Oscillators: Wat zijn ze? (Definitie, types en toepassingen)
Wat is een oscillator?
Een oscillator is een schakeling die een continue, herhaalde, wisselende spanningsvorm produceert zonder enige ingangssignaal. Oscillators zetten in principe een eenrichtingsstroom van een gelijkspanningsbron om in een wisselspanning met de gewenste frequentie, zoals bepaald door de componenten in de schakeling.
Het basisprincipe achter het werken van oscillators kan worden begrepen door het gedrag van een LC-tankcircuit te analyseren, zoals getoond in Figuur 1 hieronder, dat gebruikmaakt van een spoel L en een volledig vooraf opgeladen condensator C als componenten. Hierbij begint de condensator eerst te ontladen via de spoel, waardoor de elektrische energie wordt omgezet in een elektromagnetisch veld dat in de spoel kan worden opgeslagen. Zodra de condensator volledig is ontladen, stroomt er geen stroom meer in het circuit.
Tegen die tijd heeft echter het opgeslagen elektromagnetisch veld een tegen-EMK opgewekt, wat resulteert in een stroom door het circuit in dezelfde richting als daarvoor. Deze stroom door het circuit gaat door totdat het elektromagnetisch veld instort, wat resulteert in de terugconversie van de elektromagnetische energie naar elektrische vorm, waardoor de cyclus zich herhaalt. Echter, nu is de condensator met de tegengestelde polariteit opgeladen, waardoor men een oscillerend signaal als uitvoer krijgt.
De oscillaties die ontstaan door de interconversie tussen de twee energievormen kunnen echter niet eeuwig doorgaan, omdat ze onderhevig zijn aan het effect van energieverlies door de weerstand in het circuit. Als gevolg hiervan neemt de amplitude van deze oscillaties gestaag af tot nul, waardoor ze gedempt zijn.
Dit betekent dat om continue oscillaties met constante amplitude te verkrijgen, men de energieverliezen moet compenseren. Het is echter belangrijk op te merken dat de toegevoerde energie nauwkeurig geregeld moet worden en gelijk moet zijn aan de verloren energie om oscillaties met constante amplitude te verkrijgen.
Dit komt omdat, als de toegevoerde energie groter is dan de verloren energie, de amplitude van de oscillaties zal toenemen (Figuur 2a), wat leidt tot een vervormd uitvoersignaal; terwijl als de toegevoerde energie kleiner is dan de verloren energie, de amplitude van de oscillaties zal afnemen (Figuur 2b), wat leidt tot niet-duurzame oscillaties.
Praktisch gezien zijn oscillators niets anders dan versterkerschakelingen die zijn voorzien van positieve of regeneratieve feedback, waarbij een deel van het uitgangssignaal wordt teruggevoerd naar de ingang (Figuur 3). Hier bestaat de versterker uit een versterkend actief element, dat een transistor of een Op-Amp kan zijn, en het teruggewezen in-fase signaal is verantwoordelijk voor het handhaven (opwekken) van de oscillaties door de verliezen in het circuit te compenseren.
Zodra de voeding is ingeschakeld, worden de oscillaties in het systeem geïnitieerd door het elektronische ruis dat erin aanwezig is. Dit ruis-signaal reist rond de lus, wordt versterkt en convergeert snel naar een zuivere sinusgolf. De uitdrukking voor de geslotenlusversterking van de oscillator getoond in Figuur 3 is gegeven als:
Waar A de spanningversterking van de versterker is en β de versterking van het feedbacknetwerk. Hier, als Aβ > 1, dan zullen de oscillaties in amplitude toenemen (Figuur 2a); terwijl als Aβ < 1, dan zullen de oscillaties gedempt zijn (Figuur 2b). Anderzijds leidt Aβ = 1 tot oscillaties met constante amplitude (Figuur 2c). Met andere woorden, dit betekent dat als de feedbacklusversterking klein is, dan sterven de oscillaties weg, terwijl als de versterking van de feedbacklus groot is, dan zal het uitvoersignaal vervormd zijn; en alleen als de versterking van de feedback eenheid is, dan zullen de oscillaties met constante amplitude zijn, wat leidt tot een zelfstandig werkend oscillatieschakeling.
