اسیلاتور یا نوسان ساز چیست؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: اسیلاتور‌ها برای ساختن موج حامل انرژی رادیوئی و صوتی در مدارات رادیوئی استفاده می‌شوند و دارای خروجی موج سینوسی هستند. گرچه شکل موج‌ها میتوانند مانند موج مربعی یا دندانه اره‌ای متفاوت باشند. شکل موج هاممکن است dc ویا ac باشند.

شرایط لازم برای نوسان:
اگر هر مداری موارد زیر را داشته باشد آن مدار خواه یا ناخواه نوسان خواهد کرد.
۱ _. تقویت کنندگی
۲ _. وسیله مولد فرکانس
۳ _. فیدبک مثبت (احیاء)
در یک اوسیلاتور فاکتور‌های بالا عمدتا درون طراحی مدار لحاظ می‌شوند. بخشهای ۱ و ۳ بیشتر آمپلی فایر‌ها اتفاق می‌افتد.
توجه شود که نوسان ساز‌ها اغلب توسط فرکانس سیگنال خروجی خود توصیف می‌شوند و در یکی از دسته بندی‌های زیر جای میگیرند.
۱) نوسان ساز صوتی، فرکانس‌هایی را در محدوده صوتی تولید می‌کند، تقریباً از ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلو هرتز
۲) نوسان ساز RF، سیگنال‌هایی را در محدوده فرکانس رادیویی از ۱۰۰ کیلو هرتز تا ۱۰۰ گیگا هرتز تولید می‌کند
۳) نوسان ساز فرکانس پایین، یک نوسان ساز الکترونیکی است که فرکانس‌های زیر ۲۰ هرتز تولید می‌کند.
نوسان سازهایی که برای تولید یک خروجی AC توان بالا از یک منبع DC طراحی شده‌اند معمولاً مبدل نامیده می‌شوند. دو نوع اصلی از نوسان ساز‌ها وجود دارد: نوسان ساز خطی یا هارمونیک و نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون.

انواع اسیلاتور‌ها:
۱) نوسان ساز هارتلی – سینوسی
۲) نوسان ساز آرمسترانگ – سینوسی
۳) نوسان ساز کولپیتس – سینوسی
۴) مولتی ویبراتور مونوآستابل (۱ حالته) – مربعی
۵) مولتی ویبراتور بای آستابل (دو حالته) – مربعی
کاربرد اسیلاتور‌ها:
۱) استفاده برای عمل مدولاسیون
۲) استفاده برای نوسان سازی رادیویی
۳) استفاده برای مدارات اینورتر ولتاژ
۴) استفاده برای راه اندازی میکروکنترلر‌ها و پردازنده‌ها
۵) تعیین فرکانس کاری و سرعت پردازنده‌ها
و.. ..
نوسان ساز با فیدبک:
بطور کلی در مدارهای فیدبک دار بواسطه شبکه فیدبک قسمتی از سیگنال خروجی با سیگنال ورودی برای دستیابی به مقاصد مشخصی مخلوط می‌گردد. در مدارهای تقویت کننده که هدف بهبود و تثبیت و مشخصات تقویت کنندگی (یعنی مقاومت ورودی و خروجی و بهره ولتاژ و جریان، پاسخ فرکانسی و عملکرد خطی تقویت کننده) است، عموما از فیدبک منفی استفاده می‌شود. اما نوسان سازهای با فیدبک، تقویت کننده‌هایی هستند که خروجی ان‌ها بواسطه شبکه فیدبک مثبت به حالت ناپایداری ونوسان رسیده است. بوجود آمدن این حالت بدان علت است که شبکه فیدبک به صورت تشدید کننده (مثبت) و بر هم زننده پایداری و نه تثبیت کننده (منفی) پایداری تقویت کننده عمل نموده است.

مسیر اصلی نوسان سازها:
در بسیاری از موارد، بکار گیری تقویت کننده‌های عملیاتی در این بخش می‌تواند علاوه بر ساده سازی مراحل طراحی، امکان تولید شکل موجهای مختلف از قبیل: سینوسی، مربعی و مثلثی را ایجاد نماید. تقویت کننده‌های عملیاتی را اغلب با شبکه‌های RC به صورت نوسان ساز طراحی می‌نمایند.

