Entwurf eines Colpittsoscillators - Mein Hobby ist der Amateurfunk

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Entwurf eines Colpittsoscillators

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Ein Colpittsoscillator in Basischaltung

Es soll eine Oscillatorschaltung mit einer Frequenz von 48 MHz entworfen und gebaut werden.

Bestimmungen.

Die Herstellung und der Betrieb von Sendern unterliegt bestimmten Vorschriften und Gesetzen. Ein Oszillator ist ein Sender. Er kann ungewollte Störungen aussenden und damit Schäden verusachen. Lizenzierten Funkamateuren ist es aufgrund ihrer Kenntnissen erlaubt Sender zu bauen und zu betreiben. Darum ist der Nachbau der Oscillatorschaltung nur Funkamateuren gestattet. Für eventuell auftretende Schäden durch unbefugte Inbetriebnahme von Sendern wird jede Haftung ausgeschlossen.                                     


Welche Transistorgrundschaltung ist am besten geeignet ?
Basisschaltungen sind für hohe Frequenzen am besten geeignet. (siehe Punkt 4)

Eigenschaften einer Basisschaltung:
1. Sehr hochohmiger Ausgang, nicht belastbar.( am Kollektor ).
2. Sehr niederohmiger Eingang, belastbar. ( am Emitter ).
3. Sehr hohe Spannungsverstärkung Vu .
   Dafür ist nur eine sehr kleine Rückkopplungsspannung (K) erforderlich ( K * Vu = 1).
4. Die Schaltung mit der besten Eignung für Hochfrequenzanwendungen (fg = ft). Damit kann man sicher sein, daß auch ein schwacher Transistor arbeitet.

Welche Oscillatorgrundschaltung soll verwendet werden ?
Alle Oscillatorgrundschaltungen sind gleich gut geeignet.
Die Colpitts-Schaltung läßt sich aber am einfachsten realisieren.



Erklärung:

Abweichend von der Prinzipschaltung wurden einige kleine Veränderungen vorgenommen und rot gekennzeichnet. Entfallen ist der Trimmwiderstand Rk. Dafür wurde C1 so gewählt, daß der Oscillator sicher anschwingt. Bezugspunkt für die Schaltung ist der Minus-Pol (GND), der auch gleichzeitig als Masse mit dem Gehäuse verbunden wird. Mit dem Spannungsteiler aus R1 und R2 wird der Arbeitspunkt des Transistors festgelegt. Bei der Basisschaltung ist die Basis des Transistors der Pol, auf den sich sowohl die Eingangsspannung als auch die Ausgangsspannung beziehen. Der Blindwiderstand des Kondensator C3 muß daher so niederohmig sein, daß er hochfrequenzmäßig eine direkte Verbindung (hochfrequenzmäßiger Kurzschluß) von der Basis zur Masse herstellt. R3 ist der Eingangswiderstand für die Basisschaltung und gleichzeitig ist er mitbestimmend für den Arbeitspunkt des Transistor. Der frequenzbestimmende Schwingkreis besteht aus der Gesamtkapazität von C1, C2, C5, C6 und der Induktivität L1. C1 und C2 bilden einen Spannungsteiler. Die Teilspannung an C1 ist die Spannung (Rückkopplungsspannung K), die dem Transistor am Emitter zurückgeführt wird, um die Schwingungen aufrecht zu erhalten ( K * Vu = 1). C6 ist ein Trimmkondensator, um die exakte Frequenz einstellen zu können. C7 verbindet den Schwingkreis hochfrequenzmäßig mit den Bezugspunkt GND. R4 und C4 bilden einen Tiefpaß um zu verhindern, daß die Hochfrequenz auf die Stromzuleitung gerät.

Und nun zur Berechnung des Bauteile

Und nun zu dem wohl schwierigsten Teil des Oscillators - dem Schwingkreis.


Und nun zum Aufbau der Schaltung.


Als Transistor eignen sich alle NPN-Transistoren, sofern die Transitfrequenz FT > 100 MHz ist Dieses trifft bei den modernen Transistoren fast immer zu. In der aufgebauten Schaltung habe ich den Transistor 2 N 2369 verwendet (FT = 500 MHz). Als Träger wird eine gelochte Streifenrasterplatine verwendet. (5cm * 5,8cm) Bei Beachtung einiger Hochfrequenzregeln ist sie sogar für sehr hohen Frequenzen geeignet. Bevor die Bauteile aufgelötet werden, sollten vorab alle Leiterbahnen an den Enden verbunden werden.


Die fertig aufgebaute Platine.


