تحقیق در مورد نوسان های الکتریکی

بخشی از مقاله

نوسان هاي الكتريكي

نوسان ساز های سینوسی کاربرد گسترده ای در الکترونیک دارند.این نوسان سلز ها منبع حامل فرستنده ها را تامین می کنندوبخشی از مبدل فرکانس را در گیرنده های سوپر هیترودین تشکیل می دهند.نوسان ساز ها در پاک کردن وتولید مغناطیسی در ضبط مغناطیسی و زمانبندی پالسهای ساعت در کار های دیجیتال به کار می روند.بسیاری از وسایل اندازه گیری الکترونیکی مثل ظرفیت سنج ها نوسان ساز دارند

نوسان ساز های سینوسی انواع مختلفی دارند اما همه آنها از دو بخش اساسی تشکیل می شوند:
بخش تعیین کننده فرکانس که ممکن است یک مدار تشدید یا یک شبکه خازن مقاومتی باشد.مدار تشدید بسته به فرکانس لازم می تواند ترکیبی از سلف و خازن فشرده طولی ازخط انتقال یا تشدید کننده حفره ای باشد.البته شبکه های خازن مقاومتی فرکانس طبیعی ندارندولی می توان از جابه جایی فاز آنها برای تعیین فرکانس نوسان استفاده کرد.
دوم بخش نگهدارنده که انرژی رابه مدار تشدید تغذیه می کند تا آن را در حالت نوسان نگه دارد.بخش نگه دارنده به یک تغذیه نیاز دارد. در بسیاری از نوسان ساز ها این قسمت قطعه ای فعال مثل یک ترانزیستور است که پالسهای منظمی را به مدار تشدید تغذیه می کند.

شکل دیگری از بخش نگهدارنده تشدید نوسان ساز یک منبع با مقاومت منفی یعنی قطعه یا مداری الکترونیکی است که افزایش ولتاز اعمال شده به آن سبب کاهش جریان آن می شود. قطعات نیمه رسانا یا مدار های متعددی وجود دارند که دارای چنین مشخصه ای هستند.
سه دسته مشخص از نوسان ساز ها را می توان دسته بندی کرد که در ادامه این مقاله توضیح خواهم داد

نوسان ساز های فید بک مثبت
ابتدا بهتر می دانم تا کمی در باره فید بک توضیح بدهم
به طور کلی هر سیستم دارای ورودی و خروجی می باشد حا لا اگر بنا به هر علتی مقداری از خرو جی را با ورودی ها ترکیب کرده و وارد یک سیستم کنیم به این کار فید بک گفته می شود که کار برد های فراوانی در دنیای تکنولوژی دارد برای نمونه از فید بک برای کنترول فرایند یک سیستم استفاده می شود مثلاَ در هنگام راه رفتن شما یک سیستم(خیلی مدرن) هستید که اطلاعات را با چشم خود گرفته و به مغز می فرستید ودر آنجا پردازش شده تصمیم می گیرید که چه کار کنید اما در مورد فید بک مثبت با ید بگویم که دو نوع فید بک را می

توان در نظر گرفت منفی و مثبت. در فید بک مثبت که یک مثال جالب از آن را در بالا برایتان بیان کردم هدف اغلب کنترول یک فرایند است یک مثال دیگر فرض کنید یک ظرف از مایعی که در حال جوشیدن است در تماس با یک منبع گرما مثل شعله گاز قرار دارد با گرم شدن بیش از حد مایع از ظرف بیرون می ریزد وآتش را کم می کند و دمای مایع را کاهش می دهد وبا کاهش دمای ما یع آتش دوباره احیا می شود ومایع دو باره گرم شده وسر ریز می کند و دوباره ... اما در فید بک مثبت خرو جی به ورودی اضافه می شود واز فید بک مثبت به همین دلیل برای تشدید استفاده می شود همان مثال قبل را در نظر بگیرید با یک مایع آتشزا این بار با گرم شدن مایع و سر ریز آن آتش شدشدتر می شود وهمین طور تا آخر.

