Meissner-krets

Meißner oscillator, patentspesifikasjon

En Meißner oscillator , eller Armstrong oscillator , er en tilbake forsterker med en frekvensbestemmende svingekrets , som tilhører gruppen av sinus oscillatorer . Kretsen er oppkalt etter oppfinneren Alexander Meißner , som patenterte den i 1913.

I Meißner-oscillatoren er resonanskretsen ved utgangen til forsterkerkomponenten. I Edwin Howard Armstrongs Audion- krets er resonanskretsen på inngangen til forsterkerkomponenten.

konstruksjon

Oscillatoren kan implementeres med forskjellige aktive komponenter som en forsterker som en bipolar transistor , felteffekt-transistor eller også ved hjelp av et elektronrør . Den faktiske resonanskrets er dannet av en spole L ₂ og en kondensator C ₂ . I tillegg er en andre vikling L ₁ , som er magnetisk koplet til L ₂ som en transformator, strømmer tilbake spenningen på resonanskretsen med passende fase . I det første krets den bipolare transistoren Q tjener som en forsterker, i det andre krets den felteffekttransistor (JFET) J ₁ .

Meissner-oscillator med bipolar transistor

Kretsskjema over en Meissner-oscillator med en bipolar transistor

For at kretsen skal generere en udempet svingning, må sløyfeforsterkningen være 1 og tilbakemeldingen må være i fase (0 ° eller et annet multiplum på 360 °). Siden Meissner-kretsen er en emitterkrets i kretseksemplet , blir signalet invertert av transistoren . Dette reverseres av transformatoren, siden L ₁ og L ₂ har motsatte viklingsretninger, markert i kretsen av de to svarte prikkene som indikerer begynnelsen av viklingen.

Den første krets som er vist er en emitter-krets med negativ strømtilbakekopling, i hvilken forsterkningen er lik forholdet av oppsamleren motstand (vekselstrøm motstand av resonanskretsen) og emitteren motstanden R ₃ . Siden konvensjonelle LC-parallelle resonanskretser har svært små motstander utenfor resonansfrekvensen, er sløyfeforsterkningen bare større enn en for resonansfrekvensen. Transformasjonsforholdet til transformatoren er valgt slik at sløyfeforsterkningen for resonansmotstanden til LC-kretsen absolutt er større enn en og spenningen ved inngangen ikke overdriver transistoren.

Meissner oscillator med JFET

Meissner oscillator med JFET

I JFET kretsen ifølge fig. ₁ , resonanskretsen består av C- ₁ og viklingen L _{1 av} transformatoren L ₁ L ₂ . C ₁ er ofte en variabel kondensator . JFET J ₁ i portforbindelse har en faseforskyvning på 0 °. Forsterkerinngangen er kilden og forsterkerutgangen er avløpet. Transformatoren produserer ikke noe faseforskyvning. Etter at JFET er slått på, fungerer den i klasse A-modus . Spenningen ved avløpet til JFET er omtrent driftsspenningen . En liten endring i spenningen ved avløpet av JFET på grunn av termisk støy er koblet til kilden via L ₁ -L ₂ og C ₂ . Denne lille endringen i inngangen forsterkes. Amplituden til vekselspenningen på resonanskretsen øker til spenningen på avløpet svinger omtrent mellom spenningen på kilden og to ganger driftsspenningen. JFET jobber nå i klasse C-modus . Under en liten strømningsvinkel på tidspunktet for minimum avløpsspenning, opererer JFET i det lineære området (ohmisk område). Hvor lenge JFET holder seg i det lineære området bestemmes av R ₁ . Slik at det sinusformede utgangssignalet inneholder få harmoniske , bør forsterkeren bare kompensere for tapene i resonanskretsen og utstrømningen til R _L. På grunn av komponenttoleranser, er det ofte nødvendig å gjøre R _en justerbar for å oppnå begge målene, pålitelig oscillasjon og lave harmoniske.

Transformatoren L ₁ L ₂ har et omsetningsforholdet av impedansene til 10: 1. Som et resultat har lastmotstanden R _L bare en liten dempende effekt på resonanskretsen L ₁ -C ₁ . Lastmotstanden R _L tilhører ikke lenger oscillatoren, men simulerer belastningen på oscillatoren gjennom de følgende trinnene. Verdiene for lastmotstand og kvalitetsfaktor er viktige for dimensjonering eller kretssimulering . Den HF drossel L ₃ hindrer den høyfrekvente strømmen fra å strømme bort fra L ₂ via C- ₂ og R- ₁ . Motstanden R _S symboliserer kvalitetsfaktoren til den ubelastede resonanskretsen. Resultatet vil være en kvalitetsfaktor på Q = 100 (karakteristisk motstand er 190 Ohm), men dette oppnås ikke i kretsen. Ved 30 MHz kan transformatoren implementeres med en toroidal kjerne laget av jernpulver. Den RC-ledd R ₂ -C ₃ decouples oscillatoren fra andre sammenstillinger. Kondensatoren C ₃ kortslutt forsyningsspenningen når det gjelder høyfrekvens (blokkeringskondensator) og forhindrer derved blant annet forplantning av høyfrekvensen på strømforsyningsledningen.

Utgangsfrekvensen beregnes i henhold til Thomsons svingningsligning :

${\ displaystyle f_ {O} = {\ frac {1} {2 \ pi \ cdot {\ sqrt {L_ {1} \ cdot C_ {1}}}}}$

Dimensjonerende

Hvis Meißner-oscillatorer er dimensjonert ugunstig når det gjelder L / C-forhold, driftspunkt eller oversettelse, kan de svinge, men svingningen avviker merkbart fra den sinusformede formen. Vanligvis er den totale forsterkningen til oscillatoren litt større enn 1 når den slås på og reduseres automatisk til nøyaktig 1 under drift på grunn av begrensning, driftspunktforskyvning eller amplitudeavhengig forsterkning (forbigående prosess). For amplitudebegrensningen bruker FET egenskapen at spenningsforsterkningen avhenger av portens spenning. Med LC-resonanskretser kan ikke forholdet fra til velges vilkårlig hvis en høy kvalitet skal oppnås. Den såkalte karakteristiske impedansen eller karakteristiske motstanden til resonanskretsen skyldes resonansfrekvensen og induktansen eller kapasitansen via den komplekse motstanden. De skal bare være så høye at kretsen ikke demper resonanskretsen for mye. ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle C}$

Beregningseksempel

Beregningen refererer til bildet med den bipolare transistoren.

En typisk småsignaltransistor har en likestrømforsterkning B på omtrent B = 100 og en basissenderspenning U _BE = 0,65 V.

Videre la jeg _C = 2 mA (samlerstrøm ved driftspunktet) og U _B = 15 V (forsyningsspenning til kretsen)

Spenningsfallet ved R ₃ bør være en V, slik at:

${\ displaystyle R_ {3} = {\ frac {1 \, \ mathrm {V}} {I_ {C}}} = {\ frac {1 \, \ mathrm {V}} {2 \, \ mathrm {mA }}} = 500 \, \ Omega}$

Så den spenningsdeler av R ₁ og R ₂ har for å tilføre denne en V pluss basis emitter-spenning på ca. 650 mV. Spenningsdeleren er belastet av basisstrømmen I _B = I _C / B = 2 mA / 100 = 20 µA; tar man ti ganger kryssstrømmen på 0,2 mA, så kan man forsømme basisstrømmen og få:

${\ displaystyle R_ {2} = {\ frac {1 \, \ mathrm {V} +0 {,} 65 \, \ mathrm {V}} {0 {,} 2 \ mathrm {mA}}} = 8 { ,} 2 \, \ mathrm {k \ Omega}}$

${\ displaystyle R_ {1} = {\ frac {15 \, \ mathrm {V} - (1 \, \ mathrm {V} +0 {,} 65 \, \ mathrm {V})} {0 {,} 2 \, \ mathrm {mA}}} = 67 \, \ mathrm {k} \ Omega}$

Spolen L ₁ har en induktans på 22 mH og en kondensator C ₂ er 33 nF. Dette resulterer i en resonansfrekvens på:

