Harmonijski oscilatori

Овом чланку или једном његовом делу је потребно сређивање. Чланак је означен овим шаблоном 00.00.0000. и налази се у категорији Електротехника. Погледајте како се мења страница или страницу за разговор за помоћ. Уклоните ову поруку када завршите.

Elektronski oscilator je elektronsko kolo koje proizvodi elektronski signal koji se ponavlja u vremenu i to u vidu sinusne funkcije ili pravougaone povorke.Oscilator niskih učestanosti (LFO) je elektronski oscilator koji generiše AC oblik signala na frekvencijama ispoh 20 Hz. Ovaj termnin se obično koristi u oblasti audio uređaja za sintezu da bi se razlikovali od audio frekvencijskih oscilatora.Oscilatori koji su dizajnirani da proizvode na izlazu visoke AC napone od DC na ulazu se uobičajeno zovu invertori. Generatori linijskog oblika koji prizvode čisti sinusoidalni oblik konstantne amplitude i frekvencije zovu se oscilatori. Postoje dvije vrste elektronskih oscilatora: harmonijski oscilatori i relaksacioni oscilatori(multivibrator, kružni oscilator).

Harmonijski oscilatori

Harmonijski, ili bolje rečeno linearni oscilatori, su oscilatori koji generišu sinusoidalni oblik signala. Osnovna forma harmonijskih oscilatora je elektronski pojačavač čiji je izlaz nastavljen na elektonski filtar, a izlaz iz filtra je doveden na ulaz u pojačavač, modelom povratne sprege. U trenutku kada se uključi napajanje na pojačavaču, izlaz iz pojačavača sastoji se samo od šuma. Šum cirkuliše povratnom spregom, biva izfiltriran i ponovo se dovodi na ulaz pojačavača sve dok se postepeno ne dostigne željeni oblik signala.Karakteristični kristal (obično kvarc) može biti sastavni dio filtra kako bi uticao na stabilnost frekvencije, kao dio kristalnog oscilatora.Postoji više načina implementacije harmonijskih oscilatora, jer postiji više načina na koji se može pojačavati i filtrirati signal. Na primjer:

• Amstrongov oscilator
• Hartlijev oscilator
• Colpittsov oscilator
• Clappov oscilator
• Pierceov oscilator (kristalni)
• Oscilator koji obrće fazu
• RC oscilator (Wein bridge i 'Twin-T')
• Poprečno vezani oscilator
• Vačkarov oscilator
• Opto-elektronski oscilator

Amstrongov oscilator

Slika 1. Šeme Amstrongovog oscilatora

Amstrongov oscilator (takođe poznat i kao Meissnerov oscilator) je dobio ime po elektronskom inženjeru Edvinu Amstrongu, njegovom pronalazaču (koji je ukupno patentitrao 42 pronalaska). Ponekad se naziva i oscilator sa kalemom jer se u povratnoj sprezi da bi proizveli oscilacije koristimo kalemski namotaj (T na šemi kola) preko moagetskog spajanja između namotaj L i namotaja T. Ako pretpostavimo da je spoj slab, ali dovoljno snažan da održi oscilacije, frekvencija je određena primarno u zavisnosti od T kola (L i C na dijagramu) i približno iznosi 1/ 2*pi*√ (L*C). U realnim kolima stvarna vrijednost oscilacija će se malo razlikovati od vrijednosti date pomocu ove formule zbog unutrašnje otpornosti kapacitnivnosti i induktivnosti, kao i usljed punjenja T dijela kola od strane magnetnog namotaja. Ova šema stoji u osnovi regenerativnih prijemnika amplitudski modulisanih signala. U takvim aplikacijama, antena je povezana na dodatni namotaj kalema, i povratna sprega se na taj način umanjuje, na primjer, veoma malim povećavanjem rastojanja između namotaja T i L, tako da u kolu imamo manje oscilacija. Resultat je ograničeni opseg radio frekvencije filtera i pojačavača. S druge strane, ne-linearna karakteristika tranzistora omogućava demodulaciju audio signala.

