Oscillatorfrequentie

Je moet het meer zien alsof het kristal uit een serie L/C deel bestaat. Dan wordt het eigenlijk een Clapp oscillator.

Bij een kristal is C0 erg klein (denk orde grootte tientallen femto Farad) en dus is de invloed van C1 en C2 erg klein.

Op 4 februari 2009 20:10:11 schreef PeterE:
Als je immers het vervangingsschema er bij pakt zullen de condensators parallel staan aan de LC-kring waardoor de frequentie naar beneden wordt getrokken. Klopt dat? Maar ik zie best wel een mooi sinus-golvje op het scherm verschijnen zonder allemaal extra frequenties, dat vind ik dus best vreemd. Hoe kan dat?

Harmonischen hebben niets met in omlaag in frequentie trekken te maken.

Pas als de C1/C2 verhouding verkeerd gekozen wordt en de transistor het signaal vervormt.

Ik bedoel niet harmonischen, ik dacht dat een kristal twee frequenties had waar het op resoneerde. Dit kwam omdat je het kristal op twee manieren kon opvatten (lees ik in Elex). Mijn gedachte was dat als je die condensators parallel aan het kristal zet dat je dan nog een frequentie er bij krijgt waarop het kristal resoneert, maar dat is een beetje fout.

@jojo:
Oke, dan snap ik het. Bedankt!

Om precies te zijn: in jouw schakeling wordt het kristal gebruikt in het gebiedje waarin hij zich inductief gedraagt; ergens tussen de parallel- en serieresonanties in dus.
Als je in plaats van het kristal een spoel van de juiste waarde zet, werkt het ook - al is het niet met dezelfde stabiliteit.

[Mijn gedachte was dat als je die condensators parallel aan het kristal zet dat je dan nog een frequentie er bij krijgt waarop het kristal resoneert, maar dat is een beetje fout.

Je hebt parallel of serie resonantie (maar niet beiden tegelijk, in dat geval heb je een puinhoop)
De freq verschilt enigzinds afhankelijk van het voorgaande.
Je moet bij de kristallenboer dan ook opgeven wat je wilt.

De resonanties bestaan wel tegelijk, maar de oscillator wordt ontworpen voor de één, of voor de ander.

Of voor geen van beide, zoals het huidige schema. Die zit ertussenin.

Ik vind parallelresonantie een foute term. Zoals ik het zie blijft het serieresonantie, al is het werkpunt mogelijk een stuk verschoven tot het kristal bijvoorbeeld meer inductief is. Hetzelfde kun je bereiken in een zogenaamde serieresonantie schakeling door er een condensatorje mee in serie te zetten.

Of er moet een schakeling bestaan die ik nog niet eerder heb gezien. FET, kun je een voorbeeld geven van "echte" parallelresonantie?

Ja, zo lust ik er nog wel eentje!
In een parallel LC kring staan de L en C tenslotte ook in serie voor de kringstroom.
Het is de voeding die het verschil voor de gebruiker maakt.

Maar goed, terug naar een oscillator die parallelresonantie gebruikt (in de gewone betekenis): stel je maakt een rondgekoppelde versterker. De rondgaande fasedraaiing moet nul graden zijn. Ergens in het signaalpad zet je nu een parallelkring naar aarde. De resonantiefrequentie van die kring wordt dan de voorkeursfrequentie; daarop gaat de boel oscilleren.
Hetzelfde blijft gelden als je daar een kristal neerzet.

De belangrijkste reden dat hij dáár gaat oscilleren is dan nog niet eens dat de rondgaande versterking daar het hoogst is (al is dat wel zo), maar dat de totale fasedraaiing dan nul graden blijft.

Op 5 februari 2009 15:52:07 schreef Frederick E. Terman:
Ja, zo lust ik er nog wel eentje!
In een parallel LC kring staan de L en C tenslotte ook in serie voor de kringstroom.
Het is de voeding die het verschil voor de gebruiker maakt.

