ما هو مذبذب جسر فيينا Wien Bridge Oscillator

من بين جميع تكوينات المذبذب منخفض التردد يُعتبر جسر “Wien” هو الأسهل في الاستخدام، حيث إنّه موثوق ويستخدم مكونات قياسية ويعطي موجة جيبية جيدة، وهو محصن إلى حد ما من نوع المرجع الذي تم تصميمه حوله، ومع ذلك يمكن أن يساء فهم جسر فيينا وتبسيطه بشكل مفرط ممّا يؤدي إلى إحباط المصمم.

ما هو مذبذب جسر فيينا Wien Bridge Oscillator؟

مذبذب “Wien-Bridge”: هو نوع من مذبذب تحول الطور الذي يعتمد على شبكة “Wien-Bridge” تتكون من أربعة أذرع متصلة بطريقة الجسر، ويكون الذراعان مقاومان تماماً بينما الذراعين الآخران عبارة عن مزيج من المقاومات والمكثفات، وعلى وجه الخصوص يحتوي أحد الأذرع على مقاوم ومكثف متصلان في سلسلة “R1″ و”C1” بينما الآخر لهما على التوازي “R2” و”C2″، ويشير هذا إلى أنّ هذين الذراعين للشبكة يتصرفان متطابقين مع مرشح التمرير العالي أو مرشح التمرير المنخفض، ممّا يحاكي سلوك الدائرة.

أساسيات مذبذب Wien Bridge Oscillator:

يُعد “Wein Bridge Oscillator” هو جهاز إلكتروني يولد موجات جيبية، وفي عام 1891م طور ماكس وين دائرة جسر لقياس الممانعات، وصمم “William R.Hewlett” مذبذب “Wein-Bridge” باستخدام دائرة جسر “Wein” ومكبر الصوت التفاضلي، حيث يتم توصيل جسر “Wein” في حلقة ردود فعل إيجابية بين ناتج مكبر الصوت والمدخلات التفاضلية.

يمكن أيضاً اعتبار هذا مرشح تمرير النطاق الذي يوفر ردود فعل إيجابية متصلة بمضخم كسب إيجابي حيث تتكون دائرة الجسر من أربعة مقاومات واثنين من المكثفات، والجسر متوازن بتردد متذبذب وله نسبة نقل منخفضة للغاية.

في هذه الدائرة عند الترددات العالية سيكون مفاعلة المكثفات “C1″ و”C2” أقل بكثير بسبب أنّ الجهد “V0” سيصبح صفراً، حيث سيتم اختصار “R2″، وبعد ذلك عند الترددات المنخفضة ستصبح تفاعلات المكثفات “C1″ و”C2” عالية جداً.

ومع ذلك حتى في هذه الحالة سيبقى جهد الناتج “V0” عند الصفر فقط، حيث سيعمل المكثف “C1” كدائرة مفتوحة، وهذا النوع من الأسلوي الذي تقدمه شبكة “Wien-Bridge” يجعلها دائرة تأخير في حالة الترددات المنخفضة والعالية على التوالي.

حساب تردد مذبذب جسر فيينا:

وسط هذين الترددين المرتفع والمنخفض يوجد تردد معين تصبح فيه قيم المقاومة والمفاعلة السعوية متساوية مع بعضها البعض، ممّا ينتج أقصى جهد ناتج. يشار إلى هذا التردد باسم تردد الطنين.

Fr= 1/ 2π (R1 C1 R2 C2)

وعندما تكون:

R1=R2 and C1=C2

Fr= 1 / 2π (RC)

علاوةً على ذلك عند هذا التردد سيصبح تحول الطور بين المدخلات والمخرجات صفراً وسيكون حجم جهد الناتج مساوياً لـ “1/3” قيمة الإدخال، وبالإضافة إلى ذلك من الملاحظ أنّ “Wien-Bridge” سيتم موازنته فقط عند هذا التردد المحدد.

مبدأ عمل مذبذب Wien-Bridge:

في حالة مذبذب “Wien-Bridge” سيتم استخدام شبكة “Wien-Bridge” في مسار التغذية الراجعة كما هو موضح أعلاه، والرسم التخطيطي لدائرة “Wein Oscillator” باستخدام “BJT” موضح تالياً:

في هذه المذبذبات سيتألف قسم مكبر الصوت من مضخم ثنائي المرحلة يتكون من الترانزستورات “Q1” و”Q2″، حيث يتم تغذية ناتج “Q2” كمدخل إلى “Q1” عبر شبكة “Wien-Bridge”، كما ستؤدي الضوضاء المتأصلة في الدائرة إلى حدوث تغيير في التيار الأساسي لـ “Q1″، والذي سيظهر عند نقطة التجميع الخاصة به بعد تضخيمه مع تحول طور بمقدار “180 درجة”.

يتم تغذية هذا كمدخل إلى “Q2” عبر “C4” ويتم تضخيمه بشكل أكبر ويظهر مع تحول طور إضافي بمقدار 180 درجة، وهذا يجعل فرق الطور الصافي للإشارة التي يتم تغذيتها مرة أخرى إلى شبكة “Wien-Bridge” حوالي “360 ​​درجة”، ممّا يفي بمعيار تحول الطور للحصول على تذبذبات مستدامة.

