اساس کار اسیلاتور LC - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز،در این آموزش قصد داریم اساس کار اسیلاتور LC را بیان کنیم. «اسیلاتور» یا نوسان‌ساز (Oscillator)، یک مدار الکتریکی است که شکل موج متناوب پیوسته با فرکانس معین تولید می‌کند.

وظیفه اسیلاتورها، تبدیل ورودی DC (منبع ولتاژ) به خروجی AC (موج مورد نظر) است. خروجی اسیلاتور، ممکن است انواع مختلفی از شکل موج با فرکانس‌های مختلف باشد. این شکل موج خروجی، بسته به کاربرد ممکن است پیچیده یا یک موج ساده سینوسی باشد.

از اسیلاتور‌ها در بسیاری از تجهیزات آزمایش استفاده می‌شود. در این حالت، شکل موج خروجی ممکن است موج سینوسی، مربعی، دندان اره‌ای، مثلثی یا قطار پالس با پهنای ثابت و متغیر باشد. این مدار، همچنین مدار‌های «فرکانس رادیویی» (Radio Frequency) استفاده می‌شود. اسیلاتور‌های LC مشخصات نویز فاز مناسبی دارند و به آسانی در مدار تعبیه می‌شوند.

اساس کار اسیلاتور LC

اسیلاتور LC، اساسا یک تقویت‌کننده با فیدبک مثبت یا «فیدبک بازتولیدی» (Regenerative Feedback) است. یکی از مشکلات معمول در طراحی مدار‌های الکترونیکی، متوقف کردن نوسان تقویت‌کننده‌ها و واداشتن اسیلاتور‌ها به نوسان است.

اسیلاتور LC به دلیل غلبه بر تلفات موجود در مدار تشدید فیدبک خود، کار می‌کند. انرژی DC در فرکانس مورد نیاز به «مدار تشدید» (Resonator Circuit) اعمال می‌شود. در این حالت، مدار تشدید می‌تواند خاصیت سلفی، خازنی یا سلفی – خازنی پیدا کند. به عبارت دیگر، اسیلاتور LC یک تقویت‌کننده است که از فیدبک مثبت برای تولید موج با فرکانس مطلوب در خروجی خود استفاده می‌کند و نیازی به سیگنال ورودی ندارد.

بنابراین، اسیلاتور LC یک «مدار خود نگهدار» (Self Sustaining Circuit) است که در خروجی خود، شکل موج متناوب در یک فرکانس مشخص تولید می‌کند.

برای اینکه یک مدار الکترونیکی نوسان کند، باید مشخصات زیر را داشته باشد:

تقویت‌کننده سیگنال باشد.
فیدبک مثبت یا بازتولید داشته باشد.
شبکه فیدبک در فرکانس معینی کار کند.

اسیلاتور LC، یک تقویت‌کننده حلقه باز و یک تقویت‌کننده سیگنال کوچک در فیدبک خود دارد. برای شروع به کار اسیلاتور، بهره تقویت‌کننده حلقه باز باید برابر یک یا کمی بزرگتر از آن باشد. اما برای ادامه کار اسیلاتور، متوسط بهره حلقه باید برابر با یک باشد. علاوه بر اجزای راکتیو، یک تقویت‌کننده مانند تقویت‌کننده عملیاتی یا ترانزیستور دوقطبی نیز مورد نیاز است.

انرژی منبع DC توسط اسیلاتور در فرکانس معین به انرژی AC تبدیل می‌شود. بنابراین، اسیلاتور LC بر خلاف تقویت‌کننده، احتیاج به منبع ورودی AC ندارد.

شکل زیر، مدار فیدبک اسیلاتور LC را نشان می‌دهد:

مدار فیدبک اسیلاتور LC

 

بهره اسیلاتور بدون فیدبک

فرض کنید که اسیلاتور، شبکه فیدبک ندارد. در این حالت، بهره اسیلاتور عبارت است از:



که در آن AV، بهره ولتاژ حلقه باز است.

