oscillatoren zetten een DC-ingang (de voedingsspanning) om in een AC-uitgang (de golfvorm), die een breed scala van verschillende golfvormen en frequenties kan hebben die ingewikkeld van aard of eenvoudige sinusgolven kunnen zijn, afhankelijk van de toepassing.
oscillatoren worden ook gebruikt in veel testapparatuur die sinusvormige sinusgolven, vierkante, zaagtand-of driehoekige golfvormen of slechts een reeks pulsen met een variabele of constante breedte produceert. LC-oscillatoren worden vaak gebruikt in radiofrequente circuits vanwege hun goede faseruiseigenschappen en hun gemak van implementatie.
een Oscillator is een versterker met “positieve Feedback”, of regeneratieve feedback (in-fase) en een van de vele problemen in het ontwerp van elektronische circuits is het stoppen van oscillerende versterkers terwijl het proberen om oscillatoren te laten oscilleren.
oscillatoren werken omdat zij de verliezen van hun terugkoppelings-resonatorcircuit in de vorm van een condensator, inductor of beide in hetzelfde circuit overwinnen door DC-energie op de vereiste frequentie in dit resonatorcircuit toe te passen. Met andere woorden, een oscillator is een versterker die positieve feedback gebruikt die een uitgangsfrequentie genereert zonder het gebruik van een ingangssignaal.
oscillatoren zijn dus zelfonderhoudende circuits die een periodieke outputgolfvorm genereren met een precieze frequentie en om een elektronisch circuit als oscillator te laten werken, moet het de volgende drie kenmerken hebben.
- enige vorm van versterking
- positieve Feedback (regeneratie)
- een Frequentiebepalend feedbacknetwerk
een oscillator heeft een kleine signaalterugkoppelversterker met een open-lusversterker gelijk aan of iets groter dan één om oscillaties te starten, maar om oscillaties voort te zetten moet de gemiddelde lusversterker terugkeren naar eenheid. Naast deze reactieve componenten is een versterker zoals een operationele versterker of bipolaire Transistor vereist.
In tegenstelling tot een versterker is er geen externe wisselstroom-ingang nodig om de Oscillator te laten werken, aangezien de gelijkstroom-voedingsenergie door de oscillator wordt omgezet in wisselstroom-energie bij de vereiste frequentie.
Basic Oscillator Feedback Circuit
waarbij: β een feedbackfractie is.
Oscillator Krijgen Zonder Feedback
Oscillator Krijgen Met Feedback
Oscillatoren zijn circuits die het genereren van een continue spanning uitgang golfvorm op een gewenste frequentie met de waarden van de spoelen, condensatoren of weerstanden vormen een frequentie selectieve LC volle tank circuit en feedback netwerk. Dit feedbacknetwerk is een dempingsnetwerk met een versterking van minder dan één ( β <1 ) en begint met oscillaties wanneer Aß >1 dat terugkeert naar eenheid ( Aß =1 ) Zodra oscillaties beginnen.
De frequentie van de LC-oscillatoren wordt geregeld met behulp van een afgesteld of resonant inductief/capacitief circuit (LC) waarbij de resulterende uitgangsfrequentie bekend staat als de oscillatiefrequentie. Door van de oscillatoren feedback een reactief netwerk te maken zal de fasehoek van de feedback variëren als functie van frequentie en dit heet faseverschuiving.
Er zijn in principe soorten oscillatoren
- 1. Sinusoïdale oscillatoren-deze staan bekend als harmonische oscillatoren en zijn over het algemeen een “LC Tuned-feedback” of “RC tuned-feedback” Type Oscillator die een zuiver sinusoïdale golfvorm genereert die van constante amplitude en frequentie is.
- 2. Niet-sinusoïdale oscillatoren – deze zijn bekend als ontspanning oscillatoren en genereren complexe niet-sinusoïdale golfvormen die zeer snel verandert van de ene conditie van stabiliteit naar de andere, zoals “vierkante-golf”, “driehoekige-golf” of “Zaaggetoot-golf” type golfvormen.
