Capacitoarele și inductoarele pot fi combinate pentru a crea circuite rezonante, care au caracteristici de frecvență pronunțate. Cantitatea de capacitate și de inductanță a acestor dispozitive determină atât frecvența de rezonanță, cât și acuitatea curbei de răspuns (cunoscută sub numele de Q) pe care o prezintă aceste circuite.

Dacă capacitatea și inductanța sunt în paralel, la rezonanță circuitul LC paralel se comportă ca un circuit deschis, curentul circuitului fiind determinat de orice rezistență din circuit. Astfel, impedanța totală a unui circuit de rezonanță paralel la rezonanță devine doar valoarea rezistenței.

Există multe aplicații pentru circuitele rezonante, inclusiv acordarea selectivă în emițătoarele și receptoarele radio și suprimarea armonicilor nedorite.

Într-o discuție despre oscilatorul LC, rezonanța paralelă este cea care prezintă interes. Un inductor și un condensator în configurație paralelă sunt cunoscute ca un circuit rezervor. O condiție de rezonanță apare în circuit atunci când
XC = XL sau 1/2πfC = 2πfL

Unde f este frecvența și C este capacitatea și L este inductanța.

Rezonanța apare atunci când reactanța inductivă și cea capacitivă sunt egale, adică 2πfL = 1/2πfC. Acest lucru se poate întâmpla numai la o anumită frecvență. Ecuația poate fi simplificată la:

Din aceste informații este posibil, cunoscând parametrii capacitivi și inductivi ai unui circuit, să se găsească frecvența de rezonanță. Alternativ, dacă se dorește o anumită frecvență de rezonanță, se pot alege valorile L și C.

Într-un circuit rezonant, Q denotă calitatea. Q reprezintă energia de vârf (adică maximă) stocată într-un circuit rezonant în raport cu energia disipată în cursul unui ciclu. Este raportul dintre frecvența de rezonanță fr și lățimea de bandă Bw. Deoarece lățimea de bandă se află la numitor, un circuit cu Q mai mare va avea o lățime de bandă mai mică: Q = fr/Bw

Dar trebuie precizat că, în unele aplicații, Q al unui circuit rezonant este redus în mod intenționat. Acest lucru se poate face prin introducerea unei rezistențe de „stricare a Q”. Pe lângă faptul că este important în circuitele electronice, Q este relevant în sistemele oscilante mecanice, acustice, optice și în alte sisteme.

În general, un oscilator dintr-un circuit electronic convertește tensiunea de alimentare de c.c. într-o ieșire de c.a., care poate consta într-o varietate de forme de undă, frecvențe, amplitudini și cicluri de funcționare. Sau ieșirea poate fi o undă sinusoidală de bază fără niciun alt conținut armonic.

Un oscilator LC, un subtip al oscilatorului electronic, este adesea întâlnit în aplicațiile de radiofrecvență datorită ieșirii sale de înaltă calitate și a designului simplu. Acesta constă dintr-un amplificator care încorporează o reacție pozitivă (regenerativă) în combinație cu un circuit rezonant LC cu un parametru Q adecvat.

Obiectivul la construirea unui amplificator este de a proiecta un circuit care să nu intre în oscilație. Într-un amplificator care nu este destinat să funcționeze ca un oscilator, o cantitate limitată de reacție pozitivă poate fi utilizată pentru a crește câștigul. O rezistență variabilă poate fi plasată în serie cu reacție pentru a împiedica circuitul să intre în oscilație. Într-un auditoriu cu un sistem PA, este necesar să se mențină o separare între difuzor și microfon pentru a controla feedback-ul și a preveni oscilația. Distanța dintre microfon și difuzor se comportă ca o rezistență pentru undele de audiofrecvență.

Oscilatoarele LC (spre deosebire de oscilatoarele RC, care sunt nerezonante și se bazează exclusiv pe o constantă de timp) sunt reglate pentru a suna la o anumită frecvență în funcție de interacțiunea dintre reactanțele capacitive și inductive. Ele sunt analoge rezonatoarelor electromecanice, cum ar fi oscilatoarele cu cristale de cuarț.

Procesul de măsurare a frecvenței de rezonanță a unui circuit oscilator începe prin cuplarea unui generator de semnal RF la circuit. Cuplajul dintre generator și oscilator trebuie să fie slab. În caz contrar, rezistența de ieșire a generatorului poate încărca circuitul și reduce Q-ul acestuia.

În continuare se reglează generatorul la frecvența la care dorim să măsurăm Q-ul. Reglăm circuitul oscilatorului (adesea prin rotirea condensatorului de acord) pentru a vedea tensiunea maximă într-o sondă de osciloscop conectată la circuitul rezervorului. Circuitul este acum în rezonanță, această frecvență este frecvența de rezonanță a circuitului.

