Colpittsi ostsillaator

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
Colpittsi ostsillaatori võnkering

Colpittsi ostsillaator on üks LC-ostsillaatorite ja elektrooniliste ostsillaatorite lülituste disain, mis kasutab kondensaatoreid ja induktiivpoole, et tekitada võnkumisi kindlatel sagedustel. Colpittsi ostsillaator kasutab mahtuvuslikku kolmpunktlülitust, mis koosneb kahest jadamisi asuvast kondensaatorist ja kondensaatoritega rööbiti asuvast induktiivpoolist. Colpittsi ostsillaatorit teistest ostsillaatoritest eristav omadus on aktiivelemendi tagasiside, mis võetakse pingejagurina toimivate kondensaatorite vahelt.

Colpittsi ostsillaatori leiutas 1918. aastal Ameerika insener Edwin H. Colpitts.[1]

Colpittsi ostsillaatori eelised ja puudused[muuda | muuda lähteteksti]

Colpittsi ostsillaator on üldiselt kasutusel raadiosageduslikes rakendustes, mille tööpiirkond jääb enamasti sagedusvahemikku 20 kHz kuni 300 MHz. Colpittsi ostsillaatori tagasiside mahtuvusliku pingejaguri kaudu võnkeringis annab parema sageduse stabiilsuse kui Hartley ostsillaator, mille tagasiside toimub induktiivse pingejaguri kaudu. Peamine Colpittsi ostsillaatori eelis Hartley ostsillaatori ees on parem sooritus kõrgemate sageduste piirkonnas. Selle põhjuseks on kondensaatorid, mis võimaldavad madala reaktiivtakistusega läbipääsu kõrgemate sageduste piirkonnas. Sellest tingituna on väljundsignaal kõrgetel sagedustel sarnasem puhta sinusoidiga, mille tõttu saab Colpittsi ostsillaatorit kasutada ka mikrolainete rakendustes.

Ostsillaatori rakendustes, kus on vaja kõrgemat sagedusstabiilsust, kui seda pakuvad LC-ostsillaatorid, on võimalik kasutada kvartskristalle, mis tagavad kindlas sagedusvahemikus stabiilsemad võnkumised. Kvartskristallid on vähem tundlikud temperatuuri ja toitepinge kõikumiste osas kui kondensaatorid ja induktiivpoolid. Kvartskristalle saab kasutada ostsillaatorites lisastabiilsuse saamiseks Colpittsi ja Hartley lülitustes.

Tööpõhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

Colpittsi ostsillaator koosneb nagu teisedki LC-ostsillaatorid võimendavast elektroonikakomponendist (näiteks bipolaartransistor, väljatransistor, operatsioonvõimendi, vaakumlamp), mille väljund on ühendatud sisendiga, kasutades tagasisidet. Colpittsi ostsillaatori puhul toimub tagasiside läbi mahtuvusliku kolmpunktlülituse, mis toimib kui ribafilter, lastes läbi ainult kindlat sagedust.

Colpittsi ostsillaator on elektriliselt sarnane Hartley ostsillaatoriga, kus tagasiside võetakse induktiivsest pingejagurist, mis koosneb kahest jadamisi poolist, mis on rööbiti kondensaatoriga.

Colpittsi ostsillaatori sagedus on arvutatav valemiga:

Kus f0 on ostsillaatori sagedus, L on induktiivpooli induktiivsus ja C1 ning C2 on kondensaatorite mahtuvused.

Ostsillaatori tegelik sagedus on veidi madalam parasiitmahtuvuste olemasolu tõttu reaalsetel skeemidel. Kõigil ostsillaatoritel peaks stabiilseks toimimiseks olema aktiivelemendi võimendus veidi suurem kui sumbuvus mahtuvuslikus pingejaguris. Colpittsi ostsillaatorit saab kasutada muutuva sagedusega ostsillaatorina, kui kasutada induktiivpooli induktiivsuse muutmist sageduse reguleerimiseks. Kui tahetakse kasutada kondensaatorit sageduse muutmiseks, tuleks lisada kolmas kondensaator jadamisi või rööbiti induktiivpooliga (Clappi ostsillaator).

Tööpõhimõte transistoriga[muuda | muuda lähteteksti]

Skeemi näide Colpittsi ostsillaatorist transistorist

Tüüpiline näide Colpittsi ostsillaatorist, kasutades bipolaartransistorit, on näidatud kõrvaloleval joonisel. Takistused R1 ja R2 moodustavad pingejaguri, mis määrab transistori baasipinge. Takistus R4 muudab võimendatud voolu väljundpingeks. Cin on lahtisidestuskondensaator sisendi ja Cout on lahtisidestuskondensaator väljundi jaoks. Re on emittertakisti, mis tekitab negatiivset tagasisidet, et stabiliseerida näiteks temperatuuri mõju skeemile. Ce on emitterkondensaator, mille ülesandeks on võimendatud vahelduvvoolu möödajuhtimine emittertakistist Re. Ilma emitterkondensaatorita langeks võimendatud vahelduvvool emittertakistile ja muudaks transistori alalisvoolu tingimusi ja tulemuseks oleks vähenenud võimendus. Kondensaatorid C1 ja C2 ning induktiivpool L1 moodustavad võnkeringi. Tagasiside antakse transistori baasile võnkeringi mahtuvusliku harundi kaudu.

