oscilatoare converti o intrare DC (tensiunea de alimentare) într-o ieșire AC (forma de undă), care poate avea o gamă largă de diferite forme de undă și frecvențe care pot fi fie complicate în natură sau undele sinusoidale simple, în funcție de aplicație.
oscilatoarele sunt, de asemenea, utilizate în multe echipamente de testare care produc fie unde sinusoidale sinusoidale, pătrate, dinți de fierăstrău sau forme de undă în formă triunghiulară sau doar un tren de impulsuri cu o lățime variabilă sau constantă. Oscilatoarele LC sunt utilizate în mod obișnuit în circuitele de frecvență radio datorită caracteristicilor lor bune de zgomot de fază și ușurinței lor de implementare.
un oscilator este practic un amplificator cu „Feedback pozitiv” sau feedback regenerativ (în fază) și una dintre numeroasele probleme în proiectarea circuitelor electronice este oprirea amplificatoarelor de la oscilație în timp ce încearcă să facă oscilatoarele să oscileze.
oscilatoarele funcționează deoarece depășesc pierderile circuitului rezonator de feedback fie sub forma unui condensator, inductor sau ambele în același circuit prin aplicarea energiei DC la frecvența necesară în acest circuit rezonator. Cu alte cuvinte, un oscilator este un un amplificator care utilizează feedback pozitiv care generează o frecvență de ieșire fără utilizarea unui semnal de intrare.astfel, oscilatoarele sunt circuite autonome care generează o formă de undă de ieșire periodică la o frecvență precisă și pentru ca orice circuit electronic să funcționeze ca oscilator, acesta trebuie să aibă următoarele trei caracteristici.
- o formă de amplificare
- feedback pozitiv (regenerare)
- o frecvență determină rețeaua de feedback
un oscilator are un amplificator mic de feedback al semnalului cu un câștig în buclă deschisă egal sau puțin mai mare decât unul pentru ca oscilațiile să înceapă, dar pentru a continua oscilațiile câștigul mediu al buclei trebuie să revină la unitate. În plus față de aceste componente reactive, este necesar un dispozitiv de amplificare, cum ar fi un amplificator operațional sau un tranzistor Bipolar.
spre deosebire de un amplificator, nu este necesară o intrare externă de curent alternativ pentru a determina Oscilatorul să funcționeze, deoarece energia de alimentare cu curent continuu este convertită de oscilator în energie de curent alternativ la frecvența necesară.
circuit de feedback oscilator de bază
unde:
câștig oscilator fără Feedback
câștig oscilator cu Feedback
oscilatoarele sunt circuite care generează o formă de undă de ieșire continuă de tensiune la o frecvență necesară cu valorile inductoarelor, condensatoarelor sau rezistențelor care formează un circuit de rezervor rezonant LC selectiv de frecvență și o rețea de feedback. Această rețea de feedback este o rețea de atenuare care are un câștig mai mic de unu (<1 ) și începe oscilațiile atunci când un >1 care revine la unitate (A_div =1 ) Odată ce oscilațiile încep.
frecvența oscilatoarelor LC este controlată folosind un circuit inductiv / capacitiv (LC) reglat sau rezonant, frecvența de ieșire rezultată fiind cunoscută sub numele de frecvența de oscilație. Făcând feedback-ul oscilatoarelor o rețea reactivă, unghiul de fază al feedback-ului va varia în funcție de frecvență și aceasta se numește schimbare de fază.
există practic tipuri de oscilatoare
- 1. Oscilatoare sinusoidale-acestea sunt cunoscute sub numele de oscilatoare armonice și sunt, în general, un oscilator de tip „LC Tuned-feedback” sau „RC tuned-feedback” care generează o formă de undă pur sinusoidală care are o amplitudine și o frecvență constantă.
