Wie genau sind Oszillatoren und wie groß ist die Abweichung bei Temperaturänderung?

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Wie genau sind Oszillatoren und wie groß ist die Abweichung bei Temperaturänderung?

Oszillatoren haben eine lange Geschichte und sind untrennbar mit der Entdeckung der Fernsehtechnik verbunden. Man unterteilt Oszillatoren zunächst nach ihrem Aufbau in die folgenden Gruppen:

  • Röhre
  • Oszillator mit Kondensator und Widerstand oder Spule
  • Quarzoszillator

Wie genau diese unterschiedlichen Arten von Oszillatoren arbeiten und wie sie sich bei Temperaturveränderungen verhalten, hängt ganz wesentlich von ihrer Bauart und den Verlusten bei den einzelnen Bauteilen ab.

Was ist ein Oszillator?

Grundsätzlich ist ein Oszillator eine elektronische Schaltung, die Schwingungen erzeugt. Sicht- und messbar macht diese Schwingungen ein Gerät, das als Oszillograph beziehungsweise Oszilloskop bezeichnet wird. Die erste Form einer Röhre, die Schwingkreise sichtbar machen konnte, war die Kathodenstrahlröhre.

Die Kathodenstrahlröhre

Nach ihrem Erfinder Karl Ferdinand Braun wird die Kathodenstrahlröhre auch als Braunsche Röhre bezeichnet. Sie trägt in der Regel das Kürzel CRT (cathode ray tube). Innerhalb dieser Röhre wird ein Elektronenstrahl erzeugt. Dieser Strahl ist beeinflussbar. Das bedeutet, er kann durch magnetische oder elektrostatische Einflüsse abgelenkt oder so moduliert werden, dass ein sichtbares Bild entsteht, sobald der gebündelte Elektronenstrahl auf die im Inneren der Röhre angebrachte Leuchtstoffschicht prallt.

Eine Kathodenstrahlröhre besteht im Wesentlichen aus:

  • Einem geschlossenen Glaskolben, in dem ein Vakuum erzeugt wird
  • Einer Glühkathode
  • Einem Wehneltzylinder
  • Mehreren Fokussierelektroden
  • Einer Anode

Da der Glaskolben luftleer ist, steht er unter einem hohen Druck. Je größer die Kathodenstrahlröhre ist, umso widerstandsfähiger muss das Glas sein, aus dem sie besteht.

Der sogenannte Wehneltzylinder ist eine Steuerelektrode, die zylindrisch geformt ist und zur Helligkeitsregelung dient. Außerdem sorgt der Zylinder dafür, dass die Elektronenstrahlen nicht auseinanderlaufen. Erfunden wurde sie schon 1903 von Arthur Wehnelt.

Bei der Anode gibt es Unterschiede. Neben der in allen Kathodenstrahlröhren verwendeten Zylinderform, die als Vorbeschleunigungsstufe dient, verfügen Bildröhren oder Oszilloskopröhren darüber hinaus noch über elektrisch leitende Beschichtungen und einen zweiten Schirm am Ende des Glaskolbens, der aus Mineralien besteht.

Kathodenstrahlröhren sind die ältesten bekanntesten Oszillographen. Wenn die Kathodenstrahlröhre ihre Arbeitstemperatur erreicht hat, liefert sie sehr exakte Werte. Bis heute gehören Kathodenstrahlröhren zu den genauesten Messgeräten schlechthin.

Die optimale Anodenspannung

Damit Oszilloskopröhren einwandfrei funktionieren, muss die notwendige Anodenspannung zwischen 500 und 8.000 Volt liegen.

Grundsätzlich ist ein Oszillator beziehungsweise eine Oszillatorschaltung eine elektrische Schaltung, die resonanzfähig ist. Der Schwingkreis besteht normalerweise aus einem Kondensator und einer Spule. Er wird als LC-Schwingkreis bezeichnet.

Die Energie wird dabei zwischen dem elektrischen Feld des Kondensators und dem magnetischen Feld der Spule ausgetauscht. Dadurch entstehen im Wechsel eine hohe Spannung beziehungsweise eine hohe Stromstärke.

Schwingkreis

Der Schwingkreis kann durch einen einzelnen Impuls (Schaltvorgang) in Gang gesetzt werden, oder es werden periodisch Schwingungen erzwungen. Der Nachteil bei einer individuellen Schaltung liegt darin, dass der Oszillator nun freie, sogenannte Eigenschwingungen erzeugt. Hier entstehen relativ hohe Verluste, sodass die Schwingungen mit der Zeit schwächer werden. Dem kann man entgegenwirken, indem man eine sogenannte aktive Verstärkerschaltung einbaut, die zum Beispiel aus einem Transistor bestehen kann.

