Hartleyho oscilátor

Jednoducho povedané, oscilátor je obvod, ktorý prevádza jednosmerný prúd zo zdroja napájania na striedavý prúd na záťaž. Oscilátorový systém je postavený na aktívnych aj pasívnych komponentoch a slúži na výrobu sínusových alebo iných opakujúcich sa kriviek na výstupe bez použitia externého vstupného signálu. V našich predchádzajúcich tutoriáloch sme diskutovali o niekoľkých oscilátoroch:

• Colpittsov oscilátor
• Oscilátor RC fázového posuvu
• Wein Bridge Oscilátor
• Oscilátor z kremenného kryštálu
• Obvod fázového posunu oscilátora
• Napäťovo riadený oscilátor (VCO)

Oscilátor má akýkoľvek druh televízneho vysielača alebo prijímača alebo akékoľvek laboratórne testovacie zariadenie. Je to hlavný komponent na výrobu hodinového signálu. Jednoduchú aplikáciu oscilátora je možné vidieť vo veľmi bežnom zariadení, napríklad v hodinkách. Hodinky používajú na výrobu hodinového signálu 1 Hz oscilátor.

Oscilátory sú klasifikované ako sínusový oscilátor alebo relaxačný oscilátor v závislosti od výstupného priebehu. Ak oscilátor produkuje sínusovú vlnu s určitou frekvenciou na výstupe, oscilátor sa nazýva sínusový oscilátor. Relaxačné oscilátory poskytujú na výstupe nesínusové vlny, napríklad štvorcové, trojuholníkové alebo podobné vlnenie.

Okrem klasifikácie oscilátora na základe výstupného signálu je možné oscilátory klasifikovať pomocou konštrukcie obvodu ako negatívny odporový oscilátor, spätnoväzbový oscilátor atď.

Hartley oscilátor je jedným z spätnej väzby oscilátora typu LC (induktor-kondenzátor), ktorý je vynašiel v roku 1915 americký inžinier Ralph Hartley. V tomto výučbe sa budeme zaoberať konštrukciou a aplikáciou Hartleyho oscilátora.

Tankový okruh

Hartley oscilátor je LC oscilátor. LC oscilátor pozostáva z obvodu nádrže, ktorý je nevyhnutnou súčasťou na dosiahnutie požadovanej oscilácie. Obvod nádrže používa tri komponenty, dva tlmivky a kondenzátor. Kondenzátor je paralelne zapojený do dvoch sériových tlmiviek. Ďalej je uvedená schéma zapojenia Harleyho oscilátora:

Prečo sa kombinácia induktor - kondenzátor nazýva obvod nádrže? Pretože LC obvod ukladá frekvenciu kmitania. V obvode nádrže sa kondenzátor a dva sériové tlmivky opakovane nabíjajú a vybíjajú, čím vytvárajú osciláciu. Načasovanie nabíjania a vybíjania alebo inými slovami hodnota kondenzátora a tlmiviek je hlavným určujúcim faktorom frekvencie oscilácií.

Na báze tranzistora

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený praktický obvod oscilátora Hartley, ktorého aktívnou súčasťou je PNP tranzistor. V obvode sa výstupné napätie objaví v obvode nádrže, ktorý je pripojený k kolektoru. Spätnoväzbové napätie je však tiež časťou výstupného napätia, ktoré sa označuje ako V1 a objavuje sa cez induktor L1.

Frekvencia je priamo úmerná pomeru kondenzátora a tlmivky hodnôt.

Pracovanie obvodu Hartleyho oscilátora

Aktívnou zložkou v Hartleyho oscilátore je tranzistor. Pracovný bod jednosmerného prúdu v aktívnej oblasti charakteristík je riadený rezistormi R1, R2, RE a napájacím napätím kolektora VCC. Kondenzátor CB je blokovací kondenzátor a CE je veľkonočný obtokový kondenzátor.

Tranzistor nakonfigurovaný v bežnom usporiadaní emitor. V tejto konfigurácii má vstupné a výstupné napätie tranzistora fázový posun 180 stupňov. V obvode majú výstupné napätie V1 a spätnoväzbové napätie V2 180-stupňový fázový posun. Ich česaním získame celkový 360-stupňový fázový posun, nevyhnutný pre osciláciu (označované ako Barkhausenovo kritérium).

Ďalšou podstatnou vecou na spustenie oscilácie vo vnútri obvodov bez použitia externého signálu je vytvorenie rušivého napätia vo vnútri obvodu. Po zapnutí napájania sa vytvára šumové napätie so širokým spektrom šumu, ktoré má požadovanú zložku napätia na frekvencii potrebnej pre oscilátor.

Striedavý chod obvodov nie je ovplyvnený odporom R1 a R2 pre veľkú hodnotu odporu. Tieto dva odpory sa používajú na predpätie tranzistora. Zem a CE sa používajú na imunitu celkového obvodu a tieto dva odpory a kondenzátor sa používajú ako odpor emitora a kondenzátor emitora.

Prevádzka na striedavý prúd je do značnej miery ovplyvnená rezonančnou frekvenciou obvodu nádrže. Frekvencia kmitania sa dá určiť pomocou nižšie uvedeného vzorca -

F = 1 / 2π√L _T C

Celková indukčnosť obvodu nádrže je L _T = L ₁ + L ₂

Hartleyov oscilátor založený na operačných zosilňovačoch

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený Hartleyov oscilátor na báze operačného zosilňovača, kde je kondenzátor C1 zapojený paralelne s L1 a L2 do série.

Operačný zosilňovač je pripojený v inverznej konfigurácii, kde rezistor R1 a R2 je spätnoväzbový rezistor. Zisk napätia zosilňovača možno určiť pomocou nižšie uvedeného vzorca -

A = - (R2 / R1)

Spätnoväzbové napätie a výstupné napätie sú tiež označené vo vyššie uvedenom obvode Hartleyho oscilátora na báze op-amp.

Frekvencia oscilácie sa dá vypočítať pomocou rovnakého vzorca, ktorý sa používa v časti tranzistora Hartleyho oscilátora.

Hartleyov oscilátor zvyčajne osciluje v RF pásme. Frekvencia sa môže meniť zmenou hodnoty tlmivky alebo kondenzátorov alebo oboch. Pre výber variabilnej zložky sa kondenzátory vyberajú nad tlmivkami, pretože sa dajú ľahko meniť ako tlmivky. Frekvencia kmitania sa dá meniť v pomere 3: 1 pre plynulé zmeny.

Príklad Hartleyho oscilátora

Predpokladajme, že oscilátor Hartley s premenlivou frekvenciou 60 - 120 KHz pozostáva z trimovacieho kondenzátora (100 pF až 400 pF). Obvod nádrže má dva tlmivky, kde hodnota jedného tlmivky je 39uH. Aby sme našli hodnotu iného induktora, použijeme nasledujúci postup:

Frekvencia Hartleyho oscilátora je -

F = 1 / 2π√L _T C

V tejto situácii, keď frekvencia kolíše medzi 60 až 120 kHz, čo je pomer 1: 2. Zmenu frekvencie je možné získať dvojicou cievok, pretože kapacita sa mení v pomere 100 pF: 400 pF, čo je pomer 1: 4.

Takže keď je frekvencia F 60 kHz, kapacita je 400 pF.

Teraz,

Celková kapacita je teda 17,6 mH a hodnota iného induktora je

17,6 mH - 0,039 mH = 17,56 mH.

Rozdiely medzi Hartleyho oscilátorom a Colpittsovým oscilátorom

Oscilátor Colpitts je veľmi podobný oscilátoru Hartley, ale medzi týmito dvoma je rozdiel v konštrukcii. Aj keď Hartley a Colpitts majú oba oscilátory v obvode nádrže tri komponenty, oscilátor Colpitts používa jeden induktor paralelne s dvoma kondenzátormi v sérii, zatiaľ čo Hartleyov oscilátor používa úplne opačný jeden kondenzátor paralelne s dvoma induktormi v sérii.

Výhody a nevýhody Hartleyho oscilátora

Výhody:

1. Výstupná amplitúda nie je proporcionálna s variabilným frekvenčným rozsahom a amplitúda zostáva takmer konštantná.

2. Frekvencia je ľahko ovládateľná pomocou trimra namiesto pevného kondenzátora v okruhu nádrže.

3. dobre vhodný pre aplikácie RF rozsah vďaka stabilnej generácii RF frekvencií.

Nevýhody

1. Hartleyov oscilátor poskytuje skreslenú sínusovú vlnu a nie je vhodný na operácie spojené s čistou sínusovou vlnou. Hlavným dôvodom tejto nevýhody je vysoké množstvo harmonických indukovaných cez výstup.

2. Pri nízkej frekvencii je hodnota induktora veľká.

Hartleyho oscilátorový obvod sa používa hlavne na generovanie sínusovej vlny v rôznych zariadeniach, ako sú rádiové vysielače a prijímače.