Praktická elektronika/RC oscilátory

Oscilátor je zdroj harmonických (sinusových) kmitů.

Když se na schéma podíváme blíž, zjistíme, že sestává ze dvou částí:

• zesilovače a
• obvodu zpětné vazby, který přivádí (vhodně upravený) signál z výstupu zpět na vstup.

Samozřejmě, že kdybychom u běžného zesilovače s kladným zesílením připojili výstup přímo na vstup, obvod by se okamžitě přepnul do minimální nebo maximální výchylky a v ní by setrvával. Tím bychom vytvořili tzv. stejnosměrnou kladnou zpětnou vazbu.

Pokud bychom naopak připojili výstup na vstup u zesilovače se záporným zesílením, zavedli bychom zápornou zpětnou vazbu. Obvod by se ustálil na nějaké střední hodnotě. To je stejnosměrná záporná zpětná vazba a používá se často pro stabilizaci zesilovače, aby naopak potlačila šumy či kmitání.

V našem případě použijeme takový obvod zpětné vazby, který naopak bude podporovat kmitání na jedné zvolené frekvenci, zatímco ostatní potlačí.

RC oscilátor s fázovacím článkem

RC oscilátory mají obvod zpětné vazby složen z kondenzátorů a odporů. Amplitudová a fázová podmínka je vždy splněna pouze pro jednu frekvenci. Na této frekvenci potom oscilátor kmitá.

Schéma zapojení:

Amplitudová podmínka: $A_{u}\beta _{u}={\sqrt {2}}\ {\frac {1}{\sqrt {2}}}=1$

Fázová podmínka:4*45°+180°=360 zesílení jednoho článku Au=4

V modře ohraničeném poli se nachází zpětná vazba tvořena 4 RC články. Jeden RC článek otáčí fázi o 45°. Tedy pro čtyři platí 45°+45°+45°45°=180°, k tomu připočítáme ještě tranzistor ten otáčí fázi o 180° a dohromady to je 180°+180°=360°

V červeně ohraničeném poli se nachází tranzistor realizovaný jako zesilovač. Pro detailnější popis tohoto zapojení využiji článek BJT Tranzistory.

Příklad zapojení

Schéma

Oscilátor schéma

$U_{CC}$ – Napájení

$GND$ – uzemnění

$R_{B1},R_{B2};R_{B3},R_{B4}$ – Odporový dělič k nastavení pracovního bodu tranzistoru.

$R_{E}$ – Stabilizace pracovního bodu

$R_{C}$ – Určuje strmost zatěžovací přímky tranzistoru a je na něm závislé umístění pracovního bodu.

$C_{4},C_{5}$ – Filtrace stejnosměrné složky procházejícího proudu.

$T_{1}$ – Tranzistory v zapojení se společným kolektorem.
$T_{2}$ – Tranzistory v zapojení se společným emitorem.

RC Článek: $C_{1},C_{2},C_{3}=10nF$ ; $R_{3},R_{4}=10k\Omega$

Tranzistory zvolíme typu BC547B. Tento typ má hodnotu $h_{21E}=360$. Rezistory, které budeme potřebovat se dají vypočítat pomocí vzorců, které najdeme na další stránce. Pro oba stupně zesilovače jsou vzorce stejné, jen změníme hodnou proudu na hodnotu, kterou chceme, aby daným stupněm procházel. Po výpočtech nám vyšli výsledky níže. Při kupování odporů se musíme spokojit pouze s hodnotami, které se vyrábí, takže vybíráme hodnotu nejbližší té, kterou jsme vypočítali.

Pro 1. stupeň, kterým chceme, aby protékal proud $I_{C}=20mA$:

$R_{B1}=12,4k\Omega$ ; $R_{B2}=12,4k\Omega$ ; $R_{E}=1k\Omega$

Pro 2. stupeň, kterým chceme, aby protékal proud $I_{C}=2mA$:

$R_{B3}=222k\Omega$ ; $R_{B4}=25k\Omega$ ; $R_{E2}=360\Omega$ ; $R_{C}=3,6k\Omega$

Pro kondenzátory zvolíme hodnoty $C_{4}=33{\mu }F$ ; $C_{5}=10{\mu }F$ .

Výsledné zesílení by se mělo rovnat přibližně 10násobku vstupního napětí a frekvence $666kHz$ na sinusových kmitech. Vstupní napětí zvolíme $15V$; napětí báze-emitor $U_{BE}=0,7V$; napětí na rezistoru emitoru je polovina $U_{CC}$, takže $U_{RE}=7,5V$; kolektorový proud pro 1. Stupeň $I_{C}=20mA$ a pro 2. stupeň zvolíme $I_{C}=2mA$. Tento typ oscilátoru má napětí na výstupu fázově posunuté o 3*60°= 180̊ oproti vstupnímu signálu.

Výpočet vzorců oscilátoru

$f_{m}={\frac {1}{{2}\Pi RC}}$

$A_{u}={\frac {R}{{\sqrt {({\frac {1}{{2}\Pi RC}})^{2}}}+{R^{2}}}}$

Výroba oscilátoru není nějak obtížná, stačí být trochu zručný, trpělivý a mít potřebné vybavení. Základem plošného spoje je cuprextit. Ve své podstatě se jedná o sklolaminátovou desku (ta tvoří nosnou část), na kterou je jednostranně naplátována měděná fólie o síle několika mikrometrů, která tvoří po odpilování přebytečné mědi propojovací cesty. Podle schématu si vypilujeme potřebné cesty, které budeme spojovat. Vybavení Jak už bylo zmíněno, budeme potřebovat destičku, na kterou budeme pájet. Dále je potřebná páječka, cín, kalafuna, měřicí přístroj, osciloskop (Reproduktor) a potřebné součástky.

Pilování

Výsledné zapojení není zrovna na pohled nějak krásné, ale bez potíží funguje. Jako si doma můžeme zapojit na výstup reproduktor, ve kterém bychom měli uslyšet tón o výsledné frekvenci.

oscilator

RC oscilátor s Wienovým článkem

Schema: