Colpitts Oszillator Schaltung - Verständnisprobleme

[Max S. (max_s)]

Hallo,

Ich bin nun beim Durchackern meines Buches in dem Teil mit den 
Oszillatoren angekommen. Das Grundprinzip, der Ladungsaustausch zwischen 
Kondensator und Spule, war für mich ziemlich einfach zu verstehen. Wenn 
ich das richtig verstanden habe, geht es im nächsten Part darum, der 
Schaltung einen gewissen Gleichstrom zuzuführen, um die 
Energieumwandlung in Wärme, der in der Grundschaltung auftritt, zu 
kompensieren. Dadurch könne man Wechselstrom mit relativ konstanten 
Amplituden erzeugen.

Mein Problem ist, dass ich anscheinend etwas Grundlegendes "verpasst" 
habe, das mich daran hindert, die weiterentwickelten Schaltungen zu 
verstehen. Zum Beispiel der Colpitts Oszillator (Schaltung siehe 
Anhang), mein Buch schreibt dazu:

"A Colpitts oscillator  is very similar to the shunt-fed
Hartley oscillator. The primary difference is in the tank
circuit structure. A Colpitts oscillator uses two capaci-
tors  instead of a divided coil. Feedback is developed by
an electrostatic field across the capacitor divider network.
Frequency is determined by two capacitors in series and
the inductor.
 Figure 4-73 shows a schematic of the Colpitts oscil-
lator. Bias voltage for the base is provided by resistors R1
and R2. The emitter is biased by R4. The collector is re-
verse biased by connection to the positive side of through
R3. This resistor also serves as the collector load. The tran-
sistor  is connected in a common-emitter circuit configu-
ration. Feedback energy is added to the tank circuit mo-
mentarily during each alternation. As a general rule the
Colpitts circuit is a very reliable oscillator."

Ich versuche mal, die Schaltung soweit es geht zu interpretieren. Die 
Kapazität C3 wird durch die Gleichstromquelle aufgeladen (links positiv 
und rechts negativ). C1, C2 werden ebenfalls durch die direkte 
Verbindung zur Spannungsquelle aufgeladen (oder etwa nicht?), bei L1 
bildet sich ein magnetisches Feld. Außerdem wird der Base-Anschluss des 
Transistors positiv, er leitet also von Emitter zu Collector. Und was 
soll C3 nun mit dem verstärkten Strom anfangen? Wo soll sich da 
überhaupt Wechselstrom bilden, wenn die Spannung immer gleich bleibt und 
die Kondensatoren sich deshalb nicht entladen können?

Danke,

max_s

[olibert (Gast)]

Ich glaube der Denkfehler liegt darin, dass du davon ausgehst eine 
statische Schaltung zu haben. C1, C2 und L1 bilden aber eine 
Schwingkreis.
Der Rueckkopplungszweig ueber den Transisterverstaerker gleicht 
lediglich die Verluste des Schwingkreises aus.

Siehe auch:

http://de.wikipedia.org/wiki/Colpitts-Schaltung

[Max S. (max_s)]

Danke, dann frage ich etwas konkreter:

Warum sollten sich die Kondensatoren C1/C2 bzw. die Spule L1 entladen, 
wenn sie doch an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, die eine 
gleichbleibende Kapazität bzw Induktivität gewährleistet und die 
Bauteile deshalb nicht dazu zwingt, sich zu entladen?

[Jörg W. (dl8dtl) (Moderator)]

Oszillatoren schwingen (auch und gerade in einer Simulation) praktisch
nie, wenn man ihren statischen Zustand betrachtet.  Dass sie schwingen
liegt immer nur daran, dass es irgendeine Anregung gibt (bspw. das
Aufladen der leeren Kondensatoren beim Einschalten), die initial zu
einer zeitlich veränderlichen elektrischen Größe (Strom oder Spannung)
führt.  Diese zeitliche Veränderung verstärkt sich durch die Art der
Schaltung, sodass ein Aufschaukeln der Schwingung entsteht.

[elwood (Gast)]

Hallo Max,

gundsätzlich ist das ein Schwingkreis aus L1, C1 und C2, der sich in 
Resonanz befindet und aus dem mit Q1 aufgebauten Verstärker mit Energie 
versorgt, also am Schwingen gehalten wird.

