Vaihtovesi: Miten ne toimivat? (Määritelmä tyypit ja sovellukset)
Mikä on värähtelijä
Värähtelijä on piiri, joka tuottaa jatkuvaan, toistuvaan, vaihtovirta-tyyppiseen aaltoon ilman minkäänlaista syötettä. Värähtelijät muuntavat yksisuuntaisen sähkövirran virtausdirektiivin DC-lähteestä halutun taajuuden vaihtovirta-aallolle, jonka määrittelevät sen piirikomponentit.
Värähtelijöiden toiminnan perusperiaate voidaan ymmärtää analysoimalla LC-tankopiirin käyttäytymistä, jossa on käytetty induktoria L ja täysin esilatautettua kondensatoria C komponentteina. Tässä tapauksessa kondensaattori alkaa purkautua induktorin kautta, mikä johtaa siihen, että sen sähköenergia muuntuu magneettokentäksi, jota voidaan tallentaa induktoriin. Kun kondensaattori on täysin purkautunut, virtauspiirissä ei ole enää virrannetta.
Tällöin tallennettu magneettikenttä on kuitenkin luonut vasta-aiheuttaman jännitteen, joka johtaa virran virrantaan piirissä samaan suuntaan kuin aiemmin. Tämä virran virranta jatkuu, kunnes magneettikenttä romahtaa, mikä johtaa magneettien energian takaisinmuuntumiseen sähköiseksi muodoksi, mikä saa kyklin toistumaan. Nyt kondensaattori kuitenkin on latautunut päinvastaiseen napajärjestykseen, mikä johtaa siihen, että saadaan värähtelevä aalto ulos.
Kuitenkaan kahden energiamuodon välinen välitön muuntaminen ei voi jatkua ikuisesti, sillä se on altis energiahukalle piirin vastuksen vuoksi. Tämän seurauksena näiden värähtelyjen amplitudi laskee jatkuvasti nollaksi, mikä tekee niistä vaimenevia luonteeltaan.
Tämä osoittaa, että jatkuvien ja vakioamplitudisten värähtelyjen saamiseksi tarvitaan korvata energiahukka. Kuitenkin on huomioitava, että toimitettava energia on tarkasti kontrolloitava ja se on oltava yhtä suuri kuin häviämä energia, jotta saadaan vakiomuotoiset värähtelyt.
Tämä johtuu siitä, että jos toimitettava energia on enemmän kuin häviämä energia, niin värähtelyjen amplitudi kasvaa (Kuva 2a), mikä johtaa vääristyneeseen tulokseen; jos taas toimitettava energia on vähemmän kuin häviämä energia, niin värähtelyjen amplitudi pienenee (Kuva 2b), mikä johtaa kestämättömiin värähtelyihin.
Praktisesti värähtelijät ovat vain vahvistinpiirejä, joille on annettu positiivinen tai uudelleenluotava palautus, jossa osa ulostulo-signaalista on palautettu takaisin syöttöön (Kuva 3). Tässä vahvistin koostuu vahvistavan aktiivielementin, joka voi olla transistori tai Op-Amp, ja palautetun samansuuntaisen signaalin, joka pitää yllä (säilyttää) värähtelyjä korjaamalla piirin hukkaa.
Kun virtalähde otetaan käyttöön, värähtelyt aloitetaan järjestelmässä siihen liittyvän elektronisen melun vuoksi. Tämä melu-signaali kulkee silmukan ympäri, vahvistetaan ja suppenee nopeasti yhteen taajuuden sinimuotoiseksi aalloksi. Osoitteessa 3 olevan värähtelijän suljetun silmukan vahvistus ilmaistaan seuraavasti:
Jossa A on vahvistimen jännitevahvistus ja β on palautusverkon vahvistus. Tässä, jos Aβ > 1, värähtelyjen amplitudi kasvaa (Kuva 2a); jos taas Aβ < 1, värähtelyt vaimenevat (Kuva 2b). Toisaalta, Aβ = 1 johtaa värähtelyihin, jotka ovat vakioamplitudisia (Kuva 2c). Toisin sanoen, jos palautussilmukan vahvistus on pieni, värähtelyt heikkenevät, jos taas palautussilmukan vahvistus on suuri, ulostulo vääristyy; ja vain jos palautuksen vahvistus on ykkös, värähtelyt ovat vakioamplitudisia, mikä johtaa itsesäilyttävään värähtelypiiriin.
