Vidlákovo elektro 67. LC oscilátory 1.

16. ledna 2014 v 5:21 | Petr |  Vidlákovo Elektro
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".
 

2 lidé ohodnotili tento článek.

Komentáře

1 m.marianek m.marianek | 16. ledna 2014 v 10:18

"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. ;-)

2 Dalík Dalík | 16. ledna 2014 v 10:25

Bože to jsou rány takhle po ránu, čas vzniku 5:21, neskutečný. Tohle je elitní článek, opravdu.
A vidíte, Dobeš, jeden z nejlepších na Felu a prý nepochopil...
Nelze se pak divit, že většina mladých jde studovat sociologii a zbytek dohání znalosti na webu bláznivého internisty.
Já tedy z toho článku nechápu nic, ovšem to je jedno, je to dobrej článek.

Ale vážně, představme si černou skříňku, ve které je v sérii zapojena cívka s kondíkem. Jsme schopni měřením zjistit, v jakém jsou prvky pořadí? Podle mě ne, proto je taky jedno, zda-li je C3 připojen z bázi, nebo zemi. Tedy ten oscilátor vlevo je Colpitts, který by fakt nefungoval a ten v pravo je skutečně Clapp.

3 Dalík Dalík | 16. ledna 2014 v 10:49

Jo, a ten základní Hartlejův oscilátor by fungoval i bez vzájemné magnetické vazby, tedy bez autotransformátoru, jen s dvěma cívkami.

4 m.marianek m.marianek | 16. ledna 2014 v 11:00

[2]:Právě jsem to sem chtěl taky napsat, jen jste mě předběhl, oscilátor vpravo je Clapp a je jedno jestli je kondenzátor dole, nebo nahoře. Když už se bavíme o rezonanci a oscilátorech, on si málokdo uvědomuje, že rozdíl mezi seriovým a paralelním LC obvodem ne ní v LC obvodu samotném, ale v jeho připojení ke zdroji signálu, nebo k místu kde signál odebíráme. Rezonance je jen jedna a není ani seriová, ani paralelní, je to jen přelévání energie mezi reaktancemi opačného znaménka. Co se týče té černé skříňky, pokud ji uvažujeme jen v teoretické rovině, bez parazitních vlastností, tak je nemožné rozdíl zjistit. U praktického provedení v plechové skříňce můžeme díky parazitním kapacitám vůči obalu skříňky zjistit rozdílné vlastnosti jednotlivých vývodů, ale to už vlastně není dvojpól, ale čtyřpól, což je v rozporu s původním zadání. :-)

5 Dalík Dalík | 16. ledna 2014 v 11:20

Ano, rozdíl mezi paralelním a sériovým je významější až při připojení rezistoru, tedy v RLC. V sériovém rezistor ubližuje cívce, v paralelním kondenzátoru, proto jsou pak vztahy pro Q opačné.

6 rvx rvx | 16. ledna 2014 v 11:49

jó schémata - na těch to vypadá veelmi jednoduše. Horší je, když se pak člověk rozhodně něco podobného postavit, aby to kmitalo jen na jedné, stabilní frekcenci. Obzvláště vhodná zábava pro choleriky jako jsem já :)

7 petr-kubac petr-kubac | 16. ledna 2014 v 13:19

[2]: To není tak těžké stačí některý z kondenzáotrů změnit o známou kapacitu a spočítat jak velké změně "virtuální" kapacity by odpovádala nová frekvence kmitání - a hned vám bude jasné jestli kondenzátory kolem tranzistoru jsou do série nebo paralelně k cívce

8 Dalík Dalík | 16. ledna 2014 v 13:38

[7]:: tak, asi si nerozumíme, ale narážel jsem na to, že je úplně jedno, jestli je ten kondenzátor v clapově oscilátoru připojen k zemi, nebo k bázi tranzistoru.
Krom toho, jak již bylo správně řečeno mm, LC obvod je jen jeden. Takže z hlediska frekvence kmitání je úplně fuk, zda-li měníme hodnotu C1, C2 nebo C3.

9 petr-kubac petr-kubac | 16. ledna 2014 v 14:06

C1, C2, C3 jsou zapojeny v sérii - na celkovou kapacitu ma největší vliv nejmenší z nich. C2 má při malých hodnotách menší vliv na frekvenci než ostatní dva protože paralelně k němu jsou kapacity tranzistoru.

Pokud C3 uděláte obrovský (řádově většíú než C1, C2 bude se oscilátor chovat jako čistý Coplitts to jest pokud paralelně s cívkou dáte dalích 10 pF pokles frekvence bude přesně odpovídat změně o 10 pF.

