Hārtlija oscilators

Vienkārši sakot, oscilators ir ķēde, kas līdzstrāvu no barošanas avota pārveido par maiņstrāvu par slodzi. Oscilatoru sistēma ir veidota, izmantojot gan aktīvos, gan pasīvos komponentus, un to izmanto sinusoidālu vai citu atkārtotu viļņu formu ražošanai pie izejas, nepiemērojot ārēju ieejas signālu. Iepriekšējās apmācībās mēs apspriedām dažus oscilatorus:

Colpitts oscilators
RC fāzes maiņas oscilators
Veina tilta oscilators
Kvarca kristāla oscilators
Fāzes nobīdes oscilatoru ķēde
Sprieguma kontrolēts oscilators (VCO)

Jebkura veida radio-TV raidītājam vai uztvērējam vai jebkurai laboratorijas testa iekārtai ir oscilators. Tā ir galvenā sastāvdaļa pulksteņa signāla radīšanai. Vienkāršu oscilatora lietojumprogrammu var redzēt ļoti izplatītas ierīces, piemēram, pulksteņa, iekšpusē. Pulksteņi izmanto oscilatoru, lai radītu 1 Hz pulksteņa signālu.

Oscilatori tiek klasificēti kā sinusoidālais oscilators vai relaksācijas oscilators atkarībā no izejas viļņu formas. Ja oscilators rada sinusoidālu viļņu ar noteiktu frekvenci visā izejā, oscilatoru sauc par sinusoidālo oscilatoru. Relaksācijas oscilatori nodrošina ne sinusoidālus viļņus, piemēram, kvadrātveida vai trīsstūra viļņus, vai jebkura cita veida viļņus visā izejā.

Izņemot oscilatoru klasifikāciju, kuras pamatā ir izejas signāls, oscilatorus var klasificēt, izmantojot ķēdes konstrukciju, piemēram, negatīvās pretestības oscilatoru, atgriezeniskās saites oscilatoru utt.

Hartley oscilatoru ir viens no LC tipa (induktors-kondensators), atgriezeniskās oscilatoru, kas ir izgudrots 1915. amerikāņu inženieris Ralfs Hartley. Šajā apmācībā mēs apspriedīsim par Hārtlija oscilatora uzbūvi un pielietojumu.

Tvertnes ķēde

Hārtlija oscilators ir LC oscilators. LC oscilators sastāv no tvertnes ķēdes, kas ir būtiska daļa, lai radītu nepieciešamo svārstību. Tvertnes ķēdē tiek izmantoti trīs komponenti, divi induktori un kondensators. Kondensators ir savienots paralēli diviem sērijas induktoriem. Zemāk ir Harley oscilatora shēma:

Kāpēc induktora un kondensatora kombināciju sauc par tvertnes ķēdi? Tā kā LC ķēde saglabā svārstību biežumu. Tvertnes ķēdē kondensators un divi sērijas induktori tiek atkārtoti lādēti un izlādēti, kas rada svārstības. Uzlādes un izlādes laiks jeb, citiem vārdiem sakot, kondensatora un induktoru vērtība ir galvenais svārstību frekvences noteicošais faktors.

Uz tranzistora bāzes

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta praktiska Hārtlija oscilatora shēma, kur aktīvā sastāvdaļa ir PNP tranzistors. Kontūrā izejas spriegums parādās visā tvertnes ķēdē, kas ir savienota ar kolektoru. Tomēr atgriezeniskais spriegums ir arī daļa no izejas sprieguma, kas apzīmēts kā V1 un parādās visā induktorā L1.

Biežums ir tieši proporcionāls attiecībai starp kondensatoru un induktoru vērtībām.

Hārtlija oscilatoru ķēdes darbība

Hārtlija oscilatora aktīvā sastāvdaļa ir tranzistors. Līdzstrāvas darbības punktu raksturlielumu aktīvajā reģionā regulē rezistori R1, R2, RE un kolektora barošanas spriegums VCC. Kondensators CB ir bloķējošais kondensators, un CE ir Lieldienu apvedceļa kondensators.

Tranzistors konfigurēts kopējā emitera konfigurācijā. Šajā konfigurācijā tranzistora ieejas un izejas spriegumam ir 180 grādu fāzes nobīde. Ķēdē izejas spriegumam V1 un atgriezeniskajam spriegumam V2 ir 180 grādu fāzes nobīde. Ķemmējot šos divus, mēs iegūstam kopējo 360 grādu fāzes nobīdi, kas ir būtiska svārstībām (dēvēta par Barkhauzena kritēriju).

