Theorie en praktijk van de elektuur-oscillator
In elektuur september 1970 werd een nieuwe oscillator ontwikkeld in het elektuurlaboratorium, toegepast als hoofdoscillator in een elektronisch orgel.
Deze oscillator heeft een grote frekwentienauwkeurigheid, en kan bij goede dimensionering en juiste materiaalkeuze gelijkwaardig zijn aan een kristaloscillator (met oven).
Door het brede frekwentiebereik is het toepassingsgebied interessanter dan met kristaloscillatoren.
Aan het elektuurlab is opgedragen de oscillator toe te passen in:
- sekondengenerator voor een digitate klok, die zonder frekwentiedeling direkt de klok stuurt;
- 440 Hz toonbron (stemvork) voor het stemmen van muziekinstrumenten;
- professionele HF-referentie-generator ter vervanging van een kristalgestuurde generator.
In de nu volgende inleiding wordt dieper ingegaan op de werking van de oscillator en wordt een eenvoudig werkmodel aangeboden.
De teoretische werking
Figuur 1 geeft het principeschema van de oscillator.
Figuur 1. Principe schema van de oscillator.
A en B zijn konstante stroombronnen die beiden een gelijke stroom leveren. Stel dat bij het inschakelen van de voeding transistor T1 gaat geleiden. Over weerstand R1 zal dan een spanningsval ontstaan. Deze spanningsval wordt gevolgd door de basis van transistor T2 omdat deze direkt aan de kollektor van T1 ligt. Op het moment van inschakelen heeft de emitter van T1 een spanning, die nagenoeg gelijk is aan de konstante spanning op de basis van T1 . Deze konstante spanning op de basis van T1 (Vref.) zal direkt na het inschakelen van de voeding ook op de emitter van T1 staan omdat kondensator CI niet tijdloos van lading kan veranderen. Als T1 gaat geleiden wordt transistor T2 door de genoemde aanwezige emitterspanning dicht gestuurd. Immers door het geleiden van T1 zal de basis van T2 kwa spanning dalen beneden zijn emitternivo. De spanning op de emitter van T1 kan nooit lager worden dan de referentiespanning op de basis, vermeerderd met de drempelspanning. Omdat beide stroombronnen kontinu stroom trekken, zal de rechter plaat van kondensator C1 vrijwel line-air met de tijd positiever worden. Stroombron B zal, als T2 niet geleidt, stroom leveren via kondensator C1 en transistor T1 Na enige tijd zal de emitterspanning van T2 hoger worden dan zijn basisspanning. Hierdoor gaat T2 geleiden. Omdat T2 is geschakeld als emittervolger zal de kollektorspanningssprong van Ti worden gevolgd door de emitter van T2.
Op het moment dat T2 gaat geleiden neemt zijn emitterspanning snel toe. Deze snelle spanningsverandering kan door kondensator CI niet worden gevolgd. Daarom geeft deze de ladingsverandering op de emitter van T2 door aan de emitter van T1. T1 wordt nu dicht gedrukt, waardoor de kollektor van Ti , evenals de basis van T2 nagenoeg aan aarde komen te liggen. Er zal altijd een kleine spanning over R1 vallen vanwege de geringe basisstroom van T2.
Gesteld werd dat beide stroombronnen een konstante stroom I leveren. Ten tijde dat T1 geleidde gingen deze stromen te samen via de kollektor van T1 naar aarde. De spanningssprong die op de basis van T2 ontstaat als T2 gaat geleiden is daarom:
In deze formule stelt I de stroom voor van beide stroombronnen afzonderlijk. De spanningssprong 2xIxR1 blijft, ten tijde dat T2 geleidt, op de basis van T2 staan, zodat op de emitter van T2 een spanning staat van:
De kondensator (C1) zal op het moment dat T2 gaat geleiden de spanningssprong 2×I×R1 doorgeven aan de emitter van T1 Deze emitter had tijdens geleiding van T1 een spanning van
Met de spanningssprong van T2 wordt de emitterspanning van T1 nu:
Als T2 geleidt, zal deze spanning geleidelijk stijgen, omdat stroombron A met een konstante stroom I via kondensator C1 stroomtrekt. T1 zal gaan geleiden als de spanningssprong van 2xIxR1 is weggewerkt van de emitter van T1 De spanningssprong 2xIxR1 vertegenwoordigt een lading van:
Omdat de laadstroom I konstant is kan de laadtijd van de linker kondensatorplaat van C1 gemakkelijk worden berekend uit:
Hieruit volgt:
De tijd t1 is de periodetijd gedurende welke T2 geleidt en T1 spert. Als T1 weer gaat geleiden staat de basis van T2 weer op een spanning van
De emitter van T2 was nagenoeg gelijk aan de voedingsspanning. Hieruit kan worden gekonkludeerd dat T2 weer gaat geleiden als zijn emitterspanning ongeveer 2xIxR1 is gedaald. De periode dat T1 geleidt en T2 spert is daarom ook nagenoeg gelijk aan:
zodat de oscillatorperiodetijd gelijk is aan:
Hieruit volgt dat de oscillatorfrekwentie gelijk is aan 1/t =
Uit het voorgaande kan het volgende worden gekonkludeerd:
- De oscillatorfrekwentie is onafhankelijk van de voedingsspanning.
- De stabiliteit van de oscillator wordt in hoofdzaak bepaald door de betrouwbaarheid van de stromen van de konstante stroombronnen en de drempelspanningen van T1 en T2.
