Der Wien-Robinson-Oszillator ist ein Sinus-Oszillator, der eine klirrarme, d.h. verzerrungsarme Sinusschwingung erzeugt. Die Frequenz ist von der Kombination Kondensator-Widerstand abhängig. Ein Hochpass, bestehend aus C1 / R1, und ein Tiefpass, bestehend aus C2/R2 sind hintereinander geschaltet. Sowohl die in Reihe geschaltete Kombination von Widerstand und Kondensator als auch die parallel geschaltete Kombination von Widerstand und Kondensator haben dieselben Werte. Aus dieser Kombination ergibt sich, dass die Grenzfrequenzen der jeweiligen RC-Kombinationen an denselben Punkten kreuzen und sich daraus ergebende Spannung am höchsten ist. Dieser Punkt ist die Schwingfrequenz des Oszillators.Die Frequenz, mit der der RC-Oszillator schwingt, kann mit der nachfolgenden Formel errechnet werden:
Für die Schwingbedingung des Oszillators ist es erforderlich, dass die Phasendrehung zwischen dem nicht-invertierenden Eingang und dem Ausgang des OPs 0° bzw. 360° beträgt. Aus diesem Grund wird das Ausgangssignal des OPs über die in Reihe geschalteten Bauteile C1 und R1 auf den nicht-invertierenden Eingang zurückgeführt. Es entsteht eine Mitkopplung, d.h. der Oszillator beginnt zu schwingen und die Schwingung erhält sich selbst. Da die Amplitude sowohl des Hochpass als auch des Tiefpass bei der Grenzfrequenz auf 70,7% der Eingangsspannung sinkt, muss das Signal von einem nachfolgenden Verstärker auf einen entsprechenden Pegel angehoben werden. Durch die Gegenkopplung des Verstärkers, R3 und R4, wird die Spannung wieder soweit verstärkt, dass die Schwingbedingung erfüllt ist. In der Regel beträgt der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ungefähr »3«. Der Widerstandswert von R3 ist ca. dreimal größer als der von R4.
Um den optimalen Verstärkungsfaktor einzustellen, kann R4 als Potentiometer ausgeführt sein.
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| Prinzip-Schaltbild eines RC-Oszillators |
Der nachfolgende RC-Oszillator ist ein Wien-Robinson-Oszillator mit Amplitudenregelung. Die Schaltung besteht im Wesentlichen aus vier Teilen:
Die Umschaltung der Frequenzbereiche erfolgt mit Hilfe eines Drehschalters. Dieser Drehschalter hat drei Schaltebenen mit jeweils drei Anschlüssen, von denen zwei für das Umschalten der frequenzbestimmenden Kondensatoren und ein Bereich zur Anzeige des selektierten Bereichs über eine LED benötigt wird. Der Drehschalter wird in die Frontplatte montiert wobei die Bohrungen für die LED’s berücksichtigt werden müssen. Durch Drehen am Schalter werden die frequenzbestimmenden Kondensatoren C1/C4, C2/C5 und C3/C6 angewählt. Ein Tandem-Potentiometer sorgt für die Feineinstellung der Frequenz im gewählten Frequenzbereich.
Die Funktionsweise der Wien-Robinson-Brücke, also des RC-Oszillators, wurde weiter oben schon beschrieben.Die Wien-Robinson-Brücke ist in drei Bereiche unterteilt. Sie besteht aus den Kondensatoren
Durch das Drehen des Potentiometers P1-1/P1-2 wird die Frequenz in Abhängigkeit des gewählten Bereichs abgestimmt, der Punkt der Grenzfrequenz verschiebt sich.
Da bei der Grenzfrequenz der Pegel der Wien-Robinsonbrücke auf 70,7% des Ursprungpegels gesunken ist, muss er wieder auf 100% oder höher angehoben werden. Dies geschieht mit Hilfe des OPs. R2, R1 und T1 koppeln das Sinussignal auf den invertierenden Eingang des OPs zurück. Das Verhältnis des Widerstände und des FETs zueinander beträgt ca. 3, wobei die Widerstand R2 nur ca. doppelt so groß ist wie Widerstand R1. Transistor T1, BF245B dient als Regler, der die Ausgangsamplitude stabil hält.
