Os circuitos osciladores produzem sinais periódicos na saída. Eles podem converter qualquer sinal DC em sinal AC com frequências diferentes dependendo de sua composição. Discutiremos o oscilador ponte de Wien, seu princípio de funcionamento junto com versões modificadas e exemplos neste artigo.
O Oscilador da Ponte de Viena
O oscilador da ponte Wein é a forma orientada para a frequência da ponte Wheatstone. Na formação da ponte, dois braços contêm apenas resistências, enquanto os outros dois contêm combinações de resistências e capacitores. Um dos braços do oscilador de ponte consiste em um circuito RC em série com outro circuito RC paralelo conforme mostrado abaixo:
As combinações capacitor-resistor de dois braços se parecem com filtros passa-alto e passa-baixo, conforme identificado na figura abaixo:
Princípio de trabalho
Quando frequências mais baixas são aplicadas, os capacitores em série oferecem reatância muito alta, uma vez que a reatância de um capacitor é inversamente proporcional à frequência, conforme dado por:
Devido à reatância muito alta, o capacitor se comporta como um circuito aberto e, portanto, a saída permanece zero.
Quando frequências mais altas são aplicadas, ambos os capacitores C1 e C2 oferecem baixa reatância e agem como um curto-circuito. Nesta situação, o sinal de entrada segue o caminho em curto-circuito de C1 e C2 para retornar à alimentação. A tensão de saída também permanece zero neste caso.
No entanto, podemos selecionar uma faixa de frequência média entre frequência muito alta e frequência muito baixa, de modo que as condições de circuito aberto e de curto-circuito possam ser evitadas. A frequência de nível médio na qual a tensão de saída parece ser máxima é conhecida como frequência de ressonância.
Representação gráfica
Na frequência de ressonância, a magnitude da saída é igual a quase um terço da tensão de entrada. O gráfico, quando traçado entre o ganho de saída e a mudança de fase, fornece uma ilustração do avanço de fase, atraso de fase e ponto de ressonância conforme mostrado abaixo:
Em baixas frequências, o ângulo de fase mostra +90 graus, indicando avanço de fase entre os sinais de entrada e saída, enquanto em altas frequências, o ângulo de fase torna-se -90 graus, indicando que haverá um atraso de fase entre os sinais de entrada e saída. O ponto de frequência média, fr indica frequências ressonantes onde dois sinais estão em fase um com o outro.
Em baixas frequências, o ângulo de fase mostra +90 graus, indicando avanço de fase entre os sinais de entrada e saída, enquanto em altas frequências, o ângulo de fase torna-se -90 graus, indicando que haverá um atraso de fase entre os sinais de entrada e saída. O ponto de frequência média, fr indica frequências ressonantes onde dois sinais estão em fase um com o outro.
Expressão de frequência do oscilador
A frequência ressonante é calculada abaixo:
Para frequência ressonante; R1=R2=R e C1=C2=C:
Oscilador Wein Bridge com Op-Amp
Os osciladores de ponte Wein também podem integrar amplificadores operacionais em seu circuito. Os terminais dos amplificadores operacionais são conectados aos dois pontos do oscilador da ponte Wein, conforme mostrado abaixo:
A única limitação desta configuração é a limitação de frequências mais altas. Os osciladores ponte Wein baseados em amplificadores operacionais devem ser operados abaixo de 1 MHz. Isso se deve ao fato das pontes Wein serem osciladores de baixa frequência entre 20 Hz e 20 kHz.
Exemplo
Considere um resistor de 20kΩ e um capacitor variável de 10nf a 2.000nf no circuito oscilador da ponte Wein. Avalie os valores máximos e mínimos das frequências de oscilação.
A frequência das oscilações é dada por:
Para a frequência mais baixa, fmin;
Para a frequência mais alta, fmax:
Conclusão
O oscilador de ponte Wein é uma combinação de redes de filtros passa-alta e passa-baixa. Ele opera na frequência ressonante onde a tensão de saída parece ser máxima. Acima e abaixo desta frequência, a saída zero é mantida.