Ταλαντωτής Hartley

Με απλά λόγια, ο ταλαντωτής είναι ένα κύκλωμα που μετατρέπει την ισχύ DC από την πηγή τροφοδοσίας στην τροφοδοσία AC στο φορτίο. Το σύστημα ταλαντωτή κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας ενεργά και παθητικά συστατικά και χρησιμοποιείται για την παραγωγή ημιτονοειδών ή οποιωνδήποτε άλλων επαναλαμβανόμενων κυματομορφών στην έξοδο χωρίς καμία εφαρμογή εξωτερικού σήματος εισόδου. Συζητήσαμε μερικούς ταλαντωτές στα προηγούμενα μαθήματά μας:

• Ταλαντωτής Colpitts
• RC Phase Shift Ταλαντωτής
• Ταλαντωτής Wein Bridge
• Ταλαντωτής κρυστάλλου χαλαζία
• Κύκλωμα ταλαντωτή Phase Shift
• Ταλαντωτής ελεγχόμενης τάσης (VCO)

Οποιοσδήποτε τύπος πομπού ή δέκτη ραδιοτηλεόρασης ή οποιουδήποτε εργαστηριακού εξοπλισμού δοκιμής έχει τον ταλαντωτή. Είναι το κύριο συστατικό για την παραγωγή του σήματος ρολογιού. Μια απλή εφαρμογή ταλαντωτών μπορεί να δει μέσα σε μια πολύ κοινή συσκευή, όπως ένα ρολόι. Τα ρολόγια χρησιμοποιούν έναν ταλαντωτή για να παράγουν ένα σήμα ρολογιού 1 Hz.

Οι ταλαντωτές ταξινομούνται ως ημιτονοειδής ταλαντωτής ή ο ταλαντωτής χαλάρωσης ανάλογα με την κυματομορφή εξόδου. Εάν ένας ταλαντωτής παράγει ημιτονοειδές κύμα με καθορισμένη συχνότητα κατά μήκος της εξόδου, ο ταλαντωτής ονομάζεται ημιτονοειδής ταλαντωτής. Οι ταλαντωτές χαλάρωσης παρέχουν μη ημιτονοειδή κύματα όπως τετράγωνο κύμα ή τριγωνικό κύμα ή παρόμοιο είδος κύματος στην έξοδο.

Εκτός από τις ταξινομήσεις ταλαντωτών με βάση το σήμα εξόδου, οι ταλαντωτές μπορούν να ταξινομηθούν χρησιμοποιώντας την κατασκευή κυκλώματος όπως ταλαντωτής αρνητικής αντίστασης, ταλαντωτής ανάδρασης κ.λπ.

Ο ταλαντωτής Hartley είναι ένας από τους ταλαντωτές ανάδρασης τύπου LC (Inductor-Capacitor) που εφευρέθηκε το 1915 από τον Αμερικανό μηχανικό Ralph Hartley. Σε αυτό το σεμινάριο, θα συζητήσουμε για την κατασκευή και την εφαρμογή του ταλαντωτή Hartley.

Το κύκλωμα δεξαμενής

Ο ταλαντωτής Hartley είναι ένας ταλαντωτής LC. Ένας ταλαντωτής LC αποτελείται από ένα κύκλωμα δεξαμενής που είναι ουσιαστικό μέρος για την παραγωγή της απαιτούμενης ταλάντωσης. Το κύκλωμα δεξαμενής χρησιμοποιεί τρία εξαρτήματα, δύο επαγωγείς και έναν πυκνωτή. Ο πυκνωτής συνδέεται παράλληλα με δύο σειρές επαγωγέων. Ακολουθεί το διάγραμμα κυκλώματος του Harley Oscillator:

Γιατί ο συνδυασμός επαγωγέα-πυκνωτή ονομάζεται κύκλωμα δεξαμενής; Επειδή το κύκλωμα LC αποθηκεύει τη συχνότητα της ταλάντωσης. Στο κύκλωμα της δεξαμενής, οι πυκνωτές και δύο επαγωγείς της σειράς φορτίζονται και αποφορτίζονται ο ένας από τον άλλον επαναλαμβανόμενα, οι οποίοι παράγουν ταλάντωση. Ο χρόνος φόρτισης και εκφόρτισης ή με άλλα λόγια, η τιμή του πυκνωτή και των επαγωγών είναι ο κύριος καθοριστικός παράγοντας για τη συχνότητα ταλάντωσης.