Werden die Schwingungen jedoch periodisch immer wieder neu angestoßen, entsteht eine gleichmäßige Frequenz. Die notwendige Energie kann hier durch einen negativen differenziellen Widerstand zugeführt werden. Diese Schaltung bildet im Grunde den Oszillator, den man auch als Schwingungserzeuger bezeichnen kann.

Parallelschwingkreis und Serienschwingkreis

Je nachdem, wie Spule und Kondensator zueinander angeordnet sind, entsteht ein Parallelschwingkreis (Spule parallel zum Kondensator) oder ein Serienschwingkreis (Spule in Reihe zum Kondensator).

Oszillatorenschaltungen bestehen in der Regel aus einem Parallelschwingkreis. Ein idealer Oszillator würde verlustlose Bauteile voraussetzen. Das ist in der Theorie zwar möglich, aber in der Praxis kaum ausführbar. Deshalb bezeichnet man die gängigen Modelle dieser Oszillatoren als reale Schwingkreise. Verluste entstehen hier durch den sogenannten ohmschen Widerstand, der sich sowohl in den Leitungen als auch in der Spulenwicklung bemerkbar macht. Außerdem verursacht der Kondensator dielektrische Verluste.

Oszillatoren mit Kondensator und Spule oder Widerstand benötigen auf jeden Fall eine gleichmäßige Versorgungsspannung, um einwandfrei arbeiten zu können. Wenn Transistoren eingesetzt werden, gibt es allerdings häufig temperaturbedingte Probleme. Transistoren unterliegen einer starken Wärmeentwicklung. Deshalb entstehen bei diesen Oszillatoren häufig Frequenzüberlagerungen, die manuell wieder ausgeglichen werden müssen.

Eine entsprechende Kühlvorrichtung für den Transistor kann hier Abhilfe schaffen. Außerdem ist es hilfreich, diesen Oszillator bei möglichst gleichbleibenden und nicht zu hohen Umgebungstemperaturen zu verwenden.

Quarzoszillator

Auch der Quarzoszillator ist eine elektronische Schaltung, deren Aufgabe es ist, Schwingungen zu erzeugen. Das dafür notwendige Bauelement ist ein sogenannter Schwingquarz, der in der Lage ist, innerhalb vorher bestimmter Frequenzen sehr exakt zu arbeiten.

Im Grunde besteht also der Quarzoszillator aus der Schaltung und dem frequenzbestimmenden Quarz. Beides ist in einem Gehäuse untergebracht und wird als komplettes Bauteil verkauft.

Unter der Frequenz versteht man die Anzahl der Schwingungen innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit. In diesem Bereich arbeiten Quarzoszillatoren ausgesprochen genau. Die Abweichungen in der Frequenz liegen in der Regel unter 100 ppm (parts per million). Im Vergleich dazu zeigen einfachere Oszillatorschaltungen, die ohne Quarz als Frequenzbestimmer arbeiten, hier Abweichungen in der Nennfrequenz von mehr als einem Prozent. Das entspricht etwa 10.000 ppm.

Ein großer Vorteil der Quarzoszillatoren ist, dass sie völlig unabhängig von ihrer Umgebungstemperatur arbeiten. Ob sie im Freien bei Minusgraden oder bei hohen Innenraumtemperaturen beziehungsweise direkter Sonneneinstrahlung verwendet werden – es gibt keinerlei Beeinflussung durch Temperaturunterschiede. Der Quarz ist in jedem Fall in der Lage, innerhalb seines vorbestimmten Frequenzbereichs zu bleiben.

Quarzoszillatoren werden häufig als Taktgeber verwendet. Sie kommen beim Bau von Prozessoren oder Mikrocontrollern in der Computertechnik zum Einsatz. Sie werden aber auch bei der Produktion von Funkgeräten oder Uhren verwendet.

Allerdings haben Oszillatoren mit Quarzen auch einen Nachteil: Sie sind relativ kostspielig. In der Industrie werden deshalb auch heute schon preiswertere Modelle verwendet, die als Keramikresonatoren bezeichnet werden.

Die Schwingquarze in Oszillatorschaltungen bestehen in der Regel aus Plättchen, Stäben oder Gabeln aus Kristall. Die elektrische Spannung erzeugt mechanische Formänderungen. Das wiederum führt dazu, dass der Kristall ebenfalls elektrische Spannungen bereitstellen kann.

