المذبذبات: ما هي؟ (التعريف، الأنواع، والتطبيقات)
ما هو المذبذب؟
المذبذب هو دارة تنتج موجة متصلة متكررة متناوبة دون أي إدخال. بشكل أساسي، تقوم المذبذبات بتحويل التيار الأحادي الاتجاه من مصدر DC إلى موجة متناوبة تكون بتردد مرغوب يحدده مكونات الدارة.
يمكن فهم المبدأ الأساسي وراء عمل المذبذبات من خلال تحليل سلوك دائرة LC كما هو موضح في الشكل 1 أدناه، والتي تستخدِم مكثفًا L ومكثفًا C مُشحَّنًا بالكامل كمكوناتها. هنا، في البداية، يبدأ المكثف في التفريغ عبر الملف، مما يؤدي إلى تحويل طاقته الكهربائية إلى مجال كهرومغناطيسي يمكن تخزينه في الملف. بمجرد أن يتفريغ المكثف تمامًا، لن يكون هناك تيار يتدفق في الدارة.
ومع ذلك، بحلول ذلك الوقت، سيكون المجال الكهرومغناطيسي المتولد قد أدى إلى ظهور توتر عكسي أدى إلى تدفق التيار في الدارة بنفس الاتجاه السابق. يستمر تدفق التيار في الدارة حتى ينهار المجال الكهرومغناطيسي مما يؤدي إلى تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية مرة أخرى إلى شكل كهربائي، مما يجعل الدورة تتكرر. ومع ذلك، الآن سيكون المكثف مشحونًا بأقطاب معاكسة، مما يؤدي إلى الحصول على موجة مذبذبة كإخراج.
ومع ذلك، فإن التذبذبات التي تنشأ بسبب التحويل المتبادل بين هذين الشكلين من الطاقة لا يمكن أن تستمر إلى الأبد لأنها ستتعرض لتأثير فقدان الطاقة بسبب مقاومة الدارة. نتيجة لذلك، تنخفض سعة هذه التذبذبات بشكل مستقر لتصل إلى الصفر، مما يجعلها مخمدة بطبيعتها.
هذا يشير إلى أنه للحصول على تذبذبات مستمرة وسعتها ثابتة، يجب تعويض فقدان الطاقة. ومع ذلك، يجب ملاحظة أن الطاقة المقدمة يجب أن تكون محكومة بدقة ويجب أن تكون مساوية للطاقة المفقودة للحصول على تذبذبات ذات سعة ثابتة.
وهذا لأنه إذا كانت الطاقة المقدمة أكبر من الطاقة المفقودة، فستزداد سعة التذبذبات (الشكل 2أ) مما يؤدي إلى إخراج محرف؛ بينما إذا كانت الطاقة المقدمة أقل من الطاقة المفقودة، فستنخفض سعة التذبذبات (الشكل 2ب) مما يؤدي إلى تذبذبات غير مستدامة.
عمليًا، المذبذبات ليست سوى دارات مكبرة يتم تزويدها بإعادة تغذية إيجابية أو متجددة حيث يتم تغذية جزء من الإشارة الخرجية إلى الإدخال (الشكل 3). هنا يتكون المكبر من عنصر نشط مكبر يمكن أن يكون ترانزيستورًا أو مكبرًا للعملية والإشارة المرتدة في الطور نفسها مسؤولة عن الحفاظ (الاستدامة) على التذبذبات بتوفير التعويض عن الخسائر في الدارة.
بمجرد تشغيل مصدر الطاقة، سيتم بدء التذبذبات في النظام بسبب الضوضاء الإلكترونية الموجودة فيه. هذه الإشارة الضوضائية تنتقل حول الحلقة، يتم تكبيرها وتتقارب بسرعة إلى موجة جيبية واحدة. يتم إعطاء معادلة المكسب للحلقة المغلقة للمذبذب الموضح في الشكل 3 كالتالي:
حيث A هي مكاسب الجهد للمكبر وβ هي مكاسب شبكة التغذية العكسية. هنا، إذا كان Aβ > 1، فستزداد سعة التذبذبات (الشكل 2أ)؛ بينما إذا كان Aβ < 1، فستكون التذبذبات مخمدة (الشكل 2ب). من ناحية أخرى، Aβ = 1 يؤدي إلى تذبذبات ذات سعة ثابتة (الشكل 2ج). بعبارة أخرى، هذا يشير إلى أن إذا كانت مكاسب حلقة التغذية العكسية صغيرة، فسوف تموت التذبذبات، بينما إذا كانت مكاسب حلقة التغذية العكسية كبيرة، فسوف يكون الإخراج مشوهًا؛ وإذا كانت مكاسب التغذية العكسية موحدة، فستكون التذبذبات ذات سعة ثابتة مما يؤدي إلى دائرة تذبذبية ذات استدامة ذاتية.
