Oscillators: Hvad er de? (Definition, Typer og Anvendelser)
Hvad er en Oscillator?
En oscillator er en kredsløb, der producerer en kontinuerlig, gentaget, alternerende bølgeform uden nogen input. Oscillatoren konverterer i princippet en ensrettet strøm fra en DC-kilde til en alternerende bølgeform, som har den ønskede frekvens, bestemt af dens kredsløbskomponenter.
Den grundlæggende princips bag oscillatorens funktion kan forstås ved at analysere opførslen af et LC-tankkredsløb, som vist på figur 1 nedenfor, der anvender en induktor L og en helt forladt kondensator C som komponenter. Her begynder kondensatoren først at udlade gennem induktoren, hvilket resulterer i konvertering af dens elektriske energi til et elektromagnetisk felt, som kan lagres i induktoren. Når kondensatoren er fuldt udladt, vil der ikke være nogen strøm i kredsløbet.
Imidlertid vil det lagrede elektromagnetiske felt indtil da have genereret en bagstrøm, der resulterer i, at strømmen i kredsløbet fortsætter i samme retning som før. Denne strøm i kredsløbet fortsætter, indtil det elektromagnetiske felt kollapser, hvilket fører til, at det elektromagnetiske energi konverteres tilbage til elektrisk form, og cyklussen gentager sig. Imidlertid vil kondensatoren nu være opladt med den modsatte polaritet, hvilket resulterer i en oscillerende bølgeform som output.
Dog kan de oscillationer, der opstår som følge af konverteringen mellem de to energiformer, ikke fortsætte evigt, da de vil være underlagt effekten af energitab pga. kredsløbets resistans. Som resultat af dette aftager amplituden af disse oscillationer stedse og bliver nul, hvilket gør dem dæmpede i sin natur.
Dette indikerer, at for at opnå kontinuerlige oscillationer med konstant amplitude, skal man kompensere for energitabet. Dog skal det bemærkes, at den leverede energi skal præcist styres og være lig med den tabte energi for at opnå oscillationer med konstant amplitude.
Dette skyldes, at hvis den leverede energi er større end den tabte energi, vil amplituden af oscillationerne øges (Figur 2a), hvilket fører til en forvredet output; mens hvis den leverede energi er mindre end den tabte energi, vil amplituden af oscillationerne aftage (Figur 2b), hvilket fører til uholdbare oscillationer.
Praktisk set er oscillatorer intet andet end forstærkerkredsløb, der er udstyret med positiv eller regenerativ feedback, hvor en del af outputsignalen fødes tilbage til input (Figur 3). Her består forstærkeren af en aktiv forstærkelement, der kan være en transistor eller en Op-Amp, og det tilbageført signal i fase er ansvarlig for at opretholde (opretholde) oscillationerne ved at kompensere for tabene i kredsløbet.
Når strømforsyningen slås til, vil oscillationerne blive initieret i systemet på grund af den elektroniske støj, der findes i det. Dette støjsignal rejser rundt i løkken, bliver forstærket og konvergerer hurtigt til en enkelt frekvens sinusbølge. Udtrykket for den lukkede løkkeforstærkning af oscillatoren, som vist på figur 3, er givet som:
Hvor A er spændingsforstærkningen af forstærkeren, og β er forstærkningen af feedbacknetværket. Her, hvis Aβ > 1, vil oscillationerne øge i amplitud (Figur 2a); mens hvis Aβ < 1, vil oscillationerne være dæmpet (Figur 2b). På den anden side fører Aβ = 1 til oscillationer med konstant amplitud (Figur 2c). Med andre ord indikerer dette, at hvis feedbackløkkeforstærkningen er lille, vil oscillationen dø ud, mens hvis forstærkningen af feedbackløkken er stor, vil outputtet være forvredet; og kun hvis forstærkningen af feedback er enhed, vil oscillationerne have konstant amplitud, hvilket fører til en selvstændig oscillationskredsløb.
