Oszillatoren wandeln einen DC-Eingang (die Versorgungsspannung) in einen AC-Ausgang (die Wellenform) um, der eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenformen und Frequenzen aufweisen kann, die je nach Anwendung entweder kompliziert oder einfach Sinuswellen sein können.Oszillatoren werden auch in vielen Testgeräten verwendet, die entweder sinusförmige Sinuswellen, quadratische, sägezahnförmige oder dreieckige Wellenformen oder nur eine Folge von Impulsen variabler oder konstanter Breite erzeugen. LC-Oszillatoren werden aufgrund ihrer guten Phasenrauscheigenschaften und ihrer einfachen Implementierung häufig in Hochfrequenzschaltungen verwendet.
Ein Oszillator ist im Grunde ein Verstärker mit „positiver Rückkopplung“ oder regenerativer Rückkopplung (in Phase) und eines der vielen Probleme im elektronischen Schaltungsdesign besteht darin, die Oszillation von Verstärkern zu stoppen, während versucht wird, Oszillatoren zum Schwingen zu bringen.Oszillatoren arbeiten, weil sie die Verluste ihres Rückkopplungsresonatorkreises entweder in Form eines Kondensators, einer Induktivität oder beider in derselben Schaltung überwinden, indem sie Gleichstromenergie mit der erforderlichen Frequenz in diesen Resonatorkreis einspeisen. Mit anderen Worten, ein Oszillator ist ein Verstärker, der eine positive Rückkopplung verwendet, die eine Ausgangsfrequenz ohne Verwendung eines Eingangssignals erzeugt.Oszillatoren sind also selbsttragende Schaltungen, die eine periodische Ausgangswellenform mit einer präzisen Frequenz erzeugen, und damit eine elektronische Schaltung als Oszillator arbeiten kann, muss sie die folgenden drei Eigenschaften aufweisen.
- Irgendeine Form der Verstärkung
- Positive Rückkopplung (Regeneration)
- Ein frequenzbestimmtes Rückkopplungsnetzwerk
Ein Oszillator hat einen kleinen Signalrückkopplungsverstärker mit einer Verstärkung der offenen Schleife, die gleich oder geringfügig größer als eins ist, damit Schwingungen beginnen, aber Schwingungen fortsetzen können. Zusätzlich zu diesen reaktiven Komponenten wird eine Verstärkervorrichtung wie ein Operationsverstärker oder ein Bipolartransistor benötigt.
Im Gegensatz zu einem Verstärker ist kein externer Wechselstromeingang erforderlich, um den Oszillator zum Laufen zu bringen, da die Gleichstromversorgungsenergie vom Oszillator in Wechselstromenergie mit der erforderlichen Frequenz umgewandelt wird.
Grundlegende Oszillator-Rückkopplungsschaltung
Wobei: β ein Rückkopplungsbruch ist.
Oszillatorverstärkung ohne Rückkopplung
Oszillatorverstärkung Mit Rückkopplung
Oszillatoren sind Schaltungen, die eine kontinuierliche Spannungsausgangswellenform mit einer erforderlichen Frequenz erzeugen, wobei die Werte der Induktivitäten, Kondensatoren oder Widerstände einen frequenzselektiven LC-Resonanzspeicherkreis und ein Rückkopplungsnetzwerk bilden. Dieses Rückkopplungsnetzwerk ist ein Dämpfungsnetzwerk, das eine Verstärkung von weniger als eins (β <1) aufweist und bei Aß >1 Schwingungen auslöst, die nach Beginn der Schwingungen zur Einheit (Aß =1) zurückkehren.
Die Frequenz des LC-Oszillators wird über eine abgestimmte oder resonante induktiv /kapazitive (LC) Schaltung gesteuert, wobei die resultierende Ausgangsfrequenz als Schwingungsfrequenz bezeichnet wird. Durch die Rückkopplung der Oszillatoren in ein reaktives Netzwerk variiert der Phasenwinkel der Rückkopplung als Funktion der Frequenz, und dies wird als Phasenverschiebung bezeichnet.
Grundsätzlich gibt es Typen von Oszillatoren
- 1. Sinusförmige Oszillatoren – Diese werden als harmonische Oszillatoren bezeichnet und sind im Allgemeinen ein Oszillator vom Typ „LC Tuned-Feedback“ oder „RC Tuned-Feedback“, der eine rein sinusförmige Wellenform mit konstanter Amplitude und Frequenz erzeugt.
- 2. Nicht-sinusförmige Oszillatoren – Diese werden als Relaxationsoszillatoren bezeichnet und erzeugen komplexe nicht-sinusförmige Wellenformen, die sich sehr schnell von einer Stabilitätsbedingung in eine andere ändern, z. B. Wellenformen vom Typ „Rechteckwelle“, „Dreieckwelle“ oder „Sägezahnwelle“.
