کیت نوسان ساز

نوسان ساز ها مدارهای الکترونیکی هستند که یک شکل موج تناوبی پیوسته در فرکانس معین را تولید می‌کنند.

نوسان سازها یک ورودی DC (ولتاژ تغذیه) را به یک خروجی AC (شکل موج) تبدیل می‌کنند، که می‌تواند محدوده گسترده ای از سطوح موج مختلف و فرکانس ها را داشته باشد که می‌تواند با توجه به کاربرد در طبیعت پیچیده یا موجهای سینوسی ساده باشد.

نوسان سازها همچنین در بسیاری از تجهیزات آزمایشگاهی استفاده می شوند که امواج سینوسی، مربعی، اره ای یا شکل موج های  مثلثی شکل یا فقط قطاری از پالس های متغیر یا پایدار با عرض تولید می‌کنند. نوسان ساز های LC معمولاً به دلیل ویژگی نویز فاز خوب و سهولت اجرای آنها، در مدارهای رادیو فرکانسی استفاده می‌شوند.

مدار LC

یک نوسان ساز در اصل تقویت کننده با “فیدبک مثبت” یا فیدبک احیا کننده (به صورت هم فاز) است و یکی از مشکلات بسیاری در طراحی مدار الکترونیکی متوقف کردن تقویت کننده از نوسان است در حالی که تلاش در نوسان دار کردن نوسان ساز ها می‌کند.

نوسان ساز ها کار می کنند زیرا که آنها بر افت مدار تشدید کننده فیدبک شان در فرم یک خازن، القاگر یا هر دو در همان مدار با اعمال انرژی DC در فرکانس مورد نیاز بر این مدار تشدید کننده غلبه می کنند. به عبارت دیگر، نوسان سازیک تقویت کننده است که از فیدبک مثبت استفاده می کند و فرکانس خروجی را بدون استفاده از سیگنال ورودی ایجاد می کند.

اساس نوسان ساز LC

در نتیجه نوسان سازها مدارهای خود آموز هستند که یک شکل موج خروجی تناوبی در فرکانس معین تولید می‌کنند و برای هر مدار برای کار کردن به عنوان یک نوسان ساز، آن باید دارای سه مشخصه زیر باشد:

  1. بعضی حالتهای تقویت کنندگی
  2.  فیدبک مثبت (احیای بازسازی)
  3. یک شبکه فیدبک تعیین فرکانس  

یک نوسان ساز یک تقویت کننده فیدبک کوچک با بهره حلقه باز معادل یا کمی بزرگتر از یک برای یک نوسان ساز است تا شروع به نوسان کند اما برای ادامه نوسان سازی بهره متوسط حلقه باید به 1 برگردد.

برخلاف یک تقویت کننده هیچ ورودی AC بیرونی برای تحریک نوسان ساز برای کارکردن نیست، زیرا منبع انرژی DC به انرژی AC توسط نوسان ساز در فرکانس مورد نیاز تبدیل می‌شود.

مدار فیدبک نوسان ساز پایه

بطوریکهβ بخش فیدبک است.

بهره نوسان ساز بدون فیدبک

[latex] A_{v}=(frac{V_{out}}{V_{in}}) [/latex]

 A= بهره ولتاژ حلقه باز

بهره نوسان ساز با فیدبک

[latex] A_{v}(V_{in}-beta V_{out})=V_{out} [/latex]  که[latex] beta [/latex] فیدبک کسر است.

[latex] A_{v}.V_{in}-A_{v}beta V_{out}=V_{out} [/latex] که [latex] Abeta [/latex] بهره حلقه می باشد.

فاکتور فیدبک [latex]1+ Abeta [/latex]  [latex]leftarrow [/latex] [latex] A_{v}.V_{in}=V_{out}(1+Abeta ) [/latex]

Gv = بهره حلقه بسته [latex] (frac{V_{out}}{V_{in}})=G_{v}=(frac{A}{1+Abeta })[/latex]

نوسان سازها مدارهایی هستند که یک شکل موج خروجی ولتاژ پیوسته را در فرکانس مورد نیاز با مقادیر سلف ها، خازن ها یا مقاومت ها تولید می کنند که یک مدار تانک تشدید کننده LC فرکانس گزین و شبکه فیدبک را تشکیل می دهند. این شبکه فیدبک یک شبکه کاهشی است که دارای بهره کمتر از یک (β <1) است و شروع به نوسان سازی می‌کند هنگامی که Aβ> 1 که به محض شروع نوسانات به یکپارچگی (Aβ = 1) باز می گردد.

