Осцилатор Колпитса

Осцилатор је механичка или електронска конструкција која производи осцилације у зависности од неколико променљивих. Сви имамо уређаје којима су потребни осцилатори попут традиционалног сата или ручног сата. Разне врсте детектора метала, рачунари на којима су укључени микроконтролер и микропроцесори користе осцилаторе, посебно електронски осцилатор који производи периодичне сигнале. У претходним водичима разговарали смо о неколико осцилатора:

• РЦ осцилатор померања фазе
• Веин Бридге осцилатор
• Кварцни кристални осцилатор
• Круг осцилатора фазног померања
• Осцилатор контролисан напоном (ВЦО)

Колпицов осцилатор је измислио амерички инжењер Едвин Х. Цолпиттс у 1918. колпицов осцилатор ради са комбинацијом калемова и кондензатора формирањем филтера ЛЦ. Једнако као и други осцилатори, и Цолпиттсов осцилатор се састоји од уређаја за појачање, а излаз је повезан са повратном петљом ЛЦ кола. Цолпиттсов осцилатор је линеарни осцилатор који производи синусни таласни облик.

Танк Цирцуит

Главни уређај за осциловање у осцилатору Цолпиттс креира се помоћу резервоарског круга. Резервоар коло се састоји од три цомпонентс- индуктор и два кондензатора. Два кондензатора су повезана у серију, а ови кондензатори су даље паралелно повезани са пригушницом.

На горњој слици су приказане три компоненте круга резервоара са одговарајућим прикључцима. Процес започиње пуњењем два кондензатора Ц1 и Ц2. Затим се унутар круга резервоара, ове две серијске кондензаторице празне у паралелни индуктор Л1 и ускладиштена енергија у кондензатору преноси на индуктор. Због паралелно повезаног кондензатора, индуктор који се сада празни од два кондензатора и кондензатори почињу поново да се пуне. Ова пуњења и пражњења у обе компоненте се настављају и тако пружају сигнал осциловања преко њих.

Осциловање у великој мери зависи од кондензатора и вредности индуктора. Испод је формула за одређивање фреквенције осциловања:

Ф = 1 / 2π√ЛЦ

где је Ф фреквенција, а Л индуктор, Ц је укупни еквивалентни капацитет.

Еквивалентна капацитивност два кондензатора може се одредити помоћу

Ц = (Ц1 к Ц2) / (Ц1 + Ц2)

Током ове фазе осциловања у кругу резервоара долази до одређеног губитка енергије. Да би се надокнадила та изгубљена енергија и одржале осцилације унутар круга резервоара, потребан је уређај за појачање. Постоји много различитих врста појачавача који се користе за надокнађивање губитка енергије унутар круга резервоара. Најчешћи појачани уређаји су транзистори и операциона појачала.

Оснивач Цолпиттс заснован на транзисторима

На горњој слици приказан је Цолпиттс осцилатор заснован на транзистору, где је главни појачавач осцилатора НПН транзистор Т1.

У колу су потребни отпорници Р1 и Р2 за напон базе. Ова два отпорника користе се за израду делитеља напона на бази транзистора Т1. Отпорник Р3 се користи као емитерски отпорник. Овај отпорник је веома користан за стабилизацију појачала током топлотног наноса. Кондензатор Ц3 се користи као емитер бајпас кондензатору који је повезан паралелно са отпорником Р3. Ако уклонимо овај Ц3 кондензатор, појачани сигнал наизменичне струје бациће се преко отпорника Р3 и резултира слабим појачањем. Дакле, кондензатор Ц3 има лаган пут за појачани сигнал. Повратне информације из круга резервоара су даље повезане помоћу Ц4 са базом транзистора Т1.

Осциловање кола Цолпиттсовог осцилатора заснованог на транзистору зависи од фазног помака. Ово је добро познато као баркхаусенов критеријум за осцилатор. Према критеријуму Баркхаусена, појачање петље требало би да буде мало веће од јединице, а фазни помак око петље мора бити 360 степени или 0 степени. Дакле, током овог случаја, да би се обезбедила осцилација на излазу, укупном кругу је потребан фазни помак од 0 степени или 360 степени. Конфигурација транзистора као заједнички емитер пружа фазни помак од 180 степени, док круг резервоара такође доприноси додатном фазном померању од 180 степени. Комбиновањем ових двофазних померања укупни склоп постиже фазни помак од 360 степени који је одговоран за осциловање.

