Gli oscillatori convertono un ingresso DC (la tensione di alimentazione) in un’uscita AC (la forma d’onda), che può avere una vasta gamma di diverse forme d’onda e frequenze che possono essere complicate in natura o semplici onde sinusoidali a seconda dell’applicazione.
Gli oscillatori sono anche utilizzati in molti pezzi di apparecchiature di prova che producono onde sinusoidali sinusoidali, forme d’onda quadrate, a dente di sega o triangolari o solo un treno di impulsi di larghezza variabile o costante. Gli oscillatori LC sono comunemente usati nei circuiti a radiofrequenza a causa delle loro buone caratteristiche di rumore di fase e della loro facilità di implementazione.
Un oscillatore è fondamentalmente un amplificatore con “Feedback positivo”, o feedback rigenerativo (in fase) e uno dei tanti problemi nella progettazione di circuiti elettronici è fermare gli amplificatori dall’oscillare mentre si cerca di far oscillare gli oscillatori.
Gli oscillatori funzionano perché superano le perdite del loro circuito risonatore di feedback sotto forma di condensatore, induttore o entrambi nello stesso circuito applicando energia DC alla frequenza richiesta in questo circuito risonatore. In altre parole, un oscillatore è un amplificatore che utilizza un feedback positivo che genera una frequenza di uscita senza l’uso di un segnale di ingresso.
Quindi gli oscillatori sono circuiti autosufficienti che generano una forma d’onda di uscita periodica ad una frequenza precisa e affinché qualsiasi circuito elettronico funzioni come oscillatore, deve avere le seguenti tre caratteristiche.
- Qualche forma di amplificazione
- Feedback positivo (rigenerazione)
- Una rete di feedback di frequenza
Un oscillatore ha un piccolo amplificatore di feedback di segnale con un guadagno a circuito aperto uguale o leggermente maggiore di uno per l’avvio delle oscillazioni ma per continuare le oscillazioni il guadagno medio del loop deve tornare Oltre a questi componenti reattivi, è necessario un dispositivo di amplificazione come un amplificatore operazionale o un transistor bipolare.
A differenza di un amplificatore non è richiesto alcun ingresso AC esterno per far funzionare l’oscillatore poiché l’energia di alimentazione CC viene convertita dall’oscillatore in energia CA alla frequenza richiesta.
Circuito di retroazione dell’oscillatore di base
Dove: β è una frazione di retroazione.
Oscillatore Guadagno, Senza Feedback
Oscillatore Guadagno Con Feedback
gli Oscillatori sono circuiti che generano una tensione continua di uscita forma d’onda alla frequenza desiderata con i valori delle induttanze, condensatori o resistenze, formando una frequenza selettiva LC risonante serbatoio circuito di feedback e di rete. Questa rete di feedback è una rete di attenuazione che ha un guadagno inferiore a uno (β<1 ) e inizia le oscillazioni quando Aß>1 che ritorna all’unità ( Aß =1 ) una volta che le oscillazioni iniziano.
La frequenza degli oscillatori LC è controllata utilizzando un circuito induttivo/capacitivo (LC) sintonizzato o risonante con la frequenza di uscita risultante nota come Frequenza di oscillazione. Rendendo il feedback degli oscillatori una rete reattiva, l’angolo di fase del feedback varierà in funzione della frequenza e questo è chiamato sfasamento.
Esistono fondamentalmente tipi di oscillatori
- 1. Oscillatori sinusoidali-questi sono noti come oscillatori armonici e sono generalmente un” LC Tuned-feedback “o” RC tuned-feedback” tipo oscillatore che genera una forma d’onda puramente sinusoidale che è di ampiezza e frequenza costante.
- 2. Oscillatori non sinusoidali-questi sono conosciuti come oscillatori di rilassamento e generano forme d’onda non sinusoidali complesse che cambiano molto rapidamente da una condizione di stabilità ad un’altra come “onda quadra”, “onda triangolare” o “onda a dente di sega” tipo forme d’onda.
