ハートレー発振器

簡単に言えば、発振器は、DC電力を供給源からAC電力、そして負荷に変換する回路です。発振器システムは、アクティブコンポーネントとパッシブコンポーネントの両方を使用して構築されており、外部入力信号を適用せずに、出力で正弦波またはその他の反復波形を生成するために使用されます。以前のチュートリアルでは、いくつかのオシレーターについて説明しました。

• コルピッツ発振器
• RC位相シフト発振器
• ウィーンブリッジ発振器
• クォーツ水晶発振器
• 位相シフト発振器回路
• 電圧制御発振器（VCO）

あらゆる種類のラジオTV送信機または受信機、あるいは実験室の試験装置には発振器があります。これは、クロック信号を生成するための主要成分です。単純な発振器アプリケーションは、時計などの非常に一般的なデバイスの内部に見られます。時計は発振器を使用して1Hzのクロック信号を生成します。

発振器は、出力波形に応じて正弦波発振器または緩和発振器に分類されます。発振器が出力全体に一定の周波数を持つ正弦波を生成する場合、その発振器は正弦波発振器と呼ばれます。弛張発振器は、方形波や三角波などの非正弦波、または同様の種類の波を出力全体に提供します。

出力信号に基づく発振器の分類の他に、発振器は負性抵抗発振器、フィードバック発振器などの回路構造を使用して分類できます。

ハートレー発振回路は、アメリカのエンジニアラルフ・ハートレーによって1915年に考案されたLCタイプ（インダクタ-コンデンサ）フィードバック発振器の一つです。このチュートリアルでは、ハートレー発振器の構築と応用について説明します。

タンク回路

ハートレー発振器はLC発振器です。LC発振器は、必要な発振を生成するために不可欠な部分であるタンク回路で構成されています。タンク回路は、3つのコンポーネント、2つのインダクタ、およびコンデンサを使用しています。コンデンサは2つの直列インダクタと並列に接続されています。以下はハーレーオシレーターの回路図です。

インダクタとコンデンサの組み合わせがタンク回路と呼ばれるのはなぜですか？LC回路は発振周波数を保存しているからです。タンク回路では、コンデンサと2つの直列インダクタが互いに繰り返し充電および放電され、発振を引き起こします。充電と放電のタイミング、つまりコンデンサとインダクタの値が発振周波数の主な決定要因です。

トランジスタベース

上の画像では、アクティブコンポーネントがPNPトランジスタである実際のハートレー発振回路が示されています。この回路では、出力電圧はコレクタに接続されているタンク回路の両端に現れます。ただし、フィードバック電圧は出力電圧の一部でもあり、V1として示され、インダクタL1の両端に現れます。

周波数は、キャパシタとインダクタの値の比に正比例します。

ハートレー発振器回路の動作

ハートレー発振器のアクティブコンポーネントはトランジスタです。特性のアクティブ領域のDC動作点は、抵抗R1、R2、RE、およびコレクタ電源電圧VCCによって制御されます。コンデンサCBはブロッキングコンデンサで、CEはイースターバイパスコンデンサです。

トランジスタは、共通エミッタ構成で構成される。この構成では、トランジスタの入力電圧と出力電圧に180度の位相シフトがあります。この回路では、出力電圧V1とフィードバック電圧V2に180度の位相シフトがあります。これら2つを組み合わせることにより、振動に不可欠な合計360度の位相シフトが得られます（Barkhausen基準と呼ばれます）。

外部信号を印加せずに回路内で発振を開始するためのもう1つの重要なことは、回路内にノイズ電圧を生成することです。電源を入れると、広いノイズスペクトルでノイズ電圧が発生し、発振器に必要な周波数成分の電圧成分があります。

回路のAC動作は、大きな抵抗値の場合、抵抗R1とR2の影響を受けません。これらの2つの抵抗は、トランジスタのバイアスに使用されます。アースとCEは回路全体のイミュニティに使用されており、これら2つの抵抗とコンデンサはエミッタ抵抗とエミッタコンデンサとして使用されています。

AC動作は、タンク回路の共振周波数に大きく影響されます。発振周波数は、以下の式で求めることができます。

F = 1 /2π√L _T C

タンク回路の総インダクタンスはLであり、_T = L ₁ + L ₂

オペアンプベースのハートレー発振器

上の画像では、コンデンサC1がL1およびL2と直列に並列に接続されているオペアンプベースのハートレー発振器が示されています。

オペアンプは反転構成で接続されており、抵抗R1とR2がフィードバック抵抗です。アンプの電圧利得は、以下の式で求めることができます–

A =-（R2 / R1）

フィードバック電圧と出力電圧は、上記のオペアンプベースのハートレー発振器回路にも示されています。

発振周波数は、トランジスタベースのハートレー発振器セクションで使用されているのと同じ式を使用して計算できます。

ハートレー発振器は通常、RF範囲で発振します。周波数は、インダクタまたはコンデンサ、あるいはその両方の値を変更することで変更できます。可変コンポーネントの選択では、インダクタよりもコンデンサを簡単に変更できるため、インダクタの上にコンデンサを選択します。振動の周波数は3：1の比率で変更でき、スムーズな変化が得られます。

ハートレー発振器の例

60〜120 KHzの可変周波数のハートレー発振器がトリマコンデンサ（100 pF〜400 pF）で構成されているとします。タンク回路には2つのインダクタがあり、1つのインダクタの値は39uHです。したがって、他のインダクタの値を見つけるには、次の手順に従います。

ハートレー発振器の周波数は-

F = 1 /2π√L _T C

周波数が1：2の比率である60〜120kHzの間で変化するこの状況では。静電容量は1：4の比率である100pF：400 pFの比率で変化するため、周波数の変化は1対のコイルによって取得できます。

したがって、周波数Fが60 kHzの場合、静電容量は400pFになります。

さて、

したがって、総静電容量は17.6 mHであり、他のインダクタの値は

17.6 mH – 0.039 mH = 17.56 mH

ハートレーオシレーターとコルピッツオシレーターの違い

コルピッツ発振器はハートレー発振器と非常に似ていますが、これら2つの間の構造に違いがあります。ハートレー発振器とコルピッツ発振器はどちらもタンク回路に3つのコンポーネントがありますが、コルピッツ発振器は直列の2つのコンデンサと並列に単一のインダクタを使用しますが、ハートレー発振器はまったく反対の、直列の2つのインダクタと並列に1つの単一のコンデンサを使用します。

ハートレー発振器の長所と短所

利点：

1.出力振幅は可変周波数範囲に比例せず、振幅はほぼ一定のままです。

2.周波数は、タンク回路の固定コンデンサの代わりにトリマーを使用して簡単に制御できます。

3.安定したRF周波数生成により、RF範囲のアプリケーションに最適です。

短所

1.ハートレー発振器は歪んだ正弦波を提供し、純粋な正弦波関連の操作には適していません。この欠点の主な理由は、出力全体に誘導される高調波の量が多いことです。

2.低周波ではインダクタ値が大きくなります。

ハートレー発振器回路は、主に無線送信機や受信機などのさまざまなデバイスで正弦波を生成するために使用されます。