Pokud uděláte C3 tak malý jako v Clappu - nebude kmitat. Přesunete C3 mezi cívku a zem a obvod se krásně rozkmítá. Pak připojíte k hornímu konci kapacitu 10 pF - a nestane se (téměř nic) protože to je jen další kapacita paralelní s již dostí velkou sériovou kombinací C1 + C2 - prostě Clapp.

Tolik praktické zkušenosti ze spouty opravdu -fyzicky - postavených oscilátorů.

10 m.marianek m.marianek | 16. ledna 2014 v 15:16

[9]: Principiálně musí být jedno, jestli je C3 mezi cívkou a zemí, nebo mezi cívkou a bází. Pokud v některé z těchto kombinací nechce oscilátor nasadit, mohou to mít na svědomí parazitní vazby. Kondenzátor se většinou dává dolů, protože bývá ladicí a je celkem prima, že můžeme jednu jeho stranu uzemnit (zpravidla tu na kterou se při prolaďování sahá). Sériový obvod je pořád stejným sériovým obvodem ať už je v pořadí LC, nebo CL.

11 Dalík Dalík | 16. ledna 2014 v 15:56

9: jen jestli to nejsou zkušenosti z kontaktního pole :))...

myšlenkový pochod..:

Pokud bude C3 obroský, tak to bude kolpic, páč to bude, jako by tam ten C3 vůbec nebyl, s tím nemám problém.

Pakliže se obvod rozkmitá po přepojení C3 seshora dolů, tak bych řekl, že to znamená, že je paralelně k cívce připojen parazitní kondenzátor na zem, který, pakliže je C3 nahoře, vytváří společně s cívkou další rezonanční obvod  s mnohem vyšší frekvencí, než která je daná kombinací C1-C3 a L a tudíž z nějakých důvodů to potom nekmitá, páč pro žádoucí frekvenci se tato kombinace chová jako zkrat a ne jako indukčnost... Kdežto po přepojení C3 k zemi se parazitní kapacita cívky přehodí paralelně k C1 a C2, kde vůbec nevadí, páč je mnohem menší, i než kombinace C1+C2. A potom pro kmitání je nejdůležitější onen malý C3 v sérii s cívkou..
Takže ano, takovéto vysvětlení bych asi akceptoval...

12 rvx rvx | 16. ledna 2014 v 18:53

pro zájemce o stavbu LC oscilátoru doporučuju přečíst tohle:
http://www.volny.cz/pjenicek/radio/10poscil.html

13 kolemjdoucí kolemjdoucí | 16. ledna 2014 v 22:54

Kurňa blog debilní (myslím co se týče formy), ale co se týče obsahu tak je zlatej, až je toho pro Novu škoda. Já jsem začal rovnou s číslicovou, ale tohle už je poněkolikátý, co mě tenhle blog (a hlavně jeho autor) inspiruje zkusit taky něco "z analogu".

14 m.marianek m.marianek | 20. ledna 2014 v 14:36

Když už se tu probírají oscilátory a jejich stabilita, tak mi nedá abych se nezmínil o Butlerově oscilátoru (většinou se dvěma tranzistory) a Meachamově oscilátoru. Jsou to oscilátory které se používají především jako krystalové (u LC postrádají jejich vlastnosti význam). Meachamův oscilátor je v můstkovém zapojení, je složitý na konstrukci a nastavení a v běžné praxi se téměř nepoužívá, ale poskytuje nejlepší stabilitu. Ovšem Butlerův oscilátor je jiné kafe, ten se používá tam kde chceme i při relativně jednoduchém zapojení z krystalu vyždímat co nejlepší stabilitu. I když se to robotiky netýká (v robotovi asi není potřeba přesně měřit, nebo generovat frekvenci), přeci jen to do oblasti jednočipů zasahuje (pozn. pro "kolemjdoucího" to je to hezké propojení analogu s digitálem), snad každý kdo začínal s jednočipy stavěl hodiny a pak třeba čítač a byl celkem překvapen, jak mizerné oscilátory v jednočipech jsou a jak se hodiny předbíhají/zpožďují, případně jak vůbec nejdou nastavit na požadovanou frekvenci a neustále se předbíhají. Oscilátory v jednočipech jsou s hradly, nevynikají ani přesností, ani stabilitou a řekl bych že i pracují s paralelní rezonancí místo seriové (proto se hodiny předbíhají ať děláme co děláme). V honbě za lepšími parametry se tedy pokorně obracíme zpět k opovrhované analogové technice a stavíme tranzistorový krystalový oscilátor (a ještě k tomu s "fuj" cívkami). Nuže vězte, že když už se chcete "srát" s tranzistory, nechoďte ke kovaříčkům, ale rovnou ke kováři, použijte místo jednoho hned dva tranzistory a o pár odporů a kondenzátorů víc. Výsledkem (snad) bude Butlerův oscilátor s dvěma tranzistory (jeden v zapojení SB, druhý SC), jehož stabilita už opravdu závisí především na vlastnostech krystalu a ne okolních součástek. Např: http://www.hq-elektronic.eu/ref_osc.html
Další zlepšení se pak dosahuje už jen teplotní kompenzací, termostatováním a hledáním vhodné teploty termostatu na vrcholku teplotní křivky krystalu. A kdyby vás někdy překvapilo, že vám hodiny několik dní drží na sekundu přesně s časovým znamením a pak z ničehož nic ujedou, zkuste si zjistit, jestli během té doby nedošlo náhodou k "přestupné minutě", ona totiž hodina nemusí mít vždycky 60 sekund. :-)

