====== Oszillatoren ====== * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Oszillatorschaltung]] * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Huth-K%C3%BChn-Schaltung|Huth-Kühn-Schaltung]] * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Franklin-Oszillator|Franklin-Oszillator]] * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentakt-Oszillator|Gegentakt-Oszillator]] * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Sperrschwinger|Sperrschwinger]] * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Wien-Robinson-Br%C3%BCcke|Wien-Robinson-Brücke]] * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Stimmgabeluhr|Stimmgabeluhr]] ===== Berechnungen am Parallelresonanzschwingkreis ===== * [[https://www.elektroniktutor.de/analogtechnik/par_swkr.html|Der Parallelschwingkreis]] * [[https://www.electronics-tutorials.ws/de/actheorie/parallele-resonanzschaltung.html|Parallele Resonanzschaltung]] * [[https://www2.hs-fulda.de/~pfisterer/et/et11.pdf|Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik - SCHWINGKREISE (Versuch 11)]] In einem Resonanzschwingkreis werden die Eigenschaften durch folgende Parameter bestimmt * Die Kapazität bestimmt im wesentlichen * Die Resonanzfrequenz * Die Induktivität bestimmt im wesentlichen * Die Bandbreite * und somit die Schwingkreisgüte * Den Widerstand * Der Widerstand bestimmt im wesentlichen * Die max. Amplitude Die Energieverluste sind proportional zum ohmschen Widerstand oder Leitwert. Der Verlustfaktor einer realen Spule errechnet sich als Quotient aus dem ohmschen Widerstand des Parallelschwingkreises (R) und Blindwiderstand (X). Beim realen Kondensator ist der ohmschen Widerstand vernachlässigbar klein (kaum messbar). Die Bestimmung des Verlustfaktors geht, wie es derzeit üblich ist, von der Reihenersatzschaltung des realen Kondensators aus. Die Güte ist der Kehrwert des Verlustfaktors. Je kleiner der ohmschen Widerstand ist, desto idealer verhält sich das Bauteil. Für den Energieverlust, in Form von Wärme, ist in erster Linie der ohmsche Drahtwiderstand der Spule verantwortlich. Die Spule bestimmt folglich mit ihrer geringeren Güte die Leerlaufgüte des Parallelschwingkreises. ohmscher Widerstand der Spule = Rl ohmscher Widerstand des Kondensators = Rc ~ 0 Induktivität der Spule = L Kapazität des Kondensators = C ohmscher Widerstand des Parallelschwingkreises = R ~ Rl Resonanzfrequenz = fo Blindwiderstand = X Schwingkreisgüte = Q fo = 1 / (Pi * Wurzel(L * C)) R = Rl + fo^2 * L^2 / Rl X = L * (1 / Wurzel(L*C)) Q = X / R Q = L * (1 / Wurzel(L*C)) / R Q = Wurzel(L / C) / R Schwingkreis mit sehr schlechter Güte ===================================== Induktivität der Spule = L = 1 mH Kapazität des Kondensators = C = 1000 nF ohmscher Widerstand des Parallelschwingkreises = R = 10 Ohm Resonanzfrequenz = fo = 5032.9 Hz Blindwiderstand = X = 3162 Ohm Schwingkreisgüte = Q = 316,2 Ohm Resonanzfrequenz: fo = 1 / (Pi * Wurzel(L * C)) > echo "1 / (2 * (4*a(1)) * sqrt(0.1 * 0.00000001))" | bc -l 5032,92121044870412899409 Blindwiderstand : X = Wurzel(L / C) > echo "sqrt(0.1 / 0.00000001)" | bc -l 3162,27766016837933199889 Schwingkreisgüte: Q = Wurzel(L / C) / R > echo "sqrt(0.1 / 0.00000001) / 10" | bc -l 316,22776601683793319988 Schwingkreis mit durchschnittlicher Güte ======================================== Induktivität der Spule = L = 10 mH Kapazität des Kondensators = C = 100 nF ohmscher Widerstand des Parallelschwingkreises = R = 20 Ohm Resonanzfrequenz = fo = 5032.9 Hz Blindwiderstand = X = 316.2 Ohm Schwingkreisgüte = Q = 15.8 Ohm Resonanzfrequenz: fo = 1 / (Pi * Wurzel(L * C)) > echo "1 / (2 * (4*a(1)) * sqrt(0.01 * 0.0000001))" | bc -l 5032,92121044870412899409 Blindwiderstand : X = Wurzel(L / C) > echo "sqrt(0.01 / 0.0000001)" | bc -l 316,22768996210284371218 Schwingkreisgüte: Q = Wurzel(L / C) / R > echo "sqrt(0.01 / 0.0000001) / 20" | bc -l 15,81138830084189665999 Schwingkreis mit sehr großer Güte ================================= Induktivität der Spule = L = 100 mH Kapazität des Kondensators = C = 10 nF ohmscher Widerstand des Parallelschwingkreises = R = 40 Ohm Resonanzfrequenz = fo = 5032.9 Hz Blindwiderstand = X = 31,6 Ohm Schwingkreisgüte = Q = 0,79 Ohm Resonanzfrequenz: fo = 1 / (Pi * Wurzel(L * C)) > echo "1 / (2 * (4*a(1)) * sqrt(0.001 * 0.000001))" | bc -l 5032,92121044870412899409 Blindwiderstand : X = Wurzel(L / C) > echo "sqrt(0.001 / 0.000001)" | bc -l 31,62277660168379331998 Schwingkreisgüte: Q = Wurzel(L / C) / R > echo "sqrt(0.001 / 0.000001) / 40" | bc -l 0,79056941504209483299 Ohne Dämpfung durch angeschlossene Baugruppen ist der Blindwiderstand (X) vom Verlustwiderstand der Spule bestimmt. Ohne Dämpfung durch angeschlossene Baugruppen wird die Schwingkreisgüte praktisch nur von der Güte der Spule bestimmt, da sich der Kondensator in der Praxis fast wie ein ideales Bauteil verhält. ===== einfache Sinus-Oszillatoren ===== === Meißner-Oszillator === +------------------------+-------o +Ub | | +---+---- -----------o | | )|( L3 Ausgang | | C L1 )| -----------o | ===== )| ----+ | | )|( L2 | +-+ | )|( | | | +---+---- ----|---------->| | R | | | | \ | +-+ K \ | | | \| | | |-------+ | /| B | E < | | / | | | --- --- Bt = Transistor-Verstaerkungsfaktor (meistens: 100; ca. 10 ... 1000) 'Windungszahl L2' ~ 'Windungszahl L1' / Bt An der Basis des Transistors sollte, mit offenem Kollektor, ca 0,6V anliegen (er sollte mit diesem Wert gerade noch speren, ein Siliziumtransistor oeffnet bei ca. 0,7V). Als Ausgang kann eine weitere Wicklung auf den Spulenkern aufgebracht werden (wie in der Skizze mit L3 angedeutet) oder es kann auch ein Kondensator an den Kollektor angeschlossen werden. Es ist auch moeglich, statt des einen Schwingkreiskondensators, zwei Kondensatoren in Reihe zu verwenden und den Ausgang zwischen den beiden Kondensatoren abzugreifen. Jede dieser Abgriffsmethoden hat seine Vor- und Nachteile. === Meissner-Oszillator in Emitterschaltung === * [[http://elektroniktutor.de/signalkunde/meissner.html]] +---------------------+-------------------o