نکته مهم این است که در دنیای مادی همه چیز روبه میرایی و مردن میرود (ای روزگار نا مراد)وچیز هایی مثل اصطکاک همیشه(بعضی موقع های بیشتر)مزاحم هستند در باره نوسان هم میرایی باعث کاهش دامنه نوسان و از بین رفتن آن می شود بنا براین از فید بک مثبت برای جبران این میرایی استفاده می کنیم.
انواع مختلفی از نوسان ساز ها که از فید بک مثبت استفاده می کنند وجود دارد.
نوسان ساز هارتلی

این نوسان ساز نمونه ای از نوسان ساز های فرکانس پایین است که با استفاده از مدارفرکانس را تعیین می کند ویک ترانزیستور نیز تامین کننده پالس های نگه دارنده است.مدار شکل زیر یک تقویت کننده امیتر مشترک را نشان می دهد که مدار بین کلکتور و بیس آن متصل شده است سر وسط سلف به طور موثر به امیتر متصل شده است (مقاومت منبع تغذیه برابر صفر فرض می شود). تقویت کننده امیتر مشترک سیگنال ورودی خود را معکوس می کند و سیگنال خروجی آن با سر وسط زمین شده سلف قبل از اعمال به بیس معکوس می شود.در نتیجه در این مدار ورودی را خود تقویت کننده تا مین می کند . یعنی فید بک مثبت قابل تو جهی که وجود دارد باعث ایجاد نوسان می شود و دامنه سیگنال (در فر کانس تشدید ) به سرعت افزایش می یابد.پالسهای ناشی از جریان بیس را پر می کنند در نتیجه جهت ولتاژ تو لید شده بیس را به طور منفی بایاس می کند با افزایش دامنه سیگنال ولتاز دو سر نیز زیاد می شود تا به حالت تعادل بر سد. حالت تعادل زمانی روی می دهد که اتلاف مدار ناشی از بار شدن خروجی مقاومت اهمی و جریان بیس با انرژی وارد شده از کلکتور به این خازن برابرشود.در این شرایط نهایی ترانزیستور می تواند به خوبی در بیشتر قسمتهای سیکل قطع باشد ودر هر قله مثبت بیس پالس ناگهانی به جریان بیس (وجریان کلکتو)اعمال شود.در فاصله زمانی بین دو فله متوالی از طریق شروع به تخلیه می کند. اما اگر یک ثابت زمانی در مقایسه با زمان تناوب نوسان بزرگ باشد مقدار کمی از ولتاژ دو سر در این فاصله زمانی از بین می رود و می توان را به عنوان یک منبع ثابت بایاس منفی در نظر گرفت . در بسیاری از نوسان ساز ها از این روش بایاس کردن استفاده می شود. این روش دارای مزیت جبران سازی برای هر گونه افت دامنه نوسان در اثر افزایش بار خروجی یا افت ولتاژ منبع تغذیه است.کاهش دامنه نوسان باعث کاهش بایاس می شود به طوری که ترانزیستور پالس های جریان بزرگتری برای ثابت نگه داشتن دامنه می گیرد.
نو سان ساز کلپیتس
نکته مهم در شکل بالانیاز به وجود سه اتصال میان مدار تنظیم شده و ترانزیستور برای ایجاد فید بک مثبت است. امیتر به سر وسط سلف متصل می شود ولی می توان آن را به صورت معادل با استفاده از دو خازن برابر به طور سری مانند شکل بعد به شاخه خازنی مدار متصل کرد.در این نوسان ساز از یک فت اتصالی با مقاومت در مدار درین استفاده شده و مدار با خازن به در ین متصل شده است. بنا بر این مدار بر خلاف تغذیه مستقیم شکل اول به طور موازی تغذیه می شود.

خازن های تعیین کننده فرکانس و با خازن های ورودی و خروجی ترانزیستور موازی هستند و در نتیجه این خازنها در تعیین فر کانس نوسان نیز تاثیر دارند. با بزرگتر کردن و تا حد امکان تاثیر این خازنها به حد اقل می رسد.از سوی دیگر اگربه نوسانی با فر کانس بالا نیاز باشد خازنهای تنظیم باید خیلی کوچک باشند. در این موارد می توان از خازنهای ورودی و خروجی ترانزیستور به جای و استفاده کرد. یک خازن متغییر کوچک مانند شکل سوم برای تنظیم به دو سر سلف متصل می شود. در این مدار نیز که با پالسهای جریان گیت شارژ و از طریق تخلیه می شود به طور خود کار بایاس لازم را تامین می کند. برای آنکه امکان زمین شدن سر متغییر خازن (و در نتیجه بیس ترانزیستور) وجود داشته باشد یک چوک با امپدانس زیاد در فر کانس کار به مدار امیتر افزوده می شود.

