Oscillatoren 2

Tonny behandelt in een aantal afleveringen de diverse aspecten die van invloed zijn op het functioneren van oscillatoren.

In deel 1 is de principe van het oscilleren behandeld. In dit deel worden de principes van de frequentiebepalende gedeelten en de stabilisaties behandeld.

Frequentiebepalende gedeelten

LC kring met inductieve terugkoppeling (figuur 1).

Fig. 1
Fig. 1.

De kans dat de oscillator start, is het grootst als de kring in afstemming is. Dit omdat de uitgangsspanning en daarmee de rondgaande versterking maximaal is. Omdat de fasedraaiing van een enkel versterkingselement 180° is, moet deze worden gecompenseerd door b.v. een trafo (denk om de wikkel richting).

De frequentie is

De kring wordt gedempt door de ingangsweerstand van het versterkende element en is athankelijk van het aantal windingen van L2 (zoals we bij de trafo's geleerd hebben, b.v. 3 wnd is 3² = 9 keer omhoog getransformeerd).

De twee meest gebruikte principes zijn Hartley en Colpitts.

Colpitts oscillator principe

Fig. 2
Fig. 2.

De Colpitts heeft de zelfinductie van de kring in fig. 1 gesplitst in een inductie L en capaciteit C₂, en wordt zo gekozen, dat het totale inductieve gedrag gelijk is als I_L van L₁ van figuur 1. De stroom door L en C₁ zal volgens (LEICIE) 90° blijven naijlen op de uitgangsspanning.

Deze stroom zal een spanning veroorzaken, die weer 90° naijlt op deze stroom.

Over C ontstaat dan een spanning, die 180° naijlt op de spanning over de kring. Over C2 ontstaat een spanning U_t, die in fase is met de ingangsspanning. Zie vector 1.

Vector 1.

Omdat U_k alleen in tegenfase is bij een ohms gedrag, is C₁ nodig om in resonantie te komen. (X_L = X_C).

Hartley oscillator principe

Fig. 3
Fig. 3.

De Hartley is de capacitieve tak zo opgesplitst dat de spanning over L, in tegen fase is met de spanning over de kring. Men spreekt ook wel van een inductieve driepunts schakeling (het versterkte gedeelte is met drie punten van de kring verbonden).

C is zo gesplitst, dat voor de gewenste oscilleerfrequentie de linker tak in figuur 3 zich even veel capacitief gedraagt als de rechter inductief is. Volgens LEICIE zal I_c 90° voorijlen op U_k. Over L₂ ontstaat een spanning die weer 90° = voorijlt op deze stroom.

U_t is dan in tegenfase met U_k. Zie vector 2. Voor de kringstromen staan L₁, L₂, en C in serie.

Vector 2.

Om te onthouden:

Of je te maken hebt met Hartley of een Colpitts oscillator principe, geldt het ezels bruggetje:

Hartley: denk aan de H van Henry. Hierbij overheersen de spoelen.
Colpitts: denk aan de C van Capaciteit. Hierbij overheersen de condensatoren.

Andere principes van oscillator berusten allen op de genoemde modellen b.v. de kristaloscillator, de Wienbrug of de Dippy; hoe dan ook hiervoor gelden de genoemde voorwaarden.

Fig. 4
Fig. 4. De kristaloscillator.

Fig. 5
Fig. 5. De wienbrug-oscillator.

Fig. 6
Fig. 6. De dippy-oscillator.

Amplitude stabilisatie

Om de amplitude constant te houden bij een bepaalde grootte, dient de versterking af te nemen, nadat de resonantiefrequentie uit ruis gehaald en versterkt is.

Hierdoor zal de versterking in het begin groter moeten zijn.

Dit kan plaats vinden door:

De versterking of te laten nemen door oversturing bij LC oscillatoren, waarbij de ontstane vervorming (de harmonischen) door de selecterende werking van de LC-kring wordt weg gefilterd.
Minder signaal terug te voeren (begrenzen). Dit bij RC-oscillatoren, omdat er Been vervorming veroorzaakt wordt door oversturing. Dit veroorzaakt wel amplitude stabilisatievervorming door oversturing, omdat RC netwerken de harmonischen NIET voldoende onderdrukken.

Er zijn tal van elektronische oplossingen bedacht om deze twee manieren automatisch te laten verlopen.

Deze varieren van gebruik maken van niet lineaire karakteristieken tot spanningsafhankelijke terugvoer d.m.v. NTC of PTC (laatstgenoemde kan bijvoorbeeld een gloeilampje zijn).

Het zal duidelijk zijn dat de stabiliteit van een oscillator belangrijk is; deze wordt dan ook bepaald door de volgende delen goed te verzorgen:

Temperatuur (oventje)
Voedingsspanning (gestabiliseerde voeding)
Keuze van de onderdelen: spoelen en kernmateriaal, condensatoren, actieve elementen, afstem C's, e.d.
Mechanische constructie, gebruikte materialen HF geschikt, afscherming e.d.

Frequentie stabiliteit

Om de frequentie stabiel te houden, wat erg belangrijk is bij zowel zenders als ontvangers, worden vaak kristallen gebruikt. Dit om frequentie (drift) verloop te voorkomen.

Bij gebruik van LC kringen wil de frequentie nogal eens verlopen door o.a. temperatuursveranderingen en afwijking in de voedingsspanning.

Bij gebruik van een kristal (welke al een hoge Q factor heeft 10.000) en door deze in een z.g. oven te plaatsen met een automatische (constante) temperatuur regeling, zal een zeer nauwkeurige en stabiele frequentie worden verkregen.

Tonny van der Burgh, PA4TON.