Για τη μοντελοποίηση των ταλαντωτών μπορεί να χρησιμοποιηθεί το παρακάτω δομικό διάγραμμα:

Transcript

1 7. ΤAΛΑΝΤΩΤΕΣ 7.. Γενικά Οι ταλαντωτές είναι κυκλώματα που, στην έξοδό τους, εμφανίζουν κυματομορφές συγκεκριμένης συχνότητας f o. Οι ταλαντωτές περιλαμβάνουν έναν ενισχυτή και ένα κύκλωμα θετικής ανάδρασης (μέσω της οποίας εξασφαλίζεται η σταθερότητα του πλάτους της κυματομορφής εξόδου). Οι σημαντικότεροι τύποι ταλαντωτών είναι οι παρακάτω: Ταλαντωτές : Η λειτουργία τους στηρίζεται σε κυκλώματα -. Οι ταλαντωτές αυτοί χρησιμοποιούνται σε συχνότητες μέχρι MHz. Τέτοιοι ταλαντωτές είναι οι «Γέφυρας Wien», οι «διπλού T» και οι ταλαντωτές «ολίσθησης φάσης» Ταλαντωτές -: Η λειτουργία τους στηρίζεται σε συντονισμένα κυκλώματα -. Οι ταλαντωτές αυτοί χρησιμοποιούνται σε συχνότητες άνω του MHz. Σημαντικότεροι είναι οι ταλαντωτές olpitts και οι ταλαντωτές Hartley. Κρυσταλλικοί ταλαντωτές: Στους ταλαντωτές αυτούς, το στοιχείο ταλάντωσης είναι κρύσταλλος. Οι συγκεκριμένοι ταλαντωτές διακρίνονται για την ακρίβεια και τη σταθερότητα της συχνότητας ταλάντωσης. Για τη μοντελοποίηση των ταλαντωτών μπορεί να χρησιμοποιηθεί το παρακάτω δομικό διάγραμμα: in,osc in = in,osc + Β. out + Τελεστικός ενισχυτής με ή χωρίς αρνητική ανάδραση (κέρδος A) out = Α. in = A.( in,osc + Β. out ) f = Β. out Στοιχείο θετικής ανάδρασης (Λόγος ανάδρασης = Β) Ταλαντωτής Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.

2 Στο παραπάνω δομικό διάγραμμα, ο τελεστικός ενισχυτής μπορεί είτε να είναι ανοικτού βρόχου (χωρίς ανάδραση) είτε να εμπεριέχει ένα στοιχείο αρνητικής ανάδρασης. Υπό την έννοια αυτή, το κέρδος Α μπορεί να αντιπροσωπεύει είτε το κέρδος ανοικτού βρόχου A O (αν ο ενισχυτής είναι χωρίς ανάδραση) είτε το κέρδος κλειστού βρόχου Α (αν ο ενισχυτής εμπεριέχει ανάδραση). Επίσης, η τάση in,osc αντιπροσωπεύει το σήμα εισόδου που είναι απαραίτητο για την εκκίνηση του ταλαντωτή (και μπορεί να είναι, απλώς, ο εσωτερικός θερμικός θόρυβος των αντιστατών). Από την εξίσωση out = Α. in = A.( in,osc + Β. out ), προκύπτει ότι out ( ΑΒ) = A in,osc out = in, osc A AB αποτέλεσμα που υποδηλώνει ότι, για τη διατήρηση του (ταλαντούμενου) σήματος εξόδου, πρέπει ΑΒ = ( ) Γενικά, η λειτουργία ενός ταλαντωτή εξελίσσεται σε 3 στάδια: Εκκίνηση: Γίνεται με ΑΒ >, οπότε η έξοδος του ταλαντωτή out παρουσιάζεται ως ταλαντούμενο σήμα αυξανόμενου πλάτους. Μεταβατική κατάσταση: Το γινόμενο AB σταδιακά μειώνεται έως ότου γίνει ΑΒ =. Μόνιμη κατάσταση: Το γινόμενο AB παραμένει ίσο με (ΑΒ=). Α.P. Malino, Ηλεκτρονική, ενότητα. Υπενθυμίζεται ότι το κέρδος Α μπορεί να αντιπροσωπεύει είτε το κέρδος ανοικτού βρόχου A O (αν ο ενισχυτής είναι χωρίς ανάδραση) είτε το κέρδος κλειστού βρόχου Α (αν ο ενισχυτής εμπεριέχει αρνητική ανάδραση). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.

