Hartley ostsillaator

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
Joonis 1. Hartley ostsillaatori võnkering

Hartley ostsillaator on induktiivne kolmpunktlülitus, mida kasutatakse peamiselt siinusvõnkumiste tekitamiseks kindlatel sagedustel. Hartley ostsillaatori võnkering koosneb kahest jadamisi ühendatud induktiivpoolist ja nendega rööbiti ühendatud kondensaatorist. Praktikas kasutatakse kahe induktiivpooli asemel ühte harundiga pooli.

Hartley ostsillaatori korral jagatakse võnkeringi ahel induktiivsuse pooles kaheks ning positiivne tagasiside, mis on vajalik võngete tekkimiseks, võetakse kahe induktiivpooli vahelt.

Hartley ostsillaator ei tekita kuigi stabiilset sagedust, kuid ta võimaldab seda ümber häälestada küllalt laias sagedusvahemikus.

Hartley ostsillaatori ahela töötas välja Ameerika insener Ralph Hartley 1915. aastal, kuid patendi sellele sai ta alles 1920. aastal[1].

Joonisel 1 on kujutatud Hartley ostsillaatori LC-võnkering. Harund kahe induktiivpooli vahel on positiivse tagasiside jaoks ning ühendatud transistori emitteriga, ülejäänud harud on vajalikud võnkeahela ühendamiseks transistorvõimendi baasi ja kollektori vahele, seega võnkering on ühendatud transistoriga kolme punkti kaudu, millest tuleneb ka ahela nimetus – induktiivne kolmpunktlülitus.

Üldine põhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

Hartley ostsillaatoril, nagu kõigil LC-ostsillaatoritel, on kaks põhikomponenti:

Hartley ostsillaatoris on sagedust määravaks ahelaks võnkering, mis koosneb kahest jadamisi ühendatud induktiivpoolist ja nendega paralleelselt paigutatud kondensaatorist. Kahe induktiivpooli asemel võib kasutada ka ühtainust harundiga pooli. On levinud ekslik arvamus, et harundi võib paigutada induktiivpooli keskele, kuid tegelikult määrab harundi asukoht induktiivpoolil tagasisidet. Tagasiside on seda tugevam, mida suurem osa iduktiivpooli keerdudest jääb toiteallika ja transistorvõimendi baasi vahele[2]. Ergutusvool, mis tagab voolu võnkeringis on palju väiksem võrreldes vooluga, mis on võnkeringis endas. Kuna suurem osa ostsillaatori voolust on just võnkeringis, mitte ostsillaatori võimendavas osas, siis võimendis tekkinud moonutuste mõju siinussignaalile on väike.

Võimendi on vajalik võnkumiste alalhoidmiseks, igasugune kõrvalekalle stabiilsetes võnkumistes kutsub esile korrigeeriva efekti – kui amplituud kahaneb, muutub võimendus tugevamaks ja vastupidi. Võimendina kasutatakse Hartley ostsillaatoris, ja ka teistes LC-ostsillaatorites, aktiivset neliklemmi, mis toiteallika energia arvelt kompenseerib selektiivahelas tekkivad kaod ja ostsillaatorist tarbitava energia. Aktiivseks neliklemmiks on tavaliselt positiivse tagasisidega bipolaar- või väljatransistoraste[3]. Laialt levinud on ka operatsioonvõimendi kasutamine. Võimendava elemendi (võimendi) väljund on ühendatud sisendiga kasutades tagasisidet, Hartley ostsillaatori puhul on tagasiside läbi induktiivse. 1915. aasta Hartley ostsillaatoris kasutati võimendina trioodi.

Hartely ostsillaatoreid kasutatakse tavaliselt raadiosagedustel 20 kHz kuni 30 MHz. Hartley ostsillaatorit saab kasutada ka madalamatel sagedustel kui 20 kHz, selleks tuleb induktiivpooli väärtust suurendada[4].

Hartley ostsillaatoril on tagasiside läbi induktiivse kolmpunktlülituse, mis toimib kui ribafilter, lastes läbi ainult ühte konkreetset sagedust – võnkesagedust f0, teistel sagedustel signaal summutatakse, kuid mitte lõputult.

Kui võnkeringi kondensaatori mahtuvus on C ja võnkeringi induktiivpooli koguinduktiivsus on Lk, siis Hartley ostsillaatori võnkesagedus on arvutatav valemiga:

, selle sageduse juures on võimendi võimendus kõige suurem.

Kui võnkering koosneb kondensaatorist ja kahest iseseisvast induktiivpoolist, siis

,

kui võnkering koosneb harundiga induktiivpoolist, siis

, kus k on vastastikune induktiivsus.

Reaalsetes skeemides on ostsillaatori tegelik sagedus veidi madalam induktiivpooli parasiitkomponentide tõttu. Ostsillaator stabiilseks tööks, peab aktiivelemendi võimendus olema suurem kui sumbuvus induktiivses pingejaguris. Hartley ostsillaatorit saab kasutada muutuva sagedusega ostsillaatorina, kasutades häälestatavat kondensaatorit sageduse reguleerimiseks. Sagedust saab muuta ka induktiivpooliga, muutes induktiivpooli keerdude vahekaugust, kuid see meetod ei ole kuigi mugav ja praktiline.

