Osziladore elektroniko

Anplifikazio operazional baten lasaitasun-oszilagailua.

Oszilagailu elektronikoa zirkuitu elektroniko bat da, seinale elektroniko oszilatzaile eta periodikoak ekoizten dituena. Orokorrean uhin sinusoidalak eta karratuak ekoizten ditu. Oszilagailuak elikatze-iturri bateko korronte zuzena (KZ) korronte alternoko (KA) seinale bihurtzen du.

Gailu elektroniko askotan erabiliak dira, gailu digital sinpleenetatik adibidez, kalkulagailu bat; gailu konplexuagotaraino, ordenagailuak, periferiko konplexuak edota zirkuitu bereziak.

Gehienetan oszilagailuak irteerako seinalearen frekuentziaren arabera bereizten dira:

Frekuentzia baxuko oszilagailua (ingelesez Low Frequency Oscillation, LFO) frekuentzia baxuko seinaleak ekoizten dituen oszilagailu bat da, gutxi gorabehera 20 Hz-koa. Termino hori audio-sintetizatzaile arloan erabilia da audioko frekuentzia-oszilagailuengandik ezberdintzeko.
Audio-oszilagailuak audio barrutiko frenkuentziak sorrarazten ditu, 16 Hz eta 20 Hz bitartekoak.
Irrati-frekuentziako oszilagailuak irrati barrutiko frenkuentziak sortzen ditu, 100 kHz eta 100 GHz bitartekoak.

Inbertsore oszilagailuak korronte zuzeneko elikatze-iturri batetik abiatuta korronte alternoko potentzia altuko irteerak ekoizteko diseinatuta daude.

Oszilagailu elektronikoak sailkatzean bi mota nabarmentzen dira: oszilagailu lineala edo harmonikoa eta oszilagailu ez-lineala edo lasaitasunezkoa.

Elektronika modernoan nonahi aurki daitekeen oszilagailua kristal-oszilagaua da. Horrek 32 kHz eta 150 MHz altuko frekuentziak ekoizten ditu, eta 32 kHz-ko kristalak erabiliz lortzen ditu frekuentzia horiek. Kristal horiek ohikoak dira kronometrajeetan, erloju-sorgailuko frekuentzia altuetan eta irrati-frekuentziako aplikazioetan.

Oszilagailu harmonikoa

Oszilagailu harmoniko edo linealek sinusoidal forma duten seinalea ekoizten dute. Bi motatako oszilagailu harmoniko aurki daitezke:

Berrelikadura-oszilagailua

Transistore modura lan egiten duten anplifikadore elektronikoak edo anplifikadore operazionalak dira oszilagailu lineal ohikoenak. Anplifikadorearen elikatze-iturria lehen aldiz martxan jartzean zarata elektronikoak 0 ez den seinale bat ekoizten du zirkuitua oszilazioekin hasteko. Zarata begiztan zehar garraiatzen da, ondoren anplifikatzen eta filtratzen da frekuentzia bakarreko uhin sinusoidal bat bihurtzeko.

Berrelikadura-oszilagailu baten zirkuituak erabiltzen duten maiztasuneko iragazki selektibo motaren arabera sailka daitezke:

RC oszilagailu-zirkuitu baten iragazkia erresistentziez eta kondentsadoreez eginiko sare bat da. RC-oszilagailuak maiztasun baxuak ekoizteko erabiltzen dira gehienbat; adibidez, audio-barrutiak. Zirkuitu honen mota nabarmenenak fase-aldaketako oszilagailuak eta Wien zubi motako oszilagailuak dira.
LC oszilagailu-zirkuitu baten iragazkia zirkuitu sintonizadore bat da. Iragazkia induktore batez eta kapazitadore batez osatuta dago eta horiek elkar konektatuta daude. Karga aurrera eta atzera doa kapazitadorearen plaken artean induktorea zeharkatuz. Baliabide horrekin zirkuituak energia elektrikoa meta dezake oszilazio moduan frekuentzia erresonante batean. Zirkuituan galera txikiak daude baina anplifikadoreak galera txiki horiek orekatzen ditu eta irteerako seinalea energiaz hornitzen du. LC-oszilagailuak gehienetan irrati-maiztasunetan, sintonizazio-maiztasun bat behar denean, seinale-sorgailuetan, irrati-transmisore sintonizagarrietan eta irrati-hargailuen oszilagailu lokaletan erabiltzen dira. Zirkuitu mota nabarmenenak Hartley, Colpitts eta Clapp zirkuituak dira.
LC-oszilagailu zirkuituaren 2 mota, Hartley eta Colpitts oszilagailuak.
Kristal oszilagailu-zirkuitu baten iragazkia kristal piezoelektriko bat da. Kristala mekanikoki bibratzen du erresonadore baten antzera eta bere bibrazio-frekuentziak oszilazio-frekuentzia mugatzen du. Kristalek Q faktore altua eta tenperaturarekiko oreka handiagoa dute sintonizadore-zirkuituak baino; beraz, frekuentzia-oreka handiagoa daukate LC-oszilagailuekin edo RC-oszilagailuekin alderatuz. Kristal-oszilagailuak oszilagailu lineal ohikoenak dira, eta gehienbat i) irrati-transmisoreen frekuentzia orekatzeko eta ii) ordenagailuetan eta kuartzozko erlojuetan erabiltzen diren erloju-seinaleak ekoizteko erabiltzen dira. Kristal-oszilagailuek ere gehienetan LC-oszilagailu zirkuituak erabiltzen dituzte, eta kristalak edukiko lukeen funtzioa sintonizazio-zirkuitua ordezkatzea izango litzateke. Pierce oszilagailu zirkuitua ere oso erabilia da. Kuartzozko kristalak 30 MHz-ko seinaleetara edo gutxiagoetara mugatzen dira.

