اساس کار اسیلاتور LC

اسیلاتور LC در واقع یک نوسان ساز است که از آن برای تولید سیگنال های فرکانس بالا استفاده می شود. مدار اسیلاتور کاربرد کلیدی در لوازم و دستگاه های الکترونیکی دارد. به همین دلیل است که خرید و واردات اسیلاتور با کیفیت در واردات قطعات الکترونیکی از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مطلب با اساس کار اسیلاتور LC و انواع اسیلاتور های LC آشنا خواهیم شد.

اسیلاتور LC چیست؟

اسیلاتور LC نوعی از نوسان ساز است که در آن از یک مدار مخزن LC (خازن-القاگر) برای ارائه بازخورد مثبت مورد نیاز برای تداوم بخشیدن به نوسانات استفاده می شود. مدار مخزن LC به نام های دیگری مثل مدار LC تشدید کننده و یا مدار LC‌ تنظیم شده نیز شناخته می شود.

کاربرد اسیلاتور LC‌ به طور معمول شامل مواردی مثل جنراتور سیگنال RF، میکسر فرکانس، تیونر، جنراتور موج سینوسی، تعدیل کننده RF‌ و غیره است.  قبل از آن که وارد جزئیات نوسان ساز LC‌ و انواع اسیلاتور LC‌ شویم، بیاید نگاهی بیندازیم به مدار مخزن LC.

نحوه کار مدار مخزن اسیلاتور LC

اگر چه در مدار مخزن واقعی القاگر و خازن به شکل موازی به هم متصل شده اند، در تصویر زیر برای درک بهتر نحوه کار اسیلاتور LC، سوییچ و منبع ولتاژ نیز نشان داده شده اند

در ابتدا فرض می کنیم که سوییچ S در نقطه 1 قرار دارد. خازن به اندازه ولتاژ V که منبع ولتاژ است شارژ می شود. حالا فرض کنید که مانند تصویر زیر سوییچ به نقطه

شارژ خازن C از طریق القاگر L تخلیه می شود. در این حالت ولتاژ خازن شروع به کاهش می کند و جریان درون القاگر به تدریج افزایش می یابد. جریان در حال افزایش، یک میدان الکترومغناطیسی را در اطراف سیم پیچ (کویل) ایجاد می کند. سپس وقتی که خازن کاملا تخلیه شد، انرژی الکترواستاتیک ذخیره شده در خازن کاملا و به شکل میدان الکترو-مغناطیس به سیم پیچ منتقل می شود.

حالا که دیگر خازن هیچ انرژی برای نگهداری از جریان به وسیله سیم پیچ ندارد، میدان اطراف سیم پیچ افت می کند و جریان موجود در سیم پیچ کاهش می یابد. به دلیل القای الکترومغناطیسی، القاگر یک back emf برابر با L(di/dt) تولید می کند تا در برابر تغییر جریان مقاومت کند. این back emf دوباره شروع به شارژ کردن خازن می کند.

وقتی که شارژ خازن پر شود، انرژی که یک بار به شکل میدان الکترو-مغناطیس در القاگر ذخیره شده بود، حالا به شکل میدان الکترواستاتیک به خازن منتقل می شود. در اینجا دوباره خازن شروع به تخلیه شارژ خود می کند و این چرخه تکرار می شود. همین چرخه انتقال انرژی بین خازن و القاگر دلیل اصلی تولید اسیلاتور ها در مدار مخزن است.

در یک دنیای ایده آل و در صورت استفاده از یک خازن و القاگر بی نقص، این نوسان ساز ها تا بی نهایت به کار خود ادامه می دهند؛ اما در دنیای واقعی، القاگر مقداری مقاومت اهمی از خود نشان می دهد و همچنین خازن نیز کمی نشتی خواهد داشت. این نواقص باعث می شوند تا با هر بار تکرار شدن چرخه، مقداری از انرژی هدر برود. در نتیجه قدم به قدم دامنه نوسان کمتر می شود تا آن ک در نهایت نوسان ها به پایان می رسند. به این افت تدریجی دامنه که باعث به پایان رسیدن کار یک اسیلاتور می شود damping می گویند که می شود آن را میرایی ترجمه کرد.