Peale pingeallika sisselülitamist hakkavad kondensaatorid C1 ja C2 laaduma. Peale kondensaatorite täitumist hakkavad kondensaatorid tühjenema läbi induktiivpooli L1. Kondensaatori tühjenemisel muutub kondensaatoril salvestatud elektrostaatiline energia induktiivpooli magnetvooks. Edasi hakkab induktiivpool tühjenema ja kondensaator laaduma. Energia kandumine kondensaatorite ja induktiivpooli vahel on aluseks võnkumiste tekkimisele. Kondensaatoril C2 tekkinud pinge on vastasfaasis kondensaatoril C1 tekkinud pingega. Tagasisideahelasse kandub kondensaatoril C2 tekkinud pinge, mis ilmneb transistori kollektoril ja emitteril.

Transistor kompenseerib võnkeringis kaduma läinud energia ning tekivad sumbumatud võnkumised. Võnkering tekitab 180-kraadise faasinihke, millele lisandub transistori tekitatud 180-kraadine faasinihe, mille tulemusena on sisendi ja väljundi faasinihe kokku 360 kraadi. Sumbumatute võnkumiste tekkimiseks peab kogu faasinihe skeemis olema φ=n2π ja amplituudi tasakaalu säilimiseks peab võimendustegur ku ja tagasisideahela ülekandeteguri γ korrutis olema . Antud tingimusi nimetatakse sumbumatute võnkumiste faaside ja amplituudide tasakaalu tingimusteks.

Tööpõhimõte operatsioonvõimendiga[muuda | muuda lähteteksti]

Colpittsi ostsillaator operatsioonvõimendiga

Tüüpiline Colpittsi ostsillaatori skeem operatsioonvõimendiga on esitatud kõrvaloleval joonisel. Operatsioonvõimendi on ühendatud skeemis inverteerivas režiimis, kus R1 on sisendtakistus ja Rf on tagasiside takistus. Operatsioonvõimendiga koostatud ostsillaatori eelis on võimalus muuta võimendust, kasutades skeemikomponente Rf ja R1. Inveerteeriva operatsioonvõimendi võimendus on arvutatav valemiga:

Ülejäänud komponendid ei mõjuta skeemi võimendust märkimisväärselt. Transistoriga Colpittsi ostsillaatori võimendus on sõltuv enamikust skeemi komponentidest ja on selle tõttu raskemini leitav. Operatsioonvõimendit kasutava Colpittsi ostsillaatori tööpõhimõte on sarnane transistorit kasutava Colpittsi ostsillaatori omaga.

Clappi ostsillaator[muuda | muuda lähteteksti]

Clappi ostsillaator

Clappi ostsillaator, mille avalikustas James Kilton Clapp aastal 1948[2], on edasiarendus Colpittsi ostsillaatorist. Clappi ostsillaatori erinevus on üks lisakondensaator võnkeringis, mis on ühendatud jadamisi induktiivpooliga.

Peamine põhjus lisakondensaatori C3 lisamiseks on vajadus muuta võnkeringi sagedust. Selleks kasutatakse kondensaator C3-na muutkondensaatorit. Muutuva sagedusega Clappi ostsillaatori rakendustes valitakse C1-ks ja C2-ks kindla väärtusega kondensaatorid. Kondensaatori C3 lisamine võimaldab muuta võnkeringi sagedust ilma tagasiside tugevust mõjutamata. Võnkeringi kondensaatori C3 lisamisel tuleb seda arvesse võtta ka ostsillaatori töösageduse arvutamisel. Uus sageduse arvutamise valem oleks sel juhul:

Kus f0 on võnkeringi võnkesagedus, L1 on võnkeringi induktiivpooli induktiivsus ning C1, C2 ja C3 on võnkeringi kondensaatorite mahtuvused.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 2. US 1624537, Colpitts, Edwin H., "Oscillation generator", avaldatud 1. veebruar 1918, välja antud 12 April 1927
  2. 1. J. K. Clapp, "An inductance-capacitance oscillator of unusual frequency stability", vol. 367, pp. 356–358, Märts 1948

Kirjandus[muuda | muuda lähteteksti]

  • Gottlieb, Irving Gottlieb (1997). Practical Oscillator Handbook. US: Elsevier. p. 151. ISBN 0750631023.

Välislingid[muuda | muuda lähteteksti]