Oscilatorji so elektronska vezja, ki proizvajajo izmenične napetosti različnih valovnih oblik in v zelo velikem frekvenčnem obsegu. Te, katerih sheme bomo analizirali, so ustrezni da »oživijo« pasivni brenčač, lahko pa jih uporabimo tudi za kakšen drugačen primer.
Avtor: Mag. Vladimir Mitrović
Astabilni multivibrator
Na sliki 15 zgoraj je prikazano vezje z dvema tranzistorjema, poznan kot astabilni multivibrator. Vezje je simetrično, bazna upora Rb1 in Rb2 sta izbrana tako, da tranzistorje lahko postavijo v stanje velike prevodnosti (v zasičenje). Predpostavimo na začetku, da sta oba kondenzatorja nabita na napetost 4,3 V in da sta polariteti napetosti na kondenzatorjih takšni, kot je označeno na shemi.
Ta vsebina je samo za naročnike
Pretpostavimo tudi, da je tranzistor Tr1 v zasičenju in da tranzistor Tr2 ne prevaja. Zato bo kolektorska napetost na tranzistorju Tr1 nizka (~0 V), medtem, ko bo kolektorska napetost tranzistorja Tr2 visoka (~5 V), prav tako, kakor prikazujejo rdeči diagrami na sliki 15 (trenutek »1«). V takšnih okoliščinah se bo kondenzator C2 nabil na napetost približno 4,3 V (5 V – 0,7 V, kolikor približno znaša napetost na baznem priključku Tr1). C1 je nabit na isto napetost, zato napetost na baznem priključku tranzistorja Tr2 znaša -4,3 V in ta tranzistor ne prevaja: zato je njegova kolektorska napetost enaka napetosti napajanja, kakor smo malo prej tudi predpostavili.
Ampak kondenzator C1 se bo praznil preko upora Rb2 in zato se bo njegova negativna napetost manjšala, postala bo enaka ničli in nato spremenila polariteto: priključek, ki je vezan na bazo tranzistorja Tr2 bo postala pozitivna in ta napetost bo še naprej naraščala. Ko bazna napetost tranzistorja Tr2 naraste do 0,6 V, bo ta tranzistor pričel prevajati tok: njegova kolektorska napetost se bo znižala, ta padec napetosti se bo preko kondenzatorja C2 prenesel na bazo tranzistorja Tr1 in ta bo prenehala prevajati tok. Zato bo njegova kolektorska napetost naglo poskočila na 5 V, kar bo preko kondenzatorja C1 dovedlo tranzistor Tr2 v stanje zasičenja.
Stanji obeh tranzistorjev sta se skoraj trenutno spremenili, zato sem trenutek spremembe na rdečih diagramih označil z oznako »2«. To stanje se bo zadržalo dokler se C2 ne izprazni preko upora Rb2, nakar se bo spet spremenilo (trenutek »3«). Proces se ponavlja dokler je vezje priključeno na napetost napajanja, trajanje posameznega stanja je določeno z vrednostima C1 in Rb2, oziroma C2 in Rb1. Če je Rb1 = Rb2 in C1 = C2, bosta obe stanji trajali enako dolgo, frekvenca pravokotne napetosti, ki jo generira astabil se lahko približno določi po formuli na sliki 15.
Tukaj si lahko postavimo vprašanje, kaj se dogaja v trenutku, ko vezje povežemo na napetost napajanja. Oba kondenzatorja sta takrat prazna, napetost na njima je 0 V, vendar bosta oba tranzistorja preko svojih baznih uporov dobila dovoljšnji tok, da se postavita v zasičenje. Kolektorski napetosti bosta padli na 0 V, in ta padec se bo kot «negativni impulz« preko kondenzatorja prenesel na baze tranzistorja in jih bo poskušal izključiti. Če bi vsi elementi imeli točno enake karakteristike, bi to predstavljalo problem in astabil ne bi mogel zaoscilirati. Vendar pa obstajajo razlike med elektroniskimi komponentama: niti dva 15 kΩ upora nista enaka, niti dva kondenzatorja, na katerih piše oznaka 10 nF nimata točno takšno kapacitivnost, da tukaj ne omenjamo tranzistorskih karakteristik, ki se še najbolj medsebojno razlikujejo. Vse navedeno bo povzročilo, da en tranzistor prične prevajati če tudi samo malce hitreje od drugega in to je dovoljšnja nestabilnost, da se oscilacije pričnejo dogajati na opisani način.
