Virkni sveiflur í rafeindatækni
Sveiflur er ein mikilvægasta rafrásin í rafeindatækni því hann býr til reglubundin merki sjálfstætt án þess að þurfa utanaðkomandi riðstraumsinntak (AC). Næstum öll nútíma tæki nota sveiflur, allt frá stafrænum klukkum og útvarpi til farsíma og tölva til gervihnattasamskiptakerfa. Með öðrum orðum má líta á sveiflu sem „hjarta“ rafrásarinnar, sem gefur endurteknar merkjapúlsa til að stjórna tíma (klukku), flytja upplýsingar eða mynda burðarbylgjur. Þessi grein fjallar um virkni sveiflur, íhluti þeirra og gerðir sveiflur sem eru algengar.
Að skilja sveiflur
Einfaldlega sagt er sveiflari rafrás sem framleiðir reglubundna rafbylgjuform, svo sem sínus-, fernings-, þríhyrnings- eða sagtansbylgju. Helsta einkenni sveiflara er geta hans til að mynda stöðugt endurtekið merki á ákveðinni tíðni. Þessi tíðni getur verið mjög lág (til dæmis nokkur Hertz) upp í mjög há (GHz), allt eftir kröfum notkunar.
Sveiflur eru ólíkar hefðbundnum magnurum. Magnarar þurfa inntaksmerki til að magna upp, en sveiflur „búa til“ sitt eigið merki með afturvirkum aðferðum og ákveðnum skilyrðum sem koma af stað sveiflum.
Grunnhugtak: Jákvæð endurgjöf
Grundvallarreglan í sveiflum er jákvæð afturvirkni. Í magnararás er hluti af útgangsmerkinu tekinn og skilað til baka í inntakið. Ef endurvirka merkið er í fasa við inntakið kallast afturvirknin jákvæð. Jákvæð afturvirkni magnar merkið og ef skilyrðin eru uppfyllt mun merkið vaxa í stöðuga sveiflu.
Í reynd nota sveiflarar næstum alltaf magnaraþátt (transistor, rekstrarmagnara eða lofttæmisrör í eldri tækni) ásamt sértæku afturvirku neti sem ákvarðar tíðnina.
Skilyrði fyrir sveiflum (Barkhausen viðmiðið)
Til þess að sveiflast er almennt notast við Barkhausen-viðmiðin, þ.e. tvö meginskilyrði:
1. Sveifluvíddarskilyrði (lykkjuhagnaður):
Lykkjustyrkurinn ætti að vera jafn 1 eða örlítið meiri en 1 við ræsingu. Stærðfræðilega séð:
\|Aβ\| ≥ 1
Hér er A magnarahagnaðurinn en β er afturvirkniþátturinn.
2. Kröfur um áfanga:
Heildarfasabreytingin meðfram lykkjuleiðinni verður að vera 0° eða margfeldi af 360°. Þetta þýðir að merkið sem snýr aftur til inntaksins verður að vera í fasa við inntaksmerkið.
Ef þessum tveimur skilyrðum er fullnægt, verður lítið merki (venjulega upprunnið frá hitauppstreymi íhlutarins) stöðugt magnað þar til það nær stöðugu ástandi.
Vinnustig sveifluhreyfla
1. Ræsing (Byrja að sveiflast)
Þegar rafrásin er fyrst tengd við spennu er ekkert inntaksmerki. Hins vegar er alltaf einhver hávaði innan íhlutanna. Þessi hávaði fer inn í magnarann og er magnaður upp. Ef afturvirkt net uppfyllir kröfur um fasa og sveifluvídd við ákveðna tíðni, mun sá tíðniþáttur verða ríkjandi og halda áfram að vaxa.
2. Tíðnistyrking og val
Endurgjöfarnet eru yfirleitt sértæk, sem þýðir að þau leyfa aðeins ákveðnum tíðnum að fá rétta jákvæða endurgjöf. Þar af leiðandi mun sveiflarinn starfa á þessum tíðnum, en aðrar tíðnir verða dempaðar.
3. Stöðugleiki sveifluvíddar (stöðugt ástand)
Ef lykkjastyrkurinn heldur áfram að vera meiri en 1, mun sveifluvíddin halda áfram að aukast þar til hringrásin mettast og verður fyrir mikilli röskun. Til að framleiða stöðugan útgang þarf sveiflarinn sveifluvíddartakmörkunar- eða stjórnkerfi, til dæmis:
– Náttúruleg ólínuleiki smára/aðgerðarmagnara,
– Notkun takmarkandi díóða,
– Lítil glópera (á klassíska Wien Bridge sveifluljósinu),
– AGC (sjálfvirk styrkstýring) á ákveðnum sveiflum.
Við stöðugan punkt verður virkur styrkur lykkjunnar nákvæmlega um það bil 1 þannig að sveifluvíddin hvorki eykst né minnkar lengur.
Tíðniákvarðandi þættir
Sveiflutíðnin er venjulega ákvörðuð með tíðniákvarðandi neti, til dæmis:
1. RC (viðnámsþétti)
Hentar fyrir lágar til miðlungs tíðnir (hljóð allt að hundruðum kHz).