فرکانس نوسان سازهای LC با استفاده از یک مدار القایی / خازنی (LC) تشدید شده با فرکانس خروجی حاصل که به فرکانس نوسان معروف است، کنترل می شوند. با ساختن فیدبک، نوسان سازها به صورت یک شبکه واکنشی، زاویه فاز فیدبک به عنوان تابعی از فرکانس متغیر خواهند بود و این شیفت فازی نامیده می‌شود.

در اصل انواع نوسان سازها وجود دارد که به ترتیب زیر هستند:

  1. نوسان سازهای سینوسی – اینها به عنوان نوسان سازهای هارمونیک شناخته می شوند و عموما نوسان ساز نوع “LC تنظیم شده با فیدبک ” یا “RC تنظیم شده با فیدبک” هستند که یک شکل موج خالص سینوسی تولید می کنند که از دامنه و فرکانس ثابت برخوردار است.
  2. نوسان سازهای غیر سینوسی – اینها به عنوان نوسان كننده های آرامشی شناخته می شوند و موج های پیچیده غیر سینوسی تولید می كنند كه خیلی سریع از یك شرایط پایداری به حالت دیگر تغییر می یابند مانند شکل موج های نوع “موج- مربعی” ، “موج مثلثی” یا “موج اره ای”.

تشدید نوسان ساز

هنگامی که یک ولتاژ ثابت اما با فرکانس متغیر بر روی مدار متشکل از یک سلف، خازن و مقاومت اعمال می شود، راکتانس هر دو مدار خازن/ مقاومت و سلف / مقاومت  دامنه و فاز سیگنال خروجی را در مقایسه با سیگنال ورودی به دلیل راکتانس اجزای مورد استفاده تغییر می‌دهد.

در فرکانس های بالا، راکتانس یک خازن به عنوان یک اتصال کوتاه بسیار کم عمل می کند در حالی که راکتانس های سلف به عنوان یک مدار باز عمل می کند. در فرکانس های پایین، برعکس صحیح است، راکتانس خازن به عنوان یک مدار باز عمل می کند و راکتانس(مقاومت القایی) سلف به عنوان یک اتصال کوتاه عمل می کند.

بین این دو ترکیبی از سلف و خازن، یک مدار “تنظیم شده” یا تشدید شده” تولید می کند که دارای فرکانس تشدید (ƒr) است که در آن رآکتانس خازنی و سلف مساوی هستند و یکدیگر را حذف می‌کنند، فقط مقاومت مدار را برای مخالفت با شارش می‌گذارند. این بدان معنی است که هیچ تغییر فازی وجود ندارد زیرا جریان هم فاز با ولتاژ است. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار پایه تانک نوسان ساز LC

مدار تشکیل شده از یک سیم پیچ القایی  L و یک خازن  C است. خازن انرژی را درحالت  یک میدان الکترواستاتیک ذخیره می کند و یک پتانسیل (ولتاژ استاتیک) را در دو سر صفحه های خود تولید می کند، در حالی که سیم پیچ القایی انرژی خود را در قالب یک میدان الکترومغناطیسی ذخیره می‌کند. خازن تا ولتاژ تغذیه DC ، V با قرار دادن سوئیچ در موقعیت A. شارژ می شود. وقتی خازن کاملاً شارژ شد، سوئیچ به موقعیت B تغییر می کند.

خازن شارژ شده به طور موازی با  سیم پیچ القایی وصل شده است بنابراین خازن شروع به تخلیه خود از طریق سیم پیچ می کند. ولتاژ دو سر C با شروع افزایش جریان عبوری از سیم پیچ شروع به کاهش می کند.

