تُعرف الدائرة التي تنتج أشكال موجية متناوبة ومستمرة باسم مذبذب، ويمكن أن يكون شكل الموجة موجة جيبية وموجة مربعة وما إلى ذلك بناءً على تردد ناتجها، وتنقسم المذبذبات إلى أنواع مختلفة كما يمكن التحكم في تردد المذبذبات الإلكترونية من خلال جهد الإدخال، لذلك يطلق عليها اسم المذبذبات التي يتم التحكم فيها بالجهد.
ما هو مذبذب Colpitts؟
مذبذب “Colpitts”: هو نوع من مذبذب “LC”، حيث تم اختراع مذبذبات “Colpitts” بواسطة المهندس الأمريكي “Edwin H. Colpitts” في عام 1918م، ومثل مذبذبات “LC” الأخرى تستخدم مذبذبات مجموعة من المحرِّضات “L” والمكثفات “C” لإنتاج تذبذب عند تردد معين، والسمة المميزة للمذبذب هي أنّ التغذية المرتدة للجهاز النشط مأخوذة من مقسم جهد مصنوع من مكثفين متسلسلين عبر المحرِّض.
هناك أنواع عديدة من المذبذبات ولكنها مقسمة بشكل أساسي إلى فئتين، والأول هو المذبذبات التوافقية أو المذبذبات الخطية والثاني هو المذبذبات غير الخطية، كما يتم إنتاج الأشكال الموجية غير الجينية من خلال المذبذبات غير الخطية بينما تنتج المذبذبات الخطية الأشكال الموجية الجيبية.
وضمن فئة المذبذبات الخطية هذه هناك أنواع مختلفة من المذبذبات مثل مذبذب “Colpitts” ومذبذب التغذية الراجعة ومذبذب تحول الطور، ومذبذب “Armstrong” ومذبذب المقاومة السلبية ومذبذب خط التأخير ومذبذب “Robinson” ومذبذب “Pierce” ومذبذب “Clap” ومذبذب جسر “Wien”.
دائرة مذبذب Colpitts:
يوضح الشكل التالي مذبذب “Colpitts” نموذجياً بدائرة “tank”، كما يتم توصيل المحث “L” بالتوازي مع المجموعة التسلسلية للمكثفات “C1″ و”C2”.
المكونات الأخرى في الدائرة هي نفسها الموجودة في حالة الباعث المشترك “CE” والذي يكون متحيزاً باستعمال شبكة مقسم الجهد، أي “RC” هو المقاوم المجمع و”RE” هو المقاوم الباعث الذي يستخدم لتثبيت الدائرة وتشكل المقاومات “R1″ و”R2” شبكة تحيز مقسم الجهد.
علاوةً على ذلك فإنّ المكثفات “Ci” و”Co” هي مكثفات فصل الإدخال والإخراج، بينما مكثف الباعث “CE” هو مكثف الالتفاف المستخدم لتجاوز إشارات التيار المتردد المضخمة، كما أنّه عندما يتم تشغيل مصدر الطاقة يبدأ الترانزستور في التوصيل، ممّا يزيد من “IC” الحالي للمجمع الذي يتم بسببه شحن المكثفات “C1” و”C2″، وعند الحصول على الحد الأقصى من الشحنة الممكنة يبدءون في التفريغ عبر المحث “L”.
خلال هذه العملية يتم تحويل الطاقة الكهروستاتيكية المخزنة في المكثف إلى تدفق مغناطيسي، كما يتم تخزينه داخل المحرِّض في شكل طاقة كهرومغناطيسية، وبعد ذلك يبدأ المحث في التفريغ والذي يشحن المكثفات مرة أخرى، وبالمثل تستمر الدورة ممّا يؤدي إلى حدوث اهتزازات في دائرة الخزان.
علاوةً على ذلك يوضح الشكل أنّ ناتج مكبر الصوت يظهر عبر “C1” وبالتالي يكون في طور مع جهد دائرة الخزان ويعوض الطاقة المفقودة عن طريق إعادة إمدادها، ومن ناحية أخرى يتم الحصول على التغذية المرتدة للجهد إلى الترانزستور عبر المكثف “C2″، ممّا يعني أنّ إشارة التغذية المرتدة خارجة عن الطور مع الجهد عند الترانزستور بمقدار “180 درجة”.
هذا يرجع إلى حقيقة أنّ الفولتية المطورة عبر المكثفات “C1″ و”C2” متعاكسة في القطبية، حيث يتم تأريض النقطة التي ينضمون إليها، وعلاوةً على ذلك يتم توفير هذه الإشارة مع تحول طور إضافي بمقدار “180 درجة” بواسطة الترانزستور ممّا ينتج عنه تحول طور صافي بمقدار “360” درجة حول الحلقة، وممّا يلبي معيار تحول الطور لمبدأ “باركهاوزن”.
