Oscillateur à déphasage Rc

Qu'est-ce que l'oscillateur?

Un oscillateur est une construction mécanique ou électronique qui produit une oscillation en fonction de quelques variables. Nous avons tous des appareils qui nécessitent des oscillateurs, une horloge traditionnelle que nous avons tous dans notre maison comme horloge murale ou montre-bracelet, divers types de détecteurs de métaux, des ordinateurs où microcontrôleur et microprocesseurs sont impliqués utilisent tous des oscillateurs, en particulier un oscillateur électronique qui produit des signaux périodiques.

Oscillateur RC et phase:

Lorsque nous discutons de l'oscillateur RC, et comme il est également appelé oscillateur à décalage de phase, nous avons besoin d'une bonne compréhension de ce qu'est la phase. Voir cette image: -

Si nous voyons l'onde sinusoïdale ci-dessus comme celle-ci, nous verrons clairement que le point de départ du signal est de 0 degré en phase, et après cela, chaque point de crête du signal de positif à 0 puis à nouveau point négatif, puis à nouveau 0 est respectivement dénote 90 degré, 180 degrés, 270 degrés et 360 degrés en position de phase.

La phase est une période de cycle complet d'une onde sinusoïdale dans une référence à 360 degrés.

Maintenant, sans plus tarder, voyons ce qu'est le déphasage?

Si nous décalons le point de départ de l'onde sinusoïdale autre que le degré 0, la phase est décalée. Nous comprendrons le déphasage dans l'image suivante.

Dans cette image, il y a deux ondes de signal sinusoïdal CA présentées, la première onde sinusoïdale verte est en phase à 360 degrés mais la rouge qui est la réplique du premier signal de lecture est à 90 degrés de la phase du signal vert.

En utilisant l'oscillateur RC, nous pouvons décaler la phase d'un signal sinusoïdal.

Déphasage à l'aide du circuit oscillateur RC:

RC signifie résistance et condensateur. Nous pouvons simplement former un réseau résistance-condensateur à déphasage en utilisant une seule résistance et une formation de condensateur.

Comme vu dans le didacticiel du filtre passe-haut, le même circuit s'applique ici. Un oscillateur à déphasage RC typique peut être produit par un condensateur en série avec une résistance en parallèle.

Il s'agit d'un réseau à déphasage unipolaire; le circuit est le même que le filtre passe-haut passif. Théoriquement, si nous appliquons un signal en phase sur ce réseau RC, la phase de sortie sera décalée d'exactement 90 degrés. Mais si nous l'essayons en réalité et vérifions le déphasage, alors nous obtenons un déphasage de 60 degrés à moins de 90 degrés. Cela dépend de la fréquence et des tolérances des composants qui créent un effet indésirable dans la réalité. Comme nous savons tous que rien n'est parfait, il devrait y avoir une différence entre les valeurs réelles prétendues ou attendues et la réalité. La température et d'autres dépendances externes créent des difficultés pour obtenir un déphasage exact de 90 degrés, 45 degrés est en général, 60 degrés est commun en fonction des fréquences et atteindre 90 degrés est un travail très difficile dans de nombreux cas.

Comme indiqué dans le didacticiel passe-haut, nous construirons le même circuit et étudierons le déphasage du même circuit.

Le circuit de ce filtre passe-haut avec les valeurs des composants est dans l'image ci-dessous: -

C'est l'exemple que nous avons utilisé dans les didacticiels précédents sur les filtres passe-haut passifs. Il produira 4,9 KHz de bande passante. Si nous vérifions la fréquence de coin, nous identifierons l'angle de phase à la sortie de l'oscillateur.

Maintenant, nous pouvons voir que le déphasage est commencé à partir de 90 degrés, qui est le décalage de phase maximal par le réseau d'oscillateurs RC, mais au point de la fréquence de coin, le décalage de phase est de 45 degrés.

Considérant maintenant le fait que le déphasage est de 90 degrés ou si nous sélectionnons la construction du circuit de l'oscillateur comme une manière spéciale qui produira un déphasage de 90 degrés, le circuit perdra son immunité dans la plage des limites en raison d'un faible facteur de stabilisation de fréquence. Comme nous pouvons l'imaginer au point de 90 degrés où la courbe vient de commencer comme du 10Hz ou plus bas au 100Hz est presque plate. Cela signifie que si la fréquence de l'oscillateur a légèrement changé en raison de la tolérance des composants, de la température ou d'autres circonstances inévitables, le déphasage ne changera pas. Ce n'est pas un bon choix. Nous considérons donc que 60 ou 45 degrés est le déphasage acceptable pour un oscillateur de réseau RC unipolaire. La stabilité de fréquence s'améliorera.

