Hartley-Oszillatoren – Die beste Wahl zur Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude

Elektronische Oszillatoren sind elektronische Schaltungen, die Gleichstrom in ein Wechselstromsignal umwandeln. Je nach Art des frequenzselektiven Filters können Sie diese in RC-Oszillatoren oder LC-Oszillatoren gruppieren.

Einer der häufigsten Oszillatoren, die Sie in Funkempfängern oder als HF-Oszillatoren finden, sind die Hartley-Oszillatoren. Es ist eine Weiterentwicklung des Armstrong-Oszillators und einfach zu stimmen. Heute werden wir im Laufe des Artikels tiefer in seine Funktionsweise, Konfigurationen usw. eintauchen.

Ein elektronischer Oszillator

Was sind Hartley-Oszillatoren?

Der Hartley-Oszillator, eine Erfindung von Ralph Hartley im Jahr 1915, ist eine Art harmonischer Oszillator. Ein LC-Oszillator (eine Schaltung mit Induktivitäten und Kondensatoren) bestimmt seine Oszillationsfrequenz. Sie können sie so einstellen, dass sie Wellen in einem Hochfrequenzband erzeugen, daher bekannt als HF-Oszillatoren. Der HF-Bereich des Sinuswellensignals beginnt bei 30 kHz bis 30 MHz.

Einfacher Hartley-Oszillator

Ein Merkmal, das den Schwingkreis des Oszillators auszeichnet, der einen Kondensator in Parallelschaltung mit zwei Einzelabgriffspulen hat. Außerdem entnimmt er das für die Schwingung notwendige Feedback-Signal vom Mittenanschluss der Induktivität.

Funktionsprinzip und Schaltplan des Hartley-Oszillators

Ein Hartley-Oszillator hat wie im Diagramm mehrere Schaltungsteile mit unterschiedlichen Funktionen.

Schaltplan eines Hartley-Oszillators

R1, R2 und RE liefern die erforderliche Schaltungsvorspannung, während C2 und C1 als Koppelkondensatoren fungieren.

Dann hält die Hochfrequenz-Drosselspule (RFC) separat die Bedingungen von DC und AC in der Schaltung aufrecht. Dies liegt daran, dass es unter DC-Bedingungen nahezu keine Reaktanz aufweist und somit keine Störungen in DC-Kondensatoren verursacht. Darüber hinaus ist die RFC-Reaktanz in Hochfrequenzanwendungen groß, sodass Sie sie als Leerlauf betrachten können.

Die Schaltung hat auch einen Transistorverstärker, der eine Phasenverschiebung von 180° liefert. L1, L2 und C, Komponenten des Schwingkreises, erzeugen die Schwingungsfrequenz.

Nun zum Arbeitsprinzip;

• Wenn Sie eine DC-Versorgungsspannung (VCC) an die Schaltung anlegen, erhöht sich der Kollektorstrom des Transistors. Dadurch wird der Kondensator im Schwingkreis aufgeladen.
• Nach einer vollständigen Ladung beginnt der Kondensator, sich über die Induktivitäten L2 und L1 zu entladen.
• Wenn sich der Kondensator entlädt, beginnt der Induktor mit dem Laden.

(Induktionsspulen)

Hinweis;

Ein Kondensator speichert Ladung in einem elektrischen Feld, während eine Induktivität in Form von speichert ein Magnetfeld . Wenn sich also ein Kondensator vollständig entlädt, beginnt der Induktor automatisch mit dem Laden und umgekehrt.

• Das kontinuierliche Entladen und Laden führt dazu, dass der Ausgang sinusförmige Schwingungen aufweist. Und da unsere Amplitude auch allmählich abnimmt, haben wir am Ausgangssignal stark gedämpfte Schwingungen. Die Amplitudenabnahme ist auf den Innenwiderstand des Induktors zurückzuführen, der zu einem Wärmeverlust im Stromkreis führt (I ² R).
• Außerdem sorgt der Schwingkreis für eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Punkten B und A. Punkt C bleibt jedoch geerdet. Wenn also b negativ ist, ist a positiv.
• Um unsere Schwingungen lange aufrechtzuerhalten, müssen wir unsere gedämpften Sinusschwingungen verstärken. Daher stellen wir den Ausgang des Schwingkreises als Eingang für einen Transistor mit gemeinsamer Emitterkonfiguration bereit. Dort verstärkt der Transistor das Sinussignal.
• Als nächstes empfängt die Gegeninduktivität zwischen den Induktoren L1 und L2 das Rückkopplungssignal/die Rückkopplungsenergie.
• Danach erzeugt der Kondensator in den Schwingkreisen weitere sinusförmige Schwingungen, nachdem er Ladeenergie von Transistoren mit verstärktem Ausgang erhalten hat.
• In einem anderen Sinne kompensiert die verstärkte Leistung die Wärmeverluste, die der Tankkreislauf verursacht hat. Daher gewährleistet der Schwingkreis eine konstante Ausgangsamplitude über einen Arbeitsfrequenzbereich anstelle einer abnehmenden Amplitude.

Oszillationsfrequenz des Hartley-Oszillators

Sie können die Frequenz der Schwingungen, die ein Schwingkreis erzeugt, ähnlich wie bei jedem Parallelresonanzkreis berechnen. Dafür verwenden wir die Formel;

C ist die Kapazität von C1 im Schwingkreis.

In Hartley-Oszillatoren verwenden wir zwei Induktivitäten im Schwingkreis. Unsere äquivalente Induktivität ist also:

L _eq =L ₁ +L ₂

Wir müssen auch die gegenseitige Induktivität zwischen den Spulen berücksichtigen, wenn wir die äquivalente Induktivität finden. Es wird sein;

L _eq =L ₁ +L ₂ + 2 Mio.

Schließlich werden wir die Oszillationsfrequenz wie folgt zusammenfassen:

Hartley-Oszillator in verschiedenen Konfigurationen

Shunt-gespeister Hartley-Oszillator

Ein im Nebenschluss gespeister Hartley-Oszillator verwendet eine Konfiguration mit gemeinsamem Emitter.

Ein im Nebenschluss gespeister Hartley-Oszillator

Bei Verwendung einer Versorgungsspannung sind die Spannungsteilerwiderstände R_B und R1 liefern die feste Vorspannung.

C1 umgeht R_E , der Emitter-Swamping-Widerstand, der die Temperatur stabilisiert.

Dann speist die Induktivität L3 den Kollektor im Nebenschluss, da C3 als Koppelkondensator und DC-Blockierung fungiert. Die Sperrung und Kopplung verhindert einen Kurzschluss des Kollektors.

Ebenso ist C2 der basisblockierende Koppelkondensator, der sicherstellt, dass die Basis gegen Masse keine Kurzschlüsse hat.

Betrieb eines nebenschlussgespeisten Hartley-Oszillators

Nachdem die im Nebenschluss gespeiste Schaltung etwas Energie erhält, R1 und R_B Bestimmen Sie die anfängliche Vorspannung. Gleichzeitig baut eine Rückkopplung vom Kollektor zur Basis über L2 und L1 eine Schwingung auf.

Hinweis;

Vom Emitter über L2 und C2 zur Basis existiert ein Wechselstrompfad. Der Weg ist ähnlich dem über L1 und C3 zum Kollektor.

Eine degenerative Vorspannung entwickelt während der Oszillation ein Quer-RE (und einen korrekten Wert von C1).

Shunt-LED-Elementwerte bestimmen Folgendes:

1. R_B und R1-Werte bieten Klasse-C-Bias für einen einfachen Start.
2. Die C1- und RE-Werte dienen der Temperaturstabilisierung.
3. Letzte Bias-Werte der Klasse C oder B bestimmen die erforderliche Betriebseffizienz.

Der Ausgang kann schließlich von einer Induktivität zum Tank oder vom Kondensator zum Kollektor kommen.

Seriengespeister Hartley-Oszillator

In unserer zweiten Konfiguration, dem seriengespeisten Hartley-Oszillator, ist die Basisschaltung ebenfalls emitterstabilisiert und spannungsteilervorgespannt. Wenn Sie die Kollektorspannung über den Induktorabgriff des Tanks anlegen, überbrückt C3 die Spannungsquelle für das Signal. Außerdem ist seine Funktionsweise ähnlich der im Nebenschluss gespeisten Schaltung.

Der Unterschied entsteht, wenn der Gleichstrom durch einen Abschnitt des Schwingkreises fließt. Hier werden der Q-Faktor und die Stabilität der Oszillatorfrequenz niedriger als bei einer nebenschlussgespeisten Schaltung.

Schaltplan eines in Serie gespeisten Hartley-Oszillators

Hartley Oscillator Using Op-amp (Operationsverstärker)

Ein großer Vorteil des Operationsverstärkers besteht darin, dass Sie die Verstärkung des Oszillators mithilfe eines Eingangs- und Rückkopplungswiderstands individuell einstellen können. Die Oszillatoranordnung des Operationsverstärkers befindet sich in einem invertierenden Modus. Daher können Sie die Verstärkung mit der Gleichung ausdrücken;

A =-Rf/R1

Wobei;

-Rf = Rückkopplungswiderstand

R1 = Eingangswiderstand

A =Gewinn

Ein Hartley-Oszillator mit Operationsverstärker

Bei Inversionen mit Transistoren ist die Verstärkung etwas größer oder gleich dem Verhältnis von L2 und L1. In der Op-Amp-Schaltungsversion erhöhte Frequenzstabilität, da sie minimal von den Schwingkreiselementen abhängt. Aber sowohl die Transistorversion als auch die Operationsverstärkerversion haben ähnliche Frequenzgleichungen und Arbeitsprinzipien.

Vor- und Nachteile des Hartley-Oszillators

Zu den Vorteilen eines Hartley-Oszillators gehören:

• Zunächst einmal können Sie anstelle eines großen Transformators eine einzelne Spule als Spartransformator verwenden.
• Zweitens benötigen Sie nur wenige Bauteile, wie z. B. zwei Festinduktivitäten oder eine Stufenspule.
• Wenn Sie außerdem den Kondensator durch einen Quarz ersetzen, können Sie eine Variation eines Kristalloszillators mit fester Frequenz erzeugen.

Ein Quarzkristall

• Dann können Sie die Ausgangsamplitude über den erforderlichen festen Frequenzbereich halten.
• Schließlich können Sie die Frequenz mit einer variablen Induktivität oder einem einzelnen variablen Kondensator variieren.

Die Nachteile sind:

• Leider können Sie Hartley-Oszillatoren nicht für niederfrequente Schwingungen verwenden.
• Außerdem hat es harmonische Verzerrungen und ist daher nicht für Anwendungen geeignet, die reine Sinuswellen benötigen. Glücklicherweise können Sie die Verzerrungen entfernen, indem Sie eine Schaltung zur Amplitudenstabilisierung hinzufügen.

Schlussfolgerung

Kurz gesagt, Hartley-Oszillatoren haben verschiedene Anwendungen, wie das Erzeugen einer Sinuswelle der gewünschten Frequenz. Nicht nur das, sie haben auch viele Konfigurationen wie Feldeffekttransistor (FET)-Verstärker, Serien- oder Nebenschlussspeisung usw.

Sie können sich an uns wenden, um mehr über Hartley-Oszillatoren zu erfahren. Wir sind für Sie da.