Transistor T1 mit Diode D1 und Kondensator C7 stellen einen I-Regler dar. Ein I-Regler ist eines von drei Regelgliedern, die, um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, miteinander kombiniert werden. Im weiteren Sinne ist ein I-Regler ein RC-Glied, bei dem der Kondensator parallel zum Ausgang angeordnet ist. Er hat ein stark integrierendes Verhalten, d.h. Rechtecksignale werden sozusagen »rundgeschliffen«. In Kombination mit einem Operations- verstärker ergibt dies ein Regelkreisglied, dass zwar relativ langsam, dafür aber außerordentlich präzise regelt. Über die Diode D1 wird das Ausgangssignal gleichgerichtet. Die positive Halbwelle wird gesperrt, während die negative Halbwelle die Diode passiert. Diode D1 und Kondensator C7 bilden einen Spitzenwertgleichrichter, der im Gegensatz zum normalen Brückengleichrichter nicht den effektiven Spannungswert generiert sondern auf den Spitzenwert der in diesem Fall negativen Halbwelle abzüglich der Schwellspannung von D1 gleichrichtet. C7 glättet das Signal und generiert die negative Spannung, mit der Transistor T1 gesteuert wird. Transistor T1 ist ein N-Kanal-Sperrschicht-FET. Was zum Teufel ist ein N-Kanal-Sperrschicht-FET ? Diese Frage kann beantwortet werden.
Ganz allgemein gesehen gibt es zwei große Gruppen von Transistoren: Die bipolaren Transistoren und die Feld-Effekt-Transistoren.
Die Anschlüsse eines bipolaren Transistors nennen sich Basis, Kollektor und Emitter. Am Kollektor fließt der »Kollektorstrom« hinein. In die Basis fließt der Steuerstrom, der »Basisstrom« hinein, der sich im Emitter zum »Emitterstrom«, also zum gesamten Arbeitsstrom addiert.
Der Feld-Effekt-Transistor, kurz FET, hat ebenfalls drei Anschlüsse. Dieses sind das Gate, das »Tor«, an dem die Steuerspannung anliegt, der Drain, sozusagen der »Einfluss« in den FET, und die Source, die »Quelle«, aus der der gesteuerte Strom wieder heraus fließt.
Während in die Basis eines bipolaren Transistors ein, wenn auch geringer, Strom hineinfliesen muss, wird ein FET leistungslos angesteuert. Es fließt kein Strom in den Steueranschluss, stattdessen wird das elektrische Feld der angelegten Spannung genutzt.
Der N-Kanal-Sperrschicht-FET wird mit einer negativen Spannung angesteuert, der P-Kanal-Sperrschicht-FET mit einer positiven Spannung.
Zusammengefasst gilt also: Liegt am Steueranschluss keine Spannung an, ist der FET am niederohmigsten, er leitet den Strom am besten. Wird eine Spannung angelegt, bildet sich im FET ein elektrisches Feld, das den Kanal des FET’s verengt. Wird der Kanal verengt, fließt weniger Strom durch den FET.
Liegt am Steueranschluss keine Spannung an, ist der FET am niederohmigsten, er leitet den Strom am besten. Wird eine Spannung angelegt, bildet sich im FET ein elektrisches Feld, das den Kanal des FET’s verengt. Wird der Kanalverengt, fließt weniger Strom durch den FET. Als bildhafter Vergleich bietet sich ein Gartenschlauch an, um den eine Hand gelegt ist. Wird die Hand geschlossen, fließt weniger Wasser durch den Schlauch. Die sich schließende Hand soll das elektrische Feld darstellen, das an den FET angelegt wird.
Diese FET’s werden auch als selbstleitende Sperrschicht-FET’s bezeichnet, da sie ohne Ansteuerung bereits leitfähig sind. Der über sie fließende Strom wird nur vom Eigenwiderstand begrenzt.
