oscylatory konwertują wejście DC (Napięcie zasilania) na wyjście AC (kształt fali), które może mieć szeroki zakres różnych kształtów fal i częstotliwości, które mogą być skomplikowane w naturze lub proste fale sinusoidalne w zależności od zastosowania.
oscylatory są również używane w wielu urządzeniach testowych wytwarzających sinusoidalne fale sinusoidalne, fale kwadratowe, piłokształtne lub trójkątne lub po prostu ciąg impulsów o zmiennej lub stałej szerokości. Oscylatory LC są powszechnie stosowane w obwodach o częstotliwości radiowej ze względu na ich dobrą charakterystykę szumu fazowego i łatwość implementacji.
oscylator jest w zasadzie wzmacniaczem z „dodatnim sprzężeniem zwrotnym” lub regeneracyjnym sprzężeniem zwrotnym (w fazie) i jednym z wielu problemów w projektowaniu obwodów elektronicznych jest powstrzymanie wzmacniaczy przed oscylacją podczas próby oscylacji oscylatorów.
oscylatory działają ponieważ pokonują straty swojego obwodu rezonatora sprzężenia zwrotnego albo w postaci kondensatora, induktora, albo obu w tym samym obwodzie poprzez przyłożenie energii prądu stałego o wymaganej częstotliwości do tego obwodu rezonatora. Innymi słowy, oscylator jest wzmacniaczem, który wykorzystuje dodatnie sprzężenie zwrotne, które generuje częstotliwość wyjściową bez użycia sygnału wejściowego.
Tak więc oscylatory są samowystarczalnymi obwodami generującymi okresowy przebieg wyjściowy z dokładną częstotliwością i aby każdy obwód elektroniczny działał jako oscylator, musi mieć następujące trzy cechy.
- jakaś forma wzmocnienia
- dodatnie sprzężenie zwrotne (regeneracja)
- sieć sprzężenia zwrotnego określająca Częstotliwość
oscylator ma mały wzmacniacz sprzężenia zwrotnego sygnału z wzmocnieniem w otwartej pętli równym zbyt lub nieco większym niż jeden, aby rozpocząć oscylacje, ale aby kontynuować oscylacje, średnie wzmocnienie pętli musi powrócić do jedności. Oprócz tych reaktywnych komponentów wymagane jest urządzenie wzmacniające, takie jak wzmacniacz operacyjny lub tranzystor bipolarny.
w przeciwieństwie do wzmacniacza nie ma zewnętrznego wejścia AC wymaganego do pracy oscylatora, ponieważ energia zasilająca DC jest przekształcana przez oscylator na energię prądu przemiennego o wymaganej częstotliwości.
podstawowy obwód sprzężenia zwrotnego oscylatora
gdzie: β jest ułamkiem sprzężenia zwrotnego.
wzmocnienie oscylatora bez sprzężenia zwrotnego
wzmocnienie oscylatora ze sprzężeniem zwrotnym
oscylatory to obwody, które generują ciągły przebieg wyjściowy napięcia o wymaganej częstotliwości z wartościami cewek indukcyjnych, kondensatorów lub rezystorów tworzących selektywny obwód zbiornika rezonansowego LC i sieć sprzężenia zwrotnego. Ta sieć sprzężenia zwrotnego jest siecią tłumienia, która ma wzmocnienie mniejsze niż jeden (β <1 ) i rozpoczyna oscylacje, gdy aß >1, która powraca do jedności ( aß =1 ) po rozpoczęciu oscylacji.
częstotliwość oscylatorów LC jest kontrolowana za pomocą dostrojonego lub rezonansowego obwodu indukcyjnego/pojemnościowego (LC), a wynikowa częstotliwość wyjściowa jest znana jako częstotliwość oscylacji. Dzięki temu, że sprzężenie zwrotne oscylatorów jest siecią reaktywną, kąt fazowy sprzężenia zwrotnego zmieni się w funkcji częstotliwości i nazywa się to przesunięciem fazowym.
Zasadniczo istnieją typy oscylatorów
- 1. Oscylatory sinusoidalne-są one znane jako oscylatory harmoniczne i są ogólnie oscylatorem typu” LC dostrojone sprzężenie zwrotne „lub” RC dostrojone sprzężenie zwrotne”, który generuje czysto sinusoidalny kształt fali o stałej amplitudzie i częstotliwości.