نوسان ساز هارتلی:
این نوسان ساز نمونه‌ای از نوسان ساز‌های فرکانس پایین است که با استفاده از مدار، فرکانس را تعیین می‌کند ویک ترانزیستور نیز تامین کننده پالس‌های نگه دارنده است. مدار بالا یک تقویت کننده امیتر مشترک را نشان می‌دهد که مدار بین کلکتور و بیس آن متصل شده است سر وسط سلف به طور موثر به امیتر متصل شده است (مقاومت منبع تغذیه برابر صفر فرض می‌شود). تقویت کننده امیترمشترک سیگنال ورودی خود را معکوس می‌کند و سیگنال خروجی آن با سر وسط زمین شده سلف قبل از اعمال به بیس معکوس می‌شود. در نتیجه در این مدار ورودی را خود تقویت کننده تا مین می‌کند. یعنی فید بک مثبت قابل تو جهی که وجود داردباعث ایجاد نوسان می‌شود و دامنه سیگنال (در فر کانس تشدید) به سرعت افزایش می‌یابد. پالس‌های ناشی از جریان بیس را پر می‌کنند در نتیجه جهت ولتاژ تو لید شده بیس را به طور منفی بایاس می‌کند با افزایش دامنه سیگنال ولتاز دو سر نیز زیاد می‌شود تا به حالت تعادل بر سد. حالت تعادل زمانی رویمی دهد که اتلاف مدار ناشی از بار شدن خروجی مقاومت اهمی و جریان بیس با انرژی وارد شده از کلکتور به این خازن برابرشود. در این شرایط نهایی ترانزیستور می‌تواند به خوبی در بیشتر قسمتهای سیکل قطع باشد ودر هر قله مثبت بیس پالس ناگهانی به جریان بیس (وجریان کلکتور) اعمال شود. در فاصله زمانی بین دو فله متوالی از طریق شروع به تخلیه می‌کند. اما اگر یک ثابت زمانی در مقایسه با زمان تناوب نوسان بزرگ باشد مقدار کمی از ولتاژ دو سر در این فاصله زمانی از بین می‌رود و می‌توان را به عنوان یک منبع ثابت بایاس منفی در نظر گرفت. در بسیاری از نوسان ساز‌ها از این روش بایاس کردن استفاده می‌شود. این روش دارای مزیت جبران سازی برای هر گونه افت دامنه نوسان در اثر افزایش بار خروجی یا افت ولتاژ منبع تغذیه است. کاهش دامنه نوسان باعث کاهش بایاس می‌شود به طوری که ترانزیستور پالس‌های جریان بزرگتری برای ثابت نگه داشتن دامنه می‌گیرد.

 

نوسان ساز کولیپتس:
نکته مهم در شکل بالا نیاز به وجود سه اتصال میان مدار تنظیم شده و ترانزیستور برای ایجاد فیدبک مثبت است. امیتر به سر وسط سلف متصل می‌شود، ولی می‌توان آن را به صورت معادل با استفاده از دو خازن برابر به طور سری مانند شکل بعد به شاخه خازنی مدار متصل کرد. در این نوسان ساز از یک فت اتصالی با مقاومت در مدار درین استفاده شده و مدار با خازن به درین متصل شده است. بنا بر این مدار بر خلاف تغذیه مستقیم شکل اول به طور موازی تغذیه می‌شود. خازن‌های تعیین کننده فرکانس با خازن‌های ورودی و خروجی ترانزیستور موازی هستند و در نتیجه این خازن‌ها در تعیین فرکانس نوسان نیز تاثیر دارند. با بزرگتر کردن آن‌ها تا حد امکان، تاثیر آن‌ها نیز به حداقل می‌رسد. از سوی دیگر اگر به نوسانی با فرکانس بالا نیاز باشد، خازن‌های تنظیم، باید خیلی کوچک باشند. در این موارد می‌توان از خازن‌های ورودی و خروجی ترانزیستور به جای آن استفاده کرد. یک خازن متغییر کوچک مانند شکل سوم برای تنظیم به دو سر سلف متصل می‌شود. در این مدار نیز که با پالس‌های جریان، گیت شارژ و از طریق سلف تخلیه می‌شود. به طور خود کار بایاس لازم را تامین می‌کند. برای آنکه امکان زمین شدن سر متغییر خازن (و در نتیجه بیس ترانزیستور) وجود داشته باشد یک چوک با امپدانس زیاد در فرکانس کار به مدار امیتر افزوده می‌شود. هر سه نوسان ساز بالا که شرح داده شد در کلاس برای دامنه‌های نوسان بزرگ عمل می‌کنند. برای به دست آوردن شکل موج سینوسی خروجی را باید از مدار گرفت. مثلا با سیم پیچی که مانند شکل اول و دوم به طور القایی به مدار متصل می‌شود. اگر خروجی از خود ترانزیستور گرفته شود مثلا از مقاومتی در مدار امیتر یا سورس قطار پالسی با فرکانس تکراری برابر با فرکانس تشدید به دست می‌آید.