3 7.. Ταλαντωτές 7... Γενικά Στους ταλαντωτές, το στοιχείο θετικής ανάδρασης είναι ένα ή περισσότερα κυκλώματα (προπορείας μεταπορείας). Η λειτουργία ενός ταλαντωτή - εξελίσσεται στα 3 στάδια που περιγράφηκαν στην ενότητα 7.. Οι σημαντικότεροι τύποι ταλαντωτών είναι οι εξής: Οι ταλαντωτές «γέφυρας Wien» ( Wien-Bridge oscillators). Οι ταλαντωτές «διπλού Τ» ( Τwin T oscillators). Οι ταλαντωτές «ολίσθησης φάσης». Οι ταλαντωτές χρησιμοποιούνται σε συχνότητες f < ΜΗz. Α.P. Malino, Ηλεκτρονική, ενότητα Tαλαντωτές «γέφυρας Wien» ( Wien-Bridge oscillators) Στους ταλαντωτές αυτούς, το στοιχείο θετικής ανάδρασης είναι το κύκλωμα - (προπορείας μεταπορείας) που φαίνεται στο σχήμα. Για το συγκεκριμένο κύκλωμα, η παράμετρος B 9 ( ) είναι, ουσιαστικά, ο συντελεστής θετικής ανάδρασης ο οποίος μεγιστοποιείται όταν ισχύει η συνθήκη συντονισμού = ( Β max = ). Δεδομένου ότι Χ =, 3 πf προκύπτει ότι το κύκλωμα - συντονίζεται σε συχνότητα f r = π f o Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.3

4 που είναι και η συχνότητα ταλάντωσης. (t) (t) Tο παραπάνω κύκλωμα συνδέεται (εξωτερικά) σε έναν τελεστικό ενισχυτή VVS (γενικός τύπος κέρδους: A = με = και F μεταβλητή με τελική τιμή F = ). F Κατά την εκκίνηση, F <, οπότε A > 3 και Α.B > που είναι και η συνθήκη εκκίνησης του ταλαντωτή. Κατά τη μεταβατική κατάσταση, η F αυξάνεται, σταδιακά, μέχρι την τιμή, οπότε το κέρδος A μειώνεται έως ότου γίνει A = 3, οπότε Α.B =. Κατά τη μόνιμη κατάσταση, ισχύει ότι F =, οπότε το κέρδος A παραμένει στην τιμή A = 3 και Α B = που είναι και η συνθήκη διατήρησης της ταλάντωσης. + error (t) Αρνητική ανάδραση out F Θετική ανάδραση Α.P. Malino, Ηλεκτρονική, ενότητα. (και λυμένα παραδείγματα) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.4

5 7.3. Ταλαντωτές Γενικά Στους ταλαντωτές -, το στοιχείο θετικής ανάδρασης είναι ένα συντονισμένο κύκλωμα -, η δε λειτουργία τους εξελίσσεται στα 3 στάδια που περιγράφηκαν στην ενότητα 7.. Οι σημαντικότεροι τύποι ταλαντωτών - είναι οι εξής: Οι ταλαντωτές olpitts Οι ταλαντωτές Hartley Tαλαντωτές olpitts F choke V in in (t) out out E E f Στο παραπάνω κύκλωμα (που χρησιμοποιεί τρανζίστορ συνδεσμολογίας E), το στοιχείο θετικής ανάδρασης είναι ο πυκνωτής. Ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις: Συντελεστής θετικής ανάδρασης: B f out Συνθήκη εκκίνησης της ταλάντωσης: ΑΒ > Α > Συνθήκη διατήρησης της ταλάντωσης: ΑΒ = Α = Α min = Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.5

6 Συχνότητα ταλάντωσης : f o = f r π όπου = Α.P. Malino, Ηλεκτρονική, ενότητα.4 (και λυμένα παραδείγματα) Tαλαντωτές Hartley F choke V in in (t) out out E E f Στο παραπάνω κύκλωμα (που χρησιμοποιεί τρανζίστορ συνδεσμολογίας E), το στοιχείο θετικής ανάδρασης είναι το πηνίο. Ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις: Συντελεστής θετικής ανάδρασης: B f out Συνθήκη εκκίνησης της ταλάντωσης: ΑΒ > Α > Η ακριβής τιμή δίνεται από τον τύπο f o = f r = Q ποιότητας του κυκλώματος. Συνήθως Q > 0, οπότε. Επισημαίνεται ότι η συνολική Q χωρητικότητα προκύπτει με βάση το γεγονός ότι οι πυκνωτές και είναι συνδεδεμένοι σε σειρά. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.6 π Q όπου Q ο συντελεστής Q