Ub 12V | | | +----+ +---+---+ | | | | | +-+ | )|( | | | | )|( | | | R1 | L2 )|( L1 ===== | | | )|( | C1 +-+ | )|( | | | | | | | | | +---+---+ | | --- | | C2 | | | ===== / | | | / K | | |/ +--------+--------| T1 | |\ | | > E | \ | | | +----------+ | | | +-+ +-+ | | | | | | | | R2 | | R3 ===== | | | | | C3 +-+ +-+ | | | | --- --- --- R1 = 56 kOhm R2 = 10 kOhm R3 = 330 Ohm C1 = 10 nF C2 = 100 nF C3 = 4,7 nF L1 = 1 mH T1 = Si-NPN Ic=1,5mA / B=100 / q=5 / Ube=0,7V fres ~ 50 kHz === Meissner-Oszillator in Basisschaltung === * [[http://elektroniktutor.de/signalkunde/meissner.html]] +---------------------+----------------+--------o Ub | | | | +---+---+ +----+ | | | | | | | +-+ | L1 )|( --- | | | |/ )|( | | | R1 ===== )|( L2 | | | /| C1 )|( | +-+ | )|( | | | | | | | +---+---+ | | | | | | | / | | | | / K | | | |/ | | +---------+-------| T1 ===== ===== | | |\ | C2 | C4 | | | > E | | | | \ | | | | | | | | | +-------+ | | | | | +-+ | +-+ | | | | | | | | | R2 ===== | | R3 | | | | C3 | | | +-+ | +-+ | | | | | --- --- --- --- === Hartley-Oszillator in Basisschaltung === * [[http://elektroniktutor.de/signalkunde/hartley.html]] +---------------------+-------------------+--------o Ub 10V | | | | +---+---+ | | | | | +-+ | ) L1 | | | |/ )-----+ | | | R1 ===== ) | | | | /| C1 ) | | +-+ | ) L2 | | | | | | | | +---+---+ | | | | | | | / | | | | / K | | | |/ | | +---------+-------| T1 ===== ===== | | |\ | C2 | C4 | | | > E | | | | \ | | | | | | | | | +----------+ | | | | | +-+ | +-+ | | | | | | | | | R2 ===== | | R3 | | | | C3 | | | +-+ | +-+ | | | | | --- --- --- --- R1 = 150 kOhm R2 = 39 kOhm R3 = 2,2 kOhm C1 = 500 pF C2 = 100 nF C3 = 10 uF C4 = 10 uF L1 = 1 µH L2 = 10 µH T1 = Si-NPN fres ~ 2 MHz === Colpitts-Oszillator in Basisschaltung === * [[http://elektroniktutor.de/signalkunde/colpitts.html]] +---------------------+----------------+--------o Ub 10V | | | | +---+---+ | | | | C1 | +-+ ( ===== | | | ( | | | | R1 ( L1 +------+ | | | ( | | | +-+ ( ===== | | | | | C2 | | | +---+---+ | | | | | | | / | | | | / K | | | |/ | | +---------+-------| T1 | ===== | | |\ | | C4 | | | > E | | | | \ | | | | | | | | | +----------+ | | | | | +-+ | +-+ | | | | | | | | | R2 ===== | | R3 | | | | C3 | | | +-+ | +-+ | | | | | --- --- --- --- R1 = 150 kOhm R2 = 33 kOhm R3 = 1 kOhm C1 = 10 nF C2 = 1 nF C3 = 1 uF C4 = 1 uF L1 = 10 µH T1 = Si-NPN fres ~ 1,6 MHz ===== einfache Differenzverstärker-Oszillatoren ===== * [[http://de.wikipedia.org/wiki/Oszillatorschaltung#Oszillatorschaltungen_mit_Differenzverst.C3.A4rkern|Oszillatorschaltungen mit Differenzverstärker]] Moderne Oszillatoren vermeiden die Nachteile der vor etwa 100 Jahren erfundenen klassischen Oszillatorschaltungen (wie Meißner-Schaltung, Hartley-Schaltung, Colpitts-Schaltung), die bei ungünstiger Dimensionierung der Bauelemente unerwünschte parasitäre Schwingungen auf einigen Giga-Hertz erzeugen können, zu tieffrequenten Kippschwingungen neigen, oder eine merklich von der Sinusform