ハートレー発振器：安定した振幅を実現する信頼性の高い可変周波数ソリューション

電子発振器は、直流電力を交流信号に変換する電子回路です。周波数選択フィルタの種類により、RC発振器とLC発振器に大別されます。ラジオ受信機やRF発振器として最もよく見られるのがハートレー発振器です。アームストロング発振器の改良版で、周波数調整が容易という特徴があります。本記事ではその動作、構成、特性について詳しく解説します。

電子発振器

ハートレー発振器とは？

1915年にラルフ・ハートレーによって発明されたハートレー発振器は、調和発振器の一種です。LC発振器（インダクタとコンデンサで構成される回路）が発振周波数を決定します。ラジオ周波数帯の波を生成できるよう調整可能なため、RF発振器として知られています。出力される正弦波のRFレンジは30kHz〜30MHzです。

シンプルなハートレー発振器

この発振器の特徴は、1つのコンデンサと2つのタップ付きインダクタが並列接続された同調回路を持ち、インダクタのセンタータップから発振に必要な帰還信号を取り出す点にあります。

ハートレー発振器の動作原理と回路図

ハートレー発振器は、以下の回路図に示す各部品で構成され、それぞれ異なる役割を果たします。

ハートレー発振器回路図

R1, R2, RE：回路に必要なバイアスを供給
C1, C2：結合コンデンサとして機能
RFC（高周波チョークコイル）：DCとACの条件を分離。DCではリアクタンスがほぼゼロでDC経路に影響せず、高周波ではリアクタンスが大きく開放回路とみなせます
トランジスタ増幅器：180°の位相シフトを提供
L1, L2, C：タンク回路を構成し、発振周波数を生成

動作原理は以下の通りです。

DC電源電圧(VCC)を印加すると、トランジスタのコレクタ電流が増加し、タンク回路のコンデンサが充電され始めます。
完全充電後、コンデンサはL2とL1を通じて放電を開始します。
コンデンサの放電に伴い、インダクタが充電されます。

(インダクタコイル)

注記

コンデンサは電界に、インダクタは磁界にエネルギーを蓄えます。したがって、コンデンサが完全放電するとインダクタが自動的に充電を開始し、その逆もまた然りです。

この連続的な充放電により、出力には正弦波発振が現れます。振幅が徐々に減衰するため、出力信号は主に減衰発振となります。振幅減少の原因はインダクタの内部抵抗による熱損失(I²R)です。
タンク回路はポイントBとA間で180°の位相シフトを生じます。ポイントCは接地されています。したがってBが負ならAは正になります。
発振を持続させるには、減衰正弦波を増幅する必要があります。タンク回路の出力を共通エミッタ構成のトランジスタに入力し、正弦波信号を増幅します。
増幅された出力は、インダクタL1とL2の相互インダクタンスを介して帰還信号/エネルギーとしてタンク回路に戻されます。
タンク回路のコンデンサは、トランジスタからの増幅出力による充電エネルギーを受けてさらに正弦波発振を生成します。
別の見方をすると、増幅出力がタンク回路の熱損失を補償します。これにより、振幅が減衰する代わりに、動作周波数範囲で一定の出力振幅が維持されます。

ハートレー発振器の発振周波数

タンク回路が生成する発振周波数は、一般的な並列共振回路と同様に計算できます。式は以下の通りです。

Cはタンク回路のC1の容量です。ハートレー発振器ではタンク回路に2つのインダクタを使用するため、等価インダクタンスは：

L_eq = L₁ + L₂

コイル間の相互インダクタンスMも考慮すると：

L_eq = L₁ + L₂ + 2M

最終的に発振周波数は：

様々な構成のハートレー発振器

シャント給電型ハートレー発振器

共通エミッタ構成を採用します。

シャント給電型ハートレー発振器

単一電源電圧を使用する場合、分圧抵抗R_BとR1が固定バイアスを供給します。C1はエミッタスワンピング抵抗R_Eをバイパスし、温度安定化を図ります。インダクタL3がコレクタをシャント給電し、C3が結合コンデンサ兼DCブロッキングとして機能し、コレクタのショートを防ぎます。同様にC2はベースブロッキング結合コンデンサとして、ベースとグランド間のショートを防ぎます。