Hartley ostsillaator on elektriliselt sarnane Colpittsi ostsillaatoriga, mille kolmpunktlülitus koosneb kahest jadaühenduses olevast kondensaatorist ja nendega rööbiti asetsevast induktiivpoolist ning mille tagasiside võetakse mahtuvuslikust pingejagurist.

Hartley ostsillaatori kolm tüüpi[muuda | muuda lähteteksti]

Joonis 2. Hartley ostsillaator positiivse tagasisidega läbi transistori sisendmahtuvuse

Hartley ostsillaatori korral on võimalik tekitada võnkumisi kolmel viisil, sõltuvalt ostsillaatori ehitusest.

  • Hartley ostsillaator, mille ehitusse kuulub ühe harundiga induktiivpool, kus positiivne tagasiside, mis on vajalik võngete jaoks, tekib induktiivse või elektromagnetilise sidestuse tõttu ostsillaatori sisendi ja väljundi vahel [5]. Harundiga induktiivpool tagab paremat vastastikust induktiivsust.
  • Hartley ostsillaator, kus ühe harundiga induktiivpooli asemel kasutatakse kaks iseseisvat induktiivpooli L1 ja L2, mis ei ole omavahel magnetiliselt sidestatud on kujutatud joonisel. Vastastikune induktiivsus ostsillaatori sisendi ja väljundi vahel puudub. Sellise ehituse korral tagab võnkumiseks vajalikku tagasisidet transistorvõimendi sisendmahtuvus C kollektori ja baasi vahel. Seega Hartley ostsillaator mille induktiivpoolide vahel puudub elektromagnetiline sidestus ostsilleerub seetõttu, et koormus paistab kollektorile indkutiivse koormusena sagedustel, mis on veidi madalamad kui võnkeringi võnkesagedus f0 ning baasiahel avaldab negatiivset takistust võnkeringile, mille mõjul võnkering hakkabki ostsilleeruma.[5]
  • Hartley ostsillaator, kus ühe harundiga induktiivpooli asemel kasutatakse kaks iseseisvat induktiivpooli ning väga väikse sisendmahtuvusega transistorvõimendit, mille tõttu positiivne tagasiside ei tekita võnkumisi. Sellisel juhul tuleb ostsillaatoriga opereerida väga madalatel sagedustel kuni mõnisada hertsi. Skeem ostsilleerub kui anname sobiva võimenduse, sest sellistes tingimustes sisaldab Hartley ostsillaatori võnkering ka faasi muutvat ahelat, kus väljundi energia, mida juhitakse tagasi sisendisse, on 180° võrra nihkes[5]

Praktikas kasutatakse Hartley ostsillaatoris korraga kõiki kolme, ülalpool kirjeldatud, ostsilleerimise tekitamise tehnikat[5]

Hartley ostsillaatori tööpõhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

Hartley ostsillaator kasutades transistorvõimendit[muuda | muuda lähteteksti]

Joonis 3. Hartley ostsillaator kasutades transistorvõimendit

Joonisel 3 on kujutatud tüüpiline Hartley ostsillaator kasutades bipolaartransistori ühise emitteri lülitust. Kolmpunktlülituses ostsillaatorite korral võib transistor olla ka ühise baasi või ühise kollektori lülituses. Kõigi ühendusviiside korral on võnkering ühendatud kollektori ja baasi vahele ning harund on ühendatud emitteriga. Kuna võnkeringi harund on maandatud, siis pinged ülejäänud võnkeringi kahes harus on vastandfaasis, mis tagabki positiivse tagasiside.

Takistused. Takistused R1 ja R2 moodustavad pingejaguri, mis määrab transistori Q1 baasi eelpinge. Re on emittertakisti, mis tekitab negatiivset tagasisidet ning stabiliseerib temperatuuri ja toitepinge mõju transistorile. Ce on emitter-kondensaator, mille ülesandeks on takistada võimendatud vahelduvsignaali sattumist emittertakistile. Kondensaator Cin on toite lahtisidestamiseks ja kondensaator Cout takistab alalisvoolul edasi kulgemast induktiivsesse kolmpunktlülitusse. Kondensaator C1 ning induktiivpoolid L1 ja L2 moodustavad võnkeringi. Positiivne tagasiside, mis hoiab võnkumisi stabiilsena tuleb võnkeringist otse transistori baasi, induktiivpooli L2 ja kondensaatori C1 vahelt.

