Oscilatoarele transformă o intrare DC (tensiunea de alimentare) într-o ieșire AC (forma de undă), care poate avea o gamă largă de forme și frecvențe de undă diferite, care pot fi complicate, sau simple unde sinusoidale, în funcție de aplicație.

Oscilatoarele sunt utilizate în multe părți ale echipamentelor de testare producând unde sinusoidale, forme de undă pătrată, dinți de fierăstrău sau triunghiulare sau doar un tren de impulsuri cu o lățime variabilă sau constantă. Oscilatoarele LC sunt utilizate în mod obișnuit în circuite de radiofrecvență datorită caracteristicilor lor bune de zgomot, de fază și ușurinței lor de implementare.

Un Oscilator este în esență un amplificator cu feedback pozitiv sau feedback regenerativ (în fază) și una dintre multele probleme legate de proiectarea circuitelor electronice este oprirea amplificatoarelor de a oscila în timp ce încercăm să facem oscilatoarele să oscileze.

Oscilatoarele lucrează deoarece depășesc pierderile circuitului lor rezonator de feedback, sub formă de 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 amplificator care utilizează feedback pozitiv pentru a genera o frecvență de ieșire fără utilizarea unui semnal de intrare.

Astfel, oscilatoarele sunt circuite auto-susținute care generează o formă de undă periodică de ieșire la o frecvență precisă și pentru ca orice circuit electronic să funcționeze ca un oscilator, acesta trebuie să aibă următoarele trei caracteristici:

• O formă de amplificare

• Feedback pozitiv (regenerare)

• O frecvență ce determină rețeaua de feedback

Un oscilator are un amplificator cu feedback de semnal mic, cu un câștig de buclă deschis egal sau puțin mai mare decât unu, pentru ca oscilațiile să înceapă, dar, pentru a continua oscilațiile, câștigul de buclă mediu 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 există o intrare externă AC necesară pentru ca oscilatorul să funcționeze, deoarece energia de alimentare DC este convertită de către oscilator în curent alternativ la frecvența necesară.

Circuit de feedback pentru oscilator de bază

unde: β este o fracție de feedback.

Câștigul oscilatorulului fără feedback

Câștigul oscilatorului cu feedback

Oscilatoarele sunt circuite care generează o formă de undă continuă de ieșire a tensiunii la o frecvență cerută, cu valorile inductoarelor, condensatoarelor sau rezistoarelor formând un circuit rezervor de rezonanță LC cu frecvență selectivă și o rețea de feedback. Această rețea de feedback este o rețea de atenuare care are un câștig mai mic de unu (β < 1) și pornește oscilațiile atunci când Aβ >1 care revine la unitate (Aβ = 1) odată cu începerea oscilațiilor.

Frecvența oscilatorului LC este controlată utilizând un circuit inductiv/capacitiv (LC) reglat sau rezonant, cu frecvența de ieșire rezultată fiind cunoscută ca Frecvența de oscilație. Făcând feedback-ul oscilatoarelor o rețea reactivă, unghiul de fază al feedback-ului va varia în funcție de frecvență și se numește defazaj.

Există 2 tipuri principale de oscilatoare

1. Oscilatoarele sinusoidale - acestea sunt cunoscute sub denumirea de Oscilatoare armonice și sunt, în general, un Oscilator de tip "feedback acordat LC" sau "feedback acordat RC", care generează o formă de undă pur sinusoidală, care are amplitudine și frecvență constante.

2. Oscilatoare ne-sinusoidale - acestea sunt cunoscute sub denumirea de Oscilatoare de relaxare și generează forme complexe de unde ne-sinusoidale, care se schimbă foarte rapid de la o condiție de stabilitate la alta, cum ar fi "unda pătrată", "unda triunghiulară" sau "unda dinți de fierăstrău".

Rezonanța oscilatorului

Atunci când se aplică o tensiune constantă, dar cu frecvență variabilă, la un circuit constând dintr-un inductor, un condensator și un rezistor, reacția ambelor circuite condensator/rezistor și inductor/rezistor este să schimbe 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 mică, acționând ca un scurtcircuit, în timp ce reactanța inductorului este înaltă 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 între inductor și condensator produce un circuit "acordat" sau "rezonant" care are o frecvență de rezonanță (ƒr) în care reactanțele capacitive și inductive sunt egale și se anulează reciproc, lăsând doar rezistența circuitul să se opună fluxului de curent. Aceasta înseamnă că nu există nici o schimbare de fază, deoarece curentul este în fază cu tensiunea. Luați în considerare circuitul de mai jos.

Circuitul rezervor pentru oscilatorul LC

Circuitul constă dintr-o bobină de inducție 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. Atunci 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 pe C începe să scadă, deoarece curentul prin bobină începe să crească.