Oszillatorresonanz
Wenn eine konstante Spannung, aber mit variierender Frequenz an eine Schaltung angelegt wird, die aus einer Induktivität, einem Kondensator und einem Widerstand besteht, soll die Reaktanz sowohl der Kondensator- / Widerstands- als auch der Induktions- /Widerstandsschaltung aufgrund der Reaktanz der verwendeten Komponenten sowohl die Amplitude als auch die Phase des Ausgangssignals im Vergleich zum Eingangssignal ändern.
Bei hohen Frequenzen ist die Reaktanz eines Kondensators sehr niedrig und wirkt als Kurzschluss, während die Reaktanz der Induktivität hoch ist und als offener Stromkreis wirkt. Bei niedrigen Frequenzen ist das Gegenteil der Fall, die Reaktanz des Kondensators wirkt als offener Stromkreis und die Reaktanz der Induktivität wirkt als Kurzschluss.
Zwischen diesen beiden Extremen erzeugt die Kombination von Induktivität und Kondensator einen „abgestimmten“ oder „resonanten“ Stromkreis mit einer Resonanzfrequenz (esr ), in der die kapazitiven und induktiven Reaktanzen gleich sind und sich gegenseitig aufheben, so dass nur der Widerstand der Schaltung dem Stromfluss entgegensteht. Dies bedeutet, dass es keine Phasenverschiebung gibt, da der Strom in Phase mit der Spannung ist. Betrachten Sie die Schaltung unten.
Grundlegende LC-Oszillator-Tankschaltung
Die Schaltung besteht aus einer induktiven Spule, L und einem Kondensator, C. Der Kondensator speichert Energie in Form eines elektrostatischen Feldes und erzeugt ein Potential (statische Spannung) über seinen Platten, während der Kondensator induktive Spule speichert seine Energie in Form eines elektromagnetischen Feldes. Der Kondensator wird auf die DC-Versorgungsspannung aufgeladen, V, indem Sie den Schalter in Position A setzen. Wenn der Kondensator vollständig geladen ist, wechselt der Schalter in Position B.
Der geladene Kondensator ist nun parallel über die Induktionsspule geschaltet, sodass sich der Kondensator durch die Spule selbst zu entladen beginnt. Die Spannung über C beginnt zu fallen, wenn der Strom durch die Spule zu steigen beginnt.
Dieser steigende Strom erzeugt ein elektromagnetisches Feld um die Spule, das diesem Stromfluss widersteht. Wenn der Kondensator C vollständig entladen ist, wird die Energie, die ursprünglich im Kondensator C als elektrostatisches Feld gespeichert war, nun in der Induktionsspule L als elektromagnetisches Feld um die Spulenwicklungen herum gespeichert.
Da jetzt keine externe Spannung im Stromkreis vorhanden ist, um den Strom in der Spule aufrechtzuerhalten, beginnt er zu fallen, wenn das elektromagnetische Feld zu kollabieren beginnt. In der Spule wird eine Gegen-EMK induziert (e = -Ldi / dt), wobei der Strom in der ursprünglichen Richtung fließt.
Dieser Strom lädt den Kondensator C mit der entgegengesetzten Polarität zu seiner ursprünglichen Ladung auf. C lädt sich weiter auf, bis der Strom auf Null abfällt und das elektromagnetische Feld der Spule vollständig zusammengebrochen ist.
Die Energie, die ursprünglich über den Schalter in den Stromkreis eingeleitet wurde, wurde an den Kondensator zurückgegeben, der wiederum ein elektrostatisches Spannungspotential aufweist, obwohl er jetzt die entgegengesetzte Polarität aufweist. Der Kondensator beginnt sich nun wieder durch die Spule zu entladen und der gesamte Vorgang wiederholt sich. Die Polarität der Spannung ändert sich, wenn die Energie zwischen Kondensator und Induktivität hin und her geleitet wird, wodurch eine sinusförmige Spannungs- und Stromwellenform vom Wechselstromtyp erzeugt wird.
Dieser Prozess bildet dann die Basis einer LC-Oszillatoren-Tankschaltung und theoretisch wird dieses Hin und Her unbegrenzt fortgesetzt. Die Dinge sind jedoch nicht perfekt und jedes Mal, wenn Energie vom Kondensator C zur Induktivität L und zurück von L nach C übertragen wird, treten einige Energieverluste auf, die die Schwingungen mit der Zeit auf Null abfallen lassen.
Diese oszillierende Aktion, Energie zwischen dem Kondensator C und der Induktivität L hin und her zu leiten, würde unbegrenzt andauern, wenn es nicht Energieverluste innerhalb der Schaltung gäbe. Elektrische Energie geht im Gleichstrom- oder Wirkwiderstand der Induktorspule, im Dielektrikum des Kondensators und in der Strahlung der Schaltung verloren, so dass die Schwingung stetig abnimmt, bis sie vollständig absterben und der Prozess stoppt.
