Informations- und Kommunikationstechnik

Meißner-Oszillator

Der nach seinem Entwickler Alexander Meißner benannte LC-Oszillator verfügt wie jeder andere Oszillator über einen Verstärker und einen geeigneten Rückkoppelzweig. Im ersten Beispiel gleicht ein Verstärker in Emittergrundschaltung die im Schwingkreis und im Koppelnetzwerk vorhandenen Verluste so aus, dass nach dem Anschwingen die Ring- oder Schleifenverstärkung den Wert 1 hat. Das Rückkoppelnetzwerk führt das Ausgangssignal des Verstärkers entsprechend einer Mitkopplung phasenrichtig auf den Eingang zurück. Der zweite Abschnitt beschreibt den Meißner-Oszilator in der Basisgrundschaltung.

Für die Phasenbedingung zwischen dem Ein- und Ausgangssignal bei Oszillatoren gilt 0° oder 360°. Der Meißner-Oszillator nutzt zur Rückkopplung einen Übertrager mit Primär- und Sekundärwicklung. Bei gleichartigem Wickelsinn besteht zwischen der Primär- und Sekundärseite keine Phasendrehung des Signals. Bei gegenläufigem Wickelsinn entsteht eine Phasendrehung von 180°. Mit dem Meißner-Oszillator begann das Zeitalter des Rundfunks, da die zuvor benutzten Maschinen- und Funkenstreckensender zur Sprach- und Musikübertragung ungeeignet waren.

Meißner-Oszillator in Emittergrundschaltung

Meißner-Oszillator

Der Schwingkreis in der Kollektorleitung bildet den Arbeitswiderstand. Der Arbeitspunkt des Transistors ist mittels Basisspannungsteiler und Emitterwiderstand für einen ausreichend hohen Kollektorstrom eingestellt.

Da die Emitterschaltung eine Phasendrehung zu 180° erzeugt, muss der Übertrager das Rückkoppelsignal ebenfalls um diesen Winkelbetrag drehen. Die Auskoppelspule hat einen gegenläufigen Wickelsinn und gibt das Signal an die Basis zurück. Der Koppelkondensator trennt die Basis galvanisch vom niederohmigen Übertrager und der Masse.

Die Simulationsschaltung wurde mit einem BJT-NPN-virtuellen Transistor und virtuellem Audioübertrager mit L = 1 mH erstellt. Für den Arbeitspunkt wurden die Widerstandswerte für einen Kollektorstrom IC = 1,5 mA bei einer Basisstromverstärkung von B = 100 und einem Querstromfaktor q = 5 bei UBE = 0,7 V berechnet.

Der Oszillator schwingt nach dem Simulationsstart selbsttätig an und bleibt stabil. Die Oszillatorfrequenz kann mit der Thomsonschen-Schwingungsformel zu 50,33 kHz berechnet werden. Der Messwert ergab 49,9 kHz. Bei dieser Frequenz verringert der Emitterkondensator mit XC = 680 Ω die Stromgegenkopplung für das Signal um rund ein Drittel, hebt sie aber nicht auf. Sein Wert wurde per Versuch ermittelt und ergab bei 4,7 nF ein optisch gutes Sinussignal.

Funktionsbeschreibung der Schaltung

Die Basisvorspannung ist so berechnet, dass der Transistor sicher leitet und Kollektorstrom fließt. Der Einschaltvorgang entspricht einer Sprungfunktion mit einer Vielzahl harmonischer Frequenzen und stößt somit den Schwingkreis an. Infolge der schnellen Stromänderung beim Einschalten verzögert die Induktivität des Schwingkreises einen schnellen Stromanstieg, während der noch ungeladene Kondensator im Resonanzkreis wie ein Kurzschluss leitend wirkt. Der Kollektorstrom lädt den Kondensator auf. Das elektrische Feld leitet über die Spule den Schwingvorgang ein.

Das sich in der Primärwicklung aufbauende Magnetfeld induziert in der Sekundärwicklung eine zunehmende Spannung. Sie muss so gepolt sein, dass sie wie eine zusätzliche Spannungsquelle die Basis des Transistors positiver werden lässt und somit den leitenden Zustand des Transistors unterstützt.

Im Schwingkreis klingt der anfänglich schnelle Stromanstieg ab und proportional dazu werden auch die Änderung des Magnetfelds geringer, sodass die induzierte Rückkoppelspannung abnimmt. Die Zusatzspannung an der Basis verringert sich und der Transistor wird weniger angesteuert. Das elektrische Feld des Kondensators im Resonanzkreis ist entgegengesetzt gepolt.

Im Schwingkreis fließt jetzt ein gegenläufiger Strom, der auch die Induktionsspannung umpolt. Das Basispotenzial wird noch kleiner und sperrt den Transistor. Die magnetische Energie im Schwingkreis schwächt sich wieder ab und erzeugt ein erneut umgepoltes elektrisches Feld im Kondensator. Der Ausgangszustand ist wieder hergestellt. Die Energieverluste werden vom im Arbeitspunkt leitenden Transistor ausgeglichen.