Filtres RC multiples en cascade:

Filtres RC en cascade trois:

En considérant ce fait que nous ne pouvons pas atteindre seulement un déphasage de 60 degrés au lieu de 90 degrés, nous pouvons mettre en cascade trois filtres RC (si le déphasage est de 60 degrés par les oscillateurs RC) ou en cascadant quatre filtres en série (si le déphasage est 45 degrés par chaque oscillateur RC) et obtenez 180 degrés.

Dans cette image, trois oscillateurs RC en cascade et à chaque fois un déphasage de 60 degrés ajouté et enfin, après la troisième étape, nous obtiendrons un déphasage de 180 degrés.

Nous construirons ce circuit dans un logiciel de simulation et verrons la forme d'onde d'entrée et de sortie du circuit.

Avant d'entrer dans la vidéo, voyons l'image du circuit et voyons également la connexion de l'oscilloscope.

Dans l'image supérieure, nous avons utilisé un condensateur de 100pF et une valeur de résistance de 330k. L'oscilloscope est connecté à l'entrée VSIN (canal A / jaune), à ​​la sortie du premier pôle (canal B / bleu), à la sortie du 2 ^nd pôle

(canal C / rouge) et à la sortie finale au troisième pôle (canal D / vert).

Nous verrons la simulation dans la vidéo et verrons le changement de phase à 60 degrés sur le premier pôle, 120 degrés sur le deuxième pôle et 180 degrés sur le troisième pôle. L'amplitude du signal sera également minimisée étape par étape.

1 ^er amplitude pôle> 2ème amplitude pôle> 3ème amplitude pôle. Plus on va vers le dernier pôle le décrément d'amplitude du signal est décroissant.

Maintenant, nous allons voir la vidéo de simulation: -

Il est clairement montré que chaque pôle change activement les déphasages et à la sortie finale, il est décalé à 180 degrés.

Filtres en cascade quatre RC:

Dans l'image suivante, quatre oscillateurs à déphasage RC utilisés avec un déphasage de 45 degrés chacun, qui produisent un déphasage de 180 degrés à l'extrémité du réseau RC.

Oscillateur à déphasage RC avec transistor:

Ce sont tous des éléments ou des composants passifs de l'oscillateur RC. Nous obtenons le déphasage de 180 degrés. Si nous voulons effectuer un déphasage de 360 ​​degrés, il faut alors un composant actif qui produit un déphasage supplémentaire de 180 degrés. Ceci est fait par un transistor ou un amplificateur et nécessite une tension d'alimentation supplémentaire.

Dans cette image, un transistor NPN est utilisé pour produire un déphasage de 180 degrés tandis que le C1R1 C2R2 C3R3 produira 60 degrés de retard de phase. Donc, accumuler ces trois déphasages de 60 + 60 + 60 = 180 degrés se fait, d'autre part, ajouter un autre 180 degrés par le transistor total de déphasage de 360 ​​degrés est créé. Nous obtiendrons un déphasage de 360 ​​degrés sur le condensateur électrolytique C5. Si nous voulons changer la fréquence de cette seule façon de changer la valeur des condensateurs ou d'utiliser un condensateur prédéfini variable sur ces trois pôles individuellement en éliminant les condensateurs fixes individuels.

Une connexion de retour est établie pour récupérer les énergies vers l'amplificateur en utilisant ce réseau RC tripolaire. Il est nécessaire pour une oscillation positive stable et pour produire une tension sinusoïdale. En raison de la

connexion de rétroaction ou de la configuration, l' oscillateur RC est un oscillateur de type rétroaction.

En 1921, le physicien allemand Heinrich Georg Barkhausen a introduit le «critère de Barkhausen» pour déterminer la relation entre les déphasages à travers la boucle de rétroaction. Selon le critère, le circuit n'oscille que si le déphasage autour de la boucle de rétroaction est égal ou multiple de 360 ​​degrés et le gain de la boucle est égal à un. Si le déphasage est précis à la fréquence souhaitée et que la boucle de rétroaction crée une oscillation de 360 ​​degrés, la sortie sera une onde sinusoïdale. Le filtre RC sert à atteindre cet objectif.

