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Überarbeiteter Text eines Vortrages auf der VHF-UHF 76 in München
Trotz der weiten Verbreitung von Oberton-Quarzoszillatoren in der Amateurfunktechnik wird ihre genaue Funktion offensichtlich nicht immer voll verstanden. Verbreitet ist die Ansicht, daß alle Obertonquarze grundsätzlich in Serienresonanz betrieben werden(1),(2), zumal die Industrie sie ausschließlich für Serienresonanz spezifiziert.
Wer einen Frequenzzähler besitzt, wird jedoch schon bemerkt haben, daß derselbe Quarz in unterschiedlichen Schaltungen mit unterschiedlicher Frequenz schwingt, ohne daß dies mit einem Ziehtrimmer ausreichend korrigiert werden kann. Diese Differenz kann mehrere kHz betragen, und führt bei einem Konverter schon zu einem deutlichen Skalenfehler am geeichten Nachsetzer. Eine derartige Frequenzabweichung entsteht durch Anregung des Quarzes in einer anderen als der vorgesehenen Resonanzform.
Überprüft man die gängigen Oberton-Oszillatoren auf ihre Wirkungsweise, so muß man feststellen, daß es seit dem Röhrenzeitalter bewährte Schaltungen gibt, die eindeutig in Parallelresonanz arbeiten. Bei der Vielfalt der heute bekannten Oberton-Oszillatoren erscheint es daher angebracht, die schaltungstechnischen Unterschiede in Bezug auf Serien- und Parallelresonanz einmal herauszuarbeiten.
1. Oszillator-Grundschaltungen
Bild 1 zeigt vier Grundschaltungen von Oszillatoren(3). In a) wird der Dreipunkt-Oszillator mit induktiver Teilung (Hartley) gezeigt, in b) mit kapazitiver Teilung (Colpitts). Erweitert man die Spulenteile des Hartley zu zwei induktiv verstimmten Schwingkreisen, entsteht der HuthKühn-Oszillator c). Denkt man sich beim Hartley-Oszillator nur den einen Spulenteil mit einem Kondensator abgestimmt, so erhält man den klassischen Meißner-Oszillator mit induktiver Rückkopplung d).
Bild 1: Oszillator-Grundschaltungen a) Hartley b) Colpitts c) Huth-Kühn d) Meißner
Bei diesen Prinzipschaltungen sind nur die Hochfrequenzwege gezeichnet. Die Masse kann beliebig an eine der drei Röhrenelektroden angeschlossen werden, ohne die Funktion des Oszillators zu stören. Auf diese Weise lassen sich die verschiedenen gebräuchlichen Oszillatorschaltungen leicht ableiten. Die Halbleitertechnik ermöglicht wegen des Fortfalls einer beheizten Kathode eine noch größere Flexibilität. Für die Umrüstung auf Quarzsteuerung bieten sich mehrere Wege an.
2. Quarz-Oszillatoren
2.1. Meißner-Oszillator
Beim Meißner-Oszillator besteht praktisch nur die Möglichkeit, einen Quarz in die Gitterzuleitung in Reihe zur Rückkopplungsspule zu schalten (Bild 2a). Ausgenutzt wird demnach die Serienresonanz des Quarzes. Ihr Kennzeichen ist ganz allgemein, daß der Quarz durch einen Koppelkondensator ersetzt werden kann, ohne die Funktion der Schaltung (mit Ausnahme der Stabilität natürlich) zu verändern.
Bild 2: Meißner-Oszillator mit Quarzsteuerung a) Röhrenversion mit Quarz b) Transistorversion
Bild 2b zeigt eine Transistorversion dieser Schaltung. In ihr wird die Halterungskapazität des Quarzes in einer Brückenschaltung mit einer symmetrischen Rückkopplungswicklung neutralisiert, um bei hohen Frequenzen ein unkontrolliertes Schwingen der Schaltung neben der Quarzresonanz zu verhindern. Der Meißner-Oszillator eignet sich gleichermaßen für Grund-und Obertonquarze, da die erregbare Quarzresonanz durch die Abstimmung des Schwingkreises eindeutig festgelegt werden kann.
2.2. Huth-Kühn-Osziliator
Beim Huth-Kühn-Oszillator wird der Gitterschwingkreis durch einen Quarz ersetzt (Bild 3a), und der Quarz schwingt in Parallelresonanz. Würde man hier den Quarz durch einen Kondensator ersetzen, wäre der Röhreneingang kurzgeschlossen und damit jede Schwingungserzeugung unmöglich. Mit diesem einfachen Experiment, und sei es auch nur gedanklich angewandt, kann man Serien- und Parallelresonanz-Schaltungen leicht unterscheiden.