Maar goed, terug naar een oscillator die parallelresonantie gebruikt (in de gewone betekenis): stel je maakt een rondgekoppelde versterker. De rondgaande fasedraaiing moet nul graden zijn. Ergens in het signaalpad zet je nu een parallelkring naar aarde. De resonantiefrequentie van die kring wordt dan de voorkeursfrequentie; daarop gaat de boel oscilleren.
Hetzelfde blijft gelden als je daar een kristal neerzet.

De belangrijkste reden dat hij dáár gaat oscilleren is dan nog niet eens dat de rondgaande versterking daar het hoogst is (al is dat wel zo), maar dat de totale fasedraaiing dan nul graden blijft.

Oke, in de schakeling die ik in mijn post heb staan is toch geen sprake van fasedraaiing? De transistor is naar mijn weten een niet-inverterende versterker, dus geen last van fasedraaiingen, toch?

Als je hem zuiver als emittervolger zou beschouwen, zou je zelfs geen spanningsversterking hebben.

Teken het schema maar eens uit met de spanningen erin, met grootte en fase. Dan zie je vanzelf hoe e.e.a. werkt.

Nee, dat is idd wel een beetje verwarrend. Er wordt dus wel een spanning versterkt ook al is het een emittervolger , hoe kan dat? De tor stelt zich toch zo in dat het de spanning op de basis volgt minus 0,7V. Zou er een inieminie spanning van het kristal op de basis komen zou deze dus nooit opgekrikt kunnen worden. Ik heb het dus maar anders uitgetekend, maar ik weet niet hoe ik verder moet, ik vind de spanning nog steeds in fase . Maar de stroom niet, die is tegengesteld.

Mijn vraag is dus, hoe kan deze schakeling dan voor spanningsversterking zorgen?

EDIT: Even afbeelding aangepast!

Ik vind het leuk dat je er zo enthousiast mee aan de slag gaat.
Eén denkfoutje: de emitterspanning mag dan 0,7V lager zijn dan de basisspanning, maar dat is een constant verschil. De wisselcomponent blijft dus praktisch hetzelfde.

Voorbeeld: de basisspanning gaat van 4V naar 4,8V en weer terug. De emitterspanning zou dan van 3,3V naar 4,1V gaan en weer terug. Dat is dezelfde amplitude.

Eigenlijk is de emitterwisselspanning wel een heel klein beetje minder dan de basiswisselspanning, maar dat mag je nu even verwaarlozen.

Ik zal (ijs en weder dienende) vandaag ook een schets maken.

Op 5 februari 2009 15:52:07 schreef Frederick E. Terman:
Ja, zo lust ik er nog wel eentje!
In een parallel LC kring staan de L en C tenslotte ook in serie voor de kringstroom.
Het is de voeding die het verschil voor de gebruiker maakt.

Nu begrijp ik wel dat men een Colpitts een parallel oscillator noemt. Bij een Clapp vind ik het zelf al dubieus, zeker als de C uit de serie L/C tank 1000 tot 10000 keer kleiner is dan de paralelle Cs.

Maar goed, daarbovenop komt vaak taalgebruik als "het kristal oscilleert in parallel mode", wat niet zo is. Het kristal veranderd niet kwa mode. Het is gewoon serieresonant en werkt op of rond het laagste impedantiepunt. In ieder geval ver weg van het intrinsieke parallel resonantie punt (of vaak beter gezegd anti-resonantie punt).
Je gebruikt zelf ook dat soort terminologie:
"De resonanties bestaan wel tegelijk"
en
"ergens tussen de parallel- en serieresonanties in dus"

Ik blijf er bij, tot nu toe heb ik geen schakeling gezien waarbij het kristal op zijn anti-resonantie punt werkt in een oscillator.
Dit schept onnodige verwarring. Men gaat denken dat een kristal slechts voor het een of het ander geschikt is. En dat er een heel ander soort trillingmode in het spel is. Je kunt een oscillator misschien parallel betitelen, maar het kristal zelf niet.