از آنجا که اکنون هیچ ولتاژ خارجی در مدار برای حفظ جریان درون سیم پیچ وجود ندارد، با فروریختن میدان الکترومغناطیسی، آن شروع به کاهش می کند. یک فرکانس محرکه القایی در سیم پیچ ([latex] e=-L(frac{di}{dt}) [/latex]) القا می شود و باعث حفظ شارش جریان در جهت اصلی می‌شود.

این جریان خازن C، با قطبیت مخالف با بار اصلی خود را رو به بالا شارژ می کند. C تا کاهش جریان تا صفر شارژ می‌شود و میدان الکترومغناطیسی سیم پیچ کاملا فرو می‌پاشد.

انرژی اولیه که از طریق سوئیچ به مدار وارد می شود، به خازن برگردانده شده است که مجدداً دارای ولتاژ الکترواستاتیک ولتاژ در دو سر آن است، اگرچه اکنون دارای قطبیت مخالف است. خازن اکنون دوباره از طریق سیم پیچ شروع به تخلیه شدن می‌کند و کل فرایند تکرار می شود. قطبیت ولتاژ با رفت آمد انرژی بین خازن و سلف که یک ولتاژ سینوسی نوع AC و شکل موج جریان تولید می‌کند، تغییر می کند.

سپس این فرایند اساس مدار تانک نوسان سازهای LC را تشکیل می دهد و از لحاظ نظری این چرخه رو به جلو و عقب به طور نامحدود ادامه خواهد یافت. با این حال، همه چیز عالی نیست و هر بار که انرژی از خازن  C به سلف L و برعکس از L به C منتقل می شود، برخی از تلفات انرژی رخ می دهد که با گذشت زمان نوسانات را به صفر می رساند.

این عمل نوسانی گذر انرژی به جلو و عقب بین خازن C به سلف L اگر بخاطر تلفات انرژی در مدار نباشد، به طور نامحدود ادامه خواهد یافت. انرژی الکتریکی در DC یا مقاومت واقعی سیم پیچ سلف، در دی الکتریک خازن و در تابش از مدار افت می‌کند بنابراین نوسانات به طور پیوسته تا زمانی که کاملاً از بین بروند و روند متوقف شود، کاهش می یابد.

سپس در یک مدار LC عملی دامنه ولتاژ نوسان در هر نیم چرخه نوسان کاهش می یابد و در نهایت تا صفر از بین می‌رود. بعدا گفته می شود که نوسانات با کاهش سطح میرایی که با کیفیت یا ضریب Q مدار تعیین شده اند، ” میرا ” شده اند.

نوسانات میرا شده

فرکانس ولتاژ نوسانی به مقدار القایی و خازن در مدار تانک LC بستگی دارد. اکنون می دانیم که برای ایجاد تشدید در مدار مخزن، باید یک نقطه فرکانس وجود داشته باشد که مقدار XC  راکتانس خازنی برابر با مقدار XL راکتانس القایی (XC = XL) است و به همین دلیل است که یکدیگر را حذف می کنند و فقط مقاومت DC را در مدار می گذارند تا مخالف با شارش جریان باشد.

اگر اکنون منحنی را برای مقاومت القایی سلف در بالای منحنی مقاومت خازنی قرار دهیم، در نتیجه هر دو منحنی در محورهای فرکانس یکسان قرار می‌گیرند، نقطه تقاطع، نقطه فرکانس تشدید را به ما خواهد داد، (یا ωr ) که مطابق شکل زیر است:

فرکانس تشدید

بطوریکه: fr در واحد هرتز ، L در هنری و C در فاراد بیان می‌شود.

سپس فرکانسی که این در آن اتفاق خواهد افتاد بصورت زیر است:

[latex] X_{L}=2Pi fL [/latex] و [latex] X_{L}=(frac{1}{2Pi fc}) [/latex]

در تشدید:[latex] X_{L}=X_{c} [/latex]

[latex] 2Pi fL=(frac{1}{2Pi fc}) [/latex]

[latex] 2Pi f^{2}L=(frac{1}{2Pi c}) [/latex]

[latex] f^{2}=(frac{1}{(2Pi)^{2}LC}) [/latex]

[latex] f=(frac{sqrt{1}}{sqrt{(2Pi)^{2}LC}}) [/latex]

سپس با ساده سازی معادله بالا، رابطه نهایی برای فرکانس تشدید fr  در مدار  LCتنظیم شده بدست می‌آید:

فرکانس تشدید یک نوسان ساز LC[latex] f_{r}=(frac{1}{2Pisqrt{LC}}) [/latex]

بطوریکه:

L سلف در واحد هنری است

C ظرفیت خازن در واحد فاراد است

fr   فرکانس خروجی در واحد هرتز است.

