Oszcillátor

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
1MHz-es kvarcoszcillátor

Az oszcillátor (más néven rezgéskeltő) egy olyan villamos áramkör, amely egyenáramú energiát felhasználva stabil, periodikus elektromágneses rezgést hoz létre és tart fenn. Az oszcillátor által keltett elektromágneses rezgés vezetékben váltakozó áramként, szabad térben elektromágneses hullámként jelentkezik. Oszcillátort tartalmaz például a kvarcóra, a zsebszámológép, rádió, számítógép. Azoknak a nagy teljesítményű oszcillátoroknak, amelyek egyenfeszültségből áramellátási céllal váltakozó feszültséget hoznak létre, speciális nevük van: inverter.

Az előállított jel alakja szerint az elektronikus oszcillátor lehet

  • harmonikus vagy szinuszos oszcillátor (ritkábban lineáris oszcillátornak is nevezik);
  • nemlineáris (relaxációs oszcillátor).
Visszacsatolt oszcillátor blokkvázlata

Működési elve[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A legegyszerűbb oszcillátor működési elve: egy erősítő eszköz (például tranzisztor) v_0 kimenetéről bizonyos mennyiségű jelet visszavezetik (visszacsatolják) a bemenetére v_f (pozitív visszacsatolás). Ha a visszavezetett jel elegendő erősségű és megfelelő fázisú, akkor folyamatos rezgések jönnek létre. Esetenként szükség van a kimeneti jel szintjének (amplitúdójának) szabályozására például abból a célból, hogy a keltett jelek ne tegyék tönkre a következő áramkört. A rezgések megindulása azáltal jön létre, hogy az áramkört bekapcsolva, annak erősítő részén egy zaj-jel indul el, amely elegendő a rezgések beindulásához. A rezgések fennmaradásához a megfelelő visszavezetett jelszint mellett a helyes fázisviszonyokra azért van szükség, mert előfordulhat olyan eset, amelynek során a visszavezetett jel a rezgéseket kioltja vagy gyengíti (negatív visszacsatolás).

Szinuszos oszcillátor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ismeretes, hogy egy feltöltött kondenzátort induktivitáson át kisütve csillapodó rezgések keletkeznek, amelyek frekvenciája:

f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

A magára hagyott rezgőkör energiája folyamatosan csökken a veszteségek miatt. A gyakorlatban azonban egy oszcillátor kimenetén nem a 3. ábra szerinti jelalakra, hanem egyenletes, állandó amplitúdójú jelalakra van szükség. A rezgések fenntartása csak úgy lehetséges, ha a rezgőkör veszteségeit egy aktív elem (például félvezető) megfelelő elrendezésben pótolni tudja. Az energiaveszteség pótlása történhet

Amennyiben az erősítő eszköz bemenetére túlságosan sok jel lesz visszavezetve (túl szoros pozitív visszacsatolással), akkor – nem kívánt – jelalak keletkezik. A keletkezett egyre erősödő rezgések amplitúdójának csak a betáplált energia és a környezet szab határt.

Tehát a szinuszos oszcillátor nevéből adódóan szinuszjelet szolgáltat és két típusa van:

  • visszacsatolt oszcillátor;
  • oszcillátor negatív ellenállású eszközzel.
6. ábra: LC-oszzcillátor kapcsolási vázlata

Visszacsatolt oszcillátor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • RC-oszcillátor: Az RC-oszcillátorban a visszacsatolást ellenállásokból és kondenzátorokból álló hálózat biztosítja. Rendszerint alacsonyabb frekvenciákon (hangfrekvencia) működik.
  • LC-oszcillátor: Az LC-oszcillátor frekvencia-meghatározó eleme egy C_2 kondenzátorból és L_2 tekercsből áll (hangolt LC-kör). A visszacsatolást (az u_1 jel visszavezetését a Q bipoláris tranzisztor bázisára) az L_1 tekerccsel oldják meg: a visszacsatolt jel nagyságát a tekercsek menetszám-arányai, a fázisviszonyokat pedig a két tekercs ellentétes csévélési irányai (fekete pontok a tekercsek kezdetei) biztosítják. A C_1 kondenzátor megakadályozza a tranzisztor bázisosztójának rövidzárlatát az L_1 tekercsen át. Az f_0 frekvenciájú u_a amplitúdójú jel a C_3 kondenzátoron át csatolható ki. Az R jelzésű ellenállások a tranzisztor munkapontját (üzemi körülményeit) állítják be megfelelő értékre.