Värähtelijätyypit
On olemassa monia värähtelijätyyppejä, mutta ne voidaan laajasti luokitella kahteen pääluokkaan – harmonisiin värähtelijöihin (myös tunnettuina lineaarisina värähtelijöinä) ja rentoutumisvärähtelijöihin.
Harmonisessa värähtelijässä energia virtaa aina aktiivisista komponenteista passiivisiin komponentteihin, ja värähtelyjen taajuus määräytyy palautussilmukasta.
Rentoutumisvärähtelijässä puolestaan energia vaihtuu aktiivisten ja passiivisten komponenttien välillä, ja värähtelyjen taajuus määräytyy prosessissa mukana olevista lataus- ja purkautumisaikoista. Lisäksi harmoniset värähtelijät tuottavat vähän vääristyneitä sinimuotoisia ulostuloja, kun taas rentoutumisvärähtelijät tuottavat epäsiniä (sahantaiden, kolmionmuotoisia tai neliömäisiä) aaltoja.
Värähtelijöiden päätyypit sisältävät:
Wien Bridge -värähtelijä
RC-vaihepoisto -värähtelijä
Hartley -värähtelijä
Jänniteohjattu värähtelijä
Colpitts -värähtelijä
Clapp -värähtelijät
Kristallivärähtelijät
Armstrong -värähtelijä
Säädetyt kerroin -värähtelijä
Gunn -värähtelijä
Ristiin kytketyt värähtelijät
Renkaanmuotoiset värähtelijät
Dynatron -värähtelijät
Meissner -värähtelijät
Optoelektroniikka -värähtelijät
Pierce -värähtelijät
Robinson -värähtelijät
Tri-tet -värähtelijät
Pearson-Anson -värähtelijät
Viivekaapelin värähtelijät
Royer -värähtelijät
Sähkökytketty värähtelijä
Moniaalloniset värähtelijät
Värähtelijöitä voidaan myös luokitella eri tyypeiksi riippuen katsottavasta parametristä, esimerkiksi palautusmekanismi, ulostulon aallon muoto, jne. Näiden luokittelutyypit on annettu alla:
Luokittelu palautusmekanismiin perustuen: Positiivinen palautus -värähtelijät ja negatiivinen palautus -värähtelijät.
Luokittelu ulostulon aallon muodon perusteella: Sinimuotoiset värähtelijät, neljäkulmio- tai suorakulmaismuotoiset värähtelijät, sarakevärähtelijät (jotka tuottavat sahanterämuotoisen ulostulon), jne.
Luokittelu ulostulonsignaalin taajuuden perusteella: Alintaajuudet -värähtelijät, äänitaajuudet -värähtelijät (joiden ulostulon taajuus on äänialueella), radioaaltotaajuudet -värähtelijät, korkeintaajuudet -värähtelijät, erittäin korkeintaajuudet -värähtelijät, ultrakorkeintaajuudet -värähtelijät, jne.
Luokittelu taajuuden säädön perusteella: RC -värähtelijät, LC -värähtelijät, kristallivärähtelijät (jotka käyttävät kvartsi-kristallia taajuuden stabilisoituun ulostuloon), jne.
Luokittelu ulostulon aallon taajuuden luonteen perusteella: Kiinteätaajuudet -värähtelijät ja variabelitaajuudet -värähtelijät.
Värähtelijän sovellukset
Värähtelijät ovat edullinen ja helppo tapa tuottaa tiettyä taajuutta signaalista. Esimerkiksi RC-värähtelijä käytetään alintaajuuden signaalin tuottamiseen, LC-värähtelijä käytetään korkeintaajuuden signaalin tuottamiseen, ja Op-Amp-pohjainen värähtelijä käytetään stabiilin taajuuden tuottamiseen.