این معادله نشان می دهد که اگر L  یا C هر دو کاهش یابند، فرکانس افزایش می یابد. به این فرکانس خروجی معمولا اختصار (fr  ) داده می شود تا آن را به عنوان “فرکانس تشدید” معرفی کند.

برای ادامه نوسانات در مدار تانک LC، مجبور هستیم تا تمام انرژی از دست رفته در هر نوسان را جایگزین کنیم و همچنین باید دامنه این نوسانات را در سطح ثابت حفظ کنیم. بنابراین مقدار انرژی جایگزین شده باید برابر با انرژی از دست رفته در طول هر چرخه باشد.

اگر انرژی جایگزین بیش از حد بزرگ باشد تا زمان که قطع پایه های تغذیه رخ دهد، دامنه افزایش خواهد یافت. از طرف دیگر، اگر مقدار انرژی جایگزین شده بسیار کم باشد، دامنه نهایتا با گذشت زمان به صفر می رسد و نوسانات متوقف خواهد شد.

ساده ترین راه برای جایگزینی این انرژی از دست رفته، گرفتن بخشی از خروجی از مدار تانک LC، تقویت آن و سپس دوباره دادن آن به مدار LC است. این فرآیند می‌تواند با استفاده از یک تقویت کننده ولتاژ  با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی، ترانزیستور اثر میدانی یا دوقطبی بدست آید زیرا آن یک دستگاه فعال است. با این حال، اگر بهره حلقه تقویت کننده فیدبک خیلی کوچک باشد، نوسان مطلوب به صفر کاهش می یابد و اگر آن خیلی بزرگ باشد، شکل موج منحرف می شود.

برای تولید نوسان ثابت، باید سطح انرژی برگشته به شبکه LC  باید با دقت کنترل شود. سپس هنگامی که دامنه سعی می کند تا از ولتاژ مرجع به بالا یا پایین تغییر کند، باید شکلی از دامنه خودکار یا کنترل بهره وجود داشته باشد.

برای حفظ نوسان پایدار، بهره کلی مدار باید برابر با یک یا یکپارچه باشد. هرچقدر کمتر باشد، نوسانات شروع نخواهد شد یا از بین نخواهند رفت و به صفر نمی‌رسند، بیشتر نوسانات رخ خواهد داد اما دامنه توسط پایه های تغذیه قطع شده که باعث ایجاد اعوجاج می شود. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار نوسان ساز LC ترانزیستور پایه

یک ترانزیستور دو قطبی به عنوان تقویت کننده نوسان ساز LC با مدار مخزن LC تنظیم شده بکار می‌رود که به عنوان بار کلکتور عمل می کند. سیم پیچ L2 دیگر بین بیس و امیتر ترانزیستور وصل شده است که میدان الکترومغناطیسی بصورت “متقابل” با همانند آن در سیم پیچ L وصل شده است.

“القا متقابل” بین دو مدار وجود دارد و جریان در حال تغییر در یک مدار سیم پیچ باعث توسط القا الکترومغناطیسی، یک ولتاژ بالقوه را در دیگری (اثر ترانسفورماتور) القا می‌کند، وقتی که نوسانات در مدار تنظیم شده اتفاق می افتد، انرژی الکترومغناطیسی از سیم پیچ L به سیم پیچ L2  انتقال می‌یابد و یک ولتاژ با فرکانس مشابه در مدار تنظیم شده بین بیس و امیتر ترانزیستور اعمال می شود. در این روش ولتاژ فیدبک اتوماتیک لازم بر ترانزیستور تقویت کننده اعمال می شود.