abweichende Schwingungsform besitzen. Eine mögliche Schaltung verwendet einen Differenzverstärker mit zwei Transistoren und zeichnet sich durch sehr gutmütiges Verhalten aus. Die spektrale Reinheit der erzeugten Schwingung wird besser, wenn die Rückkopplung so schwach ist, dass sie für ein sicheres Anschwingen gerade ausreicht. Bei Differenzverstärkern setzt die Amplitudenbegrenzung auch sanfter ein als bei anderen Oszillatorschaltungen. Das verringert den Oberwellengehalt. Will man die Schaltungen unten, so aufbauen, dass der Schwingkreis nicht an der heißen Ader, sondern auf Null-Potential liegt und der Wiederstand an der heißen Ader, dann muß man PNP-Transistor statt NPN-Transistore verwenden. Diese Schaltung schwingt auf der Frequenz, auf der sowohl der Schwingkreis als auch der entsprechende Transistor-Emitter-Widerstand, den gleichen Widerstand haben. === Differenzverstärker-Oszillator - Grundschaltung === R1 ~ Rres ( Ub - Ube ) / 2Ube Rres = L1 / (C * Rv) Rv = (SQR (L1 / C)) / Q Q = (1 / Rv) * SQR (L1 / C) d = 1 / Q fres = 1 / (2 * Pi * (SQR (L1 * C))) Pi = 3.1416 SQR = Quadratwurzel Ub = Betriebsspannung des Schaltkreises Ube = Basis-Emiter-Spannung des Transistors (Siliziumtransistor ==> ca. 0,7V) F = Frequenz des Schwingkreises in Hertz (Hz) L1 = Induktivitaet der Schwingkreisspule in Hanry (H) C = Kapazitaet des Kondensators in Farad (F) Q = Guete des Schwingkreises (meistens: 100 ... 1000) d = Daempfung des Schwingkreises (meistens: 0,01 ... 0,001) R = der einzige physikalische Widerstand in der Schaltung Rv = Verlustwiderstand des Schwingkreises Rres = Resonanzwiderstand des Parallelresonanzschwingkreises fres = Resonanzfrequenz des Schwingkreises +------------------+----------+---------------o +Ub | | | | +---+--- | | | ) | | | C ) L1 | | ===== ) | | | ) | | | ) | | +---+--- | | | | || | +----------+----------|-------+--||---o A | | | | || | / \ | | | / K K \ | | | |/ \| | +---| T1 T2 |---+ B |\ /| B | > E E < | \ / | | +----------+----------+ | +-+ | | | | R | | +-+ | --- Beispiel: Ub = C = 100 nF (0,00 000 000 1 F) L1 = 0,1 mH (0,00 01 H) fres ~ 500 kHz (500 000 Hz) Q ~ 105 R ~ 55 kOhm === Differenzverstärker-Oszillator mit Basis-Spannungsteiler === [[https://www.mikrocontroller.net/topic/327101|Oszillation mit 2 Transistoren]] +---------+---------+-----------+-----o +Ub | | | | +-+ | +---+--- +-+ | | | | ) | | | | R2 | | C1 ) L1 | | R3 | | | ===== ) | | +-+ | | ) +-+ | | | ) | | | +---+--- | | | | | | | || C2 | || C3 | +---------|---||----+---||------|-----o A | | || | || | | | | | | / \ | | | / K K \ | | | |/ \| | +-----| T1 T2 |-------+ | B |\ /| B | | | > E E < | | | \ / | | | | | | +----+----+ | | | | +-+ +-+ +-+ | | | | | | | | R4 | | R1 | | R5 | | | | | | +-+ +-+ +-+ | | | --- --- --- Beispiel: Ub = 12 Volt C = 100 pF (0,00 000 000 000 1 F) -> Alle drei Kondensatoren sind gleich groß. L1 = 50 Windungen fres ~ 1 MHz (1 000 000 Hz) R1 ~ 5 kOhm R2 ~ 330 kOhm R3 ~ 330 kOhm R4 ~ 100 kOhm R5 ~ 100 kOhm ===== Oszillatoren