Tonny behandelt in een aantal afleveringen de diverse aspecten die van invloed zijn op het functioneren van oscillatoren.
In de voorgaande delen zijn o.a. behandeld: de principes van het oscilleren, van de frequentiebepalende gedeeltes en de stabilisaties.
In deze laatste aflevering worden o.a. de praktische uitvoeringen, de eisen aan een oscillator en berekening van de frequentiebepalende componenten behandeld.
Wanner de energie afgifte (vermogen per tijd) niet de belangrijkste voorwaarde is en er slechts een frequentie moet worden gebruikt, voldoet de kristal oscillator prima. Een kristal wordt gebruikt als mechanische trillingslcring ter vervanging van bijvoorbeeld de spoel en condensator.
Op het examen is van belang de (3) schema symbolen en het vervangingsschema van het kristal te kunnen herkennen.
Vervangingsschema van een kristal.
Inwendig gedraagt een kristal zich als een seriekring terwill tussen de aansluitingen (geleidende platen = C) deze zich als parallelkring gedraagt. Het kristal wordt gemaakt uit een plaatje kwartskristal dat piezo-elektrische eigenschappen bezit. Dit betekent dat door druk of trek op een kristal er een spanningsverschil ontstaat op de aansluitdraden.
De elektronen worden er als het ware uitgeperst, andersom zal er bij een extern aangesloten veranderde spanning het Xtal vervormen en bij een gelijkmatige wisselspanning gaat deze trillen. Het wordt o.a. gebruikt in microfoons, elementen voor pick-up, aan(ont)stekers voor gas, piepers, luidsprekers.
Aangezien een x-tal mechanisch trilt, is de afmeting belangrijk voor de resonantie frequentie. Ook is het mogelijk het kristal op een oneven veelvoud (3e, 5e, 7e ....) van deze frequentie te laten resoneren (overtonen).
Zo worden ook mechanische constructies gebruikt voor frequentie bepalende elementen (oppervlakte resonatoren); hierbij geldt hoe groter de vorm hoe lager de frequentie.
In de praktijk kun je het kristal op een hogere frequentie trimmen door deze bij te schuren/slijpen.
Kortweg trillingen kunnen elektrische, mechanische, magnetische, capacitief, inductief en meer zijn.
Voor frequenties in de VHF en hoger wordt gebruik gemaakt van 'cavity' ofwel trilholten. Dit is voor te stellen als een soort echokamer.
We weten dat bedrading in schakelingen zelfinductie en capaciteit bezitten (soms meer dan de onderdelen).
Een oplossing zou zijn de verbindingsdraden weg te laten en de oscillator in het actieve component (buis transistor, FET enz.) te plaatsen.
Door het aantal windingen te verminderen en de condensator te verkleinen (fig. 2) (b.v. afstand groter) waardoor uiteindelijk alleen een stuk draad over blijft van de spoel (fig. 3).
Fig. 2.
Fig. 3.
Om de zelfinductie nog kleiner te maken moet je spoelen parallel gaan zetten (fig. 4) en als je hiermee doorgaat verkrijg je uiteindelijk een trilholte (fig. 5). In dit voorbeeld hebben we een cilindervorm (fig. 6), maar als we van een rechthoek of vierkant (fig. 7) condensatorplaat uit gaan verandert deze. Dus kan elk hol metalen voorwerp dienst doen als trilholte, maar bepaalde vormen hebben de beste resultaten.
Fig. 4.
Alle trilholten hebben een zeer hoge Q; vaak zelfs 20x beter dan de conventionele afstemkring, terwijl de functie niet anders is.
Een variant op de trilholte is de coaxkring, die niet altijd van coaxkabel gemaakt hoeft te zijn, maar bijvoorbeeld van lege blikjes kattenvoer of anders wat, waar goede coax-kringen van te maken zijn. Om zend- en ontvangfrequenties, die minder dan 1% uit elkaar liggen (600 kHz), scherp uit elkaar te houden, lukt hiermee goed met deze kringen. Stel je voor dat de ontvanger van een repeater zijn eigen zender ontvangt, dan blijft de repeater constant aanstaan en dat moeten we niet hebben.
Op frequenties tussen 100 en 500 MHz kan een redelijk uitgangssignaal van een oscillator worden verkregen als er gebruik gemaakt wordt van z.g. Lecher-leidingen. Deze gedragen zich hetzelfde als spoelen en condensatoren die geschikter zijn voor lagere frequenties.
Bij voedingstransmissie-lijnen zien we dat de capaciteit en zelfinductie afhankelijk is van de lengte en dus plaats waar we een aftakking maken op de Lecher-leiding. Feitelijk is dit dan ook een vervanging van een parallelkring van L en C. Het gebruik van de parallel geleiders waarbij de inductieve en capaciteive reactantie niet meer gescheiden zijn noemt men ook wel verdeelde reactantie.