Măsurăm apoi tensiunea circuitului oscilator la frecvența de rezonanță. Variem frecvența generatorului puțin mai sus și mai jos de rezonanță și determinăm cele două frecvențe la care tensiunea pe circuit este de 0,707 ori mai mare decât valoarea la rezonanță. Tensiunea la 0,707 ori rezonanța este punctul de -3 dB.

Lărgimea de bandă a oscilatorului este diferența dintre frecvențele corespunzătoare acestor două puncte de 0,707. Atunci Q este frecvența de rezonanță împărțită la această lățime de bandă.

Configurația de testare include de obicei un generator de semnal, o bobină de cuplare, un osciloscop și o sondă 1:100. Ieșirea generatorului de semnal se conectează la bobina de cuplare care are aproximativ 50 de spire. Pentru frecvențe în domeniul megahertzilor, plasăm bobina de cuplare la aproximativ 20 cm de circuitul oscilator. Distanța de 20 cm este menită să ofere un cuplaj slab între bobină și oscilator.

Conectăm apoi sonda la circuitul oscilatorului. Conexiunea de masă a sondei trebuie să se conecteze la carcasa condensatorului de acord. Sonda se conectează la osciloscop. Sonda constituie o mică încărcare a circuitului, astfel încât Q-ul nu scade de obicei prea mult. Există, de asemenea, sonde 1:1 și 1:10, dar acestea pot încărca circuitul oscilatorului. O sondă 1:100 are, de obicei, o rezistență de intrare de 100 MΩ și o capacitate de intrare de 4 pF.

Din cauza atenuării de 100x din sondă, ieșirea generatorului de semnal trebuie, în general, să fie setată destul de sus.

Un generator de baleiaj poate simplifica unele aspecte ale acestei măsurători. „Ieșirea de baleiaj” se conectează la intrarea X a osciloscopului cu osciloscopul în modul X-Y. Acum, urma osciloscopului merge de la stânga la dreapta, partea stângă fiind frecvența de pornire și partea dreaptă frecvența de oprire. Un loc bun pentru a începe este cu frecvența de baleiaj setată la aproximativ 10 Hertz.

Intrarea Y a osciloscopului este conectată la oscilator prin intermediul sondei 1:100. Ieșirea RF a generatorului de baleiaj se conectează la bobina de cuplare, care este plasată la aproximativ 20 cm de bobina oscilatorului.

Potem să rotim condensatorul de acord și să obținem curba oscilatorului pe ecranul osciloscopului. Butonul de amplitudine al generatorului de baleiaj reglează înălțimea vârfului curbei. Marele avantaj al acestei metode este că schimbările în frecvența de rezonanță a circuitului oscilatorului pot fi văzute direct pe ecran. De asemenea, schimbările în Q vor fi evidente deoarece înălțimea vârfului se va modifica.

Oscilatoarele CL se prezintă sub forma mai multor subtipuri:

– Oscilatorul Armstrong, inventat în 1912 de Edwin Armstrong, a fost primul oscilator electronic, spre deosebire de oscilatoarele mecanice, cum ar fi pendulul, care existau dintotdeauna. Oscilatorul Armstrong a fost utilizat inițial în emițătoarele cu tuburi cu vid. Ulterior au servit în receptorul regenerativ, unde semnalul RF de la antenă se cupla în inductanța LC prin intermediul unei bobine auxiliare. Bobina putea fi reglată pentru a împiedica circuitul să oscileze. Același circuit a funcționat pentru demodularea semnalului RF.

– Oscilatorul Colpitts, inventat de Edwin Colpitts în 1918, derivă feedback-ul din ceea ce poate fi considerat a fi o capacitate cu priză centrală. Aceasta este de fapt un divizor de tensiune compus din două condensatoare în serie. Dispozitivul activ, un amplificator, poate fi un tranzistor bipolar cu joncțiune, un tranzistor cu efect de câmp, un amplificator operațional sau un tub în vid. Ieșirea se conectează înapoi la intrare printr-un circuit LC acordat, constituind un filtru trece bandă care sună la frecvența dorită.

Un oscilator Colpitts poate funcționa ca oscilator cu frecvență variabilă – ca într-un receptor superheterodină sau un analizor de spectru – atunci când inductorul este făcut variabil. Acest lucru se face în locul acordării unuia dintre condensatori sau prin introducerea unui condensator variabil separat în serie cu inductorul.

