Sub-laagspanning elektronica
Vooral op het gebied van PC's is het goed te merken dat gestreefd wordt naar steeds lagere werkspanningen. Was vroeger 5 Volt de norm, tegenwoordig draait alles op 3,3 V en de kern van de CPU op een nog lagere spanning. Enkele draagbare toestellen nemen genoegen met de spanning van een penlight of knoopcel.
Maar... het kan nog veel lager...
In de foto hiernaast is de opgebouwde hartley oscillator te zien werkend bij 10 mV. De voeding is hier een peltier element die de vereiste voedingsspanning levert door deze lichtjes met een vinger aan te raken.
J-FET als actief element
In schakelingen die op extreem lage spanningen werken is de Junction-FET uitermate geschikt als versterkend element. Deze hebben in tegenstelling tot bipolaire transistoren geen last van een PN-overgangsspanning die bij kleine stromen zo'n 500 tot 600 mV bedraagt.
Bij een junction-FET zal er reeds een drainstroom vloeien als de spanning over de gate en source 0 volt bedraagt. Bij lage drain-source spanningen Uds volgt de drainstroom hiermee lineair zoals te zien in figuur 2.
Dat er een drainstroom loopt is één, de tweede voorwaarde is dat er voldoende versterking is bij lage spanningen. In figuur 3 is te zien dat de versterking (Gain) afhankelijk is van de spanning over de drain-source. De versterking wordt uitgedrukt in verandering van drainstroom per verandering in gate-source spanning: G = ΔId / ΔUgs.
Keuze type J-FET
Van de vier J-FET's die voor deze test voorhanden waren blijkt de BF245A de meest gunstige eigenschappen te hebben. Deze heeft de laagste stationaire stroom en tevens de hoogste gain. Hoogst waarschijnlijk bestaan er types die nog gunstiger eigenschappen hebben, maar hier is niet mee getest.
Hartley oscillator
Voor het ontwerp van een extreem laagspannings-oscillator is gekozen voor de Hartley versie. Bij dit type oscillator bestaat een directe DC-koppeling tussen de gate en source via N1 van de transformator. Hiermee is de gelijkspanningsinstelling Ugs = 0 V van de J-FET gerealiseerd.
Om de oscillator bij 10 millivolt voedingsspanning te laten functioneren bleek de versterking van één J-FET niet voldoende te zijn. Door er twee parallel te schakelen kon wel voldoende versterking worden gecreëerd.
De oscillatie frequentie bedraagt ongeveer 20 kHz en de uitgangsspanning is zo'n 1,2 V. Bij 10 mV bedraagt de opgenomen stroom 70 µA.
De energie die deze oscillator levert is zeer gering. De belasting van een meetinstrument kan al te groot zijn om deze te laten functioneren. Bij de test is gemeten met een oscilloscoop en een 1:10 probe die een ohmse weerstand heeft van 10 MΩ en een capaciteit van 12 pF.
De transformator
De wikkelverhouding van de trafo zorgt ervoor dat er voldoende AC spanning op de gate staat om de oscillator te laten werken. De trafo is gewikkeld op een Amidon EA-77-188 kern. N1 bestaat uit 900 windingen Ø0,1 mm CuL-draad. N2 heeft 4 wikkelingen van een band messing met een dikte van 50 µm.