Oscilátory a generátory.

 

    Oscilátory ( z latinského slova ostilatio = kmitanie, číta sa osciláció ) sa nazývajú všetky zariadenia, ktoré vytvárajú za určitých podmienok periodicky premenlivé priebehy fyzikálnych veličín. V tomto najvšeobecnejšom zmysle môžeme hovoriť o oscilátoroch mechanických, t.j. o kyvadlových alebo vibračných, o oscilátoroch akustických, napríklad o píšťalách, strunových sústavách a podobne. V rádioelektronike označujeme týmto názvom všetky zariadenia, ktoré vytvárajú periodicky sa meniace priebehy napätí a prúdov. Vo všeobecnosti sú priebehy napätí a prúdov funkciami času

u = f1 ( t )
i = f2 ( t )
v ktorých je čas t ako nezávislá reálna premenná.

    Každý elektronický oscilátor je charakterizovaný amplitúdou a tvarom výstupného napätia U, frekvenciou  f a vnútorným odporom Ri , ktorý je lineárny pre určitý rozsah zaťažovacích odporov Rz. Keď sa na elektronický oscilátor pozrieme z hľadiska spotreby energie, môžeme ho považovať za štvorpól, teda dvojbránu. Jeho vstupom sú napájacie svorky, cez ktoré oscilátor odoberá zo zdroja jednosmerný napájací výkon a jeho výstupom sú výstupné svorky, cez ktoré dodáva do záťaže príslušný striedavý výkon. Z povedaného vyplýva, že môžeme definovať účinnosť elektronického oscilátora a to ako pomer medzi výstupným striedavým a vstupným jednosmerným výkonom.

    Elektronické oscilátory sa používajú v  rôznych zariadeniach oznamovacej, meracej, výpočtovej a automatizačnej techniky. Svojimi vlastnosťami výrazne ovplyvňujú vlastnosti celého zariadenia, preto je potrebné poznať ich druhy, princípy ich činnosti a ich vlastnosti, čo je hlavnou náplňou témy “Oscilátory a generátory”. Je samozrejmé, že je potrebné poznať aj vzťahy pre ich návrh. Keďže pre matematický návrh sa používajú mnohokrát zložitejšie matematicko–logické postupy ( predpoklady, zjednodušenia, integrály, derivácie, diferenciálne rovnice, atď ), nebudeme sa týmito postupmi zaoberať hlbšie. Pre ilustráciu si však predsa pri niektorých typoch oscilátorov ukážeme aspoň časť postupu návrhu, napr. odvodenie frekvencie kmitov výstupného napätia oscilátora.


Rozdelenie a základné vlastnosti oscilátorov.


    Oscilátory sa delia podľa rôznych hľadísk a na rôzne druhy. My si uvedieme len niektoré základné delenia.

1. Delenie podľa tvaru výstupného signálu :

  1. oscilátory, ktorých výstupné napätie má tvar sínusovky, t.j. tvar výstupného napätia sa dá popísať jednoduchou funkciou sínus alebo kosínus, napr. u = Uo . sin ( w.t + j ) alebo u = Uo . cos ( w.t + j ). Takéto oscilátory nazývame harmonické oscilátory, alebo v technickej praxi jednoducho oscilátory.
  2. oscilátory, ktorých výstupné napätie má ľubovoľne iný tvar ako sínusový, napr. obdĺžníkový, trojuholníkový, pílovitý, impulzný a pod, t.j. tvar výstupného napätia sa nedá popísať jednoduchou funkciou sínus alebo kosínus, ale na jeho popis musíme použiť sústavu súčtov sínusových a kosínusových funkcií, t.j. Fourierov rozvoj. Takéto oscilátory nazývame neharmonické oscilátory, alebo relaxačné generátory. ( relaxačný je odvodené z lat. slova relaxátió = zotavenie a generátor z  lat. slova generó = plodiť, tvoriť, vytvárať.) V technickej praxi ich označujeme generátory tvarových signálov, alebo jednoducho generátory.
    Princípy harmonických a neharmonických oscilátorov sa v mnohom odlišujú, preto si uvedieme tieto hlavné skupiny oscilátorov v samostatných podtémach.


