Οισκιλάτορες: Τι είναι; (Ορισμός, Τύποι και Εφαρμογές)

Τι είναι ένας Ταλαντωτής

Ένας ταλαντωτής είναι ένας κύκλος που παράγει συνεχή, επαναλαμβανόμενη, εναλλασσόμενη μορφή κύματος χωρίς καμία είσοδο. Οι ταλαντωτές μετατρέπουν βασικά τη μονοκατευθυντική ροή ρεύματος από μια πηγή DC σε εναλλασσόμενη μορφή κύματος, η οποία είναι της επιθυμητής συχνότητας, όπως αποφασίζεται από τα συστατικά του κυκλώματος.

Η βασική αρχή πίσω από τη λειτουργία των ταλαντωτών μπορεί να κατανοηθεί αναλύοντας τη συμπεριφορά ενός κυκλώματος LC tank όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 παρακάτω, το οποίο χρησιμοποιεί έναν αυξαντή L και έναν εντελώς προπεπληρωμένο υπολογιστή C ως συστατικά. Εδώ, αρχικά, ο υπολογιστής ξεκινά να διαβάζει μέσω του αυξαντή, το οποίο οδηγεί στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειάς του σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο μπορεί να αποθηκευτεί στον αυξαντή. Μόλις ο υπολογιστής διαβάζει εντελώς, δεν θα υπάρχει ροή ρεύματος στο κύκλωμα.

Ωστόσο, έως τότε, το αποθηκευμένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο θα έχει δημιουργήσει ένα back-emf, το οποίο οδηγεί στη ροή ρεύματος μέσω του κυκλώματος στην ίδια κατεύθυνση όπως και πριν. Η ροή ρεύματος μέσω του κυκλώματος συνεχίζεται μέχρι να καταρρεύσει το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο οδηγεί στην αντίστροφη μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε ηλεκτρική μορφή, προκαλώντας την επανάληψη του κύκλου. Ωστόσο, τώρα ο υπολογιστής θα έχει φορτιστεί με αντίθετη πολικότητα, λόγω της οποίας παίρνει έναν ταλαντωτή κύματο ως εξόδο.

Ωστόσο, οι ταλαντώσεις που προκύπτουν λόγω της αμεσού μετατροπής μεταξύ των δύο μορφών ενέργειας δεν μπορούν να συνεχίσουν για πάντα, καθώς θα υπόκεινται στην επίδραση της απώλειας ενέργειας λόγω της αντίστασης του κυκλώματος. Συνεπώς, η ένταση αυτών των ταλαντώσεων μειώνεται σταθερά για να γίνει μηδέν, που τις κάνει συμπιεσμένες φύσει.

Αυτό υποδεικνύει ότι για να παραχθούν συνεχείς και σταθερής έντασης ταλαντώσεις, χρειάζεται να αντισταθμιστεί η απώλεια ενέργειας. Παρ' όλα αυτά, πρέπει να σημειωθεί ότι η παρεχόμενη ενέργεια πρέπει να ελέγχεται ακριβώς και πρέπει να είναι ίση με αυτή που χάνεται, προκειμένου να παραχθούν ταλαντώσεις με σταθερή ένταση.

Αυτό συμβαίνει, επειδή, αν η παρεχόμενη ενέργεια είναι μεγαλύτερη από την απώλεια ενέργειας, τότε η ένταση των ταλαντώσεων θα αυξηθεί (Σχήμα 2a) οδηγώντας σε καταστροφημένη έξοδο· ενώ, αν η παρεχόμενη ενέργεια είναι μικρότερη από την απώλεια ενέργειας, τότε η ένταση των ταλαντώσεων θα μειωθεί (Σχήμα 2b) οδηγώντας σε μη βιώσιμες ταλαντώσεις.

Πρακτικά, οι ταλαντωτές είναι τίποτα άλλο από κυκλώματα ενισχυτή που παρέχονται με θετική ή αναγεννητική αναδρομή, όπου μέρος του εξόδου του σήματος επιστρέφεται στην είσοδο (Σχήμα 3). Εδώ, ο ενισχυτής αποτελείται από έναν ενεργό συστατικό, ο οποίος μπορεί να είναι ένας τρανζίστορ ή ένας Op-Amp, και το επαναφερόμενο σε φάση σήμα είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση (συντήρηση) των ταλαντώσεων, καταστρέφοντας τις απώλειες στο κύκλωμα.

Μόλις ανοίξει η εφοδιασμός, οι ταλαντώσεις θα ξεκινήσουν στο σύστημα λόγω του ηλεκτρονικού θορύβου που υπάρχει σε αυτό. Αυτό το σήμα θορύβου ταξιδεύει γύρω από την αλυσίδα, ενισχύεται και συγκλίνει γρήγορα σε ένα σήμα κύματος ημιτόνου μιας συχνότητας. Η έκφραση για το κέρδος της κλειστής αλυσίδας του ταλαντωτή που φαίνεται στο Σχήμα 3 δίνεται ως:

Όπου A είναι το κέρδος τάσης του ενισχυτή και β είναι το κέρδος του δικτύου αναδρομής. Εδώ, αν Aβ > 1, τότε οι ταλαντώσεις θα αυξηθούν σε ένταση (Σχήμα 2a)· ενώ, αν Aβ < 1, τότε οι ταλαντώσεις θα είναι συμπιεσμένες (Σχήμα 2b). Από την άλλη, Aβ = 1 οδηγεί σε ταλαντώσεις με σταθερή ένταση (Σχήμα 2c). Με άλλα λόγια, αυτό υποδεικνύει ότι αν το κέρδος της αλυσίδας αναδρομής είναι μικρό, τότε οι ταλαντώσεις θα πεθάνουν, ενώ, αν το κέρδος της αλυσίδας αναδρομής είναι μεγάλο, τότε ο εξόδος θα είναι καταστροφημένος· και μόνο αν το κέρδος της αναδρομής είναι μοναδικό, τότε οι ταλαντώσεις θα είναι με σταθερή ένταση, οδηγώντας σε αυτόνομο ταλαντωτή κύκλο.

Τύπος Ταλαντωτή

Υπάρχουν πολλοί τύποι ταλαντωτών, αλλά μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως σε δύο κύριες κατηγορίες – Αρμονικοί Ταλαντωτές (επίσης γνωστοί ως Γραμμικοί Ταλαντωτές) και Ταλαντωτές Χαλάρωσης.

Σε έναν αρμονικό ταλαντωτή, η ροή ενέργειας είναι πάντα από τα ενεργά συστατικά στα παθητικά συστατικά και η συχνότητα των ταλαντώσεων αποφασίζεται από τη διαδρομή αναδρομής.

Ενώ σε έναν ταλαντωτή χαλάρωσης, η ενέργεια ανταλλάσσεται μεταξύ των ενεργών και των παθητικών συστατικών και η συχνότητα των ταλαντώσεων καθορίζεται από τα χρόνια φόρτισης και απόφραξης που εμπλέκονται στη διαδικασία. Επιπλέον, οι αρμονικοί ταλαντωτές παράγουν εξόδους κυμάτων ημιτόνου με χαμηλή καταστροφή, ενώ οι ταλαντωτές χαλάρωσης παράγουν μη-ημιτονοειδή (δενδρικά, τριγωνικά ή τετραγωνικά) μορφές κυμάτων.

Οι κύριοι τύποι Ταλαντωτών περιλαμβάνουν:

• Ταλαντωτής Wien Bridge

• Ταλαντωτής RC Phase Shift

• Ταλαντωτής Hartley