Oscilator – razlika između verzija

'''Oscilator''' je [[električno kolo]] koje stvara izlazni [[signal]] određene [[frekvencija|frekvencije]]. Dizajnirani su tako da pretvaraju jednosmjernu električnu energiju u naizmjeničnu.

 

Oscilatori se sastoje iz tri dijela: [[pojačavač]]a, dijela za određivanje frekvencije i mreže [[povratna sprega|povratne sprege]]. Dio za određivanje frekvencije je jezgro oscilatora gdje se generiše određena frekvencija koja se zove rezonantna frekvencija. Mreža povratne sprege može biti otporna, reaktivna ili njihova kombinacija. Faktor povratne sprege B se izvodi iz izlaznog napona, dok je pojačanje pojačavaca A. Njihov proizvod AB daje kružno pojačanje. Upravo od njega i zavisi uslov oscilovanja, koji se sastoji od dva kriterijuma poznatih kao Barkhauzenovi kriterijumi:

 

To u stvari znači da je neophodno da signal, prolazeći od ulaza do izlaza, i vraćajuci se ponovo preko povratne sprege do ulaza, NE MIJENJA ni amplitudu ni fazu. Ako ovaj uslov važi za jednu frekvenciju, izlaz je čisto [[sinusni talas]], a ako važi za više frekvencija izlaz je složeni talas. Neki oscilatori su napravljeni da rade u određenim uslovima tako da je izlaz [[četvrtasti signal|četvrtasti]], [[trougaoni signal|trougaoni]] ili [[impulsni signal]]. Od AB zavisi kakve će biti oscilacije, tj. ako je:

 

Amplituda oscilovanja oscilatora nije određena uslovom oscilovanja, već zavisi od veličine aktivne oblasti rada aktivnog elementa. Velika amplituda dovodi radnu tačku u nelinearni dio karakteristika aktivnog elementa, čime se unosi sadržaj [[harmonik|harmonijskih komponenti]] i nestabilnost frekvencije. Velika stabilnost frekvencije zahtijeva stabilnu amplitudu oscilacija. Stabilizacija amplitude oscilacija se realizuje kao:

 

Ukoliko frekvencija oscilovanja odstupa od specificirane vrijednosti, onda se ovo pomjeranje frekvencije može izraziti u procentima ili ako se uvede i temperaturno zavisni pomjeraj, može se izraziti i u Hercima po stepenu Celzijusovom. [[Šum]] u oscilatoru moze biti generisan eksterno ili interno. Harmonici mogu biti posljedica neodgovarajućeg projektovanja ili kalibracije oscilatora. U najvećem broju telekomunikacionih predajnika i prijemnika, harmonici i drugi neželjeni signali se mogu eliminisati [[Elektronski filter|filtrima]] i automatskom kontrolom pojačanja. Pomjeraj frekvencije ili stabilnost je najvažniji parametar kod projektovanja oscilatora, a na stabilnost mogu uticati sledeći faktori:

 

Iako oscilator moze raditi i bez opterećenja, često opterećenje na izlazu može uzrokovati nestabilnost usled nepodešenosti [[impedansa|impedansi]]. Ovo se moze prevazići umetanjem „bafera“ između oscilatora i opterećenja.

Oscilator bi trebalo da radi pri manjim snagama ili se mogu koristiti [[kondenzator]]i pomoću kojih se prevazilazi problem vezivanja napajanja.

Na ovo se može djelovati korišćenjem komponenata sa poznatim temperaturnim koeficijentima. Na primjer, može se koristiti kondenzator sa negativnim temperaturnim koeficijentom za kompenzaciju pozitivnog temperaturnog koeficijenta kola za podešavanje.

Komponente sa uskim opsegom tolerancije bi trebalo koristiti kad god je to moguće, kao i kristal [[kvarc]]a.

 

Oscilatori se prave od LC kola (kola koje se sastoji od kalema i kondenzatora) ili od RC kola (kola koje se sastoji od otpornika i kondenzatora) pa otuda i jedna od podjela oscilatora na: LC i RC oscilatore.

 

Postoje tri vrste RC oscilatora i to: Vinov osilator, dvojni T-oscilator i oscilator sa faznim pomakom.

 

 

Amplituda električnih oscilatora teži porastu sve dok se ne dostignu ograničenja pojačavača, što dovodi do visokih harmonijskih izobličenja, koja su često nepoželjna. Dok su se nekad za stabilizaciju amplitude Vinovog oscilatora koristile užarene [[sijalica|sijalice]] (postavljene u povratnoj sprezi oscilatora da ograniče pojačavač), danas se umjesto njih koriste efekat polja tranzistora i [[fotoćelija|fotoćelije]]. Još jedan način stabilizacije amplitude je korišćenje nelinearnih elemenata, kao sto su diode, za modifikovanje otpornosti negativne povratne sprege. Frekvencija oscilovanja Vinovog oscilatora je:

<math>f = \frac{1}{2 \pi R C}</math>

 

Ako je izvor napona priključen direktno na idealni pojačavač sa povratnom spregom, ulazna struja će biti:

 

<math>Y_i = \frac{1-A_v}{Z_f}</math>

 

 

<math>Z_f = R + \frac{1}{j \omega C}</math>

<math>R_{in} = \frac{-2 R}{A_v - 1}</math>

 

 

<math>R_{in} = -R</math>

Ako je otpornik vezan paralelno na ulaz pojačavača, poništiće dio negativne otpornosti. Ako je mreža otpornosti negativna, amplituda će rasti dok ne dođe do odsijecanja. Slično, ako je mreža otpornosti pozitivna, amplituda će se izobličiti. Ako je otpornost vezana paralelno sa tačnom vrijednošću R, mreža otpornosti će biti konačna i kolo moze postići stabilnu oscilaciju na bilo kojoj amplitudi dozvoljenoj od strane pojačavača. Primjećuje se, da sa porastom pojačanja mreža otpornosti postaje negativnija, što dovodi do rasta amplitude. Kad je pojačanje tačno 3, kad je dostignuta odgovarajuća amplituda javiće se izobličenja. Kola amplitudske stabilizacije povećavaju pojačanje, sve dok se ne dostigne odgovarajuća izlazna amplituda. Sve dok su R, C i pojačavač linearni, izobličenja ce biti minimalna.