تردد مذبذب Colpitts:
في هذه المرحلة يمكن للدائرة أن تعمل بشكل فعال كمذبذب ينتج تذبذبات مستمرة من خلال المراقبة الدقيقة لنسبة التغذية المرتدة المعطاة بواسطة “C1 / C2″، كما يعتمد تردد مذبذب “Colpitts” هذا على العناصر المتوفرة في دائرة الخزان ويتم توفيره بواسطة:
F= 1/ 2π (L Ceff)
حيث أنّ “Ceff” هي السعة الفعالة للمكثفات المعبر عنها كـ
C1 C2 / (C1+C2)
نتيجة لذلك يمكن ضبط هذه المذبذبات إمّا عن طريق تغيير محاثتها أو السعة، ومع ذلك فإنّ تباين “L” لا ينتج عنه تباين سلس، وبعد ذلك يتم ضبطها عادةً عن طريق تغيير السعات التي يتم تجميعها بشكل عام ونتيجة لذلك يؤدي التغيير في أي منها إلى تغيير كليهما، ومع ذلك فإنّ العملية مملة وتتطلب مكثفاً خاصاً ذا قيمة كبيرة.
وبالتالي نادراً ما يتم تفضيل مذبذبات “Colpitts” في التطبيقات التي يختلف فيها التردد ولكنها أكثر شيوعاً كمذبذبات التردد الثابت نظراً لتصميمها البسيط، وكذلك فإنّها تعمل على توفر ثبات أفضل من مذبذبات هارتلي؛ لأنّها مستثناة من تأثير الحث المتبادل الموجود بين اثنين من المحرِّضات للحالة الأخيرة.
وبصرف النظر عن “Colpitts Oscillator” المبين في “BJT”، يمكن تحقيقها أيضاً باستخدام الصمامات أو ترانزستور تأثير المجال “FET” أو “Op-Amp”، كما يوضح الشكل السابق مذبذب “Colpitts” الذي يستخدم “Op-Amp” في تكوين معكوس في قسم مكبر الصوت الخاص به، وفي الوقت نفسه تبقى دائرة الخزان مماثلة لتلك الموجودة في الشكل الأول.
يعمل هذا النوع من الدوائر بشكل مشابه تقريباً لتلك التي تم شرحها سابقاً، ومع ذلك يمكن هنا ضبط مكاسب المذبذب بشكل فردي فقط باستخدام مقاوم التغذية المرتدة “Rf”، حيث يتم إعطاء مكاسب مكبر الصوت العكسي كـ “-Rf / R1″، كما يمكن ملاحظة أنّه في هذه الحالة يكون كسب الدائرة أقل اعتماداً على عناصر الدائرة لدائرة الخزان.
عادةً ما يتراوح تردد التشغيل لمذبذبات “Colpitts” من “20 كيلو هرتز” إلى “300 ميجاهرتز”، ومع ذلك يمكن استخدامها حتى في تطبيقات الميكروويف، حيث توفر مكثفاتها مسار تفاعل منخفض للإشارات عالية التردد.
كما ينتج عن هذا استقرار تردد أفضل بالإضافة إلى شكل موجة إخراج جيبية أفضل، وعلاوةً على ذلك فهي تُستخدم أيضاً على نطاق واسع كمرنانات للموجات الصوتية السطحية “SAW”، وكذلك أجهزة استشعار وأنظمة متنقلة وأنظمة اتصالات.
- “SAW” هي اختصار لـ ” Saw Stands”.
- “FET” هي اختصار لـ “field-effect transistor”.
- “BJT” هي اختصار لـ “Bipolar Junction Transistor”.
- “Op-Amp” هي اختصار لـ “operational amplifier”.
نظرية مذبذب كولبيتس:
يشكل هذا المذبذب دائرة خزان باستخدام مكثفين مركزيتين متسلسلة مع محث متوازي وينتج تذبذبات جيبية، كما يمكن الحصول على تردد التذبذبات من خلال أخذ قيم المكثفات والمحثات في الاعتبار، حيث بعض النواحي يكون هذا المذبذب مشابهاً لمذبذب هارتلي وفي بعض النواحي يختلف.
دائرة الخزان المتصلة بين المجمع وقاعدة مكبر الترانزستور للحصول على ناتج جيبي هي نفسها في مذبذب هارتلي ومذبذب كولبيتس، ولهذا السبب يسمى المذبذب ثنائي كهربائي لمذبذب هارتلي، أمّا الاختلاف بين كلا المذبذبين هو في مذبذب هارتلي يتم استخدام “محث نوع المحول الذاتي”.
بينما في مذبذب “Colpitts”،يتم استخدام شبكة “مقسم جهد سعوي” أي يتم استخدام الحث المرن بواسطة مذبذب هارتلي البسيط، ويتم استخدام السعة المستغلة بواسطة مذبذب “Colpitts”، كما تم تصميم هذا المذبذب خصيصاً للتذبذبات الجيبية عالية التردد بترددات لاسلكية تتراوح من “10 كيلو هرتز” إلى “300 ميجاهرتز”.
