Oscilatori: Što su to? (Definicija, vrste i primjene)

Što je oscilator?

Oscilator je sklop koji proizvodi kontinuirani, ponavljajući, alternirajući valni oblik bez bilo kakvog ulaza. Oscilatori osnovno pretvaraju jednosmjerni tok struje iz DC izvora u alternirajući valni oblik željene frekvencije, koja se odlučuje komponentama sklopa.

Osnovni princip rada oscilatora može se razumjeti analizom ponašanja LC tank sklopa prikazanog na slici 1 ispod, koji koristi induktor L i potpuno napunjenu kondenzator C kao svoje komponente. Ovdje, prvo, kondenzator počinje isprazniti se preko induktora, što rezultira pretvorom njegove električne energije u elektromagnetsko polje koje se može pohraniti u induktor. Kada kondenzator potpuno isprazni, neće biti toka struje u sklop.

Međutim, do tada, pohranjeno elektromagnetsko polje generiralo bi kontra-emf što rezultira tokom struje kroz sklop u istom smjeru kao i prije. Tok struje kroz sklop nastavlja se dok elektromagnetsko polje ne kolapsira, što rezultira povratnom pretvorom elektromagnetske energije u električnu formu, uzrokujući ponavljanje ciklusa. Međutim, sada kondenzator bi bio napunjen suprotnom polaritetom, zbog čega se dobiva oscilirajući valni oblik kao izlaz.

Međutim, oscilacije koje nastaju zbog međupretvorbe dviju formi energije ne mogu trajati zauvijek jer bi bile podložne gubitku energije zbog otpora sklopa. Rezultat toga je da amplituda tih oscilacija postepeno opada do nule, što ih čini prirodno uglašenima.

To upućuje na to da bi se za dobivanje kontinuiranih oscilacija stalne amplitude trebalo nadoknaditi gubitak energije. Ipak, važno je napomenuti da mora biti precizno kontrolirana i mora biti jednaka gubitku energije kako bi se dobile oscilacije stalne amplitude.

To je zato što, ako je unesena energija veća od gubitka energije, onda će amplituda oscilacija porasti (Slika 2a) što dovodi do distorziranog izlaza; dok ako je unesena energija manja od gubitka energije, onda će amplituda oscilacija pasti (Slika 2b) što dovodi do neodrživih oscilacija.

Praktički, oscilatori su ništa više od pojačavačkih sklopova koji su opremljeni pozitivnom ili regenerativnom povratnom spregom, gdje se dio izlaznog signala povraća na ulaz (Slika 3). Ovdje pojačavač sastoji se od aktivnog elementa koji može biti tranzistor ili Op-Amp, a povraćeni in-fazni signal održava (očuvava) oscilacije nadoknadeći gubitke u sklop.

Kada se uključi napajanje, oscilacije će se započeti u sustavu zbog elektroničkog šuma prisutnog u njemu. Taj šumski signal putuje oko petlje, pojačava se i brzo konvergira u sinusni val jedne frekvencije. Izraz za zatvorenu petlju pojačanja oscilatora prikazanog na Slici 3 daje se:

Gdje je A pojačanje napona pojačavača, a β pojačanje povratne mreže. Ovdje, ako je Aβ > 1, onda će oscilacije porasti u amplitudi (Slika 2a); dok ako je Aβ < 1, onda će oscilacije biti uglašene (Slika 2b). S druge strane, Aβ = 1 vodi do oscilacija stalne amplitud (Slika 2c). Drugim riječima, to upućuje na to da ako je pojačanje povratne petlje malo, onda će oscilacija prestati, dok ako je pojačanje povratne petlje veliko, onda će izlaz biti distorziran; i samo ako je pojačanje povratne petlje jedinstveno, onda će oscilacije imati stalnu amplitudu vodeći do samoodrživog oscilatornog sklopa.

Vrsta oscilatora

Postoji mnogo vrsta oscilatora, ali se može široko klasificirati u dvije glavne kategorije – Harmonijski oscilatori (poznati i kao Linearni oscilatori) i Relaxacijski oscilatori.

U harmonijskom oscilatoru, protok energije uvijek ide od aktivnih komponenti prema pasivnim komponentama, a frekvencija oscilacija odlučuje se povratnim putem.

Dok u relaxacijskom oscilatoru, energija se razmjenjuje između aktivnih i pasivnih komponenti, a frekvencija oscilacija odlučuje se vrijeme punjenja i ispraznjenja u procesu. Nadalje, harmonijski oscilatori proizvode nisko distorzirani sinusni valovi, dok generiraju ne-sinusne (zubasta, trokutasta ili kvadratna) valne oblike.

Glavne vrste Oscilatora uključuju:

• Wien Bridge Oscilator

• RC Phase Shift Oscilator

• Hartley Oscilator

• Voltage Controlled Oscilator

• Colpitts Oscilator

• Clapp Oscilatori

• Kristalni Oscilatori

• Armstrong Oscilator

• Tuned Collector Oscilator

• Gunn Oscilator

• Cross-Coupled Oscilatori

• Ring Oscilatori

• Dynatron Oscilatori

• Meissner Oscilatori

• Opto-Elektronički Oscilatori

• Pierce Oscilatori

• Robinson Oscilatori

• Tri-tet Oscilatori

• Pearson-Anson Oscilatori

• Delay-Line Oscilatori

• Royer Oscilatori

• Elektron Coupled Oscilatori

• Multi-Wave Oscilatori

Oscilatori se također mogu klasificirati na različite vrste ovisno o parametru koji se razmatra, na primjer, na temelju mehanizma povratne spreg, oblika izlaznog valnog oblika itd. Te vrste klasifikacija su navedene ispod:

1. Klasifikacija na temelju mehanizma povratne spreg: Pozitivna Povratna Sprega Oscilatori i Negativna Povratna Sprega Oscilatori.

2. Klasifikacija na temelju oblika izlaznog valnog oblika: Sinusni Valovi Oscilatori, Kvadratni ili Pravokutni Valovi Oscilatori, Sweep Oscilatori (koji proizvode zubasti izlazni valni oblik), itd.

3. Klasifikacija na temelju frekvencije izlaznog signala: Niskofrekventni Oscilatori, Audio Oscilatori (čiji je izlazni frekvencijski raspon audio), Radio Frekvencijski Oscilatori, Visokofrekventni Oscilatori, Veoma Visokofrekventni Oscilatori, Ultra Visokofrekventni Oscilatori, itd.

4. Klasifikacija na temelju tipa upotrebljene frekvencijske kontrole: RC Oscilatori, LC Oscilatori, Kristalni Oscilatori (koji koriste kristalne kamenice kako bi rezultirali stabiliziranim izlaznim valnim oblikom), itd.

5. Klasifikacija na temelju prirode frekvencije izlaznog valnog oblika: Fiksni Frekvencijski Oscilatori i Promjenjivi ili Regulirani Frekvencijski Oscilatori.

Primjene oscilatora

Oscilatori su jeftini i lako dostupni način generiranja specifične frekvencije signala. Na primjer, RC oscilator se koristi za generiranje Niske Frekvencije signala, LC oscilator se koristi za generiranje Visoke Frekvencije signala, a Op-Amp bazirani oscilator se koristi za generiranje stabilne frekvencije.

Frekvencija oscilacije može se mijenjati mijenjanjem vrijednosti komponente s potenciometarskim uređajima.

Neki uobičajeni primjeri primjene oscilatora uključuju:

• Kvarcne satnice (koje koriste kristalni oscilator)

• Korištenje u raznim audio i video sustavima

• Korištenje u raznim radio, TV i drugim komunikacijskim uređajima