Der RC-Oszillator für drei Frequenzbereiche


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 einen Tiefpass sind
hintereinander geschaltet. Sowohl die Widerstände als auch die Kondensatoren 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.
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 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 angehoben, 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 einstellbar sein, also als Potentiometer ausgeführt sein.
Die Frequenz, mit der der RC-Oszillator schwingt, kann mit der nachfolgenden Formel errechnet werden:

Prinzip-Schatbild eines RC-Oszillators

Schaltungsbeschreibung

Der nachfolgende RC-Oszillator ist ein Wien-Robinson-Oszillator mit Amplitudenregelung. Die
Schaltung besteht im Wesentlichen aus vier Teilen:

Die Frequenzeinstellung:

Die Umschaltung der Frequenzbereiche erfolgt mit Hilfe eines Drehschalters. Dieser Drehschalter
hat 3 x 3 Bereiche, 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 LEDís 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 Wien-Robinson-Brücke

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 Die Frequenzbereiche sind wie folgt aufgeteilt:
Durch das Drehen des Potentiometers P1-1/P1-2 wird die Frequenz in Abhängigkeit des gewählten
Bereichs abgestimmt, der Punkt der Grenzfrequenz verschiebt sich.

Der Operationsverstärker

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.

Die Amplitudenregelung

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
Kondesator parallel zum Ausgang angeordnet ist. Er hat ein stark integrierendes Verhalten, d.h.
Rechtecksignale werden suzusagen»rundgeschliffen«. In Kombination mit einem Operations-
verstärker ergibt dies ein Regelkreisglied, dass zwar relativ langsam, dafür aber ausserordentlich
präszise 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 ānormalení 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 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 fliest 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.
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 FETís verengt. Wird der Kanal verengt, fließt weniger Strom durch den FET.
Diese FETís werden auch als selbstleitende Sperrschicht-FETís bezeichnet, da sie ohne Ansteuerung bereits leitfähig sind. Der über sie fließende Strom wird nur vom Eigenwiderstand begrenzt.

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 FETís 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 FETís werden auch als selbstleitende Sperrschicht-FETís 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 FETís. Je größer
das Ausgangssignal des OPs ist, desto negativer ist die Spannung am Gate des FETís 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 FETís 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. Das Selbe 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.

Stückliste:

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

Schaltbild:



Schaltbild und Bestückungsplan - PDF-Download (ca. 370kB)
Layout Lötseite - PDF-Download (ca. 22kB)
Layout Bestückungsseite - PDF-Download (ca. 19kB)
Layout TARGET-file - ZIP-Download (ca. 40kB)