ハートレー型発振回路について実験しました。コイルの中間タップを利用するLC同調型の発振回路です。教科書には下のような回路図が載っていますが、理論的な知識もなしにこういうのをいくら眺めていても前に進まないので、前項の同調型反結合発振回路の延長で考えてみました。
反結合発振回路からハートレー発振回路に持っていくには、2次巻線のある同調回路から中間タップ付きの同調回路に変形しなければなりません。下はその考え方を示した図です。
ABそれぞれ左端の図が元の2次巻線タイプの回路です。真ん中の図は二次巻線を一次巻線と同じ側に並べたもので、ここから右端の図のように変形するわけですが、ここのところがちょっと難しい。同位相の場合と逆位相の場合とでは基準点 (アース) の位置が違います。
左端の図で両巻線の片方はともにアースになっていますが、両方とも電源プラスにつながっていても同じです。また、一方がアース、他方が電源プラスにつながるようなケースでも、交流信号に対しては同じ動作になります。これもなかなか理解できませんでした。
さて、図3Aは前項で実験したエミッタ接地タイプのコレクタ同調型発振回路です。これをハートレー型発振回路に変形します。まず図Bのように二次巻線の片方をアースから電源プラスに移します。電源は交流信号に対しては導線と同じなので、これでも同じように動作します。図Cはコイルの並べ方を変えただけです。図Dで一次巻線の中間タップを使う回路に変形します。エミッタ接地は入力と出力が逆位相ですから、先の図2Bと同じ考え方になります。これでエミッタ接地型のハートレー発振回路ができました。
図4はエミッタ接地型でベース側に同調回路がある発振回路について同じ方法で変形してみたものです。結果は図4Dのようになりました。あれ、これは図面上コイルの向きが違うだけで図3Dと同じですね。エミッタ接地型は必ずこの形になるのでしょうか・・・・。だとするとハートレー発振回路は全部で3種類ということになります。以下、エミッタ接地、ベース接地、コレクタ接地の3タイプのハートレー発振回路を実験してみたので結果を記します。
図5はエミッタ接地型のハートレー発振回路です。トランジスタは2SC1815Y、発振コイルLは中波スーパーラジオ用のOSCコイル、電源はDC6Vで、すべて前項の反結合発振回路と同じ条件にしました。出力はエミッタ接地増幅回路の出力であるコレクタから取りましたが、発振コイルの二次側が遊んでいるので、ここの出力も調べてみました。
バイアス回路の定数は前に実験した「エミッタ接地型コレクタ同調発振回路」と同じにしました。出力波形はまあまあきれいではないかと思いますが、出力電圧は反結合発振の10分の1しかありません。コレクタ電流を増やすと異常発振するのでこれより大きくできませんでした。全電流は発振しているとき0.04mです。コイルをショートして発振を止めてもほとんど変化がありませんでした。
帰還回路に入っている抵抗R4は波形の乱れを防ぐためのものですが、定数の選定は微妙です。1kΩにすると汚い波形になるし、逆に4.7kΩ以上にすると発振が停止します。そういうわけで、一応発振はしているものの、ぎりぎりの動作です。
この回路のブレッドボード上の配線図と試作写真を下に掲げます。
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図6はベース接地型ハートレー発振回路です。ベース接地型反結合発振回路を変形して作りました。エミッタ接地型より楽に動作させられるように思います。出力電圧も大きくなりました。やはり帰還回路の途中に直列抵抗が必要ですが、定数はそれほどデリケートではありません。電流は発振時0.04mA、オフ時0.03mAで変化はわずかです。コレクタ電流を増やすと出力電圧も大きくなりますが、しだいに出力波形の下側がつぶれてきます。
この回路のブレッドボード上の配線図と試作写真を下に掲げます。
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図7はコレクタ接地型ハートレー発振回路です。これもエミッタ接地型と同様、出力電圧を大きくできません。C2も小さくしないとだめでした。全電流は発振しているとき0.14mA、発振していないとき0.10mAです。ブレッドボード配線図と写真を下に示します。
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図8は図7を固定バイアスにしたものですが、こうするとなぜか出力が大きくなりました。この方が簡単でいいですね。順番が最後になってしまいましたが、ハートレー発振回路、いやLC同調発振回路として一番よく見かけるのがこの形です。やはり回路が簡単な割に安定しているので人気があるのでしょう。発振時の電流は0.88mA、発振を停めると0.73mAでした。
ただ、今回の実験ではエミッタに直列抵抗R2を入れないと出力波形の上側がつぶれる不具合がありました。R2が大きいと出力電圧が小さくなるので、数kΩ以下が適当と思います。また、C1も小さくしてありますが、0.01μFでは出力振幅が小刻みに変動して安定しませんでした。ブレッドボード配線図と写真を下に掲げます。
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図9はコレクタ接地型ハートレー発振回路のトランジスタをFETに換えたもので、ドレイン接地型ハートレー発振回路ということになります。FETは2SK241Yを用いました。図8の回路と動作電流を合わせるためドレイン側に抵抗を入れました。発振時1.2mA、オフ時1.3mA流れます。CR定数は多少違っていても動作には影響しません。ブレッドボード配線図と写真を下に掲げます。
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図10Aはソース側に抵抗を入れて電流を制限したものです。出力電圧がずいぶん大きいですが、それでもとくに波形が乱れるということはありませんでした。図Bは電流を制限しない回路で、部品点数は最も少なくなります。これも雑誌等でよく見かけます。動作電流は3.8mAですが、個々のFETによってバラツキが出ると思います。