Zowel "serie" als "parallel" slaan alleen op hoe het kristal (compleet met elektroden) zich naar buiten toe elektrisch gedraagt.

Maar een kristaloscillator die van de parallelresonantie gebruik maakt, draait toch echt op een hogere frequentie dan een die van de serieresonantie gebruik maakt.
De mechanische trilling van het kristal heeft bij parallelresonantie dus ook een hogere frequentie dan bij serieresonantie.

Het handigst is het, "parallel" te gebruiken als de spanning op het kristal op de werkfrequentie maximaal is, en daarbuiten lager, en "serie" te gebruiken als de spanning op het kristal op de werkfrequentie minimaal is, en daarbuiten hoger.
Beide komen voor.

De Clapp-oscillator maakt gebruik van parallelresonantie in de kring die gevormd wordt door de parallelschakeling van:
- de spoel enerzijds
- de drie condensatoren in serie anderzijds.
De massa zit op de een van de twee aftakkingen tussen de condensatoren.

Op 7 februari 2009 17:16:27 schreef Frederick E. Terman:
Zowel "serie" als "parallel" slaan alleen op hoe het kristal (compleet met elektroden) zich naar buiten toe elektrisch gedraagt.

Met een serie oscillator ben ik in staat de frequentie iets te verhogen door een condensator in serie met het kristal te zetten. En wel zo, dat hij op dezelfde frequentie draait als een parallel oscillator. Jij denkt dan dat het kristal zich naar buiten toe anders gedraagt?

[Bericht gewijzigd door jojo op zaterdag 7 februari 2009 18:04:31 (22%)]

Het hele elektrische systeem gedraagt zich dan als een seriekring op een iets hogere frequentie.
Het kristal zèlf is op zijn aansluitingen dan niet "ohms" meer, maar gedraagt zich - op die frequentie - iets inductief.

Je kunt een oscillator waarin het kristal in parallelresonantie gebruikt wordt (bijna alle vroege Japanse 2-meter kanalendoosjes) in frequentie omlaag brengen door een parallelcondensator. Een seriecondensator doet in dat schema niets. Vandaar dat "parallel" daar juist weer een handige omschrijving is: een LC parallelkring zou zich net zo gedragen.

Ja, zo lust ik er (ook) nog wel eentje!

Het feit dat een serie L/C kring zich boven de resonantiefrequentie inductief en daaronder capacitief gaat gedragen maakt het voor mij nog geen parallelkring...

Het komt er blijkbaar op neer dat men het soms om een gedragbeschrijving gaat als men het over parallel en serie oscillatie heeft. Ik probeer me zoals gezegd daar toch een beetje van af te houden.
De kristal load (ohms, inductief, capacitief) kan vanwege de hoge Q van het kristal (en dus snelle fasedraaing over een klein frequentiegebied) in ruime mate worden gecompenseerd door de nabij gelegen bijbehorende frequentie op te zoeken waarbij de rondgaande versterking weer in fase is. In al die gevallen is de relatieve inductie of capaciteit van de load ten opzichte van de waarden in het kristal zo enorm klein, dat je met droge ogen toch niet over parallelkring van het geheel kunt spreken.

Het is jammer dat een kristal een kleine Cp heeft. Anders kun je ook in een *parallelle* Hartley oscillator in een inductieve load kunnen voorzien, waarmee het kristal *onder* zijn natuurlijke resonantie frequentie zou werken. Dit om duidelijk te maken de werkfrequentie niet resulteerd uit een in de kristal verborgen parallelkring. Helaas wordt dit al snel een slecht werkende oscillator.
Maar ja, zonder Cp zou er ook geen hoger gelegen anti-resonantie punt te meten zijn in de kristal impedantie karakteristiek...

P.S. is dat werkelijk zo van die 2 meter doosjes? Ik zou toch echt verwachten dat een seriecondensator wat shift omhoog geeft.