- 2. Oscylatory niesinusoidalne-są one znane jako oscylatory relaksacyjne i generują złożone nieinusoidalne przebiegi, które zmieniają się bardzo szybko z jednego stanu stabilności do drugiego, takie jak fale typu” kwadrat-wave”,” Triangular-wave „lub” Sawtoothed-wave”.
rezonans oscylatora
gdy do obwodu składającego się z cewki, kondensatora i rezystora przyłożone jest stałe napięcie, ale o różnej częstotliwości, reaktancja obu obwodów kondensatora/rezystora i cewki / rezystora zmienia zarówno amplitudę, jak i fazę sygnału wyjściowego w porównaniu z sygnałem wejściowym ze względu na reaktancję użytych komponentów.
przy wysokich częstotliwościach reaktancja kondensatora jest bardzo niska, działając jako zwarcie, podczas gdy reaktancja cewki indukcyjnej jest wysoka, działając jako obwód otwarty. Przy niskich częstotliwościach odwrotność jest prawdziwa, reaktancja kondensatora działa jak obwód otwarty, a reaktancja cewki działa jak zwarcie.
pomiędzy tymi dwoma skrajnościami kombinacja cewki i kondensatora wytwarza Obwód” dostrojony „lub” rezonansowy”, który ma częstotliwość rezonansową ( ƒr), w którym reaktancja pojemnościowa i indukcyjna są równe i znoszą się nawzajem, pozostawiając tylko opór obwodu, aby przeciwstawić się przepływowi prądu. Oznacza to, że nie ma przesunięcia fazowego, ponieważ prąd jest w fazie z napięciem. Rozważ Obwód poniżej.
podstawowy Obwód zbiornika oscylatora LC
obwód składa się z cewki indukcyjnej, L i kondensatora, C. Kondensator gromadzi energię w postaci pola elektrostatycznego, które wytwarza potencjał (napięcie statyczne) na swoich płytkach, podczas gdy cewka indukcyjna gromadzi swoją energię w postaci pola elektromagnetycznego. Kondensator jest ładowany do napięcia zasilania DC, V poprzez umieszczenie przełącznika w pozycji A. Gdy kondensator jest w pełni naładowany, przełącznik zmienia pozycję B.
naładowany kondensator jest teraz połączony równolegle w poprzek cewki indukcyjnej, dzięki czemu Kondensator zaczyna rozładowywać się przez cewkę. Napięcie w całym C zaczyna spadać, gdy prąd przez cewkę zaczyna rosnąć.
ten rosnący prąd tworzy pole elektromagnetyczne wokół cewki, które jest odporne na ten przepływ prądu. Kiedy Kondensator, C jest całkowicie rozładowana energia, która pierwotnie była przechowywana w kondensatorze, C jako pole elektrostatyczne jest teraz przechowywane w cewce indukcyjnej, L jako pole elektromagnetyczne wokół uzwojeń cewek.
ponieważ obecnie w obwodzie nie ma napięcia zewnętrznego, aby utrzymać prąd w cewce, zaczyna spadać, gdy pole elektromagnetyczne zaczyna się zapadać. Tylny emf jest indukowany w cewce (e = – Ldi / dt), utrzymując prąd płynący w pierwotnym kierunku.
ten prąd ładuje Kondensator, C z przeciwną Polaryzacją do jego pierwotnego ładunku. C kontynuuje Ładowanie, dopóki prąd nie zmniejszy się do zera, a pole elektromagnetyczne Cewki całkowicie się zapadnie.
energia pierwotnie wprowadzona do obwodu przez przełącznik, została zwrócona do kondensatora, który ponownie ma potencjał napięcia elektrostatycznego, chociaż obecnie ma przeciwną polaryzację. Kondensator zaczyna teraz ponownie rozładowywać się z powrotem przez cewkę i cały proces jest powtarzany. Polaryzacja napięcia zmienia się, gdy energia jest przekazywana tam iz powrotem między kondensatorem a cewką indukcyjną, wytwarzając sinusoidalne napięcie typu AC i przebieg prądowy.
proces ten stanowi następnie podstawę obwodu zbiornika oscylatorów LC i teoretycznie ten cykl tam iz powrotem będzie trwał w nieskończoność. Jednak rzeczy nie są doskonałe i za każdym razem, gdy energia jest przenoszona z kondensatora, C do cewki, L i z powrotem z L do C, występują straty energii, które zmniejszają oscylacje do zera w czasie.