هر سه نوسان ساز بالا که شرح دادم در کلاس برای دامنه های نوسان بزرگ عمل می کنند. برای به دست آوردن شکل موج سینوسی خروجی را باید از مدار گرفت. مثلا با سیم پیچی که مانند شکل اول و دوم به طور القایی به مدار متصل می شود.اگر خروجی از خود ترانزیستور گرفته شود مثلا از مقاومتی در مدار امیتر یا سورس قطار پالسی با فر کانس تکراری برابر با فرکانس تشدید به دست می آید.

نوسان ساز راینارتز
این نوسان ساز چون زیاد در گیرنده های ترانزیستوری استفاده می شود باید حتما در بارش می نوشتم.در این مدار فید بک مثبت با اتصال مدار کلکتور به مدار امیتر با القای متقابل وتامین می شود. و هر دوبه مدار تعیین کننده فرکانس نیز متصل هستند. این نوسان ساز به روش تقسیم ولتاژ پایدار می شود ولی همانطور که نشان داده شده است اثر بازوی پایینی مقسم ولتاژ باید با خازن کم مقاومتی خنثی شود تا سیگنال تولید شده در دوسر مستقیما بین بیس و امیتر اعمال شود . در نگاه اول به نظر می رسد که بخش تعیین کننده فرکانس در نوسان ساز راینرتز چهار اتصال دارد ولی اتصال مثبت و منفی منبع تغذیه در واقع مشترک هستند زیرا امپدانس منبع در فرکانس نوسان ناچیز است یا بهتر است که چنین باشد.

نوسان ساز کنترل شده کریستالی

و اما از همه مهمتر که حتما باید در باره ا ش بدانید این مورد است چون در بعضی کاربرد ها لازم که نوسان ساز پایداری فرکانسی زیادی داشته باشد یعنی یک فر کانس ثابت را بدون وابستگی به عوامل دیگر تولید کند مثل منبع موج حامل در فرستنده ها اگر کنترل تلویزیون را دیده باشید احتمالا یک قطعه مکعبی زرد رنگ(کریستال) را در آن دیده اید یا مدار تلویزیون یا بعضی رادیو ها واز دیگر جاهایی که این نوسان ساز به کار می رود منابع تولید کننده پالسهای ساعت در کامپیوتر ها و سیستم های دیجیتال است . روش رایج برای به دست آوردن

پایداری فرکانسی لازم استفاده از کریستال پیزوالکتریک برای کنترل فرکانس نوسان است . چنینکریستالهایی(بسته به ابعاد و شکلشان)دارای فرکانس تشدید طبیعی هستنددر عمل کریستال بین دو صفحه فلزی نصب می شود که اتصال الکتریکی با کریستال را ایجاد می کند . را ه های متعددی بزای اتصال کریستال به مدار نوسان ساز وجود دارد.که یک نمونه از آن در شکل بعدی آمده است در این شکل کریستال بین کلکتور و بیس ترانزیستور وصل شده تا نوسان ساز کلپیتس را تشکیل دهد . خازنهای داخلی کلکتور بیس و بیس امیتر فید بک مثبت را تامیین می کنند. مدار کلکتور نیازی به تنظیم ندارد سیم پیچ ثانویه ترانسفور ماتور نقطه ی خروجی را ایجاد می کند.

