Oszillatoren: Was sind sie? (Definition, Arten und Anwendungen)
Was ist ein Oszillator?
Ein Oszillator ist ein Schaltkreis, der eine kontinuierliche, wiederholte, wechselnde Spannungswelle ohne Eingangssignal erzeugt. Oszillatoren wandeln grundsätzlich den unidirektionalen Stromfluss aus einer Gleichstromquelle in eine Wechselspannungswelle um, die die gewünschte Frequenz hat, wie von den Schaltkreiselementen bestimmt.
Das grundlegende Prinzip des Funktionsmodus von Oszillatoren kann durch die Analyse des Verhaltens eines LC-Tankschaltkreises verstanden werden, wie in Abbildung 1 unten dargestellt, der einen Induktor L und einen vollständig vorbelasteten Kondensator C als Komponenten verwendet. Zunächst beginnt der Kondensator, über den Induktor abzulaufen, was zur Umwandlung seiner elektrischen Energie in das elektromagnetische Feld führt, das im Induktor gespeichert werden kann. Sobald der Kondensator vollständig entladen ist, fließt kein Strom mehr im Schaltkreis.
Doch bis dahin hat das gespeicherte elektromagnetische Feld eine Gegen-EMF erzeugt, was zu einem Stromfluss im Schaltkreis in derselben Richtung wie zuvor führt. Dieser Stromfluss im Schaltkreis setzt sich fort, bis das elektromagnetische Feld zusammenbricht, was zur Rückumwandlung der elektromagnetischen Energie in elektrische Energie führt, wodurch der Zyklus wiederholt wird. Allerdings ist der Kondensator jetzt mit der entgegengesetzten Polarität geladen, was zu einer oszillierenden Spannungswelle als Ausgang führt.
Die durch die gegenseitige Umwandlung der beiden Energien entstehenden Oszillationen können jedoch nicht ewig andauern, da sie dem Einfluss des Energieverlusts aufgrund des Widerstands des Schaltkreises unterliegen. Als Ergebnis nimmt die Amplitude dieser Oszillationen stetig ab, bis sie Null wird, was sie gedämpft macht.
Dies bedeutet, dass man zur Erzielung kontinuierlicher und konstanter Oszillationen den Energieverlust kompensieren muss. Es ist jedoch zu beachten, dass die zugeführte Energie sorgfältig kontrolliert sein und gleich dem verlorenen Energiebetrag sein muss, um Oszillationen mit konstanter Amplitude zu erhalten.
Denn wenn die zugeführte Energie größer ist als die verlorene Energie, dann nimmt die Amplitude der Oszillationen zu (Abbildung 2a), was zu einer verzerrten Ausgabe führt; während, wenn die zugeführte Energie kleiner ist als die verlorene Energie, dann nimmt die Amplitude der Oszillationen ab (Abbildung 2b), was zu nachhaltigen Oszillationen führt.
Praktisch sind die Oszillatoren nichts anderes als Verstärkerschaltkreise, die mit einer positiven oder regenerativen Rückkopplung versehen sind, bei der ein Teil des Ausgangssignals an den Eingang zurückgeführt wird (Abbildung 3). Hier besteht der Verstärker aus einem aktivierenden Element, das ein Transistor oder ein Op-Amp sein kann, und das zurückgeführte in-Phase-Signal ist dafür verantwortlich, die Oszillationen aufrechtzuerhalten, indem es die Verluste im Schaltkreis ausgleicht.
Sobald die Stromversorgung eingeschaltet wird, werden die Oszillationen im System aufgrund des elektronischen Rauschens initiiert. Dieses Rauschsignal bewegt sich im Kreislauf, wird verstärkt und konvergiert sehr schnell zu einer einzigen Frequenz-Sinuswelle. Der Ausdruck für die geschlossene Schleifengewinnung des Oszillators, wie in Abbildung 3 dargestellt, lautet:
Wobei A die Spannungsverstärkung des Verstärkers und β die Verstärkung des Rückkopplungsnetzes ist. Hierbei, wenn Aβ > 1, dann nehmen die Oszillationen in der Amplitude zu (Abbildung 2a); während, wenn Aβ < 1, dann werden die Oszillationen gedämpft (Abbildung 2b). Andererseits führt Aβ = 1 zu Oszillationen mit konstanter Amplitude (Abbildung 2c). Mit anderen Worten, dies bedeutet, dass, wenn die Rückkopplungsschleifenverstärkung klein ist, dann stirbt die Oszillation aus, während, wenn die Verstärkung der Rückkopplungsschleife groß ist, dann wird die Ausgabe verzerrt; und nur, wenn die Verstärkung der Rückkopplung eins ist, dann haben die Oszillationen eine konstante Amplitude, was zu einem selbsttragenden oszillatorischen Schaltkreis führt.
Typen von Oszillatoren