Erresistentzia negatiboko oszilagailua

Aurretik ikusi diren oszilagailu linealetan bi ataka erabili dira eraikitzeko orduan; baina, oszilagailu linealak eraiki daitezke erresistentzia negatiboko ataka bakarra erabiliz. Hala nola, magnetroizko tutuak, tunel-diodoak, IMPATT diodoak eta Gunn diodoak. Erresistentzia negatiboko oszilagailuak frekuentzia altuetan, mikrouhin-barrutietan edota altuagoetan erabiltzen dira. Frekuentzia horietan guztietan oszilagailu mota hori erabiltzen da berrelikadura-oszilagailuek txarto funtzionatzen dutelako fase-desplazamendu handiak direla eta.

Oszilagailu horietan dauden zirkuituak erresonantzia-zirkuituak dira; besteak beste, LC-oszilagailu zirkuitua, kristal edo hutsune-erresonadore bat. Horiek erresistentzia diferentzial negatiboa duen gailu baten bidez konektatzen dira eta korronte zuzena duen voltai bat aplikatzen zaie. Bere kabuz erresonantzia-zirkuitua ia oszilagailu bat izan daiteke, kitzikatzen denean oszilazio modura energia meta dezakeelako; baina, erresistentzia elektrikoa eta galera ezberdinak dituenez oszilazioak leuntzen dira 0 bihurtu arte. Gailuaren erresistentzia negatiboak erresonadoreak duen barne-galera orekatzen du; horrela, leunketa gabeko erresonadore bat sor daiteke. Horrek berezko oszilazio jarraiak sortuko ditu bere erresonantzia-frekuentzian.

Erresistentzia negatiboko oszilagailuen eredua ez da ataka bakarreko gailuetara bakarrik mugatzen. Bi ataka dituzten anplifikadore-gailuak dituzten berrelikadura-oszilagailuek ere erresistentzia negatiboa izan dezakete; besteak beste, transistoreekin edo tutuekin egindako anplifikadore-gailuak. Frekuentzia altuetan transistoreak eta FETak ez dute berrelikadura-begiztarik behar. Baina, 2 ataketatik batean karga zehatz batzuk aplikatzen badira, horiek beste atakan ezegonkorrak bihur daitezke; horrela, erresistentzia negatiboa lortuz eta oszilazioa sorraraziz. Frekuentzia altuko oszilagailuak erresistentzia negatiboko teknikak erabiliz diseinatzen dira.

Hemen daude oszilagailu armonikoa duten zirkuitu aipagarrienak:

Amstrong oszilagailua
Clapp oszilagailua
Akoplamendu gurutzatuko oszilagailua
Colpitts oszilagailua
Dynatron oszilagailua
Hartley oszilagailua
Oszilagailu optoelektronikoa
Pierce oszilagailua
Fase-aldakuntzako oszilagailua
Robinson oszilagailua
Tri-tet oszilagailua
Vackář oszilagailua
Wien zubi oszilagailua

Oszilagailuetan erabilitako aktibo dauden gailuak eta horien gutxi gorabeherako maiztasun maximoak
Gailua	Frekuentzia
Triodo hutsezko tutua	~ 1 GHz
Trantzistore bipolarra (BJT)	~ 20 GHz
Heterojunturazko transistore bipolarra (HBT)	~ 50 GHz
Erdieroale metalikoko eremu-efektuko transistorea (MESFET)	~ 100 GHz
Gunn diodoa, funtsezko modua	~ 100 GHz
Magnetroizko tutua	~ 100 GHz
Elektroien mugimendu altuko transistorea (HETM)	~ 200 GHz
Klystron-ezko tutua	~ 200 GHz
Gunn diodoa, modu armonikoa	~ 200 GHz
IMPATT diodoa	~ 300 GHz
Gyrotron-ezko tutua	~ 600 GHz

