LC OSİLATÖR NEDİR VE NASIL ÇALIŞIR ?
LC Osilatör nedir ? LC Osilatör nasıl çalışır ? LC Osilatör nerelerde ve nasıl kullanılır ? LC Osilatör ne işe yarar ? Bu ve benzeri sorulara yanıt aradığımız LC Osilatör Temelleri ve Çalışması adlı yazımızla karşınızdayız.
Başlayalım.
LC OSİLATÖR TEMELLERİ
Osilatörler, bir DC girişini (besleme gerilimi), uygulamaya bağlı olarak gerçekte karmaşık olabilen veya basit sinüs dalgaları olarak geniş bir yelpazede farklı dalga şekilleri ve frekanslarına sahip olabilen bir AC çıkışına (dalga formu) dönüştürür.
Osilatörler ayrıca sinüzoidal sinüs dalgaları, kare, testere dişi veya üçgen şekilli dalga formları veya sadece değişken veya sabit genişlikte bir pals dizisi üreten birçok test ekipmanında kullanılır.LC Osilatörler, iyi derecede faz gürültü özellikleri ve uygulama kolaylıkları nedeniyle radyo frekanslı devrelerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
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 salınımını durdurmasıdır.
Osilatörler, bu rezonatör devresine gerekli frekansta DC enerjisi uygulayarak geri besleme rezonatör devresinin kayıplarını bir kapasitör, indüktör veya her ikisi de aynı devrede kullanarak bunun üstesinden gelirler.
Başka bir deyişle bir osilatör, bir giriş sinyali kullanmadan bir çıkış frekansı üreten pozitif geri besleme kullanan bir amplifikatördür.
Bu nedenle Osilatörler, belirli bir frekansta periyodik bir çıkış dalga formu üreten kendi kendini sürdüren devrelerdir ve herhangi bir elektronik devrenin bir osilatör olarak çalışması için aşağıdaki üç özelliğe sahip olması gerekir.
Bir çeşit Amplifikasyon Formunda olmalı
Pozitif Geribildirim (yenileme) olmalı
Frekans belirleme geri bildirim ağı olmalı
Bir osilatör, salınımların başlaması için bir açık döngü kazancına eşit veya biraz daha büyük olan küçük bir sinyal geri besleme amplifikatörüne sahiptir, ancak salınımlara devam etmek için ortalama döngü kazancının tam olarak dönmesi gerekir.Bu reaktif bileşenlere ek olarak, bir İşlemsel Yükselteç veya Bipolar Transistör gibi bir yükseltici cihaz gereklidir.
Bir amplifikatörün aksine, DC besleme enerjisi osilatör tarafından gereken frekansta AC enerjisine dönüştürüldüğünden Osilatörün çalışmasına neden olmak için harici bir AC girişi gerekmez.
Temel Osilatör Geri Besleme Devresi
Resim üzerinde görebilirsiniz ve burada β bir geri besleme bölümüdür.
GeriBesleme Olmadan Osilatör Kazancı
Kazanç , Av = Vout/Vin
Av x Vin = Vout [Burada A : Açık çevrim voltaj kazancıdır]
GeriBeslemeli Osilatör Kazancı
Formül ;
Av x (Vin – βVout) = Vout (β geribesleme bölümü,katsayısıdır)
Av x Vin – Av x β x Vout = Vout (A β = Döngü kazancıdır)
Av x Vin = Vout x (1 + A β) (1+A β = Geribesleme faktörüdür)
Vout / Vin = Gv = A / (1+A β) (Gv = Kapalı döngü kazancıdır)
Osilatörler, frekans seçici LC rezonans tankı devresi ve geri besleme ağı oluşturan indüktörlerin, kapasitörlerin veya dirençlerin değerleri ile gerekli bir frekansta sürekli voltaj çıkış dalga formu üreten devrelerdir.
Bu geri besleme ağı, birden az kazancı olan (β <1) bir zayıflama ağıdır ve salınımlar başladığında birliğe (Aβ = 1) döner ve Aβ> 1 olduğunda tekrar salınım başlatır.
LC osilatör frekansı, ayarlanmış veya rezonant endüktif/kapasitif (LC) bir devre kullanılarak kontrol edilir; elde edilen çıkış frekansı, Salınım Frekansı olarak bilinir.
Osilatör geri beslemesini reaktif bir ağ haline getirerek geri beslemenin faz açısı frekansın bir fonksiyonu olarak değişecektir ve buna Faz kayması denir.