15 Dalík Dalík | 20. ledna 2014 v 15:13

[14]:: kolego, nevíte nějaké zapojení pro opravdu nízkopříkonový "hodinkový" oscilátor? Mně se zatím podařilo asi 20 uW s hradlem 4001 (odběr cca 7 uA při 3V napájení), ale podmínka je, že to musí být hradla typu UB, která jsou lepší pro analogové záležitosti, nikoli běžná B. Blbě se sháněj, obvykle prodavači nevěděj, protože to taky nemusí být označeno jako UB, páč různí výrobci mají různá značení....
Co jsem se kdysi díval na různé patenty, tak nízkopříkonová zapojení jsou dělána obvykle také technologií CMOS, ale jedná se o zákaznické obvody přímo do hodinek, nejde to normálně postavit.
Jestli by šlo třeba s těmi tranzistory tu spotřebu snížit pod nějakých 10 uW, čert ví...bylo by to fajn..
Chci to na buzení jednočipu (Propelleru), nepřesnost by nevadila, protože programově jde udělat korekce.

16 m.marianek m.marianek | 20. ledna 2014 v 17:47

[15]: Obávám se kolego, že jste u diskrétního zapojení došel na fyzikální hranice. Přes každý pikofarad teče při 3V a 32768Hz proud cca 0,6uA a počítám, že těch pikofaradů bude po cestě nemálo. Viděl jsem integrované schéma ultra low power krystalového oscilátoru, ale napájeli ho asi půlvoltem a bylo to integrováno, takže kapacity desetin až setin pF (je fakt, že měl spotřebu hodně pod 1uW). V podstatě se jednalo o dvě komplementární dvojice MOSFETů se spojenými GATE (fungovali asi jako lineární zesilovače) a mezi těmito stupni byly zapojeny dva stejné krystaly, vždy mezi výstupem jedné dvojice a vstupem druhé dvojice. V podstatě takový "multivibrátor" který má místo kondenzátorů zapojené krystaly.

17 Dalík Dalík | 21. ledna 2014 v 19:35

15: děkuji za reakci. Ovšem, ty farady já nevím...tento výpočet by fungoval, kdyby byl ten pikofarad připojenej přímo na střídavej zdroj. Což ale si myslím, že nemusí tak bejt. Na nabití pikofaradu o 3V 32768x je třeba pouze 0,1 uA. Protože když se bude ten pikofarad vybíjet, tak už se nebude vybíjet ze zdroje, řekl bych.
Jak kterej asi.
Dále bych nepočítal pikofarady v samotném oscilátoru, ale pouze ty v okolí spínacího prvku. Oscilátor bude žrát v závislosti na Q a tím nakmitaném napětí.

18 m.marianek m.marianek | 21. ledna 2014 v 20:43

[17]:Musí se počítat ty pikofarady, které nebudou součástí kmitavého obvodu krystalu (tj. ty které nebude krystal krmit svou "indukčností"). Určitě budeme signál brát přes nějaký oddělovací stupeň, jehož výstup má svou vlastní kapacitu a bude krmit nějaký vstup, který má také svou vlastní kapacitu, tyto kapacity už jsou mrtvé, tj. musíme je krmit.

19 Osmdesát Osmdesát | 13. září 2015 v 20:36

„Vačkářův oscilátor (...) na tomto blogu též známý jako "nejubožejší".“ --- no nevím nevím, zda je vhodné takto nazývat oscilátor o stabilitě 10-4 a široké přeladitelnosti beze změny amplitudy. Autor článku asi není moc velký vlastenec (pravda, vlastenectví dneska není v módě, spíš opak). Nadto komunisté Vackáře také moc rádi neměli, a tak byl záměrně v literatuře opomíjen nebo zmiňován okrajově, tak proč v jejich způsobech nepokračovat i teď, že...

20 petr-kubac petr-kubac | 17. září 2015 v 16:43

[19]: Cituji doslova : klasický zesilovač se společným emitorem - na tomto blogu též známý jako "nejubožejší"

Takže z porozumění psanému textu máte 2 Ing Vačkář má z oscilátorů 1

Komentáře jsou uzavřeny.


Aktuální články

Reklama