mit hoher Frequenzstabilität ===== ==== hilfreiche Informationen aus dem Kurzwellen-Amateufunk-Bereich über L/C-Oszillatoren ==== Damit sich Änderungen der Transistorkapazitäten und -leitwerte möglichst wenig auf die Schwingfrequenz (Oszillatorfrequenz) auswirken, koppelt man den Transistor lose an den Schwingkreis an. Zu diesem Zweck wird der Oszillatorschwingkreis für die Transistorelektroden angezapft. Dadurch kann man das L/C-Verhältnis des Schwingkreises beliebig wählen und dennoch die die Ankopplung des Transistors lose halten. __Das ist beim [[http://de.wikipedia.org/wiki/Mei%C3%9Fner-Schaltung|Meißner-]], [[http://de.wikipedia.org/wiki/Colpitts-Schaltung|Colpitts-]] und [[http://de.wikipedia.org/wiki/Hartley-Schaltung|Hartley-Oszillator]] nicht der Fall.__ Deshalb werden die folgenden Oszillator-Schaltungen bevorzugt eingesetzt, wenn höchste Frequenzstabilität gefordert wird: - [[http://de.wikipedia.org/wiki/Clapp-Schaltung|Clapp-Oszillator]] - [[https://de.wikipedia.org/wiki/Seiler-Oszillator|Seiler-Oszillator]] - [[http://de.wikipedia.org/wiki/Vack%C3%A1%C5%99-Oszillator|Vackar-Oszillator]] - Lampkin-Oszillator - Drake-Oszillator Da Spulen eine niedrigere Güte als Kondensatoren aufweisen, muß man vor allem die Spulengüte maximieren. Unter den einlagigen Zylinderspulen mit gleicher Geometrie, aber unterschiedlicher Windungszahl hat im Kurzwellenbereich die Spule die höchste Güte, deren Eigenresonanzfrequenz etwa fünfmal höher als die Betriebsfrequenz ist. Ihre Induktivität nennt man //optimale Induktivität//. Für die Frequenzstabilität hat die Frage, ob man eine Emitter-, Kollektor- oder Basisschaltung verwendet, keine Bedeutung. Allerdings verwendet man praktischerweise immer die Schaltung, bei der man ohne zusätzliche Drossel den Rotor des Drehkondensators erden kann: - Seiler-Oszillator -> Kollektor-Schaltung - Vackar-Oszillator -> Emitter-Schaltung Leider ist es unvermeidlich, das sich beim durchstimmen der einzelnen Oszillator-Schaltungen, durch die daraus resultierende Änderung des Rückkopplungsfaktors auch die Schwingungsamplitude ändert.\\ Die einzelnen Oszillator-Schaltungen ändern die Schwingungsamplitude beim Herausdrehen des Drehkondensators in folgender weise: - Clapp-Oszillator -> Schwingungsamplitude nimmt ab (die Änderung ist größer als bei den Oszillatoren nach //Seiler//, //Lampkin// und //Drake//); - Seiler-Oszillator -> Schwingungsamplitude wird größer; - Vackar-Oszillator -> Schwingungsamplitude kann durch die richtige Wahl der Kondensatoren, sehr gut ausgeglichen werden; - Lampkin-Oszillator -> Schwingungsamplitude wird größer; - Drake-Oszillator -> Schwingungsamplitude wird größer; Der Vackar-Oszillator nimmt eine Zwischenstellung ein und kann bei richtiger Wahl der Kondensatoren, den größten Durchstimmbereich mit nahezu gleichbleibender Schwingungsamplitude erreichen. Der Lampkin-Oszillator erzielt leicht ein hohes Transformationsverhältnis, das oft bei tiefen Frequenzen benötigt wird. Bei Varikapabstimmung