هزاز

Oscillator - Oscillateur

الهزاز

 

تُعدّ الهزازات الإلكترونية E-Oscillator من العناصر المهمة التي تستخدم في أنظمة الاتصالات والإلكترونيات، إذ إن الوظيفة الأساسية للهزازات هي توليد الإشارات الكهربائية بجميع أشكالها (الجيبية، والمربعة، والمثلثية، العشوائية…)، وبصيغة أخرى توليد الترددات والتي تستخدم في الأنظمة. توفر هزازات الموجة الجيبية sine-wave oscillators في الأنظمة الراديوية ترددات الموجة الحاملة والمستخدمة في أنظمة التعديل الترددي (FM) والتعديل الطوري (PM)، أما في أنظمة التعديل الرقمية فيفضل استخدام هزازات الموجة المربعة والتي تعتمد بصورة رئيسية على قادح شميت؛ أي تعتمد على استخدام الدارات المتكاملة (Ics) ومضخمات العمليات إضافة إلى استخدام الترانزستورات.

تعريف الهزاز ومبدأ عمله:

يتألف الهزاز بصفة رئيسية من عنصر فعال active مضافاً إليه عناصر كهربائية أخرى تربط مع العنصر الفعال عادة كشبكة تغذية خلفية feedback. العنصر الفعال عادة هو ترانزستور ثنائي الوصلة (BJT)، أو ترانزستور ذو أثر حقلي (FET)، أو مكبر عمليات (OP.AMP)، أو دارة متكاملة (Ic_s). تضاف العناصر الكهربائية (مقاومات، مكثفات، ملفات) إلى شبكة التغذية الخلفية لتوفير الاهتزاز، وذلك إذا توافرت ما تسمى شروط الاهتزاز.

يستخدم حالياً وفي معظم التطبيقات الكريستال crystal في شبكة التغذية الخلفية للحصول على ترددات عالية جداً وبدقة فائقة، ويسمى الهزاز عندئذ بالهزاز الكريستالي.

تعتمد الهزازات في عملها على مجموعة عوامل من أهمها:

تردد التشغيل، مطال الخرج، استقرار التردد، أو نقاوة شكل موجة الخرج، إضافة إلى استقرار المطال واحتمال حدوث ترددات غير مطلوبة .

يمكن التعبير عن شروط الاهتزاز criteria oscillation بثلاثة شروط أساسية:

1- يجب أن يحتوي المهتز على أداة أو عنصر فعال ذي مدخلين ويعاد جزء من إشارة الخرج إلى الدخل عبر شبكة التغذية الخلفية. إذا كانت إشارة التغذية الخلفية أكبر من إشارة الدخل ويتفقان بالطور، عندئذٍ يبدأ توليد الاهتزازات ونموها، لهذا فإن الدارة تبدأ بالاهتزاز عندما يكون ربح الحلقة الخلفية يساوي الواحد وبانزياح للطور يساوي الصفر.

2- الشرط الثاني للاهتزاز هو أن تكون معادلات الحلقة والعقد للدارة مساوية الصفر وهذا بالواقع مبدأ ثابت للاهتزاز، ويعطى بطريقة رياضية سهلة لإيجاد تردد الهزاز إذا حلت المعادلات الجبرية اللازمة.

3- إن القيمة الحقيقة للممانعة الخرج هي قيمة سالبة، وهذا الشرط ضروري للاهتزاز ولكنه غير كافٍ.

دارات الهزاز الأساسية:

تقسم الهزازات إلى العديد من الأنواع منها:

1- هزازات المقاومة السالبة negative resistance oscillators

إن جميع العناصر الإلكترونية التي تخضع لقانون أوم هي عناصر يمكن تمثيلها بمقاومة مكافئة موجبة equivalent positive resistance، أما العناصر التي لا تخضع بصفة أساسية لقانون أوم من حيث الخطية فيُطلق عليها عناصر ذات مقاومة سالبة تستخدم بصفة رئيسية في توليد الاهتزازات، ومن بينها الثنائي النفقي tunnel diode، والترانزستور وحيد الوصلة (UJT).

يعطى تردد الاهتزاز لدارة توليف tuning تفرعية مؤلفة من ملف قيمة تحريضه L ومكثف قيمة سعته C بالعلاقة (1).

حيث f_o: هو تردد الاهتزاز مقدراً بالهرتز Hz، وL، :C قيمتا الملف والمكثف.

يلاحظ في هذه الهزازات أنه قبل بدء الاهتزاز يجب أن تكون قيمة مطال مقاومة الحمل أكبر من مطال المقاومة السالبة، ويصبح في الحالة المستقرة المقداران متساويين، وهذا يمكن أن يتم عند تردد وحيد فقط هو تردد الهزاز f_o.

