Wissenswertes über Oszillatoren: Aufbau, Wirkweise und Anwendung

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Oszillatoren: Welche Frequenzen stehen mir zur Verfügung?

Sehr vereinfacht ausgedrückt ist ein Oszillator ein System, das in der Lage ist, zu schwingen. Oszillation bezeichnet eine periodische und konstant fortwährende Veränderung zwischen zwei Zuständen beziehungsweise die regelmäßige Veränderung um einen fixen Mittelpunkt herum, in den meisten Fällen beschreibt dieser den Ruhezustand eines Oszillators.

Ein Oszillator wird häufig in der Elektrotechnik, der Mechanik und Elektronik verwendet. "Normale" Schwingungen – seien sie nun mechanisch oder elektronisch – sind von Natur aus gedämpft. Das heißt, die Amplitude der Schwingung nimmt ohne zusätzliche Maßnahmen im Laufe der Zeit ab. Damit der Oszillator nun konstante, periodische Schwingungen erzeugen kann, müssen von außen zusätzliche Impulse hinzugefügt werden. Im elektrotechnischen Bereich geschieht dies in Form von elektrischer Spannung.

Bei modulierten Oszillatoren werden Amplitude, Frequenz und Phase eingegrenzt und beeinflusst. Durch diese Modulation können Nachrichten in ein Trägersignal umgewandelt und auf diese Weise über weite Distanzen übertragen werden. Häufig greift man in der Funktechnik daher auf Oszillatoren beim Bau von Sendern und Empfängern zurück.

Der Oszillator in der Elektronik – Aufbau und Wirkungsweise

Wie Sie bereits erfahren haben, erzeugt ein Oszillator ungedämpfte – das bedeutet konstante und fortwährende – elektrische Schwingungen. Ferner setzt er Gleich- in Wechselstrom um. Ein Oszillator kann aus nur einem Bauteil bestehen, es können jedoch auch mehrere Elemente hintereinander zu einer Oszillatorschaltung zusammengeführt werden. Die Serienschaltung sorgt für eine Verstärkung der Schwingung des Eingangssignals und erzeugt ein gleichbleibendes, stabiles Ausgangssignal. Neben der Aussendung eines absolut konstanten Signals in Frequenz und Amplitude sind Temperatur- und Belastungsunabhängigkeit weitere Ansprüche an einen Oszillator.

Eine wichtige Komponente eines Oszillators ist das frequenzbestimmende Bauteil. Dies besteht aus einer Begrenzungsschaltung der Amplitude mittels Verstärker und einem negativ differenziellem Widerstand. Letzterer sorgt dafür, dass das Signal weniger gedämpft und somit die Schwingung angeregt wird. Lambda-Dioden und Tunnel-Dioden weisen einen negativ differenziellen Widerstand auf und sind daher häufig in Oszillatoren verbaut. Tunnel-Dioden eigenen sich besonders für den Hochfrequenz-Bereich, Lambda-Dioden haben den schaltungstechnischen Vorteil, über einen größeren Aussteuerungsbereich zu verfügen. Beide Dioden dienen grundsätzlich zur konstanten Erzeugung von Sinusschwingungen.

Eine Auswahl an frequenzbestimmenden Bauteilen eines Oszillators

Neben jeder Form von Leitungen im Allgemeinen können auch sogenannte RC-Glieder den Frequenzbereich eines Oszillators beeinflussen und regulieren. Diese Schaltungen sind lineare, periodische Systeme; sie bestehen aus einem ohmschen Widerstand (R) und einem oder mehreren Kondensatoren (C). RC-Glieder können zur Begrenzung elektromagnetischer Störungen in Form einer Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator eingesetzt werden. Hierbei spricht man von einem Snubber, zu deutsch Dämpfer. Als Potenzialausgleich wird die Anordnung einer Parallelschaltung gewählt. Diese Schaltung wird, je nach Lage des Kondensators beziehungsweise Widerstands, Hoch- oder Tiefpass genannt. Es handelt sich um elektrotechnische Filter, die Frequenzen, Phasen und Amplituden modulieren und übertragen und durch diese Modulation auch unerwünschte Signale abschwächen.

Auch das sogenannte LC-Glied beeinflusst die Frequenz. Ein LC-Glied besteht aus einer resonanzfähigen Schaltung aus einer oder mehreren Spulen (L) und Kondensatoren (C), welche elektrische Schwingungen ausführen. Die Schwingungen treten auf, indem Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators periodisch ausgetauscht werden. Es entsteht eine gewisse Frequenz, die sich im Idealfall ungestört konstant periodisch wiederholt. Die erzeugte elektromagnetische Energie zwischen Spule und Kondensator sorgt dafür, dass eine Dämpfung der Schwingung ausbleibt und daher eine periodische Amplitude und Frequenz übertragen wird. Auch hier lässt sich das LC-Glied in Reihen- und Parallelschwingkreis unterscheiden.

