طراحی اسیلاتور هارتلی (Hartley Oscillator) شامل دو سیم‌پیچ القایی که به صورت سری به هم متصل شده‌‌اند به همراه یک خازن موازی با آن‌ها می‌باشد تا مدار رزونانس برای نوسان‌های سینوسی به وجود بیاید.
یکی از معضلات استفاده از اشکال پایه اسیلاتور LC این است که دارای قابلیت کنترل دامنه نوسان‌ها نیستند. همچنین، تنظیم نوسان‌ها روی فرکانسی مشخص بسیار سخت خواهد بود. همچنین اگر کوپل الکترومغناطیسی بین L و L2 خیلی کوچک باشد، فیدبک کافی و مناسب تامین نمی‌شود و نوسان‌ها در نهایت نابود می‌شوند. در ضمن، در حالتی که فیدبک‌ها فوق‌العاده قوی باشند، نوسان مدام افزایش خواهد داشت تا جایی که در موج اعوجاج به وجود می‌آید. بنابراین تنظیم اسیلاتور کار دشواری خواهد بود.
با وجود این شرایط، می‌توان دقیقا میزان ولتاژ دلخواه را فیدبک گرفت تا دامنه همواره ثابت بماند. به عنوان مثال، اگر ولتاژ فیدبک بالاتر از میزان دلخواه باشد، می‌توانیم آن را توسط یک تقویت‌کننده بایاس کنترل کنیم تا اگر دامنه نوسان‌ها افزایش یافت، بایاس نیز افزایش بیابد تا بهره تقویت‌کننده کاهش پیدا کند. اگر دامنه نوسان‌ها کاهش پیدا کند، بایاس نیز کاهش پیدا می‌کند و بهره مدار نیز افزایش خواهد داشت که در نتیجه میزان فیدبک نیز افزایش می‌یابد. در این شرایط، دامنه نوسان‌ها با استفاده از فرایندی به نام بایاس بیس اتوماتیک ثابت نگه داشته میشود. یکی از بزرگ ترین مزایای بایاس بیس اتوماتیک در یک اسیلاتور که با ولتاژ کنترل میشود، این است که کارایی اسیلاتور توسط یک بایاس کلاس B یا C بالا خواهد رفت. در این شرایط جریان کلکتور تنها در بخشی از سیکل نوسان عبور خواهد کرد. بنابراین، میانگین جریان کلکتور فوق‌العاده کم است که شرایط بالا اساس کار اسیلاتور هارتلی را تشکیل میدهد.
1) مدار رزونانس اسیلاتور‌هارتلی
در اسیلاتور هارتلی مدار LC بین کلکتور و بیس تقویت‌کننده ترانزیستوری متصل شده و بخش فیدبک شبکه LC از مرکز سیم‌پیچ القایی یا مرکز دو سیم‌پیچ جداگانه که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌‌اند گرفته میشود. این دو سیم‌پیچ با خازن متغیر سری می‌باشد. مدار هارتلی به عنوان اسیلاتور جداگر القایی نیز شناخته میشود چرا که از مرکز سیم‌پیچ‌ها فیدبک گرفته میشود و در عمل می‌توان از یک سیم‌پیچ استفاده کرد که رفتاری همانند دو سیم‌پیچ که فوق‌العاده به یکدیگر نزدیک هستند، دارد و جریانی که از بخش XY عبور می‌کند، یک سیگنال را در بخش YZ سیم‌پیچ دیگری القا می‌کند. یک اسیلاتور هارتلی می‌تواند از هر پیکربندی که از یک سیم‌پیچ ( همانند یک اتوترانسفورماتور) یا یک جفت سیم‌پیچ که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌‌اند و با یک خازن موازی هستند بهره ببرد. به شکل زیر نگاه کنید.
مدار ساده و ابتدایی اسیلاتور هارتلی
2) مدار ساده و ابتدایی اسیلاتور‌هارتلی
هنگامی که مدار شروع به نوسان می‌کند، ولتاژ XY (کلکتور به امیتر) با ولتاژ ZY (بیس به امیتر)، 180 درجه اختلاف فاز دارد. در نوسان‌ساز، امپدانس بار کلکتور مقاومتی می‌باشد و افزایش ولتاژ در بیس سبب کاهش ولتاژ در کلکتور میشود. بنابراین ۱۸۰ درجه شیفت فاز از بیس به کلکتور روی میدهد که اگر شیفت فاز مدار فیدبک را نیز در نظر بگیریم، یکدیگر را خنثی می‌کنند و فاز درست فیدبک برای نوسان حفظ میشود. میزان فیدبک بستگی به موقعیت سیمی دارد که سیم‌پیچ القایی را به دو بخش تقسیم می‌کند. اگر این سیم به کلکتور نزدیک تر باشد، میزان فیدبک افزایش پیدا می‌کند. اما ولتاژ خروجی که از بین کلکتور و زمین گرفته میشود، کاهش پیدا می‌کند. مقاومت‌های R1 و R2 بایاس DC را برای ترانزیستور با ثبات می‌کنند و خازن نیز همانند یک بلاک کننده DC عمل می‌کند. در این مدار جریان DC کلکتور از بخشی از سیم‌پیچ عبور می‌کند و به همین دلیل گفته میشود که مدار به صورت سری تغذیه میشود. فرکانس نوسان اسیلاتور هارتلی به صورت زیر خواهد بود.