Βασισμένο σε τρανζίστορ

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται ένα πρακτικό κύκλωμα ταλαντωτή Hartley όπου ένα ενεργό στοιχείο είναι το τρανζίστορ PNP. Στο κύκλωμα, η τάση εξόδου εμφανίζεται στο κύκλωμα του ρεζερβουάρ που είναι συνδεδεμένο με τον συλλέκτη. Ωστόσο, η τάση ανάδρασης είναι επίσης ένα μέρος της τάσης εξόδου που δηλώνεται ως V1, που εμφανίζεται κατά μήκος του επαγωγέα L1.

Η συχνότητα είναι άμεσα ανάλογη με την αναλογία των τιμών του πυκνωτή και των επαγωγέων.

Εργασία του Hartley Oscillator Circuit

Το ενεργό συστατικό στο Hartley Oscillator είναι το τρανζίστορ. Το σημείο λειτουργίας DC στην ενεργή περιοχή των χαρακτηριστικών διέπεται από τις αντιστάσεις R1, R2, RE και την τάση τροφοδοσίας συλλέκτη VCC. Ο πυκνωτής CB είναι ο πυκνωτής αποκλεισμού και το CE είναι πυκνωτής παράκαμψης Πάσχα.

Το τρανζίστορ έχει διαμορφωθεί σε κοινή διαμόρφωση εκπομπής. Σε αυτήν τη διαμόρφωση, η τάση εισόδου και εξόδου τρανζίστορ έχει μετατόπιση φάσης 180 μοιρών. Στο κύκλωμα, η τάση εξόδου V1 και η τάση ανάδρασης V2 έχουν μετατόπιση φάσης 180 μοιρών. Συνδυάζοντας αυτά τα δύο, έχουμε συνολική μετατόπιση φάσης 360 μοιρών, απαραίτητη για την ταλάντωση (αναφέρεται ως κριτήριο Barkhausen).

Ένα άλλο βασικό πράγμα για να ξεκινήσετε την ταλάντωση μέσα στο κύκλωμα χωρίς να εφαρμόσετε εξωτερικό σήμα είναι να παράγετε τάση θορύβου μέσα στο κύκλωμα. Όταν είναι ενεργοποιημένη η ισχύς, παράγεται τάση θορύβου με ευρύ φάσμα θορύβου και έχει την απαιτούμενη συνιστώσα τάσης στη συχνότητα, που απαιτείται για τον ταλαντωτή.

Η λειτουργία AC του κυκλώματος δεν επηρεάζεται από την αντίσταση R1 και R2 για μεγάλη τιμή αντίστασης. Αυτές οι δύο αντιστάσεις χρησιμοποιούνται για την πόλωση του τρανζίστορ. Η γείωση και το CE χρησιμοποιούνται για την ασυλία του συνολικού κυκλώματος και αυτές οι δύο αντιστάσεις και πυκνωτές χρησιμοποιούνται ως αντίσταση εκπομπής και πυκνωτής εκπομπής.

Η λειτουργία AC επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος δεξαμενής. Η συχνότητα της ταλάντωσης μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο-

F = 1 / 2π√L _Τ C

Η συνολική επαγωγή του κυκλώματος δεξαμενής είναι L _T = L ₁ + L ₂

Ταλαντωτής Hartley με βάση το Op-Amp

Στην παραπάνω εικόνα, ο ταλαντωτής Hartley με βάση το op-amp έχει δειχθεί όπου ο πυκνωτής C1 συνδέεται παράλληλα με τα L1 και L2 σε σειρά.

Το Op-amp είναι συνδεδεμένο σε μια αντιστροφή, όπου η αντίσταση R1 και R2 είναι η αντίσταση ανάδρασης. Το κέρδος τάσης του ενισχυτή μπορεί να προσδιοριστεί από τον παρακάτω τύπο -

A = - (R2 / R1)

Η τάση ανάδρασης και η τάση εξόδου δηλώνονται επίσης στο παραπάνω κύκλωμα ταλαντωτή Hartley με βάση το op-amp.