Soorten oscillator
Er zijn veel soorten oscillators, maar ze kunnen breed worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën – Harmonische Oscillators (ook bekend als Lineaire Oscillators) en Relaxatie Oscillators.
Bij een harmonische oscillator is de energiestroom altijd van de actieve componenten naar de passieve componenten en de frequentie van de oscillaties wordt bepaald door het feedbackpad.
Terwijl bij een relaxatie oscillator de energie wordt uitgewisseld tussen de actieve en de passieve componenten en de frequentie van de oscillaties wordt bepaald door de belading en ontlading tijdsconstanten die in het proces betrokken zijn. Bovendien produceren harmonische oscillators weinig vervormde sinusgolfsignalen, terwijl relaxatie oscillators niet-sinusvormige (zaagtand, driehoek of blokgolf) signalen genereren.
De belangrijkste typen Oscillators omvatten:
Wien Bridge Oscillator
RC Faseverschuiving Oscillator
Hartley Oscillator
Spanningsgestuurde Oscillator
Colpitts Oscillator
Clapp Oscillators
Kristal Oscillators
Armstrong Oscillator
Gestemde Collector Oscillator
Gunn Oscillator
Kruisgekoppelde Oscillators
Ring Oscillators
Dynatron Oscillators
Meissner Oscillators
Opto-Elektronische Oscillators
Pierce Oscillators
Robinson Oscillators
Tri-tet Oscillators
Pearson-Anson Oscillators
Vertragingslijn Oscillators
Royer Oscillators
Elektronengekoppelde Oscillators
Multi-Golf Oscillators
Oscillators kunnen ook worden ingedeeld in verschillende types, afhankelijk van de overwogen parameter, bijvoorbeeld op basis van het feedbackmechanisme, de vorm van het uitgangssignaal, enz. Deze classificatietypes staan hieronder vermeld:
Classificatie op basis van het feedbackmechanisme: Positieve Feedback Oscillators en Negatieve Feedback Oscillators.
Classificatie op basis van de vorm van het uitgangssignaal: Sinusgolf Oscillators, Blokgolf of Rechthoekgolf oscillators, Sweep Oscillators (die een zaagtand uitgangssignaal produceren), enz.
Classificatie op basis van de frequentie van het uitgangssignaal: Lage Frequentie Oscillators, Audio Oscillators (met een uitgangsfrequentie in het audiorange), Radiogolf Oscillators, Hoogfrequentie Oscillators, Zeer Hoogfrequentie Oscillators, Ultra Hoogfrequentie Oscillators, enz.
Classificatie op basis van het type frequentieregeling gebruikt: RC Oscillators, LC Oscillators, Kristal Oscillators (die een kwartskristal gebruiken om een frequentiestabiel uitgangssignaal te produceren), enz.
Classificatie op basis van de aard van de frequentie van het uitgangssignaal: Vaste Frequentie Oscillators en Variabele of Afstembare Frequentie Oscillators.
Toepassingen van oscillators
Oscillators zijn een goedkope en eenvoudige manier om een specifieke frequentie van een signaal te genereren. Bijvoorbeeld, wordt een RC oscillator gebruikt om een laagfrequentsignaal te genereren, een LC oscillator om een hoogfrequentsignaal te genereren, en een op Op-Amp gebaseerde oscillator om een stabiele frequentie te genereren.
De frequentie van de oscillatie kan worden gewijzigd door de componentwaarde te variëren met potentiometerregelingen.
Enkele algemene toepassingen van oscillators omvatten:
Kwarts horloges (die een kristal oscillator gebruiken)
Gebruikt in diverse audio- en video-systemen
Gebruikt in diverse radio-, TV- en andere communicatieapparatuur
Gebruikt in computers, metaaldetectors, stun guns, inverters, ultrasonische en radiogolf-toepassingen.
Gebruikt om klokpulsen te genereren voor microprocessors en microcontrollers