Повратним информацијама се може управљати помоћу два кондензатора Ц1 и Ц2. Ова два кондензатора су повезана у серију, а спој је даље повезан са напајањем. Напон на Ц1 је много већи од напона на Ц2. Променом те две вредности кондензатора можемо контролисати повратни напон који се даље враћа у круг резервоара. Одређивање повратног напона је пресудан део кола, јер мала количина повратног напона не би активирала осцилације, док ће велика количина повратног напона завршити уништавањем излазног синусног таласа и индуковањем изобличења.

Цолпиттсов осцилатор се може подесити променом вредности индуктивности и капацитивности. Постоје два начина да Цолпиттсов осцилатор ради у конфигурацији променљивог подешавања.

Први начин је промена индуктора као променљиве индукције, а други начин је промена кондензатора као променљивог кондензатора. У другој опцији, пошто је повратни напон веома поуздан у односу Ц1 и Ц2, препоручљиво је користити једноставну банду. Тако да, када постоје варијације у једном кондензатору, и други кондензатор мења свој капацитет у складу са њим.

Оснивач Цолпиттс заснован на оп-ампу

На горњој слици приказано је коло осцилатора засновано на опитном појачивању заснованом на Цолпиттс-у. Оперативно појачало је у режиму инверзне конфигурације. Отпорници Р1 и Р2 се користе због пружања потребних повратних информација оперативном појачалу. Круг резервоара повезан је заједно са једним индуктором паралелно са два серијска кондензатора. Улаз оперативног појачала повезан је са повратном спрегом круга резервоара.

Рад је исти као што је објашњено у горе наведеном колу транзистора заснованог на Цолпиттсовом осцилатору. Током покретања, оп-појачало појачава сигнал шума који је одговоран за пуњење два кондензатора. Добит од Оп-Амп заснован колпицов осцилатор је већи од транзистора на бази колпицов осцилатор.

Разлика између Цолпиттс осцилатора и Хартлеи осцилатора

Цолпиттсов осцилатор је врло сличан Хартлеиевом осцилатору, али постоји разлика у конструкцији између ова два. Иако се ова два осцилаторна кола састоје од три компоненте као резервоарски круг, али Цолпиттсов осцилатор користи један индуктор паралелно са два кондензатора у серији, док Хартлеијев осцилатор користи управо супротно, један појединачни кондензатор паралелно са два индуктора у низу. Цолпиттсов осцилатор делује стабилније у високофреквентном раду од Хартлеиевог осцилатора.

Цолпиттсов осцилатор је одличан избор у високофреквентном раду. Може произвести излазну фреквенцију у опсегу мегахерца као и у опсегу килохерца.

Примена кола Цолпиттс осцилатора

1. Због потешкоћа у глатким променама индуктора и кондензатора, Цолпиттсов осцилатор се углавном користи за генерисање фиксне фреквенције.

2. Основна употреба Цолпиттсовог осцилатора је у мобилним или другим комуникационим уређајима контролисаним радио фреквенцијом.

3. У високофреквентним осцилацијама, Цолпиттсов осцилатор је одличан избор. Тако уређаји засновани на високофреквентним осцилаторима користе Цолпиттс осциллатор.

4. У неколико примена у којима су уз термичку стабилност потребне непрекидне и пригушене осцилације, користи се Цолпиттс осцилатор.

5. За оне примене којима је потребан широк опсег фреквенција са минимално индукованим шумом.

6. Многе врсте сензора заснованих на САВ користе Цолпиттс осцилатор

7. Разне врсте детектора метала користе Цолпиттсов осцилатор.

8. Преносник радио фреквенције повезан са фреквенцијском модулацијом користи Цолпиттсов осцилатор.

9. Има огромну примену у војним и комерцијалним производима.

10. У микроталасним апликацијама хаотични кругови повезани са маскирањем сигнала такође су потребни Цолпиттсов осцилатор у различитим фреквенцијским опсезима.