Mạch cầu Wien là gì

Mạch cầu Wien sử dụng trong các mạch xoay chiều để xác định giá trị của tần số chưa biết. Cầu đo các tần số từ 100Hz đến 100kHz. Độ chính xác của cầu nằm trong khoảng 0,1 đến 0,5 phần trăm. Cầu được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau như đo điện dung, phân tích biến dạng hài và trong bộ dao động tần số HF.

Cầu Wien nhạy cảm với tần số. Do đó, rất khó để có được điểm cân bằng. Điện áp nguồn đầu vào không hoàn toàn là hình sin và có một số sóng hài. Sóng hài của điện áp nguồn làm xáo trộn điều kiện cân bằng của cầu. Để khắc phục vấn đề này, bộ lọc được sử dụng trong cầu. Bộ lọc mắc nối tiếp với bộ chỉ báo mức không (null detector).

Đối với các tần số dưới 1MHz, bộ dao động RC thiết thực hơn loại LC do kích thước vật lý và chi phí của các cuộn cảm và tụ điện được yêu cầu ở tần số thấp. Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh với bộ tạo dao động RC khi cần tần số thay đổi.

Trong bộ dao động LC, một mạch điều chỉnh đơn sẽ điều khiển tần số, có thể thay đổi tần số này đơn giản bằng cách tạo một cuộn cảm đơn hoặc một tụ điện đơn có thể thay đổi. Tần số dao động trong loại RC, chẳng hạn như bộ dao động dịch pha, được điều khiển bằng cách sử dụng nhiều kết hợp RC để tạo ra lượng dịch pha chính xác ở tần số yêu cầu.

Do đó, để thay đổi tần số, cần phải thay đổi giá trị của ít nhất ba linh kiện, các điện trở hoặc các tụ điện đồng thời. Mặc dù có thể sản xuất các tụ điện biến thiên, nhưng kích thước của tụ điện cần thiết ở tần số thấp (ví dụ: âm thanh) lại quá lớn.

Cũng có thể sản xuất nhiều điện trở thay đổi nhưng rất khó để đảm bảo rằng việc theo dõi các linh kiện đó đủ chính xác, tức là vì điện trở của nhiều điện trở khác nhau, chúng phải thay đổi điện trở của chúng với tốc độ như nhau. Một lần nữa chi phí cho các linh kiện phù hợp trở nên không thực tế cho nhiều mục đích.

Ngoài ra, có thể chế tạo bộ dao động cầu Wien có mức độ méo rất thấp so với thiết kế dịch pha.

Mạch cầu Wien gốc như trong hình dưới được phát triển vào năm 1891 với mục đích đo chính xác các giá trị của tụ điện.

Ví dụ, để tìm giá trị chưa biết của C1, khi các giá trị linh kiện khác đã biết, tín hiệu xoay chiều được đặt trên mạch và giá trị của linh kiện khác (ví dụ: R1) được thay đổi bởi một chiết áp đã hiệu chuẩn. Đến một lúc nào đó, cầu sẽ ‘cân bằng’ khi tỷ số điện trở ở cánh tay R3 / R4 khớp với tỷ số điện trở ở hai nửa cánh tay gồm C1, R1, C2 và R2. Có thể biết được điều này nhờ hai bên ‘cầu’ ampe kế có cùng một điện thế do đó đồng hồ sẽ hiển thị dòng điện bằng không. Tại thời điểm này có thể tính được giá trị của tụ C1 chưa biết.

Công dụng thứ hai của cầu Wien là đo một tần số không xác định. Nếu tất cả các giá trị linh kiện đã biết, có thể sử dụng quy trình cân bằng cầu tương tự để đo bằng cách tính tần số nguồn AC.

Khi cầu Wien được sử dụng trong bộ dao động R1 C1 và R2 C2 điều khiển tần số, các điện trở khác (R3 và R4 trong mạch cầu của hình trên) được thay thế bằng điện trở phản hồi (R3) và điều khiển độ lợi (R4) ) của bộ khuếch đại không đảo như trong hình dưới.

Ưu điểm của việc sử dụng mạch này trong bộ tạo dao động cầu Wien là có thể dễ dàng điều khiển tần số bằng cách thay thế R1 và R2 bằng một biến trở hai phần như trong hình dưới.

Phần mạch điện trong hình trên là hai bộ lọc RC, thông cao và thông thấp, trong đó R1 = R2 và C1 = C2. Hoạt động kết hợp của các bộ lọc này là tạo thành bộ lọc thông dải có trở kháng cao ở một tần số cụ thể có thể được tính bằng công thức: