Oszcillátor

A valódi rezgőkör modellje.
R – ellenállás, L – tekercs, C – kondenzátor.
(Az ideális rezgőkörből hiányzik az R ellenállás.)

Az oszcillátor egy olyan villamos áramkör, amely stabil frekvenciájú elektromágneses rezgést hoz létre és tart fenn. (Az elektromágneses rezgés vezetékben váltakozó áramként, szabad térben elektromágneses hullámként jelentkezik.)

A hangolható rezgőkör a rádió vagy tévékészülék alapvető áramköre, de általában minden olyan berendezésben megtalálható, amely elektromágneses hullámmal működik, például – a teljesség igénye nélkül – a mobiltelefon, a mikrohullámú sütő, a kvarcóra vagy a személyi számítógép. Az orosz fizikus, Léon Teremin már 1919-ben olyan, oszcillátoron alapuló hangszert épített, amelyet a hangszer megérintése nélkül lehetett megszólaltatni.

Az oszcillátor általános jelentésében egy absztrakt matematikai objektum. Ezzel az absztrakcióval nyílik lehetőség az oszcillátorok, azaz az oszcillációt végző folyamatok, rendszerek közös leírására. Ilyen rendszer lehet például egy rugóra függesztett tömeg, egy elektromos (RLC) rezgőkör stb. Bizonyos rezgések leírása matematikailag sem könnyű feladat, azonban a lineáris rezgések nagyon jól kezelhetőek, így ha tehetjük, a valóságot jobban közelítő nemlineáris differenciálegyenletek helyett azok linearizáltjait használjuk, például az RLC rezgőkörnél vagy az ingánál. Azonban a linearizálás sok esetben lényegi változást hoz a rezgés kvalitatív és kvantitatív tulajdonságaiba egyaránt, tehát nem minden rezgés leírására megfelelő. Az ilyen rezgéseket leíró differenciálegyenletek fázisképe rendkívül bonyolult is lehet: határciklusokat, különös attraktorokat, kaotikus pályákat tartalmazhat.

Ideális és valóságos rezgőkörök

Lecsengő rezgés időbeli lefutása

Egy természetes forrásból származó hullám (például a hang) idővel legyengül a közvetítő közeg ellenállásán, energiája szétszóródik, a hullám lecseng. A valóságos rezgőkörnek is vannak veszteségei a felhasznált elemek „ohmos” ellenállása és az áramkör sugárzása miatt. A gyengülést az elektronikában egy pozitív visszacsatolású erősítő áramkörrel egyenlítik ki. Az erősítés révén pótolhatjuk az elektromágneses hullám csillapodásával elvesző energiát.

A harmonikus rezgés időbeli lefutását matematikailag a A·sin(2·$\pi$·t) függvény írja le, ahol az A a rezgés amplitúdója, t pedig az időpont jele. Az ideális rezgőkör energia betáplálása nélkül tartja fenn a harmonikus rezgést, mivel az ideális rezgőkörökben nincsenek ellenállások, csak a kondenzátor és a tekercs reaktanciája jelenik meg. Ekkor a bemenő jel energiája nem csökken, s mivel nincs csillapítás, nincs szükség a csillapítás kompenzálására.

A szinuszos elektromos hullámokat keltő áramköröket harmonikus, vagy szinuszos oszcillátornak nevezzük. A fizikában az oszcillátor alatt általában a harmonikus oszcillátort értjük.

Hangolás

Az ideális rezgőkörben folyó rezgés f frekvenciája a következő, a rezonanciafrekvencia meghatározására is szolgáló ún. Thomson-képlettel számolható ki:

$f={1 \over {2\pi {\sqrt {LC}}}}$,

ahol L-lel a tekercs önindukciós együtthatóját, C-vel pedig a kondenzátor kapacitását jelöltük. Ezeknek az elemeknek a változtatása révén meghatározhatjuk a rezgés frekvenciáját.

A harmonikus rezgést stabilizáló visszacsatolást gyakran kvarckristály vezérli. A piezoelektromos kvarckristály stabil mechanikai sajátfrekvenciával rendelkezik, azaz külső hatásra csupán egy jól meghatározott frekvencián képes mechanikusan rezegni. A kristály nagyon stabil frekvenciájú mechanikai rezgése által keltett áram befolyásolja a negatív visszacsatolás mértékét.

Szinusz-, négyszög-, háromszög és fűrészfog-rezgés

Hullámformák

A rezgőkörök szinuszhullámokat keltenek ugyan, de az elektronikában gyakran másfajta hullámformákra van szükség. Matematikailag igazolható, hogy bármely (nem csak periodikus) folytonos függvénnyel leírható hullámforma létrehozható – véges vagy végtelen sok – különféle amplitúdójú és frekvenciájú szinuszfüggvény összeadásával, és fordítva: bármilyen folytonos függvényalak felbontható különféle szinuszfüggvények összegére. Ezt felhasználva a gyakorlatban olyan egyszerű hullámalakokat alkalmaznak, amelyeket – elhanyagolható pontatlansággal – már néhány szinuszfüggvény összeadásával megkaphatunk. Ilyenek például a négyszög-, a háromszög- és a fűrészfogrezgések.

Oszcillátor kapcsolások

LC kapcsolásban

• 
  Hartley
• 
  Meissner
• 
  Colpitts

RC kapcsolásban

• 
  Wien-hidas

Kvarcoszcillátorok fajtái, megnevezésük rövidítései

Sokféle hullámalak előállítására alkalmas hobbikategóriás oszcillátor

Az XO egy angol betűszó, jelentése: Quartz Crystal Oscillator, vagyis kvarckristály-oszcillátor. Többnyire a legegyszerűbb felépítésű, kvarccal működő oszcillátort értik alatta, melynek nincsen hőfok-szabályozása.

Az OCXO egy angol betűszó, jelentése: Oven Controlled Crystal Oscillator (vagyis melegítéssel szabályozott kristályoszcillátor). Olyan kvarcoszcillátort jelöl, melyben a kvarckristályt egy környezettől elzárt, hőfokszabályozott kamrába helyezik, ezzel csökkentik a környezet hőhatását a kristályra. A kamrát oven-nek, vagyis sütő-nek nevezik.

Amikor az oszcillátor működni kezd, először egy melegedési időszakon megy keresztül, melynek során eléri az üzemi hőmérsékletét, és a kamrában stabilizálódik a hőmérséklet. Ezek után a kamra melegítését úgy szabályozzák, hogy a belső hőmérséklet minél kevésbé függjön a külső hőmérséklettől. Az oszcillátornak ennek következtében igen jó a rövid távú stabilitása, ami jellemzően 10^‒12 értékű. A rövid távú pontosságot többnyire az oszcillátort felépítő alkatrészek elektromos zaja korlátozza. A hosszú távú stabilitás az alkatrészek elöregedésétől, illetve az idő során megváltozó tulajdonságaiktól függ.

A TCXO egy angol rövidítés (temperature-compensated crystal oscillator), jelentése: hőkompenzált kristályoszcillátor. Olyan kvarcoszcillátorról van szó, amelyben hőfok-kiegyenlítést alkalmaznak a jobb stabilitás érdekében.

A hőfok méréséből származó jelet úgy vezetik vissza az oszcillátorra, hogy a hőfok megváltozásából adódó eltérést kiegyenlítse.

A visszavezetett jel többnyire egy varaktor nevű alkatrészen megy keresztül, amely valójában egy feszültség-függő kondenzátor (pontosabban szólva a reaktanciája változik). A varaktor segítségével a bevezetett feszültség hatására frekvenciaváltozást állítanak elő, aminek a mértékét úgy állítják be, hogy a kvarcoszcillátornak a hőfok megváltozásából eredő frekvenciaváltozását ki lehessen vele egyenlíteni. Ez a technika nem olyan hatékony, mint az OCXO-nál használt hevítési technika, viszont annál sokkal olcsóbb a megvalósítása és a helyigénye is kisebb.

Forrás

• National Institute of Standards and Technology, Physics Laboratory, Time and Frequency Division, USA

Külső hivatkozások

• Analóg Elektronika I. jegyzet: Oszcillátorok PDF fájl
• Egyetemi tananyag az elektronikában alkalmazott oszcillátorokról (264--307 oldal) PDF fájl