أنواع المذبذبات
هناك العديد من أنواع المذبذبات، ولكن يمكن تصنيفها بشكل عام إلى فئتين رئيسيتين - المذبذبات التوافقية (وتعرف أيضًا بالمذبذبات الخطية) والمذبذبات الاسترخائية.
في المذبذب التوافقي، يكون تدفق الطاقة دائمًا من المكونات النشطة إلى المكونات السلبية ويتم تحديد تردده بواسطة مسار التغذية العكسية.
بينما في المذبذب الاسترخائي، يتم تبادل الطاقة بين المكونات النشطة والسلبية ويتم تحديد تردده بواسطة الثوابت الزمنية للشحن والتفريغ المعنية في العملية. بالإضافة إلى ذلك، تنتج المذبذبات التوافقية إخراجًا ذو موجة جيبية قليلة التشوه بينما تولد المذبذبات الاسترخائية موجات غير جيبية (مثل الموجة المنشارية أو المثلثية أو المربعية).
تشمل أنواع المذبذبات الرئيسية:
مذبذب جسر وين
مذبذب تحويل الطور RC
مذبذب هارتلي
مذبذب متحكم بالجهد
مذبذب كولبيتس
مذبذبات كلاب
مذبذبات الكريستال
مذبذب آرمسترونغ
مذبذب جامع متناغم
مذبذب غان
مذبذبات متصلة متقاطعة
مذبذبات الحلقة
مذبذبات الديناترون
مذبذبات مايسنر
مذبذبات ضوئية-كهربائية
مذبذبات بييرس
مذبذبات روبنسون
مذبذبات تري-تت
مذبذبات بيرسون-أنسون
مذبذبات خط التأخير
مذبذبات روير
مذبذبات مترابطة الكترونيًا
مذبذبات متعددة الأمواج
يمكن أيضًا تصنيف المذبذبات إلى أنواع مختلفة اعتمادًا على المعلمة المعينة، أي بناءً على آلية التغذية العكسية، وشكل الإشارة الخرجية، وما إلى ذلك. تم تقديم هذه أنواع التصنيف أدناه:
التصنيف بناءً على آلية التغذية العكسية: المذبذبات ذات التغذية العكسية الإيجابية والمذبذبات ذات التغذية العكسية السالبة.
التصنيف بناءً على شكل الإشارة الخرجية: المذبذبات ذات الموجة الجيبية، والمذبذبات ذات الموجة المربعة أو المستطيلة، والمذبذبات المسحية (والتي تنتج موجة خرجية على شكل منشار)، وما إلى ذلك.
التصنيف بناءً على تردد الإشارة الخرجية: المذبذبات ذات التردد المنخفض، والمذبذبات الصوتية (التي يكون تردد خرجها ضمن نطاق الصوت)، والمذبذبات ذات التردد الراديوي، والمذبذبات ذات التردد العالي، والمذبذبات ذات التردد جد العالي، والمذبذبات ذات التردد الفائق، وما إلى ذلك.
التصنيف بناءً على نوع التحكم في التردد المستخدم: المذبذبات RC، والمذبذبات LC، والمذبذبات الكريستالية (التي تستخدم كريستال الكوارتز لإنتاج موجة خرجية مستقرة التردد)، وما إلى ذلك.
التصنيف بناءً على طبيعة تردد الإشارة الخرجية: المذبذبات ذات التردد الثابت والمذبذبات ذات التردد المتغير أو القابل للضبط.
تطبيقات المذبذبات
المذبذبات هي وسيلة رخيصة وبسيطة لإنتاج تردد محدد للإشارة. على سبيل المثال، يتم استخدام مذبذب RC لإنتاج إشارة ذات تردد منخفض، يتم استخدام مذبذب LC لإنتاج إشارة ذات تردد عالٍ، ويتم استخدام مذبذب مبني على مكبر للعملية لإنتاج تردد مستقر.
يمكن تغيير تردد التذبذب بتغيير قيمة المكون باستخدام ترتيبات المقاومة المتغيرة.
تشمل بعض التطبيقات الشائعة للمذبذبات:
الساعات الكوارتزية (التي تستخدم مذبذب الكريستال)
مستخدمة في مختلف الأنظمة الصوتية والفيديو
مستخدمة في مختلف أجهزة الراديو والتلفزيون وغيرها من أجهزة الاتصال
مستخدمة في الكمبيوترات وأجهزة الكشف عن المعادن والسلاح الصاعق والمحولات والتطبيقات فوق الصوتية والتrequency applications.
مستخدمة لتوليد نبضات الساعة للمعالجات الدقيقة والمعالجات الدقيقة