2. Dele
nie podľa frekvencie vytváraných kmitov :

  1. nízkofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 10-2 Hz po 106 Hz. Významné miesto v tomto frekvenčnom pásme majú signály akustické, t.j. počuteľné, ktorých frekvencie ležia od 16 Hz do 20 kHz. Je samozrejmé, že by sa dali spomenúť aj ďalšie podpásma hlavného nízkofrekvenčného pásma, ako napr. infrazvuk a ultrazvuk, ležiace hneď pod a  nad podpásmom akustických frekvencií.
  2. vysokofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 106 Hz. Z hora hranica nie je daná. Aj toto frekvenčné pásmo by sa dalo rozdeliť na viacero frekvenčných podpásiem, napríklad na pásmo metrových až kilometrových vĺn, kde sa v oscilátoroch používajú klasické rezonančné obvody, na pásmo metrových a decimetrových vĺn, kde sa v oscilátoroch používajú rezonančné vedenia alebo dutinové rezonátory, alebo na pásmo centimetrových a milimetrových vĺn, kde sa v oscilátoroch používajú vlnovodové alebo dutinové rezonátory.

  • 3. Podľa druhu prvku určujúceho frekvenciu vytváraných kmitov :
    1. oscilátory LC, v ktorých frekvenciu kmitov určuje rezonančný obvod LC, či už sériový alebo paralelný. Tento druh oscilátorov sa v elektronických prístrojoch vyskytuje najčastejšie. Oscilátory LC sa používajú ako laditeľné oscilátory v prijímačoch, vysielačoch, meracích prístrojoch a pod. Stabilita frekvencie vytváraných kmitov sa pohybuje od 10-3 po 10-5.
    2. oscilátory riadené piezoelektrickým rezonančným prvkom, tzv. kryštálovým výbrusom ( kryštálom ). Tieto oscilátory majú vynikajúcu frekvenčnú stabilitu vytváraných kmitov a to 10-6 až 10-8. Používajú sa preto tam, kde sú prísne požiadavky na stabilitu frekvencie kmitov, napr. vo frekvenčných normáloch. Oscilátory riadené kryštálom je možné prelaďovať len v úzkom rozsahu frekvencií ( niekoľko sto Hz až niekoľko jednotiek kHz )
    3. oscilátory s elektromechanickým rezonančným prvkom ( rezonátory magnetostrikčné, prstencové, ladičkové a pod.) Podobne ako oscilátory riadené kryštálovým výbrusom aj tieto oscilátory sa vyznačujú za optimálnych podmienok dobrou frekvenčnou stabilitou vytváraných kmitov a to 10-5 až 10-6. Mechanické chvenie rezonančného prvku spôsobené vonkajšími vplyvmi však zhoršuje frekvenčnú ale aj amplitúdovú stabilitu výstupného signálu. Tomuto javu hovoríme mikrofonickosť obvodu. Na rozdiel od kryštálového výbrusu sú elektromechanické rezonančné prvky rozmernejšie a potrebujú viacej doplňujúcich elektronických obvodov. Preto sa už v súčasnosti skoro nepoužívajú.
    4. oscilátory s rezonančným vedením, v ktorých rezonančný obvod tvorí úsek súosého alebo súmerného vedenia dĺžky l/4 alebo l/2, ktorý sa vyznačuje vysokým činiteľom kvality Q. Preto tieto oscilátory majú za optimálnych podmienok dobrú frekvenčnú stabilitu, asi 10-6 až 10-7. Podobne ako elektromechanické rezonančné prvky sú citlivé na mechanické vplyvy. Oscilátory s rezonančným vedením je však možné prelaďovať v rozsahu niekoľko jednotiek až desiatok kHz.
    5. oscilátory RC, v ktorých je v obvode spätnej väzby zapojený frekvenčne selektívny obvod RC ( T–článok, Wienov článok a pod.) Tieto oscilátory sú vhodné len pre oblasť nízkych frekvencií. Stabilita vytváraných kmitov je rôzna, záleží od použitého RC článku a je max. 10-4. Oproti doposiaľ spomínaným oscilátorom majú výhodu v tom, že sú preladiteľné vo veľkom rozsahu, cez niekoľko dekád, bez výraznejšej zmeny svojich vlastností. Pri správnom nastavení sa v nich dá dosiahnuť výstupný signál sínusového priebehu s veľmi malým obsahom vyšších harmonických, t.j. skreslením. Používajú sa hlavne v tónových oscilátoroch určených pre meracie účely.

