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LC - Oszillatoren

Ein Oszillator ist in der Elektronik/Hochfrequenztechnik eine häufig angewandte Schaltung. Für eine Oszillatorschaltung, die kontinuierlich abstimmbar sein sollen, eignen sich die LC-Schaltungen. LC-Schaltungen sind mit einem Schwingkreis aus Induktivität ( L ) und Kapazität ( C ) aufgebaut. Oscillatoren sind elektronische LC-Schaltungen, die dauerhaft eine elektrische Schwingung erzeugen. Sie sollen konstant in ihrer Frequenz sein und, um Oberwellen zu vermeiden, eine möglichst ideale sinusförmige Spannung erzeugen. Es gibt 2 typische Oscillatorarten

1. den Colpittsoscillator
2. den Hartleyoscillator

Der Meißneroscillator entspricht dem Hartleyoscillator. Er verwendet jedoch 2 getrennte Wicklungen, statt einer angezapften Wicklung. Sogenannte ECO-, Clapp- und Vakar-Schaltungen sind nur Schaltungsvarianten der Oscillatorgrundschaltungen. Sie sind keine eigenständigen Oscillatoren.

Ein Colpittsoscillator mit einem zusätzlichen Abstimmkondensator in Serien zur Induktivität ist eine Clapp-Schaltung. Eine ECO-Schaltung ist immer ein Oscillator mit einer Röhre in Schirmgitter-Basis-Schaltung, Oscillatoren bestehen aus einem Verstärker, ( kann ein Transistor, ein Feldeffekttransistor, ein Operationsverstärker, ein Verstärker-IC oder auch eine Röhre sein ), einem frequenzbestimmenden LC-Schwingkreis und einem Netzwerk zur Rückführung des Ausgangssignals, angepasst nach Größe und Phasenlage, an den Eingang.


Ein Schwingkreis ist mit einem mechanischen Pendel zu vergleichen. Ein angestoßener Pendel pendelt mit konstanter Frequenz. Der Pendelauschlag wird mit der Zeit immer kleiner. Ebenso schwingt (oszilliert = daher der Name "Oszillator") ein elektrisch angestoßener Schwingkreis. Die Amplitude der Schwingungen nimmt, verursacht durch elektrische Verluste, nach einer e-Funktion ab. Es entstehen gedämpfte Schwingungen. Die Frequenz der Schwingungen bleibt jedoch konstant.


Untersucht man einen Schwingkreis auf die Abhängigkeit von der Frequenz, so erhält man die typische Resonanzkurve. Die Frequenz im Höchstpunkt (100%) der Resonanzkurve ist die Resonanzfrequenz. Sie läßt sich mit der Thomsonschen Schwingungsformel aus L und C berechnen. Aus der Resonanzfrequenz und der Resonanzbreite bei 70,7% (-3dB) ergibt sich die Güte eine Schwingkreises.


Ein Schwingkreis ist noch kein Oszillator, ebenso wenig wie ein Pendel schon eine Uhr ist. Dem Pendel muß kontinuierlich Energie zugeführt werden. Führt man einem Schwingkreis kontinuierlich die verlorengegangene Energie wieder zu, so werden aus gedämpften Schwingungen kontinuierliche Schwingungen. Der Oszillator schwingt nun dauerhaft mit konstanter Frequenz. Um das zu erreichen ist eine geeignete Schaltung notwendig. Bewährt haben sich die Dreipunktschaltungen nach Edwin Colpitts und Ralf Hartley und deren Erweiterungen, wie die Clapp-Schaltung und der "electron coupled Oscillator" (ECO) Auch der Oszillator nach Alexander Meißner wurde in der Röhrentechnik häufig angewandt. Sie alle verwenden den LC-Schwingkreis, den sie durch einen Verstärker entdämpfen und somit einen Oszillator erhalten.


Als Verstärker wird hier der bipolare Transistor gewählt. Ein Transistor kann in drei verschiedenen Grundschaltungen betrieben werden.
1. Die Emitterschaltung mit hoher Spannungsverstärkung, hochohmigem Ausgang mit 180 Grad Phasendrehung und geringem Eingangswiderstand.
2. Die Basisschaltung mit sehr hoher Spannungsverstärkung, hochohmigem Ausgang ohne Phasendrehung und sehr geringem Eingangswiderstand.
3. Die Kollektorschaltung ohne Spannungsverstärkung mit sehr geringem Ausgangswiderstand und hohem Eingangswiderstand.
Für Oscillatoren mit hoher Frequenzen ist besonders die Basisschaltung geeignet, weil sie die volle Grenzfrequenz des Transistors nutzt. Damit der Oszillator schwingt ist noch ein geeignetes Netzwerk notwendig, daß sowohl die geeignete Spannung ( Vu= 1/k) und die richtige Phasenlage für die Rückkopplung ( Mitkopplung = Phasenlage 0 Grad) erzeugt. Die Dreipunktschaltung erfüllt alle Voraussetzungen und ist einfach zu verwirklichen. Darum haben sich die Oszillatorschaltungen nach Colpitts und Hartley so gut bewährt. Man nennt sie auch Dreipunktoszillatoren.