بهره اسیلاتور با مدار فیدبک

حال فرض کنید که اسیلاتور مدار فیدبک دارد. بهره نوسان‌گر در این حالت به صورت زیر به دست می‌آید:




که در آن، β. «کسر فیدبک» (Feedback Fraction) و Aβ بهره حلقه، (۱+Aβ) ضریب فیدبک و Gvبهره حلقه بسته است.

همانطور که گفته شد، اسیلاتور‌ها مدار‌هایی هستند که یک ولتاژ پیوسته با فرکانس معین در خروجی خود تولید می‌کنند و از سلف، خازن یا مقاومت تشکیل شده‌اند. این عناصر به همراه شبکه فیدبک، یک مدار تانک تشدیدی LC ایجاد می‌کنند که انتخاب‌گر فرکانس است.

شبکه فیدبک، یک مدار تضعیف‌کننده با بهره کمتر از یک است. به این ترتیب، می‌توان گفت که کسر فیدبک اسیلاتور‌ها کوچکتر از یک است (β۱)، اسیلاتور شروع به کار می‌کند. با ادامه کار اسیلاتور، بهره حلقه به یک برمی‌گردد (Aβ=۱).

فرکانس اسیلاتور‌های LC، با استفاده از یک مدار سلفی – خازنی (LC) تشدیدی یا «تنظیم‌شده» (Tuned Circuit)، قابل کنترل است. فرکانس خروجی را در این حالت، نام «فرکانس نوسان» (Oscillation Frequency) می‌نامند.

اگر شبکه فیدبک اسیلاتور، راکتیو باشد، زاویه فاز فیدبک تابعی از فرکانس خواهد بود. این زاویه، «جابجایی فاز» (Phase Shift) نام دارد.

به صورت کلی دو نوع اسیلاتور وجود دارد:

اسیلاتور‌های سینوسی که با نام «اسیلاتور‌های هارمونیک» (Harmonic oscillators) شناخته می‌شوند و مدار فیدبک تنظیم‌شده LC یا فیدبک تنظیم‌شده RC دارند. این نوع اسیلاتورها، یک شکل موج سینوسی ساده با دامنه و فرکانس ثابت تولید می‌کنند.

اسیلاتور‌های غیر سینوسی که با نام اسیلاتور‌های وقفه‌ای یا «نوسان ساز‌های رلاکسیون» (Relaxation Oscillators) شناخته می‌شوند. این نوع اسیلاتورها، یک شکل موج غیر سینوسی پیچیده تولید می‌کنند که به سرعت از یک حالت به حالت دیگر تغییر وضعیت می‌دهد. از انواع این شکل موج، می‌توان شکل موج مربعی، مثلثی یا دندان اره‌ای را نام برد.

مدار تانک اسیلاتور LC

فرض کنید که یک ولتاژ ثابت با فرکانس متغیر به مداری شامل سلف و خازن و مقاومت اعمال شود. دامنه و فاز سیگنال خروجی نسبت به سیگنال ورودی، به دلیل راکتانس مدار‌های مقاومتی – خازنی و سلفی – مقاومتی تغییر می‌کند.

راکتانس خازن در فرکانس‌های بالا کم می‌شود. در این حالت، خازن به صورت اتصال کوتاه عمل می‌کند. در فرکانس‌های بالا، راکتانس سلف افزایش پیدا می‌کند؛ بنابراین سلف، به صورت مدار باز عمل می‌کند.

در فرکانس‌های پایین، معکوس حالت بالا اتفاق می‌افتد. خازن در این فرکانس‌ها به صورت مدار باز و سلف به صورت یک مدار اتصال کوتاه عمل می‌کند.