Az LC oszcillátort főleg rádiófrekvenciás tartományokban alkalmazzák (például jelgenerátor, vevő keverő oszcillátora), mert alacsony frekvencián a szükséges kapacitások és induktivitások fizikai mérete is nagyon nagy. A nagy jósági tényezőjű rezgőkörök a nagyfrekvenciás technikában könnyen megvalósíthatóak és a rezgőkör feszültség-alakja igen szélsőséges működési feltételek mellett is szinuszos. A rezgőkör veszteségeit erősítő eszköz (tranzisztor vagy műveleti erősítő) fedezi. Tipikus LC-oszcillátor típusok: Hartley-, Colpitts-, Meissner- és Clapp-oszcillátor.

  • Kvarc: Kvarckristályt vagy kerámia rezonátor alkalmaznak a frekvencia stabilizálására.
Negatív ellenállású oszcillátor. A negatív karakterisztikájú eszköz párhuzamosan kapcsolódik a rezgőkörrel.

Oszcillátor negatív ellenállású eszközzel[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A negatív ellenállású eszközt használó oszcillátorban olyan – rendszerint félvezető– eszközt csatlakoztatnak párhuzamosan a rezgőkörhöz, amely negatív ellenállásával képes kompenzálni a rezgőkör veszteségeit. Ilyen eszköz lehet például a magnetron, alagútdióda vagy Gunn-dióda. Elsősorban a mikrohullámú technikában alkalmazzák, ahol a rezgőkör lehet felharmonikuson rezgő kristály, üregrezonátor de kisebb frekvenciákon akár LC-kör is.

A negatív ellenállású eszköz félvezetőkkel és elektroncsövekkel is megvalósítható.[1] [2]

Áramköri megoldások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az oszcillátorok kialakítására a #Kapcsolódó szócikkek részben lévő hivatkozásokban is lehet példákat találni.

Relaxációs oszcillátor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Különböző hullámformák (Magyar elnevezések fentről lefelé haladva: szinusz-, négyszög-, háromszög- és fűrészjel.)

Az elektronikában a fentebb vázolt szinusz alakú rezgéseken kívül szükség van más formájú jelekre is, amelyeket relaxációs oszcillátorral állítanak elő. Például a négyszög alakú jelek (négyszögjelek) digitális technika, órák és számláló áramkörök részére, a háromszög és fűrészfog alakú jelek a katódsugárcsövek (analóg oszcilloszkópok, analóg televíziók) működéséhez szükségesek. Előállításuk nemlineáris kapcsoló áramkörökkel, például Schmitt-trigger, UJT-vel (egyátmenetű tranzisztor)[3] lehetséges, de készülnek speciálisan jelforrás célú integrált áramkörök is (például az elektronikában népszerű NE 555).

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Kung, Fabian Wai Lee: Lesson 9: Oscillator Design (PDF). RF/Microwave Circuit Design. Prof. Kung's website, Multimedia University, 2009. (Hozzáférés: 2012. október 17.), Sec. 3 Negative Resistance Ocillators, p. 9-10, 14
  2. Ellinger, Frank. Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies, 2nd Ed.. USA: Springer, 391–394. o (2008). ISBN 3540693246 
  3. http://www.circuitstoday.com/ujt-relaxation-oscillator UJT Relaxation Oscillator

Felhasznált irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Ulrich Tietze - Christoph Schenk: Analóg és digitális áramkörök - Integrált diszkrét félvezetők kapcsolástechnikája, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981, ISBN 963-10-2291-9, (415-436. o.)
  • Lóska Péter: Az egyátmenetű tranzisztor, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985, ISBN 963-10-6258-9, (62-94. o)

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Oszcillátorok
  • Lóska Péter: Az egyátmenetű tranzisztor, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985, ISBN 963-10-6258-9
  • Ulrich Tietze - Christoph Schenk: Analóg és digitális áramkörök - Integrált diszkrét félvezetők kapcsolástechnikája, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981, ISBN 963-10-2291-9

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]