Če želimo na astabilni multivibrator vezati pasivni brenčač (buzzer), si želimo, da z najmanjšo energijo dosežemo čim glasnejše piskanje. Brenčali so najglasnejši na svoji rezonančni frekvenci, ki je največkrat nekje okoli 4 kHz; z vrednostimi komponent, kot na sliki 15 spodaj bo astabil osciliral blizu te ciljne frekvence. Na sliki sta prikazani dve možnosti vezanja brenčača na bistabil: med kolektorja enega od tranzistorjev in mase (levo) ali namesto kondenzatorja C1 ali C2 (desno). Vtem zadnjem primeru smo izkoristili dejstvo, da je kapaciteta brenčača nekje okoli 10 nF, kar je ravno toliko, kolikor potrebujemo, da bi astabil osciliral na želeni frekvenci, in zato ga lahko aktivno vključimo v proces generiranja oscilacij.
RC oscilator
Shema na sliki 16 kaže RC oscilator z bipolarnim tranzistorjem. Napetostno ojačenje tranzistorja Tr1 je določeno z razmerjem upornosti njegovega kolektorskega upora in internega upora emiterskega vezja, ki je odvisen od emiterskega toka tranzistorja. Če izberemo upor Rb tako, da kolektorski in emiterski tok znašata okoli 1 mA, bo napetostno ojačenje med 60 in 70.
Da bi tranzistor zaosciliral je potrebno zagotoviti pozitivno povratno zanko, oziroma, potrebno je del izhodnega signala (s kolektorja) »v fazi« vrniti na vhod, to je na bazo. Ker sam tranzistor vnaša 180° fazni zamik (rast napetosti na bazi povzroči padec napetosti na kolektorju), mora povratna zanka zagotoviti dodatni zamik za 180°. Temu služijo trije RC filtri, katerih vrednosti je potrebno izbrati tako, da na želeni frekvenci vsak RC filter vnaša 60° fazni zamik. Tako bo skupni fazni zamik znašal 360°. Točno toliko je potrebno, da bi se izhodni signal vrnil na vhod »v fazi« in spodbudil oscilacije. Potrebno je še računati o dušenju v RC filtrih: to mora biti manjše od napetostnega ojačenja tranzistorja, sicer oscilacij ne bo.
Tukaj moramo poudariti, da »modri« upor iz tretjega RC filtra pravzaprav ne obstaja kot fizični upor: tvorijo ga vhodni upor tranzistorja in «preslikani« upor Rb. Vrednost vhodnega upora tranzistorja je odvisna od njegovega tokovnega ojačenja in njegovega emiterskega toka. Vrednost upora Rb se med »preslikavanjem« deli s faktorjem napetostnega ojačenja tranzistorja… Veliko je tukaj faktorjev, ki jih lahko samo približno ocenimo, zato za projektiranje RC oscilatorja ni dovolj samo določiti vrednosti komponent po formuli na sliki 16, pač pa je potrebnih tudi veliko izkušenj.
Dobro projektiran RC oscilator bo na kolektorju proizvajal izmenično napetost nepopačenega sinusnega signala frekvencije, ki preveč ne odstopa od zahtevane frekvencije. Shema na sliki 16 desno kaže eno konkretno rešitev, v kateri smo brenčač vključili v povratno zanko. Kapaciteta brenčača je okoli 10 nF in brenčač skupaj z uporom R1 na ciljni frekvenci tvori potreben fazni zamik okoli 60°. Drugih 60° zagotovi RC filter, ki ga tvorita C2 in R2, tretjih 60° pa kondenzator C3 z vhodnim uporom tranzistorja v paraleli s »preslikanim« uporom Rb. Optimalna vrednost upora Rb je v obsegu od 470 kΩ in 1,2 MΩ in je odvisna od tokovnega ojačenja tranzistorja Tr1 (pri tranzistorju BC548C tokovno ojačenje znaša med 500 in 900). Najlažje ga bomo izbrali tako, da izmerimo enosmerno napetost na kolektorju tranzistorja: želimo, da je ta napetost blizu polovice napetosti napajanja, kar je okoli 2,5 V. To je predpogoj za največjo amplitudo oscilacij in najglasnejše piskanje brenčača. Jasno je, da bodo spremembe vrednosti upora Rb vplivale na manjše spremembe frekvence, kar nam vtem primeru ni tako pomembno.