- 2. Oscilatoare non-sinusoidale-acestea sunt cunoscute sub numele de oscilatoare de relaxare și generează forme de undă complexe non-sinusoidale care se schimbă foarte repede de la o condiție de stabilitate la alta, cum ar fi forme de undă de tip „undă pătrată”, „undă triunghiulară” sau „undă cu dinți de fierăstrău”.
rezonanța oscilatorului
când se aplică o tensiune constantă, dar de frecvență variabilă, unui circuit format dintr-un inductor, condensator și rezistor, reactanța circuitelor condensatorului/rezistorului și inductorului / rezistorului este de a schimba atât amplitudinea, cât și faza semnalului de ieșire în comparație cu semnalul de intrare datorită reactanței componentelor utilizate.
la frecvențe înalte reactanța unui condensator este foarte scăzută acționând ca un scurtcircuit, în timp ce reactanța inductorului este ridicată acționând ca un circuit deschis. La frecvențe joase, inversul este adevărat, reactanța condensatorului acționează ca un circuit deschis, iar reactanța inductorului acționează ca un scurtcircuit.
între aceste două extreme, combinația dintre inductor și condensator produce un circuit „reglat” sau „rezonant” care are o frecvență rezonantă, (ectr ) în care reactanța capacitivă și inductivă sunt egale și se anulează reciproc, lăsând doar rezistența circuitului să se opună fluxului de curent. Aceasta înseamnă că nu există o schimbare de fază, deoarece curentul este în fază cu tensiunea. Luați în considerare circuitul de mai jos.
circuitul de bază al rezervorului oscilatorului LC
circuitul constă dintr-o bobină inductivă, L și un condensator, C. condensatorul stochează energie sub forma unui câmp electrostatic și care produce un potențial (tensiune statică) pe plăcile sale, în timp ce bobina inductivă își stochează energia sub forma unui câmp electromagnetic. Condensatorul este încărcat până la tensiunea de alimentare DC, V prin punerea comutatorului în poziția A. Când condensatorul este complet încărcat, comutatorul se schimbă în poziția B.
condensatorul încărcat este acum conectat în paralel pe bobina inductivă, astfel încât condensatorul începe să se descarce prin bobină. Tensiunea peste C începe să scadă pe măsură ce curentul prin bobină începe să crească.
acest curent în creștere stabilește un câmp electromagnetic în jurul bobinei care rezistă acestui flux de curent. Când condensatorul, C este descărcat complet energia care a fost stocată inițial în condensator, C ca un câmp electrostatic este acum stocat în bobina inductivă, L ca un câmp electromagnetic în jurul bobinelor înfășurărilor.deoarece acum nu există tensiune externă în circuit pentru a menține curentul în bobină, acesta începe să scadă pe măsură ce câmpul electromagnetic începe să se prăbușească. Un EMF din spate este indus în bobină (e = -Ldi/dt) menținând curentul care curge în direcția inițială.
acest curent încarcă condensatorul, C cu polaritatea opusă încărcării sale inițiale. C continuă să se încarce până când curentul se reduce la zero și câmpul electromagnetic al bobinei s-a prăbușit complet.
energia introdusă inițial în circuit prin comutator, a fost returnată condensatorului care are din nou un potențial de tensiune electrostatică peste el, deși acum are polaritatea opusă. Condensatorul începe acum să se descarce din nou prin bobină și întregul proces se repetă. Polaritatea tensiunii se schimbă pe măsură ce energia este trecută înainte și înapoi între condensator și inductor producând o tensiune sinusoidală de tip AC și o formă de undă de curent.
acest proces formează apoi baza unui circuit rezervor oscilatoare LC și, teoretic, acest ciclu înainte și înapoi va continua la nesfârșit. Cu toate acestea, lucrurile nu sunt perfecte și de fiecare dată când energia este transferată de la condensator, C la inductor, L și înapoi de la L la C apar unele pierderi de energie care descompun oscilațiile la zero în timp.
această acțiune oscilatorie de trecere a energiei înainte și înapoi între condensator, C la inductor, L ar continua la nesfârșit dacă nu ar fi pierderi de energie în circuit. Energia electrică se pierde în rezistența DC sau reală a bobinei inductoarelor, în dielectricul condensatorului și în radiația din circuit, astfel încât oscilația scade constant până când acestea mor complet și procesul se oprește.