Acest curent în creștere creează un câmp electromagnetic în jurul bobinei care rezistă acestui flux de curent. Când condensatorul C este complet descărcat, energia care a fost inițial stocată în condensatorul C este acum un câmp electrostatic stocat în bobina inductivă L, ca un câmp electromagnetic în jurul bobinei.

Deoarece nu există acum nicio tensiune externă în circuit pentru a menține curentul în bobină, acesta începe să scadă, pe măsură ce câmpul electromagnetic începe să se micșoreze. O emf inversă este indusă în bobină (e = - Ldi/dt) ținând curentul să curgă în direcția inițială.

Acest curent încarcă condensatorul C cu polaritatea opusă încărcării inițiale. C continuă să se încarce până ce curentul se reduce la zero și câmpul electromagnetic al bobinei a căzut complet.

Energia introdusă inițial în circuit prin comutator a fost returnată la condensator, care din nou are un potențial de tensiune electrostatică pe el, deși acum este de polaritate opusă. Acum, condensatorul începe să se descarce din nou înapoi prin bobină, iar întregul proces se repetă. Polaritatea tensiunii se schimbă pe măsură ce energia este trecută înainte și înapoi între condensator și inductor producând o formă de undă de tensiune și de curent sinusoidale, tip AC.

Acest proces formează baza unui circuit rezervor pentru oscilatoare LC și teoretic acest ciclu înainte și înapoi va continua nelimitat. Dar, lucrurile nu sunt perfecte și de fiecare dată când energia este transferată de la condensatorul C la inductorul L și înapoi de la L la C, apar unele pierderi de energie care duc oscilațiile la zero în timp.

Această acțiune oscilantă de trecere a energiei înainte și înapoi între condensatorul C și inductorul L ar continua pe termen nelimitat dacă nu ar fi fost pierderile de energie în circuit. Energia electrică se pierde în rezistența DC sau reală a bobinei inductoare, în dielectricul condensatorului și în radiația din circuit, astfel încât oscilația scade constant până când dispare complet și procesul se oprește.

Deci, într-un circuit LC practic, amplitudinea tensiunii oscilatorii scade la fiecare jumătate de ciclu de oscilație și în cele din urmă va dispărea la zero. Se spune că oscilațiile sunt "amortizate", cantitatea de amortizare fiind determinată de factorul de calitate sau Q al circuitului.

Oscilații amortizate

Frecvența tensiunii oscilatorii depinde de valoarea inductanței și a capacității circuitului rezervor LC. Acum știm că pentru ca rezonanța să apară în circuitul rezervor, trebuie să existe un punct de frecvență unde valoarea lui XC, reactanța capacitivă este aceeași cu valoarea lui XL, reactanța inductivă (XL = XC) și care se vor 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 frecvenței de rezonanță (ƒr sau ωr) după cum se arată mai jos.

Frecvența de rezonanță

unde: ƒr este în Hertz, L este în Henri și C este în Farad.

Atunci, frecvența la care se va întâmpla acest lucru este dată de:

Atunci, prin simplificarea ecuației de mai sus obținem ecuația finală pentru frecvența de rezonanță ƒr într-un circuit LC acordat ca:

Frecvența de rezonanță a unui oscilator LC

unde:
L este Inductanța în Henri
C este Capacitatea în Farad
ƒr este Frecvența de ieșire în Hertz

Această ecuație arată că dacă L sau C sunt scăzute, frecvența crește. Această frecvență de ieșire este dată de obicei ca (ƒr) pentru a o identifica drept "frecvența de rezonanță".

Pentru a menține oscilațiile într-un circuit rezervor LC, trebuie să înlocuim toată energia pierdută în fiecare oscilație și să menținem amplitudinea acestor oscilații la un nivel constant. Cantitatea de energie înlocuită trebuie deci să fie egală cu energia pierdută în timpul fiecărui ciclu.

Dacă energia înlocuită este prea mare, amplitudinea ar crește până când va avea loc limitarea (tăierea) la șinele de alimentare. Alternativ, dacă cantitatea de energie înlocuită este prea mică, amplitudinea s-ar reduce în cele din urmă la zero în timp și oscilațiile s-ar opri.

Cea mai simplă modalitate de a înlocui această energie pierdută este să luați o parte a ieșirii din circuitul rezervor LC, să o amplificați și apoi să o reintroduceți din nou în circuitul LC. Acest proces poate fi realizat folosind un amplificator de tensiune care utilizează un A.O., FET sau tranzistor bipolar ca dispozitiv activ. Dar, dacă câștigul în buclă al amplificatorului de feedback este prea mic, oscilația dorită se duce la zero, iar dacă este prea mare, forma de undă devine distorsionată.

