Oscillatore di Hartley

In questo articolo parleremo dell’oscillatore di Hartley. Doverosamente ricordiamo che un oscillatore è un circuito elettronico che genera forme d’onda di frequenza, forma e ampiezza di varie tipologie senza aver bisogno di un segnale di ingresso.

Gli oscillatori elettronici

Gli oscillatori sono impiegati in tantissime applicazioni come:

• temporizzazione dei circuiti
• generazione di frequenze portanti per le telecomunicazioni
• strumenti di misura e test
• strumentazione del settore elettromedicale

Si definiscono oscillatori armonici quei circuiti elettronici in grado di generare un segnale a andamento sinusoidale. In sostanza, essi sono costituiti da un amplificatore la cui uscita viene riportata all’ingresso tramite una retroazione positiva, realizzata attraverso un filtro passa-banda.

Funzionamento e tipologie di oscillatori

Quando il circuito oscillatore viene alimentato, si verificano i seguenti fenomeni:

• l’amplificatore genera inevitabilmente del rumore in uscita;

• il circuito di retroazione riporta all’ingresso le componenti di rumore comprese nella banda di frequenza del filtro passa-banda, che vengono quindi amplificate;

• il processo si ripete fino al raggiungimento del regime di funzionamento stabile.

Gli oscillatori sinusoidali possono essere suddivisi in tre principali categorie, in base alle caratteristiche elettroniche dei rispettivi schemi circuitali:

• Oscillatori RC: utilizzano esclusivamente resistori e condensatori, oltre al componente attivo rappresentato dall’amplificatore. Tra i più noti si ricordano l’oscillatore a ponte di Wien, l’oscillatore a sfasamento, l’oscillatore a doppio T e l’oscillatore in quadratura.

• Oscillatori LC: impiegano resistori, induttori e condensatori insieme alla sezione amplificatrice. I circuiti RLC garantiscono oscillazioni più stabili e richiedono necessariamente l’uso di componenti elettronici aggiuntivi. Tra questi rientrano gli oscillatori di Hartley, di Meissner e di Colpitts, che verrà analizzato in dettaglio.

• Oscillatori al quarzo: sostituiscono il circuito LC con un cristallo di quarzo piezoelettrico. Grazie alle proprietà piezoelettriche del quarzo, questi oscillatori offrono un’elevata stabilità in frequenza e mantengono prestazioni costanti su un ampio intervallo di temperature. Uno dei più diffusi è l’oscillatore di Pierce.

L’oscillatore Hartley

L’oscillatore di Hartley è un circuito particolarmente adatto alla generazione di segnali sinusoidali di buona qualità nella banda RF, compresa approssimativamente tra 30 kHz e 30 MHz. Tuttavia, alle frequenze più elevate di questo intervallo, e oltre, si preferisce generalmente l’oscillatore Colpitts. L’oscillatore di Colpitts usa un partitore capacitivo, rendendolo più stabile e adatto alle alte frequenze rispetto alla bobina con presa centrale di Hartley. Sebbene entrambe le tipologie facciano uso di un circuito sintonizzato LC (detto circuito serbatoio) per determinare la frequenza di oscillazione, l’oscillatore di Hartley si distingue per la presenza di due induttori, indicati come L1 e L2.

Frequenza di oscillazione

• Reattanza induttiva: Xl = ωL o anche Xl = 2πf x L
• Reattanza capacitiva: Xc = 1/ωC o anche Xc = 1/2πf x C

dove L = L1+L2

Questa formula di base risulta valida quando l’induttanza mutua tra L1 e L2 può essere considerata trascurabile; al contrario, nel caso in cui tale induttanza sia significativa, la relazione deve essere opportunamente modificata.

Induttanza mutua nel caso reale analizzato

Nei circuiti che impiegano due piccoli induttori fissi, come quelli descritti in questo oscillatore, l’induttanza mutua risulta generalmente molto ridotta. Le prove sperimentali mostrano infatti che gli induttori devono essere quasi a contatto per produrre un effetto apprezzabile. Anche nel caso in cui l’induttanza mutua tra induttori di pochi microhenry si sommi o si sottragga al valore teorico della frequenza di oscillazione di un oscillatore RF di Hartley, la variazione ottenuta è solitamente paragonabile a quella dovuta alle tolleranze dei componenti impiegati nel circuito. Negli oscillatori di Hartley reali che utilizzano induttori avvolti su un nucleo comune, l’effetto della mutua induzione può invece diventare molto più rilevante. In questi casi esso dipende dal coefficiente di accoppiamento (k), il cui valore varia tra 0 e 1: k è prossimo a 1 quando l’accoppiamento magnetico è quasi totale, mentre assume valore nullo in assenza di accoppiamento tra i due induttori.

Il calcolo teorico del coefficiente k risulta piuttosto complesso, poiché l’accoppiamento reciproco è influenzato da numerosi fattori. Nella pratica, ci si limita spesso a stabilire se l’accoppiamento è debole o forte. Quando meno della metà del flusso magnetico generato da una bobina influenza l’altra, si assume che k sia inferiore a 0,5 e gli induttori vengono definiti debolmente accoppiati. Al contrario, se gli induttori condividono lo stesso nucleo senza spaziatura tra le avvolgimenti, essi sono considerati strettamente accoppiati e si presume che k assuma un valore compreso tra 0,5 e 1. Nella pratica, il nucleo comune di un induttore con presa utilizzato negli oscillatori RF è spesso regolabile. Questa soluzione consente di compensare eventuali variazioni di frequenza dovute all’induttanza mutua, intervenendo sulla posizione del nucleo e correggendo così con precisione la frequenza di oscillazione.

Il circuito LC

Il circuito LC che determina la frequenza di oscillazione è comunemente chiamato circuito serbatoio, poiché al suo interno circolano correnti molto più elevate rispetto a quelle che lo alimentano. Infatti in questa porzione di circuito circolano gli impulsi di corrente del collettore dell’amplificatore. Il suo principio di funzionamento è paragonabile a quello di un serbatoio, capace di fornire un flusso continuo anche quando l’alimentazione esterna è intermittente. Allo stesso modo, nel circuito del serbatoio dell’oscillatore circolano correnti elevate che vengono periodicamente reintegrate da piccole quantità di corrente provenienti dall’amplificatore.

Poiché la maggior parte della corrente dell’oscillatore circola all’interno del circuito di risonanza anziché attraversare la sezione amplificatrice, gli oscillatori LC sono in grado di:

• generare un’onda sinusoidale con una distorsione molto ridotta
• fornire la corretta quantità di feedback positivo necessaria a sostenere l’oscillazione.

Ciò si ottiene suddividendo il ramo induttivo in due sezioni con valori diversi: l’induttore si comporta quindi come un autotrasformatore, e il rapporto tra le due sezioni determina l’ampiezza del segnale di ritorno applicato all’ingresso dell’amplificatore.

La parte superiore di L1 è collegata a +Vcc ma, dal punto di vista dei segnali in corrente alternata, risulta connessa a massa tramite l’impedenza molto bassa del condensatore C5. Di conseguenza, la forma d’onda X su L1 e la forma d’onda Y sull’intero circuito risultano in fase. Poiché viene impiegato un amplificatore a base comune, anche i segnali di collettore ed emettitore sono in fase, consentendo al circuito del serbatoio di fornire feedback positivo. In altre configurazioni Hartley, ad esempio con amplificatori a emettitore comune, si utilizzano circuiti di risonanza analoghi ma con collegamenti differenti, in modo da garantire che il segnale di feedback sia sempre in fase con il segnale di ingresso, assicurando così il feedback positivo necessario al funzionamento dell’oscillatore.

