Oscylatory: Co to jest? (Definicja, typy i zastosowania)

Co to jest oscylator?

Oscylator to obwód, który generuje ciągły, powtarzalny, zmienny sygnał bez żadnego wejścia. Oscylatory w zasadzie przekształcają jednokierunkowy przepływ prądu z źródła DC w zmienny sygnał o pożądanej częstotliwości, jaką decydują komponenty obwodu.

Podstawowe zasady działania oscylatorów można zrozumieć, analizując zachowanie obwodu LC z cewką L i całkowicie naładowanym kondensatorem C, pokazanego na Rysunku 1 poniżej. Na początku kondensator zaczyna się rozładowywać przez cewkę, co prowadzi do przekształcenia jego energii elektrycznej w pole elektromagnetyczne, które może być przechowywane w cewce. Gdy kondensator całkowicie się rozładuje, nie będzie już przepływu prądu w obwodzie.

Jednak do tego czasu zgromadzone pole elektromagnetyczne wygenerowało napięcie indukcyjne, które spowodowało przepływ prądu przez obwód w tym samym kierunku, co wcześniej. Przepływ prądu przez obwód trwa, dopóki pole elektromagnetyczne się nie załamie, co prowadzi do odwrotnej konwersji energii elektromagnetycznej na postać elektryczną, powodując powtórzenie cyklu. Teraz kondensator naładowany jest jednak z odwrotną polaryzacją, co powoduje, że na wyjściu otrzymujemy oscylujący sygnał.

Jednak oscylacje wynikające z wzajemnej konwersji między dwiema formami energii nie mogą trwać wiecznie, ponieważ będą podlegać efektom strat energii spowodowanych opornością obwodu. W rezultacie amplituda tych oscylacji systematycznie maleje, stając się zerowa, co sprawia, że są one tłumione.

To oznacza, że aby uzyskać oscylacje ciągłe i o stałej amplitudzie, należy zrekompensować straty energii. Należy jednak zauważyć, że dostarczana energia powinna być precyzyjnie kontrolowana i musi być równa stratom energii, aby uzyskać oscylacje o stałej amplitudzie.

Dzieje się tak, ponieważ jeśli dostarczana energia jest większa niż stracona, amplituda oscylacji zwiększy się (Rysunek 2a), prowadząc do zniekształconego wyjścia; natomiast jeśli dostarczana energia jest mniejsza niż stracona, amplituda oscylacji zmniejszy się (Rysunek 2b), prowadząc do niestabilnych oscylacji.

W praktyce oscylatory to nic innego jak obwody wzmacniające, które są wyposażone w dodatni lub regeneracyjny sprzężenie zwrotne, gdzie część sygnału wyjściowego jest podawana z powrotem do wejścia (Rysunek 3). W tym przypadku wzmacniacz składa się z aktywnego elementu wzmacniającego, który może być tranzystorem lub operacyjnym wzmacniaczem, a sygnał podany z powrotem w fazie jest odpowiedzialny za utrzymanie (utrzymanie) oscylacji, uzupełniając straty w obwodzie.

Po włączeniu zasilania, oscylacje zostaną zainicjowane w systemie z powodu obecności szumu elektronicznego. Ten sygnał szumowy podróżuje wokół pętli, jest wzmacniany i szybko zbiega do fali sinusoidalnej o jednej częstotliwości. Wyrażenie dla wzmocnienia zamkniętego pętli oscylatora pokazanego na Rysunku 3 jest dane jako:

Gdzie A to wzmocnienie napięciowe wzmacniacza, a β to wzmocnienie sieci sprzężenia zwrotnego. Tutaj, jeśli Aβ > 1, to amplituda oscylacji zwiększy się (Rysunek 2a); natomiast jeśli Aβ < 1, to oscylacje będą tłumione (Rysunek 2b). Z drugiej strony, Aβ = 1 prowadzi do oscylacji o stałej amplitudzie (Rysunek 2c). Innymi słowy, to oznacza, że jeśli wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego jest małe, to oscylacja zanika, podczas gdy jeśli wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego jest duże, to wyjście będzie zniekształcone; i tylko jeśli wzmocnienie sprzężenia jest jednostkowe, to oscylacje będą miały stałą amplitudę, prowadząc do samoodpornego obwodu oscylacyjnego.

Rodzaj oscylatora

Istnieje wiele rodzajów oscylatorów, ale można je szeroko sklasyfikować na dwie główne kategorie – oscylatory harmoniczn