Hartley-Oszillator: Was ist das? (Frequenz und Schaltung)

Was ist ein Hartley-Oszillator?

Ein Hartley-Oszillator (oder RF-Oszillator) ist eine Art harmonischer Oszillator. Die Oszillationsfrequenz eines Hartley-Oszillators wird durch einen LC-Oszillator bestimmt (d. h. durch eine Schaltung, die aus Kondensatoren und Spulen besteht). Hartley-Oszillatoren werden in der Regel so eingestellt, dass sie Wellen im Radiobereich erzeugen (weshalb sie auch als RF-Oszillatoren bekannt sind).

Hartley-Oszillatoren wurden 1915 vom amerikanischen Ingenieur Ralph Hartley erfunden.

Das charakteristische Merkmal eines Hartley-Oszillators ist, dass die Abstimmungsschaltung aus einem einzelnen Kondensator in Parallelschaltung mit zwei in Serie geschalteten Spulen (oder einer einzigen getapten Spule) besteht, und das für die Oszillation notwendige Rückkopplungssignal von der zentralen Verbindung der beiden Spulen abgegriffen wird.

Eine Schaltungsdiagramm eines Hartley-Oszillators ist in Abbildung 1 unten dargestellt:

Hier ist RC der Kollektorwiderstand, während der Emitterwiderstand RE das Stabilisierungsnetzwerk bildet. Zudem bilden die Widerstände R1 und R2 das Spannungsteiler-Vorspannungsnetzwerk für den Transistor in Common-Emitter-CE-Konfiguration.

Als Nächstes sind die Kondensatoren Ci und Co die Eingangs- und Ausgangsentkopplungskondensatoren, während der Emitterkondensator CE der Bypasskondensator ist, der verwendet wird, um verstärkte Wechselstromsignale zu umgehen. All diese Komponenten sind identisch mit denen, die in einem Common-Emitter-Verstärker vorhanden sind, der mit einem Spannungsteilernetzwerk vorgespannt wird.

Abbildung 1 zeigt jedoch noch eine weitere Gruppe von Komponenten, nämlich die Spulen L1 und L2, und den Kondensator C, die den Resonanzkreis (in der roten Umrandung) bilden.

Beim Einschalten der Stromversorgung beginnt der Transistor zu leiten, was zu einer Steigerung des Kollektorstroms IC führt, der den Kondensator C auflädt.

Nachdem C die maximale Ladung erreicht hat, beginnt es über die Spulen L1 und L2 abzuladen. Diese Lade- und Entladezyklen resultieren in gedämpften Oszillationen im Resonanzkreis.

Der Oszillationsstrom im Resonanzkreis erzeugt eine Wechselspannung an den Spulen L1 und L2, die um 180° phasenverschoben sind, da ihre Anschlusspunkte auf Masse liegen.

Weiterhin ist aus der Abbildung ersichtlich, dass der Ausgang des Verstärkers an der Spule L1 angeschlossen ist, während die Rückkopplungsspannung, die an L2 abgegriffen wird, an die Basis des Transistors angelegt wird.

Man kann also schließen, dass der Ausgang des Verstärkers in Phase mit der Spannung im Resonanzkreis ist und die verloren gegangene Energie wieder zurückgibt, während die an die Verstärkerschaltung zurückgeführte Energie um 180° phasenverschoben ist.

Die Rückkopplungsspannung, die bereits um 180° phasenverschoben zur Basis des Transistors ist, erhält durch die Transistorschaltung eine zusätzliche Phasenverschiebung von 180°.

Daher wird das Signal, das am Ausgang des Transistors erscheint, verstärkt und hat eine netto Phasenverschiebung von 360°.

In diesem Zustand, wenn man den Verstärkungsfaktor der Schaltung leicht größer als das Rückkopplungsverhältnis macht, gegeben durch

(falls die Spulen auf dem gleichen Kern gewickelt sind, wobei M die gegenseitige Induktivität anzeigt)
dann erzeugt die Schaltung einen Oszillator, der aufrechterhalten werden kann, indem der Verstärkungsfaktor der Schaltung gleich dem Rückkopplungsverhältnis gehalten wird.

Dies bewirkt, dass die Schaltung in Abbildung 1 als Oszillator wirkt, da sie dann beide Bedingungen der Barkhausen-Kriterien erfüllt.

Die Frequenz eines solchen Oszillators ergibt sich aus

Wobei,

Hartley-Oszillatoren sind in vielen verschiedenen Konfigurationen verfügbar, darunter Serien- oder Parallelversorgung, Common-Emitter- oder Common-Base-Konfiguration, sowie Bipolartransistor- (BJT) oder Feldeffekttransistor- (FET) basierte Verstärkerschaltungen.

Zudem ist zu beachten, dass der transistorbasierte Verstärkerabschnitt in Abbildung 1 sogar durch einen Verstärker jeder anderen Art ersetzt werden kann, wie zum Beispiel durch einen Invertierenden Verstärker, der durch einen Operationsverstärker (Op-Amp) gebildet wird, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Das Funktionieren dieses Oszillators ist ähnlich dem des zuvor gezeigten. Allerdings kann hier der Verstärkungsfaktor des Oszillators individuell über den Rückkopplungswiderstand Rf eingestellt werden, da der Verstärkungsfaktor des invertierenden Verstärkers als -Rf / R1 gegeben ist.

Daraus lässt sich erkennen, dass in diesem Fall der Verstärkungsfaktor der Schaltung weniger von den Schaltungselementen des Resonanzkreises abhängt.