Funzionamento dell’oscillatore

L’oscillatore analizzato in questo esempio utilizza un amplificatore a base comune. All’atto dell’alimentazione, l’amplificatore opera inizialmente in classe A con feedback positivo. Il circuito LC di risonanza riceve impulsi di corrente dal collettore e comincia a oscillare alla frequenza per cui è stato progettato. In questa fase iniziale:

1. il circuito del serbatoio ha un elevato guadagno di corrente, causando una rapida crescita dell’ampiezza del segnale di uscita.
2. quando oscillazioni si instaurano, una parte del segnale viene reinviata all’emettitore tramite il condensatore C2
3. Questo provoca l’accumulo di una tensione continua su R3, determinata principalmente dalla costante di tempo R3–C2, che è molto più grande del periodo dell’onda oscillante.
4. Con l’aumento della tensione sull’emettitore, il punto di lavoro dell’amplificatore si sposta gradualmente dalla classe A alla classe C.
5. Di conseguenza, la differenza di potenziale base-emettitore (V_BE) si riduce, poiché la tensione di base — fissata dal partitore R1/R2 — rimane pressoché costante mentre la tensione dell’emettitore cresce.
6. Questo restringe progressivamente la porzione della forma d’onda che può essere amplificata da TR1, fino a quando solo i picchi del segnale generano impulsi di corrente nel collettore.
7. Adesso, il guadagno complessivo dell’anello di retroazione si stabilizza a 1.
8. In questo stato di regime, il feedback positivo fornito dal circuito del serbatoio e il feedback negativo introdotto dalla rete C2–R3 risultano in equilibrio.

Qualsiasi variazione rispetto a questo equilibrio innesca automaticamente un meccanismo di correzione. Se l’ampiezza del segnale di uscita diminuisce, anche il feedback attraverso C2 si riduce, provocando una diminuzione della tensione sull’emettitore. Ciò rende V_BE meno negativo, aumentando la corrente di collettore e, di conseguenza, l’ampiezza dell’oscillazione nel circuito del serbatoio. L’aumento della corrente di collettore fa nuovamente crescere la tensione sull’emettitore e su R3, riportando il transistor in una condizione di conduzione più limitata. Questo processo di autoregolazione riduce nuovamente l’ampiezza dell’uscita, ristabilendo il guadagno dell’anello a valore unitario.

Un esempio pratico

Nello schema in figura un esempio pratico di oscillatore di Hartley che oscilla a frequenze che vanno dai 560kHz agli 1,7Mhz. Questo circuito oscillatore di Hartley produce un’onda sinusoidale in uscita superiore a 12 Vpp. La frequenza approssimativa viene impostata dai valori scelti per per il condensatore C3 del serbatoio. Funziona con una batteria da 9 V o con un alimentatore CC fino a 12 V. La corrente di alimentazione a 9 V è di circa 20 mA. Il circuito può essere costruito su una breadboard a scopo di test, dove si può verificare che il valore di R3, nello schema impostato a 470 ohm, è molto importante. Questa resistenza può essere sostituita con un valore leggermente inferiore per modificare il guadagno dell’amplificatore. Nel dettaglio l’elenco dei componenti:

Dopo aver eseguito su breadboard il circuito si possono eseguire le seguenti attività di verifica:

• Misurazioni con il circuito oscillante in classe C:

1. La corrente di alimentazione
2. La tensione di alimentazione
3. Tensione del collettore TR1
4. Tensione di base TR1
5. Tensione dell’emettitore TR1

• Bloccare temporaneamente le oscillazioni collegando un condensatore da 0,47 μF (non polarizzato) in R3 ed effettuare le seguenti misurazioni:

1. La corrente di alimentazione
2. Tensione del collettore TR1
3. Tensione di base TR1
4. Tensione dell’emettitore TR1

• Misurazione segnale in uscita

1. La tensione picco-picco
2. Livello DC dell’onda
3. Tempo periodico (T) dell’onda
4. Frequenza dell’onda (1/T)
5. Frequenza dell’onda calcolata da ƒ= 1/ 2π√(LC)

Conclusioni

Abbiamo visto in questo articolo il circuito oscillatore diHartley. Ricordiamo che abbiamo dedicato delle sezioni propedeuticche per questo argomento e che ci sono degli articoli articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti che caratterizzano il circuito. Nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica ci sono articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti il Condensatore e l’Induttore.

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