Pentru a produce o oscilație constantă, nivelul energiei trimis înapoi în rețeaua LC trebuie să fie controlat cu precizie. Atunci, trebuie să existe o formă de amplitudine automată sau de control al amplificării 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 global al circuitului trebuie să fie egal cu unu sau unitatea. Orice mai puțin și oscilațiile nu vor începe sau vor muri până la zero, orice mai mult, vor avea loc oscilații, dar amplitudinea va fi tăiată de șinele de alimentare care provoacă distorsiuni. Luați în considerare circuitul de mai jos.

Circuitul oscilatorului LC cu tranzitor

Un tranzistor bipolar este folosit ca amplificator în oscilatorul LC cu circuitul rezervor LC acordat ce acționează ca sarcină în colector. O altă bobină L2 este conectată între Baza și Emitorul tranzistorului, cu câmpul electromagnetic „mutual“ cuplat cu cel al bobinei L.

"Inducția mutuală" există între cele două circuite, și schimbarea curentul care curge într-o bobină induce, prin inducție electromagnetică, o potențială tensiune în cealaltă (efectul transformatorului) astfel încât oscilațiile să apară în circuitul acordat, energia electromagnetică este transferată de la bobina L la bobina L2 și o tensiune, de aceeași frecvență ca cea din circuitul acordat, este aplicată între baza și emitorul tranzistorului. În acest mod se aplică tensiunea de reacție automată necesară la tranzistorul de amplificare.

Cantitatea de feedback poate fi mărită sau scăzută prin modificarea cuplării dintre cele două bobine L și L2. Când circuitul oscilează, impedanța sa este rezistivă, iar tensiunile colectorului și ale bazei sunt defazate 180°. Pentru a menține oscilațiile (numită stabilitate de frecvență), tensiunea aplicată circuitului acordat trebuie să fie "în fază" cu oscilațiile care apar în circuitul acordat.

Prin urmare, trebuie să introducem o defazare suplimentară de 180⁰ în calea de reacție dintre colector și bază. Acest lucru se realizează prin înfășurarea bobinei L2 în direcția corectă în raport cu bobina L, care ne dă amplitudinea corectă și relațiile de fază pentru circuitul oscilator sau prin conectarea unei rețele de defazare între ieșirea și intrarea amplificatorului.

Oscilatorul LC este, prin urmare, un „Oscilator sinusoidal“ sau un „oscilator armonic“, așa cum este denumit mai frecvent. Oscilatoarele LC pot genera unde sinusoidale de înaltă frecvență pentru utilizare în aplicații de radiofrecvență (RF), tranzistorul amplificator fiind un tranzistor bipolar sau un FET.

Oscilatoarele armonice vin în mai multe forme diferite, deoarece există multe modalități diferite de a construi o rețea de filtre LC și un amplificator, cele mai frecvente fiind Oscilatorul LC Hartley, Oscilatorul LC Colpitts, Oscilatorul Armstrong și Oscilatorul Clapp pentru a numi câteva.

Oscilator LC. Exemplu nr.1

O inductanță de 200 mH și un condensator de 10 pF sunt conectate împreună în paralel pentru a crea un circuit rezervor de oscilator LC. Calculați frecvența oscilațiilor.

Atunci, putem vedea din exemplul de mai sus că prin scăderea valorii fie a capacității C, fie a inductanței L va avea efectul de a crește frecvența de oscilație a circuitului rezervor LC.

Rezumat Oscilatoare LC

Condițiile de bază necesare pentru un circuit rezervor rezonant de oscilator LC sunt date după cum urmează.

• Pentru a exista oscilații, un circuit oscilator TREBUIE să conțină o componentă reactivă (dependentă de frecvență) fie un "inductor" (L), fie un "condensator" (C), precum și o sursă DC.

• Într-un simplu circuit LC, inductor-condensator, oscilațiile devin amortizate în timp datorită pierderilor din componente și circuit.

• Amplificarea de tensiune este necesară pentru a depăși aceste pierderi de circuit și pentru a obține un câștig pozitiv.

• Câștigul total al amplificatorului trebuie să fie mai mare decât unu, unitate.

• Oscilațiile pot fi menținute prin trimiterea înapoi a unei părți din tensiunea de ieșire către circuitul reglat care are amplitudinea corectă și în fază (0⁰).

• Oscilațiile pot apărea numai atunci când feedback-ul este "pozitiv" (auto-regenerare).

• Defazarea generală a circuitului trebuie să fie zero sau 360⁰, 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 cu priză centrală în circuitul său rezervor rezonant. Acest tip de circuit oscilator LC este cunoscut în mod obișnuit ca un Oscilator Hartley.