Oscilátory: Co to jsou? (Definice, typy a aplikace)

Co je oscilátor?

Oscilátor je obvod, který vygeneruje neustálý, opakující se, střídavý signál bez jakéhokoli vstupu. Oscilátory základně převádějí jednosměrný proud ze zdroje DC na střídavý signál požadované frekvence, jak rozhodne jeho komponenty obvodu.

Základní princip fungování oscilátorů lze pochopit analyzou chování LC tankového obvodu, jak je znázorněno na obrázku 1 níže, který používá cívek L a plně nabité kondenzátor C jako své komponenty. Zde kondenzátor začne první vypouštět elektrickou energii skrze cívku, což vede k převodu jeho elektrické energie do elektromagnetického pole, které může být uloženo v cívkovém členu. Jakmile kondenzátor úplně vypustí, nebude docházet k žádnému proudu v obvodu.

V tomto okamžiku však uložené elektromagnetické pole vygenerovalo proti-emf, což vedlo k proudu v obvodu ve stejném směru, jak bylo dříve. Tento proud v obvodu pokračuje, dokud elektromagnetické pole nezhroutí, což vede k opětovnému převodu elektromagnetické energie do elektrické formy, což způsobí opakování cyklu. Nyní by však kondenzátor měl opačnou polaritu, což vede k výstupu oscilujícího signálu.

Nicméně, oscilace, které vznikají kvůli vzájemnému převodu mezi těmito dvěma formami energie, nemohou trvat navždy, protože budou podléhat dopadu ztráty energie kvůli odporu obvodu. V důsledku toho amplituda těchto oscilací postupně klesá až k nule, což je dává tlumený charakter.

To naznačuje, že pro získání spojitých oscilací s konstantní amplitudou je třeba kompenzovat ztrátu energie. Je však třeba poznamenat, že dodaná energie musí být přesně kontrolována a musí být rovna ztrátám energie, aby byly získány oscilace s konstantní amplitudou.

To proto, že pokud je dodaná energie větší než ztracená, pak amplituda oscilací roste (Obrázek 2a), což vede k zkreslenému výstupu; zatímco pokud je dodaná energie menší než ztracená, pak amplituda oscilací klesá (Obrázek 2b), což vede k nespojitým oscilacím.

Prakticky jsou oscilátory nic jiného než zesilovačové obvody, které jsou opatřeny pozitivním nebo regenerativním zpětným vazebním systémem, kde část výstupního signálu je vracena zpět na vstup (Obrázek 3). Zde se zesilovač skládá z aktivního prvku, kterým může být tranzistor nebo operační zesilovač, a zpětně vedený signál fáze je odpovědný za udržení (podporu) oscilací náhradou za ztráty v obvodu.

Jakmile je zapnuto napájení, oscilace v systému začnou kvůli elektronickému šumu, který se v něm nachází. Tento šumový signál se pohybuje kolem smyčky, je zesílen a rychle konverguje k jednoduchému sinusovému signálu. Výraz pro uzavřenou smyčku zesílení oscilátoru znázorněného na Obrázku 3 je daný jako:

Kde A je zesílení napětí zesilovače a β je zesílení zpětnovazební sítě. Zde, pokud Aβ > 1, pak oscilace rostou v amplitudě (Obrázek 2a); zatímco pokud Aβ < 1, pak oscilace jsou tlumeny (Obrázek 2b). Na druhou stranu, Aβ = 1 vede k oscilacím s konstantní amplitudou (Obrázek 2c). Jinými slovy, to naznačuje, že pokud je zisk smyčky zpětné vazby malý, pak oscilace vymizí, zatímco pokud je zisk smyčky zpětné vazby velký, pak výstup bude zkreslený; a pouze pokud je zisk zpětné vazby jednotkový, pak oscilace budou mít konstantní amplitudu, což vede k samoúdržbě oscilačního obvodu.

Typy oscilátorů

Existuje mnoho typů oscilátorů, ale lze je rozdělit do dvou hlavních kategorií – Harmonické oscilátory (známé také jako Lineární oscilátory) a Relaxační oscilátory.

