Potem, ko smo preučili nekaj “klasičnih” izvedb tranzistorskih oscilatorjev, bomo v tej številki spoznali oscilatorje, ki jih je zelo lahko nastaviti in ki so sestavljeni iz zelo majhnega števila elektronskih komponent – od tod naslov “minimalistični oscilatorji”.
Avtor: mag. Vladimir Mitrović
Oscilatorje bomo projektirali za pobudo pasivnega brenčača, ki najbolj glasno piska v bližini svoje resonančne frekvence. Predpostavili bomo, da je to frekvenca okoli 4 kHz in bomo praktične izvedbe oscilatorja prilagodili prav tej frekvenci, vendar bodo opisani oscilatorji lepo delali znotraj celotnega avdio področja in tudi širše.
Ta vsebina je samo za naročnike
Oscilator z enospojnim tranzistorjem
Ko omenimo besedo “tranzistor”, najpogosteje pomislimo na “običajni” bipolarni tranzistor NPN ali PNP tipa, kot sta BC548 ali BC558 tranzistorja iz naših predhodnih projektov. Vendar obstajajo tudi druge izvedbe tranzistorjev, v tem projektu bomo spoznali eno od njih: enospojni (unijunction) tranzistor, UJT. Za razliko od bipolarnih tranzistorjev, ima enospojni tranzistor samo en PN spoj in po tem je bolj podoben polprevodni diodi kot tranzistorju ampak spet, kot “pravi” tranzistor, ima tri priključke: dve bazi (B1 in B2) in emitor (E). Z univerzalnim merilnim instrumentom bomo ugotovili, da med bazo obstaja ohmska upornost nekaj kΩ, medtem ko se spoj med emitorjem in vsake od baz obnaša kot polprevodna dioda.
S pomočjo enospojnih tranzistorjev lahko zelo enostavno konstruiramo oscilator. Če ga vežemo po shemi s slike 19, bo skozi UJT in skozi upora R1 in R2 stekel nek majhen tok, določen prvenstveno z upornostjo UJT-ja. Sočasno se bo preko upora R nabijal kondenzator C in na njemu bo napetost rastla. V trenutku ko napetost na kondenzatorju naraste do točke preklopa, bo UTJ močno prevajal med emitorjem in bazo B1; kondenzator se bo zelo hitro izpraznil, na uporih R1 in R2 se bo pojavil kratkotrajni pozitivni, oziroma negativni impulz. Ko se kondenzator izprazni, tok, ki doteka preko upora R ne bo dovolj visok, da obdrži UJT v stanju prevajanja in kondenzator se bo ponovno pričel polniti in napetost na njemu bo zopet rastla. V tem procesu na kondenzatorju nastaja žagasta napetost, katere frekvenca se lahko približno določi po formuli s slike. Koeficient “k” v formuli je odvisen od parametrov UTJ-a; za grobi izračun frekvence lahko računamo z vrednostjo okoli 0,8.
Shema na sliki 19 desno prikazuje konkretno izvedbo oscilatorja, projektiranega za pobudo pasivnega piskača. Piskač smo vezali namesto kondenzatorja C in tako izkoristili njegovo lastno kapacitivnost za nastanek oscilacija. Interesantno je opaziti, da “modra” upora R1 in R2 sploh nista pomembna za funkcioniranje vezja, zato ju lahko izpustite. Tako dobimo zares enostaven oscilator s samo tremi komponentami! Če vežemo namesto upora R trimer 22 kΩ, bomo z njegovim pazljivim nastavljanjem v nekem trenutku “zadeli” resonančno frekvenco piskača in takrat bo opazno glasneje zapiskal! Ta modifikacija je na shemi obarvana vijoličasto; v mojem primeru je resonančna frekvenca dosežena pri upornosti 17,5 kΩ.
Oscilator z integriranim vezjem TLC555
Shema na sliki 20 levo prikazuje oscilator z integriranim vezjem TLC555. V njemu se nahajata dva komparatorja, ki primerjata napetost na vhodih 2 in 6 z napetostjo napajanja, in postavljata izhodni pin 3 v stanje 0 (= 0 V) ali v stanje 1 (= 5 V). Oscilacije nastajajo na sledeči način:
Dokler je na izhodnem pinu 5 V, se kondenzator C polni preko upora R in napetost na njemu raste. Ko ta napetost doseže 2/3 napetosti napajanja, komparatorja postavljata izhodni priključek na 0 V.
Dokler je na izhodnem pinu 0 V, se kondenzator C prazni preko upora R in se tudi napetost na njemu niža. Takoj ko se ta napetost zniža na 1/3 napetosti napajanja, komparatorja postavljata izhodni priključek na 5 V in spet se prične proces polnjenja kondenzatorja.
Tako na izhodnem priključku nastaja izmenična napetost pravokotne oblike, medtem, ko je je napetost na kondenzatorju trikotna. Frekvenca nastalih oscilacij se precej točno lahko določi s formulo s slike.
“Modra” kondenzatorja vplivata na stabilnost in točnost oscilatorja, se pa lahko v manj zahtevnih aplikacijah izpustita. To nas pripelje do sheme na desni polovici slike 20, na kateri TLC555 krmili pasivni brenčač. Ker je kapacitivnost brenčača sestavni del oscilatorja, potrebujemo samo še en element – upor R – da bi dobili popolnoma uporaben oscilator. Kot tudi v preteklem primeru, fiksni upor R lahko zamenjamo s trimerjem vrednosti 22 kΩ in z njegovo pomočjo nastavimo frekvenco oscilacij tako, da piskanje postane najglasnejše. Alternativno lahko piskač vežemo na izhodni priključek 3, pri čemer bo piskanje precej glasnejše tudi če nismo točno zadeli resonančne frekvence. Seveda je v tem primeru med pina 2, 6 in mase potrebno postaviti kondenzator kapacitete 10 nF, da bi oscilator zaosciliral na frekvenci okoli 4 kHz.
