اتصال کوتاه

.

.

کمی از تئوری

بخش دوم و آخر این نوشتار را با یادآوری چند نکته در مورد اصول کاری مدارمان که در بخش اول تقدیم خوانندگان شد، به پایان می‌بریم. البته دانستن این مطالب برای کارکردن با آن دستگاه ضرورتی ندارد و خوانندگانی که با تئوری میانه‌ی خوبی ندارند، می‌توانند همین الان خداحافظی کنند!

مدارهای تک‌ترانزیستوریِ نوسان‌گر (نوسان‌ساز یا اُسیلاتور) تنوع زیادی دارند و بسیار گوناگون هستند. بسیاری از نوسان‌گرها و مولدهای موج سینوسی از مدارهای تشدیدِ LC شامل خازن و القاگر استفاده می‌کنند. فقط چند نوع نوسانگر RC  (دارای مدار هماهنگی مقاومت-خازن) مانند ژنراتور تغییر فاز RC ، ژنراتور Wien-Robinson و برخی از اسیلاتورهای کریستالی (دارای کریستال کواتز) می‌توانند بدون القاگرهای اضافی کار کنند و سیگنال سینوسی تولید کنند.

در مدارهای نوسان‌گر معمولاً یک طبقه‌ی تقویت‌کننده وجود دارد که مقداری بهره تولید می‌کند. بخشی از ولتاژ سیگنال در مدار تشدید، در فاز صحیح، به ورودی تقویت‌کننده برگردانده می‌شود (بازخور یا فیدبک). به همین جهت، گاهی لازم می‌آید که در سیگنال تولید شده در خروجی، به اندازه صفر یا 180 درجه «تغییر فاز» ایجاد گردد. از سوی دیگر، چون مدار تشدید و مدار بازخور دارای تلفات هستند، بهره‌ی تقویت‌کننده باید قادر به جبران این تلفات باشد تا نوسانگر بتواند به کار خود ادامه دهد.

شکل زیر شرایط سیگنال را در مدار تشدید با یک «مدار تشدید سه نقطه‌ای خازنی» نشان می‌دهد. یک اسیلاتور با مدار خازنی سه نقطه‌ای به نام مخترع آن آقای ادوین هنری کولپیتس Edwin Henry Colpitts ، نوسانگر Colpitts نامیده می‌شود و می‌تواند با یک تقویت‌کننده‌ی ترانزیستوری در آرایش‌های «کلکتور مشترک»، «بیس مشترک» و یا «امیتر مشترک» کار کند.

چنانکه دیده می‌شود، خازن مدار تشدید به دو خازن تقسیم شده، و به اصطلاح «مدار تشدید سه نقطه‌ای خازنی» بدست آمده است. چون نقطه‌ی تقسیم به زمین متصل است، دو جزء ولتاژی روی خازن‌ها در فاز مخالف یکدیگر قرار می‌گیرند.

.

.

مدار نوسان‌گر کولپیتس در هر آرایشی که مورد استفاده قرار گیرد (در تصویر زیر شامل: «بیس مشترک» در سمت چپ، «امیتر مشترک» در وسط یا «کلکتور مشترک» در سمت راست تصویر)، همواره یک «مدار تشدید القاگر-خازن» را به خدمت می‌گیرند و به عبارت دیگر در همه‌ی آرایش‌ها یک «نوسان‌گر LC» است. این مدار از یک سیم‌پیچ موازی با دو خازن 1 و 2 که به صورت سری بسته شده‌اند، تشکیل یافته است. فرکانس تشدید در این مدار از فرمول زیر حساب می‌شود:

.

.

آنچه به نام C_S در فرمول بالا نشان داده شده، ظرفیت کل دو خازن 1 و 2 است که به صورت سری با هم بسته شده اند.  ظرفیت کل خازنی به این صورت محاسبه می‌شود:

.

.

خازن 3 عمل کوپلاژ فرکانس و دکوپلاژ (جداسازی) جریان مستقیم را انجام می‌دهد و نقشی در تعیین فرکانس کار مدار نوسان‌گر ندارد. به بیان دیگر، این خازن سد عبور جریان مستقیم است در حالی که همزمان در مقابل جریان دارای فرکانس مانند یک تکه سیم (اتصال کوتاه) کار می‌کند.

