Hoofdstuk 10: Terugkoppeling en Oscillatoren
Dit hoofdstuk behandelt terugkoppeling en zijn belangrijkste toepassingen: tegenkoppeling voor stabilisatie en meekoppeling voor het opwekken van frequenties (oscillatoren).
1. Terugkoppeling: Twee Soorten
Bij terugkoppeling wordt een deel van het versterkte signaal van de uitgang teruggevoerd naar de ingang. Dit verandert de eigenschappen van de schakeling.
Examenstof - Twee soorten terugkoppeling:
| 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 |
2. Tegenkoppeling (Negatieve Terugkoppeling)
2.1 Wat doet tegenkoppeling?
De belangrijkste effecten van tegenkoppeling:
- Verkleining van de versterking
- Vermindering van vervorming (niet-lineariteit)
- Stabilisatie van de schakeling
Lineair vs. niet-lineair:
- Lineaire versterker: Versterkt alle spanningsniveaus evenveel. Een zuivere sinus op de ingang blijft een zuivere sinus op de uitgang.
- Niet-lineaire versterker: Versterkt ongelijk. Een zuivere sinus wordt vervormd (bijv. afgevlakte toppen).
Tegenkoppeling vermindert niet-lineariteit en dus vervorming.
2.2 Tegenkoppeling via emitter- of sourceweerstand
We hebben in hoofdstuk 9 al kennisgemaakt met tegenkoppeling zonder het zo te noemen: de emitterweerstand (of sourceweerstand bij FET).
Hoe werkt het:
- De emitterweerstand zorgt dat de emitterspanning meevarieert met de basisspanning
- Dit werkt als een tweede signaalingang die in fase is met de uitgang
- Het effect is tegenkoppeling: de versterking wordt verminderd
Examenstof - Ontkoppelcondensator:
Een ontkoppelcondensator parallel aan de emitterweerstand:
- Koppelt het wisselstroompad los van de weerstand
- De weerstand blijft werken voor de gelijkstroominstelling
- Voor frequenties waarbij XC << Re is de tegenkoppeling opgeheven
- Resultaat: hogere versterking voor wisselstroom, stabiele gelijkstroominstelling
2.3 Tegenkoppeling in gestabiliseerde voedingen
Een voedingsschakeling met alleen een zenerdiode heeft beperkingen:
- De zenerspanning is niet volledig onafhankelijk van de stroom
- Bij hoge belasting kan de uitgangsspanning zakken onder de zenerspanning
De oplossing is een gestabiliseerde voedingsschakeling met tegenkoppeling:
Werkingsprincipe gestabiliseerde voeding:
- Een referentiespanning (Uref) wordt gemaakt met een zenerdiode
- Een vergelijkingsschakeling vergelijkt Uref met een deel van de uitgangsspanning (Utegenk)
- Het verschil stuurt een vermogenstransistor aan
- Als Uuit te laag is → transistor geleidt meer → Uuit stijgt
- Als Uuit te hoog is → transistor geleidt minder → Uuit daalt
Dit is tegenkoppeling: afwijkingen worden automatisch gecorrigeerd.
3. Meekoppeling (Positieve Terugkoppeling)
Meekoppeling is het omgekeerde van tegenkoppeling: het teruggekoppelde signaal is in fase met het ingangssignaal.
3.1 Rondgaande versterking
Stel een schakeling versterkt A keer en 1/A van het signaal wordt in fase teruggekoppeld:
Rondgaande versterking = A × (1/A) = 1
Wat gebeurt er bij verschillende situaties:
| Teruggekoppeld deel |
Rondgaande versterking |
Effect |
| < 1/A |
< 1 |
Signaal sterft langzaam weg |
| = 1/A |
= 1 |
Signaal houdt zichzelf in stand |
| > 1/A |
> 1 |
Signaal groeit (oscillatie start) |
4. Oscillatoren
4.1 Wat is een oscillator?
Oscilleren betekent schommelen of trillen. Een oscillator is een schakeling die zelf elektrische trillingen (wisselspanningen/-stromen) opwekt.
