Oscillatori: Cos'è un oscillatore? (Definizione, Tipi e Applicazioni)
Cos'è un Oscillatore?
Un oscillatore è un circuito che produce un segnale ondulatorio continuo e ripetitivo senza alcun ingresso. Gli oscillatori convertono fondamentalmente il flusso di corrente unidirezionale da una sorgente DC in un segnale ondulatorio alternato della frequenza desiderata, come deciso dai componenti del circuito.
Il principio di base del funzionamento degli oscillatori può essere compreso analizzando il comportamento di un circuito LC a serbatoio, mostrato nella Figura 1 qui sotto, che impiega un induttore L e un condensatore C completamente pre-caricato come componenti. Inizialmente, il condensatore inizia a scaricarsi attraverso l'induttore, il che porta alla conversione della sua energia elettrica in un campo elettromagnetico, che può essere immagazzinato nell'induttore. Una volta che il condensatore si scarica completamente, non vi sarà più flusso di corrente nel circuito.
Tuttavia, a quel punto, il campo elettromagnetico immagazzinato avrà generato una f.e.m. indotta che provoca il flusso di corrente nel circuito nella stessa direzione di prima. Il flusso di corrente nel circuito continua fino a quando il campo elettromagnetico crolla, causando la conversione inversa dell'energia elettromagnetica in forma elettrica, facendo ripetere il ciclo. Tuttavia, ora il condensatore sarà caricato con polarità opposta, il che genera un segnale ondulatorio oscillante come uscita.
Tuttavia, le oscillazioni che si verificano a causa della conversione reciproca tra le due forme di energia non possono continuare all'infinito poiché sarebbero soggette all'effetto della perdita di energia dovuta alla resistenza del circuito. Di conseguenza, l'ampiezza di queste oscillazioni diminuisce costantemente fino a diventare zero, rendendole smorzate per natura.
Questo indica che per ottenere oscillazioni continue e di ampiezza costante, è necessario compensare la perdita di energia. Tuttavia, va notato che l'energia fornita deve essere controllata con precisione e deve essere uguale all'energia persa per ottenere oscillazioni di ampiezza costante.
Ciò perché, se l'energia fornita è superiore a quella persa, l'ampiezza delle oscillazioni aumenterà (Figura 2a) portando a un'uscita distorta; mentre se l'energia fornita è inferiore a quella persa, l'ampiezza delle oscillazioni diminuirà (Figura 2b) portando a oscillazioni insostenibili.
Nella pratica, gli oscillatori sono nient'altro che circuiti amplificatori dotati di un feedback positivo o rigenerativo, in cui una parte del segnale di uscita viene retroalimentata all'ingresso (Figura 3). Qui, l'amplificatore consiste in un elemento attivo amplificante che può essere un transistor o un Op-Amp e il segnale retroalimentato in fase è responsabile di mantenere (sostentare) le oscillazioni compensando le perdite nel circuito.
Una volta accesa l'alimentazione, le oscillazioni saranno iniziate nel sistema a causa del rumore elettronico presente. Questo segnale di rumore gira nel loop, viene amplificato e converge rapidamente in un'onda sinusoidale di singola frequenza. L'espressione per il guadagno a loop chiuso dell'oscillatore mostrato nella Figura 3 è data da:
Dove A è il guadagno di tensione dell'amplificatore e β è il guadagno della rete di feedback. Qui, se Aβ > 1, allora le oscillazioni aumenteranno in ampiezza (Figura 2a); mentre se Aβ < 1, allora le oscillazioni saranno smorzate (Figura 2b). D'altro canto, Aβ = 1 porta a oscillazioni di ampiezza costante (Figura 2c). In altre parole, ciò indica che se il guadagno del loop di feedback è piccolo, allora l'oscillazione si estingue, mentre se il guadagno del loop di feedback è grande, allora l'uscita sarà distorta; e solo se il guadagno del feedback è unitario, allora le oscillazioni saranno di ampiezza costante, portando a un circuito oscillatorio autosostenuto.