Na desni shemi na sliki 16 boste opazili tudi «modri« upor Re v emitorskem vezju tranzistorja Tr1. Ta niti ni pomemben za funkcioniranje vezja, vendar doprinese bolj »čisti« obliki signala, ki ga generira RC oscilator. Namreč če je ojačenje tranzistorja preveliko glede na dušenje v povratni zanki, bi lahko sinusni signal bil več ili manj popačen. Prav tako je upornost internega emiterskega upora odvisna od trenutnega emiterskega toka, ki se menja v ritmu oscilacij in povzroča razlike v obliki pozitivne in negativne polperiode sinusnega signala.
Upor Re pozitivno deluje na oba vzroka popačenj: zmanjšuje skupno ojačenje in «linearizira« skupno upornost v emitorskem vezju tranzistorja. Če pa ga povečamo nad nek vrednostjo, se bo amplituda oscilacij pričela zmanjševati in nato bodo oscilacije popolnoma prenehale. Najlažje ga je določiti z opazovanjem oblike signala z osciloskopom: optimalna vrednost je tista, pri kateri je amplituda oscilacij še vedno maksimalna. Brez osciloskopa izberite tisto vrednost, pri kateri je piskanje še vedno dovolj glasno. Ker je namen našega oscilatorja samo to, da dovolj glasno piska, oblika signala ni ključna in zato lahko upor Re tudi popolnoma izpustimo.
LC oscilator
Shema na sliki 17 predstavlja oscilator, katerega osnovo tvori nihajni krog s kondenzatorjem kapacitete C in tuljavo z induktivnostjo L. V nihajnem krogu se nabit kondenzator postopno prazni preko tuljave, katere induktivnost se najprej upira rasti toka skrozi tuljavo, nato «ne dopušča« da tok preneha teči. Zato bo tok nadaljeval teči tudi ko je kondenzator popolnoma izpraznjen, in ga bo ponovo nabil na začetno vrednost z obrnjeno polariteto napetosti. Proces se ponavlja v nasprotni smeri, frekvencija nihanja, ki tako nastaja, ustreza frekvenci, na kateri je induktivna upornost tuljave enaka kapacitivni upornosti kondenzatorja – od tod tudi izhaja formula za izračun frekvence na sliki.
Če želimo, da nihajni krog trajno oscilira, potrebno je nadomestiti izgube, ki nastajajo v opisanem procesu. Za to sta zadolžena tranzistorja Tr1 in Tr2: Tr1 deluje kot ojačevalnik, preko Tr2 pa je ustvarjena pozitivna povratna zanka, nujna za vzdrževanje oscilacij. Na skupnem emiterskem uporu obeh tranzistorjev, R1, se pojavljajo se kratkotrajni pozitivni impulzi, medtem ko je na nihajnem krogu pravilna sinusna napetost.
Čeprav se LC oscilatori najpogosteje uporabljajo za generiranje signalov visokih frekvenc, bomo s spretnim izborom komponent poskušali, da ga prilagodimo našim zahtevam. Na desni strani slike 17 je prikazana shema LC oscilatorja, ki oscilira na frekvenci okoli 4 kHz, idealni za pobudo pasivnega brenčača. Skupna kapacitivnost nihajnega kroga znaša okoli 49 nF, tvorijo jo kapacitivnbost brenčača in kapacitivnost kondenzatorja C. Da bi oscilator za osciliral na frekvenci okoli 4 kHz potrebujemo še 33 mH induktivnost. Takšne induktivnosti imajo sprejemljive dimenzije, lahko jih najdemo tudi v izvedbi, ki spominja na močnostne upore moči 1 W. Lahko bi izpustili kondenzator C, vendar bi takrat za doseganje želene frekvence 4 kHz bila potrebna petkrat večja induktivnost. Za katero koli izvedbo bi se odločili, mora induktivnost biti kvalitna, s čim manjšimi izgubami; v nasprotnem se bo amplituda zmanjšala ali pa bodo oscilacije popolnoma izostale.
Oscilatorji, ki smo jih predstavili vtem članku so klasika: prvi generira pravokotni signal, druga dva pa sinusni signal. Astabilni multivibrator bomo lažje postavili v delovno stanje kot RC in LC oscilatorja. Njuna prednost je v tem, da generirata približno pravilen sinusni signal, če ga potrebujemo.
V naslednji številki revije bomo predstavili še nekaj oscilatorjev, ki uporabljajo integrirana vezja in «neobičajen« UJT tranzistor. Nekateri od teh oscilatorjev so zaires minimalistični in je dobro spoznati način, kako delujejo.
Do branja naslednjič!
