Ταλαντωτής Colpitts

Ένας ταλαντωτής είναι μια μηχανική ή ηλεκτρονική κατασκευή που παράγει ταλάντωση ανάλογα με λίγες μεταβλητές. Όλοι έχουμε συσκευές που χρειάζονται ταλαντωτές όπως ένα παραδοσιακό ρολόι ή ένα ρολόι χειρός. Διάφοροι τύποι ανιχνευτών μετάλλων, υπολογιστές όπου εμπλέκονται μικροελεγκτές και μικροεπεξεργαστές χρησιμοποιούν ταλαντωτές, ειδικά ταλαντωτές ηλεκτρονικής που παράγουν περιοδικά σήματα. Συζητήσαμε μερικούς ταλαντωτές στα προηγούμενα μαθήματά μας:

• RC Phase Shift Ταλαντωτής
• Ταλαντωτής Wein Bridge
• Ταλαντωτής κρυστάλλου χαλαζία
• Κύκλωμα ταλαντωτή Phase Shift
• Ταλαντωτής ελεγχόμενης τάσης (VCO)

Ο ταλαντωτής Colpitts εφευρέθηκε από τον Αμερικανό μηχανικό Edwin H. Colpitts το 1918. Ο ταλαντωτής Colpitts συνεργάζεται με έναν συνδυασμό επαγωγέων και πυκνωτών σχηματίζοντας ένα φίλτρο LC. Όπως και με άλλους ταλαντωτές Ο ταλαντωτής Colpitts αποτελείται από μια συσκευή απολαβής και η έξοδος συνδέεται με έναν βρόχο ανατροφοδότησης κυκλώματος LC Ο ταλαντωτής Colpitts είναι ένας γραμμικός ταλαντωτής που παράγει ημιτονοειδή κυματομορφή.

Το κύκλωμα δεξαμενής

Η κύρια συσκευή ταλάντωσης στο ταλαντωτή Colpitts δημιουργείται χρησιμοποιώντας το κύκλωμα δεξαμενής. Το κύκλωμα δεξαμενής αποτελείται από τρία εξαρτήματα - έναν επαγωγέα και δύο πυκνωτές. Δύο πυκνωτές συνδέονται σε σειρά, και αυτοί οι πυκνωτές συνδέονται περαιτέρω παράλληλα με τον επαγωγέα.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζονται τρία στοιχεία του κυκλώματος δεξαμενής με σωστές συνδέσεις. Η διαδικασία ξεκινά με φόρτιση δύο πυκνωτών C1 και C2. Στη συνέχεια, μέσα στο κύκλωμα δεξαμενής, αυτοί οι δύο πυκνωτές σειράς εκφορτώνονται στον παράλληλο επαγωγέα L1 και η αποθηκευμένη ενέργεια στον πυκνωτή μεταφέρεται στον επαγωγέα. Λόγω του πυκνωτή που συνδέεται παράλληλα, ο επαγωγέας αποφορτίζεται τώρα από τους δύο πυκνωτές και οι πυκνωτές αρχίζουν να φορτίζουν ξανά. Αυτή η φόρτιση και εκφόρτιση και στα δύο συστατικά συνεχίζεται και παρέχοντας έτσι ένα σήμα ταλάντωσης πέρα ​​από αυτό.

Η ταλάντωση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τους πυκνωτές και την τιμή του επαγωγέα. Ο παρακάτω τύπος είναι ο προσδιορισμός της συχνότητας ταλάντωσης:

F = 1 / 2π√LC

όπου το F είναι συχνότητα και το L είναι επαγωγέας, το C είναι η συνολική ισοδύναμη χωρητικότητα.

Η ισοδύναμη χωρητικότητα των δύο πυκνωτών μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας

C = (C1 x C2) / (C1 + C2)

Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης ταλάντωσης στο κύκλωμα δεξαμενής, παρατηρείται κάποια απώλεια ενέργειας. Για να αντισταθμιστεί αυτή η χαμένη ενέργεια και να διατηρηθεί η ταλάντωση μέσα στο κύκλωμα της δεξαμενής, απαιτείται μια συσκευή κέρδους. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι συσκευών κέρδους που χρησιμοποιούνται για την αντιστάθμιση της απώλειας ενέργειας μέσα στο κύκλωμα της δεξαμενής. Οι πιο συνηθισμένες συσκευές κέρδους είναι τα τρανζίστορ και οι ενισχυτές λειτουργίας.

Ταλαντωτής Colpitts με βάση τα τρανζίστορ

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται το Colpitts Oscillator με βάση το τρανζίστορ όπου η κύρια συσκευή κέρδους του ταλαντωτή είναι ένα τρανζίστορ NPN Τ1.