در نظر داشته باشید که LT کل ظرفیت القایی سیم پیچ‌های کوپل شده است (اگر در مدار از دو سیم‌پیچ استفاده شده باشد) که شمال ظرفیت القایی متقابل آن‌ها (M) نیز میشود. فرکانس نوسان‌ها می‌تواند توسط تغییر ظرفیت خازنی خازن تغییر کند. در ضمن، اگر موقعیت هسته آهنی درون سیم‌پیچ نیز تغییر کند، باعث تغییر فرکانس خروجی خواهد شد. با این وجود، دامنه اسیلاتور‌هارتلی همواره ثابت باقی خواهد ماند. علاوه بر پیکربندی بالا، می‌توان شبکه LC را به گونه ای دیگر به تقویت‌کننده متصل کرد تا یک اسیلاتور شانت که در شکل زیر نشان داده شده به وجود بیاید.
مدار اسیلاتور هارتلی شانت
3) مدار اسیلاتور‌هارتلی شانت
در این نوع پیکربندی، المان‌های AC و DC جریان کلکتور دارای مسیرهای جداگانه‌ای خواهند بود. از آن جایی که المان‌های DC توسط خازن C2 بلاک شده‌‌اند، هیچ جریان DC از سیم‌پیچ القایی L عبور نمی‌کند و توان کمی‌تلف خواهد شد. سیم‌پیچ RF (RFC) یا (L2) در فرکانس نوسان، راکتانس بالایی خواهد داشت. بنابراین، بخش اعظم جریان RF از خازن C2 عبور می‌کند. می‌توان از یک مقاومت به جای سیم پیج RFC استفاده نمود. اما این روش کارایی مدار را پایین می‌آورد.
مثال 1) اسیلاتور هارتلی
یک مدار اسیلاتور هارتلی دارای 2 سلف که ظرفیت القایی هر کدام 0.5mH می‌باشد است. این دو سیم‌پیچ با یک خازن متغیر موازی شده‌‌اند. ظرفیت این خازن می‌تواند بین 10pf تا 500pf تغییر کند. حال بازه فرکانسی نوسان (پهنای باند اسیلاتور هارتلی را مشخص کنید.) در نهایت فرکانس نوسان به صورت زیر محاسبه میشود:
مدار شامل دو سیم‌پیچ القایی است که با یکدیگر سری شده‌‌اند. بنابراین مجموع ظرفیت القایی به صورت زیر محاسبه میشود:
سقف فرکانس نوسان
کف فرکانس نوسان
پهنای باند اسیلاتور هارتلی
اسیلاتور هارتلی با آپ امپ
علاوه بر استفاده از ترانزیستور BJT به عنوان تقویت‌کننده و بخش اکتیو نوسان‌ساز، می‌توان از یک ترانزیستور FET یا آپ‌امپ نیز استفاده نمود. اسیلاتور هارتلی به همراه آپ‌امپ، شباهت زیادی به نوع ترانزیستوری آن دارد و بازه فرکانسی به صورت مشابه محاسبه میشود. مدار زیر را در نظر بگیرید.
مدار نوسان‌ساز به همراه آپ امپ
4) مدار نوسان‌ساز به همراه آپ‌امپ
یکی از مزایای ساخت اسیلاتور‌هارتلی با آپ‌امپ این است که بهره‌ی آپ‌امپ می‌تواند به راحتی و با استفاده از مقاومت‌های فیدبک R1 و R2 تغییر کند و همانند نوع ترازیستوری اسیلاتور، بهره‌مدار باید برابر یا کمی بزرگ‌تر از نسبت L1/L2 باشد. اگر دو سیم‌پیچ القایی دور هسته ای یکسان پیچیده شده باشند و ظرفیت القایی متقابل (M) وجود داشته باشد، نرخ بهره به صورت (L2+M)/(L1+M) محاسبه میشود.
خلاصه مقاله اسیلاتور هارتلی
به طور خلاصه اسیلاتور هارتلی شامل یک شبکه رزوناتور LC میشود که فیدبک آن از طریق یک جداگر القایی گرفته میشود و مانند اکثر مدارات نوسان گر، این مدار نیز پیکربندی‌های گوناگونی دارد که رایج‌ترین نوع آن مدار ترانزیستوری است که در بالا به آن پرداخته شد. این پیکربندی، دارای یک شبکه LC است که از سیم‌پیچ آن برای فیدبک گرفتن از بخشی از سیگنال خروجی به امیتر ترانزیستور استفاده میشود. از آن جایی که خروجی امیتر همواره با خروجی کلکتور هم فاز است، سیگنال فیدبک مثبت می‌باشد و فرکانس نوسان، توسط فرکانس رزونانس مدار LC مشخص میشود.
در مقاله بعدی به نوسان‌سازی خواهیم پرداخت که پیکربندی اش بر عکس اسیلاتور هارتلی است. به این معنی که به جای دو سلف از دو خازن سری با یکدیگر استفاده میشود که با یک سیم‌پیچ موازی شده‌‌اند و نام این اسیلاتور کولپیتس می‌باشد.
دیدگاه خود را بنویسید