Im hohen Frequenzbereich über einem Gigahertz verwendet man anstelle eines Schwingkreises auch gerne Hohlraumresonatoren. Ihr Vorteil ist der geringe Verlust an Signalstärke und Leistung. Die benötigte Energie zur Unterbindung der Schwingungsdämpfung wird beim Hohlraumresonator mittels eines Wellenleiters zugeführt.

Bestimmung der Frequenz durch Schwingquarze in Oszillatoren

Durch Schwingquarze – auch einfach nur Quarz genannt – können Schwingungen in einem ganz gewissen Frequenzbereich erzeugt werden. Auch hier kommt das Prinzip der elektromechanischen Resonanz zum Einsatz, indem Quarzkristalle mit Elektroden versehen werden. Der richtungsabhängige Quarzschnitt bestimmt hierbei die Frequenzkonstante. Anders ausgedrückt: Der dünnste Quarzschnitt bestimmt die höchstmögliche Resonanz-Frequenz und somit auch die mögliche Bandbreite.

Mit einem Quarzfilter können bestimmte Schwingungen und gewisse Frequenzanteile eines Signals aufgehalten oder durchgelassen werden. In der Funktechnik werden sie vor allem als Filter bei Zwischenfrequenzstufen eingesetzt.

Quarze befinden sich heute in fast jedem hochwertigen elektronischen Gerät, wie bspw. CD- und DVD-Spielern, Uhren, Prozessoren und USB-Geräten. Auch in Oszillatoren bestimmen sie, je nach Schnitt, maßgeblich die Frequenz. Ein SC- und BT-Schnitt kann beispielsweise in einem Frequenzbereich von 0,5 bis 200 Megahertz, ein CT-Schnitt von 300 bis 900 Kilohertz eingesetzt werden.

Ähnlich wie Schwingquarze werden auch Keramikresonatoren eingesetzt. Anstatt eines Quarzes wird hier ein ferromagnetisches Material – Piezokeramik – verwendet. Der piezoelektrische Effekt besagt, dass sich bei Verformung des Materials die elektrisch geladenen Teilchen jeweils auf einer Seite des Keramikresonators befinden. Durch die regelmäßige Deformation des Keramikresonators kann eine gleichbleibend definierte Frequenz erzeugt werden. Keramikresonatoren verfügen jedoch nicht über die Genauigkeit eines Quarzes in der Frequenzbestimmung, sind dafür erheblich billiger und robuster.

Bekannte Oszillatoren vorgestellt: die Hartley-Schaltung

Bei der Hartley-Schaltung handelt es sich um eine Dreipunkt-Oszillator-Schaltung. Bestandteile sind zwei Induktivitäten – auch Selbstinduktionen genannt –, meist in Form von Spulen (L), und einem Kondensator (C). Man kann also auch von einer besonderen Form des bereits vorgestellten LC-Glieds sprechen. Der Hartley-Oszillator wurde nach seinem Entwickler benannt, der es 1920 patentierte.

Die zwei Induktivitäten sind hintereinander angeordnet, der Kondensator wird hier parallel geschaltet. Gelangt ein Ausgangssignal in den Schaltkreis, wird durch den Verstärker – die Hartley-Schaltung – die Spannung angehoben. Dies bewirkt einen Stromanstieg in einer der Spulen, was wiederum eine konstante Schwingung, also eine gewisse Frequenz, hervorruft.

Verwendung findet der Hartley-Oszillator vor allem in Überlagerungsempfängern, auch Superhet genannt. Mit ihnen können Funksignale im Hochfrequenzbereich (3 bis 30 Megahertz), gebräuchlich beim UKW- und Satellitenempfang zum Beispiel, sehr stabil empfangen werden. Durch die hohe Gesamtverstärkung gehen nur wenige Signale verloren, die Leistung bleibt weitgehend erhalten. Die gewünschte Frequenz kann trennscharf und in besserer Qualität, verglichen mit der veralteten Geradeausschaltung, empfangen werden.

Häufig in der Funktechnik verwendet: die Colpitts-Schaltung

Bei dem Colpitts-Oszillator sind ein RC-Glied und ein Reihenschwingkreis zur Frequenzbestimmung verbaut. Doch im Gegensatz zur bereits beschriebenen Hartley-Schaltung besteht das RC-Glied aus nur einer Induktivität und zwei Kondensatoren. Vorteil der Colpitts-Schaltung sind ihre Unempfindlichkeit in der Dimensionierung und Anordnung der einzelnen Bauteile und die Zuverlässigkeit im Betrieb.

