Die Grundlagen für einen Colpittsoscillator in Emitterschaltung - Mein Hobby ist der Amateurfunk

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Die Grundlagen für einen Colpittsoscillator in Emitterschaltung

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Die 3 grundlegenden Teile eines Oscillators

Ein Oscillator ist eine in sich geschlossene Schaltung, die eine Frequenz filtert und verstärkt. Um die Verstärkung dauerhaft aufrecht zu erhalten wird eine Rückkopplung vorgenommen. Diese rückgekoppelte Spannung muß folgende Bedingungen erfüllen:
1. die rückgekoppelte Spannung muß phasengleich mit dem Eingang des Verstärkers sein.
2. die Amplitude der Spannung (Rückkopplungsfaktor K) darf nur so groß sein, dass die Verstärkung ( V ) gerade aufrecht erhalten wird.

K * V = 1

Ist die  Verstärkung V sehr groß, so muß die rückgekoppelte Spannung sehr klein sein.

Teil 1   Der Verstärker

Es wird ein Colpittsoscillator aus dieser Emitterschaltung entwickelt. Die Eigenschaften der Emitterschaltung sind:
1. Der Eingang ist zwischen Basis und Emitter.
2. Der Eingangswiderstand ist recht niederohmig.
3. Der Ausgang ist zwischen Kollektor und +Ub .
   +Ub liegt über Cy direkt auf Gnd.
4. Der Ausgangswiderstand ist sehr hochohmig.
5. Sehr hohe Spannungs- und Stromverstärkung.
6. 180 Grad Phasenkehrung zwischen Eingang und Ausgang.
7. Spannungsverstärkung abhängig von Kollektor- widerstand Rc.
   Je größer Rc je größer die Spannungsverstärkung.

Teil 1 und 2  Der Verstärker mit Frequenzfilter

Ersetzt man den Arbeitswiderstand Rc durch einen LC-Parallelschwingkreis so erhält man einen frequenz-selektiven Verstärker.
Da der Ausgangswiderstand der Emitterschaltung und der Parallelschwingkreis sehr hochohmig sind, kann man den Parallelschwingkreis direkt in die Kollektorleitung einfügen. Der Schwingkreis wird  nur gering durch den Transistor gedämpft. Da der Arbeitswiderstand RC durch einen noch viel hochohmigeren Parallelschwingkreises ersetzt wurde, steigt die Verstärkung des Transistors.

Teil 3  Das Netzwerk zur Anpassung

Das Netzwerk hat 2 wichtige Aufgaben.
1. Die vom Ausgang des Verstärkers zum Eingang rückgekoppelte Spannung so anzupassen, dass dem Verstärker gerade soviel Spannung zurückgeführt wird, damit der Schwingvorgang dauerhaft aufrecht erhalten wird.
2. Die Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang in der Phasenlage so anzupassen, dass sie die Verstärkung unterstützt ( Mitkopplung ).
Das wird möglich, wenn man den Kondensator des Schwingkreises durch 2 in Reihe geschaltete Kondensatoren ersetzt. Damit erhält man einen dritten Zugangspunkt am Schwingkreis (
A - B - C ). Diese einfache aber sehr wirksame Schaltung wird kapazitive Dreipunktschaltung genannt.