Hartlijev oscilator

Uproštena sema Hartlijevog oscilatora

Originalni patentirani dijagram

Hatrlijev oscilator je LC elektronski oscilator kod kojeg povratna sprega funkcioniše na principu namotaja sa odvodom koji su postavljeni paralelno sa kondenzatorom (T dio kola). Iako ne postoji izrazita potreba za postojanjem zajedničkog spoja između dva segmenta sa namotajima, ova šema se obično implementira baš kao ovakva. Hartlijev oscilator ima esencijalnu ulogu u konfiguracijama koje koriste parove serijski povezanih namotaja sa kondenzatorom. Osmislio ga je Ralph Hartley, 1915 godine.

Hartlijev oscilator je sačinjen od sledećih komponenti: - dva kalema vezana serijski, koji ne moraju biti obostrani - jednog promjenljivog kondenzatora. Prednosti ove vrste oscilatora se ogledaju u: - frekvencija se može podešavati zahvaljujući promjenljivoj kapacitivnosti - amplituda koju dobijamo na izlazu ostaje konstantna tokom varijacija frekvencije - potrebni su ili namotaji sa odvodom ili fiksni kalemi

Nedostaci: - dobijamo veliki broj harmonika ako izlaz uzmemo sa pojačavača a ne direktno iz LC kola

Na osnovu analize kola, može se primijetiti da ako je induktivnost dva namotaja L1 i L2 data, onda će ukupna efektivna induktivnost biti određena učestanošću oscilovanja (tj. faktorom k ): L0=L1+L2+k*sqrt(L1*L2)

Colpitt-sov oscilator

Ime je dobio po pronalazaču Edwin H. Colpittsu, jednom od onih koji su se u dizajniranju elektronskih oscilatora koristili kombinovanjem induktivnosti L i kapacitivnosti C u cilju regulisanja frekventnih karakteristika, tako da se ovaj oscilator takođe može i nazvati LC oscilator. Jedna od ključnih stvari koja odlikuje ovu vrstu oscilatora jeste njegova jednostavnost u postupku izrade (potreban je samo jedan kalem) i čvrstoća.

Na slici je prikazana šema koja se koristila u prvim izradama ovog oscilatora. Može se primijetiti da je frekvencija određena induktivnošću kao i sa dva kondenzatora koji stoje u donjem dijelu ctreža.

Colpittsov oscilator je elektronski dvojnik Hartlijevog oscilatora. Na slici 6. prikazana je osnovna šema Colpittsovog kola, gdje dva kondenzatora i kalem određuju frekvenciju oscilovanja. Povratna sprega koja je potrebna za oscilovanje dobija se iz naponskog razdjelnika dvije kapacitivnosti, dok se je kod Hartlijevog oscilatora to postizalo zahvaljujući naponskom razdjelniku dva induktiviteta. Da bi se omogućilo stabilno funkcionisanje ovog sistema, kao i kod bilo kog drugog slučaja oscilatora, povećavanje aktivne komponente bi trebalo da bude znatno veće nego slabljenje naponskog razdjelika nad kapacitivnošću.

Zato, kada recimo koristimo Colpittsov oscilator u izradi oscilatora sa promjenljivom frekvencijom najbolji način je da koristimo promjenljivu induktivnost za kontrolisanje promjena frekvencije umjesto jednog ili dva kondenzatora.

Na slici 6. prikazana je varijanta koja se češće koristi, gdje je kalem takođe uzemljen (što dovodi do lakšeg generisanja visokih frekvencija). Primjećuje se da je energija povratne sprege usmjerena u pravcu spoja dva kondenzatora. Pojačavač u ovom slučaju daje stujno, a ne naponsko pojačanje.

Na slici 7. prikazan je praktični primjer sa datim vrijednostima komponenti. Umjesto BJTa mogu biti korišteni FET tranzistori koji mogu dati pojačanje za željenu frekvenciju.

Idealna frekvencija oscilovanja data je jednačinom: fo=1/(2*pi*sqrt(L*C1//C2))

U stvarnosti, kod realnih kola frekvencija će imati malo manju vrijednost usljed spoja kondenzatora i tranzistora, i neidealnosti ostalih karakteristika.

