Předem mého blogu musím poznamenat, že oscilátory jsem probíral už zde - díl : 1 - 2 - 3 - 4. Nyní však nastalčas probrat LC oscilátory - tedy oscilátory s cívkou. Jelikož můj názor je , že největším pokrokem moderní elektroniky je likvidace jakýchkoliv cívek ze zpracování signálu stejně nakonec dojdeme k názoru, že LC oscilátory jsou úplně k ničemu. Pokud ale nějakou věc nepoužívám je třeba detailně vědět proč a v rámci "poznej svého nepřítele" je dobré i o obvodech "k ničemu" vědět, protože "výjimka potvrzuje pravidlo" a někdy mohou takové obvody být k něčemu.
Pokud jste viděli jakýkoliv (alespoň částečně realistický) film o Titaniku - jistě vás zaujme že radisti od firmy Marconi vysílali SOS "jiskrovou telegrafií" s Wagnerovým kladívkem - což je totéž jako byly staré zvonky. Paličkou se přerušoval proud v primárním vinutí, tím se v sekundárním vinutí naindukovalo obrovské napětí a délka jiskry v jiskřišti spolu s rozměry antény určovala frekvenci. Tedy signál takto generovaný byl z hlediska frekvence "od Šumavy k Tatrám" - a taky si můžete být jisti, že telegrafisti, kterých bylo po celém světě jen pár se slyšeli skoro všichni navzájem.
V roce 1906 Lee de Forest vynalezl elektronku. Je paradoxní že fyzikální princip vlastního vynálezu až do smrti nepochopil - tak je jeho autorství trochu pochybné, ale to není problém. Vtip je v tom, že výrobci rádií zajásali, protože konečně byl k dispozici prvek použitelný jako zesilovač. Doté doby byly všechna rádia de facto krystalky, které navíc místo diod používaly k detekci nepochopitelnou obludnost jménem koherer. Takže ihned po vynálezju elektronek nastala honba za zesílením VF signálu, která brzy skončila tím, že vysoce zesilující zesilovače se rozkmitaly. Vtip byl v tom, že některé zesilovače kmitaly a jiné nekmitaly - a dokonce kolovala hořká poučka - "chceš - li oscilátor stavěj zesilovač". proč tomu tak je nebylo příliš známo až to v roce 1921 rozetnul Heinrich Georg Barkhausen.
Musím přiznat, že kromě Barkhauzenovy teorie stability zesilovačů existuje i Nyquistova teorie a ještě Rough-Hurwitzova teorie. Jako vidlák matematiku neovládající uvíznul jsem v roce 1921 a Barkhausenova teorie mi zatím stačila. Vtip je v tom, že pokud u nějakého obvodu (zesilovače) existuje bod, kde fázový posun proti vstupu dosahuje 360 stupňů a zesílení v tomto bodě je větší nebo rovno 1 - zesilovač se rozkmitá na této frekvenci. Dokonce se dá říci, že pokud je zesílení přesně 1 obvod produkuje sinusovku (harmonický oscilátor) pokud je (významně) větší obvod produkuje více nebo méně lichoběžníkový až obdélníkový signál.
Jenom taková odbočka Schmidtův klopný obvod má hysterezi - což matematicky vzato je ekvivalent nekonečného zesílení, proto pokud u něho spojíte vstup s výstupem aby vzniklo alespoň nějaké fázové zpoždění bude kmitat VŽDY a vždy to bude OBDÉLNÍKOVÝ signál.
Takže od roku 1921 máme teorii, která rozetla do té doby jednotnou skupinu elektrických obvodů na zesilovače a oscilátory. Na pomezí této skupiny byly zesilovače s pozitivní zpetnovu vazbou - kdy jedna cívka chytala užitečný signál jako anténa a druhá cívka vracela malou část signálu do první cívky - čímž se obrovsky zvedlo zesílení ( a selektivita obvodu) od takových obvodů je jenom krok k jednomu z nejstarších LC oscilátorů - Hatleyově oscilátoru, který vidíte na obrázku. Doufám že je vám to principiálně jasné - JFET tranzistor pumpuje proud do dolní části vinutí cívky a tím celá cívka funguje jako autotransformátor takže na horní části cívky se nakmitá o něco větší napětí, které nám žene GATE - BÁZI - MŘÍŽKU zesilujícího prvku. Cívka s kondenzátorem tvoří paralelní LC obvod, který má na frekvencí rezonance největší odpor protí zemi a na této frekvenci taky oscilátor kmitá.
