Electronica
Wienbrug oscillator
TechTalk
Root server » TechTalk » Electronica » Wienbrug oscillator
De wienbrug oscillator is één van de meest voorkomende oscillatoren die een sinusspanning leveren.
-

-

Er is geen verband met een brug in Wenen, Wien is de naam van de uitvinder van de schakeling. De schakeling werd verder verbeterd en praktisch uitgewerkt door William Hewlett en David Packard. De HP200 was het eerste produkt van hun samenwerking. Het toestel werd in een garage in Califormie gebouwd. De eerste Apple computer werd trouwens ook in een garage gebouwd. Hewlett Packard was toen synoniem voor hoogwaardige electronische produkten. Dat is nu even minder het geval.

Een oscillator moet een versterkertrap hebben, maar ook een positieve terugkoppeling, zodat het signaal constant versterkt wordt, totdat de versterker zijn limieten bereikt (maximale spanning en/of stroom).

Dan is de vervorming maximaal, en het is niet wat wij wensen. Er moet een systeem bestaan om de amplitude van de oscillaties te beperken voordat de versterker gaat klippen. Oscillatoren die een blokgolfsignaal moeten leveren hebben die regeling niet.

Om een trillingskring te bouwen kan men twee weerstanden en twee condensatoren gebruiken waarmeen men een hoogpass en een laagpass filter bouwt. Bij de lage frekwenties is de impedantie van C1 hoog en wordt de uitgangsspanning beperkt. Bij hoge frekwenties vormt de condensator C2 nagenoeg een kortsluiting en beperkt nu de uitgangspanning. Bij één welbepaalde frekwentie is de verzwakking minimaal.

De frekwentie hangt af van de nauwkeurigheid van de componenten, die is doorgaans van 20% voor condensatoren en van 5% voor weerstanden. Ook spelen de verschillende impedanties in de schakeling een rol. Een afwijking van 30% ten opzichte van de berekende frekwentie is niet ongewoon.

Om de verzwakking van onze schakeling tegen te gaan hebben we een versterker nodig die het signaal driemaal versterkt en de fase omkeert om een meekoppeling te maken. Indien de versterking minder is, dan ontstaan er geen oscillaties, is de versterking meer, dan stijgt de amplitude totdat de versterker maximaal uitgestuurd wordt en er clipping optreedt.

Oscillator van Hewlett Packard met lampen

We bespreken nu even de oscillator van Hewlett Packard, de HP200. Hewlett en Packard zijn slim geweest en hebben hun apparaatnummering bij 200 laten beginnen om te doen uitschijnen dat ze reeds een groot assortiment producten hadden.

De schakeling bestaat uit twee pentodes, de eerste buis is de oscillator en de tweede buis dient om de fase om te keren om een meekoppeling te hebben. De groene lijn is de meekoppeling, die toekomt op het rooster van de oscillator (full size afbeelding).

Er is een tegenkoppeling nodig om de amplitude van het signaal te beperken, dit is het paarse gedeelte op de schakeling. De tegenkoppeling bestaat uit twee weerstanden, waarvan één instelbaar is om de amplitude in te stellen. Het sgnaal heeft de laagste vervorming als de amplitude 18 à 20V bedraagt (ongeveer 53V piek tot piek).

In de terugkoppeling zien we ook een gloeilamp. Een gloeilamp die als weerstand gebruikt wordt heeft een positieve temperatuurcoëfficient. Als de temperatuur van de gloeidraad stijgt, dan stijgt ook de weerstand, en dat is juist wat we moeten hebben. Als de amplitude van de oscillaties stijgt, dan wordt de draad van de gloeilamp warmer en stijgt zijn weerstand. De tegenkoppeling wordt daardoor sterker en de oscillaties worden minder versterkt.

Het signaal gaat verder naar een versterker bestaande uit twee pentodes, een voorversterkerpentode en een eindtrap, de welbekende 6V6. De uitgangstransormator zorgt voor een galvanische scheiding en heeft een impedantie van 500Ω. De oscillator genereert laagfrekwente signalen. Door een aparte versterker te gebruiken (los van de oscillator) bekomt men een meer stabiel signaal (amplitude en frekwentie) onafhankelijk van de belasting.

Om een efficiente stabilisatie te hebben moet de gloeilamp op 10% van zijn nominale spanning werken, bij deze spanning is de weerstandsverandering maximaal en worden de oscillaties gestabiliseerd over een breed frekwentiegebied. De gloeilamp is in de cathodekring geplaatst en stabiliseert eveneens het werkpunt van de buis.

De stabilisatie door middel van een gloeilamp werd volop gebruikt tot ver in de jaren 1970. Een nadeel is dat de oscillator niet kan werken bij zeer lage frekwenties, want de thermische traagheid van de gloeilamp is dan te laag: de weerstand verandert samen met de oscillaties. Daardoor onstaan er vervormingen van het uitgangssignaal. Dit zijn even of oneven harmonischen naargelang de gloeispanning een gelijkspanningscomponent heeft of niet. Een artikel over even en oneven harmonischen.

Alle systemen die uitgerust zijn met zenerdiodes, thermistoren of varistoren (VDR) hebben een dergelijk nadeel en het uitgangssignaal is geen mooie sinus. Het limiterend element grijpt in op de sinus en de ingreep hangt af van de amplitude van het signaal. Er is maar één systeem dat voldoening geeft, dat is een systeem waarbij de uitgangsspanning gelijkgericht en gefilterd wordt en een veldeffet transistor aanstuurt (FET). Er is een schakeling volgens dit principe verder op deze pagina.

