Armstrongi-Meissneri ostsillaator

Armstrongi-Meissneri ostsillaator on elektriline ostsillaator, milles määrab võnkumise sageduse induktiivpoolist ja kondensaatorist koosnev võnkering. Seade kuulub LC-ostsillaatorite klassi.

Armstrongi-Meissneri ostsillaator oli üks esimesi ostsillaatoreid, mille leiutasid 1912. aastal USA insener Edwin Armstrong ja temast täiesti sõltumatult 1913. aastal Austria insener Alexander Meissner. Ostsillaator erineb teistest sarnastest seadmetest selle poolest, et positiivne tagasiside toimub magnetilise sidestuse kaudu transformaatori abil. Lisaks LC-võnkeringile on skeemis veel üks induktiivpool, kust kandub tagasiside magnetilise sidestuse kaudu uuesti võimendi sisendisse. Kaks pooli moodustavad omavahel transformaatori ehk magnetilisel induktsioonil põhineva energiamuunduri, mis võimaldab muuta vahelduvpinget ja vastavalt vahelduvvoolu hulka ühest süsteemist teise kandumisel, seejuures ilma sagedust muundamata.

Leiutajad ja ajalugu

Edwin Armstrong on Ameerika insener, keda peetakse üheks kõige tähtsamaks meheks raadiotehnika ajaloos. Ta leiutas regeneratiivastme vooluringi ehk ühendas võimendi väljundi tema sisendiga ja saavutas sellega positiivse tagasiside. Seda tehnikat kasutas ta ka esimese ostsillaatori loomisel.

Alexander Meissner oli Austria insener ja füüsik, kes oma eluajal tegeles põgusalt antennide disainiga, võimendusega ja telegraafia arendamisega. 1913. aastal avastas ta positiivse tagasiside printsiibi. Lisades positiivse tagasiside lampvõimendile leiutas ostsillaatori, mis tõusis raadiotehnikas väga tähtsale kohale.

Ostsillaatori üldine tööpõhimõte

Ostsillaatoreid kasutatakse raadiotehnika seadmetes, et tekitada kindlal sagedusel tavaliselt siinusekujulisi võnkumisi info edastamiseks. Võnkumised võivad olla ka nelinurk-, kolmnurk- või saehambakujulised. Et võnkumised saaksid tekkida, on väga olulised kolm aspekti:

1. võimendus,
2. sagedust määrav võnkering,
3. positiivne tagasiside.

Ostsillaatori tööpõhimõte põhinebki vastavalt kolmel loetletud aspektil. Pidevalt võimendi väljundist sisendisse signaali saatmine tekitab tagasiside ehk paneb võimendi regenereerima, mille tulemusena saame kindlal sagedusel signaali.

Joonis 1. Positiivse tagasiside plokkskeem

Lihtsat näidet positiivsest tagasisidest, mille toimega on enamik inimesi elus kokku puutunud, nimetatakse audiotagasisideks ehk Larseni efektiks. See avaldub juhul, kui heli on võimalik audiosüsteemis tsirkuleerima minna. Oletame, et meil on sisendiks mikrofon, mis püüab ja edastab sama süsteemi kõlaritest tulevat heli. Kõlarid on sel juhul süsteemi väljundiks. See tähendab, et väljund on kaudselt ühendatud sisendiga, sest kõlaritest tuleva heli edastab mikrofon uuesti väljundisse. Tulemuseks saame positiivse tagasiside ja ostsilleerimisest tingituna kõrvakraapiva ebameeldiva vilina väljundis.

LC-ostsillaatori tööpõhimõte

Joonis 2. Kondensaatori laadumine ja tühjenemine võnkeringis

LC-ostsillaatorites määrab ära võnkumise sageduse induktiivpoolist ja kondensaatorist koosnev võnkering. Kondensaator laadub tänu energiaallikale ja kui see on ennast täis laadinud, on ühel tema plaadil rohkem elektrone kui teisel. Kondensaatori tühjenemisel jagunevad elektronid aga plaatide vahel võrdselt. Kui lisada energiaallikale ja kondensaatorile induktiivpool, siis tekib viimase ümber magnetväli, mis pöörab elektronide liikumise suunda pärast kondensaatori tühjenemist. Ja nii liiguvad elektronid kord ühele kondensaatori klemmile ja kord teisele, mis annab meile kokkuvõttes iga laadumise tagant väljundisse kindlal sagedusel võnkumise. Mida väiksem on induktiivpooli induktsiooni suurus võrreldes kondensaatori mahtuvusega, seda kiiremini kondensaator tühjaks laadub ja seda suurema sagedusega võnkumise me saame.