 

نوسان ساز رایناتز:
این نوسان ساز، چون زیاد در گیرنده‌های ترانزیستوری استفاده می‌شود باید حتما در بارش می‌نوشتم. در این مدار فید بک مثبت با اتصال مدار کلکتور به مدار امیتر با القای متقابل تامین می‌شود؛ و هر دوبه مدار تعیین کننده فرکانس نیز متصل هستند. این نوسان ساز به روش تقسیم ولتاژ پایدار می‌شود، ولی همانطور که نشان داده شده است اثر بازوی پایینی مقسم ولتاژ باید با خازن کم مقاومتی خنثی شود تا سیگنال تولید شده در دوسرمستقیما بین بیس و امیتر اعمال شود. در نگاه اول به نظر می‌رسد که بخش تعیین کننده فرکانس در نوسان ساز راینرتز چهار اتصال دارد، ولی اتصال مثبت و منفی منبع تغذیه در واقع مشترک هستند، زیرا امپدانس منبع در فرکانس نوسان ناچیز است یا بهتر است که چنین باشد.

 

و، اما از همه مهمتر که حتما باید در باره اش  بدانید این مورد است، چون در بعضی کاربرد‌ها لازم که نوسان ساز پایداری فرکانسی زیادی داشته باشد یعنی یک فر کانس ثابت را بدون وابستگی به عوامل دیگر تولید کند مثل منبع موج حامل در فرستنده‌ها اگر کنترل تلویزیون را دیده باشید احتمالا یک قطعه مکعبی زرد رنگ (کریستال) را در آن دیده اید یا مدار تلویزیون یا بعضی رادیو‌ها واز دیگر جاهایی که این نوسان ساز به کار می‌رود منابع تولید کننده پالسهای ساعت در کامپیوتر‌ها و سیستم‌های دیجیتال است. روش رایج برای به دست آوردن پایداری فرکانسی لازم استفاده از کریستال پیزوالکتریک برای کنترلفرکانس نوسان است.

چنین کریستالهایی (بسته به ابعاد و شکلشان) دارای فرکانس تشدید طبیعی هستنددر عمل کریستال بین دو صفحه فلزی نصب می‌شود که اتصال الکتریکی با کریستال را ایجاد می‌کند. را ه های متعددی بزای اتصال کریستالبه مدار نوسان ساز وجود دارد؛ که یک نمونه از آن در شکل بعدی آمده است در این شکل کریستال بین کلکتور و بیس ترانزیستور وصل شده تا نوسان ساز کلپیتس را تشکیل دهد. خازنهای داخلی کلکتور بیس و بیس امیتر فید بک مثبت را تامیین می‌کنند. مدار کلکتور نیازی به تنظیم ندارد سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور نقطه‌ی خروجی را ایجاد می‌کند.

 

 

همان طور که گفتم اگریک مدار تشدید به منبعی با مقاومت منفی مناسب متصل شودنوسان خواهد کرد؛ که تفاوت آن با نوسان ساز هایی که قبلا گفتم این است که تن‌ها به دو اتصال به بخش تعیین کننده فرکانس نیاز دارد. منظور از مقاومت منفی قطعه‌ای است که مشخصه انقالی آن (نمودار ولتاژ _جریان) حد اقل در یک محدوده‌ی کو چک شیب منفی داشته باشد یعنی با افزایش ولتاژ لا اقل در بعضی از ناحیه‌های ولتاژی جریان آن کاهش یابدویا با افزایش جریان ولتاژ آن کاهش یابد. این عنصر می‌تواند یک قطعه خواص یا یک مدار باشد که یکی با کلی فکر طراحی کرده. برای استفاده از یک مقاومت منفی در یک نوسان ساز از این نوع باید مقدار مقاومت منفی برابر مقدار مقاومت مثبت مدار تشدید متصل به آن باشد. چون اصولا چیزی که باعث میرایی دامنه نوسان می‌شود مقاومت مثبت است (ای عنصرمزاحم) و تمام این قصه‌ها که گفتیم خلا صه اش این بود که چه طور این میرایی را جبران کنیم حا لا یک عنصر مطلوب مثل مقا ومت منفی را داریم که اثر میرایی مقاومت مثبت را از بین می‌برد.

