LC Osilatörlere Giriş

LC Osilatörler, kesin bir frekansta sürekli bir periyodik dalga formu oluşturan elektronik devrelerdir.

Osilatörler bir DC girişini (besleme voltajı) bir AC çıkışına (dalga formu) dönüştürür. Bu çıkış dalga biçimi, çok çeşitli farklı şekil ve frekanslara sahip olabilir ve uygulamaya bağlı olarak şekil olarak karmaşık olabilir veya basit bir saf sinüs dalgası olabilir.

Osilatörler, sinüsoidal sinüs dalgaları, kare, testere dişi veya üçgen şekilli dalga formları veya sadece değişken veya sabit genişlikte tekrarlayan darbeler dizisi üreten birçok test ekipmanında kullanılır. LC Osilatörleri, iyi faz gürültüsü özellikleri ve uygulama kolaylığı nedeniyle radyo frekansı devrelerinde yaygın olarak kullanılır.

Bir Osilatör temelde “Pozitif Geri Beslemeli” veya rejeneratif geri beslemeli (faz içi) bir amplifikatördür ve elektronik devre tasarımındaki birçok problemden biri, osilatörlerin salınmasını sağlamaya çalışırken amplifikatörlerin salınmasını durdurmaktır.

Osilatörler, bu rezonatör devresine gerekli frekansta DC enerjisi uygulayarak aynı devrede ya kapasitör, indüktör ya da her ikisi şeklinde geri besleme rezonatör devresinin kayıplarını giderdikleri için çalışırlar. Başka bir deyişle, bir osilatör, bir giriş sinyali kullanmadan bir çıkış frekansı üreten pozitif geri besleme kullanan bir yükselticidir.

Bu nedenle osilatörler, belirli bir frekansta periyodik bir çıkış dalga formu üreten kendi kendini idame ettiren devrelerdir ve herhangi bir elektronik devrenin osilatör olarak çalışması için aşağıdaki üç özelliğe sahip olması gerekir.

  • Her hangi bir amplifikasyon çeşidi
  • Olumlu geri besleme (positive feedback/rejenerasyon)
  • Frekans belirleme geri besleme ağı

Bir osilatör, salınımların başlaması için birden fazla veya biraz daha büyük bir açık döngü kazancına sahip küçük bir sinyal geri besleme yükselticisine sahiptir, ancak salınımları sürdürmek için ortalama döngü kazancı devam etmelidir. Bu reaktif bileşenlere ek olarak, OPAMP veya Bipolar Transistör gibi bir yükseltici cihaz gereklidir.

Bir amplifikatörden farklı olarak, DC besleme enerjisi osilatör tarafından gerekli frekansta AC enerjisine dönüştürüldüğünden, Osilatörün çalışmasını sağlamak için harici AC girişi gerekmez.

Temel Osilatör Geri Besleme Devresi

Burada: β, geri besleme katsayısıdır.

Geri Beslemesiz Osilatör Kazancı

Burada: A, açık devre voltaj kazancıdır.

Geri Beslemeli Osilatör Kazancı

Burada: β, geri besleme katsayısıdır. Aβ, döngü kazancıdır. 1+Aβ, geri besleme faktörüdür. Gv, kapalı döngü kazancıdır.

Osilatörler, frekans seçici bir LC rezonans tank devresi ve geri besleme ağı oluşturan indüktör, kapasitör veya direnç değerleri ile gerekli frekansta sürekli voltaj çıkış dalga formu üreten devrelerdir. Bu geri besleme ağı, birden (β <1) kazancı olan ve Aβ >1 olduğunda salınımları başlatan ve salınımlar başladığında Aβ=1’e dönen bir zayıflama ağıdır.

LC osilatörlerinin frekansı, ayarlanmış veya rezonans endüktif/kapasitif (LC) devresi kullanılarak kontrol edilir ve sonuçta ortaya çıkan çıkış frekansı Salınım Frekansı olarak bilinir. Osilatörleri reaktif bir ağ geri beslemesi yaparak, geri beslemenin faz açısı frekansın bir fonksiyonu olarak değişecektir ve buna Faz kayması denir.