Type af Oscillator
Der findes mange typer af oscillatorer, men de kan bredt inddeles i to hovedkategorier – Harmoniske Oscillatorer (også kendt som Lineære Oscillatorer) og Relaxationsoscillatorer.
I en harmonisk oscillator er energiflowet altid fra de aktive komponenter til de passive komponenter, og frekvensen af oscillationerne er bestemt af feedbackvejen.
Mens i en relaxationsoscillator udveksles energien mellem de aktive og de passive komponenter, og frekvensen af oscillationerne bestemmes af opladnings- og afladningstidskonstanter involveret i processen. Yderligere producerer harmoniske oscillatorer lav-forvredte sinusbølgeoutput, mens relaxationsoscillatorer genererer ikke-sinusformet (savtand, trekant eller firkantet) bølgeformer.
De hovedtyper af Oscillatorer inkluderer:
Wien Bridge Oscillator
RC Faseforskydning Oscillator
Hartley Oscillator
Spændingsstyret Oscillator
Colpitts Oscillator
Clapp Oscillator
Kvartzosillatorer
Armstrong Oscillator
Tuned Collector Oscillator
Gunn Oscillator
Krydsforbundne Oscillatorer
Ring Oscillatorer
Dynatron Oscillatorer
Meissner Oscillatorer
Opto-Elektroniske Oscillatorer
Pierce Oscillatorer
Robinson Oscillatorer
Tri-tet Oscillatorer
Pearson-Anson Oscillatorer
Forsinkelseslinje Oscillatorer
Royer Oscillatorer
Elektronkoppledte Oscillatorer
Multi-Bølge Oscillatorer
Oscillatorer kan også inddeles i forskellige typer afhængigt af den betragtede parameter, dvs. baseret på feedbackmekanismen, formen på outputbølgen, osv. Disse klassificeringstyper er givet nedenfor:
Klassificering Baseret på Feedbackmekanismen: Positive Feedback Oscillatorer og Negative Feedback Oscillatorer.
Klassificering Baseret på Formen på Outputbølgen: Sinusbølge Oscillatorer, Kvadrat- eller Rektangulære Bølge Oscillatorer, Sweep Oscillatorer (som producerer savtandsformede outputbølger), osv.
Klassificering Baseret på Frekvensen af Outputsignal: Lavfrekvens Oscillatorer, Audio Oscillatorer (hvis outputfrekvens er i audioområdet), Radiofrekvens Oscillatorer, Høje Frekvens Oscillatorer, Meget Høje Frekvens Oscillatorer, Ultra Høje Frekvens Oscillatorer, osv.
Klassificering Baseret på Typen af Frekvenskontrol Brugt: RC Oscillatorer, LC Oscillatorer, Kvartzosillatorer (som bruger en kvartskristal for at give en frekvensstabiliseret outputbølge), osv.
Klassificering Baseret på Natur af Frekvensen af Outputbølgen: Fast Frekvens Oscillatorer og Variabel eller Justerbar Frekvens Oscillatorer.
Anvendelser af Oscillatorer
Oscillatorer er en billig og nem måde at generere en bestemt frekvens af et signal. For eksempel bruges en RC-oscillator til at generere et lavfrekvent signal, en LC-oscillator til at generere et højt frekvent signal, og en Op-Amp-baseret oscillator til at generere en stabil frekvens.
Frekvensen af oscillationerne kan variere ved at variere komponentværdien med potentiometerarrangementer.
Nogle almindelige anvendelser af oscillatorer inkluderer:
Kvartsur (der bruger en kvartskristaloscillator)
Bruges i forskellige lyd- og videoanordninger
Bruges i forskellige radiotv- og andre kommunikationsenheder
Bruges i computere, metaldetektorer, støvsprøjter, invertere, ultralyd- og radiobølgeapplikationer.