.

.

پیش‌شرط‌های کارکرد صحیح این مدارهای نوسان‌گر عبارتند از:

1- وجود یک تشدیدگر (رزوناتور) LC که فرکانس کار را تعیین می‌کند و روی آن فرکانس امواج سینوسی تولید می‌کند،

2- یک بازخور مثبت (فیدبک هم‌فاز) که نوسان‌ها را برقرار نگه می‌دارد و مداومت می‌بخشد.

.

حال که با ترکیب‌های مختلف ساختمانی نوسان‌گر کولپیتس آشنا شدیم، نگاه دقیق‌تری به آن‌ها می‌اندازیم تا ببینیم این مدارها چطور عمل نوسان‌سازی را انجام می‌دهند.

.

پیکربندی بیس مشترک: در مدار تقویت‌کننده‌ی بیس مشترک هیچ اختلاف فازی میان سیگنال روی امیتر (ورودی) و کلکتور (خروجی) مدار ایجاد نمی‌شود. مدار هماهنگی یا تشدید مستقیم به خط تغذیه متصل است و سیگنال تولیدی نسبت به زمین مدار اندازه‌گیری می‌شود. جریان متناوب (نوسان‌ها) از پایه‌ی بیس ترانزیستور جداسازی (دکوپله) شده و به زمین داده می‌شوند. این کار با خازنی که میان بیس و خط صفر ولت تغذیه قرار گرفته، انجام می‌شود. خروجی این مدار که نوسان‌ها از آن برداشته می‌شوند، کلکتور ترانزیستور است. بخش کوچکی از این نوسان‌ها به شکل یک ولتاژ متناوب از نقطه‌ی تماس دو خازن 1 و 2 برداشته شده و به پایه‌ی امیتر ترانزیستور داده می‌شود. به این ترتیب یک جریان بازخورد هم‌فاز (فیدبک مثبت) در این مسیر تقویت پیدا خواهد کرد که تداوم نوسان‌سازی این مدار را ممکن می‌سازد.

.

پیکربندی امیتر مشترک: یکی از مشخصات شناسنامه‌ای هر تقویت‌کننده‌ی امیتر مشترک، وجود اختلاف فاز 180 درجه‌ای میان سیگنال ورودی و سیگنال خروجی آن است. بنابراین هر سیگنالی که به بیس ترانزیستور در آرایش امیتر مشترک وارد شود، با 180 درجه اختلاف فاز از کلکتور آن تحویل گرفته خواهد شد.

بخش کوچکی از سیگنال خروجی بر روی کلکتور ترانزیستور از طریق مدار هماهنگی یا مدار تشدید LC شامل القاگر و خازن‌های 1 و2 به بیس ترانزیستور فرستاده می‌شود. چون نقطه‌ی تماس دو خازن به زمین مدار وصل شده، ولتاژ سینوسی تولید شده در دو سر دیگر این خازن‌ها در فاز مخالف همدیگر قرار خواهند داشت. به این معنا که ولتاژ خازن 1 روی بیس ترانزیستور و ولتاژ خازن 2 بر روی کلکتور ترانزیستور با هم 180 درجه اختلاف فاز خواهند داشت. اختلاف فازِ گفته‌شده در این پیکربندی، حکم بازخورد مثبت را دارد و سبب تداوم تولید نوسان‌ها خواهد شد. کوپله کردن ولتاژ بازخور به بیس از طریق خازن کوپلاژ 3 انجام می‌گیرد که عمل جداسازی گالوانیکی بین بیس و کلکتور ترانزیستور را هم بر عهده دارد.

مقاومت‌های روی بیس ترانزیستور نقطه کار آن را تعیین می‌کنند. مقاومت روی امیتر عملکرد آن‌ها را تثبیت کرده و دامنه‌ی سیگنال خروجی را تعیین می‌کند.

در مدار امیتر مشترک، امیتر ترانزیستور برای جریان‌های متناوب حکم زمین را دارد و هر سیگنالی روی آن پیدا شود، فوری از طریق «خازن کنارگذر» (By-Pass Capacitor) در امیتر ترانزیستور به زمین مدار اتصال کوتاه می‌شود.