De praktijk van de oscillator
Figuur 2 geeft een praktische uitvoering van de oscillator. In deze figuur vormen de transistoren T3 en T4 de konstante stroombronnen. De konstante stroom wordt verkregen door de bases van beide transistoren aan een konstante spanning te leggen. De konstante spanning op de bases van T3 en T4 is gelijk aan de som van de drempelspanningen van diode D1 en D2. De konstante stroom door T3 en T4 is gelijk aan:
Figuur 2. Een praktische uitvoering.
Omdat de drempelspanningen van de dioden en transistoren vrijwel gelijk zijn, kan de konstante-stroomwaarde worden gevonden uit:
- R1 te wijzigen.
- C1 te wijzigen.
- Een der beide stroombronnen te laten varieren in stroomsterkte.
- Beide stroombronnen differentiaal te laten varieren in stroomsterkte.
Figuur 3. Golfvormen van de oscillator volgens figuur 2.
| R1 | 600 Ω tot 5k6, zie tekst |
| R2 | 3k3 |
| R3 | 820 Ω |
| R4 | 330 Ω |
| R5 | 8k2 |
| R6 | 47 kΩ |
| R7 | 10 kΩ |
| C1 | zie tekst |
| C2 | 1 µF |
| T1 t/m T4 | TUP |
| T5 | TUN |
| D1 t/m D3 | DUS |
Figuur 4. De oscillator voorzien van een uitgangstrap en de mogelijkheid tot frekwentiemodulatie.
Om vibrato te kunnen inbrengen vallen genoemde mogelijkheden a en b af, omdat dit komponenten zijn. Mogelijkheid c is niet aan te bevelen omdat dan de totaalstroom gaat varieren, wat resulteert in een kleine frekwentiezwaai en tevens amplitudemodulatie. Immers, met de variatie van de totaalstroom gaat ook de spanning over R1 varieren. De enige juiste oplossing is beide stroombronnen differentiaal te laten varieren in stroomsterkte. Hier-door verandert de laadtijd van C1, terwijl de totaalstroom konstant blijft. Figuur 4 geeft een praktijkschema van de oscillator met de mogelijkheid van frekwentiemodulatie. Op kondensator C2 is een wisselspanning aan te sluiten waardoor de modulatie ontstaat. Als deze wisselspanning zich in de positieve periodehelft bevindt zal T4 minder stroom gaan trekken. Hierdoor daalt de emitterspanning van T4. De emitter-spanning van T3 daalt mee zodat T3 meer wordt open gestuurd, omdat de basis van T3 aan een konst ante spanning ligt De modulatiesturing op C2 is vrij gevoelig omdat bij een spanningsverandering van ongeveer 0,7 volt op de basis van T4, de transistor al geheel wordt dichtgestuurd.
Door de spanning voor frekwentiemodulatie direkt op weerstand R5 te sturen kan met gelijkspanning de oscillatorfrekwentie worden gewijzigd. Op deze manier is het mogelijk de oscillator synchroniseerbaar te maken. Ook kan met behulp van een dergelijke gelijkstroomsturing de oscillator ternperatuuron afhankelijk worden gemaakt. Hierdoor ontstaat een zeer stabiele oscillator die alleen door een kristaloscillator wordt overtroffen in kwaliteit. Figuur 5 geeft het principe schema van de schakeling die het mogelijk maakt de oscillator temperatuuronafhankelijk te maken. In figuur 5 wordt de oscillatorblokgolfspanning door een differentiator veranderd in positieve pulsen. Deze pulsen sturen een monostabiele multivibrator. De uitgangsspanning van de multivibrator wordt geintegreerd. Hierdoor staat op de uitgang van de integrator een gelijkspanning waarvan de amplitude evenredig is met de frekwentie van de oscillator. Door deze gelijkspanning toe te voeren aan een verschilversterker kan ze worden vergeleken met een konstante spanning. Als de oscillatorfrekwentie wil stijgen neemt ook de spanning op de integratoruitgang toe. Hierdoor krijgt de verschilversterker meer sturing en geeft een grotere uitgangsspanning af, die dan de oscillator direkt bijstuurt. Met potmeter Pi aan de ingang van de verschilversterker kan de oscillatorfrekwentie worden geregeld.
Figuur S. Principe van automatische frekwentiekorrektie.
Voor Wet berekenen van de waarden van R1 en C1 uit figuur 4 moet rekening worden gehouden met de minimale en maksimale waarde die aan R1 kan worden gegeven. Deze grenswaarden hangen samen met de konstante stroom door R1. De konstante stroom in het schema volgens figuur 3 is ongeveer 2 mA. De minimale spanningsverandering over R1 moet groter zijn dan de drempelspanning van transistor T2, zodat R1 minimaal 0,7/2 = 350 Ω moet zijn. Uiteraard is dan de blokspanning op de basis van T2 ook slechts 0,7 volt zodat T5 dan nog niet wordt open gestuurd. Om T5 toch te kunnen sturen moet de blokspanning nog ongeveer 0,7 volt groter worden. De waarde voor R1 is dan minimaal:
De maksimale waarde voor R1 wordt begrensd door de referentiespanning op de emitter van T1. Deze referentiespanning is gelijk aan de voedingsspanning verminderd met twee diodedrempelspanningen. De weerstand voor R1 mag dan ook maksimaal zijn:
Bij deze weerstandswaarde voor R1 is de blokspanningsamplitude op de basis van T2 maksimaal.
Tot slot is in figuur 6 de print lay-out gegeven van de schakeling volgens figuur 4.
Figuur 6. De print lay-out voor de schakeling volgens figuur 4.
In een van de volgende uitgaven van elektuur komt de oscillator weer ter sprake bij een zelfstandig digitaal orgelpedaal. Eventuele bouwers van dit pedaal kunnen het beste eerst wat eksperimenteren met de schakeling volgens figuur 4 om ervaring met dit tipe oscillator op te doen.