発振器は、さまざまな種類の電子機器で重要です。たとえば、クォーツ時計は、水晶発振器を使用して現在の時刻を追跡します。AMラジオ送信機は発振器を使用してステーションの搬送波を作成し、AMラジオ受信機は共振器と呼ばれる特殊な形式の発振器を使用してステーションを調整します。コンピューター、金属探知機、さらにはスタンガンにも発振器があります。
電子発振器がどのように機能するかを理解するには、物理的な世界の例を見ると役立ちます。この記事では、発振器の背後にある基本的な考え方と、それらが電子機器でどのように使用されるかを学びます。
- 振動の基本
- 発振器回路
- レゾネーター
振動の基本
最も一般的に使用される発振器の1つは、時計の振り子です。振り子を押して振り子を振り始めると、ある周波数で振動します。振り子は1秒間に特定の回数前後に揺れます。振り子の長さは、周波数を制御する主なものです。
何かが振動するためには、エネルギーが2つの形態の間を行ったり来たりする必要があります。たとえば、振り子では、エネルギーは位置エネルギーと運動エネルギーの間を移動します。振り子がその移動の一端にあるとき、そのエネルギーはすべて位置エネルギーであり、落下する準備ができています。振り子がそのサイクルの途中にあるとき、その位置エネルギーのすべてが運動エネルギーに変わり、振り子は可能な限り速く動いています。振り子がスイングのもう一方の端に向かって移動すると、すべての運動エネルギーが位置エネルギーに戻ります。 2つの形態の間のこのエネルギーの動きが振動を引き起こすものです。
最終的に、物理的な発振器は摩擦のために動きを停止します。それを続けるには、各サイクルで少しエネルギーを追加する必要があります。振り子時計では、振り子を動かし続けるエネルギーはばねから来ます。振り子は、摩擦によって失われるエネルギーを補うために、各ストロークを少し押します。詳細については、振り子時計のしくみを参照してください。
電子発振器は同じ原理で動作します。
発振器回路
発振器が機能するためには、エネルギーが1つのフォームから別のフォームに前後に移動する必要があります。コンデンサとインダクタを接続することで、非常にシンプルな発振器を作ることができます。あなたが読んでいればどのようにコンデンサ仕事とどのようにインダクタ仕事を、あなたは両方のコンデンサやインダクタがあることを知っているエネルギーを蓄えます。コンデンサは静電界の形でエネルギーを蓄積し、インダクタは磁界を使用します。
次の回路を想像してみてください。
コンデンサをバッテリーで充電してからインダクタを回路に挿入すると、次のようになります。
- コンデンサはインダクタを介して放電を開始します。それがそうであるように、インダクタは磁場を生成します。
- コンデンサが放電すると、インダクタは回路の電流を動かし続けようとするため、コンデンサの他のプレートを充電します。
- インダクタの電界が崩壊すると、コンデンサは再充電されます（ただし、極性は逆になります）。そのため、インダクタを介して再び放電します。
この発振は、ワイヤの抵抗によって回路のエネルギーがなくなるまで続きます。インダクタとコンデンサのサイズに依存する周波数で発振します。
レゾネーター
単純な鉱石ラジオ（詳細は「ラジオのしくみ」を参照）では、コンデンサー/インダクター発振器がラジオのチューナーとして機能します。これは、次のようにアンテナとアースに接続されています。
さまざまなラジオ局からの何千もの正弦波がアンテナに当たります。コンデンサとインダクタは、特定の1つの周波数で共振する必要があります。その特定の周波数に一致する正弦波は共振器によって増幅され、他のすべての周波数は無視されます。
ラジオでは、共振器のコンデンサまたはインダクタのいずれかが調整可能です。ラジオのチューナーノブを回すと、たとえば可変コンデンサーを調整します。コンデンサを変えると、共振器の共振周波数が変わるため、共振器が増幅する正弦波の周波数が変わります。これが、ラジオのさまざまな局を「調整」する方法です。
詳細については、次のページのリンクを確認してください。
