר מוחל תדר נמוך התגובה הראשונה של הקבל (C1) גבוהה מספיק וחוסמת את אות הקלט ומתנגדת למעגל כדי לייצר פלט 0, לעומת זאת, אותו דבר קורה בצורה שונה עבור הקבל השני (C2) שהוא מחובר במצב מקביל. תגובת C2 הופכת נמוכה מדי ועוקפת את האות ושוב מייצרת 0 יציאות.

אך במקרה של תדר בינוני כאשר תגובת C1 אינה גבוהה ו- C2 היא תגובתיות אינה נמוכה זה ייתן פלט על פני נקודת C2. תדר זה המכונה תדר תהודה.

אם נראה לעומק בתוך המעגלים נראה כי תגובת המעגל והתנגדות המעגל שווה אם תדר התהודה מושג.

לכן, ישנם שני כללים המיושמים במקרה כזה כאשר המעגל מסופק על ידי תדר התהודה על פני הקלט.

ת. הפרש השלב של קלט ופלט שווה ל 0 מעלות.

ב. כפי שהוא ב 0 מעלות התפוקה תהיה מקסימאלית. אבל כמה? זהו קרוב או במדויק 1/3 ^מהגודל של אות הקלט.

אם אנו רואים את תפוקת המעגלים נבין את הנקודות הללו.

הפלט הוא בדיוק באותה עקומה כמו שהתמונה מראה. בתדר נמוך מ -1 הרץ התפוקה קטנה או כמעט 0 ועולה עם התדר בכניסה לתדר התהודה, וכאשר מגיעים לתדר התהודה הפלט נמצא בנקודת השיא המרבית שלו ויורד ברציפות עם הגדלת התדר ושוב זה לייצר 0 פלט בתדירות גבוהה. אז ברור שהוא עובר טווח תדרים מסוים ומייצר את הפלט. זו הסיבה שבעבר הוא תואר כמסנן מעברי פס משתנה (Frequency Band). אם נסתכל מקרוב על תזוזת הפאזה של הפלט נראה בבירור את מרווח הפאזה 0 מעלות על פני הפלט בתדירות התהודה הנכונה.

בעקומת פלט שלב זו השלב הוא בדיוק 0 מעלות בתדר התהודה והוא מתחיל מ 90 מעלות לירידה ב 0 מעלות כאשר תדר הקלט גדל עד להשגת תדר התהודה ולאחר מכן השלב ממשיך לרדת בנקודת הסיום של - 90 מעלות. ישנם שני מונחים המשמשים בשני המקרים, אם השלב חיובי הוא נקרא כ- Phase Advance ובמקרה שלילי הוא נקרא Phase Delay.

נראה את הפלט של שלב הסינון בסרטון הדמיה זה:

בסרטון זה 4.7k המשמש כ- R בשני R1 R2 וגם בקבל 10nF משמש גם ל- C1 וגם ל- C2. החלנו גל סינוסי על פני השלבים ובאוסצילוסקופ הערוץ הצהוב מראה את קלט המעגל והקו הכחול מראה את תפוקת המעגל. אם נסתכל מקרוב משרעת המוצא היא 1/3 של אות הקלט ושלב המוצא כמעט זהה לשינוי פאזה 0 מעלות בתדירות התהודה כפי שפורט קודם.

תדר תהודה ופלט מתח:

אם ניקח בחשבון R1 = R2 = R או משתמשים באותו הנגד, ולבחירת הקבל C1 = C2 = C משתמשים באותו ערך קיבול אז תדר התהודה יהיה

Fhz = 1 / 2πRC

ה- R מייצג Resistor ו- C מייצג את הקבל או את הקיבול, ו- Fhz אם תדר התהודה.

אם אנו רוצים לחשב את ה- Vout של רשת RC עלינו לראות את המעגל בצורה אחרת.

רשת RC זו עובדת עם קלט אותות AC. חישוב התנגדות המעגלים במקרה של AC ולא חישוב התנגדות המעגלים במקרה של DC הוא קצת מסובך.

רשת RC יוצרת עכבה הפועלת כהתנגדות על אות AC מוחל. למחלק מתח יש שני התנגדויות, בשלבי RC אלה שני ההתנגדויות הם עכבת המסנן הראשון (C1 R1) והעכבה של המסנן השני (R2 C2).

מכיוון שיש קבלים המחוברים לסדרה או בתצורה מקבילה, אז הנוסחה של העכבה תהיה: -

Z הוא סמל העכבה, R הוא ההתנגדות ו- Xc מייצג את התגובה הקיבולית של הקבל.

באמצעות אותה נוסחה אנו יכולים לחשב את עכבת השלב הראשון.

במקרה של השלב השני, הנוסחה זהה לחישוב הנגד המקביל המקביל,

Z הוא העכבה, R הוא ההתנגדות, X הוא הקבל

ניתן לחשב את העכבה הסופית של המעגלים באמצעות נוסחה זו: -

אנו יכולים לחשב דוגמה מעשית ולראות את התפוקה במקרה כזה.

אם נחשב את הערך ונראה את התוצאה נראה כי מתח המוצא יהיה 1/3 ממתח הקלט.