apoi, într-un circuit practic LC amplitudinea tensiunii oscilatorii scade la fiecare jumătate de ciclu de oscilație și va muri în cele din urmă la zero. Se spune că oscilațiile sunt „amortizate”, cantitatea de amortizare fiind determinată de calitatea sau factorul Q al circuitului.
oscilații amortizate
frecvența tensiunii oscilatorii depinde de valoarea inductanței și a capacității în circuitul rezervorului LC. Acum știm că pentru ca rezonanța să apară în circuitul rezervorului, trebuie să existe un punct de frecvență în care valoarea XC, reactanța capacitivă este aceeași cu valoarea XL, reactanța inductivă ( XL = XC ) și care, prin urmare, se va anula reciproc, lăsând doar rezistența DC în circuit pentru a se opune fluxului de curent.
dacă plasăm acum curba pentru reactanța inductivă a inductorului deasupra curbei pentru reactanța capacitivă a condensatorului, astfel încât ambele curbe să fie pe aceleași axe de frecvență, punctul de intersecție ne va da punctul de frecvență de rezonanță, (XVR sau wr ) așa cum se arată mai jos.
frecvența de rezonanță
unde: ectr este în Hertz, L este în Henries și C este în Farads.
atunci frecvența la care se va întâmpla acest lucru este dată ca:
apoi, simplificând ecuația de mai sus, obținem ecuația finală pentru frecvența rezonantă, ectr într-un circuit LC reglat ca:
frecvența rezonantă a unui oscilator LC
- unde:
- L este inductanța în Henries
- C este capacitatea în Farads
- ectr este frecvența de ieșire în Hertz
această ecuație arată că, dacă fie L sau C sunt scăzute, frecvența crește. Această frecvență de ieșire este dată în mod obișnuit abrevierea de la ( XVR ) pentru a o identifica drept „frecvența rezonantă”.
pentru a menține oscilațiile într-un circuit de rezervor LC, trebuie să înlocuim toată energia pierdută în fiecare oscilație și, de asemenea, să menținem amplitudinea acestor oscilații la un nivel constant. Prin urmare, cantitatea de energie înlocuită trebuie să fie egală cu energia pierdută în timpul fiecărui ciclu.
dacă energia înlocuită este prea mare, amplitudinea ar crește până la tăierea șinelor de alimentare. Alternativ, dacă cantitatea de energie înlocuită este prea mică, amplitudinea ar scădea în cele din urmă la zero în timp și oscilațiile s-ar opri.
cel mai simplu mod de a înlocui această energie pierdută este să luați o parte din ieșirea din circuitul rezervorului LC, să o amplificați și apoi să o alimentați din nou în circuitul LC. Acest proces poate fi realizat folosind un amplificator de tensiune folosind un OP-amp, FET sau tranzistor bipolar ca dispozitiv activ. Cu toate acestea, dacă câștigul de buclă al amplificatorului de feedback este prea mic, oscilația dorită se descompune la zero și dacă este prea mare, forma de undă devine distorsionată.
pentru a produce o oscilație constantă, nivelul energiei alimentate înapoi în rețeaua LC trebuie controlat cu precizie. Apoi, trebuie să existe o formă de amplitudine automată sau de control al câștigului atunci când amplitudinea încearcă să varieze de la o tensiune de referință fie în sus, fie în jos.
pentru a menține o oscilație stabilă, câștigul general al circuitului trebuie să fie egal cu unul sau unitate. Mai puțin și oscilațiile nu vor începe sau vor dispărea la zero, vor mai avea loc oscilațiile, dar amplitudinea va fi tăiată de șinele de alimentare provocând distorsiuni. Luați în considerare circuitul de mai jos.
Basic tranzistor LC oscilator Circuit
un tranzistor Bipolar este folosit ca amplificator oscilatoare LC cu reglat LC rezervor circuit acționează ca sarcina colector. O altă bobină L2 este conectată între bază și emițătorul tranzistorului al cărui câmp electromagnetic este cuplat „reciproc” cu cel al bobinei L.