7 Συνθήκη διατήρησης της ταλάντωσης: ΑΒ = Α = Α min = Συχνότητα ταλάντωσης 3 : f o = f r π όπου = + Α.P. Malino, Ηλεκτρονική, ενότητα.5 (και λυμένα παραδείγματα) 3 π Όπως και για τον ταλαντωτή olpitts, η ακριβής τιμή δίνεται από τον τύπο f o = f r = Q Q. Q όπου Q ο συντελεστής ποιότητας του κυκλώματος. Συνήθως Q > 0, οπότε Q Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.7

8 7.4. Κρυσταλλικοί ταλαντωτές Στους ταλαντωτές αυτούς, το στοιχείο ταλάντωσης είναι κρύσταλλος μέσω του οποίου επιτυγχάνεται μεγάλη ακρίβεια και σταθερότητα στη συχνότητα του σήματος εξόδου. Οι κρύσταλλοι που χρησιμοποιούνται μπορούν να προσομοιωθούν από το παρακάτω κύκλωμα (ουσιαστικά ένα συντονισμένο κύκλωμα -): m s Η συχνότητα εξόδου f o του κρυστάλλου (δηλαδή η συχνότητα του σήματος εξόδου του ταλαντωτή) κυμαίνεται μεταξύ των παρακάτω δύο τιμών: f s = f p = π π s loop όπου loop = m m s s οπότε f s < f o < f p ( 4 ) Α.P. Malino, Ηλεκτρονική, ενότητα.6 (και λυμένα παραδείγματα) 4 Η f s αντιπροσωπεύει τη συχνότητα συντονισμού του κλάδου - s - (συντονισμός σειράς) ενώ η f p αντιπροσωπεύει τη συχνότητα συντονισμού του συνολικού κυκλώματος -( s, m )- (παράλληλος συντονισμός). Επισημαίνεται ότι, επειδή s << m, είναι loop s, άρα f s f p (δηλαδή, η f s είναι ελάχιστα μικρότερη από την f p ). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.8

9 7.5. Ο χρονιστής (timer) 555 Ένα πολύ διαδεδομένο κύκλωμα ταλάντωσης, με πολλές και ποικίλες εφαρμογές, είναι ο χρονιστής (timer) 555. Τα βασικά δομικά στοιχεία του χρονιστή είναι τα εξής: Δύο () συγκριτές Ένα S flip-flop Ένα τρανζίστορ npn. Ο χρονιστής 555 έχει δύο () σημεία αναφοράς, ένα κατώτερο (ower Trip Point TP) και ένα ανώτερο (Upper Trip Point UTP). Οι βασικοί τρόποι λειτουργίας ενός χρονιστή 555 είναι οι παρακάτω: Μονοσταθής λειτουργία: Κατά τη λειτουργία αυτή, ο χρονιστής είναι, κανονικά, σε κατάσταση low και μεταβαίνει σε κατάσταση high μόνο προσωρινά, όταν ενεργοποιηθεί (σκανδαλιστεί) από έναν αρνητικό κρουστικό παλμό (με τάση χαμηλότερη από την TP). Δηλαδή, στη μονοσταθή λειτουργία, ο χρονιστής έχει μόνο μία () σταθερή κατάσταση, τη low (από εκεί και ο χαρακτηρισμός «μονοσταθής»). Με τον τρόπο αυτό, ο μονοσταθής χρονιστής παράγει μεμονωμένους ορθογωνικούς παλμούς διάρκειας τ (η οποία ρυθμίζεται μέσω εξωτερικών κυκλωμάτων). Σημαντική εφαρμογή της μονοσταθούς λειτουργίας είναι η υλοποίηση παλμικών διαμορφώσεων. Ακροδέκτης 8: +V A Ακροδέκτης : σκανδαλισμός Χρονιστής 555 Ακροδέκτης 3: 8: έξοδος +V A +V τ Ακροδέκτης : γείωση Aσταθής λειτουργία: Κατά τη λειτουργία αυτή, ο χρονιστής παράγει στην έξοδό του, τ μια ορθογωνική παλμοσειρά της οποίας το κλάσμα (τ η διάρκεια των παλμών, Τ Τ η περίοδος της παλμοσειράς) ρυθμίζεται μέσω εξωτερικών κυκλωμάτων. Δηλαδή, στη λειτουργία αυτή, ο χρονιστής δεν έχει σταθερές καταστάσεις (από εκεί και ο όρος Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.9

10 «ασταθής»). Σημαντική εφαρμογή της ασταθούς λειτουργίας είναι η υλοποίηση ταλαντωτών ελεγχόμενων από τάση (Voltage-ontrolled Oscillators VOs). Ακροδέκτης 8: +V Χρονιστής 555 Ακροδέκτης 3: 8: έξοδος +V +V τ +V τ Ακροδέκτης : γείωση T Α.P. Malino, Ηλεκτρονική, ενότητες.7,.8 (και λυμένα παραδείγματα) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 7.0