מתנד קולפיטס

מתנד הוא מבנה מכני או אלקטרוני המייצר תנודה בהתאם למשתנים מעטים. לכולנו יש מכשירים שזקוקים למתנדים כמו שעון מסורתי או שעון יד. סוגים שונים של גלאי מתכות, מחשבים בהם מעורבים מיקרו-בקר ומיקרו-מעבדים, משתמשים במתנדים, במיוחד במתנד אלקטרוניקה המפיק אותות תקופתיים. דנו בכמה מתנדים בהדרכות הקודמות שלנו:

• מתנד משמרת שלב RC
• מתנד וויין ברידג '
• מתנד קריסטל קוורץ
• מעגל מתנד משמרת שלב
• מתנד מבוקר מתח (VCO)

מתנד Colpitts הומצא על ידי המהנדס האמריקאי אדווין ח Colpitts בשנת 1918. יצירות מתנד Colpitts עם שילוב של וסלילים וקבלים ידי יצירת מסנן LC. זהה למתנדים אחרים מתנד קולפיטס מורכב ממכשיר רווח, והפלט מחובר בלולאת משוב מעגל LC. מתנד קולפיטס הוא מתנד לינארי המייצר צורת גל סינוסואידית.

מעגל הטנקים

מכשיר התנודה הראשי במתנד קולפיטס נוצר באמצעות מעגל המיכל. מעגל הטנק מורכב משלוש משרן components- ושני קבלים. שני קבלים מחוברים בסדרה, וקבלים אלה מחוברים עוד במקביל למשרן.

בתמונה שלעיל מוצגים שלושה מרכיבים במעגל המיכל עם חיבורים מתאימים. התהליך מתחיל בהטענה של שני קבלים C1 ו- C2. ואז בתוך מעגל הטנקים, שני הקבלים מסדרה אלה מתפרקים למשרן המקביל L1 והאנרגיה המאוחסנת בקבל מועברת למשרן. עקב הקבל המחובר במקביל, המשרן שמשוחרר כעת על ידי שני הקבלים והקבלים מתחילים להיטען שוב. טעינה ופריקה אלה בשני הרכיבים נמשכים ובכך מספקים אות תנודה על פניו.

התנודה תלויה מאוד בקבלים ובערך המשרן. הנוסחה הבאה היא לקבוע את תדירות התנודה:

F = 1 / 2π√LC

כאשר F הוא תדר ו- L הוא משרן, C הוא הקיבול המקביל הכולל.

ניתן לקבוע את הקיבול המקביל של שני הקבלים באמצעות

C = (C1 x C2) / (C1 + C2)

בשלב תנודה זה במעגל הטנקים, נוצר אובדן אנרגיה כלשהו. כדי לפצות את האנרגיה האבודה הזו וכדי לקיים את התנודה בתוך מעגל הטנק, נדרש מכשיר רווח. ישנם סוגים רבים ושונים של התקני רווח המשמשים לפיצוי אובדן האנרגיה במעגל הטנק. התקני הרווח הנפוצים ביותר הם טרנזיסטורים ומגברים תפעוליים.

מתנד על בסיס טרנזיסטורים

בתמונה שלעיל, מתנד קולפיטס מבוסס טרנזיסטור מוצג כאשר מכשיר הרווח העיקרי של המתנד הוא טרנזיסטור NPN T1.

במעגל, הנגד R1 ו- R2 נדרשים למתח הבסיס. אלו נגדים שני משמשים לעשות מחלק מתח ברחבי הבסיס של טרנזיסטור T1. הנגד R3 משמש כנגד פולט. נגד זה מאוד שימושי לייצוב מכשיר הרווח במהלך הסחף התרמי. C3 הקבל משמש קבל מעקף פולט אשר מחובר במקביל בנגד R3. אם נסיר את הקבל C3 הזה, אות ה- AC המוגבר יושלך על פני הנגד R3 ויביא לרווח גרוע. אז, הקבל C3 מספק נתיב קל לאות המוגבר. המשוב ממעגל הטנק מחובר באמצעות ה- C4 לבסיס הטרנזיסטור T1.

התנודה של מעגל המתנד המבוסס על טרנזיסטור תלויה בתזוזת הפאזה. זה ידוע היטב כקריטריון ברקהאוזן עבור המתנד. לפי קריטריון ברקהאוזן, רווח הלולאה צריך להיות מעט גדול יותר מהאחדות והעברת השלב סביב הלולאה צריכה להיות 360 מעלות או 0 מעלות. לכן, במקרה זה, כדי לספק את התנודה על פני הפלט, המעגל הכולל צריך 0 מעלות או מעבר של 360 מעלות. תצורת הטרנזיסטור כפולט נפוץ מספקת מעבר פאזה של 180 מעלות ואילו מעגל הטנק תורם גם מעבר פאזה נוסף של 180 מעלות. על ידי שילוב משמרות דו-פאזיות אלו המעגל הכולל משיג מעבר של 360 מעלות האחראי על התנודה.