Oscillatorresonantie
wanneer een constante spanning maar met variërende frequentie wordt toegepast op een circuit bestaande uit een inductor, condensator en weerstand de reactantie van zowel de condensator/weerstand als de Inductor/Weerstandcircuits moet zowel de amplitude als de fase van het uitgangssignaal ten opzichte van het ingangssignaal veranderen als gevolg van de reactantie van de gebruikte componenten.
bij hoge frequenties is de reactantie van een condensator zeer laag als kortsluiting, terwijl de reactantie van de inductor hoog is als een open circuit. Bij lage frequenties is het omgekeerde waar, de reactantie van de condensator werkt als een open circuit en de reactantie van de inductor werkt als een kortsluiting.
tussen deze twee uitersten produceert de combinatie van de inductor en condensator een “Tuned” of “Resonant” circuit met een Resonant frequentie, ( ƒr ) waarin de capacitieve en inductieve reactantie ‘ s gelijk zijn en elkaar opheffen, waardoor alleen de weerstand van het circuit tegen de stroomstroom overblijft. Dit betekent dat er geen faseverschuiving is omdat de stroom in fase is met de spanning. Denk aan het circuit hieronder.
Basic LC Oscillator Tank Circuit
De schakeling bestaat uit een inductieve spoel, L en een condensator C. De condensator slaat energie op in de vorm van een elektrostatisch veld en die produceert een potentiële (statische spanning) over de platen, terwijl de inductieve spoel slaat zijn energie op in de vorm van een elektromagnetisch veld. De condensator wordt opgeladen tot de DC voedingsspanning, V door de schakelaar in positie a te zetten. Wanneer de condensator volledig is opgeladen, verandert de schakelaar in positie B.
De opgeladen condensator wordt nu parallel over de inductieve spoel aangesloten zodat de condensator zichzelf door de spoel begint te ontladen. De spanning over C begint te dalen als de stroom door de spoel begint te stijgen.
deze stijgende stroom zet een elektromagnetisch veld rond de spoel op dat deze stroom weerstaat. Wanneer de condensator, C volledig wordt ontladen de energie die oorspronkelijk was opgeslagen in de condensator, C als een elektrostatisch veld wordt nu opgeslagen in de inductieve spoel, L als een elektromagnetisch veld rond de spoelen wikkelingen.
aangezien er nu geen externe spanning in het circuit aanwezig is om de stroom binnen de spoel te houden, begint het te dalen als het elektromagnetische veld begint in te storten. Een terug emf wordt in de spoel geïnduceerd (e = -Ldi/dt) waardoor de stroom in de oorspronkelijke richting blijft stromen.
deze stroom laadt condensator C op met de tegenovergestelde polariteit van de oorspronkelijke lading. C blijft opladen tot de stroom tot nul daalt en het elektromagnetische veld van de spoel volledig is ingestort.
de energie die oorspronkelijk via de schakelaar in het circuit werd gebracht, is teruggestuurd naar de condensator die opnieuw een elektrostatische spanningspotentiaal over de condensator heeft, hoewel deze nu van de tegenovergestelde polariteit is. De condensator gaat nu weer terug via de spoel en het hele proces wordt herhaald. De polariteit van de spanning verandert naarmate de energie heen en weer wordt doorgegeven tussen de condensator en de inductor die een sinusvormige spanning en stroomgolfvorm van het AC-type produceren.
dit proces vormt dan de basis van een LC oscillatoren tankcircuit en theoretisch zal deze heen en weer fietsen oneindig doorgaan. Echter, dingen zijn niet perfect en elke keer dat energie wordt overgedragen van de condensator, C naar inductor, L en terug van L naar C een aantal energie verliezen optreden die de oscillaties vervallen tot nul in de tijd.
deze oscillerende werking van het heen en weer doorgeven van energie tussen de condensator, C naar de inductor, L zou onbeperkt doorgaan als er geen energieverliezen binnen het circuit waren. Elektrische energie gaat verloren in de DC of de werkelijke weerstand van de spoel van de inductoren, in de diëlektrische van de condensator, en in straling van het circuit, zodat de oscillatie gestaag afneemt totdat ze volledig afsterven en het proces stopt.