Basispotenziale beim Meißner

Der berechnete Arbeitspunkt des Transistors ist in der Steuerkennlinie mit A eingezeichnet und bewirkt eine ausreichend hohe Anfangsverstärkung. Die Ringverstärkung liegt über 1 und ermöglicht das Anschwingen. Das an die Basis zurückgekoppelte Signal senkt mit zunehmender Signalamplitude das Gleichspannungspotenzial an der Basis. Die Basis-Emitter-Diode wirkt als Gleichrichter und lädt dadurch den Koppelkondensator zur Basisseite negativer auf. Der Transistor wird insgesamt weniger angesteuert und der Arbeitspunkt verschiebt sich nach A' in den Bereich kleinerer Kollektorströme. Die Verstärkung nimmt solange ab, bis die Ringverstärkung den Wert 1 erreicht und der Oszillator stabil arbeitet.

Das nächste Diagramm zeigt den Einschwingvorgang und die damit verbundene automatische Arbeitspunktverschiebung mit abnehmendem mittleren Gleichspannungspotenzial an der Basis bis hin zum stabilen Schwingvorgang. Das für den statischen Arbeitspunkt berechnete Basispotenzial wird durch die orangene Linie bei 1,6V dargestellt, während die grüne Linie das abnehmende Basispotenzial zeigt. Die gemessene mittlere Gleichspannung an der Basis ging dabei bis auf −1  zurück. Nur durch die hervorgehobenen Signalspitzen im rechten Bild fließt bei leitend gesteuertem Transistor ein Kollektorstrom und gleicht dann die Energieverluste des Oszillators aus.

Einschwingvorgang des Oszillators

Parallelspeisung für den Meißner-Oszillator in Emittergrundschaltung

Oszillator in Parallelschaltung

In der Emitterschaltung oben bilden Schwingkreis und Transistor eine Reihenschaltung, die als Serienspeisung bezeichnet wird. In dieser Schaltung ist der Schwingkreis durch einen ohmschen Widerstand ersetzt. Das Kollektorsignal wird dem Schwingkreis über einen Koppelkondensator zugeführt. Für das Rückkoppelsignal ändert sich nichts. Die Primärinduktivität kann eine Anzapfung haben, wodurch eine Impedanzanpassung an den Kollektorkreis möglich ist. Der zum Schwingkreis für das Signal gesehen parallel liegende Kollektorwiderstand verringert ohne Anpassung bei zu kleinem Wert die Schwingkreisgüte.

Der Koppelkondensator zum Kollektor trennt den Schwingkreis galvanisch von der Versorgungsspannung. Eine Spule mit Kern wird vom Kollektorgleichstrom nicht vormagnetisiert und die Induktivität bleibt unbeeinflusst konstant. Diese Schaltung hat den weiteren Vorteil, dass bei einem abstimmbaren Schwingkreis mit Drehkondensator der Rotor direkt an Masse liegt und unempfindlich gegen Berührungen ist.

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Meißner-Oszillator in Basisgrundschaltung

Der Schwingkreis bildet den Arbeitswiderstand im Kollektorkreis. Über die Sekundärinduktivität wird das Signal in den Emitterkreis eingekoppelt. Die Basis liegt auf Signale bezogen über einen Kondensator ausreichend großer Kapazität an Masse. Da die Basisschaltung keine Phasendrehung aufweist, ist die Schaltung so aufzubauen, dass der Wickelsinn beider Induktivitäten gleich ist.

Die Schaltung besitzt eine automatische Amplitudenbegrenzung. Die beim Anschwingen große positive Signalhalbwelle des Rückkoppelsignals erhöht das Emitterpotenzial und verringert die Transistoransteuerung. Während der negativen Halbwelle der Signalschwingung lässt das statische positive Basispotenzial die Basis-Emitterdiode gut leiten, sodass der Koppelkondensator zur Emitterseite weiter positiv geladen wird. Der Entladestrom über den Emitterwiderstand ist geringer und das Emitterpotenzial bleibt insgesamt positiver und verringert die Verstärkung des Transistors. Sein Arbeitspunkt verschiebt sich in den Bereich, bei der die Ringverstärkung den Wert 1 hat.

Basisgrundschaltung für Meißner-Oszillator

Das Prinzip der automatischen Verstärkungsregelung ist klarer erkennbar, wenn man sich den Basiskondensator CB wegdenkt und die Koppelspule als Signalquelle betrachtet. Während der negativen Halbwelle von UK am Emitter liegt an der Basisseite die positive Halbwelle. Das Basispotenzial ist dadurch positiver und der Kollektorstrom lädt den Koppelkondensator zur Emitterseite mehr auf als zuvor. Die Verstärkung des Transistors wird herabgeregelt.

In der Empfängertechnik ist die Basisschaltung, die zumeist zum abstimmbaren Antennenkreis gehört vorteilhaft, da über die Basis keine hochfrequente Oszillatorspannung in die Vorstufe gelangt und über die Antenne abgestrahlt wird. Das folgende Bild zeigt die verbesserte Schaltungsvariante, wo der Abstimmkondensator einseitig auf dem Nullpotenzial der Schaltungsmasse liegt. Induktivität des Schwingkreises ist angezapft und ermöglicht eine Impedanzanpassung. Die niedrige Eingangsimpedanz der Basisschaltung würde den Schwingkreis zu stark dämpfen und somit seine Güte herabsetzen.

Meißner-Oszillator in verbesserter Basisgrundschaltung

In der Empfängertechnik des Rundfunks und Fernsehens wurden Meißner-Oszillatoren von Langwelle (LW, wenige 100 kHz) bis in den Fernsehbereich Band I und III (VHF, bis 300 MHz) eingesetzt.