V harmonickém oscilátoru je tok energie vždy od aktivních komponent k pasivním komponentům a frekvence oscilací je určena zpětnovazební cestou.

Zatímco v relaxačním oscilátoru je energie vyměňována mezi aktivními a pasivními komponentami a frekvence oscilací je určena dobou nabíjení a vypouštění. Dále, harmonické oscilátory produkuji výstupy s nízkým zkreslením sinusové vlny, zatímco relaxační oscilátory generují nelineární (pihlíkové, trojúhelníkové nebo čtvercové) vlny.

Hlavní typy oscilátorů zahrnují:

• Wien Bridge Oscillator (oscilátor Wienův most)

• RC Phase Shift Oscillator (oscilátor RC fázový posuv)

• Hartley Oscillator (oscilátor Hartley)

• Voltage Controlled Oscillator (oscilátor řízený napětím)

• Colpitts Oscillator (oscilátor Colpitta)

• Clapp Oscillators (oscilátory Clappa)

• Crystal Oscillators (krystalové oscilátory)

• Armstrong Oscillator (oscilátor Armstronga)

• Tuned Collector Oscillator (oscilátor laděný sběrač)

• Gunn Oscillator (oscilátor Gunna)

• Cross-Coupled Oscillators (oscilátory křížově spojené)

• Ring Oscillators (oscilátory kruhové)

• Dynatron Oscillators (oscilátory dynatron)

• Meissner Oscillators (oscilátory Meissnera)

• Opto-Electronic Oscillators (optoelektronické oscilátory)

• Pierce Oscillators (oscilátory Pierce)

• Robinson Oscillators (oscilátory Robinsona)

• Tri-tet Oscillators (oscilátory Tri-tet)

• Pearson-Anson Oscillators (oscilátory Pearsona-Ansona)

• Delay-Line Oscillators (oscilátory s časovým odkladem)

• Royer Oscillators (oscilátory Royera)

• Electron Coupled Oscillators (oscilátory spojené elektrony)

• Multi-Wave Oscillators (vícevlnové oscilátory)

Oscilátory lze také klasifikovat do různých typů podle zvažovaného parametru, tj. na základě mechanismu zpětné vazby, tvaru výstupní vlny atd. Tyto klasifikační typy jsou uvedeny níže:

1. Klasifikace podle mechanismu zpětné vazby: Oscilátory s pozitivní zpětnou vazbou a oscilátory s negativní zpětnou vazbou.

2. Klasifikace podle tvaru výstupní vlny: Sine Wave Oscillators (sinusové oscilátory), Square or Rectangular Wave oscillators (oscilátory s čtvercovou nebo obdélníkovou vlnou), Sweep Oscillators (které produkuji výstupní vlnu s pilovitým tvarem), atd.

3. Klasifikace podle frekvence výstupního signálu: Nízkofrekvenční oscilátory, Audio Oscillators (jejichž výstupní frekvence je v audio pásmu), Radio Frequency Oscillators (RF oscilátory), Vysokofrekvenční oscilátory, Velmi vysokofrekvenční oscilátory, Ultra vysokofrekvenční oscilátory, atd.

4. Klasifikace podle typu použitého řízení frekvence: RC Oscillators (oscilátory RC), LC Oscillators (LC oscilátory), Crystal Oscillators (krystalové oscilátory, které používají křišťál křemen, aby dosáhly stabilizovaného výstupního signálu), atd.

5. Klasifikace podle povahy frekvence výstupní vlny: Oscilátory s pevnou frekvencí a oscilátory s proměnnou nebo laditelnou frekvencí.

Použití oscilátorů

Oscilátory jsou levným a snadným způsobem, jak vygenerovat specifickou frekvenci signálu. Například, RC oscilátor se používá k generování nízkofrekvenčního signálu, LC oscilátor se používá k generování vysokofrekvenčního signálu a oscilátor založený na operačním zesilovači se používá k generování stabilní frekvence.