Nee, dat lukt inderdaad niet. Ja, een paar Hz ofzo.
Als, bij een kristal in parallelresonantie, de frequentie omhoog moet, kun je er wel een spoeltje aan parallel zetten.

Op 7 februari 2009 17:57:21 schreef jojo:
Met een serie oscillator ben ik in staat de frequentie iets te verhogen door een condensator in serie met het kristal te zetten. En wel zo, dat hij op dezelfde frequentie draait als een parallel oscillator.

Omhoog wel, maar tot aan de parallelresonantie niet. Zie plaatje.
Groen is het effect van een seriecondensator. De serieresonantie gaat omhoog en wordt slechter, maar de parallel blijft op zijn plaats. Als je de serie-C nog veel kleiner maakt, kruipt het "dal" wel steeds dichter naar de "berg" toe, maar hij kan er niet doorheen. Probeer je het toch, dan worden ze even hoog: de Q is helemaal weg.
Rood is het effect van een (extra; de contactvlakken hebben ook al capaciteit) parallelcondensator. De parallelresonantie gaat omlaag en wordt slechter, maar de serie blijft op zijn plaats.

Ja, het holodek is wel op zijn plaats voor dit soort onderzoek. Je plaatjes doen me hier aan denken (Pierce feedback deel)

Omhoog wel, maar tot aan de parallelresonantie niet. Zie plaatje

Inderdaad, geleidelijk aan heb je meer gain nodig. Mijn betere bouwsels hebben toch al een limiter, dus die gain is er meestal wel. Maar ook een zogenaamde parallel oscillator werkt niet op de frequentie van zo een hoge impedantie piek. Helaas is LT-SPICE niet super betrouwbaar kwa Hz in een gesimuleerde oscillator. Anders kon ik de werkfrequentie in beeld brengen. Wat wel weer kan is bij oscillatie naar de stroom door een kristal kijken. Die laat duidelijk zien dat er zeker geen sprake is van erg hoge impedantie. Alleen hoe ver die onder de impedantiepiek ligt weet ik dan weer niet.

Ach, we weten alletwee wel wat er in een kristal zit, alleen kijk ik naar het hele ding, dus met de twee pootjes; en jij alleen naar het blokje op zich.
Met Simetrix kun je vrij diep kijken. Daarnet zat ik (uiteraard) met de kristal-Clapp te spelen. Jammer dat het dan tientallen milliseconden duurt voordat het ding begint aan te slingeren. Tja, moet het maar niet zo levensecht.

Ik wil alleen voor @TS en andere meelezers nog dit plaatje even laten zien.

Dat een parallelkring bijna nooit zuiver op frequentie wordt gebruikt, geldt ook voor LC kringen. Er staat altijd wel iets aan parallel, al is het maar een snufje parasitaire capaciteit - maar ook vaak koppelcondensatoren die aan de andere kant vrij laagohmig zitten aangesloten.

Maar een seriekring staat er ook altijd iets naast. Er zit altijd wel iets in serie, al is het maar een snufje parasitaire zelfinductie van draad of printspoor - maar ook vaak de uitgangs- of ingangsimpedantie van de andere elementen.

In beide gevallen geldt: de frequentie trekt naar die waarde, waarbij de totale rondgaande fase weer op nul uitkomt.
Omdat dat bij een kristal zo stijl verloopt, is heel weinig frequentiewijziging al genoeg - daarom is een kristaloscillator stabiel.

Ik heb laatst een truucje geleerd voor het snelstarten als je het kristal toch al "uit elkaar hebt gehaald". Tot nu toe kan ik het alleen toepassen als een kant van het kristal aan GND ligt.
In LT-SPICE geef je bijvoorbeeld een label aan het punt boven L1. Noem het "x". Met een startconditie: ".ic V(x) = 0.02" zet je de oscillatie al direct lekker op gang met ongeveer de piekstroom V(x)/Rs = 0.02/10 => 2mA.
Dat scheelt een hoop wachttijd. Want die tientallen mS duren me soms toch lang...