Στο κύκλωμα, η αντίσταση R1 και R2 απαιτούνται για την τάση βάσης. Αυτές οι δύο αντιστάσεις χρησιμοποιούνται για να κάνουν ένα διαχωριστικό τάσης στη βάση του Τρανζίστορ Τ1. Το Resistor R3 χρησιμοποιείται ως αντίσταση εκπομπής. Αυτή η αντίσταση είναι πολύ χρήσιμη για τη σταθεροποίηση της συσκευής κέρδους κατά τη θερμική μετατόπιση. Ο πυκνωτής C3 χρησιμοποιείται ως πυκνωτής παράκαμψης πομπού που συνδέεται παράλληλα με την αντίσταση R3. Εάν αφαιρέσουμε αυτόν τον πυκνωτή C3, το ενισχυμένο σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος θα απορριφθεί μέσω της αντίστασης R3 και θα οδηγήσει σε χαμηλό κέρδος. Έτσι, ο πυκνωτής C3 παρέχεται μια εύκολη διαδρομή για το ενισχυμένο σήμα. Η ανατροφοδότηση από το κύκλωμα δεξαμενής συνδέεται περαιτέρω χρησιμοποιώντας το C4 στη βάση του τρανζίστορ Τ1.

Η ταλάντωση του κυκλώματος ταλαντωτή με βάση τα τρανζίστορ εξαρτάται από τη μετατόπιση φάσης. Αυτό είναι γνωστό ως κριτήριο barkhausen για τον ταλαντωτή. Σύμφωνα με το κριτήριο Barkhausen, το κέρδος βρόχου πρέπει να είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από την ενότητα και η μετατόπιση φάσης γύρω από τον βρόχο πρέπει να είναι 360 μοίρες ή 0 μοίρες. Έτσι, κατά τη διάρκεια αυτής της περίπτωσης, για να παρέχει την ταλάντωση σε όλη την έξοδο, το συνολικό κύκλωμα χρειάζεται 0 μοίρες ή μετατόπιση φάσης 360 μοιρών. Η διαμόρφωση τρανζίστορ ως κοινή εκπομπή παρέχει μετατόπιση φάσης 180 μοιρών, ενώ το κύκλωμα δεξαμενής συμβάλλει επίσης σε επιπλέον μετατόπιση φάσης 180 μοιρών. Συνδυάζοντας αυτές τις διφασικές μετατοπίσεις, το συνολικό κύκλωμα επιτυγχάνει μετατόπιση φάσης 360 μοιρών, η οποία είναι υπεύθυνη για την ταλάντωση.

Η ανάδραση μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας τους δύο πυκνωτές C1 και C2. Αυτοί οι δύο πυκνωτές συνδέονται σε σειρά και η σύνδεση συνδέεται περαιτέρω με τη γείωση τροφοδοσίας. Η τάση στο C1 είναι πολύ μεγαλύτερη από την τάση στο C2. Με την αλλαγή αυτών των δύο τιμών πυκνωτή μπορούμε να ελέγξουμε την τάση ανάδρασης που τροφοδοτείται περαιτέρω στο κύκλωμα δεξαμενής. Ο προσδιορισμός της τάσης ανάδρασης είναι ένα κρίσιμο μέρος του κυκλώματος, επειδή η χαμηλή ποσότητα τάσης ανάδρασης δεν θα ενεργοποιήσει την ταλάντωση, ενώ μια υψηλή ποσότητα τάσης ανάδρασης θα καταλήξει στην καταστροφή του ημιτονοειδούς κύματος εξόδου και θα προκαλέσει παραμόρφωση.

Ο ταλαντωτής Colpitts μπορεί να συντονιστεί αλλάζοντας την τιμή της αυτεπαγωγής και της χωρητικότητας. Υπάρχουν δύο τρόποι για να κάνετε τον ταλαντωτή Colpitts να λειτουργεί σε μια ρύθμιση παραμέτρων συντονισμού.

Ο πρώτος τρόπος είναι να αλλάξετε τον επαγωγέα ως μεταβλητό επαγωγέα και ο άλλος τρόπος είναι να αλλάξετε τους πυκνωτές ως μεταβλητούς πυκνωτές. Στη δεύτερη επιλογή, καθώς η τάση ανάδρασης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αναλογία C1 και C2, συνιστάται να χρησιμοποιήσετε μια απλή συμμορία. Έτσι, όταν υπάρχει διακύμανση σε έναν πυκνωτή, ο άλλος πυκνωτής αλλάζει επίσης την χωρητικότητά του σύμφωνα με αυτόν.