Clappov oscilator

Clappov oscilator je vrsta elektronskog oscilatora koji je konstruisan od tranzistora i mreže povratne sprege, pri čemu se koristi kombinacija induktivnosti L i kapacitivnosti C za kontrolisanje frekvencije, tako da i ovaj oscilator možemo svrstati u grupu LC oscilatora.

Sa šeme se može uočiti da mreža obuhvata jedan kalem i tri kondenzatora, gdje dva kondenzatora C1 i C2 formiraju naponski razdjelnik koji determiniše količinu napona povratne sprege koji se dovodi na ulaz pojačavača. Clappov oscilator je zapravo Colpittsov oscilator samo što je dodatni kondenzator postavljen serijski sa kalemom. Frekvencija oscilovanja data je jednačicnom: fo=1/(2*pi*sqrt((1/L)*(1/C0+1/C1+1/C2)))

Clappova šema se mnogo češće koristi od Colpittsove u konstrukciji oscilatora sa promjenljivom frekvencijom, jer je vezivanjem C0 na red sa L, izbjegnuto je da napon povratne sprege bude promjenljiv, što nije slučaj kod Colpittsovog oscilatora.

Pierce-ov oscilator

Koristi se u implementaciji kola kristalnog oscilatora. Osmislio ga je George W. Peirce (1872-1956), profesor na Harvardu. Pierceov oscilator je sličan Colpittsovom. Naime, svi digitalni IC oscilatori sa clockom su Pierceovog tipa, jer su šeme implementirane koristeći se minimalnim brojem komponenti: jednim digitalnim invertorom, dva otpornika, dva kondenzatora i kvarcnim kristalom, koji se ponaša kao jako osjetljivi element filtra. Ono što mu daje posebnu prednost nad ostalim tipovima jeste mala cijena proizvodnje i izvanredna stabilnost kvarcnog kristala.

R1 ima ulogu da utiče na invertor (pretvarač) da radi u linearnom dijelu karakteristike i vrlo efikasno utiče na njega da se ponaša kao invertujući pojačavač sa velikim pojačanjem. Da bi smo ovo vidjeli, pretpostavimo da je invertor idealan, sa beskonačnom ulaznom impedansom i nultom izlaznom impedansom, pa sada je otpornik taj koji tjera da ulazni i izlazni napon budu isti.

Kristal kombinovan sa C1 i C2 kreira pi mrežu filtera propusnika opsega, koji daje fazu pomjerenu za 180 stepeni i naponsko pojačanje od izlaza do ulaza pri približno rezonantnoj frkvenciji kristala. Može se koristiti pomoćni otpornik između izlaza invertora i kristala da izoluje invertor od kristala. Na ovaj način izazvali bi dodatni pomjeraj faze na C1. Ukupna kapacitivnost koja se iz kristala vidi u preostalom dijelu kola se zove kapacitivnost punjenja. Npr, kad se proizvode tzv.'paralelni' kristali, koristi se Piercov oscilator sa tačno određenom kapacitivnošću punjenja (obično od 18 do 20 pF) prilikom podešavanja kristala da osciluje na tačno predodređenim željenim karakteristikama. Da bi se ostvarila poželjne frekvencijske performanse, moraju se u kapacitivnost punjenja CL uračunati pored serijske kombinacija C1 i C2 i ulazna i izlazna kapacitivnost invertora Ci i Co, kao i one koje nastaju usljed karakteristika samog oscilatora, PCB šeme i kristalnog kućišta. CL=((C1+Ci)*(C2+C0)/(C1+C2+Ci+C0))+Cs

Povećavajući kapacitivnost punjenja osjetno se smanjuje frekvencija genarisana Pierceovim oscilatorom, ali se ona nikad neće smanjiti do nivoa serijske rezonantne frekvencije.

6. Oscilatori sa pomjerenom fazom Fazno pomjereni oscilator je jednostavni sinusoidalni elektronski oscilator. Sastoji se od invertujućeg pojačavača i povratne grane sa filtrom koji obrće fazu za pi stepeni pri frekvenciji oscilovanja. Filter mora biti napravljen tako da za frekvencije iznad i ispod frekvencije oscilovanja signal bude pomjeren za ili manje ili više od 180 stepeni. Najuobičajeniji način da se ovo postigne jeste korišćenje kaskadno vezanih otpornika i kondenzatora, koji zajedno ne proizvode nikakvu promjenu faze na jednom kraju i promjenu faze ya 270 dtepeni na drugom kraju. Tako će na frekvenciji oscilovanja svaki filtar dati pomjeraj od 60° i citav sklop će dati pomjeraj od pi stepeni.