  Diese kapazitive Dreipunktschaltung wirkt wie ein Autotransformator. Die beiden Kondensatoren bilden einen kapazitiven Spannungsteiler. Man erhält 2 Teilspannungen, die sich proportional den kapazitiven Widerständen aufteilen. Am größeren Kondensator fällt die kleinere Spannung ab, dagenen erhält man am kleineren Kondensator die größere Spannung. Beide Teilspannungen Uab und Ubc haben die gleiche Phasenlage. Dagegen ist die Phasenlage der Teilspannungen Uab und Ucb auf den Punkt
B bezogen um 180 Grad entgegengesetzt. Mit dieser Dreipunktschaltung erhält man ein Netzwerk, dem man die erforderliche Spannung und Phasenlage entnehmen kann, damit der Oscillator schwingt.
  Der Transistorverstärker in Emitterschaltung erzeugt eine 180 Grad Phasendrehung. Für den geplanten Colpittsoscillator in Emitterschaltung benötigt man für die Mitkopplungsspannung eine zusätzliche Phasendrehung von 180 Grad, um die durch den Transistor erzeugte Phasendrehung wieder aufzuheben.
Die Verstärkung einer Emitterschaltung ist sehr groß. Zur Rückkopplung benötigt man folglich nur eine sehr kleine Spannung.


Für einen Colpittsoscillator in Emitterschaltung muß das Netzwerk für die Mitkopplung eine kleine, um 180 Grad gedrehte, Spannung liefern. Diese kapazitiven Dreipunktschaltung macht es möglich.



Im Bild sieht man, daß die Spannung zum Eingang des Verstärkers (
C ist - ) 180 Grad phasengekehrt zur Spannung vom Ausgang des Verstärkers ( A ist + ) ist.  Damit ist eine Bedingung, die Phasenkehrung, erfüllt.
Die 2. Bedingung ist die richtige Amplitude der Mitkopplungsspannung, die von der Verstärkung abhängig ist.
Da die Emitterschaltung eine sehr große Verstärkung hat, wird nur eine sehr kleine Spannung für die Oscillatorfunktion benötigt. Das ist die Spannung Ucb am Kondensator C2.
Angenommen der Verstärker hat eine 100 fache Verstärkung, dann reicht 1/100 der Schwingkreis- spannung für die Mitkopplung. Dann ist der Kondensator C2 100 mal größer zu wählen als C1.
Die meisten Transistoren haben eine weit höhere Verstärkung. Darum wird der Oscillator auch schwingen, wenn man C2 noch weiter vergrößert. Das ist dann dann aber von Fall zu Fall zu ermitteln.


Mit  nur wenigen Änderungen wird aus aus einem Emitterverstärker ein Colpittsoscillator in Emitterschaltung. Der eingefügte Widerstand  R2 hat hier die Funktion einer Frequenzweiche. Er trennt die Mitkopplungsspannung von der Betriebsspannung Ub und versorgt gleichzeitig den Transistor mit Strom. Eine Drossel würde die Funktion noch besser erfüllen, rechtfertigt aber meist nicht den erhöhten Aufwand. Aus dem einfachen LC-Schwingkreis wird durch Einfügen des zusätzlichen Kondensators C2 eine Dreipunktschaltung.  Die Mitkopplungsspannung wird an C2 entnommen und der Basis zurückgeführt.   
     


Zum Nachweis der Funktion wurde die Schaltung mit einem Simulationsprogramm (NI Multisim 10) überprüft. Angenommen wurde, dass der Transistor 2N2222 eine Verstärkung von 100 hat. Nach der Formel  K * V = 1 wird nur 1/100 der Verstärkerausgangsspannung für die Mitkopplung benötigt, um die Oscillatorfunktion aufrecht zu erhalten. Darum wurde C2  100 größer als C1 gewählt. Das ist für diese Schaltung ausreichend genau, ohne die Belastung durch Widerstand  R2 und den Transistoreingangswiderstand zu berücksichtigen. Der Widerstand R2 wurde mit 2000 Ohm gewählt. Damit erfüllt er ausreichend die Funktion als Frequenzweiche. Die Basisvorspannung wird über den 1 MOhm Widerstand erreicht. Über den Kondensator C1 = 10 nF wird die Mitkopplungsspannung von C2 zur Basis zurückgeführt. Die Kollektor-Emitterkapazität des Transistors von 8-10 pF muß der Schwingkreiskapazität zugerechnet werden. Somit ergibt sich eine Oscillatorfrequenz von 938,33 kHz.

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