Opomba: integrirano vezje v vezju po shemi na sliki 20 mora biti CMOS izvedbe (TLC555, GLC555, ICM7555, …). Klasični, bipolarni 555 timer, kot LM555, ne bo dal ustreznih rezultatov.
Oscilator z operacijskim ojačevalnikom
Oscilator, ki deluje na istem principu kot oscilator z integriranim timerjem TLC555, je lahko realizirati tudi s pomočjo operacijskega ojačevalnika (slika 21). Ker je operacijski ojačevalnik vezje za splošne namene, nima vgrajenih vseh komponent potrebnih za začetek oscilacij, zato jih bomo morati dodati od zunaj. Gre za upore R1, R2 in R3; če imajo te trije upori isto vrednost, prednapetost + vhoda operacijskega ojačevalnika, bo ali 1/3 napetosti napajanja (kadar je napetost izhodnega pina 0 V) ali 2/3 napetosti napajanja (kadar je napetost izhodnega priključka 5 V). Oscilacije nastajajo na naslednji način:
Dokler je izhodna napetost 5 V, prednapetost + vhoda znaša 2/3 napetosti napajanja, kondenzator C se polni preko upora R in napetost na njemu raste. Ko ta napetost doseže napetost na + vhodu, operacijski ojačevalnik postavlja izhodni priključek na 0 V.
Dokler je izhodna napetost 0 V, prednapetost + vhoda znaša 1/3 napetosti napajanja, kondenzator C se prazni preko upora R in napetost na njemu se niža. Čim se ta napetost zniža pod napetost na + vhodu, operacijski ojačevalnik postavlja izhodni priključek na 5 V, prednapetost + vhoda ponovno skoči do 2/3 napetosti napajanja in proces polnjenja kondenzatorja se ponovno prične.
Shema praktične rešitve oscilatorja z operacijskim ojačevalnikom, ki krmili pasivni brenčač, je prikazana je na sliki 21 desno. Kapacitivnost brenčača je sestavni del oscilatorja. Če je signal na pinu 2 “slab”, je potrebno “zadeti” resonančno frekvenco piskača. Zato je zaželeno da upor R zamenjamo s trimerjem upornosti 22 kΩ in ga nastavljamo dokler piskanje ni najglasnejše.
Alternativno lahko piskač vežete na izhodni pin 6. V tem primeru bo piskanje dovolj glasno tudi če nismo točno zadeli resonančne frekvence. Da bi dosegli želeno frekvenco približno 4 kHz, je med pina 2 in maso potrebno postaviti kondenzator s kapacitivnostjo 10 nF.
Tukaj moramo poudariti, da vsak operacijski ojačevalnik ni uporaben v oscilatorju tega tipa, posebej pri napetosti napajanja 5 V. Osnovna zahteva je, da izhodna napetost lahko varira v razponu od 0 V do napetosti napajanja, in da je vhodna upornost zelo velika. Danes je dostopnih več takšnih CMOS »rail-to-rail« operacijskih ojačevalnikov, vendar se večina proizvaja samo v SMD ohišjih. Za eksperimentiranje so precej bolj ugodna integrirana vezja v standardnem DIL ohišju in tukaj se izbira znatno zoži. Operacijski ojačevalnik, ki najbolj zadovoljuje postavljene pogoje je ICL7611, uporabljiv je tudi TLC271 z nekaj manjšo amplitudo izhodne napetosti.
Detektor električnih vodnikov z zvočno indikacijo
Ob raziskovanju različnih izvedb oscilatorjev se je rodila ideja, da detektor električnih vodnikov, narejen po shemi na sliki 13, obogatimo z zvočno indikacijo. Vsak od oscilatorjev, ki smo jih spoznali, je primeren za ta namen. Mi bomo kot primer na detektor povezali oscilator z UJT tranzistorjem (slika 23).
Ko se antena, vezana na bazo tranzistorja Tr1 nahaja v bližini električnih vodnikov, bo tranzistor Tr3 pričel prevajati in LED-ica bo zasvetila. Sočasno se bo tudi baza B1 spojila na maso in tudi oscilator z UJT tranzistorjem bo pričel delovati in iz brenčača se bo zaslišalo piskanje. Brez kondenzatorja C1 je to piskanje prekinjeno in zveni kot brum s prizvokom visokih tonov. Če z osciloskopom pogledamo signal na kolektorju tranzistorja Tr3 bomo videli, da tranzistor ne prevaja trajno, ampak se na njemu pojavljajo ožji ali širši negativni impulzi frekvence 50 Hz. In LED-ica se vklaplja in izklaplja v istem ritmu, vendar to ni lahko opaziti; vendar oscilator se bo aktiviral samo takrat, ko je impulz prisoten in to tudi slišimo na opisani način.
Če dodamo v vezje kondenzator C1, se bo zelo hitro izpraznil ko Tr3 prične prevajati, ampak bo potreboval nek kratek čas dokler se ponovno ne napolni: impulzi bodo postati širši, LED-ica bo močneje svetila in piskač bo glasneje piskal z manjšim prizvokom nizkih frekvenc. To poboljšanje je toliko bolj poudarjeno, če je večja kapacitivnost kondenzatorja C1. Vendar pa s tem ne velja pretiravati: s kapacitivnostmi nad 100 µF prihaja do “zadržanja”, oziroma, vezje ostane kratkotrajno aktivno tudi ko pobude ni več.
