Oszcillátor

Az oszcillátor (más néven rezgéskeltő) egy olyan villamos áramkör, amely egyenáramú energiát felhasználva stabil, periodikus elektromágneses rezgést hoz létre és tart fenn. Az oszcillátor által keltett elektromágneses rezgés vezetékben váltakozó áramként, szabad térben elektromágneses hullámként jelentkezik. Oszcillátort tartalmaz például a kvarcóra, a zsebszámológép, rádió, számítógép. Azoknak a nagy teljesítményű oszcillátoroknak, amelyek egyenfeszültségből áramellátási céllal váltakozó feszültséget hoznak létre, speciális nevük van: inverter.

Az előállított jel alakja szerint az elektronikus oszcillátor lehet

harmonikus vagy szinuszos oszcillátor (ritkábban lineáris oszcillátornak is nevezik);
nemlineáris (relaxációs oszcillátor).

Működési elve

A legegyszerűbb oszcillátor működési elve: egy erősítő eszköz (például tranzisztor) $v_{0}$ kimenetéről bizonyos mennyiségű jelet visszavezetik (visszacsatolják) a bemenetére $v_{f}$ (pozitív visszacsatolás). Ha a visszavezetett jel elegendő erősségű és megfelelő fázisú, akkor folyamatos rezgések jönnek létre. Esetenként szükség van a kimeneti jel szintjének (amplitúdójának) szabályozására például abból a célból, hogy a keltett jelek ne tegyék tönkre a következő áramkört. A rezgések megindulása azáltal jön létre, hogy az áramkört bekapcsolva, annak erősítő részén egy zaj-jel indul el, amely elegendő a rezgések beindulásához. A rezgések fennmaradásához a megfelelő visszavezetett jelszint mellett a helyes fázisviszonyokra azért van szükség, mert előfordulhat olyan eset, amelynek során a visszavezetett jel a rezgéseket kioltja vagy gyengíti (negatív visszacsatolás).

Szinuszos oszcillátor

Ismeretes, hogy egy feltöltött kondenzátort induktivitáson át kisütve csillapodó rezgések keletkeznek, amelyek frekvenciája:

f={\frac {1}{2\pi {\sqrt {LC}}}}

A magára hagyott rezgőkör energiája folyamatosan csökken a veszteségek miatt. A gyakorlatban azonban egy oszcillátor kimenetén nem a 3. ábra szerinti jelalakra, hanem egyenletes, állandó amplitúdójú jelalakra van szükség. A rezgések fenntartása csak úgy lehetséges, ha a rezgőkör veszteségeit egy aktív elem (például félvezető) megfelelő elrendezésben pótolni tudja. Az energiaveszteség pótlása történhet

egy erősítő eszközzel, pozitív visszacsatolással vagy
negatív ellenállású eszköz használatával.

Amennyiben az erősítő eszköz bemenetére túlságosan sok jel lesz visszavezetve (túl szoros pozitív visszacsatolással), akkor – nem kívánt – jelalak keletkezik. A keletkezett egyre erősödő rezgések amplitúdójának csak a betáplált energia és a környezet szab határt.

Magára hagyott rezgőkör vagy hibásan visszacsatolt oszcillátor hullámalakja
Ideális oszcillátor jelalakja
Túlcsatolt oszcillátor jelalakja

Tehát a szinuszos oszcillátor nevéből adódóan szinuszjelet szolgáltat és két típusa van:

visszacsatolt oszcillátor;
oszcillátor negatív ellenállású eszközzel.

Visszacsatolt oszcillátor

RC-oszcillátor: Az RC-oszcillátorban a visszacsatolást ellenállásokból és kondenzátorokból álló hálózat biztosítja. Rendszerint alacsonyabb frekvenciákon (hangfrekvencia) működik.

Bővebben: RC oszcillátorok

LC-oszcillátor: Az LC-oszcillátor frekvencia-meghatározó eleme egy $C_{2}$ kondenzátorból és $L_{2}$ tekercsből áll (hangolt LC-kör). A visszacsatolást (az $u_{1}$ jel visszavezetését a $Q$ bipoláris tranzisztor bázisára) az $L_{1}$ tekerccsel oldják meg: a visszacsatolt jel nagyságát a tekercsek menetszám-arányai, a fázisviszonyokat pedig a két tekercs ellentétes csévélési irányai (fekete pontok a tekercsek kezdetei) biztosítják. A $C_{1}$ kondenzátor megakadályozza a tranzisztor bázisosztójának rövidzárlatát az $L_{1}$ tekercsen át. Az $f_{0}$ frekvenciájú $u_{a}$ amplitúdójú jel a $C_{3}$ kondenzátoron át csatolható ki. Az $R$ jelzésű ellenállások a tranzisztor munkapontját (üzemi körülményeit) állítják be megfelelő értékre.