Op 7 februari 2009 23:04:06 schreef Frederick E. Terman:
Ik wil alleen voor @TS en andere meelezers nog dit plaatje even laten zien.
[afbeelding]

Dat een parallelkring bijna nooit zuiver op frequentie wordt gebruikt, geldt ook voor LC kringen. Er staat altijd wel iets aan parallel, al is het maar een snufje parasitaire capaciteit - maar ook vaak koppelcondensatoren die aan de andere kant vrij laagohmig zitten aangesloten.

Maar een seriekring staat er ook altijd iets naast. Er zit altijd wel iets in serie, al is het maar een snufje parasitaire zelfinductie van draad of printspoor - maar ook vaak de uitgangs- of ingangsimpedantie van de andere elementen.

In beide gevallen geldt: de frequentie trekt naar die waarde, waarbij de totale rondgaande fase weer op nul uitkomt.
Omdat dat bij een kristal zo stijl verloopt, is heel weinig frequentiewijziging al genoeg - daarom is een kristaloscillator stabiel.

Leuke discussie!

In Elex lees ik ook wat over parallel- en serieresonantie. Daarbij heeft de auteur het ook over 'tussen parallel en serie in resoneren' bij (6), maar zegt dat dit parallelresonatie genoemd wordt en (7) serieresonantie.

http://www.peterevers.nl/Fotos/kristal.png

Op 7 februari 2009 21:59:33 schreef Frederick E. Terman:
[...]Omhoog wel, maar tot aan de parallelresonantie niet. Zie plaatje.
Groen is het effect van een seriecondensator. De serieresonantie gaat omhoog en wordt slechter, maar de parallel blijft op zijn plaats. Als je de serie-C nog veel kleiner maakt, kruipt het "dal" wel steeds dichter naar de "berg" toe, maar hij kan er niet doorheen. Probeer je het toch, dan worden ze even hoog: de Q is helemaal weg.
Rood is het effect van een (extra; de contactvlakken hebben ook al capaciteit) parallelcondensator. De parallelresonantie gaat omlaag en wordt slechter, maar de serie blijft op zijn plaats.
[afbeelding]

Daarom worden die trimcondensators ook zo klein gekozen natuurlijk. Uit Elex:

Bij serieresonantie zal een trimcondensator in serie met het kristal er voor zorgen dat de serieschakeling plotseling capacitief wordt. Wanneer de oscillatorfrequentie naar Fp (parallelfrequentie) schuift, dan zal het kristal inductief worden en de capaciteit opheffen.

Die trimcondensator zorgt er dus voor dat er niks anders gebeurt dan Fs richting Fp schuiven.

Als laatst, de transistor zorgt dus zelfs in mijn start-post voor een klein beetje faseverschuiving? Maar lang geen 180 graden? Is dat juist?

Op 8 februari 2009 15:06:30 schreef PeterE:
[...]Als laatst, de transistor zorgt dus zelfs in mijn start-post voor een klein beetje faseverschuiving? Maar lang geen 180 graden? Is dat juist?

Nauwelijks. Als ik Vb en Ve in een simulatie van een 10MHz Colpitts kristal oscillator bekijk zit daar misschien een verschil van 1 graad in. Wellicht dat het bij hogere frequenties ietsjes hoger is, maar dat is niet essentieel voor de werking van het geheel.

De twee condensatoren (en eventueel eentje in serie met het kristal) vormen samen een capacitieve load voor het kristal. Alleen op een frequentie waarbij het kristal inductief wordt bestaat de mogelijkheid voor oscillatie. Push je deze situatie niet te veel, dan is er goed een praktische schakeling te maken die nog genoeg rondgaande versterking heeft. Sommige mensen maken er een sport van een maximum pulling te bereiken (zoek eens op "VXO pulling range") en zoeken de grenzen op van zo een schakeling.

Oke, bedankt!

Dus die condensators die geven een capacitieve load, maar toch beinvloeden ze de resonantiefrqeuentie niet echt! Toch?