2- هزازات التغذية الخلفية feedback oscillators

هزاز التغذية الخلفية هو الأكثر شيوعاً في الحياة العملية، إذ تعتمد دارة الهزاز على ترانزستور (BJT) موصل بطريقة القاعدة المشتركة common base أو غيرها من الوصلات، وقد يُستخدم بدلاً من (BJT) ترانزستور (FET) أو مضخم عمليات، كما يمكن أحياناً الحصول على استقرار جيد في التردد المولد بالاستعاضة عن بلورة كوارتز بالملف L. وأشهر نوع من هذه الهزازات هو هزاز كولبيتس Colpitts oscillators نسبة إلى مخترعه.

وللهزاز شكل آخر يتم فيه الاستعاضة عن المحول transformer بالملف L يربط فيه على طرفي الملف الثانوي مكثف التوليف. وكما سبق فإنه للحصول على اهتزاز مستقر فإن دارة التغذية الخلفية تتطلب ربحاً يساوي الواحد و انزياح طور فعالاً يساوي الصفر.

	الشكل (1) دارة تطبيقية عملية لهزازة كولبيتس

يستخدم هزاز كولبيتس على نطاق واسع في هزازات الترددات الراديوية (RF.). يبين الشكل (1) دارة تطبيقية لهزاز كولبيتس مستخدماً فيه ترانزستور (BJT) موصول بطريقة القاعة المشتركة. يعطى تردد الرنين الزاوي لهذه الدارة بالعلاقة (2).

حيث:

C_o- مكثف الخرج.

 C_t- مكثف توليف

L_o- ملف توليف

إن الهزاز المبين أعلاه يولد اهتزاز بتردد قدره 10ميغاهرتز ويعطي 15 ميغاواط إلى حمل مقاوم مقداره 5371 أوم.

3- الهزازات الكريستالية crystal oscillators

تبدي بلورات الكوارتز وبعض المواد البلورية علاقة تدعى أثر بيزو الكهربائي بين التشويه الميكانيكي على طول أحد محاور البلورة وظهور الجهد الكهربائي على طول المحور الآخر، إن تشويه البلورة يفصل الشحنات ويحدث جهداً، وبالعكس فإن تطبيق جهد على البلورة سيحدث تشويهاً لها. علماً أن العلاقة بين نهايتيها تشبه خواص تلك التي للدارة (L-C)التي لها عامل جودة عالٍ جداً.

	الشكل (2) الرمز الكهربائي والدارة المكافئة لبلورة الكوارتز

يبين الشكل (2) الرمز الكهربائي للبلورة الكريستالية إضافة إلى دارتها المكافئة. تحدد قيمة عامل الجودة Q للدارة المكافئة بالعلاقة (3):

حيث:

f_S هو تردد الكريستال.

L_s هو تحريضية الكريستال.

R_s هو المقاومة الأومية للكريستال.

إن القيم النموذجية لعناصر الدارة المكافئة للبلورة هي:

R_s=15ohms, Ls=0.0548H,

 C5=0.054 PF, Cp=29PF

وعامل الجودة Q = 67.173

تسجل الشركات الصانعة ترددات الاهتزاز على غلاف بلورة الكوارتز حيث يضاف على التفرع مكثف C_p يسمى بمكثف الحمل وقيمته الشائعة هي 30 بيكوفادار.

يبين الشكل (3) هزاز بيرس Birris مستخدماً بلورة الكوارتز كتغذية خلفية لترانزستور FET موصل بطريقة البوابة المشتركة common gate يعتمد هزاز بيرس على المكثفات CG، CDإن هذه المكثفات تكون أكبر من مكثفي الدخل والخرج لترانزستور FET بعشر إلى عشرين مرة؛ وذلك للتقليل من اعتمادية الدارة على مميزات الأداة الخاصة، ويجب أيضاً أن يكون جهد المنبع يساوي تقريباً ضعف جهد الخرج المطلوب من القمة إلى القمة.

	الشكل (3) هزاز بيرس

هناك العديد من دارات الهزاز البلوري في المراجع تعطي أمثلة لدارات تهتز من دون ذكر لعملية التصميم للهزاز. من هذه الدارات دارة هزاز ميللر Miller كما هو مبين بالشكل (4).

	الشكل (4) هزاز ميللر

 

4- هزاز إزاحة الصفحة RC

يتكون هذا الهزاز من مضخم عمليات يستخدم كعاكس فرق الصفحة بين دخله وخرجه بمقدار 180 ْ، ومن دارة تغذية خلفية تحتوي على ثلاثة فروع متماثلة R-C كما هو مبين بالشكل (5).