Mit der Schaltung werden periodische Wechselstromspannungen – auch bekannt als Sinusschwingungen – erzeugt, die eine bestimmte Frequenz hervorbringen. Der Energieverlust wird durch einen Verstärker ausgeglichen. Um eine konstante Schwingung beizubehalten, muss die Wirkung des Verstärkers mindestens den Wert plus 1 betragen. Colpitts-Schaltungen werden im sehr hohen Frequenzbereich, genauer im UKW- und VHF-Bereich zwischen 80 und 300 Megahertz, verwendet. Das Signal bleibt dank einer Colpitts-Schaltung stabil und unverzerrt.

Eine Abwandlung und Verbesserung der Colpitts-Schaltung ist der Clapp-Oszillator. Als Verstärker wird hier eine Elektroröhre verwendet, den frequenzbestimmenden Schwingkreis bilden eine Spule und drei Kondensatoren in Serienschaltung. Der erste Kondensator fungiert hier frequenzbestimmend, die anderen beiden haben die gleiche Funktion wie in der Colpitts-Schaltung, sie dienen als Spannungsleiter. Die Anordnung kommt ebenfalls im sehr hohen Frequenzbereich zum Einsatz, insbesondere wenn eine große Frequenzstabilität nötig ist. Auch hier bestimmen die technischen Daten und Eigenschaften von Spule und Kondensatoren den Bereich der Frequenz.

VCO-Oszillatoren: Die Spannung bestimmt hier die Frequenz

Moderne Überlagerungsempfänger verwenden heute gerne VCO-Oszillatoren. Der Frequenzbereich kann mittels Variation der Spannung eingestellt und verändert werden. Das Grundprinzip basiert auf einer herkömmlichen Hartley-Schaltung. Die Spanne der zu verwendenden Frequenzen ist hier ziemlich breit, diese Anordnung wird auch gerne im niedrigeren Frequenzbereich verwendet. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, Frequenzen stufenlos einstellen zu können.

Der frequenzbestimmende Schwingkreis kann beispielsweise aus einer Kapazitätsdiode, auch Varaktor genannt, bestehen. Mit dieser Diode kann eine Kapazität der Variation der Spannung im Frequenzbereich von 1:3 abgestimmt werden. Die Qualität des Ausgangssignals nimmt jedoch mit zunehmender Variation ab. Dies äußert sich durch Rauschen und in Einbußen bezüglich der Stabilität. Anstelle eines LC-Schwingkreises kann auch ein bereits erwähnter Quarz eingebaut werden. Man spricht dann von einem VCXO-Oszillator. Hier beläuft sich der Abstimmbereich zur Ausgangsfrequenz in der Regel auf nur wenige Promille, das bedeutet mit anderen Worten: Sie sind überaus genau. Ein spannungsgesteuerter Oszillator ist bereits in einer passenden integrierten Schaltung (IC), genauer einer PLL-Schaltung (Phase Locked Loop), zum Beispiel dem Grundmodell CD4046B oder auch MC14046B, verbaut.

In der Funktechnik eingesetzt – Der Gegentakt-Oszillator

Bevor die erwähnte PLL-Schalttechnik entwickelt wurde, waren Gegentakt-Oszillatoren beliebte Bauteile zur Erzeugung von VHF- und UHF-Signalen. Es kann also für den Frequenzbereich der Ultrakurzwelle (30 bis 300 MHz) und Dezimeterwellenbereich (0,3 bis 300 GHz) eingesetzt werden.

Durch mindestens zwei elektrischen Schaltungen – es handelt sich hier meist um Transistoren – wird abwechselnd Strom geleitet. Auf diese Weise werden auch hier Sinusschwingungen erzeugt. Diese Art der Schaltung ist sehr robust und hat im hochfrequenten Bereich den entscheidenden Vorteil, dass die temperaturabhängigen Transistorkapazitäten aufgrund ihrer Anordnung wenig Einfluss auf die Qualität und Stabilität der erzeugten Frequenz haben. Das Signal bleibt konstant und ungestört. Auch kann ein Gegentakt-Oszillator mehr Leistung liefern als andere Arten von Oszillatoren.

In der Funktechnologie wird durch Oszillatoren zusammenfassend das Signal mittelt elektrischer Schwingungen übertragen und dabei stabilisiert und entdämpft. Wie aus den Beschreibungen der unterschiedlichen Oszillatoren zu entnehmen ist, können sie allesamt hervorragend im Hochfrequenzbereich verwendet werden. Auch für den niederen Frequenzbereich gibt es spezielle Oszillatoren.

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