Een oscillator moet een versterkertrap hebben, maar ook een positieve terugkoppeling, zodat het signaal constant versterkt wordt, totdat de versterker zijn limieten bereikt (maximale spanning en/of stroom).

Dan is de vervorming maximaal, en het is niet wat wij wensen. Er moet een systeem bestaan om de amplitude van de oscillaties te beperken voordat de versterker gaat klippen. Oscillatoren die een blokgolfsignaal moeten leveren hebben die regeling niet.

De frekwentie hangt af van de nauwkeurigheid van de componenten, die is doorgaans van 20% voor condensatoren en van 5% voor weerstanden. Ook spelen de verschillende impedanties in de schakeling een rol. Een afwijking van 30% ten opzichte van de berekende frekwentie is niet ongewoon.

Om de verzwakking van onze schakeling tegen te gaan hebben we een versterker nodig die het signaal driemaal versterkt en de fase omkeert om een meekoppeling te maken. Indien de versterking minder is, dan ontstaan er geen oscillaties, is de versterking meer, dan stijgt de amplitude totdat de versterker maximaal uitgestuurd wordt en er clipping optreedt.

Oscillator van Hewlett Packard met lampen

De schakeling bestaat uit twee pentodes, de eerste buis is de oscillator en de tweede buis dient om de fase om te keren om een meekoppeling te hebben. De groene lijn is de meekoppeling, die toekomt op het rooster van de oscillator (full size afbeelding).

Er is een tegenkoppeling nodig om de amplitude van het signaal te beperken, dit is het paarse gedeelte op de schakeling. De tegenkoppeling bestaat uit twee weerstanden, waarvan één instelbaar is om de amplitude in te stellen. Het sgnaal heeft de laagste vervorming als de amplitude 18 à 20V bedraagt (ongeveer 53V piek tot piek).

Het signaal gaat verder naar een versterker bestaande uit twee pentodes, een voorversterkerpentode en een eindtrap, de welbekende 6V6. De uitgangstransormator zorgt voor een galvanische scheiding en heeft een impedantie van 500Ω. De oscillator genereert laagfrekwente signalen. Door een aparte versterker te gebruiken (los van de oscillator) bekomt men een meer stabiel signaal (amplitude en frekwentie) onafhankelijk van de belasting.

Om een efficiente stabilisatie te hebben moet de gloeilamp op 10% van zijn nominale spanning werken, bij deze spanning is de weerstandsverandering maximaal en worden de oscillaties gestabiliseerd over een breed frekwentiegebied. De gloeilamp is in de cathodekring geplaatst en stabiliseert eveneens het werkpunt van de buis.

De stabilisatie door middel van een gloeilamp werd volop gebruikt tot ver in de jaren 1970. Een nadeel is dat de oscillator niet kan werken bij zeer lage frekwenties, want de thermische traagheid van de gloeilamp is dan te laag: de weerstand verandert samen met de oscillaties. Daardoor onstaan er vervormingen van het uitgangssignaal. Dit zijn even of oneven harmonischen naargelang de gloeispanning een gelijkspanningscomponent heeft of niet. Een artikel over even en oneven harmonischen.

Alle systemen die uitgerust zijn met zenerdiodes, thermistoren of varistoren (VDR) hebben een dergelijk nadeel en het uitgangssignaal is geen mooie sinus. Het limiterend element grijpt in op de sinus en de ingreep hangt af van de amplitude van het signaal. Er is maar één systeem dat voldoening geeft, dat is een systeem waarbij de uitgangsspanning gelijkgericht en gefilterd wordt en een veldeffet transistor aanstuurt (FET). Er is een schakeling volgens dit principe verder op deze pagina.

Moderne schakeling met op-amp en gloeilamp

Een versterker die wel bruikbaar is, is de LM386, een kleine audioversterker. Het is geen echte op amp, de ingangen moeten namelijk ten opzichte van de massa gereferenceerd worden, maar in ons geval is dit geen probleem. De op amp die in staat is een kleine luidspreker aan te sturen is voldoende om een kleine gloeilamp te doen oplichten. De op amp kan een vermogen van een honderdtal mW leveren.

De gloeilamp die gebruikt moet worden is een fietsachterlicht van 6V, 50mA. Soms moet de weerstand van 390Ω in de tegenkoppeling aangepast worden om een wisselspanning van ongeveer 1V rms te bekomen (2.4Vpp). Bij een dergelijke amplitude zijn de vervormingen minimaal. De waarde van de weerstand verhogen als de amplitude te laag is, verlagen als die te groot is.

De weerstand van 10Ω en de condensator van 50nF kunnen soms nodig zijn als de versterker een luidspreker aanstuurt. Dit netwerk compenseert de faseverschuiving die veroorzaakt wordt door de zelf-inductie van de luidspreker. In het algemeen is het geen goed idee van direct een luidspreker aan te sturen, daardoor stijgen de vervormingen in het uitgangssignaal. Overigens produceert een luidspreker meer vervormingen dn de schakeling zelf, maar als het de bedoeling is een zo zuiver mogelijk signaal te bekomen, dan moet de luidspreker weg. De impedantie van de aangesloten apparaat is best 50Ω en de voedingsspanning bedraagt 9V.

Het blauwe gedeelte kan bijgevoegd worden als de oscillator moeite heeft om te starten (de versterking is beperkt tot 20dB terwijl een echte op amp doorgaans een versterking heeft in de buurt van 80 - 100dB). Normaal is de condensator niet nodig en het is beter om de waarde van de terugkoppelweerstand te wijzigen.

J-FET als variabele weerstand

Men kan nagenoeg alle types N-junction fet gebruiken. Gebruik je een MOSFET, dan is die meestal van het enhancement type: er is een positieve spanning nodig om de transistor in geleiding te krijgen. De schakeling moet dan aangepast worden om bij het starten een positieve spanning op de gate te hebben, die dan lager wordt als de schakeling oscilleert.

De hier gebruikte op amp is een LM324, een viervoudige op amp, maar je kan gerust andere types gebruiken. De uitgang heeft hier een relatief hoge impedantie.

Er is nog een extra verbetering aangebracht, namelijk een extra lowpass gedeelte. De weerstand moet een waarde hebben van 2× de weerstand van het frekwentienetwerk (dus 47kΩ) en de condensator moet een waarde hebben van 5× die van de condensator C2 en C3. Het filter onderdrukt de harmonischen en levert zo een proper signaal af, maar je verliest dan de mogelijkeid om de frekwentie te veranderen.

Door de verhoogde impedantie is een extra versterker sterk aangeraden. In ieder geval is een extra versterker nuttig om de oscillator los te koppelen van de belasting: de frekwentie en de amplitude blijven zo meer stabiel, ongeacht de belasting.

Een wienbrug oscillator wordt vaak gebruikt om het vermogen van een versterker te bepalen. Als het maximaal vermogen van de versterker bereikt wordt, dan stijgt de vervorming sterk. Maar dit is pas merkbaar als de bron een zuiver signaal levert.

Men kan de frekwentie wijzigen door de waarde van beide weerstanden simultaan te veranderen (daarvoor kan men een stereo-potentiometer gebruiken). Het bereik is ongeveer 10× zonder dat de weerstand in de terugkoppelkring aangepast moet worden.

Bij de schakeling hierboven: let op de weerstand van 4.7kΩ naar de plus: die is nodig om de op amp in classe-A versterking te houden. Zonder dergelijke belastingsweerstand is er een overnamevervorming als de ene transistor uit geleiding gaat voordat de andere trnsistor kan overnemen (crossover vervorming).

De uitgangstransistoren hebben geen bias (voorspanning) want de twee bases van de eindtrappen zijn samen verbonden (rode lijn). Met een weerstand die naar de plus verbonden is wordt de transistor Q11 altijd in geleiding gehouden.

Q9 is de stuurtransistor, Q15 is een stroombron, Q14 is een versterker (de stroombron levert een zeer zwakke stroom), Q12 is een bescherming die de sturing van de eindtrappen beperkt bij kortsluiting en Q11/Q13 zijn de eindtrappen.

Led en CdS cel

De skoopbeelden rechts zijn afkomstig van een wienbrug oscillator waarvan de stabilisatie van de amplitude enkel gerealiserrd wordt door twee diodes. Er is een plotse vermindering van de versterking als één van de diodes in geleiding gaat.

De bedoeling is hier een oscillator te hebben met de maximale vervorming, om te zien hoe lowpass filters de vervorming kunnen verminderen;

• geel:signaal op de uitgang van de oscillator
• in cyan het signaal op de uitgang van de eerste lowpass filter
• in magenta het signaal op de uitgang van de tweed elowpass filter.

Na twee filtertrappen lijkt het signaal al goed op een sinus. Als men met een sterk vervormd signaal begintdan is het gemakkelijker een analyse van het signaal te doen (hoeveelheid harmonischen).

Het is ook mogelijk de oscillator te laten werken met een lagere demping door de diodes. Het signaal is dan meer sinusvormig aan de bron, en de opeenvolgende filters zullen enkel nog de sinus verbeteren door de harmonischen te onderdrukken.

Het deel met de diodes en de weerstand van 39kΩ zorgt voor een variabele demping naargelang de signaalsterkte. Zonder diodes is de demping vast en te sterk, zodat de schakeling niet begint te oscilleren. Gebruikt men een grotere weerstand van bijvoorbeeld 43kΩ dan is de versterking te sterk en de amplitude van het signaal wordt alsmaar groter, tot de kring een blokgolfsignaal aflevert.

Met de weerstand van 39kΩ en de diodes is de versterking voldoende sterk om de oscillaties te doen starten (de demping is minder omdat de weerstanden niet in geleiding zijn). Als de amplitude groter wordt, dan wordt ook de demping groter, zodat de amplitude van het signaal op een bepaald ogenblik niet meer stijgt.

Met een lineaire versterker geeft de wienbrug oscillator een proper sinussignaal.

Op de schakeling is de wienbrug oscillator in het blauw en de lowpass filter in magenta. Dit deel van de schakeling kan tot driemaal herhaald worden, want een LM124 heeft 4 op-amps.

Men ziet hier achtereenvolgens het signaal op de uitgang van de oscillator en na het eerste en tweede filter. De oscillator geeft een spanningssprong van ongeveer 1V bij de nuldoorgang, maar de sprong is al onderdrukt na de eerste filtertrap (omdat een sprongfunktie vooral hogere harmonischen bevat).

Dit is de schakeling waar ik drie van de vier op-amps gebruik. Ik heb heel veel kleine condensatoren van 22nF...

De berekende frekwentie bedraagt 329Hz maar is wat lager in de praktijk ten gevolge van de parasitaire capaciteiten. De frekwentie kan verhoogd worden door over de twee weerstanden die de frekwentie bepalen twee weerstanden parallel te plaatsen van 100kΩ (ik zit dan op precies 402Hz). Het signaal wordt versterkt door een sonorisatieversterker met 100V uitgang. De bedoeling is een 115V 400Hz voedingsspanning te bekomen. Als de versterker niet te zwaar belast wordt (ik heb slechts een paar watts nodig), dan kan de versterker probleemloos een onvervormde spanning van 115V leveren.