 

	الشكل (5) هزاز إزاحة الصفحة RC

حتى يتم توفير شروط انزياح الصفحة يساوي الصفر في الحلقة المغلقة وفقاً لشروط الاهتزاز يجب توفير دارة تغذية خلفية سالبة فرق الصفحة بين دخلها وخرجها 180 ْ. ويتحقق ذلك عند تردد واحد إذا كان ربح المضخم عند هذا التردد كافي لحصول الاهتزاز، يُسمى هذا التردد بترد الاهتزاز ويعطى بالعلاقة (4).

عند هذا التردد يجب أن يكون ربح المضخم مساوياً 29 أي إن:

5- المؤقت الزمني العام والمتعدد الأغراض:

	الشكل (6) طريقةوصل الهزاز عديم الاستقرار

تُعدّ المهتزات عديمة الاستقرار المولد الأساسي للموجات المربعة والمثلثية وذلك بالاعتماد على الدارة المتكاملة 555، ويطلق عليها اسم المؤقت الزمني العام والمتعدد الأغراض. إذ يمكن تشغيل هذه الدارة كمهتز أحادي الاستقرار يولد نبضة واحدة ومهتز عديم الاستقرار يولد سلسلة غير منتهية من النبضات تتكرر بشكل دوري ومضبوط زمنياً بدقة. كما أن الخرج متوافق تماماً مع الدارات الرقمية والمنطقية نوع TTL عند تغذيته بجهد 5 ڤولت، كما أن الاستقرار تجاه تغيرات درجات الحرارة عالٍ جداً.

إذا كانت العناصر الكهربائية المربوطة مع المؤقت الزمني 555 لها القيم الآتية:

R1 = R2 = 4.8WΩ,

C1 = 0.1mF,RL=1kWΩ

فإن إشارة الخرج لها تردد اهتزاز يعطى بالعلاقة (5)

يمكن استخدام هذا الهزاز لتوليد جميع الترددات تحت السمعية والتي هي أدنى من 16 هرتز. وكذلك لتوليد الترددات السمعية (16 هرتز-20 كيلو هرتز) والترددات فوق السمعية Ultrasonic وذلك حتى التردد (500 كيلو هرتز).

تطبيقات الهزاز

تُعدّ الهزازات العنصر المهم في جميع الدارات الإلكترونية المخصصة لتطبيقات الاتصالات والنظم الرقمية. ينتج عدم استقرار تردد الهزاز من تغيرات ممانعة الحمل والتغيرات في جهد المنبع والتغيرات الناتجة في قيم العناصر التي تحدد التردد نتيجة تأثرها بالحرارة، إذ يتم إلغاء المشكلتين الأوليتين بوضع مضخم فاصل وبتنظيم الجهد.

أما أثر تغيرات درجة الحرارة فيمكن تقليله باختيار عناصر خاصة، إذ إن التغيرات في قيمتها تحذف نتيجة تغيرات تطرأ في عناصر أخرى. وفي الحالات الحدية قد يكون من الضروري وضع الهزاز كاملاً ضمن علبة تكون درجة حرارتها ثابتة.

تعطي الهزازات البلورية أفضل استقرارية للتردد، وإن «قطع» البلورة قد تطور على نحو يقلل من تغيرات الهزاز بتغير درجة الحرارة إلى الحد الأدنى.

يستخدم الهزاز الإلكتروني في العديد من التطبيقات وخاصة في مجالي الاتصالات والتحكم الآلي. تُذكر على سبيل المثال لا الحصر بعض التطبيقات في مجال الاتصالات:

مضخم هوائيات الاستقبال ومستقبل موجة FM الذي يحتوي على الهزاز المحلي القابل للتوليف، والمستقبلات الحديثة التي تحتوي على هزاز ببلورات كريستالية بترددات عالية بمرتبة (MHz) ميغا هيرتز، وأجهزة واستقبال الطيف المنثور وإرساله.

أما في مجال القيادة والتحكم فيكون مستخدماً في دارات المحركات المرحلية وقيادتها، كما يستخدم على نطاق واسع في الدارات الإلكترونية والمتكاملة مثل: المعالجات الصغرية[ر] ومولدات الإشارة بجميع أنواعها وأجهزة فحص الدارات المتكاملة[ر] ودارات الإنذار ضد السرقة باستخدام الأشعة تحت الحمراء.

محمد الحسين

الموضوعات ذات الصلة:

الإلكترونيات ـ التغذية الراجعة (المرتدة) ـ المرشحات الإلكترونية.

مراجع للاستزادة:

- GUILLERMO GONZALEZ Foundations of Oscillator Circuit Design (Artech House Microwave Library) (Artech House 2007).

- ALI HAJIMIRI & THOMA H. LEE, The Design of Low Noise Oscillators (Kluwer Academic Publishers 1999).

- ANDY FLIND, Practical Oscillator Circuits (BP) (Bernard Babani Publishing 1996).

---

- التصنيف : الصناعة - المجلد : المجلد الواحد والعشرون - رقم الصفحة ضمن المجلد : 455 مشاركة :