در فرکانس‌های بین فرکانس بالا و فرکانس پایین، با ترکیب سلف و خازن یک مدار تنظیم‌شده یا تشدیدی ایجاد می‌شود. مدار تشدید، یک «فرکانس تشدید» (Resonant Frequency) دارد. در حالت تشدید، راکتانس سلفی و خازنی با یکدیگر برابر می‌شوند و یکدیگر را خنثی می‌کنند. در این حالت، فقط مقاومت اهمی مدار با عبور جریان مخالفت می‌کند. یعنی، جابجایی فاز اتفاق نمی‌افتد و جریان و ولتاژ هم‌فاز باقی می‌مانند. شکل زیر مدار تانک یک اسیلاتور LC را نشان می‌دهد:



مدار تانک شامل یک سیم‌پیچ سلفی (L) و یک خازن (C) است. خازن، انرژی را به شکل میدان الکترواستاتیکی در خود ذخیره می‌کند. بین دو صفحه خازن، یک اختلاف پتانسیل با ولتاژ ساکن ایجاد می‌شود. این در حالی است که سیم‌پیچ سلفی، انرژی را به شکل میدان الکترومغناطیسی در خود نگه‌داری می‌کند. با قرارگیری کلید در وضعیت A، خازن به اندازه ولتاژ منبع DC یعنی ولتاژ V. شارژ می‌شود. پس از شارژ کامل خازن، کلید را در وضعیت B. قرار می‌دهیم.

در این حالت، خازن شار‌ژ شده با سیم‌پیچ سلفی در حالت موازی قرار می‌گیرد. خازن به تدریج دشارژ شده و انرژی آن به سیم‌پیچ سلفی منتقل می‌شود. همزمان با کاهش ولتاژ در دو سر C، جریان در سیم‌پیچ افزایش پیدا می‌کند.

در اثر افزایش جریان در سیم‌پیچ، یک میدان الکترومغناطیسی تولید می‌شود. طبق قانون لنز، این میدان با عبور جریان مخالفت می‌کند. با دشارژ کامل خازن C، انرژی ذخیره شده در خازن به صفر می‌رسد و به طور کامل به صورت انرژی الکترومغناطیسی در سیم‌پیچ L. ذخیره می‌شود.

از آنجا که ولتاژ خارجی در این مدار وجود ندارد، جریان سیم‌پیج ثابت باقی نخواهد ماند. کاهش این جریان تا صفر شدن میدان الکترومغناطیسی در سیم‌پیچ، ادامه پیدا می‌کند. یک «نیروی ضد محرکه الکتریکی» (Back EMF) در سیم‌پیچ القا می‌شود که سعی می‌کند جریان را در جهت اصلی آن نگه دارد (e=−Ldi/dt).

به دلیل وجود این جریان، خازن C. مجددا با قطبیتی مخالف شارژ اولیه، شارژ می‌شود. شارژ شدن خازن C. تا صفر شدن میدان الکترومغناطیسی سلف ادامه پیدا می‌کند؛ بنابراین این انرژی که به دلیل وضعیت کلید در مدار ایجاد شده است، به خازن C. برمی‌گردد. به این ترتیب، یک اختلاف پتانسیل الکترواستاتیکی در دو صفحه خازن ایجاد می‌شود که قطبیت معکوس پتانسیل اولیه دارد. خازن مجددا دشارژ شده و انرژی آن در سیم‌پیچ ذخیره می‌شود. به همین ترتیب، ‍ این فرآیند تکرار می‌شود. همچنان که انرژی از خازن به سلف و از سلف به خازن منتقل می‌شود، قطبیت ولتاژ در دو صفحه خازن تغییر می‌کند. در نتیجه، یک شکل موج ولتاژ و جریان سینوسی متناوب ایجاد می‌شود. این فرآیند، اساس کار مدار تانک یک اسیلاتور LC است.

 

برای ادامه به مقاله اساس کار اسیلاتور LC - بخش دوم مراجعه نمایید.

منبع: فرادرس