Sinusoszillatoren - Grundkonzepte
Ein Verstärker mit positiver Rückkopplung erzeugt, dass sein Ausgang mit dem Eingang in Phase ist, und erhöht die Stärke des Signals. Positives Feedback wird auch als bezeichnetdegenerative feedback oder direct feedback. Diese Art der Rückkopplung macht einen Rückkopplungsverstärker zu einem Oszillator.
Die Verwendung einer positiven Rückkopplung führt zu einem Rückkopplungsverstärker mit einer Verstärkung im geschlossenen Regelkreis, die größer als die Verstärkung im offenen Regelkreis ist. Es fuehrt zuinstabilityund arbeitet als Schwingkreis. Eine Schwingschaltung liefert ein konstant variierendes verstärktes Ausgangssignal jeder gewünschten Frequenz.
Der Schwingkreis
Eine Schwingschaltung erzeugt elektrische Schwingungen einer gewünschten Frequenz. Sie sind auch bekannt alstank circuits.
Eine einfache Tankschaltung besteht aus einer Induktivität L und einem Kondensator C, die beide zusammen die Schwingungsfrequenz der Schaltung bestimmen.
Um das Konzept der Schwingschaltung zu verstehen, betrachten wir die folgende Schaltung. Der Kondensator in dieser Schaltung wird bereits mit einer Gleichstromquelle aufgeladen. In dieser Situation weist die obere Platte des Kondensators einen Elektronenüberschuss auf, während die untere Platte ein Elektronendefizit aufweist. Der Kondensator hält etwas elektrostatische Energie und es liegt eine Spannung am Kondensator an.
Wenn der Schalter Sgeschlossen ist, entlädt sich der Kondensator und der Strom fließt durch die Induktivität. Aufgrund des induktiven Effekts baut sich der Strom langsam auf einen Maximalwert auf. Sobald sich der Kondensator vollständig entladen hat, ist das Magnetfeld um die Spule maximal.
Fahren wir nun mit der nächsten Stufe fort. Sobald der Kondensator vollständig entladen ist, beginnt das Magnetfeld zu kollabieren und erzeugt eine Gegen-EMK gemäß dem Lenzschen Gesetz. Der Kondensator wird nun mit positiver Ladung auf der oberen Platte und negativer Ladung auf der unteren Platte aufgeladen.
Sobald der Kondensator vollständig aufgeladen ist, beginnt er sich zu entladen, um ein Magnetfeld um die Spule aufzubauen, wie im folgenden Schaltplan gezeigt.
Diese Fortsetzung des Ladens und Entladens führt zu einer abwechselnden Bewegung von Elektronen oder einer oscillatory current. Der Energieaustausch zwischen L und C erzeugt kontinuierlichoscillations.
In einer idealen Schaltung, in der es keine Verluste gibt, würden die Schwingungen unbegrenzt fortgesetzt. In einem praktischen Tankkreislauf treten Verluste wie zresistive und radiation losses in der Spule und dielectric lossesim Kondensator. Diese Verluste führen zu gedämpften Schwingungen.
Frequenz der Schwingungen
Die Frequenz der vom Tankkreis erzeugten Schwingungen wird durch die Komponenten des Tankkreises bestimmt. the L und the C. Die tatsächliche Frequenz der Schwingungen ist dieresonant frequency (oder Eigenfrequenz) des Tankkreislaufs, gegeben durch
$$ f_r = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Kapazität des Kondensators
Die Schwingungsfrequenz f o ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Kapazität eines Kondensators. Wenn also der Wert des verwendeten Kondensators groß ist, sind die Lade- und Entladezeiträume groß. Daher wird die Frequenz niedriger sein.
Mathematisch ist die Frequenz,
$$ f_o \ propto 1 \ sqrt {C} $$
Selbstinduktivität der Spule
Die Frequenz der Schwingung f o ist proportional zur Quadratwurzel der Selbstinduktivität der Spule. Wenn der Wert der Induktivität groß ist, ist der Widerstand gegen eine Änderung des Stromflusses größer und daher ist die zur Vervollständigung jedes Zyklus erforderliche Zeit länger, was bedeutet, dass die Zeitdauer länger und die Frequenz geringer ist.
Mathematisch ist die Frequenz,
$$ f_o \ propto 1 \ sqrt {L} $$
Kombination der beiden obigen Gleichungen,
$$ f_o \ propto \ frac {1} {\ sqrt {LC}} $$
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Die obige Gleichung gibt zwar die Ausgangsfrequenz an, stimmt jedoch mit der überein natural frequency oder resonance frequency des Tankkreislaufs.