${\ displaystyle f_ {O} = {\ frac {1} {2 \ pi \ cdot {\ sqrt {22 \, \ mathrm {mH} \ cdot 33 \, \ mathrm {nF}}}}} = 5 {, } 9 \, \ mathrm {kHz}}$

For ikke å overdrive transistoren Q og generere et godt sinusformet signal, må tilbakemeldingsspenningen ikke være vesentlig større enn 1,5 V _pp (topp-til-topp-spenning). Spenningen ved resonanskretsen er rundt 28 V _pp . Dette resulterer i en reduksjon på 1:18 og en forsterkning på v = 18 for kretsen , for hvilken kollektormotstanden må være minst 9 kΩ (inkludert utgangsmotstanden til transistoren på rundt 100 kΩ).

Forutsatt at kvalitetsfaktoren g  = 50, er motstanden til LC-kretsen resonansfrekvensen

${\ displaystyle R_ {LC} = g \ cdot {\ sqrt {\ frac {L} {C}}} = 50 \ cdot {\ sqrt {\ frac {22 \, \ mathrm {mH}} {33 \, \ mathrm {nF}}}} 41, \ mathrm {k} \ Omega}$

Det virker tilstrekkelig og tilsvarer en ohmsk spolemotstand på 16 Ω.

Koblingskondensatorene C ₁ og C ₃ lar bare vekselspenningen passere og endrer ikke transistorens driftspunkt. C ₁ arbeider på inngangsmotstand emitterkretsen (ca. R ₂ ). C ₃ og inngangsmotstanden til følgende trinn laster eller avskyr resonanskretsen. En frakobling ved R ₃ som er åpenbart i denne forbindelse , men gir sjelden et godt sinusformet signal.

Søknadseksempler

Meißner-kretsen brukes sjelden fordi transformatoren representerer en betydelig innsats; den Hartley og Colpitts-krets , og i visse sammenhenger også den Clapp kretsen, er mest foretrukket, særlig når bare en transistor skal benyttes. Ytterligere oscillatorkretser er mulig med flere transistorer .
Bruken av Meissner-kretsen som FuG 23- sporingssender for Fieseler Fi 103 ("V1") cruisemissil som ble brukt av Luftwaffe i andre verdenskrig er bemerkelsesverdig .

En utbredt anvendelse av Meissner-kretsen var rett fram radiomottakere kalt tilbakemeldingshør som f.eks. B. folkets mottakere . Her brukes ikke den positive tilbakemeldingen for å generere vibrasjoner, men for å forsterke inngangssignalet, dvs. for å forbedre radiomottaket.

litteratur

• H. Barkhausen : Lærebok om elektronrør og deres tekniske applikasjoner. Volum 3: tilbakemelding . Hirzel, Leipzig 1951.
• Andrei Grebennikov: RF- og mikrobølgetransistoroscillatordesign. Wiley, Chichester et al. 2007, ISBN 978-0-470-02535-2 .
• Günter Kurz, Wolfgang Mathis : Oscillatorer. Kretsteknologi, analyse, egenskaper . Hüthig, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2251-5 .
• U. Tietze, Ch. Schenk: Semiconductor circuit technology. 12. utgave. Springer, Berlin et al. 2002, ISBN 3-540-42849-6 .
• O. Zinke, H. Brunswig: Høyfrekvent teknologi . 2: Elektronikk og signalbehandling. 5. reviderte utgave. Springer, Berlin et al. 1999, ISBN 3-540-64728-7 , ( Springer lærebok ).

Individuelle bevis

1. ↑ Patent DE291604 : Enhet for å generere elektriske vibrasjoner. Registrert 13. april 1913 , oppfinner: Alexander Meissner ( Online @ DepatisNet ). ‌
2. ↑ Patent US1113149 : Trådløst mottakssystem. Registrert 29. oktober 1913 , oppfinner: EH Armstrong. ‌
3. ^ Wes Hayward: Radiofrekvensdesign . ARRL, 1994, ISBN 0-87259-492-0 , kapittel 7.3 Ytterligere LC-oscillatoremner, s. 283 . 
4. ^ Paul Falstad: Circuit Simulator Applet. Hentet 8. juli 2016 .