Betrachte, was passiert, wenn der Oszillator eingeschaltet wird.
Zuerst sind die Kondensatoren leer und die Spule hat kein Magnetfeld.
Da C2 leer ist, ist die Basis von Q1 kurzgeschlossen, d.h. der 
Transistor sperrt vollständig. Es beginnt ein Strom durch R3 und C3 
teils in C1 zu fließen und teils durch L1 in C2. C2 wird außerdem durch 
R1 aufgeladen. C1 ist viel kleiner als C2 und C3, und R1 gut 3-mal 
größer als R1.
C1 wird sich also am schnellsten aufladen, soll heißen: seine 
Ladespannung steigt am schnellsten.
Der Strom durch die Spule baut sich nur langsam auf, da die Spule ein 
Magnetfeld aufbaut und Stromänderungen entgegenwirkt. C2 wird sich 
insgesamt nur langsam aufladen, aber schließlich reicht die Spannung an 
C2 aus, den Transistor aufzusteuern. Das führt dazu, dass dessen 
Kollektorspannung sinkt.
Die Kollektorspannung ist gleich der Summe der Spannungen über C1 und 
C3. Der Transistor beginnt zu leiten, und damit entzieht er den beiden 
Kondensatoren Ladung. Deren Spannung fällt nun.
C3 ist 11-mal größer als C1, die Spannung über C1 fällt also schneller 
als die über C3.
Da die Spannung über C1 fällt, lässt der Strom durch die Spule nach.
Die Spule gleich das zunächst aus, da sie noch ein Magnetfeld hat: sie 
gibt jetzt Strom ab. Der Strom durch L1 fließt also weiter, nimmt aber 
langsam ab, dabei fließt er die ganze Zeit im Uhrzeigersinn durch den 
Schwingkreis, der aus L1, C1 und C2 besteht.
Die Spule hatte zu Anfang Energie aufgenommen (Strom durch R3, C3, L1, 
C2|R2), dabei war der obere Spulenanschluss auf positiverem Potential 
(höhere Spannung) als der untere Anschluss - einfach gesagt: Plus war 
oben.
Nun aber gibt die Spule wieder Energie ab, dabei vertauscht sich die 
Polarität (Lenz'sche Regel): jetzt ist Plus unten.
Es fließt Strom aus der Spule durch C2 und C1, und der Strom fließt im 
Uhrzeigersinnn.
Die Spannung an C2 steigt die ganze Zeit weiter, und der Transistor 
leitet immer besser - die Kollektorspannung fällt weiter.
Aber nach einiger Zeit hat die Spule die Energie ihres Magnetfeldes 
abgegeben, und der Stromfluss hört auf.
Der Strom, den sie Spule abgegeben hat, hat Kondensator C2 aufgeladen.
C1 wurde wieder entladen, da die Stromflussrichtung durch diesen 
Kondensator sich in dem Moment umkehrte, als die Spule begann, ihre 
Energie abzugeben - und nicht nur entladen, sein oberer Anschluss dürfte 
am Ende der Energieabgabe der Spule negativ gegen Masse sein.
Nachdem die Spule aufhörte, Strom abzugeben, gibt nun C2 Strom ab - der 
fließt nun gegen den Uhrzeiger durch den Schwingkreis, also durch die 
Spule in C1 (der "untere" Anschluss von C2 ist positiv gegen Masse!).
ie Spannung an C2 fäält also wieder, der Transistor sperrt damit 
allmählich, das Kollektorpotential steigt langsam wieder, und bald 
fließt wieder Strom durch R3 und C3 in C1 und "von oben nach unten" die 
Spule in C2. Dieses Nachpumpen von Ladung in C1 über R3 und C3 
kompensiert die Energieverluste in den Bauelementen L1, C1 und C2 sowie 
alle Energieverluste durch Stromflüsse in Ein- und Ausgangsseite des 
Transistorverstärkers. Das Aufladen von C1 ist dabei synchron mit dem 
Stromfluß aus C2; C1 wird also aus 2 Quellen aufgeladen.

Jetzt ist der Kreis geschlossen; wir sind (fast) wieder am Anfang.
Fast deswegen, weil im Gegensatz zum Anfang des nächsten Zyklus' schon 
etwas Ladung in den Kondensatoren ist -
das System ist eingeschwungen (quasistationärer Zustand).
Da die Ströme in diesem Schwingkreis durch die Widerstände und die Spule 
begrenzt sind, brauchen das Umladen der Kondensatoren und das 
Ummagnetisieren der Spule ihre Zeit. Spule und die Kondensatoren C2 und 
C2 bestimmen letzten Endes die Frequenz, während C3 nach einer Zeit des 
Einschwingens nur dafür sorgt, dass eine gewisse mittlere Spannung am 
Kollektor des Transistors anliegt, während die Spannung von C1 im 
Wesentlichen um das Massepotential pendelt.

so long
elwood

[Max (Gast)]

Danke für die ausführliche Erklärung!

[Frank (Gast)]

Hallo elwood,

bisher hatte ich die Funktionsweise von LC-Oszillatoren auch nur 
"einigermaßen" verstanden, aber eben noch nicht 100%ig. Dank deiner sehr 
anschaulichen und ausführlichen Erklärung ist mir jetzt die 
Funktionsweise richtig klar geworden. Damit hast du etwas erreicht, was 
etliche Artikel und Bücher vorher nicht geschafft haben ;-) Vielen Dank 
auch von mir!

Gruß Frank.