„inductanța reciprocă” există între cele două circuite, iar curentul în schimbare care curge într-un circuit de bobină induce, prin inducție electromagnetică, o tensiune potențială în celălalt (efect de transformator), astfel încât oscilațiile să apară în circuitul reglat, energia electromagnetică este transferată de la bobina L la bobina L2 și se aplică o tensiune de aceeași frecvență ca cea din circuitul reglat între baza și emițătorul tranzistorului. În acest fel, tensiunea de feedback automată necesară este aplicată tranzistorului de amplificare.
cantitatea de feedback poate fi mărită sau scăzută prin modificarea cuplajului dintre cele două bobine L și L2. Când circuitul oscilează, impedanța sa este rezistivă, iar tensiunile colectorului și bazei sunt 180o defazate. Pentru a menține oscilațiile (numite stabilitate de frecvență) tensiunea aplicată circuitului reglat trebuie să fie „în fază” cu oscilațiile care apar în circuitul reglat.
prin urmare, trebuie să introducem o schimbare suplimentară de fază 180o în calea de feedback dintre colector și bază. Acest lucru se realizează prin înfășurarea bobinei L2 în direcția corectă față de bobina L, oferindu-ne relațiile corecte de amplitudine și fază pentru circuitul oscilatoarelor sau prin conectarea unei rețele de schimbare de fază între ieșirea și intrarea amplificatorului.
Oscilatorul LC este, prin urmare, un „oscilator Sinusoidal” sau un „oscilator armonic”, așa cum se numește mai frecvent. Oscilatoarele LC pot genera unde sinusoidale de înaltă frecvență pentru utilizare în aplicații de tip frecvență radio (RF), amplificatorul tranzistorului fiind al unui tranzistor Bipolar sau FET.oscilatoarele armonice vin în multe forme diferite, deoarece există multe moduri diferite de a construi o rețea de filtre LC și un amplificator, cele mai frecvente fiind Oscilatorul Hartley LC, Oscilatorul Colpitts LC, Oscilatorul Armstrong și oscilatorul Clapp pentru a numi câteva.
exemplu oscilator LC No1
o inductanță de 200mh și un condensator de 10pf sunt conectate împreună în paralel pentru a crea un circuit rezervor oscilator LC. Calculați frecvența oscilației.
atunci putem vedea din exemplul de mai sus că prin scăderea valorii capacității, C sau inductanței, L va avea ca efect creșterea frecvenței de oscilație a circuitului rezervorului LC.
rezumat oscilatoare LC
condițiile de bază necesare pentru un circuit rezervor rezonant oscilator LC sunt date după cum urmează.
- pentru ca oscilațiile să existe, un circuit oscilator trebuie să conțină o componentă reactivă (dependentă de frecvență) fie un „Inductor”, (L) sau un „condensator”, (C), precum și o sursă de curent continuu.
- într-un circuit simplu inductor-condensator, LC, oscilațiile devin amortizate în timp din cauza pierderilor de componente și circuite.
- amplificarea tensiunii este necesară pentru a depăși aceste pierderi de circuit și pentru a oferi un câștig pozitiv.
- câștigul general al amplificatorului trebuie să fie mai mare decât unul, unitate.
- oscilațiile pot fi menținute prin alimentarea înapoi o parte din tensiunea de ieșire la circuitul reglat, care este de amplitudinea corectă și în fază, (0o).
- oscilațiile pot apărea numai atunci când feedback-ul este „pozitiv” (auto-regenerare).
- schimbarea generală de fază a circuitului trebuie să fie zero sau 360o, astfel încât semnalul de ieșire din rețeaua de feedback să fie „în fază” cu semnalul de intrare.
în următorul tutorial despre oscilatoare, vom examina funcționarea unuia dintre cele mai comune circuite oscilatoare LC care utilizează două bobine de inductanță pentru a forma o inductanță centrală atinsă în circuitul rezervorului rezonant. Acest tip de circuit oscilator LC este cunoscut în mod obișnuit ca un oscilator Hartley.
