Eerder verschenen in het Radio Historisch Tijdschrift nummer 198 van november 2026.
In veel schakelingen komen configuraties voor die kunnen oscilleren, vaak gewenst maar soms ook ongewenst. Bij de cursus Radiotechniek, die ik sinds september 2025 volg, wordt in Les 8 van de overigens zeer leesbare syllabus dat onderwerp behandeld. Nou leert de ervaring dat het goed uitleggen van de werking van een oscillator nog niet zo eenvoudig is. Ook het boekje Electronica van prof. Dr. H. de Waard waarnaar in de syllabus verwezen wordt laat het op dit punt afweten. Zelfs het populaire en veel geprezen boek The Art of Electronics van Paul Horowitz en Winfield Hill blijkt hier onvolledig.
Toch is het niet zó moeilijk om de principes achter een oscillerende schakeling te begrijpen en te zien hoe een stabiele oscillatie tot stand kan komen. Dat is niet alleen nuttig bij het ontwerpen van schakelingen maar zeker ook bij het foutzoeken.
Oscillatievoorwaarde
Bij een oscillatorschakeling gaat het bijna altijd om een versterker met terugkoppeling. Het bijzondere in dit geval is, dat bij een bepaalde amplitude van het uitgangssignaal de rondgaande versterking precies +1 bedraagt. Zowel het plusteken als de 1 hebben een betekenis hier.
Het plusteken staat voor het feit dat er geen fasedraaiing in de rondgaande versterking mag optreden. Met die conditie wordt de frequentie vastgelegd. Bijvoorbeeld bij een gekoppelde LC-kring als in Figuur 2 is dat die frequentie waarbij faseresonantie optreedt, dus waar de fase precies 0 is; zie de rode lijn in Figuur 1 die op het punt waar de paarse hulplijnen snijden door nul gaat.
De 1 betekent dat er geen versterking of verzwakking optreedt in de lus. Echter, om een oscillerende schakeling op te starten is het wel degelijk nodig dat aanvankelijk de rondgaande versterking groter is dan 1. Dat levert veel verwarring bij een eerste analyse van een oscillerende schakeling. In het vervolg wordt duidelijk gemaakt waarom dat nodig is en hoe hier mee om wordt gegaan.
Automatische roosterinstelling
Om de rondgaande versterking van een oscillatorschakeling te bestuderen knippen we de terugkoppellus (van Uu naar Ui) open. We doen dit voor de eenvoudige Meissner oscillator, zie figuur 2.
Aan de ingang van de oscillator sluiten we een HF-wisselspanningsbron met een verwaarloosbare uitgangsimpedantie aan. De ingangsspanning Ui wordt via de koppelcondensator Cg aan het rooster van de triode aangeboden. Samen met de roosterlekweerstand Rg heeft dit RC-netwerkje een tijdconstante van ongeveer 10x de periode van het HF-signaal. We beperken ons voorlopig tot dit deel van de schakeling, de roostercondensator en -weerstand, en bestuderen de roosterspanning en -stroom, zie Figuur 3.
Op het moment dat de HF-wisselspanningsbron wordt ingeschakeld is de koppelcondensator Cg ontladen. Maar bij het eerste positieve deel van de sinusvormige spanning komt er daardoor gelijk een positieve spanning op het rooster waardoor die stroom begint te voeren naar de kathode. De condensator wordt hierdoor snel opgeladen. Tijdens het negatieve deel van de HF-spanning ontlaadt de condensator weer een beetje om bij het volgende positieve deel weer wat bij te laden, enz. In feite is de werking van dit deel van de schakeling niets anders dan van een detectieschakeling. Alleen wordt nu niet de spanning afgenomen over de condensator maar over de diode gevormd door rooster en kathode.
Het resultaat is dat bij elke aangeboden HF-wisselspannings-amplitude automatisch een negatieve roostervoorspanning ontstaat, zodat de roosterspanningsvariatie praktisch uitsluitend negatief is. Deze automatische roosterinstelling is een essentieel aspect van de oscillatorschakeling.
Lineaire versterking
De wisselspanning aan de uitgang van de opengeknipte Meissner oscillator van Figuur 2 ontstaat door de variaties in de anodestroom. We gaan er daarbij van uit dat de kring is afgestemd op de aangeboden frequentie. Dat heeft twee gevolgen. In de eerste plaats worden alle anodestroomcomponenten met een andere frequentie zwaar onderdrukt. In de tweede plaats vormt de kring voor de aangeboden frequentie een zuivere weerstand van de orde van 10-100 kΩ die bepaald wordt door de verliezen van de spoelen.
In Figuur 4 is de Ia-Vg-karakteristiek van de triode schematisch weergegeven door een rechte lijn. In werkelijkheid is deze karakteristiek natuurlijk vrij krom, maar dat is voor dit deel van het betoog niet van belang. Aan het eind komen we hierop terug.
Zo lang de ingangsamplitude kleiner blijft dan de halve roosterruimte, Δ/2, versterkt de schakeling, bestaande uit triode en gekoppelde LC-kring, lineair. Een voorbeeld is weergegeven in Figuur 4. Zoals hiervoor besproken wordt een aangeboden ingangsspanning door het ingangscircuit (roostercondensator, -weerstand en rooster-kathode-diode) zo ingesteld dat de gehele roosterspanningsvariatie negatief is. Daardoor varieert de anodestroom tussen de maximale anodestroom en een door de roosterspanningsamplitude bepaalde waarde boven nul; in Figuur 4 is dit aangegeven door de blauw gestippelde lijnen.