Es ist etwas ungewöhlich alle Leiterbahnen mit einem dünnen aufgelöteten Draht vorab zu verbinden. Damit kann man aber sicher sein, daß keine ungewollten Verkopplungen durch freie Leiterbahnen die Funktion stören können. Ich habe mit dieser Methode die besten Erfahrungen gemacht, selbst bei 145 MHz. Natürlich muß man jetzt noch achtsamer bei den Leiterbahnunterbrechungen sein. Vergisst man eine Unterbrechung, so besteht ein Kurzschluß. Darum ist es angebracht bei der ersten Erprobung die Stromzuführung mit einem Milliamperemeter zu überprüfen. Dabei ist zu beachten, daß das Meßgerät bei einem noch bestehendem Kurzschluß nicht beschädigt oder sogar zerstört wird. Die Stromaufnahme sollte 1 mA nicht überschreiten und 0,5 mA nicht unterschreiten. Ist das der Fall, so ist die erste Hürde genommen. Nun muß die Funktion nachgewiesen werden. Ob der Oscillator überhaupt schwingt ist auch mit einfachen Mitteln festzustellen. Die Basis ist hochfrequenzfrei. Sie messen die Gleichspannung an der Basis (ca 1V - 1,5V). Nun berühren sie die Spule mit dem Finger. Jetzt sollte sich die Spannung an der Basis ein wenig ändern. Sie dämpfen (belasten) den Schwingkreis durch die Berührung der Spule . Der Oscillator wird nicht mehr schwingen. Das zeigt sich durch die Änderung der Gleichspannung an der Basis. Wer einen Hochfrequenztastkopf für sein Meßgerät besitzt, kann die Hochfrequenz am Emitter messen. Mit einem geeigneten Oscilloskop (50 MHz) kann man am Emitter die Oscillatorschwingungen sichtbar machen. Nun geht es an die Messung der Frequenz. Das ist garnicht so schwer. Die 1.Oberwelle des Oszillators (= Grundwelle * 2 = 48MHz * 2 = 96 MHz) ist in UKW Radio hörbar. Funkamateure können auch die 2. Oberwelle ( 144 MHZ) in ihrem 2m-Empfänger abhören. Für den Besitzer eines Frequenzzähler ist das sehr einfach. Er kann die Frequenz am Emitter direkt messen. Wer sich mit dem Bau von elektronischen Schaltungen befaßt wird auch schon festgestellt haben, daß nicht immer alles auf Anhieb funktioniert. Darum ist eine intensive optische und elektrische Überprüfung angebracht. Es ist schon vorgekommen, daß ich manchen Fehler erst nach mehrmaliger Kontrolle gefunden habe. Fehler, die man sich selbst einbaut, sind besonders schwer zu finden. Nach meiner Erfahrung sind folgende Fehlerquellen möglich.
Sind alle Unterbrechungen ausgeführt worden ?
Zu wenige aber auch zu viele Unterbrechungen können die Funktion stören.
Ist der Transistor richtig eingebaut ? Anschlüsse beachten !
Sind die Bauteile an den richtigen Stellen eingelötet ?
Oder sind die Bauteile vielleicht sogar vertauscht ?
Sind durch die Leiterbahnunterbrechungen oder Lötstellen ungewollt Verbindungen zu benachbarten Leiterbahnen entstanden ?


Das Gehäuse für den Oscillator.


Ein Oscillator kann nur gut funktionieren, wenn er in ein Gehäuse eingebaut ist. Das Gehäuse schirmt die ungewollte Ausstrahlung ab und mindert Einflüsse aus der Umgebung. Darum sollte ein Oscillator nie ohne Gehäuse betrieben werden.


Hier wird die fertige Platine in das Gehäuse eingepaßt. Der Abstand zum Gehäuse wird über 2 eingeklebte 3mm Schrauben gehalten. Über Bananensteckerbuchsen wird die Versorgungsspannung 9V zugeführt. Die Oscillatorspannung wird über eine Chinchbuchse ausgekoppelt.
Allen, die den Oscillator nachbauen wollen, wünsche ich viel Erfolg. Die Schaltung kann auch als Grundlage für eigene Versuche verwendet werden. Für die Oscillatorfunktion sind die Kondensatoren C1 und C2 entscheidend. Sie bestimmen das Rückkopplungsverhältnis und die Frequenz. Das Anschwingverhalten dieser Schaltung ist sehr stabil und garantiert den Erfolg.


Ein 145 MHz Colpittsoscillator in Basisschaltung.


Die Schaltung wurde entsprechend der hohen Frequenz geändert.

Wer die Berechnungen verfolgt hat wird feststellem, daß der Oscillator mit sehr geringer Leistung betrieben wird. Ein Betrieb mit geringer Leistung ( Ub = 9V, Ic = 0,5mA ) hat den Vorteil höherer Frequenzstabilität. Andererseits hat der Transistor 2N2369 aber seine höchste Verstärkung bei einem Kollektorstom Ic = 8mA. Wenn also der Oscillator nicht anschwingen sollte, so empfehle ich der Emitterwiderstand R3 zu verringern. Wenn ein Widerstand von 220 Ohm nicht den erzielten Erfolg bringt, so kann noch die Kapazität des Kondensators C1 verringert werden.

 
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