Lasaitasun-oszilagailuak

Oszilagailu ez-lineal batek edo lasaitasun-oszilagailu batek seinale ez-sinusoidal bat ekoizten du; adibidez, uhin karratu bat edo triangelu edo zerra motako hortz-uhina. Oszilagailu horrek energia metaketatzeko osagai batez eta kommutazio ez-linealeko osagai batez osaturik dago, eta horiek berrelikadura-zirkuitu batez baliatuz elkar konektatzen dira. Kommutazio gailuak metatutako energia kargatu eta deskargatu egiten du periodikoki; horrela, aldaketa zakarrak eraginez irteerako uhinean.

Uhin karratuak ekoizten dituen lasaitasun-oszialgailuak tenporizadoreetan eta kontadoreetan erabiltzen diren erloju-seinaleak sortzeko erabiltzen dira; hala ere, hobe da kristal-oszilagailuak erabiltzea egonkortasun handiagoa baitute. Triangelu edo zerra motako hortz-uhinak, aldiz, telebistetan edota oszilagailu analogikoetan erabiltzen diren izpi katodikozko tutuek erabiliko duten deflexio horizontaleko seinaleak ekoizteko erabiltzen dira. Gainera, oszilagailu horiek ere erabiliak dira voltaiaren bidez kontrolatzen diren oszilagailuetan, inbertsore eta elikatze-iturri kommutatuetan, malda bikoitzeko analogiko-digital bihurtzaileetan eta proba tresnerientzako karratu eta triangelu motako uhinak ekoizten duten sorgailuetan.

Eraztun-oszilagailua atzerapen aktiboa duten eraztunez osatua dago. Orokorrean, eraztunak kopuru bakoitia duten inbertsio-etapakoak dira, ondorioz ez dago egoera egonkor bakar bat eraztunen barne voltaientzako. Aldiz, trantsizio bakar bat dago gelditu gabe eraztunaren inguruan hedatzen dena.

Ohikoenak diren lasaitasun-oszilagailuak:

Multibibragailuak
Pearson-Anson oszilagailua
Eraztun-oszilagailua
Atzerapen zuzeneko oszilagailua
Royer oszilagailua

Historia

Lehenengo oszilagailu praktikoak arku elektrikoetan oinarritzen ziren eta argiztapenerako erabiltzen ziren XIX. mendean. Arku elektriko batetik doan korrontea ezegonkorra da bere erresistentzia negatiboagatik eta askotan apurtu egiten dira berezko oszilazioetan. Horrek, txistuak eta soinu bitxiak igortzen zituen, eta 1821. urtean Humphry Davy-k fenomeno horiek antzeman zituen; era berean Benjamin Silliman-ek 1822. urtean; Auguste Arthur de la Rive-k 1846. urtean eta azkenik David Edward Hughes-ek 1878. urtean. Baina, ez zen 1888. urtera arte Ernst Lecher-en eskutik arku elektrikoa oszilakorra izan zitekeela frogatu zuenik.

Eliu Thomson-ek oszilagailu bat eraiki zuen 1892. urtean, LC-zirkuitu bat paraleloan jarri zuen arku elektriko batekiko eta lehergailu magnetiko bat atxikitu zion. Beste alde batetik, urte berean George Francis FitzGerald konturatu egin zen erresonantzia-zirkuitu bateko amortiguazio-erresistentzia 0 edo negatiboa zenean zirkuituak oszilazioak ekoizten zituela. Horren eragina, erresistentzia negatiboko oszilagailu bat eraikitzen saiatu zen arrakastarik gabe. Arku-oszilagailua William Duddell-ek berreskuratu eta ospatu bihurtu zuen 1900. urtean. LC-zirkuitu bat arku-lanpara baten elektrodoetara eta zirkuitu sintonizatu baten erresistentzia negatibora konektatu zuen; horrek, energiaren parte bat soinu-uhin bidez igorri zuen tonu musikal bat sortuz. Dudellek bere oszilagailua Londreseko Ingeniari Elektrikoen Erakundearen (ingelesez Institute of Electrical s Engineers, IEE) aurrean aurkeztu zuen. Zirkuitu ezberdin asko haien artean konektatu zituen eta erakundearen aurrean "God Save the Queen" ereserkia jo zuen arku elektroiez baliatuz. Hala ere, Duddellen "kantu-arkuak" ezin zuen audio-barrutia baino gehiagoko frekuentziarik sortu.