De versterking van deze schakeling wordt bepaald door de steilheid van de triode en de effectieve weerstand gevormd door de gekoppelde LC-kring en de impedantie van de buis. Door deze versterking groter dan 1 te kiezen zal, bij gesloten terugkoppellus, een kleine amplitude van de resonantiefrequentie steeds verder groeien. Totdat de roosterruimte wordt overschreden.
Amplitude-afhankelijke versterking
Wanneer een ingangsspanning wordt aangeboden die groter is dan de roosterruimte zal vervorming optreden. In Figuur 5 is die situatie weergegeven. De roosterspanningsvariaties zijn praktisch volledig negatief door de werking van de ingangsschakeling zoals eerder beschreven.
De anodestroomvariaties zijn nu echter tussen nul en maximum. Het gedeelte van de ingangsspanning dat resulteert in een roosterspanning die kleiner is dan -Δ leidt tot blokkering van de anodestroom. Het nettoresultaat is dat die anodestroom niet langer helemaal sinusvormig is: er is een stukje van de onderkant afgeknabbeld. Naarmate de ingangsspanning groter is, zal er meer afgeknabbeld worden. In feite wordt de schakeling ingesteld als klasse C versterker voor grotere ingangsamplitudes.
De anodestroom is nu een vervormde sinus en slechts het deel van de stroom met de opgelegde frequentie zal door de gekoppelde LC-kring doorgelaten worden. In Figuur 5 is dat met de rode stippellijn weergegeven. De hogere frequentiecomponenten van de vervormde roosterstroom worden niet doorgelaten.
Hoeveel die amplitude kleiner is kan worden berekend met zogenaamde Fourieranalyse [3]. Laten we hier voor de eenvoud even aannemen dat de resulterende amplitude van de uitgangsspanning gelijk is aan de maximale anodestroomamplitude maal de effectieve weerstand gevormd door de gekoppelde LC-kring. In dat geval blijft met toenemende ingangsspanning de uitgangsspanning constant. Dat betekent dat nu de versterking kleiner is geworden dan in het lineaire geval dat we hiervoor bespraken. Immers, de ingangsspanning is groter terwijl de uitgangsamplitude constant blijft. Naarmate de amplitude van het ingangssignaal groter wordt neemt de versterking nog meer af. Er is dus nu sprake van amplitude-afhankelijke versterking!
Als we de versterking van deze schakeling nauwkeuriger zouden berekenen, door de niet-lineariteit van de steilheidsgrafiek in aanmerking te nemen en de Fourieranalyse precies uit te voeren, dan is het effect nog sterker dan hierboven beschreven. Maar de essentie is dezelfde: voor ingangssignalen kleiner dan de roosterruimte is de versterking van de schakeling groter dan 1 en voor ingangssignalen groter dan de roosterruimte neemt de versterking af met toenemende amplitude. Het zij duidelijk dat er een ingangsamplitude bestaat waarvoor de versterking precies 1 bedraagt.
De lus gesloten
Laten we nu de lus van de schakeling in Figuur 2 sluiten: het uitgangssignaal van de gekoppelde LC-kring wordt aangesloten op de ingang. De lineaire versterking van de triodeschakeling samen met de gekoppelde LC-kring zal zo worden gedimensioneerd dat die wat groter is dan 1. Bij opstarten zal de rondgaande versterking ervoor zorgen dat de amplitude steeds verder groeit. Die groei zet door totdat de anodestroom begint te vervormen. De versterking neemt dan af totdat de amplitude van het uitgangssignaal zo groot is dat de rondgaande versterking gelijk is aan 1.
Die instelling is stabiel, want als de amplitude per ongeluk wat kleiner wordt neemt de versterking toe zodat de amplitude weer kan groeien. En omgekeerd, als de amplitude wat groter dreigt te worden dan neemt de rondgaande versterking af en zal de amplitude weer afnemen.
Conclusie
De oscillatieconditie “rondgaande versterking +1” heeft twee aspecten: er mag geen fasedraaiing optreden in de rondgaande versterking én de versterking moet zich kunnen stabiliseren op precies 1 maal. Om dat te bewerkstelligen heeft een oscillatorschakeling een amplitude-afhankelijke versterking, die precies 1 is bij de geschikte amplitude. Voor kleinere amplitudes is de versterking groter dan 1 en bij grotere amplitudes neemt de versterking af met de amplitude. In het behandelde voorbeeld wordt de versterking geleverd door een triode met automatische roostervoorspanning.
Een andere mogelijkheid om amplitudeafhankelijke versterking te maken is met behulp van een gloeilamp met een spanningsafhankelijke weerstand. Philips laagspanningsgeneratoren hadden zo’n inrichting.
Eindnoten
[1] Het gekoppeld LC-netwerk is gesimuleerd met LT-spice (Analog Devices Inc.) door twee ideaal gekoppelde spoelen van 150 μH met een verliesweerstand van 10 Ω en een condensator van 150 pF. De triode is gesimuleerd als een stroombron met een inwendige weerstand van 10 kΩ.
[2] Een eenvoudig detectienetwerk bestaande uit een weerstand, condensator en diode is gesimuleerd met LT-spice (Analog Devices Inc.) om bij inschakelen de spanning over de diode te kunnen schetsen.
[3] Met Fourieranalyse kan elke willekeurige periodieke functie met een bepaalde frequentie worden ontbonden in een superpositie van sinusvormige componenten met frequenties die veelvouden zijn van de originele frequentie. Vaak is er ook sprake van een constante bijdrage die het gemiddelde van de periodieke functie representeert. Nadere informatie over deze analysemethode is te vinden bij het betreffende lemma van Wikipedia.