erreicht er den größten Durchstimmbereich. Beim Lampkin- und die Drake-Oszillator ist zu beachten, das sich der Rückkopplungsfaktor bei Spulenanzapfung nur schwer berechnen lässt und man ihn später auch nur schwer abändern kann. Im Kurzwellen-Amateufunk-Bereich wird der __Seiler-Oszillator__ gerne verwendet. Um die Temperaturstabilität eines Schwingkreises weiter zu steigern, sollte man zwei Maßnahmen bei der Herstellung ergreifen: - es sollte möglichst dicker Kupferdraht verwendet werden; - die fertige Spule muss mehrfach möglichst großen Temperaturschwankungen unterzogen werden (Tempern) => Backofen/Kühlschrank; - die getemperte Spule muss zum Schutz vor Feuchtigkeit in niedrigschmelzendem Wachs getränkt werden; === Seiler-Oszillator === R1 = 100 Ohm R2 = 300 Ohm R3 = 120 kOhm R4 = 33 kOhm R5 = 4,7 kOhm (Beispiel) R6 = 3,3 kOhm (Beispiel) C1 = 22 nF ("gross") C2 = 39 pF C3 = 3,9 nF C4 = 3,8 nF C5 = 10 pF ("klein" -> Koppelkondensator zum auskoppeln der HF-Spannung) Ct = 0,8-4,5 pF (Trimmkondensator zum justieren) Cd = 2-12 pF (Drehkondensator zum durchstimmen) L1 = 18,4 µH T1 = SF137d (Oszillatortransistor) T2 = SF245,BF199,KT339B (Transistor der Trennstufe) Fo = Oszillationsfrequenz: 5-5,5 MHz +----------+--------------------o 12V | | +-+ +-+ | | | | | | R1 | | R5 | | | | +-+ +-+ | | +----------+---------+ | +--------o Ausgang | | | | | +-------+-------+-------+ | | | | | | | | | | | | | | | | | | +-+ | | | | | | | | | | | | | | | | | ===== | | R3 | | | | | | | | C2 | | / | | / | | | | +-+ | / K | | | / K | | | | | |/ | | |/ | | | +-------+------| T1 | +------| T2 | | | | | B |\ | | |\ | ( | | | | > E | | | > E |/ ( |/ | | \ | | \ ===== ( ===== ===== | | | | | /| Ct ( L1 /| Cd | C3 | | | | | | ( | | | | | | | | | | | | | | || C5 | | | | | +-------|----------+---------|----||----+ | | | | | | | | || | | | | | | +-+ +-+ | +-+ | | | | | | | | | | | | | | | | ===== | | R4 | | R2 ===== | | R6 | | | | | C4 | | | | | C1 | | | | | | | +-+ +-+ | +-+ | | | | | | | | | | +-------+-------+-------+ | | | | | | | | | | | --- --- --- --- --- --- ====== Beispielschaltungen und Bausätze ====== * [[https://www.ebay.de/sch/i.html?_nkw=WB-SG2+Signal+Generator+BG7TBL&_sacat=0|WB-SG2 Signal Generator BG7TBL]] * [[http://www.elektronikinstitut.de/2nag9.html|Einfacher Tongenerator, Nadelgenerator, Summer]] * [[https://bastler-beutel.de/HTML/Tester/NF-TG/TG_5.htm|NF - Tongeneratoren mit einem 555]] * [[https://www.luedeke-elektronic.de/Signalgenerator-Funktionsgenerator-9V-Velleman-MK105.html|Bausatz: 1kHz-Signalgenerator für Rechteck-, Dreieck und Sinussignale für 0 - 100mV Ausgangsspannung]] * [[https://www.luedeke-elektronic.de/tongenerator-signalgenerator-250hz-16khz-b1042-bausatz-smartkit.html|Bausatz: Rechteck-Signalgenerator, 250 Hz und 16 kHz mit bis zu 15V Ausgangsspannung]] * {{ :bilder:rechteck-signalgenerator_mit_ne555_-_250-16000hz_mit_bis_zu_15v_ausgangsspannung.jpg?400 |Rechteck-Signalgenerator, 250 Hz und 16 kHz mit bis zu 15V Ausgangsspannung}}