Oscillatorer: Hva er de? (Definisjon, typer og anvendelser)
Hva er en oscillator?
En oscillator er et kretssystem som produserer en kontinuerlig, repetitiv, alternerende bølgeform uten noen inngangssignal. Oscillatoren konverterer grunnleggende strøm fra en DC-kilde til en alternerende bølgeform med ønsket frekvens, som bestemmes av dens kretskomponenter.
Den grunnleggende prinsippet bak funksjonen til oscillatoren kan forstås ved å analysere oppførselen til et LC-tankkrets som vist i figur 1 nedenfor, som bruker en spole L og en helt forladd kondensator C som komponenter. Her starter kondensatoren først med å tømmes gjennom spolen, noe som fører til at den elektriske energien konverteres til et magnetisk felt som kan lagres i spolen. Når kondensatoren er fullstendig tømt, vil det ikke være noen strøm i kretsen.
Imidlertid vil det da være generert et motspenningsfelt som fører til strøm i kretsen i samme retning som før. Denne strømmen fortsetter i kretsen til det magnetiske feltet kollapser, noe som fører til at det magnetiske feltet konverteres tilbake til elektrisk form, og syklusen repeteres. Imidlertid vil kondensatoren nå være ladd med motsatt polaritet, noe som resulterer i en oscillerende bølgeform som utdata.
Oscillasjonene som oppstår på grunn av konverteringen mellom de to energiformene kan imidlertid ikke fortsette evig, da de vil være utsatt for effekten av energitap på grunn av motstand i kretsen. Som resultat avtar amplituden til disse oscillasjonene jevnt til å bli null, noe som gjør dem dempet i karakter.
Dette indikerer at for å oppnå kontinuerlige oscillasjoner med konstant amplitud, må man kompensere for energitapet. Likevel skal det merkes at den levert energien må være presist kontrollert og må være lik den tapte energien for å oppnå oscillasjoner med konstant amplitud.
Dette er fordi, hvis den levert energien er større enn den tapte energien, vil amplituden til oscillasjonene øke (Figur 2a) og føre til en deformert utdata; mens hvis den levert energien er mindre enn den tapte energien, vil amplituden til oscillasjonene avta (Figur 2b) og føre til uholdbare oscillasjoner.
Praktisk sett er oscillatorene ingenting annet enn forsterkerkretser som har positiv eller regenerativ tilbakemelding der en del av utdata-signalet sendes tilbake til inngangen (Figur 3). Her består forsterkeren av en aktiv forsterkningskomponent som kan være en transistor eller en Op-Amp, og det tilbakeførte signal i fase er ansvarlig for å opprettholde (sustanere) oscillasjonene ved å kompensere for tap i kretsen.
Når strømforsyningen slås på, initieres oscillasjonene i systemet på grunn av elektronisk støy som finnes i det. Dette støy-signalen reiser rundt løkken, blir forsterket og konvergerer raskt til en enkeltfrekvens sinusbølge. Uttrykket for lukket sirkel-forsterkning for oscillatoren vist i Figur 3 er gitt som:
Der A er spenningsforsterkningen til forsterkeren, og β er forsterkningen av tilbakemeldingsnettverket. Her, hvis Aβ > 1, vil oscillasjonene øke i amplitud (Figur 2a); mens hvis Aβ < 1, vil oscillasjonene være dempet (Figur 2b). På den andre siden, Aβ = 1 fører til oscillasjoner med konstant amplitud (Figur 2c). Med andre ord, dette indikerer at hvis tilbakemeldingsløkkeforsterkningen er liten, så dør oscillasjonene ut, mens hvis forsterkningen av tilbakemeldingsløkken er stor, vil utdataen være deformert; og bare hvis forsterkningen av tilbakemeldingen er én, vil oscillasjonene ha konstant amplitud, noe som fører til en selvopprettet osillerende krets.