Moderne schakeling met op-amp en gloeilamp

We willen een schakeling die zo eenvoudig mogelijk is maar goed werkt, dus met een op-amp en een gloeilamp.
De gewone op amps (zoals de LM471 en soortgenoten) zijn eigenlijk niet geschikt om een gloeilamp aan te sturen, zelfs met een lage spanning (en bijhorende lage stroom). De op amps kunnen die stroom wel leveren, maar bij die hogere stroom werken de op amps niet meer als lineaire versterker.

Een versterker die wel bruikbaar is, is de LM386, een kleine audioversterker. Het is geen echte op amp, de ingangen moeten namelijk ten opzichte van de massa gereferenceerd worden, maar in ons geval is dit geen probleem. De op amp die in staat is een kleine luidspreker aan te sturen is voldoende om een kleine gloeilamp te doen oplichten. De op amp kan een vermogen van een honderdtal mW leveren.

De gloeilamp die gebruikt moet worden is een fietsachterlicht van 6V, 50mA. Soms moet de weerstand van 390Ω in de tegenkoppeling aangepast worden om een wisselspanning van ongeveer 1V rms te bekomen (2.4Vpp). Bij een dergelijke amplitude zijn de vervormingen minimaal. De waarde van de weerstand verhogen als de amplitude te laag is, verlagen als die te groot is.

De weerstand van 10Ω en de condensator van 50nF kunnen soms nodig zijn als de versterker een luidspreker aanstuurt. Dit netwerk compenseert de faseverschuiving die veroorzaakt wordt door de zelf-inductie van de luidspreker. In het algemeen is het geen goed idee van direct een luidspreker aan te sturen, daardoor stijgen de vervormingen in het uitgangssignaal. Overigens produceert een luidspreker meer vervormingen dn de schakeling zelf, maar als het de bedoeling is een zo zuiver mogelijk signaal te bekomen, dan moet de luidspreker weg. De impedantie van de aangesloten apparaat is best 50Ω en de voedingsspanning bedraagt 9V.

Het blauwe gedeelte kan bijgevoegd worden als de oscillator moeite heeft om te starten (de versterking is beperkt tot 20dB terwijl een echte op amp doorgaans een versterking heeft in de buurt van 80 - 100dB). Normaal is de condensator niet nodig en het is beter om de waarde van de terugkoppelweerstand te wijzigen.

J-FET als variabele weerstand

De volgende schakeling heeft geen gloeilamp en gebruikt in de plaats een J-FET. Het is een normale N-junction fet van het depletion type, dat wilt zeggen dat de transistor in geleiding is als er geen gatespanning is. De weerstand van de transistor wordt hoger als de gate negatief aangestuurd wordt (de J-FET gedraagt zich als een triode). Bij -8V is de transistor uit geleiding, een situatie die hier normaal niet voorkomt.

Men kan nagenoeg alle types N-junction fet gebruiken. Gebruik je een MOSFET, dan is die meestal van het enhancement type: er is een positieve spanning nodig om de transistor in geleiding te krijgen. De schakeling moet dan aangepast worden om bij het starten een positieve spanning op de gate te hebben, die dan lager wordt als de schakeling oscilleert.

De hier gebruikte op amp is een LM324, een viervoudige op amp, maar je kan gerust andere types gebruiken. De uitgang heeft hier een relatief hoge impedantie.

Er is nog een extra verbetering aangebracht, namelijk een extra lowpass gedeelte. De weerstand moet een waarde hebben van 2× de weerstand van het frekwentienetwerk (dus 47kΩ) en de condensator moet een waarde hebben van 5× die van de condensator C2 en C3. Het filter onderdrukt de harmonischen en levert zo een proper signaal af, maar je verliest dan de mogelijkeid om de frekwentie te veranderen.

Door de verhoogde impedantie is een extra versterker sterk aangeraden. In ieder geval is een extra versterker nuttig om de oscillator los te koppelen van de belasting: de frekwentie en de amplitude blijven zo meer stabiel, ongeacht de belasting.

Een wienbrug oscillator wordt vaak gebruikt om het vermogen van een versterker te bepalen. Als het maximaal vermogen van de versterker bereikt wordt, dan stijgt de vervorming sterk. Maar dit is pas merkbaar als de bron een zuiver signaal levert.

Men kan de frekwentie wijzigen door de waarde van beide weerstanden simultaan te veranderen (daarvoor kan men een stereo-potentiometer gebruiken). Het bereik is ongeveer 10× zonder dat de weerstand in de terugkoppelkring aangepast moet worden.

Bij de schakeling hierboven: let op de weerstand van 4.7kΩ naar de plus: die is nodig om de op amp in classe-A versterking te houden. Zonder dergelijke belastingsweerstand is er een overnamevervorming als de ene transistor uit geleiding gaat voordat de andere trnsistor kan overnemen (crossover vervorming).

De uitgangstransistoren hebben geen bias (voorspanning) want de twee bases van de eindtrappen zijn samen verbonden (rode lijn). Met een weerstand die naar de plus verbonden is wordt de transistor Q11 altijd in geleiding gehouden.

Q9 is de stuurtransistor, Q15 is een stroombron, Q14 is een versterker (de stroombron levert een zeer zwakke stroom), Q12 is een bescherming die de sturing van de eindtrappen beperkt bij kortsluiting en Q11/Q13 zijn de eindtrappen.

Led en CdS cel

Er bestaan ook oscillatoren die een stabilisatie hebben door middel van een led lamp die de gelijkgerichte spanning ontvangt (de spanning is ook gefilterd om intermodulatie te voorkomen). Het licht wordt naar een cadmium-sulfide cel gestuurd (CdS) die lichtgevoelig is. De weerstand van de cel daalt als die belicht is, de werking is omgekeerd in vergelijking met een gloeilamp, waarvan de weerstand stijgt.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-