Hartley ostsillaator

Hartley ostsillaator on induktiivse kolmpunktlülitusega ostsillaator, mida kasutatakse 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. Positiivne tagasiside, mis on vajalik võnkumise (ostsilleerimise) tekkimiseks, võetakse kahe induktiivpooli vahelt (harundilt).

Hartley ostsillaatori võnkering

Hartley ostsillaator ei taga kuigi stabiilset sagedust, kuid ta võimaldab tekitada võnkumisi küllalt laias sagedusvahemikus.

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

Joonisel on kujutatud Hartley ostsillaatori LC-võnkering. Induktiivpooli harund ühendatakse positiivse tagasiside loomiseks transistori emitteriga, ülejäänud harud on vajalikud võnkeringi ühendamiseks transistorvõimendi baasi ja kollektoriga. Seega ühendatakse võnkering transistoriga kolme punkti kaudu, millest tuleneb ka nimetus – induktiivne kolmpunktlülitus.

Üldine põhimõte

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

• võnkering ehk selektiivahel, mis määrab harmooniliste võnkumiste võnkesageduse;
• aktiivelement (võimendi), mis on vajalik passiivelementidest ahelas võnkumiste alalhoidmiseks. Ostsillaatori stabiilseks tööks, peab aktiivelemendi võimendus olema suurem kui sumbumus võnkeringi elementides.

Hartley ostsillaatoris võib kahe induktiivpooli asemel kasutada ühtainust harundiga pooli. Harundi kaudu loodav tagasiside on seda tugevam, mida suurem osa induktiivpooli keerdudest jääb toiteallika ja transistorvõimendi baasi vahele. 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.

Võimendina kasutatakse Hartley ostsillaatoris nagu teisteski LC-ostsillaatorites, aktiivset neliklemmi, mis toiteallika energia arvelt kompenseerib selektiivahelas tekkivad kaod. Aktiivseks neliklemmiks on tavaliselt positiivse tagasisidega bipolaar- või väljatransistoraste. Laialt levinud on ka operatsioonvõimendi kasutamine. 1915. aastal kasutas Hartley oma ostsillaatoris võimenduselemendina lamptrioodi.

Võimendava elemendi väljund on positiivse tagasiside ahela kaudu ühendatud sisendiga. Igasugune kõrvalekalle stabiilsest võnkesagedusest kutsub esile korrigeeriva efekti – kui signaali amplituud võimendi väljundis kahaneb, muutub võimendus tugevamaks ja vastupidi.

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.

Hartley ostsillaatoris toimib võnkering kui ribafilter, lastes läbi ainult selle elementide poolt määratud sagedust – võnkesagedust f₀. Kui võnkeringi kondensaatori mahtuvus on C ja võnkeringi induktiivpooli koguinduktiivsus on L_k, siis Hartley ostsillaatori võnkesagedus on arvutatav valemiga:

$f={1 \over 2\pi {\sqrt {L_{k}{C}}}}\,$,

selle sageduse juures on võimendi võimendus kõige suurem.

Kui võnkering koosneb kondensaatorist ja kahest iseseisvast induktiivpoolist, siis

$L_{k}=L_{1}+L_{2}\,$ ,

kui võnkering koosneb harundiga induktiivpoolist, siis

$L_{k}=L_{1}+L_{2}+k{\sqrt {L_{1}L_{2}}}\,$,

kus k on vastastikune induktiivsus.

Reaalsetes skeemides on ostsillaatori tegelik sagedus veidi madalam induktiivpooli parasiitkomponentide tõttu.

Hartley ostsillaatorist saab muutuva sagedusega ostsillaatori, kui kasutada sageduse reguleerimiseks muutkondensaatorit.

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

Hartley ostsillaator positiivse tagasisidega läbi transistori sisendmahtuvuse

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

• Hartley ostsillaator ühe harundiga induktiivpooliga, kus võnkumise jaoks vajalik positiivne tagasiside ostsillaatori sisendi ja väljundi vahel tagab vastastikune induktiivsus pooli osade vahel.
• Hartley ostsillaator, kus ühe harundiga induktiivpooli asemel kasutatakse kaht eraldiseisvat induktiivpooli L₁ ja L₂, mis ei ole omavahel elektromagnetiliselt 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, ostsilleerib seetõttu, et koormus paistab kollektorile induktiivse koormusena sagedustel, mis on veidi madalamad kui võnkeringi võnkesagedus f₀ ning baasiahel avaldab negatiivset takistust võnkeringile, mille mõjul võnkering hakkabki ostsilleerima.
• Hartley ostsillaator, kus ühe harundiga induktiivpooli asemel kasutatakse kaht 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 ostsilleerib, kui anname sobiva võimenduse, sest sellistes tingimustes toimib Hartley ostsillaatori võnkering ka faasi muutva ahelana, kus väljundi energia, mida juhitakse tagasi sisendisse, on 180° võrra nihkes.

