HF-Oszillatoren simuliert
von Heinz D.
Im oberen Bild ist die schwingende HF-Stufe aus dem SW-Radio
zu sehen. Grün ist die Spannung an der Basis/Schwingkreis, blau ist die
Emitterspannung. Man sieht, das die positiven Halbwellen bei 0,7V
begrenzt werden, sodass sich eine negative Hüllkurven-Gleichrichtung
(AM-Demod.) ergibt. Darunter sehen Sie, dass T2 zusätzlich Energie in
den Schwingkreis pumpt. Dadurch fängt der der Kreis viel früher an zu
schwingen. Auch hier ist die Emitterspannung nur negativ gerichtet
(AM-Demod.).
Hier
sehen Sie grün=U-Schwingkreis, blau=I-Emitter-T1, rot=I-Emitter-T2.
Blau und rot müssen sich abwechseln, weil sie sich den Strom teilen
müssen. T1 (strom-) verstärkt die negativen Halbwellen (als
Emitterfolger=Kollektorschaltung). T2 pumpt seinen Anteil als
Mitkopplung 0° in den Schwingkreis.
[Karvelis-Drabek.jpg]
Zum Schluss noch die Simulationen der 2-Ton-Oszillatoren von Herrn Drabek/Karvelis. (Wer zu viele Transistoren hat, kann bei Saulius Karvelis
nachsehen 'creating_simple2.gif', usw.) LTSpice zeigt, dass die
Oszillatoren sich bei geringen Frequenzunterschieden gegenseitig
'mitziehen' (Phasenverschiebung) oder bei großen Unterschieden auf
Harmonische 'einrasten' möchten.
Download: LTSpice.zip
Nachtrag: Transistor-Kapazitäten, von B. Kainka
Der
Eintransistor-Oszillator aus der Kurzwellen-Audionschaltung schwingt
nur weil es eine B-E-Kapazität gibt. Sie bildet zusammen mit dem
Emitterkondensator einen kapazitiven Spannungsteiler, der es
ermöglicht, das verstärkte Signal an einem Punkt geringer Impedanz
wieder einzuspeisen.
Der emittergekoppelte Oszillator würde auch
ganz ohne Kapazitäten schwingen. Er funktioniert auch noch im
NF-Bereich. Man kann z.B. statt des Schwingkreises einen Lautsprecher
nehmen, dann hat man einen Tongenerator. Im HF-Bereich spielen die
Kapazitäten trotzdem eine Rolle. Weil die C-E-Spannung so klein ist
sind die Kapazitäten groß und sehr spannungsabhängig, ähnlich wie bei
einer Kapazitätsdiode. Der Oszillator ist daher nicht besonders stabil.
Um den gesamten Mittelwellenbereich mit einem Drehko
durchzustimmen muss man schon echte HF-Transistoren (BF494 o.ä.)
nehmen, die etwa zehnfach geringere Kapazitäten haben als
NF-Transistoren. Oder man legt die Transistoren an eine tiefe
Anzapfung des Kreises, dann ist der Einfluss geringer.
Die
symmetrische Schaltung kann zwei unabhängige Kreise entdämpfen
(Drabek). Die Audion-Schaltung von Karvelis entdämpft nur den einen
Kreis. Der andere ist ein Antennenkreis, der nur über die B-C-Kapazität
des einen Transistors das Eingangssignal auf den eigentlichen
Audion-Kreis koppelt. Dass ein Oszillatorsignal rückwärts verstärkt auf
den Antennenkreis geht ist in der Anwendung als Audion nur ein
unerwünschtes Nebenprodukt. Wenn der Antennenkreis auf einem
Oberton des Oszillators abgestimmt ist, kann die Schaltung als Sender
durchgehen. Das war ein übliches Verfahren im Amateurfunk. Die Antenne
wirkt dann weniger auf den Oszillator zurück. In der Simulation ist der
dritte Oberton eingestellt.
Nachtrag: Emittergekoppelter Oszillator als VCO
Eine Frage von Dirk Niemeier: Diese
folgende Schaltung stammt aus dem Radiobaubuch. Die Schaltung habe ich
so in LTSpice wie auch in Realität (Breadboard) aufgebaut. Der FET
dient nur zum Auskoppeln, an der folgenden Beobachtung ändert sich
nichts, wenn man ab C2 alles weglässt und direkt am Kollektor von Q2
misst.
Der Oszillator schwingt mitnichten auf der
Resonanzfrequenz sondern in Abhängigkeit von der Spannung am Punkt
R1/R2/R3 deutlich darunter. 10% sind leicht erreichbar. Je näher man an
den Punkt kommt, an dem die Schwingungen abreißen, desto näher ist man
an der theoretischen Resonanzfrequenz, aber immer noch davon entfernt.
Im Experiment war der Effekt sehr viel größer als in der Simulation.
Gemessen wurde mit Hameg-Tastkopf 10M/50p. Verglichen mit der
Schwingkreiskapazität sind die parasitären Kapazitäten, der
Koppelkondensator (sofern der rechte Teil der Schaltung existiert) und
die Tastkopfkapazität recht klein, daran kann es also eigentlich nicht
liegen.
Obendrein ist der Frequenzshift auch noch stark abhängig
von der Dimensionierung des Schwingkreises. Bei 1n ... 10n ist der
Shift (d.h. die rel. Abweichung vom Soll) größer, je größer die
Induktivität ist. Die Schaltung ist also bei unbedarftem Einsatz
höchsten ein Schätzeisen. Die Frage ist nun: Warum? Warum ist diese
Schaltung ein VCO (wenn auch ein schlechter)?
Antwort:
Es liegt an den Transistorkapazitäten, die zusammen je nach
Arbeitspunkt bis auf ca. 50 pF kommen können. Ein Transistor kann sogar
als Kapazitätsdiode eingesetzt werden (E und C zusammen gegen B).
Ich schätze, dass man in dieser Schaltung zwischen 20 pF und 50
pF einstellen kann. Das ist ein klarer Nachteil der Schaltung, ein
Resultat der sehr direkten Kopplung an den Schwingkreis. Das Problem
wird geringer wenn die Kapazität im Schwingkreis größer ist. Mit 10 nF
wie im Schaltbild oben ist die Verstimmung gering. Größer ist in
diesem Fall der Fehler, der durch die Eigenkapazität der 10-mH-Spule
hinzukommt.
