Oscilatori: Šta su to? (Definicija, tipovi i primene)
Šta je oscilator?
Oscilator je krug koji proizvodi neprekidnu, ponavljajuću, izmeničku talasnu formu bez bilo kakvog ulaza. Oscilatori uglavnom pretvaraju jednosmeran tok struje iz DC izvora u izmeničku talasnu formu željene frekvencije, koja se određuje komponentama kruga.
Osnovni princip rada oscilatora može se razumeti analiziranjem ponašanja LC tank kruga prikazanog na Slici 1 ispod, koji koristi induktor L i potpuno preopterećeni kondenzator C kao svoje komponente. Ovdje, prvo, kondenzator počinje da se ispraznjava kroz induktor, što dovodi do pretvaranja njegove električne energije u elektromagnetsko polje koje se može čuvati u induktor. Kada kondenzator potpuno isprazni, neće biti toka struje u krugu.
Međutim, do tada će sačuvano elektromagnetsko polje generisalo povratni EMF, što dovodi do toka struje kroz krug u istom smeru kao i ranije. Tok struje kroz krug nastavlja se dok elektromagnetsko polje ne kolapsira, što dovodi do povratnog pretvaranja elektromagnetske energije u električnu formu, uzrokujući ponavljanje ciklusa. Međutim, sada bi kondenzator bio opterećen suprotnom polaritetom, zbog čega se dobija oscilujuća talasna forma kao izlaz.
Međutim, oscilacije koje nastaju usled međupretvaranja dve forme energije ne mogu trajati zauvek jer bi bile podložne efektu gubitka energije zbog otpora kruga. Kao rezultat, amplituda ovih oscilacija stalno opada do nule, što ih čini prigušenim po prirodi.
To ukazuje da bi, kako bi se dobile kontinualne oscilacije konstantne amplitude, trebalo nadoknaditi gubitak energije. Ipak, treba napomenuti da mora biti tačno kontrolisan unos energije i mora biti jednak gubitku energije kako bi se dobile oscilacije konstantne amplitude.
To je zato što, ako je uneta energija veća od gubitka energije, tada će amplituda oscilacija rasti (Slika 2a) dovodeći do distorziranog izlaza; dok ako je uneta energija manja od gubitka energije, tada će amplituda oscilacija opadati (Slika 2b) dovodeći do neodrživih oscilacija.
Praktično, oscilatori su ništa više nego pojačavajući krugovi koji su osnaženi pozitivnom ili regenerativnom povratnom vezom, gde se deo izlaznog signala vraća na ulaz (Slika 3). Ovdje pojačavač sastoji se od aktivnog elementa koji može biti tranzistor ili operacioni pojačavač, a signal povratne veze faze u fazi je odgovoran za održavanje (potvrđivanje) oscilacija nadoknadeći gubitke u krugu.
Kada se uključi snabdevanje, oscilacije će se inicijalizovati u sistemu zbog elektronskog šuma prisutnog u njemu. Ovaj šumski signal putuje oko petlje, pojačava se i brzo konvergira u sinusni talas jedne frekvencije. Izraz za zatvorenu petlju pojačanja oscilatora prikazanog na Slici 3 dat je kao:
Gdje A predstavlja naponsko pojačanje pojačavača, a β pojačanje povratne mreže. Ovdje, ako je Aβ > 1, tada će oscilacije porasti u amplitudi (Slika 2a); dok ako je Aβ < 1, tada će oscilacije biti prigušene (Slika 2b). Sa druge strane, Aβ = 1 dovodi do oscilacija konstantne amplitude (Slika 2c). Drugim rečima, to ukazuje da, ako je pojačanje povratne petlje mali, tada će oscilacija nestati, dok ako je pojačanje povratne petlje veliko, tada će izlaz biti distorziran; i samo ako je pojačanje povratne petlje jedinica, tada će oscilacije biti konstantne amplitude dovodeći do samoodržive oscilatorne sheme.
Vrsta oscilatora
Postoji mnogo vrsta oscilatora, ali se može široko klasificirati u dve glavne kategorije – Harmonijski oscilatori (poznati i kao Linearni oscilatori) i Relaksacijski oscilatori.
U harmonijskom oscilatoru, protok energije je uvijek od aktivnih komponenti ka pasivnim komponentama, a frekvencija oscilacija se određuje povratnom vezom.
Dok u relaksacijskom oscilatoru, energija se razmenjuje između aktivnih i pasivnih komponenti, a frekvencija oscilacija se određuje vremenom punjenja i ispunjenja uključenim u proces. Dalje, harmonijski oscilatori proizvode malo distorzirane sinusne talase, dok relaksacijski oscilatori generišu nesinusne (pila, trougaoni ili kvadratni) talasne forme.
Glavne vrste oscilatora uključuju:
Oscilator Wien mosta
RC fazni pomak oscilator
Hartleyev oscilator
Oscilator upravljanog napona
Colpittsov oscilator
Clapp oscilatori
Kristalni oscilatori
Armstrong oscilator
Tunirani kolektor oscilator
Gunn oscilator
Presečeno spojeni oscilatori
Prstenasti oscilatori
Dynatron oscilatori
Meissner oscilatori
Optoelektronski oscilatori
Pierce oscilatori
Robinson oscilatori
Tri-tet oscilatori
Pearson-Anson oscilatori
Oscilatori sa zakasnjivačem
Royer oscilatori
Elektron spojeni oscilatori
Višetalasni oscilatori
Oscilatori se takođe mogu klasifikovati u različite vrste u zavisnosti od parametra koji se razmatra, tj. na osnovu mehanizma povratne veze, oblika izlazne talasne forme itd. Ove klasifikacije su date ispod:
Klasifikacija na osnovu mehanizma povratne veze: Pozitivne povratne veze oscilatori i Negativne povratne veze oscilatori.
Klasifikacija na osnovu oblika izlazne talasne forme: Sinusni talas oscilatori, Kvadratni ili pravougaoni talas oscilatori, Skenirajući oscilatori (koji proizvode talasnu formu pila), itd.
Klasifikacija na osnovu frekvencije izlaznog signala: Niskofrekventni oscilatori, Audio oscilatori (čiji je izlazni signal u audio opsegu), Radio frekvencijski oscilatori, Visofrekventni oscilatori, Veoma visofrekventni oscilatori, Ultra visofrekventni oscilatori, itd.
Klasifikacija na osnovu vrste upravljanja frekvencijom: RC oscilatori, LC oscilatori, Kristalni oscilatori (koji koriste kristal kvarca kako bi se dobio stabilizovan izlazni talasni oblik), itd.
Klasifikacija na osnovu prirode frekvencije izlaznog talasa: Fiksni frekvencijski oscilatori i Promenljivi ili podešivi frekvencijski oscilatori.
Primene oscilatora
Oscilatori su jeftin i lako način generisanja specifične frekvencije signala. Na primer, RC oscilator se koristi za generisanje niskofrekventnog signala, LC oscilator se koristi za generisanje visofrekventnog signala, a oscilator baziran na operacionom pojačavaču se koristi za generisanje stabilne frekvencije.
Frekvenciju oscilacije može se varirati menjajući vrednost komponente pomoću potenciometarskih uređenja.
Neki uobičajeni primeni oscilatora uključuju:
Kvarčne satove (koji koriste kristalni oscilator)
Korišćenje u različitim audio sistem