Temel olarak Osilatör türleri vardır bunlar:

  1. Sinüsoidal Osilatörler – bunlar Harmonik Osilatörler olarak bilinir ve genellikle sabit genlik ve frekansa sahip tamamen sinüzoidal bir dalga formu üreten “LC Ayarlı-geri bildirim” veya “RC ayarlı geri bildirim” tipi Osilatördür.
  2. Sinüsoidal Olmayan Osilatörler – bunlar Gevşeme Osilatörleri olarak bilinirler ve “Kare-dalga”, “Üçgen-dalga” veya “Testere-dişli-dalga” gibi bir kararlılık koşulundan diğerine çok hızlı değişen karmaşık sinüzoidal olmayan dalga formları üretirler.

Osilatör Rezonansı

Bir indüktör, kondansatör ve dirençten oluşan bir devreye sabit bir voltaj ancak değişen frekansta uygulandığında, hem Kapasitör/Direnç hem de İndüktör/Direnç devrelerinin reaktansı, çıkış sinyalinin hem genliğini hem de fazını önceki devre ile karşılaştırıldığında değiştirmektir.

Yüksek frekanslarda, bir kapasitörün reaktansı kısa devre olarak çok düşüktür, indüktörün reaktansı ise açık devre olarak hareket eder. Düşük frekanslarda bu durumun tam tersi geçerlidir, kapasitörün reaktansı açık devre, indüktörün reaktansı ise kısa devre gibi davranır.

Bu iki uç arasında, indüktör ve kondansatör kombinasyonu, kapasitif ve endüktif reaktansın eşit olduğu ve birbirini yok ettiği, yalnızca direncin bırakıldığı bir Rezonans Frekansına ( ƒr ) sahip bir “Rezonans” devresi üretir ve akımın akışını engeller. Bu, akım gerilimle aynı fazda olduğu için faz kayması olmadığı anlamına gelir.

Temel LC Osilatör Tank Devresi

Devre, bir endüktif bobin, L ve bir kapasitör, C’den oluşur. Kondansatör, enerjiyi bir elektrostatik alan şeklinde depolar ve plakaları boyunca bir potansiyel (statik voltaj) üretirken, endüktif bobin enerjisini elektromanyetik alan şeklinde depolar. Kondansatör, anahtar A konumuna getirilerek DC besleme voltajına (V) kadar şarj edilir. Kondansatör tamamen şarj olduğunda anahtar B konumuna geçer.

Yüklü kapasitör şimdi endüktif bobine paralel olarak bağlanır, böylece kapasitör bobinden kendini boşaltmaya başlar. Bobinden geçen akım yükselmeye başladığında C üzerindeki voltaj düşmeye başlar.

Bu yükselen akım, bobinin etrafında bu akım akışına direnen bir elektromanyetik alan oluşturur. Kondansatör, C başlangıçta kapasitörde depolanan enerjiyi tamamen boşalttığında, C elektrostatik alan olarak şimdi endüktif bobinde, L bobin sargılarının etrafında bir elektromanyetik alan olarak depolanır.

Artık devrede bobin içindeki akımı sürdürecek harici voltaj olmadığından elektromanyetik alan düşmeye başlar. Bobinde (e = -Ldi/dt) bir geri emk indüklenir ve akımı orijinal yönde akar.

Bu akım, kondansatörü, C’yi orijinal yükünün zıt kutupluluğuyla şarj eder. C, akım sıfıra düşene ve bobinin elektromanyetik alanı tamamen çökene kadar şarj olmaya devam eder.

Başlangıçta anahtar aracılığıyla devreye verilen enerji, şimdi zıt kutupta olmasına rağmen, yine üzerinde bir elektrostatik voltaj potansiyeline sahip olan kapasitöre geri döndürülür. Kondansatör şimdi tekrar bobin üzerinden boşalmaya başlar ve tüm süreç tekrarlanır. AC tipi sinüzoidal voltaj ve akım dalga formu üreten kondansatör ve indüktör arasında enerji ileri geri iletildikçe voltajın polaritesi değişir.

Bu süreç daha sonra LC osilatörleri tank devresinin temelini oluşturur ve teorik olarak bu ileri geri döngü süresiz olarak devam edecektir. Bununla birlikte, enerji kapasitörden, indüktöre ve indüktörden, kapasitöre aktarıldığında, salınımları zamanla sıfıra indiren bazı enerji kayıpları meydana gelir.

