Oscilatorji: Kaj so? (Definicija, vrste in uporabe)

Kaj je oscilator?

Oscilator je krog, ki ustvarja zvezno, ponavljajočo se, nihanjujočo valovno obliko brez vnosa. Oscilatorji osnovno pretvorijo enosmeren tok iz DC vira v nihanjujočo valovno obliko, ki je želenega frekvence, kot je določeno s komponentami njegovega kruga.

Osnovni princip delovanja oscilatorjev lahko razumemo s preučevanjem obnašanja LC tank kruga, prikazanega na Sliki 1 spodaj, ki uporablja induktor L in popolnoma napeto kondenzator C kot svoje komponente. Tukaj najprej kondenzator začne odpovedati skozi induktor, kar povzroči pretvorbo njegove električne energije v elektromagnetno polje, ki se lahko shranjuje v induktorju. Ko kondenzator popolnoma odpove, v krugu ne bo toka.

Vendar pa do takrat bo shranjeno elektromagnetno polje generiralo proti-emf, ki bo vodilo do pretoka toka skozi krug v isti smeri kot prej. Pretok toka skozi krug se nadaljuje, dokler elektromagnetno polje ne zapade, kar vodi v nazajpretvorbo elektromagnetne energije v električno obliko, kar povzroči ponovitev cikla. Vendar bo zdaj kondenzator nabijen z nasprotno polariteto, zaradi česar dobimo nihanjujočo valovno obliko kot izhod.

Nihanja, ki nastanejo zaradi medsebojne pretvorbe med dvema oblikama energije, pa ne morejo trajati večno, ker bodo podvržena učinku izgub energije zaradi upora kruga. To pripelje do zmanjševanja amplitud teh nihanj, ki postanejo nič, kar jih stisne.

To kaže, da bi za pridobitev zveznih nihanj z stalno amplitudo, morali kompenzirati izgube energije. Vendar pa je treba opozoriti, da mora biti podana energija natančno kontrolirana in mora biti enaka izgubljeni energiji, da bi se pridobili nihanji z stalno amplitudo.

To je zato, ker, če je podana energija večja od izgubljene energije, bo amplituda nihanj narasla (Slika 2a), kar vodi v distorzijo izhoda; medtem ko, če je podana energija manjša od izgubljene energije, bo amplituda nihanj padla (Slika 2b), kar vodi v nenadomestiva nihanja.

Praktično gledano so oscilatorji nič drugega kot pojačevalni krugi, ki so opremljeni z pozitivno ali regenerativno povratno vezjo, kjer je del izhodnega signala povrnjen na vhod (Slika 3). Tukaj pojačevalnik vključuje pojačevalni aktivni element, ki lahko predstavlja tranzistor ali operacijski posiljatelj, in povrnjeni signal v fazi je odgovoren za ohranjanje (podporo) nihanj s popravljanjem izgub v krugu.

Ko je vklopljen vir napajanja, se v sistemu zagnajo nihanja zaradi elektronskega šuma, ki je prisoten v njem. Ta šumski signal potuje okoli zanke, se pojača in hitro konvergira v sinusni val enojne frekvence. Izraz za zaprti zankasti pojav oscilatorja, prikazanega na Sliki 3, je podan kot:

Kjer je A napetostni pojav pojačevalnika in β pojav povratne mreže. Če je Aβ > 1, bo amplituda nihanj narasla (Slika 2a); medtem ko, če je Aβ < 1, bodo nihanja stisnjena (Slika 2b). Drugače, če je Aβ = 1, vodi do nihanj z stalno amplitudo (Slika 2c). Z drugimi besedami, to pomeni, da, če je pojav povratne zanke majhen, bodo nihanja umrla, medtem ko, če je pojav povratne zanke velik, bo izhod distoriran; in le, če je pojav povratne zanke enak enoti, bodo nihanja z stalno amplitudo, kar vodi do samoodržnega nihanjučega kruga.

Vrsta oscilatorja

Obstaja mnogo vrst oscilatorjev, vendar se lahko široko razdelijo na dve glavni kategoriji – harmonični oscilatorji (tudi znani kot linearni oscilatorji) in relaksacijski oscilatorji.

Pri harmoničnem oscilatorju je pretok energije vedno od aktivnih komponent do pasivnih komponent, frekvenco nihanja pa določa povratna pot.

Medtem ko pri relaksacijskem oscilatorju energija menjajo aktivne in pasivne komponente, frekvenco nihanja pa določajo časi nabiranja in odpovedovanja, ki so vključeni v proces. Poleg tega harmonični oscilatorji ustvarjajo nizko distorzijske sinusne valovne oblike, medtem ko relaksacijski oscilatorji generirajo nesinusne (zebra, trikotnike ali kvadratne) valovne oblike.

Glavne vrste oscilatorjev vključujejo:

• Wien Bridge Oscilator

• RC Phase Shift Oscilator

• Hartley Oscilator

• Voltage Controlled Oscilator

• Colpitts Oscilator

• Clapp Oscilatorji

• Kristalni oscilatorji

• Armstrong Oscilator

• Tuned Collector Oscilator

• Gunn Oscilator

• Cross-Coupled Oscilatorji

• Ring Oscilatorji

• Dynatron Oscilatorji

• Meissner Oscilatorji

• Opto-Elektronski oscilatorji

• Pierce Oscilatorji

• Robinson Oscilatorji

• Tri-tet Oscilatorji

• Pearson-Anson Oscilatorji

• Delay-Line Oscilatorji

• Royer Oscilatorji

• Elektronni povezani oscilatorji

• Večvalovi oscilatorji

Oscilatorji se lahko tudi razdelijo na različne vrste glede na upoštevani parameter, torej glede na mehanizem povratne veze, obliko izhodnega vala itd. Te klasifikacije so podane spodaj:

1. Klasifikacija glede na mehanizem povratne veze: Pozitivna povratna veza oscilatorjev in negativna povratna veza oscilatorjev.

2. Klasifikacija glede na obliko izhodnega vala: Sinusni valovi oscilatorjev, kvadratni ali pravokotni valovi oscilatorjev, spremljevalni oscilatorji (ki ustvarjajo zebra obliko izhodnega vala), itd.

3. Klasifikacija glede na frekvenco izhodnega signala: Nizkonogosti oscilatorji, audio oscilatorji (ki imajo frekvenco izhoda v audio obsegu), radiofrekvenčni oscilatorji, visokonogosti oscilatorji, zelo visokonogosti oscilatorji, ultra visokonogosti oscilatorji, itd.

4. Klasifikacija glede na tip uporabljene frekvenčne kontrole: RC oscilatorji, LC oscilatorji, kristalni oscilatorji (ki uporabljajo kvarcni kristal za stabilizirano frekvenčno izhodno valovno obliko), itd.

5. Klasifikacija glede na naravo frekvence izhodnega vala: Fiksni frekvenčni oscilatorji in variabilni ali nalagljivi frekvenčni oscilatorji.

Uporabe oscilatorjev

Oscilatorji so poceni in preprost način za generiranje specifične frekvence signala. Na primer, RC oscilator se uporablja za generiranje nizke frekvence signala, LC oscilator za generiranje visoke frekvence signala, in Op-Amp baziran oscilator za generiranje stabilne frekvence.

Frekvenco nihanja je mogoče spreminjati z menjavo vrednosti komponent z potenciometri.

Neke pogoste uporabe oscilatorjev vključujejo:

• Kvarčne uri (ki uporabljajo kristalni oscilator)

• Uporabljajo se v različnih avdio sistemih