to oscylacyjne działanie przekazywania energii tam i z powrotem pomiędzy kondensatorem, C do induktora, L kontynuowałoby się w nieskończoność, gdyby nie straty energii w obwodzie. Energia elektryczna jest tracona w DC lub realnej rezystancji cewki cewki indukcyjnej, w dielektryku kondensatora i w promieniowaniu z obwodu, więc oscylacja stale maleje, aż całkowicie umrą i proces się zatrzyma.
wtedy w praktycznym obwodzie LC Amplituda napięcia oscylacyjnego zmniejsza się w każdym pół cyklu oscylacji i ostatecznie umiera do zera. Oscylacje są następnie uważane za” tłumione”, a ilość tłumienia jest określana przez jakość lub współczynnik Q obwodu.
oscylacje tłumione
częstotliwość napięcia oscylacyjnego zależy od wartości indukcyjności i pojemności w obwodzie zbiornika LC. Teraz wiemy, że aby rezonans wystąpił w obwodzie zbiornika, musi istnieć punkt częstotliwości o wartości XC, reaktancja pojemnościowa jest taka sama jak wartość XL, reaktancja indukcyjna (XL = XC) i która w związku z tym usunie się nawzajem, pozostawiając tylko rezystancję DC w obwodzie, aby przeciwstawić się przepływowi prądu.
Jeśli teraz umieścimy krzywą reaktancji indukcyjnej cewki na górze krzywej reaktancji pojemnościowej kondensatora tak, że obie krzywe są na tych samych osiach częstotliwości, punkt przecięcia da nam punkt częstotliwości rezonansowej (ƒr lub WR), jak pokazano poniżej.
Częstotliwość rezonansowa
gdzie: ƒr jest w hercach, L jest w Henries i C jest w Faradach.
wtedy częstotliwość przy której to nastąpi podana jest jako:
następnie upraszczając powyższe równanie otrzymujemy końcowe równanie częstotliwości rezonansowej, ƒr w dostrojonym obwodzie LC jako:
Częstotliwość rezonansowa oscylatora LC
- gdzie:
- L jest indukcyjnością w Henriesie
- C jest pojemnością w Faradach
- ƒr jest częstotliwością wyjściową w hercach
to równanie pokazuje, że jeśli L lub C są zmniejszone, częstotliwość wzrasta. Ta częstotliwość wyjściowa jest powszechnie podana skrótem (ƒr), aby zidentyfikować ją jako „częstotliwość rezonansowa”.
aby utrzymać oscylacje w obwodzie zbiornika LC, musimy zastąpić całą energię utraconą w każdej oscylacji, a także utrzymać amplitudę tych oscylacji na stałym poziomie. Ilość wymienianej energii musi być zatem równa energii utraconej podczas każdego cyklu.
Jeśli wymieniana energia jest zbyt duża, amplituda wzrośnie do momentu przecięcia szyn zasilających. Alternatywnie, jeśli ilość wymienianej energii jest zbyt mała, amplituda ostatecznie zmniejszy się do zera w czasie i oscylacje przestaną.
najprostszym sposobem na zastąpienie tej utraconej energii jest pobranie części wyjścia z obwodu zbiornika LC, wzmocnienie go, a następnie ponowne wprowadzenie go do obwodu LC. Proces ten można osiągnąć za pomocą wzmacniacza napięciowego wykorzystującego wzmacniacz operacyjny, tranzystor FET lub bipolarny jako jego aktywne urządzenie. Jeśli jednak wzmocnienie pętli wzmacniacza sprzężenia zwrotnego jest zbyt małe, pożądana oscylacja zanika do zera, a jeśli jest zbyt duża, kształt fali staje się zniekształcony.
aby wytworzyć stałą oscylację, poziom energii przekazywanej z powrotem do sieci LC musi być dokładnie kontrolowany. Następnie musi istnieć jakaś forma automatycznej kontroli amplitudy lub wzmocnienia, gdy amplituda próbuje różnić się od napięcia odniesienia w górę lub w dół.
aby utrzymać stabilną oscylację, ogólne wzmocnienie układu musi być równe Jedynce lub jedności. Mniej i oscylacje nie rozpoczną się lub nie umrą do zera, więcej oscylacje wystąpią, ale Amplituda zostanie ścięta przez szyny zasilające, powodując zniekształcenia. Rozważ Obwód poniżej.
Basic Transistor LC Oscillator Circuit
Tranzystor bipolarny jest używany jako wzmacniacz oscylatorów LC z dostrojonym obwodem zbiornika LC działa jako obciążenie kolektora. Kolejna cewka L2 jest połączona między podstawą a emiterem tranzystora, którego pole elektromagnetyczne jest „wzajemnie” sprzężone z polem cewki L.