Oscillatore Risonanza
Quando una tensione costante, ma di diversa frequenza viene applicata a un circuito composto da un induttore, condensatore e un resistore la reattanza sia il Condensatore/Resistenza e Induttanza/Resistenza di circuiti per modificare l’ampiezza e la fase del segnale di uscita rispetto al segnale di ingresso a causa della reattanza dei componenti utilizzati.
Alle alte frequenze la reattanza di un condensatore è molto bassa che agisce come un cortocircuito mentre la reattanza dell’induttore è alta che agisce come un circuito aperto. Alle basse frequenze è vero il contrario, la reattanza del condensatore agisce come un circuito aperto e la reattanza dell’induttore agisce come un cortocircuito.
Tra questi due estremi la combinazione di induttore e condensatore produce un circuito “sintonizzato” o “Risonante” che ha una frequenza di risonanza, ( ƒr ) in cui la reattanza capacitiva e induttiva sono uguali e si annullano a vicenda, lasciando solo la resistenza del circuito per opporsi al flusso di corrente. Ciò significa che non c’è sfasamento poiché la corrente è in fase con la tensione. Considera il circuito qui sotto.
di Base Oscillatore LC Serbatoio Circuito
Il circuito è composto da un sensore induttivo bobina, L e un condensatore, C. Il condensatore immagazzina energia sotto forma di un campo elettrostatico e che produce un potenziale (tensione statica) attraverso i suoi piatti, mentre il induttiva della bobina memorizza la sua energia sotto forma di campo elettromagnetico. Il condensatore viene caricato fino alla tensione di alimentazione DC, V mettendo l’interruttore in posizione A. Quando il condensatore è completamente carico, l’interruttore passa alla posizione B.
Il condensatore caricato è ora collegato in parallelo attraverso la bobina induttiva in modo che il condensatore inizi a scaricarsi attraverso la bobina. La tensione attraverso C inizia a cadere come la corrente attraverso la bobina inizia a salire.
Questa corrente ascendente imposta un campo elettromagnetico attorno alla bobina che resiste a questo flusso di corrente. Quando il condensatore, C è completamente scaricata l’energia che è stato originariamente memorizzato nel condensatore, C come un campo elettrostatico è ora memorizzato nella bobina induttiva, L come un campo elettromagnetico intorno alle bobine avvolgimenti.
Poiché ora non c’è tensione esterna nel circuito per mantenere la corrente all’interno della bobina, inizia a cadere mentre il campo elettromagnetico inizia a collassare. Un emf posteriore è indotto nella bobina (e = -Ldi/dt) mantenendo la corrente che scorre nella direzione originale.
Questa corrente carica il condensatore, C con la polarità opposta alla sua carica originale. C continua a caricare fino a quando la corrente si riduce a zero e il campo elettromagnetico della bobina è crollato completamente.
L’energia originariamente introdotta nel circuito attraverso l’interruttore, è stata restituita al condensatore che ha nuovamente un potenziale di tensione elettrostatica attraverso di esso, anche se ora è della polarità opposta. Il condensatore ora inizia a scaricare di nuovo attraverso la bobina e l’intero processo viene ripetuto. La polarità della tensione cambia quando l’energia viene passata avanti e indietro tra il condensatore e l’induttore producendo una tensione sinusoidale di tipo AC e una forma d’onda di corrente.
Questo processo costituisce quindi la base di un circuito serbatoio oscillatori LC e teoricamente questo ciclismo avanti e indietro continuerà indefinitamente. Tuttavia, le cose non sono perfette e ogni volta che l’energia viene trasferita dal condensatore, C all’induttore, L e viceversa da L a C si verificano alcune perdite di energia che decadono le oscillazioni a zero nel tempo.
Questa azione oscillatoria di passare energia avanti e indietro tra il condensatore, C all’induttore, L continuerebbe indefinitamente se non fosse per perdite di energia all’interno del circuito. L’energia elettrica viene persa nella resistenza DC o reale della bobina degli induttori, nel dielettrico del condensatore e nella radiazione dal circuito in modo che l’oscillazione diminuisca costantemente fino a quando non si estinguono completamente e il processo si arresta.