Hierbij wordt een hogere Q bereikt clan bij het gebruik van spoelen en condensatoren.
De definitie van frequentiestabiliteit is: De afwijking in delen per miljoen (1 MHz) ofwel (parts per million, afgekort ppm). Bij b.v. 1000 Hz op 10 MHz is dus 100 Hz op 1.000.000 Hz dit is 100 p.p.m. of 100 × 10-6 = 10-4.
D.m.v. R, LC 0,01% 104 (voor radio en TV genoeg) en bij kristal is de frequentie 10 kHz tot 10 MHz en overtoon tot 250 MHz. Als je deze frequenties gaat delen haal je nauwkeurigheden van 1 ppm (106) bij een constante temperatuur. De veroudering geeft 1 op 1011 per dag afwijking door afnemen van mechanische spanning in het kristal. Een atoomkolk heeft een praktische nauwkeurigheid van 1014 en in theorie is er 1018 mogelijk.
Als een voedingsspanning varieert of bij inschakelen dan kan er chirp (Tjoep) optreden.
Deze term noem ik omdat in de examen van N 2002 en F 2003 dit gevraagd werd.
Er zijn twee type voedingen te onderscheiden bij oscillatoren n.l.
Bij serievoeding vloeit de voedingsgelijkstroom van het versterkende element door de spoel.
Bij de serievoeding is duidelijk te zien dat de stroom door een deel van de spoel loopt en dat de schakeling bestaat uit twee spoelen met een condensator die de frequentie bepaalt C en L1 en L2.
Hartley met serievoeding.
Hartley met parallelvoeding.
Bij de serievoeding haalt de FET zijn voeding via L2 en bij de parallelvoeding zal bijvoorbeeld een nieuw circuit via een 3e spoel lopen (smoorspoel).
Bij Colpitts met een capacitieve aftakking is hier doorgaans sprake van parallelvoeding.
Colpitts met parallelvoeding.
Een van de uitzonderingen is deze schakeling met transistor, duidelijk te zien aan de twee C en een spoel dat het een Colpitts oscillator betreft. Soms is dit moeilijker te zien als er bijvoorbeeld gebruik wordt gemaakt van de inwendige capaciteit van het actieve element (parasitaire capaciteit). Dit is dus weer een voorbeeld dat men van het nadeel weer een toepassing heeft bedacht!
Colpitts met serievoeding.
In de radiotechniek is er behoefte aan een zgn. kwadratuurmixer om enkelzijband te (de)moduleren.
Deze oscillator geeft op hetzelfde moment twee sinussen of van gelijke sterkte edoch met een fase verschil van 90°. In feite dus sinus en cosinus.
De signalen zijn dus kwadratuur vandaar de naam kwadratuur (mixer of paar).
VCO Voltage Controlled Oscillator ofwel in het Nederlands: spanningsgestuurde oscillator.
Hiervan is de uitgangsfrequentie binnen een bepaald gebied regelbaar m.b.v. een stuurspanning.
Deze zijn in IC vormen verkrijgbaar zoals de NE555, 556, LM331, 8038, 2206.
De 74LS624 met een frequentie tot 20 MHz, maar de 1648 gaat tot 200 MHz! Meestal wordt hierbij door een kunstgreep een driehoekvorige spanning omgezet in een sinus met een vervorming van minimaal 1% en voor de frequentiestabiliteit wordt dan wel een kristal gebruikt i.p.v. een extern condensator.
Voor audiometingen kan beter een Wienbrug oscillator gebruikt worden met een vervormingspercentage van kleiner dan 0,01%
Ook wordt gebruik gemaakt van een parallelkring waarover een varicap diode is geplaatst.
Door de spanning te varieren over deze diode zal de capaciteit wijzigen.
Bij een verhoging van de spanning zal de sperlaag dikker worden waardoor de capaciteit afneemt en de resonantiefrequentie van de kring hoger wordt.
Let er wel op dat een verkleining van de capaciteit en of spoel niet lineair maar kwadratisch is.
Bij de resonantiefrequentie is de wisselstroom weerstand beter bekend als reactantie van de spoel en condensator gelijk. Waarbij de spoel aangeduid wordt met XL en de condensator met XC.
Xc = Xi 1 2.7cfL = 2aft 2afL * f = 27rfCofwel
2af2 L = 2aCAan de andere zijde niet delen maar vermenigvuldigen, omdat het de reciproke waarde is (omgekeerde van)
2.7if2L 1 = aL, 2.7EC * 2.7rLofwel
2 1 f - 2,7r2 *LCKwadraat wegwerken:
1 ..IT = 1/27(2 * LCMet uiteindelijk de formule van Thompson voor het berekenen van de resonantie frequentie voor zowel serie als parallel resonanties:
1 f = a *LCTonny van der Burgh, PA4TON.