Vēl viena būtiska lieta, lai sāktu svārstības shēmas iekšpusē, nepievienojot ārēju signālu, ir radīt trokšņa spriegumu ķēdes iekšpusē. Ieslēdzot strāvu, tiek radīts trokšņa spriegums ar plašu trokšņu spektru, un tam frekvencē ir vajadzīgā sprieguma sastāvdaļa, kas nepieciešama oscilatoram.

Lielas pretestības vērtības pretestība R1 un R2 neietekmē shēmas maiņstrāvas darbību. Šie divi rezistori tiek izmantoti tranzistora izspiešanai. Zeme un CE tiek izmantoti vispārējās ķēdes imunitātei, un šie divi rezistori un kondensators tiek izmantoti kā izstarotāja rezistors un izstarotāja kondensators.

Maiņstrāvas darbību lielā mērā ietekmē tvertnes ķēdes rezonanses frekvence. Svārstību biežumu var noteikt, izmantojot šādu formulu:

F = 1 / 2π√L _T C

Tvertnes ķēdes kopējā induktivitāte ir L _T = L ₁ + L ₂

Op-Amp bāzes Hārtlija oscilators

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīts op-amp bāzes Hārtlija oscilators, kur kondensators C1 ir savienots paralēli L1 un L2 virknē.

Op-amp ir savienots apgrieztā konfigurācijā, kur rezistors R1 un R2 ir atgriezeniskās saites rezistors. Pastiprinātāja sprieguma pieaugumu var noteikt pēc tālāk minētās formulas -

A = - (R2 / R1)

Atgriezeniskās saites spriegums un izejas spriegums ir apzīmēts arī iepriekš minētajā op-amp balstītajā Hārtlija oscilatora ķēdē.

Svārstību biežumu var aprēķināt, izmantojot to pašu formulu, ko izmanto Hartlija oscilatora sekcijā uz tranzistora.

Hārtlija oscilators parasti svārstās RF diapazonā. Frekvenci var mainīt, mainot induktora vai kondensatoru vērtību vai abus. Mainīga komponenta izvēlei kondensatori tiek izvēlēti virs induktoriem, jo tos var viegli mainīt nekā induktorus. Gludām variācijām svārstību biežumu var mainīt proporcijā 3: 1.

Hārtlija oscilatora piemērs

Pieņemsim, ka Hārtlija oscilators ar mainīgu frekvenci 60–120 KHz sastāv no trimmera kondensatora (no 100 pF līdz 400 pF). Tvertnes ķēdē ir divi induktori, kur viena induktora vērtība ir 39uH. Tātad, lai atrastu cita induktora vērtību, mēs rīkosimies šādi:

Hārtlija oscilatora frekvence ir

F = 1 / 2π√L _T C

Šajā situācijā, kad frekvence svārstās no 60 līdz 120 kHz, kas ir attiecība 1: 2. Frekvences variāciju var iegūt ar ruļļu pāri, jo kapacitāte mainās attiecībā 100pF: 400 pF, kas ir 1: 4.

Tātad, ja frekvence F ir 60 kHz, kapacitāte ir 400 pF.

Tagad,

Tātad kopējā kapacitāte ir 17,6 mH, un cita induktora vērtība ir

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

Hārtlija un Kolpitsa oscilatora atšķirības

Colpitts oscilators ir ļoti līdzīgs Hārtlija oscilatoram, taču starp šiem diviem ir atšķirīga konstrukcija. Lai gan Hārtlijs un Kolpitts, abiem oscilatoriem tvertnes ķēdē ir trīs komponenti, Kolpitsa oscilatorā paralēli diviem kondensatoriem tiek izmantots viens induktors, savukārt Hārtlija oscilatorā tiek izmantots tieši pretējs, viens kondensators paralēli diviem induktoriem virknē.

Hārtlija oscilatora priekšrocības un trūkumi

Priekšrocības:

1. Izejas amplitūda nav proporcionāla mainīgā frekvences diapazonam, un amplitūda paliek gandrīz nemainīga.

2. Frekvenci ir viegli kontrolēt, izmantojot trimmeri, nevis tvertnes ķēdē fiksēto kondensatoru.

3. Labi piemērots RF diapazona lietojumiem stabilas RF frekvences radīšanas dēļ.

Trūkumi

1. Hārtlija oscilators nodrošina izkropļotu sinusoidālu viļņu un nav piemērots ar sinusa viļņu saistītām darbībām. Galvenais šī trūkuma iemesls ir lielais harmonikas daudzums, ko izraisa izeja.

2. Zemā frekvencē induktora vērtība kļūst liela.

Hārtlija oscilatoru shēma galvenokārt tiek izmantota sinusoidāla signāla ģenerēšanai dažādās ierīcēs, piemēram, radio raidītājā un uztvērējos.