Az LC oszcillátort főleg rádiófrekvenciás tartományokban alkalmazzák (például jelgenerátor, vevő keverő oszcillátora), mert alacsony frekvencián a szükséges kapacitások és induktivitások fizikai mérete is nagyon nagy. A nagy jósági tényezőjű rezgőkörök a nagyfrekvenciás technikában könnyen megvalósíthatóak és a rezgőkör feszültség-alakja igen szélsőséges működési feltételek mellett is szinuszos. A rezgőkör veszteségeit erősítő eszköz (tranzisztor vagy műveleti erősítő) fedezi. Tipikus LC-oszcillátor típusok: Hartley-, Colpitts-, Meissner- és Clapp-oszcillátor.

Kvarc: Kvarckristályt vagy kerámiarezonátort alkalmaznak a frekvencia stabilizálására.

Bővebben: Kristályoszcillátor

Oszcillátor negatív ellenállású eszközzel

A negatív ellenállású eszközt használó oszcillátorban olyan – rendszerint félvezető– eszközt csatlakoztatnak párhuzamosan a rezgőkörhöz, amely negatív ellenállásával képes kompenzálni a rezgőkör veszteségeit. Ilyen eszköz lehet például a magnetron, alagútdióda vagy Gunn-dióda. Elsősorban a mikrohullámú technikában alkalmazzák, ahol a rezgőkör lehet felharmonikuson rezgő kristály, üregrezonátor de kisebb frekvenciákon akár LC-kör is.

A negatív ellenállású eszköz félvezetőkkel és elektroncsövekkel is megvalósítható.^[1] ^[2]

Áramköri megoldások

Az oszcillátorok kialakítására a #Kapcsolódó szócikkek részben lévő hivatkozásokban is lehet példákat találni.

Relaxációs oszcillátor

Különböző hullámformák (Magyar elnevezések fentről lefelé haladva: szinusz-, négyszög-, háromszög- és fűrészjel.)

Az elektronikában a fentebb vázolt szinusz alakú rezgéseken kívül szükség van más formájú jelekre is, amelyeket relaxációs oszcillátorral állítanak elő. Például a négyszög alakú jelek (négyszögjelek) digitális technika, órák és számláló áramkörök részére, a háromszög és fűrészfog alakú jelek a katódsugárcsövek (analóg oszcilloszkópok, analóg televíziók) működéséhez szükségesek. Előállításuk nemlineáris kapcsoló áramkörökkel, például Schmitt-trigger, UJT-vel (egyátmenetű tranzisztor)^[3] lehetséges, de készülnek speciálisan jelforrás célú integrált áramkörök is (például az elektronikában népszerű NE 555).

Jegyzetek

↑ Kung, Fabian Wai Lee: Lesson 9: Oscillator Design (PDF). RF/Microwave Circuit Design. Prof. Kung's website, Multimedia University, 2009. [2015. július 16-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. október 17.), Sec. 3 Negative Resistance Ocillators, p. 9-10, 14
↑ Ellinger, Frank. Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies, 2nd Ed.. USA: Springer, 391–394. o. (2008). ISBN 3540693246
↑ http://www.circuitstoday.com/ujt-relaxation-oscillator UJT Relaxation Oscillator

Források

Ulrich Tietze - Christoph Schenk: Analóg és digitális áramkörök - Integrált diszkrét félvezetők kapcsolástechnikája, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981, ISBN 963-10-2291-9, (415-436. o.)
Lóska Péter: Az egyátmenetű tranzisztor, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985, ISBN 963-10-6258-9, (62-94. o)

További információk

Oszcillátorok Archiválva 2013. március 6-i dátummal a Wayback Machine-ben
Lóska Péter: Az egyátmenetű tranzisztor, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985, ISBN 963-10-6258-9
Ulrich Tietze - Christoph Schenk: Analóg és digitális áramkörök - Integrált diszkrét félvezetők kapcsolástechnikája, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981, ISBN 963-10-2291-9

Kapcsolódó szócikkek

[Kung-1] Kung, Fabian Wai Lee: Lesson 9: Oscillator Design (PDF). RF/Microwave Circuit Design. Prof. Kung's website, Multimedia University, 2009. [2015. július 16-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. október 17.), Sec. 3 Negative Resistance Ocillators, p. 9-10, 14

[Ellinger-2] Ellinger, Frank. Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies, 2nd Ed.. USA: Springer, 391–394. o. (2008). ISBN 3540693246

[3] ttp://www.circuitstoday.com/ujt-relaxation-oscillator UJT Relaxation Oscillator

[1]

[2]

[3]