Dann nimmt in einer praktischen LC-Schaltung die Amplitude der Schwingungsspannung bei jeder Schwingungshälfte ab und stirbt schließlich auf Null ab. Die Schwingungen werden dann als „gedämpft“ bezeichnet, wobei der Grad der Dämpfung durch die Qualität oder den Q-Faktor der Schaltung bestimmt wird.
Gedämpfte Schwingungen
Die Frequenz der Schwingspannung hängt vom Wert der Induktivität und Kapazität im LC-Tankkreis ab. Wir wissen jetzt, dass es für das Auftreten von Resonanzen im Tankkreis einen Frequenzpunkt geben muss, an dem der Wert von XC, der kapazitive Reaktanz der gleiche ist wie der Wert von XL, der induktive Reaktanz (XL = XC) und die sich daher gegenseitig aufheben, wobei nur der Gleichstromwiderstand in der Schaltung verbleibt, um dem Stromfluss entgegenzuwirken.
Wenn wir nun die Kurve für die induktive Reaktanz der Induktivität über die Kurve für die kapazitive Reaktanz des Kondensators legen, so dass beide Kurven auf den gleichen Frequenzachsen liegen, ergibt der Schnittpunkt den Resonanzfrequenzpunkt (ƒr oder wr) wie unten gezeigt.
Resonanzfrequenz
Wobei: ƒr ist in Hertz, L ist in Henries und C ist in Farad.
Dann wird die Häufigkeit, mit der dies geschieht, wie folgt angegeben:
Durch die Vereinfachung der obigen Gleichung erhalten wir dann die endgültige Gleichung für die Resonanzfrequenz ƒr in einem abgestimmten LC-Schaltkreis als:
Resonanzfrequenz eines LC-Oszillators
- Wobei:
- L ist die Induktivität in Henries
- C ist die Kapazität in Farad
- ƒr ist die Ausgangsfrequenz in Hertz
Diese Gleichung zeigt, dass, wenn entweder L oder C verringert werden, die Frequenz zunimmt. Diese Ausgangsfrequenz erhält üblicherweise die Abkürzung (ƒr), um sie als „Resonanzfrequenz“ zu identifizieren.
Um die Schwingungen in einem LC-Tankkreislauf am Laufen zu halten, müssen wir die gesamte in jeder Schwingung verlorene Energie ersetzen und auch die Amplitude dieser Schwingungen auf einem konstanten Niveau halten. Die ersetzte Energiemenge muss daher der während jedes Zyklus verlorenen Energie entsprechen.
Wenn die Energiequelle zu groß ist, würde die Amplitude zunehmen, bis ein Überschneiden der Versorgungsschienen auftritt. Wenn alternativ die ersetzte Energiemenge zu klein ist, würde die Amplitude im Laufe der Zeit schließlich auf Null abfallen und die Schwingungen würden aufhören.
Der einfachste Weg, diese verlorene Energie zu ersetzen, besteht darin, einen Teil des Ausgangs aus dem LC-Tankkreislauf zu nehmen, zu verstärken und dann wieder in den LC-Kreislauf einzuspeisen. Dieser Prozess kann unter Verwendung eines Spannungsverstärkers unter Verwendung eines Operationsverstärkers, eines FET oder eines Bipolartransistors als aktive Vorrichtung erreicht werden. Wenn jedoch die Schleifenverstärkung des Rückkopplungsverstärkers zu klein ist, fällt die gewünschte Schwingung auf Null und wenn sie zu groß ist, wird die Wellenform verzerrt.
Um eine konstante Schwingung zu erzeugen, muss der Pegel der in das LC-Netzwerk zurückgeführten Energie genau gesteuert werden. Dann muss es eine Form der automatischen Amplituden- oder Verstärkungsregelung geben, wenn die Amplitude versucht, von einer Referenzspannung entweder nach oben oder unten zu variieren.
Um eine stabile Schwingung aufrechtzuerhalten, muss die Gesamtverstärkung der Schaltung gleich eins oder eins sein. Weniger und die Schwingungen beginnen nicht oder sterben auf Null ab, mehr Schwingungen treten auf, aber die Amplitude wird von den Versorgungsschienen abgeschnitten, was zu Verzerrungen führt. Betrachten Sie die Schaltung unten.
Basistransistor LC-Oszillatorschaltung
Als LC-Oszillatorverstärker wird ein Bipolartransistor verwendet, dessen abgestimmter LC-Tankkreis als Kollektorlast fungiert. Zwischen Basis und Emitter des Transistors ist eine weitere Spule L2 geschaltet, deren elektromagnetisches Feld mit dem der Spule L „wechselseitig“ gekoppelt ist.
