Was ist ein Oszillator?

Ein Oszillator ist eine Schaltung, die eine kontinuierliche, wiederholte, alternierende Wellenform ohne Eingabe erzeugt. Oszillatoren wandeln im Wesentlichen einen unidirektionalen Stromfluss von einer Gleichstromquelle in eine alternierende Wellenform um, die die gewünschte Frequenz aufweist, wie von ihren Schaltungskomponenten festgelegt.

Das Grundprinzip hinter der Arbeit von Oszillatoren kann durch die Analyse des Verhaltens einer LC-Tankschaltung verstanden werden, die in Abbildung 1 unten gezeigt ist und eine Induktivität L und einen vollständig vorgeladenen Kondensator C als Komponenten verwendet. Dabei beginnt sich der Kondensator zunächst über die Induktivität zu entladen, was zur Umwandlung seiner elektrischen Energie in das elektromagnetische Feld führt, welches in der Induktivität gespeichert werden kann. Sobald sich der Kondensator vollständig entlädt, fließt kein Strom mehr in der Schaltung.

Zu diesem Zeitpunkt hätte das gespeicherte elektromagnetische Feld jedoch eine Gegen-EMK erzeugt, die dazu führt, dass der Strom durch die Schaltung in die gleiche Richtung fließt wie zuvor. Dieser Stromfluss durch die Schaltung setzt sich fort, bis das elektromagnetische Feld zusammenbricht, was zur Rückumwandlung elektromagnetischer Energie in elektrische Form führt, wodurch sich der Zyklus wiederholt. Jetzt hätte sich der Kondensator jedoch mit der entgegengesetzten Polarität aufgeladen, wodurch man eine oszillierende Wellenform als Ausgang erhält.

Die Schwingungen, die durch die Umwandlung zwischen den beiden Energieformen entstehen, können jedoch nicht ewig andauern, da sie aufgrund des Widerstands der Schaltung dem Effekt eines Energieverlusts ausgesetzt wären. Infolgedessen nimmt die Amplitude dieser Schwingungen stetig ab, um Null zu werden, wodurch sie in der Natur gedämpft werden.

Dies zeigt an, dass man den Energieverlust kompensieren muss, um die Schwingungen zu erhalten, die kontinuierlich und mit konstanter Amplitude sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die zugeführte Energie genau gesteuert werden sollte und gleich der verlorenen Energie sein muss, um die Schwingungen mit konstanter Amplitude zu erhalten.

Dies liegt daran, dass, wenn die zugeführte Energie größer ist als die verlorene Energie, die Amplitude der Schwingungen zunimmt (Abbildung 2a), was zu einer verzerrten Ausgabe führt; wenn die zugeführte Energie geringer ist als die verlorene Energie, nimmt die Amplitude der Schwingungen ab (Abbildung 2b), was zu nicht nachhaltigen Schwingungen führt.

Praktisch sind die Oszillatoren nichts anderes als die Verstärkerschaltungen, die mit einer positiven oder regenerativen Rückkopplung versehen sind, wobei ein Teil des Ausgangssignals auf den Eingang zurückgeführt wird (Abbildung 3). Hier besteht der Verstärker aus einem verstärkenden aktiven Element, das ein Transistor oder ein Operationsverstärker sein kann, und das rückgespeiste Inphasensignal wird dafür verantwortlich gemacht, die Schwingungen aufrechtzuerhalten, indem die Verluste in der Schaltung ausgeglichen werden.

Sobald die Stromversorgung eingeschaltet ist, werden die Schwingungen im System aufgrund des darin vorhandenen elektronischen Rauschens ausgelöst. Dieses Rauschsignal wandert durch die Schleife, wird verstärkt und konvergiert sehr schnell zu einer Sinuswelle mit einer einzigen Frequenz. Der Ausdruck für die Closed-Loop-Verstärkung des Oszillators in Abbildung 3 ist wie folgt:

Wobei A die Spannungsverstärkung des Verstärkers und β die Verstärkung des Rückkopplungsnetzwerks ist. Wenn hier Aß > 1 , nehmen die Schwingungen an Amplitude zu (Abbildung 2a); wenn Aß < 1 , werden die Schwingungen gedämpft (Abbildung 2b). Andererseits führt Aß = 1 zu den Schwingungen, die von konstanter Amplitude sind (Abbildung 2c). Mit anderen Worten, dies zeigt an, dass, wenn die Rückkopplungsschleifenverstärkung klein ist, die Schwingung ausstirbt, während, wenn die Verstärkung der Rückkopplungsschleife groß ist, der Ausgang verzerrt wird; und nur wenn die Verstärkung der Rückkopplung groß ist, haben die Schwingungen eine konstante Amplitude, was zu einem selbsttragenden Schwingkreis führt.