„wzajemna indukcyjność” istnieje między dwoma obwodami, a zmienny prąd płynący w jednym obwodzie cewki indukuje, poprzez indukcję elektromagnetyczną, napięcie potencjalne w drugim (efekt transformatora), tak jak drgania występują w dostrojonym obwodzie, energia elektromagnetyczna jest przenoszona z cewki L do cewki L2 i napięcie o tej samej częstotliwości, co w dostrojonym obwodzie, jest stosowane między podstawą a emiterem tranzystora. W ten sposób do tranzystora wzmacniającego przykładane jest niezbędne automatyczne napięcie sprzężenia zwrotnego.
ilość sprzężenia zwrotnego można zwiększyć lub zmniejszyć poprzez zmianę sprzężenia między dwoma cewkami L i L2. Gdy obwód oscyluje, jego impedancja jest rezystancyjna, a napięcie kolektora i podstawy wynosi 180o poza fazą. Aby utrzymać oscylacje (zwane stabilnością częstotliwości) napięcie przyłożone do dostrojonego obwodu musi być „w fazie” z oscylacjami występującymi w dostrojonym obwodzie.
dlatego musimy wprowadzić dodatkowe przesunięcie fazowe o 180o do ścieżki sprzężenia zwrotnego między kolektorem a bazą. Osiąga się to przez nawinięcie cewki L2 w odpowiednim kierunku względem cewki L, co daje nam prawidłowe relacje amplitudy i fazy dla obwodu oscylatorów lub przez podłączenie sieci przesunięcia fazowego między wyjściem a wejściem wzmacniacza.
oscylator LC jest zatem „oscylatorem sinusoidalnym” lub „oscylatorem harmonicznym”, jak jest bardziej powszechnie nazywany. Oscylatory LC mogą generować fale sinusoidalne o wysokiej częstotliwości do stosowania w aplikacjach o częstotliwości radiowej (RF), przy czym wzmacniacz tranzystorowy jest tranzystorem bipolarnym lub FET.
oscylatory harmoniczne występują w wielu różnych formach, ponieważ istnieje wiele różnych sposobów budowy sieci filtrów LC i wzmacniacza, z których najczęstszymi są oscylator Hartley LC, oscylator Colpitts LC, oscylator Armstrong i oscylator Clapp, aby wymienić tylko kilka.
LC Oscillator przykład No1
indukcyjność 200mh i kondensator 10pF są połączone ze sobą równolegle, aby utworzyć Obwód zbiornika oscylatora LC. Oblicz częstotliwość oscylacji.
następnie możemy zobaczyć z powyższego przykładu, że zmniejszając wartość pojemności, C lub indukcyjności, L będzie miało efekt zwiększenia częstotliwości oscylacji obwodu zbiornika LC.
oscylatory LC podsumowanie
podstawowe warunki wymagane dla obwodu rezonansowego zbiornika oscylatora LC podano w następujący sposób.
- aby oscylacje istniały Obwód oscylatora musi zawierać składnik reaktywny (zależny od częstotliwości) albo „induktor”, (L) lub „Kondensator”, (C), jak również źródło prądu stałego.
- w prostym cewce-kondensatorze, obwodzie LC, oscylacje stają się tłumione w czasie z powodu strat podzespołów i obwodów.
- wzmocnienie napięciowe jest wymagane, aby przezwyciężyć te straty obwodu i zapewnić dodatnie wzmocnienie.
- ogólne wzmocnienie wzmacniacza musi być większe niż jeden, jedność.
- oscylacje mogą być utrzymywane przez podanie części napięcia wyjściowego do dostrojonego obwodu, który ma prawidłową amplitudę i fazę, (0o).
- oscylacje mogą wystąpić tylko wtedy, gdy sprzężenie zwrotne jest „pozytywne” (samo-regeneracja).
- całkowite przesunięcie fazowe obwodu musi wynosić zero lub 360o, aby sygnał wyjściowy z sieci sprzężenia zwrotnego był „w fazie” z sygnałem wejściowym.
w następnym samouczku o oscylatorach zbadamy działanie jednego z najczęstszych obwodów oscylatora LC, który wykorzystuje dwie cewki indukcyjne do utworzenia indukcyjności Środkowej w obwodzie zbiornika rezonansowego. Ten typ obwodu oscylatora LC jest powszechnie znany jako oscylator Hartleya.