Temel olarak osilatörler ;
1. Sinüsoidal Osilatörler – bunlar Harmonik Osilatörler olarak bilinir ve genellikle sabit genlik ve frekansta olan tamamen sinüzoidal bir dalga formu üreten bir “LC Ayarlı-geribesleme” veya “RC ayarlı-geribesleme” tipi Osilatördür.
2. Sinüzoidal Olmayan Osilatörler – bunlar Gevşeme(relaxation) Osilatörleri olarak bilinir ve bir kararlılık durumundan “Kare dalga”, “Üçgen dalga” veya “Testere dişi dalga” gibi çok hızlı bir şekilde değişen karmaşık sinüzoidal olmayan dalga formları üretir dalga biçimlerini yazın.
Osilatör Rezonansı
Bir indüktör, kapasitör ve dirençten oluşan bir devreye sabit bir voltaj ancak değişen frekansta uygulandığında, Kondansatör / Direnç ve İndüktör / Direnç devreleri, kullanılan bileşenlerin reaktansından dolayı çıkış sinyalinin hem genliğini hem de fazını giriş sinyaline göre değiştirmektir.
Yüksek frekanslarda, bir kapasitörün reaktansı kısa devre olarak çok düşüktür, indüktörün reaktansı açık devre olarak yüksektir.
Düşük frekanslarda bunun tersi doğrudur, kapasitörün reaktansı açık devre ve indüktörün reaktansı kısa devre olarak işlev görür.
Bu iki uç arasında, indüktör ve kapasitörün kombinasyonu, kapasitif ve endüktif reaktansların eşit olduğu ve birbirlerinin iptal ettiği bir Rezonans Frekansına (ƒr) sahip bir akım akışına karşı “Ayarlı” veya “Rezonant” devresi üretir.Bu, akım voltajla fazda olduğu için faz kayması olmadığı anlamına gelir. Resimdeki devreyi düşünün.
Basit LC Osilatör Tank Devresi
Devre, bir endüktif bobin, L ve bir kapasitör, C’den oluşur.
Kapasitör, elektrostatik bir alan şeklinde enerji depolar ve bu da plakaları boyunca endüktif bobin enerjisini elektromanyetik bir alanda potansiyel (statik voltaj) voltaj üretir.
Kondansatör, anahtar A konumuna getirilerek DC besleme voltajına (V) kadar şarj edilir.Kondansatör tam olarak şarj edildiğinde anahtar B konumuna geçer.
Yüklü kapasitör, endüktif bobin boyunca paralel olarak bağlanmıştır, böylece kapasitör bobin içinden boşalmaya başlar.Bobin içindeki 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 boşaltırken, bir elektrostatik alan olarak C artık endüktif bobinde, L bobin sargılarının etrafında bir elektromanyetik alan olarak depolanmaktadır.
Artık devrede bobinin içindeki akımı korumak için harici bir voltaj olmadığından, elektromanyetik alan çökmeye başladığında düşmeye başlar.
Bobinde (e = -Ldi / dt) bir akım emf, akımın orijinal yönde akmasını sağlar.
Bu akım, kondansatörü (C) orijinal yükünün ters polaritesiyle şarj eder.C, akım sıfıra düşene ve bobinin elektromanyetik alanı tamamen boşalana kadar şarj olmaya devam eder.
Başlangıçta anahtar aracılığıyla devreye giren enerji, şimdi ters polariteye sahip olmasına rağmen, yine elektrostatik voltaj potansiyeline sahip kapasitöre geri döndürüldü.Kondansatör şimdi bobinden tekrar boşalmaya başlar ve tüm süreç tekrarlanır.
Enerji, bir AC tipi sinüzoidal voltaj ve akım dalga formu üreten kondansatör ile indüktör arasında ileri geri iletildiğinde voltajın polaritesi değişir.
Bu işlem daha sonra bir LC osilatörler tank devresinin temelini oluşturur ve teorik olarak bu geri ve geri döngü süresiz olarak devam eder.
Bununla birlikte, işler mükemmel değildir ve kapasitör, C’den indüktöre, L’ye ve L’den C’ye her enerji aktarıldığında, salınımları zamanla sıfıra indiren bazı enerji kayıpları meydana gelir.
Enerjiyi kondansatör, C arasında indüktöre, L arasında ileri geri aktarmanın salınım hareketi, devre içindeki enerji kayıpları olmasaydı süresiz olarak devam ederdi.
