11 pravidel pro konstrukci přesných

vysokofrekvenčních oscilátorů s laděnými LC obvody

Ve všech příručkách se uvádějí tato konstrukční pravidla pro dosažení nejlepší stálosti kmitočtu a nejmenšího zkreslení, ale ne všude je srozumitelně vysvětlují. Uvedu, co konkrétně pravidla znamenají.
 

1. Činitel jakosti rezonančního obvodu má být co nejvyšší.

Čím vyšší je Q, tím užší je propustné pásmo a strmější fázová charakteristika. Oscilátor, jehož kmitočtově závislý obvod má velkou šířku propustného pásma, (např. mírně nadkriticky vázaná dvouobvodová propust) je schopen kmitat na libovolném kmitočtu, ležícím v propustném pásmu, a i slabý vnější vliv tento kmitočet změní. Oscilátor s širokopásmovou zp. vazbou lze snadno zasynchronizovat přivedením i nevelkého (rušivého) napětí o libovolném kmitočtu, ležícím v propustném pásmu. Rezonanční kmitočet obvodů s malým Q je trochu ovlivňován i velikostí ztrátového odporu, nejen indukčností a kapacitou. Oscilátor s jakostním laděným obvodem je schopen kmitat jen ve velmi úzkém rozsahu kmitočtů okolo rezonanční frekvence a ztrátový odpor téměř nemá vliv na kmitočet, takže  oscilátor není tolik rozlaďován rušivými vlivy a napětími indukovanými z okolí. Nízké Q okolo 25 již zhoršuje stabilitu, Q=100 je dobré. Dobrý činitel jakosti mají na KV velké jednovrstvé vzduchové cívky z tlustého drátu, vinuté s mezerami mezi závity na keramiku. Vzduchová cívka má nejvyšší jakost, když se délka cívky přibližně rovná 40% průměru cívky a mezery mezi závity jsou stejné jako tloušťka drátu, jak je popsáno v článku Optimální rozměry jednovrstvých cívek.
Použijeme-li feritové dolaďovací jádro, druh feritu musí odpovídat pracovnímu kmitočtu. Stínicí kryt na vzduchové cívce nebo na cívce s malým dolaďovacím feritovým jadérkem by měl být alespoň 3x širší, než je průměr cívky. Malé mnohovrstvé cívečky z tenkého drátku mají nízké Q. Na SV a DV jsou dobré divoce vinuté cívky z vf lanka na kostře s více sekcemi na hrníčkovém feritovém jádru s mezerou ve středním sloupku. Pro pásmo SV jsou vhodné i vícevrstvé křížově vinuté vzduchové cívky z  vf lanka s dolaďovacím jadérkem. Izolace drátu na vf cívky je lepší hedvábná než smaltová. Smalt má velký tg delta a mezizávitová kapacita cívky s velkými ztrátami tak snižuje jakost obvodu.
Kondenzátory v laděném okruhu musí mít malé ztráty a dobrou stabilitu. Hodí se kondenzátory z vysokofrekvenční keramiky či slídy, pro pásmo SV a DV se dají použít i polystyrenové. Ladicí kondenzátor je nejlepší vzduchový.
 

2. Vazba aktivního prvku (elektronky, tranzistoru nebo IO) s laděným obvodem by měla být co nejvolnější.

Vstup i výstup zesilovacího prvku připojujeme na co nejnižší odbočky cívky nebo kapacitního děliče, vazební vinutí má mít co nejnižší počet závitů. To je důležité jednak proto, aby vstupní a výstupní kapacity aktivního prvku, které jsou vždy nestálé, co nejméně rozlaďovaly obvod, za druhé proto, aby vstupní a výstupní odpor akt. prvku co nejméně tlumil laděný obvod. Za třetí vstupní a výstupní odpor i kapacita jsou nelineární a způsobují zkreslení sinusového průběhu napětí. Zvláště nelinearita plně otevřeného bipolárního tranzistoru způsobuje velké zkreslení, u lamp a FET tranzistorů to není tak závažné. Viz pravidlo č. 4. Ve snižování počtu vazebních závitů jsme omezeni jen tím, že zesílení smyčky musí být větší než 1. Potřebné polohy odboček na cívkách nebo poměry kapacit v kondenzátorových děličích lze spočíst podle vzorců, uvedených v Příručce pro navrhování el. obvodů, str 308-312.
V oscilátoru pro KV pásma doporučuji kolektor vázat na 1/3 počtu závitů nebo níže, bázi na 1/10 nebo méně. Na SV a DV váži kolektor na 1/10 vinutí a bázi asi na 1/30.
 

3. Nadbytek zesílení ve zpětnovazební smyčce má být co nejmenší

Zesílení celé smyčky kladné zp. vazby má být jen o málo větší než 1.Tím se předejde přebuzení zesilovacího prvku, a z toho plynoucího nelineárního zkreslení, rozlaďování a tlumení laděného obvodu - viz bod 5. Při příliš velkém zesílení také dochází snáze k pravidelnému kolísání amplitudy vlivem parazitních kmitů na nízké frekvenci.
 

4. Zesilovací prvek nesmí posouvat fázi

Zesilovací prvek spolu s obvody kladné zpětné vazby (tj. vše v oscilátoru kromě laděného obvodu) při pracovním kmitočtu nesmí posouvat fázi. Tranzistor v zapojeni SE obrací fázi o 180°, ale vazební vinutí báze je zapojeno opačně, než kolektorové, takže celek má posuv 0 stupňů. Laděný obvod má při rezonanci nulový fázový posuv. Pokud zesilovač posouvá fázi, laděný obvod bude kmitat mimo rezonanční kmitočet na frekvenci, při které posouvá fázi tak, aby se fázový posuv zesilovače vyrovnal. Podmínkou vzniku a udržení kmitů je nulový fázový posuv celé soustavy laděného obvodu s zesilovačem při zisku větším než 1. Pokud laděný obvod pracuje na boku rezonanční křivky, je více ovlivňován rušivými vlivy, neboť ho rozlaďuje nejen kolísání indukčnosti a kapacity, ale i kolísání jakosti obvodu. To se stává nejvíce u oscilátorů na vkv a vyšších pásmech. Jestliže tranzistor pracuje blízko mezního kmitočtu, proud na výstupu se zpožduje. Raději volíme tranzistor s  mezním kmitočtem několikrát vyšším, než je nejvyšší pracovní frekvence. Nemáme-li takový, posuv vyrovnáme vhodným vazebním obvodem, kerý fázi vyrovná.
 

5. Aktivní prvek má pracovat v lineárním režimu.

tj. ve třídě A, jinak se zvyšuje zkreslení výstupního signálu a zhoršuje stabilita kmitočtu. Přípustný režim je ještě třída AB, kdy se tranzistor či lampa v záporné půlvlně zcela zavře dříve, než kmit dosáhne záporného vrcholu. Rozhodně nelze přesný řídicí nebo měřicí oscilátor provozovat ve třídě C. Ve Smireninově Radiotechnické příručce píší, že oscilátory se obvykle navrhují jako zesilovače třídy C, což je omyl. Ve třídě C se provozuje výkonový oscilátor, který napájí vysokofrekvenční indukční pec, nikoliv oscilátor do měřícího přístroje nebo komunikačního přijímače.
Nejvíce vadí, když se tranzistor v kladném vrcholu zcela otevírá a laděný obvod ve špičce zkratuje na napájecí zdroj. To, že se v záporné půlvlně zcela zavírá, tolik nevadí. Měkké omezení zpětnovazebního signálu usměrněním na bázi, hradle či mřížce tolik nevadí, pokud se tím zároveň zmenšuje kladné či zvětšuje záporné stejnosměrné předpětí, a aktivní prvek se tak zavírá. U elektronkových a JFETových oscilátorů by amplituda měla být omezena usměrněním o mřížku mnohem dříve, než dojde k saturaci na anodě či drainu. Při malém přebytku zesílení se amplituda ustálí na hodnotě, kdy je signál slabě omezován usměrněním v mřížkovém nebo bázovém obvodu (což tolik nevadí), zatímco při velkém přebytku zesílení se napětí omezí saturací kolektoru či anody (to je chyba).
Pokud se oscilátor přelaďuje v širokých mezích a při ladění se silně mění zisk smyčky, nebo když žádáme mimořádnou kvalitu signálu na jedné frekvenci, je vhodné zavést zpětnovazební regulaci amplitudy. Vhodná zapojení oscilátoru s jednoducou regulací amplitudy jsou popsána v článku Laditelný oscilátor se stálou amplitudou. Složitější zapojení regulátoru amplitudy kmitů je v mém Vysokofrekvenčním generátoru pro AM pásma.
 

6. Stabilizujeme pracovní bod oscilátoru.

Změny pracovního bodu, způsobené změnou napájecího napětí, mění parazitní kapacity aktivního prvku a tím rozlaďují obvod. U pentodového oscilátoru se obvykle stabilizuje především napětí 2. mřížky, která odděluje vstupní část od výstupní a silně ovlivňuje anodový proud. Změny anodového napětí mají nepatrný vliv na vlastnosti pentody, takže se anodové napětí obvykle nestabilizuje. Proud druhé mřížky je také menší než anodový, takže stačí slabší stabilizátor. Tranzistorové oscilátory napájíme ze stabilizátoru napětí a jejich pracovní bod stabilizujeme můstkovým zapojením, pokud ovšem nechceme pracovní bod řídit regulátorem amplitudy, udržujícím stálou velikost kmitů. V jednoduchých oscilátorech kapesních přijímačů se někdy stabilizuje jen předpětí báze pomocí několika sériově spojených diod. Nikdy nemodulujeme přesný oscilátor změnou pracovního bodu nf napětím. Získali bychom tak zkreslenou amplitudovou modulaci zároveň se zkreslenou frekvenční modulací výstupního napětí. Obvykle pořebujeme jen jedn druh modulace a jiný je nežádoucí. AM získáme v samostatném modulátoru, zapojeném za oddělovačem. Žádáme-li kmitočtovou modulaci, použijeme v laděném okruhu oscilátoru varikap nebo reaktanční obvod s tranzistorem či lampou.
 