Die negative Spannung, die am Gate liegt, ändert die Leitfähigkeit des FET’s. Je größer das Ausgangssignal des OPs ist, desto negativer ist die Spannung am Gate des FET’s desto größer wird sein Widerstand. Wird der Widerstand größer, ändert sich das Teilerverhältnis der Gegenkopplung des OPs. Das Teilerverhältnis wird kleiner, die Verstärkung des OPs wird daher ebenfalls kleiner. Weil die Verstärkung des OPs keiner wird, wird auch seine Ausgangsspannung kleiner. Als Folge davon wird auch die negative Spannung am Gate des FET’s kleiner. Es entsteht also eine Regelung, die die Amplitude des Ausgangssignals beeinflussen kann. Widerstand R4 dient dazu, den Kondensator wieder zu entladen, wenn die Regelspannung kleiner wird. Die Geschwindigkeit der Regelung kann beeinflusst werden, indem Kondensator C7 geändert wird. Wird der Kondensator vergrößert, ist die Regelung langsamer, wird er verkleinert, ist sie schneller. Dasselbe gilt für den Widerstand R4. Werden die Bauteile so verändert, dass die Regelung schneller wird, kann es sein, dass das Ausgangsignal unstabil wird, d.h. die Amplitude ändert ihren Pegel willkürlich, je nachdem was für äußere Einflüsse auf das Ausgangssignal einwirken.Anmerkung:
Werden die Kondensatoren C2/C5 gegen 10nF, die Kondensatoren C1/C4 gegen 470pF getauscht, überlappen sich die Bereiche weniger weit.Die Frequenzbereiche sind dann wie folgt aufgeteilt:
Es muss allerdings damit gerechnet werden, das der OP an seine Grenzen stößt, d.h. die Amplitude kann trotz Regelung unstabil werden. In diesem Fall kann ein OP eingesetzt werden, dessen Grenzfrequenz über der des TL081 liegt. Alternativ kann C7 durch einen größeren Kondensator getauscht werden. Weiter können die Frequenzbereiche von den Angaben abweichen, da die Kondensatoren eine Toleranz von bis zu 20% haben können.
Weiter können die LEDs und R7 weggelassen werden. Sie dienen nur der Anzeige des Frequenzbereichs, sofern ein Umschalter mit drei Schaltebenen verwendet wird. Das Schaltbild, der Bestückungsplan und das Layout steht sowohl als PDF-File als auch als Target 3001!-File zum Download Verfügung. In diese Schaltung ist auch noch ein einfaches Netzteil integriert, dass mit Hilfe von zwei Festspannungsreglern eine positive und eine negative Spannung, +/- 12V, erzeugt.
Bitte beachten! Vorsicht! 230VAC!! Weiter erzeugt ein einfacher Schmitt-Trigger, IC5, LM311, aus dem Sinussignal ein Rechteck, dass die Spannung mit Hilfe einer Zener-Diode, Z4,7, auf 4,7V begrenzt. Der Grund hierfür ist die Erzeugung eines Triggersignals, mit dessen Hilfe z.B. ein Frequenzzähler angesteuert werden kann.
| Widerstände | ||||||
| R1 - 18kΩ | R2 - 39kΩ | R3 - 1MΩ | R4 - 1MΩ | R5 - 3,3kΩ | R6 - 3.3kΩ | R7 - 1kΩ |
| P1-1 & P1-2: | Tandempoti 100kΩ | |||||
| Kondensatoren | ||||||
| C1 - 2,2nF | C2 - 22nF | C3 - 220nF | C4 - 2,2nF | C5 - 22nF | C6 - 220nF | C7 - 220nF |
| C8 - 22nF | C9 - 22nF | C10 - 22nF | ||||
| Halbleiter | ||||||
| D1 - 1N4148 | LED1 - Rot | LED2 - Gelb | LED3 - Grün | IC1 - TL081 | T1 - BF245 | |
| Sonstiges | ||||||
| Lötösen | S1-1 bis S1-3: | Umschalter |
