Elektronické oscilátory: Princípy, podmienky kmitania a typy obvodov

Zloženie oscilátora a bloková schéma

Základná štruktúra oscilátora pozostáva z dvoch hlavných častí:

• Aktívna časť (zosilňovač A): Zosilňovač, z ktorého výstupu sa cez obvod spätnej väzby privádza budiace napätie späť na jeho vstup.
• Pasívna časť (kladná spätná väzba β): Riadiaci obvod, ktorý svojimi vlastnosťami jednoznačne určuje frekvenciu generovaného napätia.

Barkhausenova podmienka kmitania

Aby v obvode vznikli a udržali sa netlmené kmity, musia byť splnené dve základné podmienky:

1. Fázová podmienka

Celkový fázový posun v spätnoväzbovej slučke musí byť 0° alebo 360° (signál musí byť v rovnakej fáze):

φA + φβ = 2π · k (kde k ∈ ℤ)

2. Amplitúdová podmienka

Vzťah zosilnenia zosilňovača A a prenosu spätnej väzby β určuje správanie systému (kde KSV = kladná spätná väzba, ZSV = záporná spätná väzba):

• A · β ≥ 1: Kmitanie oscilátora (hlavná podmienka kmitania).
• A · β < 1: Kmitanie s KSV, pri ktorom kmity postupne zanikajú a amplitúda klesá.
• A · β < 0: Pôsobenie ZSV, kmity nevzniknú a systém sa stabilizuje.
• A · β = 0: Spätná väzba nie je zapojená.

LC oscilátory

LC oscilátory sú generátory harmonických priebehov využívajúce paralelný rezonančný LC obvod na tvorbu takmer čistého sínusového signálu. Rezonančný obvod tvorený prvkami C1 a L1 selektuje kmitočet oscilátora a účinne potláča vyššie harmonické zložky.

• Frekvencia (Thomsonov vzťah): f₀ = 1 / (2π√(LC))
• Uhlová frekvencia: ω₀ = 1 / √(LC)
• Vlastnosti: Takmer sínusový priebeh, stabilná frekvencia, vysoká vhodnosť pre vysokofrekvenčnú techniku.
• Využitie: RF generátory, prijímače, lokálne oscilátory a bezdrôtová komunikácia.

Hartleyho oscilátor (s indukčnou väzbou)

V tomto type oscilátora prechádza spätná väzba cez indukčnú cievku rozdelenú na dve časti (indukčný delič). Spolu s tranzistorom zabezpečuje splnenie fázovej a amplitúdovej podmienky kmitania.

Colpittsov oscilátor (trojbodový oscilátor)

Spätná väzba je realizovaná cez kapacitný delič (kondenzátory C1 a C2). Spolu s cievkou L vytvára rezonančný obvod a zabezpečuje správne fázové a amplitúdové podmienky pre stabilné kmity.

RC oscilátory

Princíp činnosti základného RC oscilátora

Zosilňovač (napr. tranzistor) vytvára fázový posun 180°. Ďalšie 3 RC články v spätnej väzbe pridávajú dodatočný posun 180°, čím vzniká celkový posun 360° a je splnená Barkhausenova podmienka.

• Frekvencia pri integračných článkoch: f₀ = √6 / (2πRC)
• Frekvencia pri derivačných článkoch: f₀ = 1 / (2πRC√6)
• Požadované zosilnenie: Au = 29

Upravené zapojenie RC oscilátora

V upravenom zapojení je časová konštanta jednotlivých článkov nastavená na τ = 100RC a postačuje zosilnenie Au > 8.

• Frekvencia pri integračných článkoch: f₀ = √3 / (2π · 100RC)
• Frekvencia pri derivačných článkoch: f₀ = 1 / (2π · 100RC√3)
• Vlastnosti: Jednoduché zapojenie, avšak horšia frekvenčná stabilita, tvarové skreslenie signálu, náročné alebo zlé prelaďovanie a obmedzené použitie len do približne 1 MHz.

Oscilátor s Wienovým článkom

Tento oscilátor sa skladá zo zosilňovača a Wienovho RC článku, ktorý funguje ako pásmová priepust.

• Pri kritickej frekvencii f₀ spôsobuje Wienov článok nulový fázový posun (0°) a zároveň zoslabí signál na 1/3.
• Pre vznik a udržanie kmitov musí zosilňovač dosahovať zosilnenie Au = 3.
• Frekvencia kmitov: f₀ = 1 / (2πRC)
• Vlastnosti: Vysoká selektivita (podmienky spĺňa len jedna frekvencia) a nízke skreslenie signálu.
• Stabilizácia amplitúdy: Realizuje sa pomocou žiarovky, diód alebo nelineárnej spätnej väzby.

Kryštálom riadené oscilátory

V rádiotechnike a presných zariadeniach sa využíva kremeň (quartz), ktorý pracuje na princípe piezoelektrického javu:

• Mechanická deformácia generuje elektrické napätie.
• Elektrické napätie vyvoláva mechanickú deformáciu.

Kryštál sa vyznačuje vlastnou mechanickou rezonančnou frekvenciou. Ak sa zhoduje frekvencia elektrického signálu s mechanickou rezonanciou, kmity sa výrazne zosilnia a vzniká mimoriadne stabilná frekvencia.

Náhradný obvod a rezonancie kryštálu

Náhradný obvod pozostáva zo sériového RLC obvodu zapojeného paralelne s kapacitou C₀. Kryštál vykazuje dve rezonancie (pričom platí fₚ > fₛ):

• Sériová rezonancia (fₛ): fₛ = 1 / (2π√(LC)), impedancia dosahuje minimum.
• Paralelná rezonancia (fₚ): fₚ = 1 / (2π√(L · (C · C₀ / (C + C₀)))), impedancia dosahuje maximum.

Nevýhody kryštálových oscilátorov

• Nemožnosť plynulého ladenia (frekvenciu možno zmeniť prakticky iba výmenou kryštálu).
• Nízky výstupný výkon.