ومع ذلك لن يتم استيفاء هذا الشرط إلا في حالة تردد الرنين، حيث ستكون مذبذبات “Wien-Bridge” انتقائية للغاية من حيث التردد، ممّا يؤدي إلى تصميم ثابت التردد، كما يمكن تصميم مذبذبات “Wien-bridge” باستخدام “Op-Amps” كجزء من قسم مكبر الصوت الخاص بها، ومع ذلك يكون مطلوب “Op-Amp” للعمل كمضخم غير عاكس، حيث أنّ شبكة “Wien-Bridge” تقدم صفر تحول في الطور.

وعلاوةً على ذلك من الدائرة يكون جهد الناتج يتم إعادته إلى كل من أطراف الإدخال المقلوبة وغير المقلوبة، وعند تردد الطنين ستكون الفولتية المطبقة على المحطات المقلوبة وغير المقلوبة متساوية ومتوافقة مع بعضها البعض، ومع ذلك يجب أن يكون كسب الجهد للمضخم أكبر من ثلاثة لبدء التذبذبات ويساوي ثلاث للحفاظ عليها، ولا يمكن لهذا النوع من مذبذبات “Wien Bridge” المستندة إلى “Op-Amp” أن تعمل فوق “1 ميجاهرتز” بسبب القيود المفروضة عليها من خلال كسب الحلقة المفتوحة.

شبكات “Wien-Bridge”: هي مذبذبات منخفضة التردد تُستخدم لتوليد ترددات صوتية وصوتية فرعية تتراوح بين “20 هرتز” إلى “20 كيلوهرتز”، وعلاوةً على ذلك فإنّها توفر ناتجاً جيبياً مستقراً ومنخفضاً مشوهاً على نطاق واسع من التردد والذي يمكن اختياره باستخدام مربعات مقاومة العقد.

وبالإضافة إلى ذلك يمكن تغيير تردد التذبذب في هذا النوع من الدوائر بسهولة تامة لأنّه يحتاج فقط إلى تغيير المكثفات “C1” و”C2″، ومع ذلك تحتاج هذه المذبذبات عدداً عالياً من مكونات الدائرة ويمكن تفعيلها حتى تردد أقصى محدد فقط.

• “Op-Amp” هي اختصار لـ “operational amplifier”.

• “BJT” هي اختصار لـ “Bipolar Junction Transistor”.

السيطرة التلقائية في مذبذب Wien-Bridge:

للحصول على تذبذبات مستمرة يجب الحفاظ على كسب الحلقة الكلي للمذبذب عند القيمة “1”، لذلك يلزم التحكم التلقائي في الكسب لمذبذب التغذية المرتدة، ولتحقيق ذلك يتم وضع الصمام الثنائي “Zener” في شبكة التغذية المرتدة بالتوازي مع المقاومة “R3″، وعندما يصل جهد الناتج إلى مستوى جهد انهيار “Zener”، يبدأ الصمام الثنائي “Zener” في التوصيل.

سيؤدي هذا إلى قصر دائرة المقاومة “R3″، ممّا يقلل من كسب مكبر الصوت إلى 3 ويحافظ على كسب الحلقة الكلي عند 1، وطريقة التحكم في الكسب هذه سهلة ولكنّها تعاني من عدم خطية الصمام الثنائي “Zener” الذي يتسبب في حدوث تشوه في الموجات الجيبية.

للتغلب على القيد يتم وضع “JFET” في مسار الملاحظات السلبية، ويعمل “JFET” كمقاومة يتم التحكم فيها بالجهد، وباستخدام “JFET” للتحكم التلقائي في الكسب يمكن إنتاج شكل موجة جيبية مستقرة.

• “JFET” هي اختصار لـ “Junction Field-Effect Transistor”.

مزايا مذبذب Wien-Bridge:

• المكسب الإجمالي للمذبذب مرتفع؛ لأنّه يستخدم مضخماً ثنائي المرحلة.

• نظراً لعدم استخدام محاثات في الدائرة لا توجد مشكلة تداخل من المجالات المغناطيسية الخارجية.

• ينتج هذا المذبذب موجة جيبية مستقرة دون أي تشوهات.

• يمكن تغيير تردد التذبذبات عن طريق تغيير قيم المكثفات أو باستخدام المقاوم المتغير في الدائرة.

• مذبذب جسر “Wein” لديه استقرار تردد جيد.

عيوب مذبذب Wien-Bridge:

• يتطلب نوع المضخم ثنائي المرحلة للمذبذب المزيد من الأجهزة للبناء.

• لا يمكن لهذا المذبذب أن يولد ترددات عالية جداً، بسبب القيود المفروضة على قيم السعة وانزياح الطور للمكبر.

تطبيقات مذبذب Wien-Bridge:

• تستخدم بشكل كبير للاختبار الصوتي.

• يمكن إنشاء إشارات الساعة لاختبار دوائر المرشح بواسطة هذا المذبذب.

• تستخدم في اختبار تشويه مضخمات القدرة.

• تستخدم أيضاً لإثارة جسور التيار المتردد.