Что такое осциллятор? Принцип работы, виды, применение

Осциллятор
Осциллятор – это схема, которая производит непрерывную, повторяющуюся, переменную форму волны без какой-либо подачи на входе. Осцилляторы в основном преобразовывают однонаправленный ток из источника постоянного тока в переменную форму волны, которая имеет желательную частоту. Это достижимо благодаря компонентам схемы.

Принцип работы.

Базовый принцип работы осцилляторов может быть объяснён анализом поведения колебательного LC-контура схемы, показанной на рисунке 1, которая задействует индуктор L и предварительно полностью заряженный конденсатор C. Конденсатор начинает разряжаться через индуктор, что является следствием превращения его электрической энергии в электромагнитное поле. Это поле может быть аккумулировано индуктором.

Однажды конденсатор разряжается полностью, и в схеме нет электрического тока. Как бы там ни было, после этого аккумулированное электромагнитное поле генерирует противоэлектродвижущую силу, что происходит из-за движения тока через схему в том же направлении, что и ранее.

Этот поток тока через схему продолжается вплоть до того момента, пока не разрушится электромагнитное поле, что является результатом обратного преобразования электромагнитной энергии в электрическую форму, вынуждая цикл повторяться. Как бы там ни было, теперь конденсатор заряжается с отрицательной полярностью, благодаря чему и получается осциллирующая форма волны на выходе.

Осциллятор

Рисунок 1 Схема колебательного LC-контура

 

Как бы там ни было, колебания, которые появляются из-за взаимопревращения двух форм энергии, не могут длиться вечно, ведь они подвержены эффекту потери энергии из-за сопротивления схемы. В результате амплитуда этих колебаний постоянно уменьшается, стремясь к нулю. Колебания просто исчезают естественным образом.

 

Это показывает, что нужно получить колебания, которые продолжаются во времени и имеют постоянную амплитуду, которая нужна для компенсации потери энергии. Тем не менее, важно отметить, что поступающая энергия должна точно контролироваться, и она должна быть равна потерянной энергии для получения колебаний с постоянной амплитудой.

 

Если энергии будет поступать больше, чем теряться, то амплитуда колебаний будет возрастать (Рисунок 2a), что приведёт к искаженному выходу. Если энергии, которая поступает, будет меньше, чем той, которая теряется, то амплитуда колебаний будет уменьшаться (Рисунок 2b), приводя к недостаточным колебаниям.

Осциллятор

Рисунок 2 (a) Возрастающие Колебания (b) Затухающие Колебания (с) Колебания с Постоянной Амплитудой

 

Фактически, осцилляторы являются ни чем иным как усилителями схемы, которые производятся с позитивной или восстанавливающей обратной связью, где часть сигнала на выходе является обратной связью со входом (Рисунок 3). Здесь усилитель содержит активный усиливающий элемент, который может быть транзистором или операционным усилителем, и синфазный сигнал обратной связи является ответственным за поддержку колебаний за счёт завершения потерь в схеме.

Осциллятор

Рисунок 3 Типичный осциллятор

 

Когда блок питания включен, осцилляторы начинают работу из-за наличия электронного шума. Эти шумовые сигналы повторяются по циклу, усиливаются и сходятся в одночастотную синусоидальную волну очень быстро. Выражение коэффициента усиления закрытого цикла осциллятора, показанного на рисунке 3, выглядит как:

 

Безымянный

 

Здесь A является коэффициентом усиления напряжения усилителя и ß является коэффициентом усиления схемы обратной связи. Если Aß > 1, то колебания будут усиливаться в амплитуде (Рисунок 2a). Если же Aß < 1, то колебания будут затухать (Рисунок 2b). Если Aß = 1, то колебания будут иметь постоянную амплитуду (Рисунок 2c).

 

Другими словами, это указывает на то, что если коэффициент усиления цикла обратной связи мал, то колебания затухают, в то время как при большом коэффициенте результат на выходе искажается. И только если данный коэффициент равен единице, у колебаний будет постоянная амплитуда, порождающая самостоятельный цикл колебаний.

 

Осцилляторы делятся на две категории, а именно на линейные или синусоидальные осцилляторы и разряжающие осцилляторы. В синусоидальных осцилляторах поток энергии всегда идёт от активных элементов схемы к пассивным, и частота колебаний определяется за счёт обратной связи.

 

Как бы там ни было, в случае с разряжающими осцилляторами, происходит обмен энергии между активными и пассивными компонентами, и частота колебаний определяется за счёт зарядки и разрядки стационарных элементов, вовлечённых в процесс. Синусоидальные осцилляторы производят слабо изменяющиеся синусоидальные волны на выходе. Разряжающие осцилляторы создают несинусоидальные формы волн (пилообразные, треугольные или квадратные).

 

Осцилляторы могут быть классифицированы на различные типы, в зависимости от того, какой параметр рассматривается, а именно:

1. Классификация, основанная на механизме обратной связи: осцилляторы с положительной обратной связью и осцилляторы с отрицательной обратной связью.

2. Классификация, основанная на форме волны на выходе: осцилляторы с синусоидальной волной, осцилляторы с квадратной или треугольной формой волны, осцилляторы с волной большого размаха (они создают пилообразную форму волны на выходе), и т.д.

3. Классификация, основанная на частоте сигнала на выходе: осцилляторы с низкой частотой, аудио осцилляторы (они имеют частоту на выходе, входящую в диапазон аудио), осцилляторы с частотой радио, осцилляторы с высокой частотой, осцилляторы с очень высокой частотой, осцилляторы с ультра высокой частотой. и т.д.

4. Классификация, основанная на типе используемого контроля частоты: RC осцилляторы, LC осцилляторы, кристаллические осцилляторы (которые используют кристаллы кварца для стабильной частоты волны на выходе), и т.д.

5. Классификация, основанная на природе частоты колебаний волн на выходе: осцилляторы с постоянной частотой и осцилляторы с переменной или перестраиваемой частотой.

В качестве примеров осцилляторов можно привести осцилляторы Армстронга, осцилляторы Хартли, осцилляторы Колпиттса, осцилляторы Клэппа, попарносдвоенные осцилляторы, динатронные осцилляторы, осцилляторы Мейснера, опто-электронные осцилляторы, пересекающие осцилляторы, осцилляторы с фазовым сдвигом, осцилляторы Робинсона, триод-тетроидные осцилляторы, мостовые осцилляторы, осцилляторы Пирсона-Ансона, кольцевые осцилляторы, осцилляторы с линией задержки, осцилляторы Ройера, электронные сдвоенные осцилляторы и многоволновые осцилляторы.

 

Осцилляторы портативны и недороги, благодаря чему они широко применяются в кварцевых часах, радиоприемниках, компьютерах, металло-детекторах, оглушающем оружии, инверторах, ультразвуковых и радиочастотных приспособлениях.

 

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

Электронщик. Ярчайший ресурс в Рунете связанный с автоматикой и электротехникой

Использование материалов сайта возможно при наличии активной ссылки на первоисточник. Связь с редакцией сайта:e-mail: bylira3@gmail.com |