ECCG / I.T.M.

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN

CAMACHO GARCIA ESTEFANIA CAROLINA

N° CONTROL: 10230890

ING. RAÚL ANTONIO ORTIZ

MINATITLÁN, VER, A 22 DE JULIO DE 2013

OSCILADOR PUENTE DE WIEN

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OSCILADOR PUENTE DE WIEN

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NINTRODUCCIÓN

Un Generador de onda senoidal, es un oscilador RC de baja frecuencia, también conocido como Oscilador Puente de Wien.

Un oscilador de puente de Wien es un tipo de oscilador que genera ondas sinusoidales sin necesidad de ninguna señal de entrada. Puede generar un amplio rango de frecuencias. El puente está compuesto de cuatro resistencias y dos condensadores.

La clave del oscilador es una efectiva estabilización de amplitud. La amplitud de los osciladores electrónicos tienden a aumentar hasta que la señal es recortada o se alcanza alguna limitación de ganancia. Hewlett usó una lámpara incandescente en la realimentación del oscilador para limitar la ganancia. La resistencia de las lámparas incandescentes aumenta a medida que su temperatura aumenta.

A continuación se presenta el trabajo sobre el oscilador en puente de Wien , el análisis del mismo y el diseño para corroborar de manera práctica (por medio de simulador) la teoría sobre la señal de salida de un amplificador operacional.

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OSCILADOR EN PUENTE DE WIEN

Es un circuito oscilador típico tanto para pequeñas frecuencias como para frecuencias moderadas en el rango de 5 Hz a 1 MHz. Se usa casi siempre en los generadores de audio comerciales y también se prefiere en aplicaciones de pequeña frecuencia.

Figura 1. a) circuito de desacoplo ; b) diagrama fasorial

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CIRCUITO DE RETARDOO

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ILA

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R E

N P

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NTE

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N

Con la utilización de números complejos, la ganancia de tensión del circuito de desacoplo de la figura 1 resulta:

Esta ecuación da lugar a una magnitud cuyo módulo es:

Y el ángulo de fase será:ɸ = arctan

donde ɸ es el ángulo de fase entre la salida y la entrada.

En este circuito la tensión de salida está atrasada con respecto a la de entrada, es decir que puede atrasar la tensión de entada en un ángulo comprendido entre 0° y 90 °.

=

=

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CIRCUITO DE ADELANTOO

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R E

N P

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N

Figura 2. a) circuito de acoplo ; b) diagrama fasorial

Y el ángulo de fase será:

ɸ = arctan

La ganancia del circuito será:

=

donde ɸ es el ángulo de fase entre la salida y la entrada. En este circuito la tensión de salida está adelantada con respecto a la tensión de entrada con respecto a la tensión de entrada. Este circuito es capaz de adelantar la tensión de entrada en un ángulo comprendido entre 0 ° y +90°.

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CIRCUITO DE RETARDO-ADELANTO

El oscilador en puente de Wien utiliza un circuito de realimentación que se denomina circuito de retardo-adelanto, a bajas frecuencias, el condensador en serie se comporta como un circuito abierto y no hay señal de salida.

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Mientras que a muy altas frecuencias, el condensador en paralelo se comporta como un cortocircuito, y no hay salida. La frecuencia donde la salida es máxima se llama frecuencia de resonancia A esta frecuencia, la fracción de realimentación alcanza un valor máximo de 1/3.

A muy bajas frecuencias la fase es positiva (adelanto), pero a muy altas frecuencias la fase es negativa (retardo).

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FÓRMULA PARA LA FRECUENCIA DE RESONANCIA

Esta ecuación tiene un valor máximo cuando = R. Para esta condición, B = 1/3 y ɸ = 0°, lo que representa la frecuencia de resonancia del circuito de retardo-adelanto.

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N

B =

ɸ = arctan

Como

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FUNCIONAMIENTOEl siguiente circuito muestra un oscilador en puente de Wien. Utiliza realimentación positiva y negativa al existir dos trayectorias de realimentación. Hay una trayectoria de realimentación positiva desde la salida , a través del circuito de retardo adelantado hasta la entrada no inversora.