Examenstof - Drie ingredienten voor een oscillator:
- Een versterkerschakeling met versterking A
- Een terugkoppeling waarbij er een frequentie is waar het teruggekoppelde signaal in fase is
- Het teruggekoppelde vermogen moet groter zijn dan 1/A (om te kunnen starten)
4.2 Hoe start een oscillator?
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. Bij het inschakelen is er genoeg "elektrisch duwtje" om de oscillatie te starten.
Op gang komen van een oscillator:
- Bij inschakelen: ruis wordt versterkt
- Rondgaande versterking is eerst > 1
- Amplitude groeit
- Bij groeiende amplitude ontstaat vanzelf tegenkoppeling (bijv. door de voedingsspanning als grens)
- Rondgaande versterking nadert naar precies 1
- Amplitude wordt stabiel
De omhullende (envelope) is de kromme die de toppen van de sinussen verbindt.
4.3 LC-oscillator (vrijlopende oscillator)
Een oscillator met een afgestemde LC-kring (spoel en condensator) heet een vrijlopende oscillator.
Examenstof - LC-oscillator:
- De frequentie wordt bepaald door de LC-kring
- Afstembaar door variabele condensator
- Koppeling vaak inductief: twee spoelen (L1 en L2) zijn magnetisch gekoppeld
- De transistor keert de fase om (tegenfase), de inductieve koppeling ook → twee keer tegenfase = meefase
- Nadeel: frequentie is temperatuurafhankelijk, niet zo stabiel
4.4 Kristaloscillator (kwartsoscillator)
Een zeer stabiele frequentie wordt geleverd door een kristaloscillator met een kwartskristal.
Werking kwartskristal:
- Kwarts is een mineraal (bergkristal, ook in zand)
- Als je druk uitoefent op een kwartsplaatje, wordt het elektrisch geladen (plus/min)
- Omgekeerd: als je spanning aanlegt, buigt het plaatje
- Een kwartsplaatje trilt in een zeer vaste frequentie
- Gedraagt zich als een uiterst stabiele LC-kring
Examenstof - Vergelijking oscillatortypes:
| Eigenschap |
LC-oscillator (vrijlopend) |
Kristaloscillator |
| Frequentiebepaling |
LC-kring |
Kwartskristal |
| Afstembaar |
Ja (variabele C) |
Nauwelijks |
| Stabiliteit |
Matig, temperatuurafhankelijk |
Zeer hoog |
| Toepassing |
Waar afstemming nodig is |
Waar stabiliteit belangrijk is |
5. Samenvatting
Kernpunten voor het examen:
- Terugkoppeling: Deel van uitgangssignaal terug naar ingang
- Tegenkoppeling (negatief): Teruggekoppeld signaal in tegenfase (180°)
- Meekoppeling (positief): Teruggekoppeld signaal in fase (0°)
- Tegenkoppeling effect: Vermindert versterking en vervorming, stabiliseert
- Ontkoppelcondensator: Heft tegenkoppeling op voor wisselstroom, behoudt gelijkstroominstelling
- Gestabiliseerde voeding: Gebruikt tegenkoppeling met referentiespanning
- Meekoppeling effect: Kan oscillatie veroorzaken als rondgaande versterking ≥ 1
- Oscillator: Schakeling die zelf wisselspanning opwekt door meekoppeling
- Oscillator ingredienten: Versterker + in-fase terugkoppeling + voldoende teruggekoppeld vermogen
- LC-oscillator: Afstembaar, matig stabiel, temperatuurafhankelijk
- Kristaloscillator: Zeer stabiel, nauwelijks afstembaar, kwarts trilt in vaste frequentie
- Omhullende: Kromme die de toppen van sinussen verbindt