Tipo di Oscillatore
Esistono molti tipi di oscillatori, ma possono essere classificati in due categorie principali – Oscillatori Armonici (noti anche come Oscillatori Lineari) e Oscillatori di Rilassamento.
In un oscillatore armonico, il flusso di energia è sempre dagli elementi attivi agli elementi passivi e la frequenza delle oscillazioni è decisa dal percorso di feedback.
Mentre in un oscillatore di rilassamento, l'energia è scambiata tra gli elementi attivi e quelli passivi e la frequenza delle oscillazioni è determinata dalle costanti di tempo di carica e scarica coinvolte nel processo. Inoltre, gli oscillatori armonici producono uscite sinusoidali poco distorte, mentre gli oscillatori di rilassamento generano forme d'onda non sinusoidali (a dente di sega, triangolari o quadrate).
I principali tipi di Oscillatori includono:
Oscillatore Ponte di Wien
Oscillatore a Fase RC
Oscillatore Hartley
Oscillatore a Frequenza Controllata
Oscillatore Colpitts
Oscillatori Clapp
Oscillatori a Cristallo
Oscillatore Armstrong
Oscillatore a Collettore Accordato
Oscillatore Gunn
Oscillatori Accoppiati Incrociati
Oscillatori ad Anello
Oscillatori Dynatron
Oscillatori Meissner
Oscillatori Ottico-Elettronici
Oscillatori Pierce
Oscillatori Robinson
Oscillatori Tri-tet
Oscillatori Pearson-Anson
Oscillatori a Linea di Ritardo
Oscillatori Royer
Oscillatori Accoppiati Elettronici
Oscillatori Multi-Onda
Gli oscillatori possono essere anche classificati in vari tipi a seconda del parametro considerato, cioè in base al meccanismo di feedback, alla forma dell'onda di uscita, ecc. Questi tipi di classificazione sono elencati di seguito:
Classificazione Basata sul Meccanismo di Feedback: Oscillatori a Feedback Positivo e Oscillatori a Feedback Negativo.
Classificazione Basata sulla Forma dell'Onda di Uscita: Oscillatori a Onda Sinusoidale, Oscillatori a Onda Quadrata o Rettilinea, Oscillatori a Barrage (che producono un'onda d'uscita a dente di sega), ecc.
Classificazione Basata sulla Frequenza del Segnale di Uscita: Oscillatori a Bassa Frequenza, Oscillatori Audio (la cui frequenza di uscita è nell'intervallo audio), Oscillatori a Frequenza Radio, Oscillatori a Alta Frequenza, Oscillatori a Molto Alta Frequenza, Oscillatori a Ultra Alta Frequenza, ecc.
Classificazione Basata sul Tipo di Controllo della Frequenza Utilizzato: Oscillatori RC, Oscillatori LC, Oscillatori a Cristallo (che utilizzano un cristallo di quarzo per produrre un'onda d'uscita stabilizzata in frequenza), ecc.
Classificazione Basata sulla Natura della Frequenza dell'Onda di Uscita: Oscillatori a Frequenza Fissa e Oscillatori a Frequenza Variabile o Regolabile.
Applicazioni degli Oscillatori
Gli oscillatori sono un modo economico e semplice per generare una specifica frequenza di un segnale. Ad esempio, un oscillatore RC è utilizzato per generare un segnale a bassa frequenza, un oscillatore LC è utilizzato per generare un segnale ad alta frequenza, e un oscillatore basato su Op-Amp è utilizzato per generare una frequenza stabile.
La frequenza di oscillazione può essere variata modificando il valore del componente con disposizioni di potenziometri.
Alcune applicazioni comuni degli oscillatori includono:
Orologi al quarzo (che utilizzano un oscillatore a cristallo)
Utilizzati in vari sistemi audio e video
Utilizzati in vari dispositivi di comunicazione radio, TV e altri
Utilizzati in computer, rilevatori di metalli, pistole paralizzanti, inverters, applicazioni ultrasoniche e a frequenza radio.
Utilizzati per generare impulsi di clock per microprocessori e microcontrollori
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