دیود تونل:
یکی ازقطعات نیمه رسانا که مشخصه اش یک مقاومت منفی را نشان می‌دهد دیود تونل است. این قطعه یک دیود است که غلظت ناخالصی درآن بسیار زیاد وپیوند آن بسیارنازک است. شکست در دیود تونل در مقاذیر بایاس معکوس خیلی پایین اتفاق می‌افتد و در نتیجه ناحیه‌ی مقاومت معکوس زیاد وجود ندارد. شیب منفی در بایاس مستقیم کم معمولا بین ۰. ۱ تا ۰. ۳ ولت ایجاد می‌شود. (از این جا به بعد چند خط حرف بیخود…) _این مشخصه جالب و عجیب ومفیدو.. به دلیل نفوذ در سد پتانسیل در پیوند با الکترونهایی که انرژی کافی برای عبور از این سد ندارند به وجود می‌آید. این اثر معروف به اثر تونل در فیزیک کلاسیک غیر قابل توجیه است، ولی با مکانیک کوانتومی قابل توضیح است. دیود‌های تونل را می‌توان باظرفیت خیلی کمی تولید کرد و نوسان ساز هایی که با آن کار می‌کننددر فرکانسهای چند مگا هرتزی قابل ساخت هستند برای به دست آوردن بیشترین مقدار خروجی (یا همان به قول دانشجویان متعال برق ماکزیمم سویینگ متقارن) باید نقطه کار در وسط ناحیه مقاومت منفی قرار داده شود واضح است که دامنه خروجی کمتر از یک ولت می‌باشد.

مشخصه مقاومت منفی را می‌توان از یک مدار دو ترانزیستوری نیز به دست آورد.. اگر ترکیب وجود نداشته باشد شکل موج مربعی خروجی در هر دو کلکتور تولید خواهد کرد و ترانزیستورهابه طور متناوب بین قطع و اشباع تغییر وضعیت خواهند داد. وجود مدار تنظیم شده این عملکرد را اصلاح می‌کند، زیرا سلف در فرکانس‌های پایین مسیری با امپدانس کم میان کلکتور‌ها ایجاد می‌کند در حالی که خازن‌ها این کار را در فرکانس‌های بالا انجام می‌دهند که هر دو عملکرد معمولی مولتی ویبراتور را تحت تاثیر قرار خواهد داد عملکرد مدار منطبق بر فرکانس تشدید مدار تنظیم شده است که در آن مدار تنظیم شده بیشترین امپدانس را دارد و در نتیجه خروجی مدار سینوسی است در این فرکانس مقاومت موثر میان کلکتور‌ها تقریبا برابر است که قابلیت هدایت متقابل ترانزیستور هاو تضعیف مدار‌های تزویج میان ترانزیستور هاست. یکی از این مدار‌های تزویج است، ولی با خازن ورودی موازی است و این امر می‌توانددر تضعیف مدار تاثیر بگذارد. برای ایجاد نوسان باید مقاومت دینامیکی مداربیشتر از باشد. اسیلاتور‌ها برای ساختن موج حامل انرژی رادیوئی وصوتی در مدارات رادیوئی استفاده می‌شوند؛ و اصولا دارای خروجی موج سینوسی هستند. اوسیلاتور‌ها برای ساختن موج حامل انرژی رادیوئی وصوتی در مدارات رادیوئی استفاده می‌شوند؛ و اصولا دارای خروجی موج سینوسی هستند. گرچه شکل موج‌ها میتوانند مانند موج مربعی یا دندانه اره‌ای متفاوت باشند. شکل موج هاممکن است dc یا ac باشند.

به طور خلاصه:
اسیلاتور یا نوسان‌ساز مداری است که پس از طی مدت زمان کوتاهی پس از اتصال تغذیه مستقیم، به نوسان پایدار می‌رسد. اسیلاتور‌ها در ابتدا با استفاده از بازخورد مثبت ناپایدار شده و دامنه نوسان رو به افزایش می‌دهد. اما در دامنه‌ای معین این افزایش دامنه متوقف شده و نوسان‌ساز در آن دامنه شروع به نوسان می‌کند. یک اسیلاتور بایستی دارای بازخورد مثبت برای افزایش دامنه نوسانات باشد. یک اسیلاتور می‌بایست پس از رسیدن به دامنه نهایی از ناپایدار شدن نوسانات جلوگیری کند؛ و با آن دامنه به نوسانات خود ادامه دهد. این امر از طریق مختلفی قابل دستیابی است.