Dit hoofdstuk behandelt terugkoppeling en zijn belangrijkste toepassingen: tegenkoppeling voor stabilisatie en meekoppeling voor het opwekken van frequenties (oscillatoren). Terugkoppeling is een fundamenteel principe in de elektronica dat wordt toegepast in vrijwel alle versterker- en zenderschakelingen.
Bij terugkoppeling wordt een deel van het versterkte signaal van de uitgang teruggevoerd naar de ingang. Dit verandert de eigenschappen van de schakeling. Afhankelijk van hoe het signaal wordt teruggevoerd (in fase of in tegenfase), krijg je totaal verschillende effecten. Dit principe wordt in bijna elke elektronische schakeling toegepast om gewenste eigenschappen te bereiken.
| Type | Andere naam | Fase teruggekoppeld signaal | Effect |
|---|---|---|---|
| Negatieve terugkoppeling | Tegenkoppeling | 180° verschoven (tegenfase) | Stabiliserend, vermindert versterking |
| Positieve terugkoppeling | Meekoppeling | In fase (0°) | Versterkend, kan oscillatie veroorzaken |
De belangrijkste effecten van tegenkoppeling:
De vermindering van versterking lijkt misschien een nadeel, maar het grote voordeel is dat de schakeling veel stabieler en voorspelbaarder wordt. In de praktijk is het vaak beter om een stabiele, betrouwbare versterking te hebben dan een hoge maar onvoorspelbare versterking.
We hebben in hoofdstuk 9 al kennisgemaakt met tegenkoppeling zonder het zo te noemen: de emitterweerstand (of sourceweerstand bij FET).
Hoe werkt het:
Om dit te begrijpen: de transistor "kijkt" naar het spanningsverschil tussen basis en emitter (UBE). Als de emitterspanning meebeweegt met de basisspanning, wordt het effectieve ingangssignaal kleiner. Dit is precies wat tegenkoppeling doet: het "tempert" de versterking door een deel van het uitgangssignaal terug te voeren.
Een ontkoppelcondensator parallel aan de emitterweerstand:
Dit is eigenlijk een hoogdoorlaatfilter: bij lage frequenties (inclusief gelijkstroom) werkt de weerstand normaal, bij hoge frequenties "kortsluit" de condensator de weerstand. Zo krijg je het beste van twee werelden: gelijkstroomstabiliteit en hoge wisselstroomversterking.
Een voedingsschakeling met alleen een zenerdiode heeft beperkingen:
Het probleem is dat een zenerdiode weliswaar een redelijk stabiele spanning levert, maar niet perfect is. De spanning varieert een beetje met de stroom, en belangrijker: de schakeling kan niet veel stroom leveren. Als de belasting teveel stroom vraagt, zakt de spanning.
De oplossing is een gestabiliseerde voedingsschakeling met tegenkoppeling:
Meekoppeling is het omgekeerde van tegenkoppeling: het teruggekoppelde signaal is in fase met het ingangssignaal. Waar tegenkoppeling stabiliseert, zorgt meekoppeling juist voor instabiliteit - en dat kan nuttig zijn als je een oscillator wilt bouwen!
Stel een schakeling versterkt A keer en 1/A van het signaal wordt in fase teruggekoppeld:
De "rondgaande versterking" is wat er overblijft als een signaal een complete ronde door de schakeling maakt: van ingang naar uitgang (versterking A) en dan via de terugkoppeling terug naar de ingang (factor 1/A). Als dit product precies 1 is, houdt het signaal zichzelf in stand.
Wat gebeurt er bij verschillende situaties:
| Teruggekoppeld deel | Rondgaande versterking | Effect |
|---|---|---|
| < 1/A | < 1 | Signaal sterft langzaam weg (zoals een kerkklok die uitklinkt) |
| = 1/A | = 1 | Signaal houdt zichzelf in stand (stabiele oscillatie) |
| > 1/A | > 1 | Signaal groeit (oscillatie start en neemt toe in amplitude) |
Oscilleren betekent schommelen of trillen. Een oscillator is een schakeling die zelf elektrische trillingen (wisselspanningen/-stromen) opwekt. In tegenstelling tot een versterker, die een bestaand signaal versterkt, maakt een oscillator zelf een signaal "uit het niets".
Let op: de terugkoppeling moet "in fase" zijn - dit is meekoppeling! En het teruggekoppelde deel moet groot genoeg zijn zodat de rondgaande versterking minimaal 1 is.
Vraag: Hoe kan een oscillator uit het niets starten?
Antwoord: Er is geen "niets". In elke schakeling is ruis aanwezig - oneindig veel frequenties met zeer kleine amplitude. Ruis is vergelijkbaar met het ruisen van de zee of het geluid van wind door bomen: een mengsel van heel veel frequenties tegelijk. Bij het inschakelen is er genoeg "elektrisch duwtje" om de oscillatie te starten.
De omhullende (Engels: envelope) is de kromme die de toppen van de sinussen verbindt. Bij het opstarten van een oscillator zie je de omhullende groeien totdat deze stabiel wordt.
Een oscillator met een afgestemde LC-kring (spoel en condensator) heet een vrijlopende oscillator. De LC-kring bepaalt de frequentie volgens de resonantieformule die je kent uit eerdere hoofdstukken.
Dit is een slimme truc: een transistor in schakeling met gemeenschappelijke emitter keert de fase om (180°). Maar voor oscillatie hebben we meekoppeling nodig (in fase). Door de spoelen zo te wikkelen dat ook zij de fase omdraaien, krijgen we: 180° + 180° = 360° = 0° = in fase. Twee keer tegenfase achtereen is meefase!
Het bouwen van een stabiele LC-oscillator is lastig omdat de waarden van L en C veranderen met temperatuur. Daarom kan het even duren voordat de frequentie stabiel is na het inschakelen.
Een zeer stabiele frequentie wordt geleverd door een kristaloscillator met een kwartskristal.
Dit effect heet het piezo-elektrisch effect. "Piezo" komt van het Griekse woord voor drukken. Het bijzondere is dat dit effect omkeerbaar is: druk veroorzaakt spanning, en spanning veroorzaakt vervorming. Een kwartsplaatje dat trilt wisselt voortdurend tussen deze twee toestanden, en doet dat in een extreem stabiele frequentie die wordt bepaald door de afmetingen en het slijpen van het kristal.
| Eigenschap | LC-oscillator (vrijlopend) | Kristaloscillator |
|---|---|---|
| Frequentiebepaling | LC-kring | Kwartskristal |
| Afstembaar | Ja (variabele C) | Nauwelijks |
| Stabiliteit | Matig, temperatuurafhankelijk | Zeer hoog |
| Toepassing | Waar afstemming nodig is (bijv. VFO in zender) | Waar stabiliteit belangrijk is (bijv. klokken, referenties) |
Een LC-oscillator (ook wel VFO - Variable Frequency Oscillator) gebruik je als je de frequentie moet kunnen variëren, bijvoorbeeld om op verschillende frequenties te kunnen zenden. Een kristaloscillator gebruik je als je een zeer stabiele, vaste frequentie nodig hebt, bijvoorbeeld als referentie of voor digitale schakelingen. In moderne apparatuur worden vaak kristaloscillatoren gebruikt in combinatie met frequentiesynthesizers om zowel stabiliteit als afstembaar-heid te combineren.