2. LC (Spóluþétti)
Algengt fyrir útvarpstíðni (hundruð kHz upp í tugi MHz).
3. Kristall (kvarskristall)
Veitir mjög mikla tíðnistöðugleika, algengt í klukkum örstýringa, tölvum og fjarskiptum.
Því stöðugri sem tíðniákvörðunarþátturinn er, því stöðugri verður sveiflaraútgangurinn gegn breytingum á hitastigi, spennu og álagstruflunum.
Algengar gerðir af sveiflum
1. RC sveiflumælir
RC sveiflur nota blöndu af viðnámum og þéttum til að framleiða ákveðna fasabreytingu.
a. RC fasabreytingarsveifla
Með því að nota mörg RC-stig með heildarfasabreytingu upp á 180° er öfugum magnara bætt við til að veita önnur 180°, samtals 360°. Hentar til að mynda sínusbylgjur á hljóðtíðnum.
b. Vínarbrúarsveifluvél
Einn þekktasti sínus-sveiflarinn. Hann notar Wien-brú (samsetningu af rað- og samsíða RC-rásum) til að ákvarða tíðnina. Kosturinn er lítil röskun ef sveifluvíddin er vel stjórnuð, til dæmis með því að nota glóperu sem stýringu á magni.
2. LC-sveiflumælir
LC-sveiflarinn býr til sveiflur byggðar á ómun í spólunni (L) og þéttinum (C). Kjörómunartíðnin er:
\[
f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
\]
Vinsælar gerðir:
– Hartley-sveifla: notar tappa á einum eða tveimur spólum sem tengdar eru í röð.
– Colpitts-ossillator: notar þéttadeili (tveir þéttar í röð).
– Clapp-sveiflur: afbrigði af Colpitts með viðbótarþétti fyrir stöðugleika.
LC-sveiflur eru mikið notaðir í útvarpssendum, móttökutækjum, spennustýrðum sveiflum (VCO) og öðrum RF-rásum.
3. Osilator Kristal
Kristalbylgjur nota vélræna ómun mjög skarps (hár-Q) kvarskristalls. Þess vegna er tíðni þeirra mjög nákvæm og stöðug. Algengir kristallar eru fáanlegir í 32.768 kHz (klukku), 8 MHz, 16 MHz, 25 MHz og mörgum öðrum gildum.
Umframmagn:
– Stöðugleiki á háum tíðni,
– Lágt fasahljóð samanborið við venjulegan RC/LC.
Skortur:
– Tíðni breytist ekki auðveldlega,
– Þarf viðeigandi drifrás svo að kristallinn ofkeyri ekki.
4. Slökunarsveifla
Ólíkt sínusbylgjusveiflu framleiðir slökunarsveiflur bylgjur sem eru ekki sínusbylgjur (ferningsbylgjur, þríhyrningsbylgjur, sagatönn) með því að hlaða og afhlaða þétti ítrekað. Dæmi:
– Óstöðugur fjölvibrator (byggður á smári eða IC 555),
– Schmitt-kveikjutengdur sveiflubreytir.
Þessi sveiflari er vinsæll fyrir púlsrafala, tímamæla, PWM og stafrænar hringrásir.
Mikilvægir þættir í hönnun sveiflur
1. Tíðnistöðugleiki
Undir áhrifum frávika íhluta, hitastigs, öldrunar og spennubreytinga. Fyrir nákvæmniskerfi eru oft valdir kristallar eða TCXO/OCXO.
2. Fasahávaði og titringur
Það er mjög mikilvægt í stafrænum samskiptum og klukkukerfum. Mikill fasahávaði getur dregið úr mótunargæðum, aukið BER (bit error rate) og skekkt litrófið.
3. Bylgjubjögun
Sínus-sveiflari hefur helst litla röskun. Röskun á sér stað ef sveifluvíddarstýring er léleg eða magnarinn starfar á ólínulegu svæði.
4. Áhrif álags (hleðsla)
Ef úttakið er hlaðið beint getur ómsveiflunetið breyst, sem veldur því að tíðnin færist til. Þess vegna eru oft notaðir biðminnislausnir (emitter followers, op-amp biðminnislausnir) til að „einangra“ tíðniákvörðunarrásina.
Niðurstaða
Virkni sveiflara í rafeindatækni byggir á jákvæðri afturvirkni og uppfyllingu Barkhausen-skilyrðisins: nægilegri lykkjahagnað og heildarfasabreytingu upp á 0°/360°. Sveifillinn byrjar sveiflur út frá innri hávaða, síðan velur tíðniákvörðunarnet (RC, LC eða kristall) ákveðna tíðni og að lokum er sveifluvíddin stöðuguð með hagnaðartakmarkandi kerfi. Ýmsar gerðir sveiflara - RC, LC, kristall og slökun - eru valdar út frá tíðni, stöðugleika, bylgjuformi og notkunarkröfum. Skilningur á þessum meginreglum hjálpar verkfræðingum og rafeindafræðinemum að hanna áreiðanleg klukkukerfi, merkjaframleiðendur og samskiptarásir.
Ef þú vilt get ég bætt við dæmi um tíðniútreikning fyrir eina af sveiflartegundunum (t.d. Wien Bridge eða Colpitts) ásamt grunnrásarmynd.