Elektrik enerjisi DC’de veya indüktör bobininin gerçek direncinde, kapasitörün dielektrikinde ve devreden radyasyonda kaybolur, böylece salınım tamamen ölünceye ve süreç duruncaya kadar sürekli olarak azalır.
Daha sonra pratik bir LC devresinde salınım voltajının genliği, her bir salınım yarım döngüsünde azalır ve sonunda sıfır olur.
Salınımların daha sonra devrenin kalitesi veya Q faktörü tarafından belirlenen sönümleme miktarı ile “sönümlendiği” söylenir.
Sönümlü Salınımlar
Salınım voltajının frekansı, LC tank devresindeki endüktans ve kapasitans değerine bağlıdır.Artık tank devresinde rezonans oluşması için XC değerinin bir frekans noktası olması gerektiğini ve akım akışına karşı olmak için devrede sadece DC direncini bırakacağını ve kapasitif reaktansın XL değeri, endüktif reaktans (XL = XC) ile aynı olduğunu ve bu nedenle iptal edileceğini biliyoruz..
Şimdi indüktörün endüktif reaktansı için eğriyi, kondansatörün kapasitif reaktansı için eğrinin üzerine yerleştirirsek, her iki eğri de aynı frekans ekseninde olur, kesişme noktası bize rezonans frekans noktasını verir (ƒr veya ωr ).
Rezonans Frekansı
Resim üzerinde görebilirsiniz.
Burada : fr Hertz cinsinden, L Henry cinsinden ve C Farad cinsindendir.
Daha sonra bunun gerçekleşme sıklığı şu şekilde verilir:
XL = 2πfL ve XC = 1/2πfC
Resonans ; XL = XC
2πfL = 1/2πfC
2πf2L = 1/2πC
f2 = 1 / (2π)2LC
f = √1 / √(2π)2LC
Daha sonra yukarıdaki denklemi basitleştirerek, ayarlanmış bir LC devresinde fr Rezonans Frekansı için son denklemi şu şekilde elde ederiz:
LC Osilatörün Rezonans Frekansı
Fr = 1 / 2πx√LC
Burada ;
L, Henry cinsinden Endüktanstır
C, Farads cinsinden Kapasitanstır
ƒr, Hertz cinsinden Çıkış Frekansıdır
Bu denklem, L veya C azalırsa, frekansın arttığını gösterir.Bu çıkış frekansına genellikle (fr) kısaltması verilir ve“ rezonans frekansı ”olarak tanımlanır.
Salınımları bir LC tank devresinde tutmak için, her salınımda kaybedilen tüm enerjiyi değiştirmeli ve bu salınımların genliğini sabit bir seviyede tutmalıyız.Bu nedenle değiştirilen enerji miktarı, her döngü sırasında kaybedilen enerjiye eşit olmalıdır.
Değiştirilen enerji çok büyükse, besleme raylarının kırpılması gerçekleşinceye kadar genlik artacaktır. Alternatif olarak, değiştirilen enerji miktarı çok küçükse, genlik zamanla sıfıra iner ve salınımlar durur.
Bu kayıp enerjiyi değiştirmenin en basit yolu, çıkışın bir kısmını LC tank devresinden almak, yükseltmek ve daha sonra tekrar LC devresine beslemektir.
Bu işlem, aktif cihazı olarak bir op-amp, FET veya bipolar transistör kullanılarak bir voltaj amplifikatörü kullanılarak gerçekleştirilebilir.
Ancak, geri besleme amplifikatörünün döngü kazancı çok küçükse, istenen salınım sıfıra düşer ve çok büyükse, dalga formu bozulur.
Sabit bir salınım üretmek için, LC şebekesine geri beslenen enerji seviyesi doğru bir şekilde kontrol edilmelidir.Daha sonra, genlik bir referans voltajından yukarı veya aşağı değişmeye çalıştığında bir tür otomatik genlik veya kazanç kontrolü olmalıdır.
Sabit bir salınım sağlamak için devrenin toplam kazancı bir veya birliğe eşit olmalıdır.Daha az ve salınımlar başlamaz veya sıfıra dönmezse, artık salınımlar meydana gelir, ancak genlik, bozulmalara neden olan besleme rayları tarafından kırpılır. Resimdeki devreyi düşünün.