Samozřejmě, že v rámci fóbie z cívek - motat dneska cívku - dokonce s odbočkou - je něco nepředstavitelného, proto o tři roky později byl vynalezen Colpittsův oscilátor, který je naprosto stejný, akorát místo cívky s odbočkou má "kondenzátor s odbočkou" - a protože kondenzátor s odbočkou vlastně neexistuje - má vlastně kondenzátory dva. Sám nerozumím tomu jak to funguje - ale prý je to zcela stejné jako u cívkové verze - tedy tranzistor "pumpuje" proud do dolního kondenzátoru a tím se na horním kondenzátoru "nakmitá" napětí - jak je to možné, když mezi kondenzátory není vazba elektromagnetickou indukcí - ví snad jedině pan inženýr Colpitts. Nícméně jsem tento oscilátor opakovaně stavěl a opravdu kmitá - jak má.
Colpitts je již postavitelný, z jistého důvodu ale není můj oblíbený. Tím je Clappův oscilátor, který je podle schématu Colpittsu velice podobný, ale ve skutečnosti se svými vlastnostmi od něj liší jako den od noci. Kdykoliv čtu knihu o elektronice tak podle toho jak autor vnímá rozdíl mezi těmito dvěma oscilátory poznám jestli je někdy stavěl nebo ne.
Varováním nám budiž tento studijní materiál ČVUT, odkud je obrázek, na kterém autor nepochopil, že oba oscilátory jsou Colpitts jenom ten vlevo by nikdy nefungoval, protože cívka stejnosměrně zkratuje bázi tranzistoru. Tedy CLAPP je oscilátor kde kondenzátor je MEZI CÍVKOU A ZEMÍ ne na horním konci cívky. Jistě vám právě z mého detailismu dochází trpělivost. Tedy princip je v tom, že Colpitts je řízen PARALELNÍM LC obvodem zatímco CLAPP je řízen SÉRIOVÝM LC obvodem. To stále nevypadá jako zásadní rozdíl, ale je. U Colpittse jsou kondenzátory C1, C2, C3 paralelně s cívkou a tudíž vytvářejí "mrtvou kapacitu" která nám akorát ztězuje ladění. Mrtvou kapacitu vytvářejí i všechny parazitní kapacity na plošném spoji atd. Tudíž máme snahu aby C1, C2 i C3 byly co nejmenší jenom aby oscilátor tak tak kmital.
U Clappova oscilátoru o frekvenci jednozačně rozhoduje kombinace C0, L. Ostatní kapacity, včetně parazitních jsou "v sérii" s LC obvodem - tudíž máme zcela opačnou motivaci - snažíme se aby C1, C2 i C3 byly co největší - jenom aby oscilátor tak tak kmital. Tím se nám s velikými sériovými kapacitami malé parazitní kapacity úplně ztratí. Díky tomu můžeme využít i varikapy (porobereme později) s nepatrnou kapacitou a můžeme konstruovat LC oscilátory vysoce stabilní - to jest typu "obrovská indukčnost a malinkatá kapacita".
Formálně vzato jako základní se považují ještě Armstrongův oscilátor s VF transformátorem a Vačkářův oscilátor - ten je zapojením i vlastnostmi podobný Clappu akorát nevyužívá jako zesilující prvek emitorový sledovač, ale klasický zesilovač se společným emitorem - na tomto blogu též známý jako "nejubožejší".
Pro dnešek jsme opět vyčerpali téma i mně proto zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - až bude manžel namítat, že jste se po svatbě přestala "dobře oblíkat" - nepouštějte se do argumentace jestli je to pravda, nebo ne, chytrá žena místo toho lakonicky prohlásí "kup mi, co chceš abych nosila" - jemom by tahle dohoda měla mít nějakou pojistku, aby vás pak na ulici nesbalili policajti za "ohrožování mravnosti".
Dalík | 16. ledna 2014 v 10:25
"jak je to možné, když mezi kondenzátory není vazba elektromagnetickou indukcí" ví nejen pan Colpitts, ale i pan Mariánek a s ním spousta dalších lidí. Jak už jste řekl, tranzistor pumpuje proud do dolního tranzistoru na kterém se tímto zvedá napětí a bude tedy o něco vyšší, než by bylo kdyby tam tranzistor proud nepumpoval. To je sice hezký, ale jak se nám vlastně ta energie "přelije" do ostatních prvků LC obvodu? Jednoduše. Tím, že jsme zvedli napětí na spodním kondenzátoru, jsme zároveň posunuli nahoru i napětí na horním konci horního kondenzátoru. Do cívky se tedy přelije větší náboj (energie) a to nám kryje ztráty v LC obvodu a oscilátor kmitá. Je to podobné, jako když jsem za mlada nevěděl jak je možné, že se přes malou kapacitu v LC obvodu nakmitá daleko větší napětí, než je napětí zdroje, který přes tu malou kapacitu ten LC obvod krmí (standardní vazba na LC obvody např. v mf zesilovačích). Když pochopíte tohle, budete stejně chytrý, jako pan Colpitts. ;-)