7. Celý oscilátor uděláme mechanicky co nejpevnější.

Mění-li se vzájemná poloha spojů a součástek vlivem otřesů, mění se parazitní kapacity a indukčnosti a tím se oscilátor rozlaďuje. Součástky sázíme do plošných spojů nakrátko, aby byly přitisknuty bříškem k desce a za vývody k ní přitaženy. Kde to není možné, použijeme distanční podložky a příchytky. Plošný spoj důkladně přišroubujeme k šasi ve všech čtyřech rozích (velký spoj i na více místech), nebo ho po obvodu připájíme k stínění. Drátové spoje provádíme raději tlustšími tuhými dráty. Tenké drátky od cívek a jiné měkké a poddajné části obvodu přilepíme parafinem nebo pečetním voskem k podkladu. Nepoužíváme pevných lepidel, oscilátor by pak nešel opravit.
Cívky impregnujeme lakem na ochranu vf obvodů nebo voskem, aby se mechanicky zpevnily a byly chráněny před vzdušnou vlhkostí, která by způsobila kolísání jakosti.
 

8. Celý oscilátor uzavřeme do stínicí kovové krabičky,

aby nebyl rozlaďován blízkými předměty, např. přiblížením ruky, a nepřijímal ani nevyzařoval rušivá napětí. Je vhodné navíc krytem stínit cívku od ostatních součástek oscilátoru. V pásmu SV a DV se osvědčila hrnečková feritová jádra s mezerou, která mají velmi malé vnější rozptylové magnetické pole.
Kvalita stínění závisí na způsobu použití. Oscilátor v rádiu nebo televizoru dáme do jednoduché krabičky z tenkého pocínovaného plechu, přesný měřicí vysílač by měl mít dvojité stínění s tlustými stěnami. Spoje by měly být v celé šíři dobře spájené nebo svařené, nejlepší je ovšem odlitek. Skříňka, která je dokonale těsná pro vf proud, je i vodotěsná. Viz Smireninova příručka a Horákova Elektronická měření.
 

9. Oscilátor nevystavujeme velkým teplotním změnám.

Indukčnost cívky i kapacita kondenzátoru v laděném okruhu jsou teplotně závislé. Pokud oscilátor tepelně nevykompenzujeme, změny teploty ho budou rozlaďovat. Kompenzace je možná jen oscilátorů pevných nebo laděných v úzkém rozsahu. Provádíme ji tak, že kapacitu v ladicím okruhu poskládáme z kondenzátorů s takovým záporným teplotním součinitelem, aby výsledný záporný teplotní součinitel kapacity vyrovnal kladný teplotní součinitel indukčnosti. Někdy se používá diferenciální kapacitní trimr se dvěma pevnými kondenzátory, z nichž každý má jiný teplotní součinitel kapacity.
V přístroji oscilátor umístíme co nejdále od výkonových prvků, které jsou zdrojem tepla. V některých přístrojích se osvědčilo oscilátor (který musí mít nepatrný příkon) včetně plechové stínicí krabičky umístit do tepelně izolující skříňky z pěnového polystyrenu. V nejnáročnějších aplikacích použijeme krystalový oscilátor a dáme ho do termostatu.
 

10. Nepoužité cívky se zkratují

Máme-li přelaďovaný oscilátor pro více rozsahů s přepínanými cívkami, přepínač zapojíme tak, aby nepoužité cívky zkratoval nebo zatlumil malým odporem. Odpojená cívka se svojí parazitní mezizávitovou kapacitou a dolaďovacím trimrem tvoří rezonanční okruh, laděný výše, než je pracovní pásmo cívky. Pracuje-li oscilátor na vyšším rozsahu, při naladění na kmitočet vlastní rezonance cívky nižšího rozsahu tato cívka odsává energii z cívky vyššího rozsahu. To se projeví výrazným poklesem a kolísáním amplitudy kmitů, nebo dokonce výpadkem oscilací na této frekvenci. Zkratováním nebo zatlumením cívky pro nižší rozsah, když se tato nepoužívá, tomuto škodlivému jevu zabráníme.
 

11. Oddělení výstupu

Výstup připojujeme na vinutí s malým počtem závitů nebo na nízkou odbočku kapacitního děliče a za oscilátor zapojujeme oddělovací zesilovač s velkým vstupním odporem, malým zkreslením a který by měl mít malý zpětný přenos. Vhodný je tranzistor v zapojení se společným emitorem se zápornou zpětnou vazbou neblokovaným emitorovým odporem. Při velkých požadavcích na oddělení lze za něj ještě dát tranzistor v zapojení SB a vytvořit tak kaskódový zesilovač.

Doporučená literatura :

[1] L. Křišťan, V. Vachala: Příručka pro navrhování elektronických obvodů, Praha, SNTL 1982.
[2] B.A. Smirenin a kol. : Radiotechnická příručka, Praha, SNTL 1955.

Zpět na domovskou stránku Petra Jeníčka
 Stránku vytvořil Ing. Petr Jeníček, případné dotazy posílejte na adresu pjenicek@seznam.cz Stránka byla naposledy aktualizována 8.12.2009 .