  • 4. Podľa spôsobu pripojenia aktívneho obvodu k obvodu určujúcemu frekvenciu :
    1. dvojpólové oscilátory. Tieto oscilátory využívajú vhodnú VA – charakteristiku niektorých polovodičových prvkov ako napr. tunelovej diódy ( charakteristika typu “N”), viacvrstvovej alebo lavínovej diódy ( charakteristika typu “S”). U týchto prvkov majú ich VA – charakteristiky oblasť tzv. záporného dynamického odporu, teda podiel zmeny napätia ku zodpovedajúcej zmene prúdu Du/Di dáva zápornú hodnotu. V týchto oscilátoroch ide o spojenie aktívneho prvku s obvodom určujúcim frekvenciu kmitov, najčastejšie s rezonančným obvodom. V súčasnosti sa s týmito oscilátormi stretávame už len zriedka.
    2. štvorpólové oscilátory ( spätnoväzobné ). Sú zložené vždy z dvoch základných častí a to z bloku spätnej väzby, ktorý určuje frekvenciu vytváraných kmitov ( časť pasívna, označovaná ß ) a z bloku zosilňovača, ktorý nahrádza straty energie v pasívnej časti ( časť aktívna, označovaná A ).
          Tento typ oscilátorov sa v súčasnosti používa tak pre harmonické oscilátory ako aj pre generátory tvarových signálov. Keďže tieto oscilátory sú dnes najpoužívanejšie, budeme sa niektorými ich zapojeniami a vlastnosťami týchto zapojení zapodievať v nasledujúcich podtémach.

  • 5. Podľa účelu a použitia :
    1. oscilátory pre frekvenčné normály, t.j. zdroje kmitov s vysokou stálosťou frekvencie a to od 10-7 až po 10-9. Najčastejšie sú riešené ako oscilátory riadené kryštálovým výbrusom.
    2. nf oscilátory pre meracie účely. Vyžaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy a malý obsah vyšších harmonických kmitočtov, skreslenie pod 1 %.
    3. vf oscilátory pre meracie účely. Vyžaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy, malý obsah vyšších harmonických kmitočtov. a možnosť amplitúdovej alebo frekvenčnej modulácie.
    4. oscilátory výkonové, pre účely vysokofrekvenčného ohrevu indukčného alebo dielektrického, napr. pre mikrovlné rúry a pod.
    5. oscilátory pre zmiešavače, ktoré musia byť preladiteľné v širokom rozsahu frekvencií so stabilnou amplitúdou.
    6. oscilátory pre budiče vysielačov, s vysokou stabilitou frekvencie 10-5 až 10-7.

        Je prirodzené, že existuje ešte veľa ďalších hľadísk, podľa ktorých by sme mohli oscilátory rozdeliť. Pre nás je aj toto delenie dostačujúce. Určite aj z neho vidno rôznorodosť a rozsiahlosť problematiky oscilátorov.

        Pri určovaní základných vlastností oscilátorov je potrebné vychádzať vždy z  ich použitia a  z toho vyplývajúcich požiadaviek kladených na ne. No u všetkých oscilátorov pre akékoľvek použitie sú v poradí na prvých miestach dva parametre a to frekvencia a frekvenčná stabilita vytváraných kmitov.  Frekvencia je jedna z najdôležitejších parametrov oscilátorov a generátorov. Jednotka frekvencie je Hz s rozmerom s-1. Presnosť frekvencie sa udáva frekvenčnou odchýlkou Df od nominálnej frekvencie fn , teda :

    Df = f – fn

        Maximálna frekvenčná odchýlka počas doby sledovania sa nazýva frekvenčná stabilita. Krátkodobá sa udáva pre čas jedna minúta až jeden deň, dlhodobá pre čas jeden týždeň až jeden mesiac. Frekvenčná stabilita sa udáva činiteľom stability :

    Čím je s  číslo menšie, tým je oscilátor kvalitnejší.

     


    !!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

    Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
    Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu