Wien-Brücken-Oszillator

Ein Rechteck liefern NE555 und Logikgatter im Handumdrehen. Für einen Prüfton am Verstärker, zum Messen eines Filters oder für ein Kalibriersignal brauchst du aber einen Sinus, und den bekommst du so nicht. Die bekannteste Schaltung für Sinusschwingungen im Tonfrequenzbereich ist der Wien-Brücken-Oszillator: ein Operationsverstärker, zwei Widerstände und zwei Kondensatoren als frequenzbestimmendes Wien-Glied und eine Gegenkopplung, die die Verstärkung auf genau 3 hält.

Die Schwierigkeit liegt nicht in der Frequenz, sondern in der Amplitude. Ist die Verstärkung etwas zu klein, schwingt nichts; ist sie etwas zu groß, wächst die Schwingung bis an die Versorgung und wird zum Trapez. Hier baust du einen 1-kHz-Generator, bei dem zwei Dioden die Verstärkung selbsttätig nachführen.

Schaltplan

• IC1A, TL072: ein Operationsverstärker mit JFET-Eingängen an ±12 V, geschaltet als nichtinvertierender Verstärker.
• R1, C1 (Reihe) und R2, C2 (parallel): das Wien-Glied, je 16 kΩ und 10 nF. Es koppelt den Ausgang auf den Pluseingang zurück und bestimmt die Frequenz. C1 und C2 sind Folienkondensatoren oder C0G-Keramik.
• Rg, 10 kΩ, R3, 15 kΩ, R4, 6,8 kΩ: die Gegenkopplung. Sie legt die Verstärkung fest.
• D1, D2, 1N4148: antiparallel über R4. Ab einer bestimmten Amplitude leiten sie und senken die Verstärkung.
• Versorgung: Pin 8 an +12 V, Pin 4 an −12 V, je 100 nF nach Masse.

So funktioniert die Schaltung

Das Wien-Glied ist ein Bandpass aus einem Hochpass (C1 in Reihe, R2 nach Masse) und einem Tiefpass (R1 in Reihe, C2 nach Masse). Bei tiefen Frequenzen sperrt C1, bei hohen schließt C2 kurz. Genau bei

ist die Phasenverschiebung null, und am Pluseingang kommt ein Drittel der Ausgangsspannung an. Mehr zum Verhalten solcher Glieder im Bode-Diagramm und unter RC- und RL-Glied.

Der Operationsverstärker verstärkt nichtinvertierend, also ohne Phasendrehung. Die Schleife schwingt, wenn die Verstärkung das Drittel genau ausgleicht: V = 3. Bei anderen Frequenzen stimmt die Phase nicht, dort entsteht keine Schwingung. Der Name „Brücke“ kommt daher, dass Wien-Glied und Gegenkopplung zusammen eine abgeglichene Brückenschaltung zwischen Ausgang und Masse bilden.

Damit die Schwingung aus dem Rauschen heraus anläuft, muss die Verstärkung beim Einschalten etwas über 3 liegen. Dann wächst die Amplitude von Periode zu Periode. Ab etwa 0,5 V an R4 beginnen die Dioden zu leiten, der wirksame Widerstand sinkt, und die Verstärkung fällt. Die Amplitude pendelt sich dort ein, wo die Verstärkung im Mittel genau 3 ist.

Dimensionierung

1. Frequenz. Für f₀ = 1 kHz mit C = 10 nF:

Der nächste Wert der E24-Reihe ist 16 kΩ; damit ist f₀ = 995 Hz.

Der Rechner für die Grenzfrequenz eines RC-Glieds verwendet dieselbe Formel. Mit 1 % Widerständen und 5 % Kondensatoren liegt die Frequenz innerhalb von etwa ±6 %.

2. Verstärkung im Gleichgewicht. Für V = 1 + R_f / R_g = 3 muss R_f = 2 · R_g = 20 kΩ sein.

3. Startreserve. Ohne leitende Dioden ist R_f = R₃ + R₄ = 15 kΩ + 6,8 kΩ = 21,8 kΩ:

Das sind 6 % Reserve, genug für Toleranzen der Widerstände. Leiten die Dioden voll, bleibt nur R3: V = 1 + 15 kΩ / 10 kΩ = 2,5. Irgendwo dazwischen findet die Schaltung ihr Gleichgewicht.

4. Amplitude abschätzen. Im Gleichgewicht ist R_f = 20 kΩ, R4 und die Dioden wirken zusammen also wie 5 kΩ. Durch die Gegenkopplung fließt bei der Ausgangsspitze U_a,max der Strom U_a,max / 3 / 10 kΩ; an R4 liegen damit

Die Dioden halten diese Spitze bei etwa 0,5 V fest, also ist U_a,max ≈ 3 V. Die Simulation ergibt 2,96 V Spitze, 2,1 V effektiv.

Bauteilliste

Varianten

Weniger Verzerrung. Die Dioden schneiden die Spitzen jeder einzelnen Periode leicht ab; das erzeugt die Oberwellen (Verzerrungen). Besser ist eine Regelung, die nur langsam nachführt: Ein JFET wie der J113 als steuerbarer Widerstand in der Gegenkopplung, dazu ein Gleichrichter mit Siebkondensator, der die Amplitude misst. So erreichst du Klirrfaktoren unter 0,01 %. Klassisch, aber schwer zu bekommen, ist eine kleine Glühlampe anstelle von Rg.

Durchstimmbar. Ersetze R1 und R2 durch ein Stereo-Potentiometer von 2 × 100 kΩ, jeweils mit 1,5 kΩ in Reihe. Bei C = 10 nF überstreichst du etwa 160 Hz bis 10 kHz. Die Gleichlauftoleranz des Potis darf dabei nicht zu groß sein, sonst ändert sich die nötige Verstärkung.

Einfache Versorgung. An 5 V arbeitest du mit einem Rail-to-Rail-OPV wie dem MCP6002 und legst R2, C2 und Rg statt an Masse an eine virtuelle Masse von 2,5 V.

Höhere Frequenzen. Über einige 100 kHz werden Operationsverstärker zu langsam. Dort arbeitet man mit Spule und Kondensator: LC-Oszillator nach Colpitts. Für Rechtecke genügt ein RC-Oszillator mit Schmitt-Trigger.

Typische Fehler

• Schwingt nicht an: Die Verstärkung ohne Dioden liegt unter 3. Prüfe R₃ + R₄ gegen 2 · R_g; schon 1 % zu wenig genügt, und nichts passiert.
• Ausgang ist ein Trapez an der Versorgungsgrenze: Die Dioden fehlen, sind gleich herum eingebaut oder R4 ist viel zu groß. Dann begrenzt erst der Ausgang des OPV.
• Amplitude ändert sich mit der Temperatur: Die Durchlassspannung der Dioden sinkt um etwa 2 mV/K, die Amplitude folgt. Für eine stabile Amplitude ist die JFET-Regelung die bessere Wahl.
• Frequenz weicht stark ab: C1 und C2 sind X7R-Typen oder ungleich. Ungleiche Werte verschieben außerdem die nötige Verstärkung von 3 weg. Miss die Frequenz mit dem Oszilloskop oder einem Frequenzzähler.
• Messgerät verändert die Schwingung: Eine niederohmige Last am Ausgang belastet den OPV und damit die Gegenkopplung. Hänge Lasten an den zweiten OPV als Spannungsfolger.

Selbsttest