dan neemt in een praktisch LC-circuit de amplitude van de oscillerende spanning af bij elke halve cyclus van oscillatie en zal uiteindelijk afsterven tot nul. De oscillaties worden dan gezegd te worden “gedempt” met de hoeveelheid demping wordt bepaald door de kwaliteit of Q-factor van het circuit.
gedempte oscillaties
De frequentie van de oscillatoire spanning hangt af van de waarde van de inductie en capaciteit in het LC-tankcircuit. We weten nu dat Voor resonantie in het tankcircuit, er een frequentiepunt moet zijn waar de waarde van XC is, de capacitieve reactantie is hetzelfde als de waarde van XL, de inductieve reactantie ( XL = XC ) en dat dus elkaar zal opheffen zodat alleen de DC weerstand in het circuit tegen de stroomstroom.
als we nu de curve voor inductieve reactantie van de inductor bovenop de curve voor capacitieve reactantie van de condensator plaatsen, zodat beide curves zich op dezelfde frequentieassen bevinden, geeft het snijpunt ons het resonantiefrequentiepunt ( ƒr of wr ) zoals hieronder getoond.
resonantiefrequentie
waarbij: ƒr in Hertz is, L in Henries en C in Farads.
dan wordt de frequentie waarmee dit zal gebeuren gegeven als:
Vervolgens door een vereenvoudiging van de bovenstaande vergelijking krijgen we de uiteindelijke vergelijking voor Resonerende Frequentie ƒr in een afgestemde LC-circuit:
resonantiefrequentie van een LC Oscillator
- Waar:
- L is de inductantie in Henries
- C is de capaciteit in Farads
- ƒr is de uitgangsfrequentie in Hertz
deze vergelijking toont aan dat als L of C worden verlaagd, de frequentie toeneemt. Deze uitgangsfrequentie wordt gewoonlijk aangeduid met de afkorting van ( ƒr) om het te identificeren als de “resonantiefrequentie”.
om de oscillaties in een LC-tankcircuit gaande te houden, moeten we alle energie die verloren gaat in elke oscillatie vervangen en ook de amplitude van deze oscillaties op een constant niveau houden. De hoeveelheid vervangen energie moet daarom gelijk zijn aan de energie die tijdens elke cyclus verloren gaat.
indien de vervangen energie te groot is, neemt de amplitude toe totdat de toevoerrails worden geknipt. Als alternatief, als de hoeveelheid vervangen energie te klein is zou de amplitude uiteindelijk dalen tot nul in de tijd en de oscillaties zouden stoppen.
De eenvoudigste manier om deze verloren energie te vervangen is door een deel van de output van het LC-tankcircuit te nemen, te versterken en vervolgens weer terug te voeren in het LC-circuit. Dit proces kan worden bereikt met behulp van een spanningsversterker met behulp van een op-amp, FET of bipolaire transistor als actieve apparaat. Als de luswinst van de feedbackversterker echter te klein is, vervalt de gewenste oscillatie tot nul en als deze te groot is, wordt de golfvorm vervormd.
om een constante oscillatie te produceren, moet het niveau van de terugvoer van energie naar het LC-netwerk nauwkeurig worden geregeld. Dan moet er een vorm van automatische amplitude of krijgen controle wanneer de amplitude probeert te variëren van een referentiespanning hetzij omhoog of omlaag.
om een stabiele oscillatie te handhaven moet de totale winst van het circuit gelijk zijn aan één of één. Hoe minder en de oscillaties zullen niet beginnen of sterven weg naar nul, hoe meer de oscillaties zullen optreden, maar de amplitude zal worden geknipt door de toevoerrails veroorzaken vervorming. Denk aan het circuit hieronder.
Basic Transistor LC Oscillator Circuit
een bipolaire Transistor wordt gebruikt als de LC oscillatorversterker met het afgestelde LC tankcircuit fungeert als collector load. Een andere spoel L2 is verbonden tussen de basis en de zender van de transistor waarvan het elektromagnetische veld “onderling” gekoppeld is aan dat van spoel L.