Praktikas kasutatakse Hartley ostsillaatoris korraga kõiki kolmel kirjeldatud ostsilleerimise tekitamise tehnikat.

Hartley ostsillaatorite skeemid

Hartley ostsillaator transistorvõimendiga

Transistorvõimendiga ostsillaator

Joonisel on kujutatud tüüpiline Hartley ostsillaator, milles kasutatakse 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 R₁ ja R₂ moodustavad pingejaguri, mis määrab transistori Q₁ baasi eelpinge. R_e on emitteritakisti, mis tekitab negatiivset tagasisidet ning stabiliseerib temperatuuri ja toitepinge mõju transistorile. C_e on emitter-kondensaator, mille ülesandeks on takistada võimendatud vahelduvsignaali sattumist emitteritakistile. Kondensaator C_in on toite lahtisidestamiseks ja kondensaator C_out tõkestab alalisvoolu pääsu induktiivsesse kolmpunktlülitusse. Kondensaator C₁ ning induktiivpoolid L₁ ja L₂ moodustavad võnkeringi. Positiivne tagasiside, mis hoiab võnkumist stabiilsena, tuleb võnkeringist transistori baasile induktiivpooli L₂ ja kondensaatori C₁ vahelt.

Toitepinge V_cc sisselülitamisel transistor avaneb ja kollektorivool 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 tekib sumbumatu ehk stabiilne võnkumine.

Transistori väljundpinge (pinge kollektori ja emitteri vahel) on induktiivpooli L₁ väljundpigega samas faasis. Kuna kahe induktiivpooli vahel olev harund 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, 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:

${\gamma }\geq {L_{1} \over L_{2}}$ .

Stabiilsete võnkumiste tekkimiseks peab olema täidetud sumbumatute võnkumiste amplituudi ja faasi tasakaalu tingimus, mida nimetatakse Barkhausen'i kriteeriumiks. Kui K on võimendi võimendustegur ja ${\gamma }$ on tagasisideahela ülekandetegur, siis tekivad ahelas sumbumatud võnkumised, kui on täidetud järgmised tingimused:

• amplituuditingimus: $K{\gamma }\geq 1$ ehk võnkumiste tekkimiseks, peab $K{\gamma }>1$ ja stabiilsete võnkumiste korral peab $K{\gamma }=1$,

signaal võimendatakse korraks, et tekiksid võnkumised, mis seejärel stabiliseeruvad ja jäävad püsivaks seni, kuni viimane võrdus kehtib;

• faasitingimus: $\varphi K+\varphi \gamma =2\pi n$, kus n = 0, 1, 2,...

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

Operatsioonvõimendiga ostsillaator

Hartley ostsillaator operatsioonivõimendiga

Joonisel kujutatud Hartley ostsillaatoris kasutatakse operatsioonivõimendit inverteerivas režiimis. Takisti R₁ on sisendtakistus, R_f 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 takistitest R₁ ja R_f koosneva pingejaguri abil.

Inverteeriva operatsioonvõimendi võimendustegur on arvutatav valemiga:

$K=-{R_{f} \over R_{1}}$.

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

Hartley ostsillaatori eelised ja puudused

Eelised

• Tekitab raadiosagedustel 20 kHz kuni 30 MHz hea kvaliteediga siinusvõnkumise.
• Võimaldab muuta sagedust, kui induktiivses kolmpunktlülituse skeemis asendada püsikondensaator muutkondensaatoriga.
• 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,sest poolide takistuse ja parasiitkomponentide mõju on madalatel sagedustel väiksem.

Puudused

Koos sagedusega suureneb induktiivpoolide reaktiivtakistus, mis põhjustab võimsuse vähenemist võnkeringis ja ribalaiuse suurenemist. Lisaks hakkavad kõrgetel sagedustel avaldama mõju ka induktiivpooli parasiittakistus ja parasiitmahtuvus.

Vaata ka

• Ostsillaator

Välislingid

• Hartley ostsillaator (Electronics tutorials)
• Hartley ostsillaator (Learn about electronics)