Ταλαντωτής Colpitts με βάση το Op-Amp

Στην παραπάνω εικόνα εμφανίζεται το κύκλωμα ταλαντωτή Colpitts που βασίζεται σε op-amp. Ο λειτουργικός ενισχυτής βρίσκεται σε λειτουργία αντιστροφής αντιστροφής Οι αντιστάσεις R1 και R2 χρησιμοποιούνται λόγω της παροχής της απαραίτητης ανάδρασης στον λειτουργικό ενισχυτή. Το κύκλωμα της δεξαμενής συνδέεται μαζί με τον μονό επαγωγέα παράλληλα με δύο πυκνωτές σειράς. Η είσοδος του λειτουργικού ενισχυτή συνδέεται με την ανατροφοδότηση του κυκλώματος δεξαμενής.

Η εργασία είναι η ίδια όπως συζητήθηκε στο παραπάνω κύκλωμα ταλαντωτή Colpitts που βασίζεται σε τρανζίστορ. Κατά την εκκίνηση, το op-amp ενισχύει το σήμα θορύβου το οποίο είναι υπεύθυνο για τη φόρτιση δύο πυκνωτών. Το κέρδος του Colpitts Oscillator που βασίζεται σε Op-amp είναι υψηλότερο από το Colpitts Oscillator με βάση το Transistor.

Διαφορά μεταξύ Colpitts Oscillator και Hartley Oscillator

Ο ταλαντωτής Colpitts μοιάζει πολύ με τον ταλαντωτή Hartley, αλλά υπάρχει διαφορά στην κατασκευή μεταξύ αυτών των δύο. Παρόλο που αυτά τα δύο κυκλώματα ταλαντωτών αποτελούνται από τρία εξαρτήματα ως κύκλωμα δεξαμενής, αλλά ο ταλαντωτής Colpitts χρησιμοποιεί έναν μόνο επαγωγέα παράλληλα με δύο πυκνωτές σε σειρά, ενώ ο ταλαντωτής Hartley χρησιμοποιεί ακριβώς το αντίθετο, έναν μόνο πυκνωτή παράλληλα με δύο επαγωγείς σε σειρά. Ο ταλαντωτής Colpitts αποδίδει πιο σταθερός στη λειτουργία υψηλής συχνότητας από τον ταλαντωτή Hartley.

Ο ταλαντωτής Colpitts είναι μια εξαιρετική επιλογή για λειτουργία υψηλής συχνότητας. Μπορεί να παράγει συχνότητα εξόδου στην περιοχή Megahertz καθώς και στην περιοχή Kilohertz.

Εφαρμογή του κυκλώματος ταλαντωτή Colpitts

1. Λόγω των δυσκολιών στην ομαλή διακύμανση του πηνίου και του πυκνωτή, ο ταλαντωτής Colpitts χρησιμοποιείται κυρίως για παραγωγή σταθερής συχνότητας.

2. Η κύρια χρήση του ταλαντωτή Colpitts είναι σε κινητές ή άλλες συσκευές επικοινωνιών ελεγχόμενες με ραδιοσυχνότητες

3. Στην ταλάντωση υψηλής συχνότητας, ο ταλαντωτής Colpitts είναι μια εξαιρετική επιλογή. Έτσι, οι συσκευές που βασίζονται σε ταλαντωτές υψηλής συχνότητας χρησιμοποιούν το Colpitts Oscillator.

4. Σε μερικές εφαρμογές όπου απαιτείται συνεχής και αποσυμπίεση ταλαντώσεων εκτός από τη θερμική σταθερότητα, χρησιμοποιείται ο ταλαντωτής Colpitts.

5. Για τις εφαρμογές που χρειάζονται ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων με ελάχιστο θόρυβο.

6. Πολλοί τύποι αισθητήρων με βάση το SAW χρησιμοποιούν ταλαντωτή Colpitts

7. Διάφοροι τύποι ανιχνευτών μετάλλων χρησιμοποιούν τον ταλαντωτή Colpitts.

8. Ο πομπός ραδιοσυχνοτήτων που σχετίζεται με τη διαμόρφωση συχνότητας χρησιμοποιεί τον ταλαντωτή Colpitts.

9. Έχει τεράστια εφαρμογή σε στρατιωτικά και εμπορικά προϊόντα.

10. Στις εφαρμογές μικροκυμάτων, απαιτούνται επίσης χαοτικά κυκλώματα που σχετίζονται με την κάλυψη σήματος ταλαντωτής Colpitts στο διαφορετικό εύρος συχνοτήτων.