Armstrongi ostsillaator

Armstrongi ostsillaatori tööpõhimõte

Armstrongi ostsillaatorit kasutatakse konstantse amplituudiga siinusekujulise signaali genereerimiseks. Enamasti kasutatakse seda vastuvõtjates ning kesk- ja kõrgsageduslike raadiosageduste genereerimiseks. Ostsillaatori puhul on lihtne saavutada püsivat amplituudi, kuid väikseid sagedusmuutusi ideaalselt stabiliseerida on keeruline. Kui süveneda Armstrongi-Meissneri ostsillaatori skeemi, siis transistori kasutatakse võimenduselemendina. Induktiivpool L2 omab tagasisidestus mähise ülesannet ja see on Armstrongi-Meissneri ostsillaatori puhul kõige tähtsam element. Selle kaudu hakkab toimuma võimendi väljundi tagasisidestus võimendi sisendisse, kuna eesmärgiks on saavutada positiivne tagasiside. Induktiivpoolid L1 ja L2 moodustavad omavahel transformaatori. Osa võimendi väjundsignaalist liigub läbi induktiivpooli L2 tagasi ja kuna indukiivpoolid L1 ja L2 on elektromagnetiliselt omavahel seotud, siis pääseb signaal tagasi sisendisse ja ostsillaator läheb regenereerima. Kuna Armstrongi-Meissneri puhul on tegemist LC-ostsillaatoriga, siis selleks, et saaks ostsilleerimise sagedust määrata, on meil induktiivpoolist L1 ja muutkondensaatorist C1 moodustatud võnkering. Muutkondensaatorit kasutatakse sageduse häälestamiseks. Kuna sagedus sõltub induktiivsuse ja mahtuvuse korrutisest, siis kondensaatori mahtuvust vähendades ja suurendades saab muuta induktiivpooli induktiivsuse ja kondensaatori mahtuvuse vahelise korrutise tulemust, mis määrab ka võnkumiste sageduse. Selle skeemi puhul jääb induktiivsus stabiilseks, seda võivad ainult mõjutada ainult välised faktorid nagu näiteks temperatuur. Ostsilleerimise sagedust saab määrata valemiga:

$f={\frac {1}{2\pi {\sqrt {LC}}}}\,$

Kuid parasiitsete mahtuvuste tõttu võivad teoreetiliselt ja praktiliselt saadud tulemused teineteisest erineda.

Takistus Rb on vajalik baasivoolu ja sellega omakorda võimendi tööpunkti määramiseks. Alalisvool liigub pingeallikalt läbi takisti Re ja edasi transistori emitterisse. Transistori baasilt liigub vool läbi takisti Rb ja jõuab tagasi pingeallikale. Takisti Re on vajalik võimendi tööpunkti stabiliseerimiseks, et vältida temperatuuri mõju vooluringile. Ce on lahtisidestus kondensaator, selle abil välditakse väljundsignaali (vahelduvvool) sattumist takistile Re, mis antud skeemi puhul tekitaks meile negatiivse tagasiside.

Alalisvoolu liikumine skeemis

Joonis 4 kirjeldab, kuidas liigub alalisvool skeemis, et saaksime määrata transistori vajaliku tööpinge. Lahtisidestus kondensaator (DC blocking capacitor) takistab alalissignaalil liikuda ostsillaatori osasse, kuid laseb ostsillaatorist tuleva sinaali (vahelduvvool) läbi.

Kollektorvoolu liikumine skeemis

Joonis 5 kirjeldab kuidas alalisvool tagab transistorile õige tööpinge, et transistor saaks töötada võimendina. Edasi liigub vool tagasisdestuse induktiivpoolile L2 ja toiteallikale tagasi.

Vahelduvvoolu liikumine skeemis

Joonis 6 kirjeldab kuidas signaal liigub ostsillaatori skeemiosast edasi võimenduse skeemiossa. Oletame, et ostsillaator on vaja panna võnkuma kindlal sagedusel. Kui ostsillaator töötab, määrab võnkering, mis koosneb induktiivpoolist L1 ja kondensaatorist C1 ostsillaatori võnkumise sageduse. Vastava sagedusega signaal liigub võnkeringilt transistori emitterisse ja baasilt tagasi võnkeringi (roheline joon). See skeemiosa määrab ära ostsilleerimise sageduse. Emitterilt kollektorile minev signaal võimendatakse ja seetõttu on selle amplituud märksa suurem (sinine joon). Edasi liigub signaal tagasi läbi lahtisidestuskondensaatori. Lahtisidestuskondensaator on vajalik, et vahelduvvool ei pääseks toiteallika klemmidele, sest see võib mõjutada teiste komponentide ja omakorda skeemiosade tööd, mis toiteallikalt samuti toidet saavad. Võimendatud signaal liigub induktiivpoolilt L2 elektromagnetiliselt induktiivpoolile L1. Seega tagasiside toimib ja ostsillaator genereerib võnkumisi. L3 induktiivpool on samuti elektromagnetiliselt seotud induktiivpoolidega L1 ja L2. L3 on vajalik selleks, et saaks ostsillaatori genereeritud signaali ka kuskil edasises skeemi faasis kasutada. L3 on antud skeemi puhul ostsillaatori väljundiks.