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Meißner-Schaltung

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Die Oszillatorschaltung nach Meißner ist ein durch Mitkopplung beziehungsweise positiver Rückkopplung entdämpfter Schwingkreis, der aus der Spule L2 und dem Kondensator C2 gebildet wird. Sich selbst überlassen, würde der Schwingkreis nach einmaliger Anregung eine gedämpfte Schwingung ausführen. L1 bildet aber mit der Spule L2 einen Transformator, so dass ein der Schwingung entsprechendes Signal an die Basis des Transistors Q1 gelangt. Dieses steuert nun einen verstärkten Kollektorstrom, wodurch dem Schwingkreis Energie zugeführt wird.

Bild:Meissner oszi.png
Schaltschema eines Meißner-Oszillators

Damit die Schaltung eine ungedämpfte Schwingung erzeugt muss die Schleifenverstärkung gleich 1 und der Gesamtphasenwinkel 0° beziehungsweise 360° sein. Weiterhin muss dem Parallelschwingkreis aus L2 und C2 immer wieder Energie zugeführt werden, da der Schwingkreis einen Wirkwiderstand besitzt.

Um einen Phasenwinkel von 360° zu erreichen wird in der Schaltung die Phase zweimal um 180° gedreht. Zum einen durch den Transformator und durch den Transistor. Der Transformator dreht die Phase daher, da L1 und L2 einen entgegengesetzten Wicklungssinn haben. Dies ist in der Schaltung gekennzeichnet durch die zwei schwarzen Punkte (geben den Wicklungsanfang an). Über L1 wird ein Teil der Energie des Schwingkreises induktiv abgeführt und der Basis des Transistors zugeführt. Dadurch wird die nötige Mitkopplung erreicht. Da die Meißner-Schaltung eine Emitterschaltung ist, wird durch Q1 die Phase nochmals um 180° gedreht. Da zum Anschwingen der Schaltung eine Schleifenverstärkung etwas größer als 1 benötigt wird, wird die Amplitude immer größer und es kommt zur Sättigung des Transistors. R3 verhindert die Sättigung durch eine Stromgegenkopplung, da durch einen größeren Kollektorstrom der Spannungsabfall an R3 größer wird (Emitter wird positiver gegenüber der Basis) und Q1 zuregelt.

Die Formel für die Ausgangsfrequenz ist:


f_O = {1 \over {2 \cdot \pi \cdot \sqrt{L_2 \cdot C_2}}}

Es existieren Schaltungen, die diese Nachteile nicht besitzen.


Berechnungsbeispiel

Ausgewählter Transistor: NPN-Transistor vom Typ BC 650C (typische Kenndaten):

UBE = 0,65V
Gleichstromverstärkung B = 100

Es soll beispielhaft ein Arbeitspunkt bei folgenden Werten ausgewählt werden:

IC = 2mA
UCE = 7V
Versorgungsspannung der Schaltung UB = 15V

Nun gelten folgende Zusammenhänge:

R_3 = {1V \over {I_C}} = {1V \over {2mA}} = 500 \Omega

Da aus Kostengründen ein Widerstand aus den E-Reihen herangezogen werden sollte, wird hier der Widerstand mit dem Wert R3 = 560Ω ausgewählt (aus der E12er-Reihe).

Weiterhin lässt sich der Widerstand R2 folgendermaßen bestimmen:

R_2 = {U_{B E} + R_E \cdot I_C \over {I_Q - I_B}}

I_Q \ge 10 \cdot I_B

und  I_B = {I_C \over B} = {2mA \over 100} = 4 \mu A

\Rightarrow I_Q = 10 \cdot 4 \mu A = 40 \mu A

\Rightarrow R_2 = {0,65V + 560 \Omega \cdot 2mA \over 40 \mu A - 4 \mu A} = 49,2k \Omega

Ausgewählt nach der E-12er-Reihe: R2 = 47kΩ

Der Widerstand R1 lässt sich dergestalt bestimmen:

R_1 = {U_B - (U_{BE} + R_E \cdot I_C) \over {I_Q}} = {15V - (0,65V + 560 \Omega \cdot 2mA) \over {40 \mu A}} = 330,75k \Omega

Nach der E12er-Reihe kann für R1 ein Widerstand mit dem Wert R1 = 330k Ω ausgewählt werden.

Für die Spule der Wicklung L1 wird ein Wert von L1 = 20μH gewählt. Weiterhin kann für den Kondenssator C2 ein Wert aus der E6er-Reihe herangezogen werden. C2 = 22μF. Hieraus lässt sich, unter Auswahl einer beispielhaften Oszillatorfrequenz von fO = 7,4MHz mit Hilfe der oben angegebenen Gleichung zur Berechnung der Oszillatorfrequenz folgender Wert für die Induktivität der Spule L2 berechnen:


f_O = {1 \over {2 \cdot \pi \cdot \sqrt{L_2 \cdot C_2}}} \Leftrightarrow L_2 = {1 \over {(2 \cdot \pi \cdot f_O)^2 \cdot C_2}} = {1 \over {4 \cdot \pi \cdot 7,4MHz \cdot 22 \mu F}} = 21 \mu H

Die Kapazitäten C1 und C2 sind Koppelkondensatoren und sorgen dafür, dass bei Anschluss einer Spannungsquelle (über C1) und eines Lastwiderstandes (über C2) an die Emitterschaltung, welche für den Meißner-Oszillator zugrunde liegt, die Spannung stabil gehalten wird. Die Koppelkondensatoren müssen auf die entsprechenden Widerstände abgestimmt werden.

Anwendungsbeispiele

Die Meißner-Schaltung findet beispielsweise Anwendung beim Superheterodyn oder kurz Superhet-Empfänger in der Empfangstechnik. Hier kann dem Kondensator C2 eine Reihenschaltung aus einer weiteren, festen Kapazität und einer Kapazitätsdiode parallel geschaltet werden, um die Oszillatorfrequenz auf eine abweichende, gewünschte Frequenz elektronisch zu verstimmen.

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