Bild 3: Huth-Kühn-Oszillator mit Quarzsteuerung a) Röhrenversion b) FET-Version
Mit einem bipolaren Transistor ist der Huth-Kühn-Oszillator nicht ohne weiteres denkbar, wohl aber mit einem Feldeffekt-Transistor, da dessen Eingang ebenfalls hochohmig ist (Bild 3b). Allerdings muß die Rückwirkungskapazität des FET ausreichend hoch sein, sonst ist eine entsprechende Zusatzkapazität erforderlich. Auch diese Schaltung ist, da sie einen Schwingkreis enthält, gleichermaßen für die Erregung von Grund- und Oberton-Quarzen geeignet.
2.3. Colpitts-Oszillator
Beim Colpitts-Oszillator kann ein Quarz in die Gitter- oder in die Kathodenzuleitung eingefügt werden (Bilder 4a und 4b). Beide Schaltungen sind einfacher mit bipolaren (Bilder 4c und 4d) oder mit Feldeffekt-Transistoren (Bilder 4e und 4f) realisierbar. In allen Fällen wird die Serienresonanz ausgenutzt. Bei hohen Frequenzen wird die Neutralisation der Quarzhalterkapazität üblicherweise mit einer Spule parallel zum Quarz vorgenommen. Diese ist so abzugleichen, daß sie zusammen mit der störenden Kapazität einen Parallelresonanzkreis auf der Arbeitsfrequenz bildet. Ein etwaiger Kondensator in Reihe zur Spule dient lediglich zur Gleichspannungstrennung.
Schaltet man in der Schaltung nach Bild 3b eine RC-Kombination in die Source-Leitung, um eine zusätzliche Möglichkeit zur Arbeitspunkteinstellung zu erhalten, so wird es schwer, sie äußerlich von Bild 4e zu unterscheiden. Die Arbeitsweise der Schaltung, ob Huth-Kühn- oder Colpitts-Oszillator, hängt nur noch vom Wert des Source-Abblockkondensators ab, das heißt ob die Source für Hochfrequenz kalt ist oder nicht. Dies ist ein sehr augenfälliges Beispiel, von welch kleinem Unterschied es abhängen kann, ob eine Erregung des Quarzes in Serienoder Parallelresonanz zustande kommt.
Bild 4: Colpitts-Oszillator mit Quarzsteuerung in Serienresonanz
2.4. Colpitts-Oszillator für Parallelresonanz
Wie beim Huth-Kühn-Oszillator kann man auch beim Colpitts-Oszillator einen ganzen Parallelschwingkreis durch einen Quarz ersetzen. Dann wird wieder die Parallelresonanz ausgenutzt (Bild 5a). Diese Schaltung kann analog auch mit einem bipolaren oder einem Feldeffekt-Transistor aufgebaut werden. Für Oberton-Quarze ist sie jedoch nicht geeignet, da diese normalerweise auf ihrem Grundton anschwingen wurden.
Bild 5: Colpitts-Schaltungen mit Quarzsteuerung in Parallelresonanz
Um dies zu vermeiden, muß man - wie in Bild 5b dargestellt - parallel zu einem der Kondensatoren (zweckmäßig am hochohmigeren Ausgang) einen Schwingkreis für die gewünschte Obertonfrequenz schalten. In der Praxis werden die Kondensatoren C2 und C3 zusammengefaßt, aber die Tatsache bleibt bestehen, daß der resultierende Kreis auf die kapazitive Seite der Obertonfrequenz abgestimmt werden muß (im Gegensatz zum Huth-Kühn-Oszillator, dessen Ausgangskreis auf die induktive Seite der Quarzfrequenz abgeglichen wird). Auch diese Schaltung läßt sich ebensogut mit einem bipolaren oder einem Feldeffekt-Transistor ausführen (Bilder 5c und 5d). Besonders bipolare Transistoren neigen zu parasitären VHF/ UHF-Schwingungen, wenn beim Aufbau der Schaltung geeignete Leitungskreise durch die Zuleitungsinduktivitäten der Kondensatoren C1 und C2 entstehen. Daher sind in Bild 5c Widerstände von einigen zehn Ω (R1, R2) in die Kollektor- und Basiszuleitung eingefügt, um diese parasitären Kreise zu bedämpfen. Diese Maßnahme kann auch bei anderen Obertonschaltungen erforderlich werden.
Bei hohen Frequenzen kann die Eingangskapazität (Bild 5e) und auch die Ausgangskapazität (Bild 5f) des Verstärkerelementes groß genug sein, um die für die Rückkopplung notwendige Funktion der Kondensatoren C1 und C2 zu übernehmen. Äußere Festkondensatoren und auch etwaige Bedämpfungswiderstände können dann entfallen, da störende Nebenresonanzen nicht möglich sind.
Die Funktion der Schaltungen in den Bildern 5b bis 5f bleibt prinzipiell die gleiche, wenn der Quarz nicht an das heiße Ende des Schwingkreises, sondern an eine Spulenanzapfung oder an einen Teil der Kreiskapazität gelegt wird.