Kondansatör (C) arasında indüktöre (L) enerjinin ileri geri geçişine ilişkin bu salınım hareketi, devre içindeki enerji kayıpları için olmasaydı süresiz olarak devam ederdi. Elektrik enerjisi DC’de veya indüktör bobininin gerçek direncinde, kapasitörün yalıtkanlığında ve devreden gelen radyasyonda kaybolur, böylece salınım tamamen bitene ve süreç durana kadar sürekli olarak azalır.

Daha sonra pratik bir LC devresinde, salınım voltajının genliği, salınımın her yarım döngüsünde azalır ve sonunda sıfıra düşer. Salınımların daha sonra, devrenin kalitesi veya Q faktörü tarafından belirlenen sönüm miktarı ile “sönümlendiği” söylenir.

Sönümlü Salınımlar

Salınım voltajının frekansı, LC tank devresindeki endüktans ve kapasitans değerine bağlıdır. Artık tank devresinde rezonansın meydana gelmesi için, XC değerinde bir frekans noktası olması gerektiğini biliyoruz, kapasitif reaktans XL değeriyle aynı, endüktif reaktans ( XL = XC ) ve bu nedenle iptal edecek akımın akışına karşı koymak için devrede yalnızca DC direncini bırakarak birbirlerini dışarı çıkarırlar.

Şimdi indüktörün endüktif reaktansı eğrisini kapasitörün kapasitif reaktansı eğrisinin üstüne yerleştirirsek, böylece her iki eğri de aynı frekans eksenlerinde olur, kesişme noktası bize rezonans frekans noktasını verir, ( ƒr veya ωr ) Aşağıda gösterildiği gibi:

Rezonans Frekansı

Burada: ƒr Hertz cinsinden, L Henry cinsinden ve C Farad cinsindendir.

Daha sonra bunun hesaplanan frekans şu şekilde verilir:

Ardından, yukarıdaki denklemi basitleştirerek, ayarlanmış bir LC devresinde Rezonans Frekansı, ƒr için son denklemi şu şekilde elde ederiz:

Burada: ƒr Hertz cinsinden, L Henry cinsinden ve C Farad cinsindendir.


Bu denklemde, L veya C azalırsa frekansın arttığını gösterir. Bu çıkış frekansına, “rezonans frekansı” olarak tanımlamak için genellikle ( ƒr ) kısaltması verilir.

Bir LC tank devresinde salınımları devam ettirmek için, her salınımda kaybolan tüm enerjiyi yerine koymamız ve ayrıca bu salınımların genliğini sabit bir seviyede tutmamız gerekir. Bu nedenle, değiştirilen enerji miktarı, her döngü sırasında kaybedilen enerjiye eşit olmalıdır.

Değiştirilen enerji çok büyükse, besleme raylarının kesilmesi meydana gelene kadar genlik artacaktır. Alternatif olarak, değiştirilen enerji miktarı çok küçükse, genlik zamanla sıfıra düşecek ve salınımlar duracaktır.

Bu kayıp enerjiyi değiştirmenin en basit yolu, LC tank devresinden çıktının bir kısmını almak, yükseltmek ve ardından tekrar LC devresine geri beslemektir. Bu işlem, aktif cihazı olarak bir OPAMP, FET veya bipolar transistör kullanan bir voltaj yükselticisi kullanılarak gerçekleştirilebilir. Ancak, geri besleme amplifikatörünün döngü kazancı çok küçükse, istenen salınım sıfıra düşer ve çok büyükse dalga biçimi bozulur.

Sabit bir salınım üretmek için, LC ağına geri beslenen enerjinin seviyesi doğru bir şekilde kontrol edilmelidir. O zaman, genlik bir referans voltajından yukarı veya aşağı değişmeye çalıştığında, bir tür otomatik genlik veya kazanç kontrolü olmalıdır..

Temel Transistör LC Osilatör Devresi

LC osilatör amplifikatörü olarak bir Bipolar Transistör kullanılır ve ayarlanmış LC tank devresi kollektör yükü olarak görev yapar. Başka bir bobin L2, elektromanyetik alanı bobin L’ninkiyle “karşılıklı olarak” bağlanan transistörün tabanı ve emitörü arasına bağlanır.