Η συχνότητα της ταλάντωσης μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ίδιο τύπο που χρησιμοποιείται στην ενότητα ταλαντωτών Hartley που βασίζεται σε τρανζίστορ.

Ο ταλαντωτής Hartley συνήθως ταλαντεύεται στην περιοχή RF. Η συχνότητα μπορεί να μεταβάλλεται αλλάζοντας την τιμή του πηνίου ή των πυκνωτών ή και των δύο. Για την επιλογή ενός μεταβλητού στοιχείου, οι πυκνωτές επιλέγονται πάνω από τους επαγωγείς, καθώς μπορούν εύκολα να μεταβληθούν από τους επαγωγείς. Η συχνότητα της ταλάντωσης μπορεί να αλλάξει στην αναλογία 3: 1 για ομαλές παραλλαγές.

Παράδειγμα Hartley Oscillator

Ας υποθέσουμε ότι ένας ταλαντωτής Hartley με μεταβλητή συχνότητα 60-120 KHz αποτελείται από έναν πυκνωτή trimmer (100 pF έως 400 pF). Το κύκλωμα δεξαμενής έχει δύο επαγωγείς όπου η τιμή ενός επαγωγέα είναι 39uH. Έτσι, για να βρούμε την τιμή άλλων επαγωγέων, θα ακολουθήσουμε την παρακάτω διαδικασία:

Η συχνότητα του ταλαντωτή Hartley είναι-

F = 1 / 2π√L _Τ C

Σε αυτήν την περίπτωση όπου η συχνότητα κυμαίνεται μεταξύ 60 έως 120 kHz που είναι λόγος 1: 2. Η διακύμανση της συχνότητας μπορεί να επιτευχθεί με ένα ζεύγος πηνίων καθώς η χωρητικότητα ποικίλλει στην αναλογία 100pF: 400 pF που είναι λόγος 1: 4.

Έτσι, όταν η συχνότητα F είναι 60 kHz, η χωρητικότητα είναι 400 pF.

Τώρα,

Έτσι, η συνολική χωρητικότητα είναι 17,6 mH και η τιμή του άλλου επαγωγέα είναι

17,6 mH - 0,039 mH = 17,56 mH.

Διαφορές μεταξύ Hartley Oscillator και Colpitts Oscillator

Ο ταλαντωτής Colpitts μοιάζει πολύ με τον ταλαντωτή Hartley, αλλά υπάρχει διαφορά στην κατασκευή μεταξύ αυτών των δύο. Αν και οι Hartley και Colpitts, και οι δύο ταλαντωτές έχουν τρία εξαρτήματα στο κύκλωμα δεξαμενής, ο ταλαντωτής Colpitts χρησιμοποιεί έναν μόνο επαγωγέα παράλληλα με δύο πυκνωτές εν σειρά, ενώ ο ταλαντωτής Hartley χρησιμοποιεί ακριβώς το αντίθετο, έναν μόνο πυκνωτή παράλληλα με δύο επαγωγείς σε σειρά.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του Hartley Oscillator

Πλεονεκτήματα:

1. Το εύρος εξόδου δεν είναι ανάλογο με το εύρος μεταβλητής συχνότητας και το πλάτος παραμένει σχεδόν σταθερό.

2. Η συχνότητα ελέγχεται εύκολα χρησιμοποιώντας ένα trimmer αντί του σταθερού πυκνωτή στο κύκλωμα δεξαμενής.

3. Κατάλληλο για εφαρμογές εύρους RF λόγω σταθερής παραγωγής συχνότητας RF.

Μειονεκτήματα

1. Ο ταλαντωτής Χάρτλεϊ παρέχει ένα παραμορφωμένο ημιτονοειδές κύμα και δεν είναι κατάλληλο για εργασίες που σχετίζονται με καθαρά ημιτονοειδή κύματα. Ο κύριος λόγος για αυτό το μειονέκτημα είναι η υψηλή ποσότητα αρμονικών που προκαλείται σε όλη την έξοδο.

2. Σε χαμηλή συχνότητα η τιμή επαγωγέα γίνεται μεγάλη.

Το Hartley Oscillator Circuit χρησιμοποιείται κυρίως για τη δημιουργία ημιτονοειδούς κύματος σε διάφορες συσκευές, όπως πομπός και δέκτες ραδιοφώνου.