Quindi in un pratico circuito LC l’ampiezza della tensione oscillatoria diminuisce ad ogni mezzo ciclo di oscillazione e alla fine muore a zero. Le oscillazioni vengono quindi dette “smorzate” con la quantità di smorzamento determinata dalla qualità o dal fattore Q del circuito.
Oscillazioni smorzate
La frequenza della tensione oscillatoria dipende dal valore dell’induttanza e della capacità nel circuito del serbatoio LC. Ora sappiamo che perché la risonanza si verifichi nel circuito del serbatoio, ci deve essere un punto di frequenza se il valore di XC, la reattanza capacitiva è lo stesso del valore di XL, la reattanza induttiva ( XL = XC ) e che quindi si annullerà a vicenda lasciando solo la resistenza DC nel circuito per opporsi al flusso di corrente.
Se ora posizioniamo la curva per la reattanza induttiva dell’induttore sopra la curva per la reattanza capacitiva del condensatore in modo che entrambe le curve siano sugli stessi assi di frequenza, il punto di intersezione ci darà il punto di frequenza di risonanza, ( ƒr o wr ) come mostrato di seguito.
Frequenza di Risonanza
Dove: ƒr è in Hertz, L è in Henry e C in Farad.
Quindi la frequenza alla quale ciò accadrà è data come:
Quindi per semplificare l’equazione otteniamo l’equazione finale per la Frequenza di Risonanza, ƒr in un sintonizzati LC circuito:
Frequenza di Risonanza di un Oscillatore LC
- Dove:
- L è l’induttanza in Henries
- C è la Capacità in Farads
- ƒr è la frequenza di uscita in Hertz
Questa equazione mostra che se L o C sono diminuiti, la frequenza aumenta. Questa frequenza di uscita è comunemente data l’abbreviazione di (ƒr) per identificarla come “frequenza di risonanza”.
Per mantenere le oscillazioni in corso in un circuito serbatoio LC, dobbiamo sostituire tutta l’energia persa in ogni oscillazione e anche mantenere l’ampiezza di queste oscillazioni ad un livello costante. La quantità di energia sostituita deve quindi essere uguale all’energia persa durante ogni ciclo.
Se l’energia sostituita è troppo grande, l’ampiezza aumenterebbe fino al ritaglio delle guide di alimentazione. In alternativa, se la quantità di energia sostituita è troppo piccola l’ampiezza alla fine diminuirebbe a zero nel tempo e le oscillazioni si fermerebbero.
Il modo più semplice per sostituire questa energia persa è prendere parte dell’uscita dal circuito del serbatoio LC, amplificarla e quindi reinserirla nuovamente nel circuito LC. Questo processo può essere ottenuto utilizzando un amplificatore di tensione utilizzando un op-amp, FET o transistor bipolare come dispositivo attivo. Tuttavia, se il guadagno del loop dell’amplificatore di feedback è troppo piccolo, l’oscillazione desiderata decade a zero e se è troppo grande, la forma d’onda diventa distorta.
Per produrre un’oscillazione costante, il livello dell’energia immessa alla rete LC deve essere controllato con precisione. Quindi ci deve essere una qualche forma di ampiezza automatica o controllo del guadagno quando l’ampiezza cerca di variare da una tensione di riferimento su o giù.
Per mantenere un’oscillazione stabile il guadagno complessivo del circuito deve essere uguale a uno o unità. Meno e le oscillazioni non si avvieranno o moriranno a zero, più le oscillazioni si verificheranno ma l’ampiezza verrà ritagliata dalle rotaie di alimentazione causando distorsioni. Considera il circuito qui sotto.
Transistor di base LC Oscillatore Circuito
Un transistor bipolare è utilizzato come il LC oscillatori amplificatore con il sintonizzato LC serbatoio circuito agisce come il collettore di carico. Un’altra bobina L2 è collegata tra la base e l’emettitore del transistor il cui campo elettromagnetico è” reciprocamente ” accoppiato con quello della bobina L.
