Осцилатори: Какво са те? (Определение, типове и приложения)
Какво е осцилатор?
Осцилатор е схема, която произвежда непрекъснат, повтарящ се, алтернативен сигнал без вход. Основната функция на осцилаторите е да преобразуват еднопосочния ток от DC източник в алтернативен сигнал с желаната честота, определена от компонентите на схемата.
Основният принцип на работата на осцилаторите може да бъде разбран, анализирайки поведението на LC резервоарна схема, показана на фигура 1 по-долу, която използва индуктивност L и напълно предварително зареден кондензатор C като свои компоненти. Първо, кондензаторът започва да се разтегля през индуктивността, което води до преобразуване на електрическата енергия в електромагнитно поле, което може да бъде съхранено в индуктивността. Когато кондензаторът се разтегли напълно, няма да има ток в схемата.
В този момент обачно, съхраненото електромагнитно поле ще генерира обратна електродвижуща сила, която ще доведе до протичане на ток в схемата в същата посока, както преди. Токът в схемата продължава да протича, докато електромагнитното поле не се разпадне, което води до обратно преобразуване на електромагнитната енергия в електрическа форма, причинявайки повторение на цикъла. Въпреки това, сега кондензаторът ще е зареден с противоположна полярност, поради което получаваме осцилиращ сигнал като изход.
Осцилациите, които възникват при взаимно преобразуване между двете форми на енергия, обачно не могат да продължават завинаги, тъй като те са подложени на влиянието на загубата на енергия поради съпротивлението на схемата. Резултатът е, че амплитудата на тези осцилации намалява постоянно, ставайки нула, което ги прави демпфирани по природа.
Това показва, че за да се получи непрекъснати осцилации с постоянна амплитуда, трябва да се компенсира загубата на енергия. Въпреки това, трябва да се отбележи, че подаваната енергия трябва да бъде точно контролирана и да е равна на загубената енергия, за да се получат осцилации с постоянна амплитуда.
Това е така, защото, ако подадената енергия е повече от загубената, амплитудата на осцилациите ще нарасне (Фигура 2a), водейки до деформиран изход; докато, ако подадената енергия е по-малко от загубената, амплитудата на осцилациите ще намалее (Фигура 2b), водейки до недържащи се осцилации.
Практически, осцилаторите са нищо друго освен усилвателни схеми, които са предоставени с положителна или регенеративна обратна връзка, при която част от изходния сигнал се връща към входа (Фигура 3). Тук усилвателят съдържа активен елемент, който може да бъде транзистор или операционен усилвател, а връщаният в фаза сигнал е отговорен за поддържане (поддържане) на осцилациите, попълвайки загубите в схемата.
Когато е включено захранването, осцилациите ще бъдат инициирани в системата поради наличието на електронен шум. Този шумов сигнал пътува около контурът, усилва се и бързо се конвертира в единичен синусоиден сигнал. Изразът за затворената петлова печалба на осцилатора, показан на Фигура 3, е следния:
Където A е напрежението на усилвателя, а β е печалбата на обратната връзка. Ако Aβ > 1, то амплитудата на осцилациите ще нарасне (Фигура 2a); докато, ако Aβ < 1, то амплитудата на осцилациите ще намалее (Фигура 2b). От друга страна, Aβ = 1 води до осцилации с постоянна амплитуда (Фигура 2c). С други думи, това означава, че ако печалбата на обратната връзка е малка, осцилациите ще загинат, докато, ако печалбата на обратната връзка е голяма, изходът ще бъде деформиран; и само ако печалбата на обратната връзка е единица, осцилациите ще са с постоянна амплитуда, водейки до самодостатъчен осцилаторен контур.
Видове осцилатори
Има много видове осцилатори, но те могат да бъдат широко класифицирани в две основни категории – Хармонични осцилатори (също известни като Линейни осцилатори) и Релаксационни осцилатори.
В хармоничния осцилатор, потокът на енергията винаги е от активните компоненти към пасивните компоненти, а честотата на осцилациите е определена от обратната връзка.
Докато в релаксационния осцилатор, енергията се разменя между активните и пасивните компоненти, а честотата на осцилациите е определена от времевите константи за зареждане и разтегляне, участващи в процеса. Освен това, хармоничните осцилатори произвеждат малко деформирани синусоидни изходни сигнали, докато релаксационните осцилатори генерират несинусоидни (зъбчати, триъгълни или правоъгълни) вълни.
Основните видове осцилатори включват:
Осцилатор на Wien Bridge
Осцилатор RC фазово смещение
Осцилатор Hartley
Осцилатор с управление на напрежението
Осцилатор Colpitts
Осцилатор Clapp
Кристални осцилатори
Осцилатор Armstrong
Осцилатор на настроен колектор
Осцилатор Gunn
Осцилатори с кръстосано свързване
Осцилатори във вид на пръстен
Осцилатор Dynatron
Осцилатор Meissner
Опто-електронни осцилатори
Осцилатор Pierce
Осцилатор Robinson
Осцилатор Tri-tet
Осцилатор Pearson-Anson
Осцилатор с линия на забавяне
Осцилатор Royer
Осцилатори с електронно свързване
Многочестотни осцилатори
Осцилаторите могат да бъдат класифицирани и в различни видове, в зависимост от параметъра, който се разглежда, т.е. според механизма на обратната връзка, формата на изходния сигнал, и т.н. Тези класификации са дадени по-долу:
Класификация според механизма на обратната връзка: Осцилатори с положителна обратна връзка и осцилатори с отрицателна обратна връзка.
Класификация според формата на изходния сигнал: Синусоидни осцилатори, правоъгълни или квадратни осцилатори, осцилатори за сканиране (които произвеждат зъбчаст изходен сигнал), и т.н.
Класификация според честотата на изходния сигнал: Осцилатори с ниска честота, аудио осцилатори (които произвеждат сигнал в аудио диапазона), радио честотни осцилатори, осцилатори с висока честота, осцилатори с много висока честота, осцилатори с ултра висока честота, и т.н.
Класификация според типа на контрола на честотата: RC осцилатори, LC осцилатори, кристални осцилатори (които използват кварцов кристал, за да се получи стабилизиран изходен сигнал), и т.н.
Класификация според природата на честотата на изходния сигнал: Осцилатори с фиксирана честота и осцилатори с променлива или настроима честота.
Приложения на осцилаторите
Осцилаторите са евтин и лесен начин за генериране на специфична честота на сигнал. Например, RC осцилатор се използва за генериране на сигнал с ниска честота, LC осцилатор се използва за