Type av oscillator
Det fins mange typer oscillatoren, men de kan bredt klassifiseres inn i to hovedkategorier – Harmoniske oscillatorer (også kjent som Lineære oscillatorer) og Relaxasjonsoscillatorer.
I en harmonisk oscillator, er energiflyten alltid fra de aktive komponentene til de passive komponentene, og frekvensen av oscillasjonene er bestemt av tilbakemeldingsbanen.
Mens i en relaxasjonsoscillator, utveksles energi mellom de aktive og de passive komponentene, og frekvensen av oscillasjonene bestemmes av opladnings- og avladningstidskonstanter involvert i prosessen. Videre produserer harmoniske oscillatorer lavforvrengede sinus-bølgeutdata, mens relaxasjonsoscillatorer genererer ikke-sinusformede (savtann-, trekant- eller firkant-) bølgeformer.
De hovedtypene av oscillatorer inkluderer:
Wien Bridge Oscillator
RC Phase Shift Oscillator
Hartley Oscillator
Voltage Controlled Oscillator
Colpitts Oscillator
Clapp Oscillators
Crystal Oscillators
Armstrong Oscillator
Tuned Collector Oscillator
Gunn Oscillator
Cross-Coupled Oscillators
Ring Oscillators
Dynatron Oscillators
Meissner Oscillators
Opto-Elektroniske Oscillatorer
Pierce Oscillator
Robinson Oscillator
Tri-tet Oscillator
Pearson-Anson Oscillator
Delay-Line Oscillator
Royer Oscillator
Elektron Koplettede Oscillatorer
Multi-Wave Oscillatorer
Oscillatorer kan også klassifiseres inn i ulike typer basert på parameteren som vurderes, altså basert på tilbakemeldingsmekanismen, formen på utdata-bølgeformen, etc. Disse klassifikasjonstypene er gitt nedenfor:
Klassifisering basert på tilbakemeldingsmekanismen: Positive Feedback Oscillatorer og Negative Feedback Oscillatorer.
Klassifisering basert på formen på utdata-bølgeformen: Sine Wave Oscillatorer, Square or Rectangular Wave oscillatorer, Sweep Oscillatorer (som produserer savtann-utdata-bølgeform), etc.
Klassifisering basert på frekvensen av utdata-signalet: Lavfrekvens Oscillatorer, Audio Oscillatorer (hvis utdata-frekvens er i lydets område), Radio Frekvens Oscillatorer, Høyfrekvens Oscillatorer, Meget Høyfrekvens Oscillatorer, Ekstremt Høyfrekvens Oscillatorer, etc.
Klassifisering basert på typen av frekvenskontroll som brukes: RC Oscillatorer, LC Oscillatorer, Crystal Oscillatorer (som bruker en kvartskrystall for å resultere i en frekvensstabilisert utdata-bølgeform), etc.
Klassifisering basert på naturen av frekvensen av utdata-bølgeformen: Fast Frekvens Oscillatorer og Variabel eller Justerbar Frekvens Oscillatorer.
Anvendelser av oscillatorer
Oscillatorer er en billig og enkel måte å generere en spesifikk frekvens av et signal. For eksempel, brukes en RC-oscillator til å generere et lavfrekvenssignal, en LC-oscillator til å generere et høyfrekvenssignal, og en Op-Amp-basert oscillator til å generere en stabil frekvens.
Frekvensen av oscillasjonen kan variere ved å endre komponentverdien med potensiometeroppsett.
Noen vanlige anvendelser av oscillatorer inkluderer:
Kvartsure (som bruker en kristalloscillator)
Brukes i ulike lyd- og video-systemer
Brukes i ulike radiotilstander, TV-er, og andre kommunikasjonsenheter
Brukes i datamaskiner, metaldetektorer, stunn-guns, inversorer, ultralyd- og radiofrekvensapplikasjoner.
Brukes til å generere klokkeslag for mikroprosessorer og mikrokontrollerer