“l’induttanza Reciproca” che esiste tra i due circuiti, e la corrente che scorre in un circuito della bobina induce, per induzione elettromagnetica, un potenziale di tensione del trasformatore effetto) così come le oscillazioni si verificano nel circuito accordato, l’energia elettromagnetica viene trasferito dalla bobina L a bobina L2 e una tensione della stessa frequenza che nel circuito accordato viene applicato tra la base e l’emettitore del transistor. In questo modo la necessaria tensione di retroazione automatica viene applicata al transistor di amplificazione.
La quantità di feedback può essere aumentata o diminuita alterando l’accoppiamento tra le due bobine L e L2. Quando il circuito sta oscillando la sua impedenza è resistiva e le tensioni del collettore e della base sono 180o fuori fase. Al fine di mantenere le oscillazioni (detta stabilità di frequenza) la tensione applicata al circuito sintonizzato deve essere “in fase” con le oscillazioni che si verificano nel circuito sintonizzato.
Pertanto, dobbiamo introdurre un ulteriore sfasamento di 180o nel percorso di feedback tra il collettore e la base. Ciò si ottiene avvolgendo la bobina di L2 nella direzione corretta rispetto alla bobina L dandoci le corrette relazioni di ampiezza e fase per il circuito degli oscillatori o collegando una rete di sfasamento tra l’uscita e l’ingresso dell’amplificatore.
L’Oscillatore LC è quindi un “Oscillatore sinusoidale” o un “Oscillatore armonico” come viene più comunemente chiamato. Gli oscillatori LC possono generare onde sinusoidali ad alta frequenza per l’uso in applicazioni di tipo RF (radiofrequenza) con l’amplificatore a transistor di un transistor bipolare o FET.
Oscillatori armonici sono disponibili in molte forme diverse perché ci sono molti modi diversi per costruire una rete di filtri LC e amplificatore con il più comune è l’oscillatore Hartley LC, Colpitts LC Oscillatore, Armstrong Oscillatore e Clapp Oscillatore per citarne alcuni.
Oscillatore LC Esempio No1
Un’induttanza di 200mH e un condensatore di 10pF sono collegati insieme in parallelo per creare un circuito serbatoio oscillatore LC. Calcola la frequenza di oscillazione.
Quindi possiamo vedere dall’esempio precedente che diminuendo il valore della capacità, C o dell’induttanza, L avrà l’effetto di aumentare la frequenza di oscillazione del circuito serbatoio LC.
Sintesi degli oscillatori LC
Le condizioni di base richieste per un circuito risonante del serbatoio dell’oscillatore LC sono le seguenti.
- Affinché le oscillazioni esistano un circuito oscillatore DEVE contenere un componente reattivo (dipendente dalla frequenza) un “Induttore”, (L) o un “Condensatore”, (C) e una fonte di alimentazione CC.
- In un semplice induttore-condensatore, circuito LC, le oscillazioni si smorzano nel tempo a causa di perdite di componenti e circuiti.
- L’amplificazione di tensione è necessaria per superare queste perdite di circuito e fornire un guadagno positivo.
- Il guadagno complessivo dell’amplificatore deve essere maggiore di uno, unity.
- Le oscillazioni possono essere mantenute alimentando una parte della tensione di uscita al circuito sintonizzato che è dell’ampiezza corretta e in fase, (0o).
- Le oscillazioni possono verificarsi solo quando il feedback è “Positivo” (auto-rigenerazione).
- Lo sfasamento complessivo del circuito deve essere zero o 360o in modo che il segnale di uscita dalla rete di feedback sia “in fase” con il segnale di ingresso.
Nel prossimo tutorial sugli oscillatori, esamineremo il funzionamento di uno dei più comuni circuiti oscillatori LC che utilizza due bobine di induttanza per formare un centro sfruttato induttanza all’interno del suo circuito serbatoio risonante. Questo tipo di circuito oscillatore LC è conosciuto comunemente come un oscillatore Hartley.