אם נחבר את פלט המסנן RC הדו-שלבי לפין קלט מגבר לא-הפוך או סיכת Vin + ונתאים את הרווח כדי להחזיר את האובדן, הפלט יפיק גל סינוסי. זהו תנודת גשר בווינה והמעגל הוא מעגל המתנד של גשר וין.

עבודה ובנייה של מתנד גשר וין:

בתמונה שלעיל, מסנן RC מחובר על פני מגבר שנמצא בתצורה לא הפוכה. R1 ו- R2 הוא נגד בעל ערך קבוע ואילו C1 ו- C2 הוא קבל גימור משתנה. על ידי שינוי הערך של שני הקבלים באותו זמן אנו יכולים לקבל תנודה נכונה מטווח נמוך לטווח עליון. זה מאוד שימושי אם ברצוננו להשתמש במתנד גשר וין כדי לייצר גל סינוסי בתדר שונה מטווח תחתון לטווח עליון. וה- R3 ו- R4 משמשים להשגת משוב על המגבר. רווח המוצא או ההגברה אמינים מאוד בשני שילובי הערכים האלה. כאשר שני שלבי ה- RC מורידים את מתח המוצא ב -1 / 3, זה חיוני להחזיר את זה בחזרה. זוהי גם אפשרות נבונה יותר להשיג רווח של פי 3 או יותר מפי 3 (עדיף פי 4).

אנו יכולים לחשב את הרווח באמצעות יחס 1+ (R4 / R3).

אם אנו שוב רואים את התמונה נוכל לראות כי נתיב המשוב של המגבר התפעולי מהפלט מחובר ישירות לשלב קלט המסנן RC. מכיוון שלמסנן RC הדו-שלבי יש מאפיין של העברת פאזה של 0 מעלות באזור תדר התהודה, ומחובר ישירות למשוב החיובי על המגבר, נניח שהוא xV + ובמשוב השלילי מוחל אותו מתח שהוא xV- באותו שלב 0 מעלות מגבר ה- op מגדיל את שני הקלטים ושולל את אות המשוב השלילי ובשל כך ממשיך כאשר הפלט המחובר על פני שלבי RC המגבר מתחיל להתנודד.

אם אנו משתמשים בקצב עצירה גבוה יותר, ניתן למקסם את תדר הפלט בתדר גבוה יותר בתדר גבוה יותר.

מעט מגברי תדר גבוהים בתדירות גבוהה נמצאים בקטע זה.

כמו כן, עלינו לזכור כי במדריך הקודם של מתנד RC שדנו בו על אפקט הטעינה, עלינו לבחור במגבר עם עכבת כניסה גבוהה יותר ממסנן RC כדי להפחית את אפקט הטעינה ולהבטיח תנודה יציבה נכונה.

• LM318A
• LT1192
• מקס 477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 שהוא 900 מגה-הרץ מגבר אופציונלי גבוה!
• LTC6409 שהוא 10 מגה-בתים מגברי GBW דיפרנציאלי. שלא לדבר על זה דורש תוספת מיוחדת למעגלים וטקטיקות תכנון RF טובות במיוחד כדי להשיג גם את תפוקת התדרים הגבוהה הזו.
• LTC160
• OPA365
• מגבר מגבר אופציונלי TSH22.

דוגמה מעשית למתנד של Wein Bridge:

בואו נחשב ערך לדוגמא מעשי על ידי בחירת ערך הנגד והקבל.

בתמונה זו, עבור המתנד RC משמש נגד 4.7k ל R1 ו- R2. וקבל גוזם המשמש עם שני קטבים מכיל 1-100nF ליכולת גיזום C1 ו- C2. בואו לחשב את תדירות התנודה עבור 1nF, 50nF ו- 100nF. כמו כן נחשב את הרווח של המגבר-על כ- R3 שנבחר כ- 100k, ו- R4 שנבחר כ- 300k.

כיוון שחישוב התדירות קל לפי הנוסחה

Fhz = 1 / 2πRC

עבור הערך C הוא 1nF ועבור הנגד הוא 4.7k התדר יהיה

Fhz = 33,849 הרץ או 33.85 קילוהרץ

עבור הערך C הוא 50nF ועבור הנגד הוא 4.7k התדר יהיה

Fhz = 677 הרץ

עבור הערך C הוא 100nF ועבור הנגד הוא 4.7k התדר יהיה

Fhz = 339Hz

אז התדר הגבוה ביותר שאנו יכולים להשיג באמצעות 1nF שהוא 33.85 Khz והתדר הנמוך ביותר שאנו יכולים להשיג באמצעות 100nF הוא 339Hz.

הרווח של המגבר-op הוא 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

אז הרווח = 1+ (300k + 100k) = 4x

המגבר-על יפיק רווח כפול פי 4 של הקלט על פני הפין ה"חיובי "הלא-הפוך.

אז על ידי שימוש בדרך זו אנו יכולים לייצר רוחב פס בתדירות משתנה Wein Bridge מתנד.

יישומים:

מתנד Wein Bridge המשמש ברמה רחבה של יישומים בתחום האלקטרוניקה, החל ממציאת הערך המדויק של הקבל, ליצירת מעגלים הקשורים למתנד יציב בשלב 0 מעלות, בגלל רמת רעש נמוכה, זה גם בחירה נבונה יותר עבור דרגות שמע שונות. יישומים בהם נדרשת תנודה רציפה.