 

 

 

Jedna od najjednostavnijih izrada ovog tipa oscilatora koristi operacioni pojačavač, 3 kondenzatora i 4 otpornika, kao sto se vidi na dijagramu. Određivanje frekvencije i kriterijuma oscilovanja je matematički jako složeno. To je pojednostavljeno postavljanjem svih otpornika (osim otpornika povratne sprege) i svih kondenzatora na istu vrijednost. U dijagramu,ako je R1=R2=R3=R i C1=C2=C3=C, onda:

<math>R_{povratne sprege}= 2(R_1+R_2+R_3)+\frac{2R_1R_3}{R_2}+\frac{C_2R_2+C_2R_3+C_3R_3}{C_1}+\frac{2C_1R_1+C_1R_2+C_3R_3}{C_2}+\frac{2C_1R_1+2C_2R_1+C_1R_2+C_2R_2+C_2R_3}{C_3}+\frac{C_1R_1^2+C_3R_1R_3}{C_2R_2}+\frac{C_2R_1R_3+C_1R_1^2}{C_3R_2}+\frac{C_1R_1^2+C_1R_1R_2+C_2R_1R_2}{C_3R_3}</math>

 

Ovi oscilatori imaju veći operacioni opseg nego RC oscilatori koji su stabilni do 1 -{MHz}-. Takođe, male vrijednosti R i C kod RC oscilatora mogu biti nepraktične za realizaciju. LC oscilatori su: Kolpicov (-{Colpitts}-), Hartlejev (-{Hartley}-), Klapov (-{Clapp}-) i Armstrongov (-{Armstrong}-).

 

Kolpicov oscilator je nazvan tako po svom pronalazaču Edvinu H. Kolpicu.

 

gdje redna veza C1 i C2 prave efektivnu kapacitivnost LC kola. Realna kola će oscilovati sa malo nižom frekvencijom.

 

 

Jedna od metoda za analizu oscilatora je da se odredi ulazna impedansa, zanemarujući reaktivne komponente. Ako impedansa proizvodi negativnu otpornost, oscilacija je moguća. Ovaj metod ćemo koristiti da odredimo uslov i frekvenciju oscilovanja. Ovdje je prikazan idealan model i predstavlja kolo sa zajedničkim kolektorom. Za analizu, parazitne i nelinearne komponente ćemo zanemarivati. Oni se mogu uključiti kasnije u nekoj ozbiljnijoj analizi. Ako zanemarimo kalem, ulazna impedansa će biti:

<math>R_{in} = g_m \cdot Z_1 \cdot Z_2</math>

 

 

<math>R_{in} = \frac{-g_m}{\omega ^ 2 C_1 C_2}</math>

Hartlejev oscilator je LC električno kolo koje stvara povratnu spregu preko paralelne veze L i C. Hartlejev oscilator je u osnovi bilo koja konfiguracija koja koristi par redno vezanih kalemova i 1 kondenzator. Sličan je Kolpicovom oscilatoru s tim da se ovdje djelitelj napona realizuje preko 2 kalema.

 

;Klapov oscilator

Ako se želi koristiti frekvencijski varijabilan oscilator onda veću primjenu ima Klapov u odnosu na Kolpicov, jer kod Kolpicovog oscilatora varijabilni kondenzator se koristi u naponskom djelitelju, što dovodi i do varijabilnog napona povratne sprege, pa ne može ostvariti frekvenciju iznad željenog opsega. Kod Klapovog oscilatora se ovaj problem prevazilazi koristeći fiksni kondenzator u naponskom djelitelju a varijabilni redno vezan sa kalemom.

 

Ponekad se zove i oscilator sa kalemom povratne sprege, jer se povratna sprega potrebna za stvaranje oscilacija dobija kalemom povratne sprege, preko magnetne spojnice između L i T kalema. Pretpostavljajući da je spojnica slaba, ali dovoljna da održi oscilacije, frekvencija je određena prvenstveno preko LC kola i data je sa:

 

Kolo sa slike predstavlja modernu izradu, koristeći FET tranzistor kao pojačavački element.

 

Postoje i druge vrste oscilatora kao na primjer oscilatori sa negativnom otpornošću.

Negativna otpornost koristi se za kompenzaciju gubitka na otpornim elementima oscilatornog kola tokom jedne periode oscilacija. Negativnu otpornost ćemo obezbjediti tako što ćemo upotrijebiti dvopol koji ispoljava osobinu negativne otpornosti:

 

 

== Literatura ==

* [http://www.cambridge.org/uk/catalogue/catalogue.asp?isbn=9780521886772 E. Rubiola, ''Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators''] Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-88677-2.

 

{{Commonscat|Oscillator circuits}}

* [http://www.howstuffworks.com/oscillator.htm Kako radi oscilator].