Zwischen den beiden Stromkreisen besteht eine“gegenseitige Induktivität“, und der sich ändernde Strom, der in einem Spulenkreis fließt, induziert durch elektromagnetische Induktion eine Potentialspannung in dem anderen (Transformatoreffekt), so dass beim Auftreten der Schwingungen im Schwingkreis elektromagnetische Energie von der Spule L auf die Spule L2 übertragen wird und zwischen Basis und Emitter des Transistors eine Spannung mit der gleichen Frequenz wie im Schwingkreis angelegt wird. Auf diese Weise wird die notwendige automatische Rückkopplungsspannung an den Verstärkertransistor angelegt.
Der Rückkopplungsgrad kann durch Veränderung der Kopplung zwischen den beiden Spulen L und L2 erhöht oder verringert werden. Wenn die Schaltung oszilliert, ist ihre Impedanz resistiv und die Kollektor- und Basisspannungen sind 180o phasenverschoben. Um Schwingungen aufrechtzuerhalten (Frequenzstabilität genannt), muss die an den Schwingkreis angelegte Spannung mit den im Schwingkreis auftretenden Schwingungen „in Phase“ sein.
Daher müssen wir eine zusätzliche 180o-Phasenverschiebung in den Rückkopplungspfad zwischen dem Kollektor und der Basis einführen. Dies wird erreicht, indem die Spule von L2 relativ zur Spule L in die richtige Richtung gewickelt wird, um die richtigen Amplituden- und Phasenverhältnisse für die Oszillatorschaltung zu erhalten, oder indem ein Phasenverschiebungsnetzwerk zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers angeschlossen wird.
Der LC-Oszillator ist daher ein „sinusförmiger Oszillator“ oder ein „Harmonischer Oszillator“, wie er häufiger genannt wird. LC-Oszillatoren können hochfrequente Sinuswellen zur Verwendung in Hochfrequenzanwendungen (RF) erzeugen, wobei der Transistorverstärker aus einem Bipolartransistor oder FET besteht.Harmonische Oszillatoren gibt es in vielen verschiedenen Formen, da es viele verschiedene Möglichkeiten gibt, ein LC-Filternetzwerk und einen Verstärker zu konstruieren, wobei der Hartley LC-Oszillator, der Colpitts LC-Oszillator, der Armstrong-Oszillator und der Clapp-Oszillator am häufigsten sind, um nur einige zu nennen.
LC-Oszillator Beispiel No1
Eine Induktivität von 200mH und ein Kondensator von 10pF werden parallel geschaltet, um einen LC-Oszillator-Tankkreis zu erzeugen. Berechnen Sie die Schwingungsfrequenz.
Dann können wir aus dem obigen Beispiel sehen, dass L durch Verringern des Wertes entweder der Kapazität, C oder der Induktivität die Schwingungsfrequenz des LC-Tankkreises erhöht.
Zusammenfassung der LC-Oszillatoren
Die für einen LC-Oszillator-Resonanzkreis erforderlichen Grundbedingungen sind wie folgt angegeben.
- Damit Schwingungen existieren, MUSS ein Oszillatorkreis eine reaktive (frequenzabhängige) Komponente enthalten, entweder eine „Induktivität“ (L) oder einen „Kondensator“ (C) sowie eine Gleichstromquelle.
- In einer einfachen Induktor-Kondensator-LC-Schaltung werden Schwingungen im Laufe der Zeit aufgrund von Bauteil- und Schaltungsverlusten gedämpft.
- Eine Spannungsverstärkung ist erforderlich, um diese Schaltungsverluste zu überwinden und eine positive Verstärkung bereitzustellen.
- Die Gesamtverstärkung des Verstärkers muss größer als eins sein, Einheit.
- Schwingungen können aufrechterhalten werden, indem ein Teil der Ausgangsspannung an den Schwingkreis zurückgegeben wird, der die richtige Amplitude und Phase aufweist (0o).
- Schwingungen können nur auftreten, wenn die Rückkopplung „Positiv“ ist (Selbstregeneration).
- Die gesamte Phasenverschiebung der Schaltung muss Null oder 360o betragen, damit das Ausgangssignal des Rückkopplungsnetzwerks mit dem Eingangssignal „in Phase“ ist.
Im nächsten Tutorial über Oszillatoren werden wir den Betrieb einer der gebräuchlichsten LC-Oszillatorschaltungen untersuchen, die zwei Induktivitätsspulen verwendet, um eine Mitteninduktivität innerhalb ihres Resonanzbehälterkreises zu bilden. Diese Art von LC-Oszillatorschaltung ist allgemein als Hartley-Oszillator bekannt.