Die Dreipunktschaltung

Einen Schwingkreis in Dreipunktschaltung kann man mit einem "Autotransformator", Transformator mit nur einer Wicklung, die angezapft ist, vergleichen. Aufwärts- und Abwärtstranformationen mit der Phasenlage 0 Grad und 180 Grad sind möglich. Für alle Emitterschaltungen benötigt man eine Abwärtstranformation mit 180 Grad Phasendrehung. Die Basisschaltungen erfordern eine Abwärtstransformation ohne Phasendrehung. Da die Kollektorschaltung keine Spannungsverstärkung hat, muß die erforderliche Rückkopplungsspannung ohne Phasendrehung aufwärts transformiert werden. Eine Dreipunktschaltung kann alle Bedingungen erfüllen.

Eine Zusammenfassung der Dreipunkt-Oszillator-Schaltungen in den verschiedenen Transistorgrundschaltungen.

Beim Hartley Oszillator wird die notwendige Rückkopplungsspannung über eine Anzapfung der Induktivität entnommen. Alexander Meißner verwendet dagegen eine magnetische Auskopplung der Rückkopplungsspannung nach der Prinzip des Transformators.

Um einen Oszillator in der Frequenz variabel zu machen, kann man entweder die Kapazität oder die Induktivität ändern. Induktivitäten zu verändern ist äußerst schwierig und deshalb nur sehr selten ausgeführt worden. Einfacher ist es die Kapazität variabel zu gestalten. Variable Kapazitäten sind als Drehkondensatoren oder Kapazitätsdioden zu haben. Beim Hartley Oszillator und beim Meißner Oscillator wird die Schwingkreiskapazität als Drehkondensator ausgeführt. Problematisch wird es beim Colpitts Oszillator, dessen Schwingkreiskapazität aus 2 in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht. Hier muß man einen Doppeldrehkondensator im notwendigen Verhältnis der Kapazitäten einsetzen, um nicht die Rückkopplungsbedingungen zu stören. Zudem ist bei den meisten Drehkondensatoren der Rotor mit dem Gehäuse verbunden. Eine Lösung hat James Clapp entdeckt, indem er beim Colpitts Oszillator in Kollektorschaltung zu den beiden Schwingkreiskondensatoren den Drehkondensator zusätzlich in Reihe schaltete. Eine ideale Lösung.


Beim Hartley Oszillator ist die Frequenzabstimmung mit einem Drehkondensator sehr einfach.
Aufwendiger dagegen ist die zusätzliche Anzapfung der Spule. Eine nachträgliche Korrektur ist kaum noch möglich.

Bei der Röhrenpentode ist die Auskopplung an der Anode galvanisch getrennt von dem eigentlichen Oszillator.
Durch das geerdete Bremsgitter wird eine Rückwirkung auf den Oscillator verhindert.
Die Auskopplung erfolgt nur über den Elektonenstrom ( electron coupled oscillator - ECO )
und hat somit kaum Rückwirkungen auf den Oszillator.
Damit kann eine belastungsunabhängige Frequenzstabilität erreicht werden.

Für eine einwandfreie Funktion müssen 2 Bedingungen erfüllt sein.

1. Das Produkt aus Spannungsverstärkung und Rückkoppelfaktor muß gleich oder größer 1 sein.
Formel : k * Vu =>1
2. Das rückgekoppelte Signal muß phasengleich zum Eingang zurückgeführt werden.

Bedingungen an einen guten Oscillator:

1. Kein Einfluß von Betriebsspannungsschwankungen auf die Frequenzkonstanz und Amplitude.
2. Kein Einfluß von Temperaturschwankungen auf Frequenzkonstanz und Amplitude
3. Kein Einfluß durch Signalauskopplung auf Frequenzkonstanz und Amplitude.
4. Kein Einfluß durch mechanische Erschütterungen auf Frequenzkonstanz und Amplitude.
5. Keine Oberwellen oder Nebenwellen und kein Rauschen.

All diese Forderungen zusammen können nur bedingt und mit größerem Aufwand erfüllt werden.

Für einen Oscillator, der alle Bedingungen erfüllen soll, gelten folgende Regeln:

1. Betreibe einen Oscillator mit möglichst geringer Leistung.
2. Wähle die Rückkopplung so gering wie möglich
3. Entnimm möglichst wenig Leistung.
4. Verwende nur temperaturstabile Bauteile, Kondensatoren mit geeignetem Dielektrikum
und ein stabiles und HF-dichtes

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