İki devre arasında “karşılıklı endüktans” vardır ve bir bobin devresinde akan değişen akım, elektromanyetik indüksiyon ile diğerinde potansiyel bir voltaj indükler (trafo etkisi) böylece ayarlı devrede salınımlar meydana geldikçe, bobinden elektromanyetik enerji aktarılır. L’den L2 bobinine ve transistörün tabanı ile emitörü arasına ayarlı devredekiyle aynı frekansta bir voltaj uygulanır. Bu şekilde, yükseltici transistöre gerekli otomatik geri besleme voltajı uygular.

Geri besleme miktarı, iki bobin L ve L2 arasındaki kuplaj değiştirilerek arttırılabilir veya azaltılabilir. Devre salınım yaparken empedansı dirençlidir ve kollektör ve baz gerilimleri 180o faz dışıdır. Salınımları (frekans kararlılığı olarak adlandırılır) sürdürmek için, ayarlanmış devreye uygulanan voltaj, ayarlanmış devrede meydana gelen salınımlarla “aynı fazda” olmalıdır.

Bu nedenle, toplayıcı ve taban arasındaki geri besleme yoluna ek bir 180o faz kayması eklemeliyiz. Bu, osilatör devresi için bize doğru genlik ve faz ilişkilerini veren L2 bobinini bobin L’ye göre doğru yönde sararak veya amplifikatörün çıkışı ve girişi arasında bir faz kaydırma ağı bağlayarak elde edilir.

LC Osilatörü bu nedenle bir “Sinüsoidal Osilatör” veya daha yaygın olarak adlandırıldığı gibi bir “Harmonik Osilatör”dür. LC osilatörleri, bir Bipolar Transistör veya FET olan transistör amplifikatörü ile radyo frekansı (RF) tipi uygulamalarda kullanım için yüksek frekanslı sinüs dalgaları üretebilir.

Harmonik Osilatörler birçok farklı biçimde gelir çünkü bir LC filtre ağı ve amplifikatörü oluşturmanın birçok farklı yolu vardır ve bunlardan en yaygınları Hartley LC Osilatörü, Colpitts LC Osilatörü, Armstrong Osilatörü ve Clapp Osilatörüdür.

LC Osilatör Soru Örneği 1

200mH’lik bir endüktans ve 10pF’lik bir kapasitör, LC osilatör tank devresi oluşturmak için paralel olarak birbirine bağlanır. Salınım frekansını hesaplayın.

O zaman yukarıdaki örnekten, kapasitans, C veya endüktans değerini azaltarak, L’nin LC tank devresinin salınım frekansını artırma etkisine sahip olacağını görebiliriz.

Özetle

Bir LC osilatör rezonans tankı devresi için gerekli olan temel koşullar aşağıda verilmiştir.

  • Salınımların var olması için bir osilatör devresi, bir DC güç kaynağının yanı sıra bir “İndüktör”, (L) veya bir “Kapasitör”, (C) reaktif (frekansa bağlı) bir bileşen kesinlikle içermelidir.
  • Basit bir indüktör-kapasitör olan LC devresinde, bileşen ve devre kayıpları nedeniyle salınımlar zamanla sönümlenir.
  • Bu devre kayıplarının üstesinden gelmek ve pozitif kazanç sağlamak için voltaj amplifikasyonu gereklidir.
  • Amplifikatörün toplam kazancı birden büyük olmalıdır.
  • Salınımlar, çıkış voltajının bir kısmı doğru genlikte ve aynı fazda (0o) ayarlanmış devreye geri beslenerek korunabilir.
  • Salınımlar yalnızca geri bildirim “Pozitif” olduğunda (kendi kendini yenileme) meydana gelebilir.
  • Devrenin genel faz kayması sıfır veya 360o olmalıdır, böylece geri besleme ağından gelen çıkış sinyali giriş sinyali ile “aynı fazda” olacaktır.
  • Osilatörler hakkında bir sonraki öğreticide, rezonans tank devresi içinde bir merkez kademeli endüktans oluşturmak için iki endüktans bobini kullanan en yaygın LC osilatör devrelerinden birinin çalışmasını inceleyeceğiz. Bu tip LC osilatör devresi, yaygın olarak Hartley Osilatörü olarak bilinir.