ساده ترین نوسان ساز امپدانس منفی

ساده ترین نوسان ساز امپدانس منفی

معمولا نوسان سازها (Oscillator) به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: نوسان ساز خطی یا هارمونیک و نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون

شکل زیر ساده ترین نوسان ساز مقاومت منفی با استفاده از ترانزیستور 2N222 را نشان می دهد.

در نوسان سازهای مقاومت منفی، با اضافه شدن مدار تشدید به طور موازی با المانی که دارای مقاومت منفی است، میرایی مدار حذف شده و نوسان پایدار ایجاد می شود. المانی که مقاومت منفی را ایجاد می کند معمولا المان فعال مانند دیود تونلی یا ترانزیستور است. در این مطلب قرار است تا مداری با قطعات بسیار ساده معرفی گردد که برای تولید نوسان استفاده می شود. معمولا در این نوع از نوسان سازها، از اصطلاح مقاومت منفی تفاضلی یا  Negative Differential Resistance (به اختصار NDR) بسیار استفاده می شود. یک بخش مهم در همه نوسان سازها، بخش تشدید کننده یا رزوناتور (Resonator) است که برای نوسان سازهایی که در فرکانسهای متوسط کار می کنند از مدارهای RLC سری یا RLC موازی که دارای ضریب کیفیت (Quality Factor) بالا هستند استفاده می شود. برای نوسان سازهایی با فرکانس کم معمولا از تشدید کننده هایی با ضریب کیفیت  پایین مانند مدارهای RL یا RC استفاده می شود. در نوسان ساز مقاومت منفی می توان از هر دو تشدید کننده یا رزوناتور و بسته به فرکانس نوسان استفاده کرد.

در نوسان سازی که در اینجا مطرح می شود راندمان (Efficiency) همچنان زیر صد درصد است. شاید به نظر برسد که قانون اهم در اینجا نقض شده است. بر طبق قانون اهم، افزایش در ولتاژ (Voltage) یک افزایش در جریان (Current) را ایجاد می کند ولی در NDR ها افزایش در ولتاژ، کاهش جریان را به همراه دارد. این پدیده در نیمه هادی ها توسط Leo Esaki کشف شد. این دانشمند به خاطر کشف پدیده اثر تونلی (Tunnel Effect) در دیودهای تونلی (Tunnel Diode) جایزه نوبل را در سال 1973 بدست آورد. یک دیود تونلی (گاها به the Esaki diode نیز نامیده می شود)، در یک ناحیه خاص از خود مقاومت منفی را بروز می دهد. از المان های دیگری که چنین اثری را از خود نشان می دهند می توان به دیود گان (Gunn Diode) و دیود لاندا (Lambda Diode) اشاره کرد. دیود تونلی در سال 1980 توسط کاشف همین پدیده اختراع شد. ساده ترین نوع این المان همان ترانزیستور 2N2222 است که گاها برای این کاربرد به Negistor هم نامیده می شود که در حالت معکوس مورد استفاده قرار می گیرد. در شکل زیر نمودار جریان- ولتاژ ترانزیستور را در ناحیه NDR ملاحظه می کنید.

مشاهده می شود که با افزایش ولتاژ و برخلاف قانون اهم، جریان کاهش می یابد. شیب نمودار نیز منفی است یعنی اینکه در اینجا با مقاومت منفی روبه رو هستیم. شاید به نظر برسد که در اینجا توان از Negistor به مدار تزریق می شود ولی باید توجه داشت که ترانزیستور برای اینکه از خود مقاومت منفی نشان دهد باید در یک نقطه کار DC خاص راه اندازی یا بایاس (Bias) شود. مدار تشدید کننده یا رزوناتور  در اینجا یک مدار RC با ضریب کیفیت پایین است. در نتیجه از این مدار نباید انتظار فرکانس بالا را داشت (اگرچه می توان مدار را به گونه ای اصلاح کرد که در فرکانسهای بیشتر نیز نوسان کند). می توان به جای ترانزیستور 2N2222 از ترانزیستورهای دیگر مانند ترانزیستور BC107، MJE13007 و ... استفاده کرد ولی برای استفاده از هر نوع ترانزیستور ابتدا باید دید که در چه نقطه کاری ترانزیستور از خود مقاومت منفی نشان می دهد.

مقاومت 1k به همراه خازن الکترولیت 100uF فرکانس نوسان را تعیین می کنند. رابطه فرکانس نوسان بر حسب مقاومت R و خازن C همانگونه که در شکل مشاهده می شود از رابطه f=1/(2*pi*R*C) بدست می آید. توجه شود که بیس ترانزیستور به جایی متصل نیست و ترانزیستور به طور معکوس بایاس شده است. در حقیقت اگر قرار باشد که بجای ترانزیستور 2N2222 از ترانزیستور دیگری استفاده شود باید به همین شکل در مدار قرار گرفته و با تغییر ولتاژ منبع، مقدار جریان را برای هر تغییر در ولتاژ بدست آورد و در ناحیه ای که شیب نمودار ولتاژ-جریان منفی است به مدار رزوناتور متصل شود. لامپ LED (Light Emitting Diode) تنها برای نشان دادن نوسان به کار رفته است و پس از شروع به کار مدار، این لامپ شروع به چشمک زدن می کند. توجه شود که می توان از خازن یا مقاومت با مقادیر دیگر نیز استفاده نمود ولی باید توجه داشت که این مقادیر باید به گونه ای انتخاب شوند که ترانزیستور در ناحیه NDR کار کند.

کاربرد: چشمک زن، نوسان ساز فرکانس پایین، نوسان ساز مقاومت منفی، اسیلاتور آزمایشگاهی فرکانس کم و ...