LC-Oszillator (Colpitts)

Für Frequenzen von einigen hundert Kilohertz bis weit über 100 MHz sind RC-Oszillatoren zu langsam und zu ungenau, Operationsverstärker kommen nicht mehr mit. Hier arbeiten LC-Oszillatoren: Ein Schwingkreis aus Spule und Kondensator bestimmt die Frequenz, ein einzelner Transistor gleicht die Verluste aus. Die verbreitetste Form ist der Colpitts-Oszillator. Er greift die Rückkopplung an einem Spannungsteiler aus zwei Kondensatoren ab und kommt deshalb mit einer einfachen Spule ohne Anzapfung aus.

Typische Einsätze sind Prüfsender, der Überlagerungsoszillator eines Empfängers, Näherungssensoren, die auf die Verstimmung des Kreises reagieren, und spannungsgesteuerte Oszillatoren mit einer Kapazitätsdiode. Hier baust du einen Colpitts-Oszillator für etwa 4 MHz mit einem BC547 an 9 V.

Schaltplan

• T1, BC547B: ein NPN-Transistor in Basisschaltung. Er verstärkt ohne Phasendrehung vom Emitter zum Kollektor.
• L1, 10 μH: die Schwingkreisspule, eine axiale Festinduktivität (Spule). Sie führt zugleich den Gleichstrom zum Kollektor.
• C1, 220 pF, und C2, 470 pF: die Kreiskapazität und zugleich der Spannungsteiler für die Rückkopplung. Keramikkondensatoren mit C0G-Dielektrikum.
• R1, 33 kΩ, R2, 10 kΩ, RE, 680 Ω: stellen den Arbeitspunkt auf etwa 2,1 mA ein.
• C3, 100 nF: legt die Basis für die Schwingfrequenz auf Masse. Erst dadurch arbeitet T1 in Basisschaltung.
• C4, 100 nF: Abblockung der Versorgung. Für die Schwingung ist +9 V dadurch ebenfalls Masse.
• C5, 10 pF: koppelt ein kleines Signal aus, ohne den Kreis stark zu belasten.

So funktioniert die Schaltung

L1 liegt wechselspannungsmäßig zwischen Kollektor und Masse, parallel dazu die Reihenschaltung aus C1 und C2. Das ist ein Parallelschwingkreis. Bei seiner Resonanzfrequenz ist er ein reiner, hoher Widerstand R_p, an dem der Kollektorstrom eine große Wechselspannung erzeugt.

Der kapazitive Teiler gibt einen Teil dieser Spannung an den Emitter weiter. In Basisschaltung haben Emitter- und Kollektorspannung dieselbe Phase: Steigt die Spannung am Emitter, sinkt der Kollektorstrom, und die Kollektorspannung steigt ebenfalls. Am Teiler kommt das Signal deshalb gleichphasig zurück – die Mitkopplung ist geschlossen. Die Phasenbedingung ist nur bei der Resonanzfrequenz erfüllt, bei der der Kreis rein ohmsch ist.

Beim Einschalten wächst die Schwingung aus dem Rauschen heran, bis der Transistor in jeder Periode kurz sperrt oder in die Sättigung geht. Diese Begrenzung hält die Amplitude fest. Weil der Kreis Oberwellen stark dämpft, bleibt die Spannung am Kollektor trotzdem nahezu sinusförmig. Sie pendelt um +9 V, ihre Spitzen liegen also über der Versorgung – die Spule macht das möglich.

Dimensionierung

1. Frequenz. Der Kreis sieht C1 und C2 in Reihe:

Die Kollektor-Basis-Kapazität des BC547 von etwa 4 pF liegt parallel zum Kreis und senkt die Frequenz auf rund 4,05 MHz. Mehr zum Zusammenspiel von induktivem und kapazitivem Blindwiderstand im Grundlagenteil.

2. Arbeitspunkt. Der Teiler legt die Basis auf 9 V · 10 kΩ / 43 kΩ ≈ 2,09 V, am Emitter stehen 0,65 V weniger:

Durch den Teiler fließen 0,21 mA, gut das Zwanzigfache des Basisstroms von etwa 10 μA. Der Arbeitspunkt hängt damit kaum von der Stromverstärkung ab (Arbeitspunkt mit Gegenkopplung).

3. Schleifenverstärkung. Der Teiler gibt den Anteil n = C₁ / (C₁ + C₂) = 0,32 der Kollektorspannung an den Emitter. Dort belastet der Eingangswiderstand der Basisschaltung, etwa 1 / g_m, den Teiler. Mit der Steilheit g_m = I_C / U_T = 2,1 mA / 26 mV ≈ 81 mS und dem Resonanzwiderstand der Spule bei einer Güte von 50, R_p = Q · 2π · f · L₁ ≈ 12,9 kΩ, ergibt sich

Solange g_m · R_p groß ist, gilt die Faustregel A ≈ (C₁ + C₂) / C₁ = 1 + C₂ / C₁. Die Schaltung schwingt also sicher an, ohne stark übersteuert zu werden.

Bauteilliste

Varianten

Clapp-Oszillator. Ein zusätzlicher kleiner Kondensator von etwa 47 pF in Reihe zur Spule bestimmt dann allein die Frequenz. C1 und C2 dürfen groß werden und überdecken so die Transistorkapazitäten. Die Frequenz wird deutlich stabiler.

Abstimmbar. Ein Trimmkondensator parallel zu L1 gleicht die Frequenz ab. Ersetzt du ihn durch eine Kapazitätsdiode mit Vorspannung, entsteht ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO).

Mit Quarz. Ersetzt ein Quarz die Spule, wird daraus ein Quarzoszillator mit wenigen ppm Abweichung; mit einem Logik-Inverter statt des Transistors ist das der Quarzoszillator (Pierce).

Tiefere Frequenzen. Unter etwa 100 kHz werden Spulen groß und verlustreich. Für Sinus im Tonbereich ist der Wien-Brücken-Oszillator die bessere Wahl.

Typische Fehler

• Schwingt nicht an: Meist fehlt C3, oder er ist ein Elko mit hoher Induktivität. Dann ist die Basis nicht an Masse, und die Verstärkung bricht ein. Weitere Ursachen: eine Ferritdrossel mit niedriger Güte statt einer Schwingkreisspule, oder ein vertauschter Transistor.
• Frequenz ändert sich beim Messen: Ein Tastkopf mit 15 pF am Kollektor senkt die Frequenz um mehrere Prozent. Miss über C5 oder mit einem Puffer, etwa einer Stufe als Emitterfolger.
• Mehrere Frequenzen oder Schwingung im UKW-Bereich: Lange Drähte bilden mit den Transistorkapazitäten eigene Schwingkreise. Kurze Leitungen, C3 und C4 direkt an T1 und eine durchgehende Massefläche helfen.
• Frequenz läuft weg: Die Spule erwärmt sich oder die Kondensatoren sind X7R statt C0G. Auch eine schwankende Versorgung verschiebt die Transistorkapazitäten und damit die Frequenz.
• Störungen im Radio: Ein Oszillator mit Antenne ist ein Sender. Ohne Antenne und mit kurzer Auskopplung bleibt die Abstrahlung gering (EMV).

Selbsttest