– Un oscilator Hartley, inventat de Ralph Hartley în 1915, este o imagine în oglindă a oscilatorului Colpitts. Diferența constă în faptul că, în loc de o capacitate cu vârf central în combinație cu un inductor, acesta folosește o inductanță cu vârf central în combinație cu un condensator. Semnalul de reacție provine de la inductorul cu vârf central sau de la conexiunea în serie între două inductanțe.

Nu este necesar ca aceste inductanțe să fie cuplate reciproc, astfel încât pot consta din două bobine separate conectate în serie, mai degrabă decât dintr-un singur dispozitiv cu vârf central. În varianta care are o bobină cu priză centrală, inductanța este mai mare deoarece cele două segmente sunt cuplate magnetic.

În oscilatorul Hartley, frecvența poate fi reglată cu ușurință cu ajutorul unui condensator variabil. Circuitul este relativ simplu, cu un număr redus de componente. Un oscilator cu frecvență foarte stabilă poate fi construit prin înlocuirea condensatorului cu un rezonator cu cristal de cuarț.

– Oscilatorul Clapp, un alt dispozitiv LC, constă în mod similar dintr-un tranzistor sau un tub cu vid cu o rețea de reacție bazată pe interacțiunea dintre inductanță și capacitate setată la frecvența de funcționare dorită. A fost inventat de James Clapp în 1948. Seamănă cu circuitul Colpitts, cu un al treilea condensator plasat în serie cu inductorul. Este o îmbunătățire față de oscilatorul Colpitts, în care oscilația poate să nu apară la anumite frecvențe făcând goluri în spectru.

– Oscilatorul Peltz diferă de oscilatoarele Colpitts, Clapp și Hartley prin faptul că folosește două tranzistoare în loc de un singur dispozitiv de amplificare. Ca și în cazul altor oscilatoare, obiectivul este de a asigura un câștig combinat mai mare decât unitatea la frecvența de rezonanță, astfel încât să susțină oscilația.

Un tranzistor poate fi configurat ca amplificator cu bază comună și celălalt ca amplificator cu emițător urmăritor. Rezervorul LC, cu impedanță minimă la frecvența de rezonanță, prezintă o sarcină mare pentru colector. Ieșirea emițătorului urmăritor conectat înapoi la intrarea tranzistorului cu bază comună menține oscilația în circuitul Peltz.

Pentru a construi un oscilator LC care să poată fi acordat electric, în circuitul LC se plasează un varactor (condensator cu tensiune variabilă). Varactorul este o diodă polarizată invers. Capacitatea oricărei joncțiuni PN, ca la o diodă, scade pe măsură ce crește polarizarea inversă. În mod specific, valoarea polarizării inverse determină grosimea zonei de epuizare din cadrul semiconductorului. Grosimea zonei de epuizare este proporțională cu rădăcina pătrată a tensiunii care polarizează invers dioda, iar capacitatea este invers proporțională cu această grosime și, prin urmare, este invers proporțională cu rădăcina pătrată a tensiunii aplicate.

În consecință, ieșirea unei surse simple de alimentare în curent continuu poate fi comutată printr-o gamă de rezistențe sau o rezistență variabilă pentru a acorda oscilatorul. Varactorii sunt concepuți pentru a exploata eficient această proprietate.

Un solid cu orice grad de elasticitate va vibra într-o anumită măsură atunci când se aplică energie mecanică. Un exemplu este un gong lovit de un ciocan. Dacă poate fi făcut să sune continuu, el poate funcționa ca un circuit rezonant într-un oscilator electronic.

Cristalul de cuarț este iminent potrivit pentru acest rol deoarece este foarte stabil în ceea ce privește frecvența sa de rezonanță. Frecvența rezonantă depinde de mărimea și forma cristalului. Cu o precizie de până la o secundă în 30 de ani, oscilatoarele cu cuarț au înlocuit pendulul în ceasuri și au fost de neegalat în ceea ce privește precizia timp de ani de zile, până în anii 1950, când au intrat în scenă ceasurile atomice.

Cristalul de cuarț ca rezonator are virtutea uimitoare a electricității inverse. Ceea ce înseamnă că, atunci când este tăiat, împământat, montat și echipat cu terminale în mod corespunzător, va reacționa la o tensiune aplicată prin schimbarea ușoară a formei. Când tensiunea este îndepărtată, va reveni la configurația sa spațială inițială, generând o tensiune care poate fi măsurată la borne. Această vibrație constituie frecvența sa de rezonanță.

Cristalul de cuarț mai are o altă virtute, și anume că este ieftin, astfel încât este utilizat pe scară largă în multe aplicații, inclusiv în cele mai bune osciloscoape, analizoare de spectru și generatoare de frecvențe arbitrare din lume.

.