Pingeallika sisselülitamisel transistor avaneb ja kollektori vool suureneb mille tulemusena hakkab kondensaator C1 laaduma. Kui kondensaator C1 on täis laadunud, hakkab ta tühjenema läbi induktiivpooli L1. Kondensaatori tühjenemisel muutub sellel salvestatud elektrostaatiline energia induktiivpooli magnetvooks. Pidev energia ülekandumine kondensaatori ja induktiivpooli vahel tekitab sumbuvaid võnkumisi. Võnkeringis kaduma läinud energia kompenseeritakse transistorvõimendiga, mille tulemusel tekivad sumbumatud ehk stabiilsed võnkumised.

Transistori väljundpinge (pinge kollektoril ja emitteril) on induktiivpooli L1 väljundpigega samas faasis. Kuna kahe induktiivpooli vahel olev haru on maandatud, siis pinge induktiivpoolil L2 on 180° võrra nihkes võrreldes induktiivpooli L1 pingega. Pinge poolil L2 moodustab tagasiside pinge transistori baasil, mis tekitab 180° faasinihke võrreldes transistoriga Q1, sellele liitub transistori enda tekitatud 180° faasimuutus, mille tulemusena saadakse sisendi ja väljundi vahele 360° faasinihe ning stabiilsed võnkumised.

Hartley ostsillaatori tagasisideahela ülekandetegur on leitav valemiga:

.

Stabiilsete võnkumiste tekkimiseks peab olema täidetud sumbumatute võnkumiste amplituudi ja faasi tasakaalu tingimus, mida nimetatakse Barkhausen'i kriteeriumiks:

Kui K on võimendi võimendustegur ja on tagasisideahela ülekandetegur, siis ahelas tekivad sumbumatud võnkumised kui

  • amplituudi tingimus: ehk võnkumiste tekkimiseks, peab ja stabiilsete võnkumiste korral peab ,
signaal võimendatakse korraks, et tekiksid võnkumised, mis seejärel stabiliseeruvad ja jäävad püsivaks seni, kuni viimane võrdus kehtib.
  • faasitingimus: φK + φ = 2n, n = 0, 1, 2,...
Joonis 4. Hartley ostsillaator kasutades operatsioonvõimendit

Sisendi ja väljundi vahel peab olema faasinihe 2n ehk väljund ja sisend peavad olema samas faasis, et signaal ei sumbuks.

Hartley ostsillaator koos operatsioonivõimendiga[muuda | muuda lähteteksti]

Joonisel 4 on kujutatud Hartley ostsillaator, mida kasutatakse inverteeritud režiimis operatsioonivõimendiga. Takisti R1 on sisendtakistus ja takisti Rf on tagasiside takistus ning ülejäänud komponendid C, L1 ja L2 moodustavad võnkeringi.

Operatsioonvõimendi eelis võrreldes teiste võimenditega on see, et ta võimaldab eraldi muuta ostsillaatori võimendust, kasutades selleks takisteid R1 ja Rf ning kuna tegemist on inverteeritud võimendiga, siis võimendi võimendustegur on arvutatav valemiga:

.

Operatsioonvõimendi korral avaldavad võnkeringi komponendid võimendusele väiksemat mõju kui transistorvõimendile, mistõttu tagab Hartley ostsillaator operatsioonivõimendiga paremat sageduse stabiilsust.

Hartley ostsillaatori eelised ja puudused[muuda | muuda lähteteksti]

Eelised[muuda | muuda lähteteksti]

  • Tekitab raadiosagedustel 20 kHz kuni 30 MHz hea kvaliteediga siinussignaale.
  • Võimaldab muuta sagedust, kui induktiivses kolmpunktlülituse skeemis asendada kondensaator häälestatava kondensaatoriga.
  • Väljundamplituud jääb konstantseks üle terve sagedusriba.
  • Hartley ostsillaatorit on lihtne ümber ehitada täpset ja stabiilset sagedust tagavaks kristallostsillaatoriks, vahetades kondensaatori kolmpunktlülituses kvarstkristalli vastu. Erinevalt induktiivpoolidest ja kondensaatoritest, on kristallostsillaatorid vähem tundlikud toitepinge kõikumise ja temperatuuri mõjude osas.
  • Eelis Colpittsi ostsillaatori ees – parem töökindlus ja puhtam siinussignaal madalatel sagedustel induktiivpoolide tõttu, poolide takistus ja parasiitkomponentide mõju on madalatel sagedustel väiksem.

Puudused[muuda | muuda lähteteksti]

Kõrgematel sagedustel on induktiivpoolidel suurem takistus, mis põhjustab võimsuse vähenemist võnkeringis ja ribalaiuse suurenemist. Lisaks hakkavad skeemile kõrgetel sagedustel avaldama mõju ka induktiivpooli parasiittakistus ja parasiitmahtuvus. Kõrgetel sagedustel hakkab induktiivpool käituma nagu kondensaator.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Hartley ostsillaator
  2. Online Radio & Electronics Course, Oscillator
  3. L. Abo. "Raadiolülitused", Valgus, Tallinn, 1990. 122
  4. Circuits Today, Hartley oscillator circuit
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 I.M. Gottlieb. "Practical Oscillator Handbook", Elsevier, US, 1997. 145–147

Välislingid[muuda | muuda lähteteksti]