Oszillatortyp

Es gibt viele Arten von Oszillatoren, die jedoch grob in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden können – Harmonische Oszillatoren (auch als lineare Oszillatoren bekannt) und Relaxationsoszillatoren.

In einem harmonischen Oszillator ist der Energiefluss immer von den aktiven Komponenten zu den passiven Komponenten und die Frequenz der Schwingungen wird durch den Rückkopplungspfad bestimmt.

Während in einem Relaxationsoszillator die Energie zwischen den aktiven und den passiven Komponenten ausgetauscht wird und die Frequenz der Schwingungen durch die am Prozess beteiligten Lade- und Entladezeitkonstanten bestimmt wird. Ferner erzeugen harmonische Oszillatoren niedrig verzerrte Sinuswellenausgänge, während die Relaxationsoszillatoren nicht sinusförmige (Sägezahn-, Dreieck- oder Rechteck-) Wellenformen erzeugen.

Die wichtigsten Arten von Oszillatoren sind:

• Wien Bridge Oszillator
• RC Phase Shift Oszillator
• Hartley Oszillator
• Spannungsgesteuerter Oszillator
• Colpitts Oszillator
• Clapp Oszillatoren
• Quarzoszillatoren
• Armstrong Oszillator
• Tuned Collector Oszillator
• Gunn Oszillator
• Kreuzgekoppelte Oszillatoren
• Ring Oszillatoren
• Dynatron Oszillatoren
• Meissner Oszillatoren
• Ich wünsche-Elektronische Oszillatoren
• Pierce Oszillatoren
• Robinson Oszillatoren
• Tri-tet Oszillatoren
• Pearson-Anson Oszillatoren
• Delay-Line-Oszillatoren
• Royer-Oszillatoren
• Elektronengekoppelte Oszillatoren
• Multi-Wave-Oszillatoren

Oszillatoren können auch in verschiedene Typen eingeteilt werden, abhängig von dem betrachteten Parameter, d. H. basierend auf dem Rückkopplungsmechanismus, der Form der Ausgangswellenform usw.. Diese Klassifizierungstypen wurden unten angegeben:

1. Klassifizierung basierend auf dem Rückkopplungsmechanismus: Oszillatoren mit positiver Rückkopplung und Oszillatoren mit negativer Rückkopplung.
2. Klassifizierung basierend auf der Form der Ausgangswellenform: Sinus Welle Oszillatoren, Platz oder Rechteckige Welle oszillatoren, Sweep Oszillatoren (die produzieren sägezahn ausgang wellenform), etc.
3. Klassifizierung basierend auf der Frequenz des Ausgangssignals: Niederfrequenzoszillatoren, Audiooszillatoren (deren Ausgangsfrequenz im Audiobereich liegt), Hochfrequenzoszillatoren, Hochfrequenzoszillatoren, Sehr Hochfrequenzoszillatoren, Ultrahochfrequenzoszillatoren usw.
4. Klassifizierung nach Art der verwendeten Frequenzregelung: RC-Oszillatoren, LC-Oszillatoren, Quarzoszillatoren (die einen Quarzkristall verwenden, um eine frequenzstabilisierte Ausgangswellenform zu erzeugen) usw.
5. Klassifizierung basierend auf der Art der Frequenz der Ausgangswellenform: Oszillatoren mit fester Frequenz und Oszillatoren mit variabler oder abstimmbarer Frequenz.

Oszillatoranwendungen

Oszillatoren sind eine kostengünstige und einfache Möglichkeit, eine bestimmte Frequenz eines Signals zu erzeugen. Zum Beispiel wird ein RC-Oszillator verwendet, um ein Niederfrequenzsignal zu erzeugen, ein LC-Oszillator wird verwendet, um ein Hochfrequenzsignal zu erzeugen, und ein Operationsverstärker-basierter Oszillator wird verwendet, um eine stabile Frequenz zu erzeugen.

Die Schwingungsfrequenz kann durch Variation des Komponentenwertes mit Potentiometeranordnungen variiert werden.

Einige gängige Anwendungen von Oszillatoren sind:

• Quarz uhren (die verwendet eine kristall oszillator)
• Verwendet in verschiedenen audio systeme und video systeme
• Verwendet in verschiedenen radio, TV, und andere kommunikation geräte
• Verwendet in computer, metall detektoren, elektroschocker, inverter, ultraschall und radio frequenz anwendungen.
• Wird verwendet, um Taktimpulse für Mikroprozessoren und Mikrocontroller zu erzeugen
• Wird in Alarmen und Summen verwendet
• Wird in Metalldetektoren, Elektroschockern, Wechselrichtern und Ultraschall verwendet
• Wird verwendet, um dekorative Lichter (z. B. Tanzlichter) zu betreiben