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También hay una trayectoria para la realimentación negativa desde la salida, a través del divisor de tensión hasta la entrada inversora.Debido a que hay más realimentación positiva que negativa, las oscilaciones se incrementan cuando se enciende la fuente de alimentación. A medida que las oscilaciones incrementan la lámpara de tungsteno se calienta su resistencia aumenta, para este punto la ganancia de tensión en lazo cerrado disminuye a:

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= + 1 =

Como el circuito de adelanto retardo tienen una B de 1/3, la ganancia en lazo es:

= 1

La ganancia de tensión en lazo cerrado desde la entrada no inversora hasta la salida es mayor que 3 cuando la alimentación se enciende, debido a esto es mayor que 1 inicialmente. A medida que las oscilaciones se incrementen, el valor pico a pico de la salida se hará lo suficientemente grande para incrementar la resistencia de la lámpara de tungsteno.

Cuando su resistencia es igual a R´, la ganancia en lazo es igual a 1, las oscilaciones son estables y la tensión de salida tiene un valor pico a pico constante.O

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R E

N P

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CONDICIONES INICIALES

Cuando se enciende , la tensión de salida es nula y la resistencia de la lámpara es menor que R´. Cuando la tensión de salida se incrementa, la resistencia de la lámpara aumenta. Para una tensión V´, tiene una resistencia de R´. Este dato indica que tiene un valor de 3 y la ganancia en lazo se hace 1, cuando sucede esto, la amplitud de la salida se estabiliza y permanece constante.

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La resistencia de la lámpara, aumenta con la tensión

Al puente de Wien algunas veces se le denomina filtro de ranura, circuito con salida cero a una frecuencia determinada, para un puente de Wien, la frecuencia del filtro de ranura es igual a:

FILTRO DE RANURA

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PUENTE DE WIEN CONTROLADO POR RESISTENCIAS DEPENDIENTES DE LA

TEMPERATURA

En el oscilador con puente de Wien puede lograrse la variación de ganancia buscada sustituyendo R1 o R2 por una resistencia dependiente de la temperatura. Al aumentar la amplitud de salida aumenta la corriente, por lo tanto aumenta la disipación de potencia y con ella la temperatura.

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La consecuente variación de la resistencia puede ser positiva, como en el caso de la mayoría de las resistencias, o negativa, como en el termistor semiconductor. En el caso de variación positiva conviene que la resistencia variable sea R2, ya que de esa manera el aumento de tensión de salida conduce a un aumento de la realimentación negativa.

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En el caso de variación negativa conviene que sea R1, ya que de esa manera también aumenta la realimentación negativa.

Un inconveniente de estas soluciones es que se requiere una corriente relativamente elevada para lograr una variación apreciable de resistencia. Puede solucionarse con un seguidor de emisor a la salida. Ambos circuitos se muestran en la figura 3.

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Dos versiones de control automático de ganancia por medio de resistores dependientes de la temperatura en un oscilador con puente de Wien. (a) Con una pequeña lámpara incandescente de filamento de tungsteno. (b) Con un termistor

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DISEÑO DE UN CIRCUITO OSCILADOR EN PUENTE DE WIEN

Tomando como frecuencia deseada 90 KHz, tenemos los siguientes datos de la R y los capacitores. Primeramente como datos que tenemos son los siguientes:

En la rama de realimentación positiva tenemos:

R1 = R2 = R

C1 = C2 = C

Z1 = R + 1/jwC = (1+jwRC) /jwC

Z2 = R // 1/jwC = R / (1+jwRC)

La realimentación a través de la entrada positiva es

β(w) = Vi + / Vo = Z2 / (Z1 +Z2)

operando queda:

β(w) = 1 / [ 3 +j(w/wo - wo/w) ] siendo wo = 1/RC

Para obtener el valor de la resistencia, por medio de la siguiente fórmula despejamos R.