Fréquence de l'oscillateur RC:

On peut facilement déterminer la fréquence de l'oscillation en utilisant cette équation: -

Où,

R = Résistance (Ohms)

C = Capacitance

N = Nombre de réseau RC est / sera utilisé

Cette formule est utilisée pour la conception liée au filtre passe-haut, nous pouvons également utiliser un filtre passe-bas et le déphasage sera négatif. Dans ce cas, la formule supérieure ne fonctionnera pas pour calculer la fréquence de l'oscillateur, une formule différente sera applicable.

Où,

R = Résistance (Ohms)

C = Capacitance

N = Nombre de réseau RC est / sera utilisé

Oscillateur à décalage de phase RC avec ampli-op:

Comme nous pouvons construire un oscillateur à déphasage RC en utilisant Transistor, c'est-à-dire BJT, il existe également d' autres limitations avec Transistor.

1. Il est stable pour les basses fréquences.
2. En n'utilisant qu'un seul BJT, l'amplitude de l'onde de sortie n'est pas parfaite, des circuits supplémentaires sont nécessaires pour stabiliser l'amplitude de la forme d'onde.
3. La précision de la fréquence n'est pas parfaite et n'est pas à l'abri des interférences bruyantes.
4. Effet de chargement indésirable. En raison de la formation en cascade, l'impédance d'entrée du deuxième pôle modifie les propriétés de résistance des résistances du filtre du premier pôle. Plus les filtres sont en cascade, plus la situation s'aggrave car elle affectera la précision de la fréquence calculée de l'oscillateur à déphasage.

En raison de l'atténuation à travers la résistance et le condensateur, la perte à travers chaque étage est augmentée et la perte totale est approximativement la perte totale de 1/29 ^ème du signal d'entrée.

Comme le circuit s'atténue au 1/29 ^e, nous devons récupérer la perte.

C'est le moment de changer le BJT avec un ampli-op. Nous pouvons également récupérer ces quatre inconvénients et obtenir plus de marge de manœuvre sur le contrôle si nous utilisons un ampli opérationnel à la place du BJT. En raison de l'impédance d'entrée élevée, l'effet de charge est également contrôlé efficacement car l'impédance d'entrée de l'ampli-op favorise l'effet de charge global.

Maintenant, sans autre modification , changeons le BJT avec un ampli-op et voyons quel sera le circuit ou le schéma de l'oscillateur RC utilisant un ampli-op.

Comme nous pouvons le voir, Just BJT a été remplacé par un ampli-op inversé. La boucle de rétroaction est connectée à travers l'oscillateur RC du premier pôle et alimente la broche d'entrée inversée de l'ampli-op. En raison de cette connexion de rétroaction inversée, l' amplificateur opérationnel produira un déphasage de 180 degrés. Un déphasage supplémentaire de 180 degrés sera fourni par les trois étages RC. Nous obtiendrons la sortie souhaitée d'une onde déphasée à 360 degrés sur la première broche de l' ampli-op nommé OSC out. Le R4 est utilisé pour la compensation de gain de l'ampli opérationnel. Nous pouvons modifier les circuits pour obtenir une sortie oscillée à haute fréquence, mais en fonction de la bande passante de la plage de fréquences de l'ampli opérationnel.

En outre, pour obtenir le résultat souhaité, nous devons calculer la résistance de gain R4 pour atteindre 29 ^e plus grande amplitude fois sur amplificateur que nous avons besoin pour compenser la perte de 1/29 ^e à travers les étapes RC.

Voyons voir, nous allons créer un circuit avec la valeur des composants réels et voir quelle sera la sortie simulée de l'oscillateur à déphasage RC.

Nous utiliserons une résistance de 10k ohms et un condensateur de 500pF et déterminerons la fréquence de l'oscillation. Nous calculerons également la valeur de la résistance de gain.

N = 3, car 3 étapes seront utilisées.

R = 10000, comme 10k ohms convertis en ohms

C = 500 x 10 ^-12 en tant que valeur du condensateur est 500pF

La sortie est de 12995Hz ou la valeur relativement proche est de 13 KHz.

Comme le gain amplificateur est nécessaire 29 ^e fois la valeur de la résistance de gain est calculé selon la formule suivante: -

Gain = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k

C'est ainsi que l' oscillateur à décalage de phase est construit à l'aide de composants RC et d'un amplificateur opérationnel.

Les applications de l'oscillateur à déphasage RC comprennent des amplificateurs dans lesquels le transformateur audio est utilisé et un signal audio différentiel est nécessaire mais le signal inversé n'est pas disponible, ou si la source de signal CA est nécessaire pour une application, un filtre RC est utilisé. En outre, le générateur de signal ou le générateur de fonction utilise un oscillateur à déphasage RC.