ניתן לשלוט על המשוב באמצעות שני הקבלים C1 ו- C2. שני הקבלים הללו מחוברים בסדרה והצומת מחובר עוד יותר עם קרקע האספקה. המתח על פני C1 גדול בהרבה מהמתח על פני C2. על ידי שינוי שני ערכי הקבלים הללו אנו יכולים לשלוט על מתח המשוב המועבר עוד יותר למעגל הטנק. קביעת מתח המשוב היא חלק מכריע במעגלים מכיוון שכמות המתח המשוב הנמוכה לא תפעיל את התנודה ואילו כמות גבוהה של מתח משוב תביא בסופו של דבר להרס גל הסינוס המוצא ותגרום לעיוות.

ניתן לכוון את מתנד הקולפיטס על ידי שינוי ערך ההשראות והקיבול. ישנן שתי דרכים לגרום למתנד הקולפיטס לעבוד בתצורת כוונון משתנה.

הדרך הראשונה היא לשנות את המשרן כמשרן משתנה והדרך השנייה היא לשנות את הקבלים כקבל משתנה. באפשרות השנייה, מכיוון שמתח המשוב אמין מאוד ביחס C1 ו- C2, מומלץ להשתמש בכנופיה פשוטה. כך שכשיש שונות בקבל אחד הקבל השני גם משנה את הקיבול שלו בהתאם.

מתנד קולפיטס מבוסס-מגבר

בתמונה לעיל מוצג מעגל מתנד מבוסס קולפיטס. המגבר התפעולי נמצא במצב תצורה הפוך. הנגדים R1 ו- R2 משמשים עקב מתן המשוב הדרוש למגבר התפעולי. מעגל הטנק מחובר יחד עם המשרן היחיד במקביל לשני קבלים מסדרה. הקלט של המגבר התפעולי מחובר למשוב של מעגל הטנק.

העבודה זהה לדיון במעגל המתנד המבוסס על טרנזיסטור לעיל. במהלך ההפעלה המגבר המגבר מגביר את אות הרעש האחראי להטעין שני קבלים. הרווח של מגבר אופ המבוסס Colpitts מתנד גבוה טרנזיסטור המבוסס Colpitts מתנד.

ההבדל בין מתנד קולפיטס למתנד הרטלי

מתנד קולפיטס דומה מאוד למתנד הרטלי אך יש הבדל בבנייה בין שני אלה. אמנם שני מעגלי המתנד הללו מורכבים משלושה רכיבים כמעגל טנקים אך המתנד של קולפיטס משתמש במשרן יחיד במקביל לשני קבלים בסדרה ואילו המתנד הרטלי משתמש בדיוק הפוך, קבל אחד יחיד במקביל לשני משרנים בסדרה. מתנד קולפיטס מבצע ביצועים יציבים יותר בתדירות גבוהה מאשר מתנד הרטלי.

מתנד הקולפיטס הוא בחירה מצוינת בתפעול בתדירות גבוהה. זה יכול לייצר תדר פלט בטווח מגה-הרץ, כמו גם בטווח קילוהרץ.

יישום מעגל מתנד קולפיטס

1. בשל הקשיים בהשתנות חלקה של המשרן והקבל, מתנד הקולפיטס משמש בעיקר לייצור תדרים קבועים.

2. השימוש העיקרי במתנד קולפיטס הוא במכשירי תקשורת ניידים או בקרת תדר רדיו אחרים.

3. בתנודה בתדירות גבוהה, מתנד קולפיטס הוא בחירה מצוינת. לפיכך מכשירים מבוססי מתנד בתדירות גבוהה משתמשים במתנד קולפיטס.

4. בכמה יישומים בהם יש צורך בתנודה רציפה ובלתי מוטמעת בנוסף ליציבות תרמית, נעשה שימוש במתנד קולפיטס.

5. עבור יישומים הזקוקים למגוון רחב של תדרים עם רעש מינימלי המושרה.

6. סוגים רבים של חיישנים מבוססי SAW משתמשים במתנד קולפיטס

7. סוגים שונים של גלאי מתכות משתמשים במתנד הקולפיטס.

8. משדר תדרים רדיו הקשור לאפנון תדרים משתמש במתנד קולפיטס.

9. יש לו יישום עצום במוצרי כיתה צבאית ומסחרית.

10. ביישומי מיקרוגל, נדרשים גם מעגלים כאוטיים הקשורים למיסוך אותות, מתנד קולפיטס בתחום התדרים השונה.