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N Si analizamos el puente de Wien , las resistencias de la rama negativa son R3 y R4, si sabemos la ganancia de la rama negativa es:

A(w)=(R3 +R4) /R4 2R4 = R3

R= = 1/ (

Como hay una trayectoria para la realimentación negativa desde la salida a través del divisor de tensión hasta la entrada inversora, debido a que hay más realimentación positiva que negativa, las oscilaciones se incrementan cuando se enciende la fuente de alimentación por eso la ganancia de tensión es mayor que 3.

=

Por eso tendremos una resistencia R4 de 10kΩ y una R3 de 20kΩ y con esto se cumple que la ganancia es 3.El circuito que se diseño es muy sensible al valor de los componentes y a la temperatura. Si la ganancia en lazo cerrado es superior a la unidad , aumentará la señal de salida y saturará el amplificador. Por esa razón la salida dejará de ser una senoide y se convertirá en una señal cuadrada.

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N

R3

172Ω

R4172Ω

R510kΩ

R7

21kΩ

V115 V

V215 V

5

0

3

2

1

0

0

U1

LM318D

3

2

4

7

6

51

8

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

6

C1

10nF

C210nFIC=5mV

4

SIMULACIÓN DEL OSCILADOR EN PUENTE DE WIEN EN MULTISIM

A continuación se presenta la simulación el Multisim del circuito oscilador en puente de Wien con una frecuencia de 90 KHz.

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NUtilizando el amp-op LM318 , tenemos la siguiente señal de salida. Visualizamos el tiempo de respuesta del amp-op, además que pusimos como condición inicial para el capacitor de atraso 5mv.

Esta condición inicial es porque el puente de Wien no tiene entrada de señal que haga que comience la oscilación, y para simular esto debemos arrancar el circuito en una situación inestable por eso se inicializa el condensador de atraso a 5mv. Esto es suficiente ya que después de esto el puente aumenta la amplitud de la oscilación.

Se probó con una condición inicial de 10 mv y con esto podemos observar más claramente el instante donde empieza a oscilar y aumenta la amplitud.

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Con ayuda de los controles SEC/DIV y Volts /Div , observamos que la señal de salida tendrá una frecuencia de 72.5 KHz y un voltaje pico-pico de 25.8V .

Así, la señal de salida dejará de ser una sinusoide para convertirse en una señal recortada debido a que el amp-op esta saturado y cuando se alcanza el limite y la saturación es elevada se obtiene una señal cuadrada. Aquí se muestra donde la onda empieza a recortarse , pareciendo una onda cuadrada.

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NCONCLUSIONES

Con este trabajo se visualizo con ayuda del simulador Multisim la señal de salida del amplificador operacional al utilizar el puente de Wien para ver como se puede generar una señal sin necesidad de tener un generador a la entrada.

Las resistencias y los capacitores de atraso y adelanto son la parte principal del puente de Wien , ya que estos son los que delimitan la amplitud de la señal de salida, además que las resistencias deben tener una relación como R4 y R3. Con este trabajo podemos ver que el puente de Wien sirve para generar ondas senoidales mientras se mantenga en su rango de saturación, ya que al sobrepasar este voltaje la onda comienza a distorsionarse y se va convirtiendo en una onda cuadrada.También este arreglo depende de los valores de los capacitores ya que al iniciar o encender la fuente de voltaje la señal se encuentra en un tiempo de paso, es decir el tiempo que tarda el capacitor en llegar a un valor máximo, como lo vimos en la simulación, tarda algunos segundo para estabilizarse. Además con ayuda de un potenciómetro en serie con la R4 podremos ver de manera más óptima el cambio de amplitud de la señal.

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NBIBLIOGRAFÍA

http://es.wikipedia.org/wiki/Oscilador_de_puente_de_Wienhttp://www.uned.es/fac-fisi/cdrom_cfisicas/asig/2ciclo/fisiind/cuarto/elect1/2pp/Tema15/prob-15-1.pdfhttp://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040015/lecciones/Capitulo5/puente.htmlhttp://daqcircuitos.net/index.php/generadores-de-senales/generador-de-onda-senoidal/91-generador-de-onda-senoidal

PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA . VI EDICIÓN. MALVINO ALBERT PAUL . PAG. 934-940 .