Hartleyův oscilátor

Jednoduše řečeno, oscilátor je obvod, který převádí stejnosměrný proud ze zdroje napájení na střídavý proud na zátěž. Oscilátorový systém je postaven na aktivních i pasivních součástech a používá se k výrobě sinusových nebo jakýchkoli jiných opakujících se průběhů na výstupu bez použití externího vstupního signálu. V minulých cvičeních jsme probrali několik oscilátorů:

• Colpittsův oscilátor
• Oscilátor RC fázového posuvu
• Wein Bridge oscilátor
• Oscilátor z křemenného krystalu
• Obvod fázového posunu oscilátoru
• Napěťově řízený oscilátor (VCO)

Oscilátor má jakýkoli druh radiotelevizního vysílače nebo přijímače nebo jakékoli laboratorní testovací zařízení. Je to hlavní komponenta pro výrobu hodinového signálu. Jednoduchou aplikaci oscilátoru lze vidět uvnitř velmi běžného zařízení, jako jsou hodinky. Hodinky používají k výrobě hodinového signálu 1 Hz oscilátor.

Oscilátory jsou klasifikovány jako sinusový oscilátor nebo relaxační oscilátor v závislosti na výstupním průběhu. Pokud oscilátor produkuje sinusovou vlnu s určitou frekvencí na výstupu, nazývá se oscilátor sinusový oscilátor. Relaxační oscilátory poskytují na výstupu nesínusové vlny, jako je čtvercová vlna nebo trojúhelníková vlna nebo jakýkoli podobný druh vlny.

Kromě klasifikace oscilátoru na základě výstupního signálu lze oscilátory klasifikovat pomocí konstrukce obvodu, jako je záporný odporový oscilátor, zpětnovazební oscilátor atd.

Hartley oscilátor je jedním z zpětné vazby oscilátoru typu LC (induktor-kondenzátor), který je vynalezl v roce 1915 americký inženýr Ralph Hartley. V tomto tutoriálu budeme diskutovat o konstrukci a aplikaci Hartleyho oscilátoru.

Tank Circuit

Hartley oscilátor je LC oscilátor. LC oscilátor se skládá z obvodu nádrže, který je nezbytnou součástí k dosažení požadovaného kmitání. Obvod nádrže používá tři komponenty, dva induktory a kondenzátor. Kondenzátor je zapojen paralelně se dvěma sériovými tlumivkami. Níže je schéma zapojení Harley Oscillator:

Proč se kombinace induktor - kondenzátor nazývá obvod nádrže? Protože obvod LC ukládá frekvenci oscilace. V okruhu nádrže se kondenzátor a dvě série induktorů navzájem opakovaně nabíjejí a vybíjejí, což vytváří oscilaci. Načasování nabíjení a vybíjení nebo jinými slovy hodnota kondenzátoru a induktorů je hlavním určujícím faktorem oscilační frekvence.

Na bázi tranzistoru

Na výše uvedeném obrázku je ukázán praktický obvod oscilátoru Hartley, kde aktivní složkou je PNP tranzistor. V obvodu se výstupní napětí objeví napříč obvodem nádrže, který je připojen ke kolektoru. Zpětnovazební napětí je však také součástí výstupního napětí, které se označuje jako V1 a objevuje se přes induktor L1.

Frekvence je přímo úměrná poměru kondenzátoru a tlumivky hodnot.

Práce na obvodu Hartleyho oscilátoru

Aktivní složkou v Hartleyově oscilátoru je tranzistor. Pracovní bod DC v aktivní oblasti charakteristik je řízen rezistory R1, R2, RE a napájecím napětím kolektoru VCC. Kondenzátor CB je blokovací kondenzátor a CE je velikonoční obtokový kondenzátor.

Tranzistor nakonfigurován v běžném uspořádání emitor. V této konfiguraci má vstupní a výstupní napětí tranzistoru fázový posun 180 stupňů. V obvodu má výstupní napětí V1 a zpětnovazební napětí V2 fázový posun 180 stupňů. Spojením těchto dvou získáme celkový 360stupňový fázový posun, nezbytný pro oscilaci (označované jako Barkhausenovo kritérium).