Analizom se dobija veoma složen izraz za frekvenciju oscilovanja ovakvog oscilatora.

Uvođenjem pretpostavki da su C1=C2=C3=C i R1=R2=R3=R imamo: fosc=1/(2*pi*R*C*sqrt(6))

RC oscilatori

To su linearna elektronska oscilatorna kola, koja daju sinusoidalni izlazni napon, i sačinjena su od pojačavača i filtra. Dakle, oscilatorna kola koja koriste RC mrezu za regulisanje frekvencijske kerakteristike, zovu se RC oscilatori.

Sinusoidalni oscilator Razlikujemo dva tipa. Jedan je poznat pod imenom Wein bridge oscilator (rađen na predavanjima pa ga ovdje necu razmatrati), koji se često koristi kao audio signal generator.

Drugi je ‘Twin-T’ oscilator koji ima dva ‘T’ RC kola postavljena paralelno jedno drugom. Jedno kolo (R-C-R) se ponaša kao filtar propustnik niskih učestanosti a drugo (C-R-C) kao filtar propustnik visokih učestanosti. Zajedno ova dva kola cine sklop koji propušta signal željene frekvencije oscilovanja. Signal u C-R-C grani prednjači u odnosu na signal u R-C-R grani tako da je jedan u odnosu na drugog kasne za frekvenciju: f=1/(2*pi*R*C)

Vačkarov oscilator

Češki inženjer Jiri Vačkar publikovao je 1949 rad o dizajnu stabilnog oscilatora. Kao rezultat rada, predložio je varijantu Colpittsovog oscilatora, s tom izmjenom što je smanjio napon povratne sprege na prihvatljivi nivo i u isto vrijeme odstranio neželjenu nestabilnost koju je unosila kapacitivnost.

Stabilnost oscilatora postignuta je većinom zbog zavisnosti tranzistora od transkonduktanse pri rezonantnoj frekvenciji ω u podešenom kolu.

Optoelekrtonski oscilatori

OEO su optroelektronska kola koja daju sinusoidalne oblike ili modulisane optički kontinualne oblike signala. Opto-elektronski oscilatori su zasnovani na principu pretvaranja kontinualne svjetlosne energije iz lasera u radio frekvencije (RF) ili mikrotalasne signale. Njihove karakteristike su te što imaju veliki faktor Q i veoma su stabilni, kao i druge karakteristike koje se kod ostalih elektronskih oscilatora nijesu bas tako lako postizale. Zbog ovakvih svojih osobina oni se koriste u elektro-optičkim i foto komponentama, koje su karakteristične po visokoj stopi efikasnosti, velikoj brzini, i malim gubicima pri frekvencijama tipičnim za mikrotalasni režim rada. OEO imaju transmisione karakteristike modulatora koji naprincipu fiber optičkog ‘kašnjenja’ konvertuje svjetlosnu enegriju u stabilne, spektralno čiste radio frekvencijske signale ili pak mikrotalasne. Svjetlost iz lasera se dovodi na elektrooptički modulator čiji izlaz, prolazeći kroz dugačko optičko vlakno, biva detektovan na fotodetektoru. Izlaz fotodetektora se pojačava i prolazi kroz filtar i salje se nazad na E ulaz modulatora. Ovakve konfuguracije sposobne su za samoodržive (neprigušene) oscilacije, na frekvencijama determinisanim dužinom kašnjenja u vlaknu, zatim naponom polarizacije modulatora i naravno propustnim karakteristikama filtra. Ovo važi i za električni i optički izlaz.

Dodatna literatura

• „It's About Time: A Brief Chronology of Chronometry“ 
• Tehnički rečnik, elektronska verzija, Dušan Simić, Centar za naučna istraživanja SANU i Univerzitet u Kragujevcu, 2002 godina

Спољашње везе

Викимедијина остава има још мултимедијалних датотека везаних за: Harmonijski oscilatori