1902. urtean Valdemar Poulsen eta Peder Oluf Perdersen fisikari daniarrek, hidrogenozko atmosfera batez eta eremu magnetiko batez baliatuz audio-barruti frekuentzia handiagotzea lortu zuten; horrela, lehen arku irrati transmisorea sortuz. Transmisore hori, uhin jarraieko lehen transmisorea izanez gain 20ko hamarkadara arte erabilia izan zen.

1912. urtearen inguruan tutu hutsaren berrelikadura-oszilagailua asmatu zen eta gutxi gorabehera independenteki 6 asmalarik lortu zuten aurkikuntza hori. 1912an Edwin Armstrong-ek audio irrati-hargailuen zirkuituetan zeuden oszilazioak behatu zituen eta horrekin batera, bere hargailu birsortzailean berrelikadura positiboa erabiltzen hasi zen. Alexander Meissner-ek baita ere berrelikadura positiboaren aurkikuntza egin zuen eta 1913. urteko martxoan oszilagailu mota hori asmatu zuen. Britania Handian, urte berean, H.J. Round-ek oszilazio-zirkuitua eta anplifikazio-zirkuituak patentatu zituen; beste aldetik, urte bereko abuztuan Lee De Forest-ek, audionaren (triodo mota bat) asmatzaileak, baita oszilazioak behatu zituen bere anplifikadoreetan. Baina, ulertzen ez zuenez horiek ezabatzen saiatu zen Armstronen patenteak irakurri zituen arte. Berehala horiek biak eztabaida batean sartu ziren berrelikadura-oszilagailuaren zirkuituaren eskubideak lortzeko. Azkenean, De Forestek irabazi zuen Auzitegi Nagusiaren aurrean 1934. urtean arrazoi teknikoengatik; hala ere, iturri askok Armstrongen baieztapenak egonkorragoak zirela uste zuten.

Lehen eta erabiliena izan den lasaitasun-oszilagailua astable-multibibratzailea da, eta 1917. urtean asmatu zen Henri Abraham eta Eugene Bloch ingeniarien eskutik. Multibibratzailea izendatu zuten haien asmakizunari, ekoizten zuen uhin karratua harmonikoetan aberatsa zelako beste tutuzko oszilagailuekin konparatuz gero.

Tutu hutsezko berrelikadura-oszilagailuak irrati-transmisioaren oinarri bihurtu ziren 1920. urtean. Baina, horiek 300 MHz-eko frekuentzia baino handiagoetan txarto funtzionatzen zuten; horregatik, hutsezko tutu berriak garatu ziren. Horietan, elektroiak "multzoetan" tutuaren zehar garraiatzen ziren. Tutu horiek erabili zituen lehenengo oszilagailua Barkhausen-Kurz oszilagailua izan zen 1920. urtean. Potentzia UHF (siglak ingelesez, Ultra High Frecuency) barrutian sortzen zuen lehen tutua izan zen.

Berrelikadura-oslizagailuetan erabiltzen diren baldintza matematikoak Heinrich Georg Barkhausenek deribatu zituen 1921. urtean. Oszilagailu elektroniko ez-linel baten lehen analisia Balthasar van der Pol-ek egin zuen 1927. urtean eta Van der Pol oszilagailu batekin egin zuen. Lehen analisi honekin frogatu zuen oszilagailuaren oszilazio egonkorrak anplifikadore ez-linealak eragiten zituela. Van der Pol izan zen lehena ere oszilazio linealak eta lasaitasun-oszilazioak bereizten, eta "lasaitasun oszilazio" terminoa sorrarazi zuen.

30eko hamarkadan, Hendrik Wade Bode-k eta Harry Nyquist-ek aurrerapen gehiago egin zituzten oszilagailuen analisi matematikoen esparruan. 1969. urtean, K. Kurokawa-k erresistentzia negatiboko zirkuituetarako beharrezkoak diren baldintzak deribatu zituen eta horiek mikrouhin modernoen diseinuaren oinarria osatzen dute.

Bibliografia

Morse, A. H.. (1925). Radio Beam And Broadcast. Ernest Benn Limited.

Beste irakurketa batzuk

Ulrich Rohde, Ajay Poddar y Georg Bock, El diseño de osciladores de microondas modernos para aplicaciones inalámbricas: teoría y optimización, John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0-471-72342-8.
E. Rubiola, ruido de fase y estabilidad de frecuencia en osciladores Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-88677-2.