یک نوسان ساز LC در مدار مخزن که بعد از مدتی دچار اثر damping شده را می شود با نمودار زیر نشان داد:

در یک اسیلاتور LC عملی، علاوه بر معیار بارک هاوزن باید از ابزار دیگری نیز برای جبران انرژی از دست رفته در مدار مخزن استفاده شود. استفاده از عناصر فعالی مثل BJT, FET, opamp و… در انواع اسیلاتور LC راهی برای جبران این انرژی از دست رفته است.

به طور کلی عنصر فعال در یک مدار نوسان ساز LC سه کار اساسی و بنیادی دارد:

• بازده حداقلی را داشته باشد
• کمک کند تا به شرایط بازخورد مثبت مورد نیاز دست یافته شود
• انرژی از دست رفته در مدار مخزن را جبران کند

انواع اسیلاتور ها

نوسان ساز LC‌ انواع مختلفی دارد که در اینجا آن ها را مرور کرده ایم:

نوسان ساز کلکتور تنظیم شده

می شود گفت که نوسان ساز کلکتور تنظیم شده نوع پایه ای اسیلاتور ها است. در این نوع، یک ترنسفورمر و یک خازن به شکل موازی در مدار اسیلاتور متصل شده اند. ترنسفورمر اصلی و خازن مدار مخزن لازم را شکل می دهند. ترنسفورمر ثانویه، مقداری از نوسان های ایجاد شده در مدار مخزن را به پایه ترانزیستور بر می گرداند. دیاگرام مدار یک نوسان ساز کلکتور تنظیم شده به شکل زیر است:

نوسان ساز پایه تنظیم شده

نوسان ساز پایه تنظیم شده نوعی از اسیلاتور LC‌ است که در آن مدار تنظیم شده بین پایه و زمین ترانزیستور قرار می گیرد. سیم پیچ اصلی یک ترنسفورمر و خازن مدار تنظیم شده را شکل می دهند. سیم پیچ ثانویه ترنسفورمر نیز برای فیدبک مورد استفاده قرار می گیرد. دیاگرام این نوع از انواع اسیلاتور به شکل زیر است:

نوسان ساز هارتلی

در نوسان ساز هارتلی، مدار مخزن از دو القاگر و یک خازن تشکیل شده است. القاگر ها به شکل سری به همدیگر متصل شده اند و خازن به شکل موازی به ترکیب سری القاگر متصل می شود. این نوع از اسیلاتور توسط دانشمند آمریکایی رالف هارتلی در 1915 اختراع شد. فرکانس کاربردی معمول اسیلاتور هارتلی بین 20KHz تا 20MHz می باشد و می تواند از BJT, FET, opamp نیز استفاده کند. دیاگرام مدار اسیلاتور هارتلی به شکل زیر است:

اسیلاتور کولپیتس

اسیلاتور کولپیتس یکی دیگر از انواع اسیلاتور است که در آن مدار مخزن از دو خازن و یک القاگر تشکیل شده است. خازن ها به شکل سری به هم متصل هستند و القاگر به شکل موازی به آن ها وصل می شود. این اسیلاتور در سال 1918 توسط ادوین کولپیتس اختراع شد و طیف کاربردی آن بین 20KHz تا 300MHz است. در مقایسه با اسیلاتور هارتلی، اسیلاتور کولپیتس عملکرد بهتری در ثبات فرکانس دارد. دیاگرام مدار اسیلاتور کولپیتس به این شکل است:

اسیلاتور کلپ

اسیلاتور کلپ در واقع نسخه اصلاح شده اسیلاتور کولپیتس است. در اسیلاتور کلپ یک خازن اضافه به شکل سری به القاگر در مدار مخزن متصل شده است. این خازن اضافی باعث شده است تا اسیلاتور در فرکانس های متنوع تری کاربرد داشته باشد. افزودن این خازن اضافی همچنین نقش مهمی در بهبود ثبات فرکانس ایفا می کند و دو خازن دیگر را از اثرات پارامتر های ترانزیستور محافظ می کند. دیاگرام مدار اسیلاتور کلپ از انواع اسیلاتور LC به شکل زیر است: