Wien-Brücken-Oszillator

Schaltung

Eine Wien-Robinson-Brücke ist eine Brückenschaltung, bei der ein Brückenzweig durch einen Bandpass, der andere durch einen 2:1 Spannungsteiler gebildet ist.

Filter

Frequenzgang

Der Frequenzgang zeigt ein Minimum bei der Frequenz

$\frac{1}{2\pi \cdot R \cdot C}$

wenn die beiden Widerstände und Kondensatoren im Bandpass gleich gewählt werden. Dort findet auch ein Phasensprung von -90° nach +90° statt. Daher kann die Wien-Robinson-Brücke als Sperrfilter eingesetzt werden. Da keine Spulen benötigt werden, ist das Filter auch für Tonfrequenzen und darunter einsetzbar.

Im Bild sind zwei Frequenzgänge gezeigt: die trennscharfe Kurve für ideale Bauteile, die flache Kurve, wenn R1 um 5 % erhöht ist: Schon kleine Toleranzen verschlechtern den Gütefaktor der Bandsperre bei der Resonanzfrequenz und verschieben sie.

Oszillator

Klassischer Wien-Robinson-Oszillator

Im Wien-Robinson-Oszillator wird eine Wien-Robinson-Brücke in einer Oszillatorschaltung als frequenzbestimmendes Glied eingesetzt. Dabei wird der Phasendurchgang durch 0° (Phasenverschiebung des Wien-Robinson-Gliedes gleich null) bei der Resonanzfrequenz ausgenutzt und der Verstärker auch auf 0° Phasenverschiebung ausgelegt. Das W.-R. Glied dämpft hier auf 1/3. Folglich muss der Verstärker den Verstärkungsfaktor 3 haben. Anders betrachtet ist nach obigem Bild die Brücken-Diagonalspannung im Resonanzfall null. Im Diagonalzweig liegt der OP mit seiner real nur endlichen (Leerlauf-)Verstärkung. Deshalb wird die Brücke leicht verstimmt. Deswegen und wegen der Toleranzen der Bauteile wird immer eine Amplitudenregelung benötigt.

Die Amplitudenregelung erfolgt beispielsweise durch eine Glühlampe, da sich der Widerstand des Glühfadens mit der Temperatur ändert.

• Wenn der Oszillator nicht oder zu schwach schwingt, hat die Glühlampe geringen Widerstand und die Verstärkung des OP soll größer als dreifach sein, dass Schwingungen angefacht werden.
• Wenn die Amplitude der erzeugten Schwingung steigt, erwärmt sich der Glühfaden der Lampe, der Widerstand steigt und die Verstärkung des Operationsverstärkers sinkt.

Anstelle der Glühlampe wird heute ein von einem Gleichrichter angesteuerter Feldeffekttransistor eingesetzt. Damit sind eine bessere Kontrolle über die Zeitkonstanten der Regelung und eine geringere Leistungsaufnahme möglich.

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.