میزان فیدبک می‌تواند با تغییر اتصال بین دو سیم پیچ L و L2 افزایش یا کاهش یابد. هنگامی که مدار در حال نوسان است امپدانس آن مقاومت می کند و ولتاژهای کلکتور و بیس 180 درجه با هم اختلاف فاز دارند. به منظور حفظ نوسانات (ثبات فرکانس نامیده می‌شود) ولتاژ اعمال شده به مدار تنظیم شده باید با نوسانات رخ داده در مدار تنظیم شده “هم فاز” باشد.

بنابراین، ما باید یک تغییر فاز 180 درجه را به مسیر فیدبک بین کلکتور و بیس قرار دهیم. این امر از طریق سیم پیچی  L2 در جهت صحیح نسبت به سیم پیچ L بدست می آید که به ما دامنه و روابط فاز صحیح را برای مدار نوسان سازها  ارائه می‌کند، و یا با اتصال یک شبکه تغییر فاز بین خروجی و ورودی تقویت کننده به دست می‌آید.

بنابراین نوسان ساز LC یک “نوسان سازسینوسی” یا یک “نوسان ساز هارمونیک” است، که معمولاً به این نام شناخته می‌شود. نوسان سازهای LC می توانند امواج سینوسی فرکانس بالا را برای استفاده کاربردهای نوع رادیو فرکانسی (RF1)  با تقویت کننده ترانزیستوری یک ترانزیستور دو قطبی یا ترانزیستور اثر میدانی تولید کنند.

اسیلاتورهای هارمونیک در اشکال مختلفی ظاهر می‌شوند، زیرا روش های مختلف زیادی برای ساختن یک شبکه و تقویت کننده فیلتر LC وجود دارد که رایج ترین آنها نوسان ساز  LCهارتلی، نوسان سازLC  کولپیتس، نوسان ساز Armstrong و نوسان ساز Clapp است.

مثال شماره 1 نوسان ساز LC

یک سلف 200 میلی هانری و یک خازن 10 پیکو فارادی به یکدیگر بصورت موازی برای ایجاد یک مدار مخزن نوسان ساز  LCوصل شده اند. فرکانس نوسان را محاسبه کنید.

[latex] X_{L}=X_{c} [/latex]
[latex] f_{r}=(frac{1}{2Pisqrt{LC}})=(frac{1}{2Pisqrt{200mHtimes 10pF}})=112.5kHz [/latex]

سپس از مثال بالا می توانیم ببینیم که با کاهش مقدار خازن C یا سلف L دارای اثر افزایش فرکانس نوسان مدار تانک LC خواهد بود.

خلاصه نوسان سازهای LC

شرایط اساسی مورد نیاز برای یک مدار تانک تشدید نوسان سازLC به شرح زیر است.

برای وجود نوسانات، یک مدار نوسان ساز باید حاوی یک مؤلفه واکنشی (وابسته به فرکانس) یا یک “سلف” (L) یا “خازن”  (C) و همچنین یک منبع انرژی   DCباشد.

در یک مدار خازن-سلف ساده، مدار LC، نوسانات به دلیل افت اجزا و مدار، به مرور زمان از بین می‌روند.

تقویت ولتاژ برای غلبه بر این تلفات مدار و تأمین بهره مثبت لازم است.

بهره کلی تقویت کننده باید بیشتر از یک، یکپارچه  باشد.

با برگرداندن برخی از ولتاژهای خروجی به مدار تنظیم شده که دارای  دامنه صحیح و فاز هستند، می توان نوسانات را حفظ کرد (0 درجه).

نوسانات فقط هنگامی که فیدبک “مثبت” باشد، اتفاق می افتد (بازسازی خود).

تغییر فاز کلی مدار باید صفر یا 360 درجه باشد تا سیگنال خروجی از شبکه فیدبک با سیگنال ورودی “هم فاز” شود.

در آموزش بعدی درباره نوسان سازها، عملکرد یکی از رایج ترین مدارهای نوسان ساز LC را که از دو سیم پیچ القایی برای ایجاد یک القاء تنظیم شده میانی در مدار تانک تشدید خود استفاده می‌کند را بررسی خواهیم کرد. این نوع مدار نوسان ساز LC معمولاً به عنوان نوسان ساز هارتلی شناخته می شوند.

  1. Radio Frequency