3. Vergleich der Schaltungen
3.1. Vorteile der Oberton-Parallelresonanz
Bei der Parallelresonanz wird der Quarz wie ein Schwingkreis mit sehr hoher Güte betrieben. Die bei der Serienresonanz störende Quarzhalterkapazität ist in den Kreis eingestimmt und braucht daher nicht neutralisiert zu werden. Auch bei größerer Verstimmung des äußeren Kreises oder der Kapazität C, ist eine unkontrollierte Schwingung neben einer Quarzfrequenz nicht möglich. Diese Eindeutigkeit ist vor allem dann ein Vorzug, wenn die Meßmittel des Amateurs begrenzt sind, und ist vielleicht ein Grund für die Beliebtheit der in den Bildern 3 und 5 gezeigten Schaltungen.
Bei großen Variationen des äußeren Schwingkreises springt der Oszillator direkt von einem auf den nächsten Oberton über. Auf diese Weise kann man leicht testen, auf welchem höchsten Oberton ein unbekannter Quarz noch schwingfähig ist. Dies ist, wie die Diskussion ergab, von der Planparallelität der Kontaktierungsflächen abhängig.
3.2. Vorteile der Serienresonanz
Wie aus der Diskussion weiter hervorging, sind bei der Serienresonanz Änderungen der Schwingfrequenz durch äußere Einflüsse wesentlich geringer als bei der Parallelresonanz. Sie ist daher zu bevorzugen, wenn eine hohe Stabilität angestrebt wird. Außerdem ist sie natürlich immer dann geboten, wenn ein für Serienresonanz spezifizierter Quarz wirklich mit seiner Sollfrequenz schwingen soll.
4. Hinweise
4.1. Praktische Unterscheidungsmerkmale
Steht man vor der Frage, ob eine Schaltung in Serien- oder Parallelresonanz arbeitet, so macht man im fertigen Aufbau folgendes Experiment: Man ersetzt den Quarz durch einen keramischen Kondensator von etwa 4,7 nF. Schwingt der Oszillator dann mit der ungefähren Quarzfrequenz und mit etwa der gleichen Amplitude weiter, handelt es sich um eine Serienresonanzschaltung. Schwingt der Oszillator dagegen nicht mehr, oder aber wild in einem ganz anderen Frequenzgebiet, so wird die Parallelresonanz des Quarzes ausgenutzt. Ein Vergleich mit den Abbildungen dieses Artikels wird dann weiteren Aufschluß geben.
Zweistufige Oszillator-Schaltungen, wie die Heegener-, die Butler-Schaltung und die Oszillatoren mit Logik-Gattern, arbeiten stets in Serienresonanz. Sie werden hier nicht betrachtet.
4.2. Ein weiterer Grund für Abweichungen von der Quarzfrequenz
Abschließend soll eine anders geartete Ursache erwähnt werden, weshalb ein Quarz scheinbar neben seiner Sollfrequenz schwingt. Man findet in der Amateurfunktechnik ObertonOszillatoren(4), in denen beispielsweise ein 38,666-MHz-Quarz richtig in Serienresonanz erregt, aber gleich die dreifache Frequenz von 116 MHz ausgekoppelt wird. Da die Schaltung für die Frequenz 38,666 MHz entweder gar keinen Schwingkreis enthält oder ein solcher ebensogut kapazitiv für 116 MHz wirken kann, wird der Quarz aller Wahrscheinlichkeit nach gleich auf dem 9. Oberton angeregt, und nicht wie vorgesehen auf dem 3. Oberton. Es ist aber nicht sichergestellt, daß die auf diese Weise erzeugte Frequenz wirklich das Dreifache von 38,666 MHz ist, da die Obertonresonanzen nicht genau Vielfache voneinander sind. (Die Belastung der Quarzscheibe durch Kontaktierungsflächen und Elektroden wirkt sich bei den verschiedenen Obertönen unterschiedlich_stark aus; der Quarz wird im Werk nur bei dem gewünschten Oberton [Nennfrequenz] abgeglichen.)
Für die Freiheit von Nebenempfangsstellen ist es sicher ein Vorteil, wenn die Oszillatorfrequenz des Konverters direkt erzeugt wird. Wer jedoch eine genaue Oszillatorfrequenz wünscht, muß entweder den 38,666-MHz-Quarz auf dem Nenn-Oberton erregen und anschließend verdreifachen oder einen teureren 116-MHz-Obertonquarz verwenden.
5. Literatur
- Berg, R.: Quarz-Report, Das DL-QTC, Heft 9/1970
- Harrison, R.: Survey of Crystal Oscillators, Ham Radio, March 1976
- Nach der Darstellung von F. Hahn, DL9EW, in den Vorbereitungskursen der Münchener Ortsverbände des DARC
- Lübbe, B.: Mini-Mosfet-Konverter für das 2-m-Band, UKW-Berichte 13 (1973), Heft 1, Seite 46 - 51
DJ1ZB, Hans-Joachim Brandt.