Temel Transistör LC Osilatör Devresi
Ayarlanan LC tank devresine sahip LC osilatörler amplifikatörü, kolektör yükü görevi görürken bir Bipolar Transistör kullanılır.Başka bir bobin L2, elektromanyetik alanı bobin L’ninki ile “karşılıklı olarak” bağlantılı transistörün emiteri ile base arasına bağlanır.
İki devre arasında “karşılıklı endüktans” vardır ve bir bobin devresinde akan değişen akım elektromanyetik indüksiyonla, diğer devredeki potansiyel bir voltajı (transformatör etkisi) ayarlar, böylece ayarlanmış devrede salınımlar meydana gelir, elektromanyetik enerji bobinden aktarılır L bobin L2’ye ve ayarlanmış devrede bulunan frekansla aynı frekansta bir voltaj, transistörün tabanı ve emiteri arasına uygulanır.
Bu şekilde amplifikatör transistörüne gerekli otomatik geri besleme voltajı uygulanır.
Geri besleme miktarı, iki L ve L2 bobini arasındaki bağlantı değiştirilerek arttırılabilir veya azaltılabilir. Devre salındığında empedansı dirençlidir ve toplayıcı ve taban gerilimleri fazın 180o dışındadır.
Salınımları (frekans kararlılığı denir) korumak için, ayarlanan devreye uygulanan voltaj, ayarlanan devrede meydana gelen salınımlar ile “faz içi” olmalıdır.
Bu nedenle, toplayıcı ve taban arasındaki geri besleme yoluna ek 180o faz kayması eklemeliyiz.
Bu, L2 bobininin, bobin L’ye göre doğru yönde sarılmasıyla, bize Osilatörler devresi için doğru genlik ve faz ilişkilerini vererek veya amplifikatörün çıkışı ve girişi arasında bir faz kaydırma ağı bağlayarak elde edilir.
LC Osilatör bu nedenle daha yaygın olarak adlandırıldığı gibi bir “Sinüzoidal Osilatör” veya bir “Harmonik Osilatör”dür.
LC osilatörleri, radyo frekansı (RF) tipi uygulamalarda kullanım için yüksek frekanslı sinüs dalgaları üretebilir ve transistör amplifikatörü bir Bipolar Transistör veya FET’tir.
Harmonik Osilatörler birçok farklı şekilde gelir, çünkü bir LC filtre ağı ve amplifikatörü oluşturmak için birçok farklı yol vardır, bunlardan en yaygın olanı Hartley LC Osilatörü, Colpitts LC Osilatörü, Armstrong Osilatörü ve Clapp Osilatörüdür.
LC Osilatör Örneği 1 :
Bir LC osilatör tankı devresi oluşturmak için 200mH endüktans ve 10pF kapasitör paralel olarak birbirine bağlanır. Salınım sıklığını hesaplayın.
f = 1/2π√LC = 1/2π √200mH x 10 pF = 112.5 kHz
Daha sonra yukarıdaki örnekten görebiliyoruz ki kapasitans, C veya endüktans değerini azaltarak L, LC tank devresinin salınım frekansını arttırma etkisine sahip olacaktır.
LC Osilatörler Özeti
Bir LC osilatör rezonans tankı devresi için gerekli temel koşullar aşağıdaki gibidir.
Salınımların var olması için bir osilatör devresinin bir reaktif (frekansa bağlı) bileşen ya bir “İndüktör”, (L) veya bir “Kapasitör”, (C) ve bir DC güç kaynağı içermesi zorunludur.
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 fazla olmalıdır.
Salınımlar, çıkış voltajının bir kısmını doğru genlikte ve fazda (0o) ayarlanmış devreye geri besleyerek sağlanabilir.
Salınımlar sadece geri besleme “Pozitif” olduğunda (kendini yenileme) gerçekleşebilir.
Devrenin genel faz kayması sıfır veya 360o olmalıdır, böylece geri besleme ağından çıkış sinyali giriş sinyali ile “faz içi” olur.
Osilatörler ile ilgili bir sonraki derste, rezonant tank devresi içinde merkeze vurulmuş bir 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.
LC OSİLATÖR NEDİR VE NASIL ÇALIŞIR SONUÇ :
Bugün LC Osilatör Nedir ve Nasıl Çalışır adlı yazımızı sizlerle paylaştık.Umuyorum faydalı birtakım bilgiler edinmişsinizdir.
İyi Çalışmalar