Další základní věcí pro spuštění oscilace uvnitř obvodů bez použití externího signálu je vytvoření šumového napětí uvnitř obvodu. Když je napájení zapnuto, vytváří se šumové napětí se širokým spektrem šumu a má požadovanou složku napětí na frekvenci potřebnou pro oscilátor.

Střídavý provoz obvodů není ovlivněn odporem R1 a R2 pro velkou hodnotu odporu. Tyto dva odpory se používají pro předpětí tranzistoru. Země a CE se používají pro imunitu celkového obvodu a tyto dva odpory a kondenzátor se používají jako emitorový rezistor a emitorový kondenzátor.

Provoz střídavého proudu je do značné míry ovlivněn rezonanční frekvencí obvodu nádrže. Frekvenci oscilace lze určit pomocí následujícího vzorce -

F = 1 / 2π√L _T C

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

Hartleyův oscilátor založený na operačních zesilovačích

Na výše uvedeném obrázku je znázorněn Hartleyův oscilátor založený na operačních zesilovačích, kde je kondenzátor C1 zapojen paralelně s L1 a L2 do série.

Operační zesilovač je připojen v invertující konfiguraci, kde rezistor R1 a R2 je zpětnovazební rezistor. Zesílení napětí zesilovače lze určit podle níže uvedeného vzorce -

A = - (R2 / R1)

Zpětnovazební napětí a výstupní napětí jsou také označeny ve výše uvedeném obvodu oscilátoru Hartley založeném na operačních zesilovačích.

Frekvenci oscilace lze vypočítat pomocí stejného vzorce, který se používá v části tranzistoru Hartleyho oscilátoru.

Hartleyův oscilátor obvykle osciluje v RF pásmu. Frekvenci lze měnit změnou hodnoty induktoru nebo kondenzátorů nebo obou. Pro výběr proměnné složky se nad induktory volí kondenzátory, které lze snadno měnit než induktory. Frekvenci kmitání lze měnit v poměru 3: 1 pro plynulé variace.

Příklad Hartleyho oscilátoru

Předpokládejme, že Hartleyův oscilátor s proměnnou frekvencí 60-120 KHz sestává z trimovacího kondenzátoru (100 pF až 400 pF). Obvod nádrže má dva induktory, kde hodnota jednoho induktoru je 39uH. Abychom našli hodnotu jiného induktoru, budeme postupovat podle následujícího postupu:

Frekvence Hartleyho oscilátoru je -

F = 1 / 2π√L _T C

V této situaci, kdy se frekvence pohybuje mezi 60 až 120 kHz, což je poměr 1: 2. Variaci frekvence lze získat dvojicí cívek, protože kapacita se mění v poměru 100pF: 400 pF, což je poměr 1: 4.

Když je tedy frekvence F 60 kHz, kapacita je 400 pF.

Nyní,

Celková kapacita je tedy 17,6 mH a hodnota dalšího induktoru je

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

Rozdíly mezi Hartleyovým oscilátorem a Colpittsovým oscilátorem

Oscilátor Colpitts je velmi podobný oscilátoru Hartley, ale mezi těmito dvěma je rozdíl v konstrukci. Ačkoli Hartley a Colpitts, oba oscilátory mají v obvodu nádrže tři komponenty, oscilátor Colpitts používá jeden induktor paralelně se dvěma kondenzátory v sérii, zatímco Hartleyův oscilátor používá přesně opačně, jeden kondenzátor paralelně se dvěma induktory v sérii.

Výhody a nevýhody Hartleyho oscilátoru

Výhody:

1. Výstupní amplituda není úměrná proměnnému frekvenčnímu rozsahu a amplituda zůstává téměř konstantní.

2. Frekvence je snadno ovladatelná pomocí trimru místo pevného kondenzátoru v okruhu nádrže.

3. dobře vhodný pro aplikace RF rozsah díky stabilní generování RF frekvence.

Nevýhody

1. Hartleyův oscilátor poskytuje zkreslenou sinusovou vlnu a není vhodný pro operace spojené s čistou sinusovou vlnou. Hlavním důvodem této nevýhody je vysoké množství harmonických indukovaných napříč výstupem.

2. Při nízké frekvenci se hodnota induktoru zvětší.

Hartleyův oscilátorový obvod se používá hlavně ke generování sinusových vln v různých zařízeních, jako je rádiový vysílač a přijímač.