در این مدار نیز سیگنال خروجی از روی کلکتور ترانزیستور گرفته می‌شود. اما می‌توان یک پیچش دیگر روی القاگر مدار تشدید پیچید و خروجی را با امپدانس مطلوب از طریق آن دریافت کرد.

در عمل به جای مقاومت روی کلکتور این مدار، یک القاگر با خودالقایی کافی قرار می‌دهند تا سیگنال‌های روی کلکتور ترانزیستور به خط مثبت منبع تغذیه تخلیه نشود و هدر نرود. البته استفاده از مقاومت هم امکان پذیر هست، اما، در این صورت باید مقاومت اهمی بزرگی به کار  برده شود. هر چه مقدار این مقاومت بزرگ‌تر باشد، «نقطه کار» و تعادل کاری طبقه‌ی تقویت کننده را بیش‌تر بر هم می‌زند. اما اندوکتانس یک القاگر در مقابل جریان مستقیم تقریباً هیچ مقاومتی ندارد، اما به علتِ داشتنِ مقاومت جریان متناوب زیاد، راه عبور سیگنال را سد می‌کند. علاوه بر این، چون مقدار این القاگر معمولاً خیلی خیلی بزرگ‌تر از القاگر مدار تشدید است، و با هم در مدار به صورت موازی قرار دارند، اثر فوق العاده ناچیزی بر فرکانس کار مدار دارد. زیرا، همان طور که می‌دانیم، در دو القاگر موازی، القاگر کوچک‌تر فرکانس تشدید را تعیین می‌کند.

پیکربندی کلکتور مشترک: در مدار کلکتور مشترک، کلکتور ترانزیستور از نظر سیگنال‌های AC زمین شده است (باید بدانیم که از نگاه سیگنال متناوب، خط مثبت و منفی منبع تغذیه به هم وصل هستند). سیگنال خروجی از روی امیتر ترانزیستور برداشت می‌شود. بخش کوچکی از این سیگنال در فاز موافق به بیس ترانزیستور برگردانده می‌شود. این بازخور که از امیتر و از طریق مدار هماهنگی LC به بیس ترانزیستور فرستاده می‌شود، در این‌جا هم یک بازخور مثبت ایجاد می‌کند و مدار را قادر به تولید پایدار و مداوم نوسان‌های سینوسی می‌کند.

.

.

.

به طور کلی، اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم، در مدار ما از مدار نوسان‌گر کولپیتس با پیکربندی کلکتور مشترک استفاده به عمل آمده است. ضریب تقویت ولتاژ تقویت‌کننده‌ی ترانزیستوری در آرایش کلکتور مشترک تقریباً یک است و در آن چرخش فازی وجود ندارد. اما با وجود این، علی‌رغم وجود تلفات در مدار تشدید، شرط نوسان‌سازی یعنی k . Vo = 1 همچنان برقرار است، زیرا طراح ظرفیت خازنی مدار تشدید را به نحوی تقسیم کرده است که در دو خازن به نوعی «تقسیم ولتاژ مطلوب» دست پیدا کند. سپس کل ولتاژ متناوب سیگنال از طریق یک خازن کوپلاژ بزرگ به بیس برگردانده می‌شود. بخش کوچکی از این سیگنال، به عنوان سیگنال خروجی، روی مقاومت امیتر قرار می‌گیرد. این ولتاژ در ترانزیستور 2 تقویت شده و عقربه‌ی میلی‌آمپرسنج را کنترل می‌کند.

پایان

(بازگشت به بخش اول)

.

.

مطالب مرتبط:

دستگاهی ساده برای اندازه‌گیری کیفیت خازن‌های الکترولیت – بخش 1

خازن الکترولیت: 1- روش اندازه‌گیری ظرفیت خازن‌های الکترولیت

خازن الکترولیت: 2- روش اندازه‌گیری ESR یا مقاومت معادل داخلی خازن‌ها

ساخت یک آزمایش‌گر ساده برای خازن‌های ولتاژ بالا

.

.

.