نوسان سازهای مقاومت منفی

همان طور که گفتم اگریک مدار تشدید به منبعی با مقاومت منفی مناسب متصل شود نوسان خواهد کرد. که تفاوت آن با نوسان ساز هایی که قبلا گفتم این است که تنها به دو اتصال به بخش تعیین کننده فرکانس نیاز دارد.منظور از مقاومت منفی قطعه ای است که مشخصه انقالی آن(نمودار ولتاژ _جریان) حد اقل در یک محدوده ی کو چک شیب منفی داشته باشد یعنی با افزایش ولتاژ لا اقل در بعضی از ناحیه های ولتاژی جریان آن کاهش یابدویا با افزایش جریان ولتاژ آن کاهش یابد.این عنصر می تواند یک قطعه خواص یا یک مدار باشد که یکی با کلی فکر طراحی کرده.

برای استفاده از یک مقاومت منفی در یک نوسان ساز از این نوع باید مقدار مقاومت منفی برابر مقدار مقاومت مثبت مدار تشدید متصل به آن باشد.
چون اصولا چیزی که باعث میرایی دامنه نوسان می شود مقاومت مثبت است(ای عنصر مزاحم)و تمام این قصه ها که گفتیم خلا صه اش این بود که چه طور این میرایی را جبران کنیم حا لا یک عنصر مطلوب مثل مقا ومت منفی را داریم که اثر میرایی مقاومت مثبت را از بین می برد.

دیود تونل
یکی ازقطعات نیمه رسانا که مشخصه اش یک مقاومت منفی را نشان می دهد دیود تونل است . این قطعه یک دیود است که غلظت ناخالصی درآن بسیار زیاد وپیوند آن بسیارنازک است. شکست در دیود تونل در مقاذیر بایاس معکوس خیلی پایین اتفاق می افتد و در نتیجه ناحیه ی مقاومت معکوس زیاد وجود ندارد.شیب منفی در بایاس مستقیم کم معمولا بین 0.1 تا 0.3 ولت ایجاد می شود.(از این جا به بعد چند خط حرف بیخود...)_این مشخصه جالب و عجیب ومفیدو..به دلیل نفوذ در سد پتانسیل در پیوند با الکترونهایی که انرژی کافی برای عبور از این سد ندارند به وجود می آید. این اثر معروف به اثر تونل در فیزیک کلاسیک غیر قابل توجیه است ولی با مکانیک کوانتومی قابل توضیح است . دیود های تونل را می توان

باظرفیت خیلی کمی تولید کرد و نوسان ساز هایی که با آن کار می کنند در فرکانسهای چند مگا هرتزی قابل ساخت هستند برای به دست آوردن بیشترین مقدار خروجی (یا همان به قول دانشجویان متعال برق ماکزیمم سویینگ متقارن) باید نقطه کار در وسط ناحیه مقاومت منفی قرار داده شود واضح است که دامنه خروجی کمتر از یک ولت می باشد.
نوسان ساز پوش_ پول

مشخصه مقاومت منفی را می توان از یک مدار دو ترانزیستوری نیز به دست آورد. نمونه این مدار در شکل زیر نشان داده شده است که اساس آن از یک ملتی ویبراتور استابل تشکیل می شود.اگر ترکیب وجود نداشته باشد شکل موج مربعی خروجی در هر دو کلکتور تولید خواهد کرد و ترانزیستورهابه طور متناوب بین قطع و اشباع تغییر وضعیت خواهند داد. وجود مدار تنظیم شده این عملکرد را اصلاح می کند زیرا سلف در فرکانس های پایین مسیری با امپدانس کم میان کلکتور ها ایجاد می کند در حالی که خازنها این کار را در فرکانس های بالا انجام می دهند که هر دو عملکرد معمولی مولتی ویبراتور را تحت تاثیر قرار خواهد داد عملکرد مدار منطبق بر فرکانس تشدید مدار تنظیم شده است که در آن مدار تنظیم شده بیشترین

امپدانس را دارد و در نتیجه خروجی مدار سینوسی است در این فرکانس مقاومت موثر میان کلکتورها تقریبا برابر است که قابلیت هدایت متقابل ترانزیستور ها و تضعیف مدار های تزویج میان ترانزیستور هاست . یکی از این مدار های تزویج است ولی با خازن ورودی موازی است و این امر می تواند در تضعیف مدار تاثیر بگذارد . برای ایجاد نوسان باید مقاومت دینامیکی مدار بیشتر از باشد.