Damit dieser Vorgang funktioniert, muss der Schwingquarz eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz – seiner eigenen Resonanzfrequenz – aufweisen. Ähnlich wie piezoelektrische Schallgeber erzeugt der Schwingquarz so besonders starke Resonanzschwingungen. Wichtig ist dabei der richtige Kristallschnitt. Nur dann ist der Oszillator mit Schwingquarz nahezu vollständig unabhängig von Umgebungseinflüssen. Weder Temperaturunterschiede noch Abweichungen bei der Amplitude führen zu Ungenauigkeiten.

Quarzoszillatoren können – ähnlich wie die Geräte mit Kondensator und Spule – sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet sein. Bei der sogenannten Reihenresonanz ist der Widerstand für den Wechselstrom sehr gering. Deshalb verhält sich ein Quarzoszillator hier ganz ähnlich wie eine Schaltung mit Spule und Kondensator.

Umgekehrt ist bei der Parallelresonanz der Widerstand sehr groß. Auch hier ist eine Ähnlichkeit der Funktionsweise zu Modellen mit Kondensator und Spule erkennbar. Allerdings ist Quarz ein besonders guter Isolator, sodass hier keinerlei Gleichstrom fließen kann. Auch bei Quarzoszillatoren kann aber zum Beispiel ein kleiner Kondensator eingebaut werden, um die etwas höhere Parallelresonanz zu verringern. So wird eine bessere Frequenzstabilität erreicht.

Dadurch ist es zum Beispiel möglich, einen Quarz, der normalerweise eine Resonanzfrequenz von neun Megahertz hat, mit Werten von 27 oder 45 Megahertz schwingen zu lassen. Diese Technik findet man häufig dort, wo Oberwellenquarze benötigt werden. Sie müssen aber mit einer bestimmten Aufhängung versehen sein, damit sie die Oberschwingungen nicht beeinflussen.

Temperaturkompensierte Oszillatoren

Eine Frequenz ist grundsätzlich immer ein wenig abhängig von der Umgebungstemperatur. Um Schwankungen und Verluste so gering wie möglich zu halten, gibt es für bestimmte Anwendungen die sogenannten temperaturkompensierten Oszillatoren. Man findet sie mit der Bezeichnung TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator). Die Regelspannung wird hier mithilfe von Thermistoren erzeugt. Sie wirken der temperaturbedingten Frequenzänderung des Quarzes genau entgegen. Durch das Anlegen der erzeugten Spannung an eine sogenannte Kapazitätsdiode wird der Quarzoszillator entsprechend der Temperaturbedingungen korrigiert.

Wenn eine absolute Genauigkeit der Frequenz des Oszillators gefordert ist, kann auch ein sogenannter Quarzofen verwendet werden. Hier wird der Schwingquarz in ein Gehäuse eingebaut, das über eine Temperaturregelung verfügt. Um die Einflüsse aus schwankenden Umgebungstemperaturen zu verhindern, wird das Innere des Quarzofens auf 70 Grad Celsius erhitzt. Diese Oszillatoren tragen die offizielle Bezeichnung OXCO (Oven Controlled Crystal Oscillator).

Normalerweise befinden sich die Schwingkreise in einem Kunststoff- oder Metallgehäuse, das über ein genormtes Rastermaß für sogenannte integrierte Schaltungen verfügt. Die Oszillatoren liefern dabei eine sogenannte Rechteckspannung, die über eine exakt definierte Frequenz verfügt. Je geringer die Abweichungen in der Frequenz ausfallen, umso hochwertiger ist das Bauteil.

Anwendung von Oszillatoren

Da Oszillatoren in vielen elektronischen Geräten verwendet werden, musste natürlich auch eine entsprechend kleine Bauweise gestaltet werden. Diese findet man zum Beispiel in Form kleiner Chipgehäuse mit der Bezeichnung SMD (Surface-mounted device). Wird ein solcher Oszillator zum Beispiel für digitale Schaltungen verwendet, muss die übliche Versorgungsspannung im Bereich von 1,8, 2,5 oder 3,3 Volt liegen.

In der Digitaltechnik werden Logikgatter verwendet, um die Erzeugung exakter Taktsignale sicherzustellen. Diese Logikgatter haben Eingänge für Inverter mit einem Schmitt-Trigger. Eine solche Schaltung wird auch als Pierce-Schaltung bezeichnet. Der Schmitt-Trigger ist in der Lage, binäre Signale zu erzeugen. Solche Oszillatoren werden häufig in der Computertechnik und bei der Unterhaltungselektronik verwendet. Sie können auch Teil einer integrierten Schaltung (IC) sein, wie sie zum Beispiel im Modellbaubereich häufig vorkommt.

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