Oscillatorer: Vad är de? (Definition, typer och tillämpningar)
Vad är en oscillator?
En oscillator är en krets som producerar en kontinuerlig, upprepande, alternerande vågform utan något inmatat signal. Oscillatorer konverterar gränsfallande ström från en DC-källa till en alternerande vågform med önskad frekvens, som bestäms av dess kretskomponenter.
Den grundläggande principen bakom funktionen hos oscillatorer kan förstås genom att analysera beteendet hos en LC-tankkrets, som visas i figur 1 nedan, vilken använder en induktans L och en helt förstömd kondensator C som komponenter. Här börjar kondensatorn först släppa laddning via induktansen, vilket resulterar i omvandlingen av dess elektriska energi till elektromagnetisk fältenergi, som kan lagras i induktansen. När kondensatorn fullständigt har släppt laddningen, kommer det inte längre att finnas någon strömflöde i kretsen.
Men vid den tidpunkten kommer det lagrade elektromagnetiska fältet att ha genererat en motspänning, vilket leder till strömflöde i kretsen i samma riktning som innan. Detta strömflöde i kretsen fortsätter tills det elektromagnetiska fältet kollapsar, vilket resulterar i omvandling av elektromagnetisk energi till elektrisk form, vilket gör att cykeln upprepas. Men nu kommer kondensatorn att vara laddad med motsatt polaritet, vilket ger en oscillerande vågform som utdata.
Oscillationerna som uppstår på grund av omvandlingen mellan de två energiformerna kan dock inte fortsätta evinnerligen, eftersom de utsätts för effekten av energiförlust på grund av kretsens resistans. Som ett resultat minskar amplituden av dessa oscillationer stegvis till noll, vilket gör dem dämpade i sin natur.
Detta indikerar att för att få oscillationer som är kontinuerliga och med konstant amplitud, behöver man kompensera för energiförlusten. Dock ska det noteras att den tillförd energi måste vara exakt kontrollerad och lika med den förlorade energin för att få oscillationer med konstant amplitud.
Detta beror på att om den tillförd energi är mer än den förlorade energin, kommer amplituden av oscillationerna att öka (Figur 2a) vilket leder till en distungerad utdata; medan om den tillförd energi är mindre än den förlorade energin, kommer amplituden av oscillationerna att minska (Figur 2b) vilket leder till ohållbara oscillationer.
Praktiskt sett är oscillatorer inget annat än förstärkarkretsar som ges positiv eller regenerativ återkoppling där en del av utdata-signalet matas tillbaka till indata (Figur 3). Här består förstärkaren av en förstärkande aktiv komponent som kan vara en transistor eller en Op-Amp, och det återkopplade fasförskjutna signalet anses vara ansvarigt för att hålla igång (upprätthålla) oscillationerna genom att ersätta förlusterna i kretsen.
När strömförsörjningen slås på, kommer oscillationerna att initieras i systemet på grund av den elektroniska brusen som finns i det. Detta brussignal cirkulerar runt loopen, förstärks och konvergerar snabbt till en enda frekvens sinusvåg. Uttrycket för den slutna loopen för oscillatorn som visas i Figur 3 ges som:
Där A är spänningsförstärkningen av förstärkaren och β är förstärkningen av återkopplingsnätet. Här, om Aβ > 1, kommer oscillationerna att öka i amplitud (Figur 2a); medan om Aβ < 1, kommer oscillationerna att dämpas (Figur 2b). Å andra sidan leder Aβ = 1 till oscillationer med konstant amplitud (Figur 2c). Med andra ord, detta indikerar att om återkopplingsloopen förstärkning är liten, så dör oscillationerna ut, medan om förstärkningen av återkopplingsloopen är stor, blir utdata distungerad; och endast om förstärkningen av återkopplingen är enhetlig, blir oscillationerna med konstant amplitud, vilket leder till en självpådrivande oscillerande krets.
Typer av oscillator
Det finns många typer av oscillatorer, men de kan bredvid klassificeras i två huvudkategorier – Harmoniska oscillatorer (även kända som linjära oscillatorer) och Relaxationsoscillatorer.
I en harmonisk oscillator flyttas energi alltid från de aktiva komponenterna till de passiva komponenterna, och frekvensen av oscillationerna bestäms av återkopplingsvägen.
Medan i en relaxationsoscillator växlas energi mellan de aktiva och de passiva komponenterna, och frekvensen av oscillationerna bestäms av laddnings- och avladdningstidskonstanterna som är involverade i processen. Vidare producerar harmoniska oscillatorer låg-distungerade sinusvågutdata, medan relaxationsoscillatorer genererar icke-sinusformade (sägeformade, triangel- eller kvadratvågs) vågformer.
De viktigaste typerna av oscillatorer inkluderar:
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-Electronic Oscillators
Pierce Oscillators
Robinson Oscillators
Tri-tet Oscillators
Pearson-Anson Oscillators
Delay-Line Oscillators
Royer Oscillators
Electron Coupled Oscillators
Multi-Wave Oscillators
Oscillatorer kan också klassificeras i olika typer beroende på den parameter som betraktas, dvs. baserat på återkopplingsmekanismen, formen på utdatavågformen, etc. Dessa klassifikationstyper har angetts nedan:
Klassificering baserad på återkopplingsmekanismen: Positiv återkoppling oscillatorer och negativ återkoppling oscillatorer.
Klassificering baserad på formen på utdatavågformen: Sinusvågs oscillatorer, kvadrat- eller rektangulära våg oscillatorer, svepe oscillatorer (som producerar sägeformade utdatavågformer), etc.
Klassificering baserad på frekvensen av utdatasignalen: Lågfrekvens oscillatorer, ljudfrekvens oscillatorer (vars utdatafrekvens är av ljudfrekvens), radiofrekvens oscillatorer, högfrekvens oscillatorer, mycket högfrekvens oscillatorer, extremt högfrekvens oscillatorer, etc.
Klassificering baserad på typen av frekvenskontroll som används: RC oscillatorer, LC oscillatorer, kristalloscillatorer (som använder en kvartskristall för att ge en frekvensstabiliserad utdata), etc.
Klassificering baserad på karaktären av frekvensen av utdatavågformen: Fast frekvens oscillatorer och variabel eller justerbar frekvens oscillatorer.
Användningar av oscillatorer
Oscillatorer är en billig och enkel sätt att generera en specifik frekvens av en signal. Till exempel används en RC-oscillator för att generera en lågfrekvenssignal, en LC-oscillator för att generera en högfrekvenssignal, och en Op-Amp-baserad oscillator för att generera en stabil frekvens.
Frekvensen av oscillationen kan varieras genom att variera komponentvärdet med potentiometerarrangement.
Några vanliga användningsområden för oscillatorer inkluderar:
Kvartzklockor (som använder en kristalloscillator)
Används i olika ljud- och bildsystem
Används i olika radiotv- och andra kommunikationsenheter
Används i datorer, metaldetektorer, bedövningspistoler, inverterare, ultraljuds- och radiobefallningsapplikationer.