“de Wederzijdse inductantie” bestaat tussen de twee circuits en de veranderende stroom in een spoel circuit veroorzaakt door elektromagnetische inductie, een potentiële spanning in de andere (transformer effect), zodat de oscillaties optreden in de afgestemde kring, elektromagnetische energie wordt overgedragen van de spoel L spoel L2 en een spanning van dezelfde frequentie als die in de afgestemde kring wordt toegepast tussen de basis en de emitter van de transistor. Op deze manier wordt de nodige automatische feedbackspanning toegepast op de versterkende transistor.
de hoeveelheid terugkoppeling kan worden verhoogd of verlaagd door de koppeling tussen de twee spoelen L en L2 te wijzigen. Wanneer het circuit oscilleert is zijn impedantie resistief en zijn de collector en de basisspanningen 180o uit fase. Om oscillaties (frequentiestabiliteit genoemd) in stand te houden, moet de spanning die op de afgestelde kring wordt toegepast “in-fase” zijn met de oscillaties die in de afgestelde kring voorkomen.
daarom moeten we een extra 180o faseverschuiving invoeren in het feedbackpad tussen de collector en de basis. Dit wordt bereikt door het wikkelen van de spoel van L2 in de juiste richting ten opzichte van spoel L waardoor we de juiste amplitude en faserelaties voor de Oscillatorcircuit of door het aansluiten van een faseverschuivingsnetwerk tussen de uitgang en de ingang van de versterker.
de LC-Oscillator is daarom een “sinusoïdale Oscillator” of een “harmonische Oscillator” zoals het gewoonlijk wordt genoemd. LC-oscillatoren kunnen hoogfrequente sinusgolven genereren voor gebruik in radiofrequentietoepassingen (RF) waarbij de transistorversterker een bipolaire Transistor of FET is.
harmonische oscillatoren zijn er in veel verschillende vormen, omdat er veel verschillende manieren zijn om een LC-filternetwerk en versterker te construeren met de meest voorkomende zijn de Hartley LC Oscillator, Colpitts LC Oscillator, Armstrong Oscillator en Clapp Oscillator om er maar een paar te noemen.
LC Oscillator voorbeeld No1
een inductantie van 200mH en een condensator van 10pF zijn parallel met elkaar verbonden om een LC oscillator tankcircuit te creëren. Bereken de frequentie van oscillatie.
dan kunnen we uit het bovenstaande voorbeeld zien dat door het verlagen van de waarde van de capaciteit, C of de inductantie, L het effect zal hebben van het verhogen van de frequentie van oscillatie van het LC tankcircuit.
LC oscillatoren samenvatting
de basisvoorwaarden voor een LC oscillator resonant tankcircuit worden als volgt gegeven.
- wil er sprake zijn van oscillaties, dan moet een oscillatorcircuit een reactief (frequentieafhankelijk) onderdeel bevatten, hetzij een “Inductor”, (L) of een “condensator”, (C), alsmede een gelijkstroombron.
- in een eenvoudige inductor-condensator, LC-kring, worden oscillaties in de loop van de tijd gedempt als gevolg van componenten-en circuitverliezen.
- spanningsversterking is vereist om deze circuitverliezen te overwinnen en positieve winst te verkrijgen.
- de totale versterking van de versterker moet groter zijn dan één, eenheid.
- oscillaties kunnen worden gehandhaafd door een deel van de uitgangsspanning terug te voeren naar het afgestelde circuit met de juiste amplitude en in-fase (0o).
- oscillaties kunnen alleen optreden als de feedback “positief” is (zelfregeneratie).
- de totale faseverschuiving van het circuit moet nul of 360o zijn, zodat het uitgangssignaal van het feedbacknetwerk “in-fase” is met het ingangssignaal.
In de volgende tutorial over oscillatoren, zullen we de werking van een van de meest voorkomende LC oscillator circuits die twee Inductantie spoelen gebruikt om een centrum getapt Inductantie te vormen binnen zijn resonant tank circuit. Dit type LC oscillator circuit staat bekend als een Hartley Oscillator.
