Den ersten RC-Generator entwickelte Herr Hewlett 1938 in einer Garage. Kommt ihnen das bekannt vor? Nur ganz kurz: so um 1906 entwickelte R. von Lieben und Lee de Forrest die erste Röhre. 1924 waren dann die ersten Röhren im Handel verfügbar und 1938 schon ein Signalgenerator.
Ausführliche Unterlagen incl. Patentschrift und Schaltung usw. findet man hier:
Die Schaltung besteht aus einem Verstärker, einer Mitkopplungschleife mit der RC-Kombination und einer Gegenkopplungsschleife mit einer Amplitudenregelung in Form eines Widerstand/Glühlampenspannungsteilers.
Die Glühlampe mit Metallfaden hat ja einen pos. Temperaturkoeffizienten, sodass beim Ansteigen der Ausgangsspannung die Spannung an der Lampe größer wird, die Verstärkung also reduziert wird. Damit ergibt sich eine stabilisierte Ausgangsspannung des Oszillators.
Hier ein weiteres Schaltbild eines solchen Oszillators, den ich 1967 entwickelte und heute noch verwende: Die Wien-Robinson Brückenschaltung, also meine Schaltung, als auch die von Herrn Hewlett hat einen aufbautechnischen Nachteil. Wenn man üblicherweise einen Drehkondensator zur Abstimmung verwendet, dann liegt das Gehäuse nicht an Masse, ist also „heiss".
Das kann man mit wirklich guter Abschirmung lösen, sodass Einstreuungen und Brumm keine Auswirkungen hat.
1954 hat dann J. H. Owens bei RCA eine Schaltung entwickelt, die diesen Nachteil nicht hat.
Das Gehäuse des Abstimmdrehkos's liegt an Masse. Aber die Schaltung hat es in sich!
Es handelt sich um einen kathodengekoppelten Verstärker. Man kann auch sagen die linke Röhre arbeitet in Gitterbasisschaltung mit v ~ 3x, die rechte Röhre als Kathodenfolger mit v~0.9x. Deshalb ein Bild, das etwas übersichtlicher ist:
Sie sehen zwei RC-Tiefpässe als frequenzbestimmende Elemente. Weiters die schon bekannte Amplitudenregelung mittes Glühlampe mit der die Gesamtverstärkung der Schaltung auf 2x, bei der gewählten Ausgangsspannung , eingestellt wird.
Wenn sie genau hinschauen ist das linke RC-Glied scheinbar ein Tiefpass, arbeitet in der Schaltung aber als Hochpass.
Wie das? Die linke Röhre wird gesteuert über die Spannung an R1.
Nun, es ist das Kennzeichen eines Hochpasses, dass die Ausgangspannung am Widerstand auftritt. Das ist hier der Fall. Ein genialer Kunstgriff der die schweren Abschirmprobleme der Wien Schaltung vermeidet.
Ein wenig zur Berechnung der Schaltungen und die Spannungsteilung/Phasengang der RC-Glieder:
In den Vektordiagrammen sehen Se, dass die Wien-Schaltung bei der Schwingfrequenz eine Spannungsteilung von 1/3 hat, während die Tiefpass / Hochpasskombination nur eine Abschwächung von 1/2 hat.
Wichtig ist, dass bei der Schwingfrequenz f= 1/(2PiRC) keine Phasenverschiebung zwischen der Eingangs und Ausgangspspannung besteht.
Das ist das Kennzeichen für die resultierende Schwingung in den jeweiligen Schaltung.
Jetzt noch die Amplituden und Phasengänge über einen größeren Bereich. Man erkennt, dass die RC-Schaltungen keine oder besser sehr geringe „Güte" im Vergleich zu LC-Kreise haben.
Zum Abschluss noch eine moderne Schaltung vom Owens Typ mit dem Quad Opamp TLC274:
Sehr schön ist hier die Kunstschaltung zu sehen, wie man aus einem Tiefpass einen Hochpass macht.
Ich habe dies auch gleich weiterverwendet wie folgt.
Die Schaltung hat scheinbar keine Amplitudenregelung.
Die Verstärkung wird auf 2x mit dem Potentiometer eingestellt. Aber dann beginnt es, mit der gewählten Verstärkungsaufteilung an der Stelle siehe * zu klippen. Dann folgt der 1. und der 2. Tiefpass.
Man kann also an der Stelle siehe ** die Spannung gefiltert abnehmen.
Das könnte man u.U. patentieren, aber jetzt nicht mehr, da es veröffentlicht ist. Der Klippgrad entspricht in etwa 5% Klirrfaktor und wird auf < 0.5% gefiltert. Was mir genügt. Das Oszillogramm dazu:
Man sieht die exakt 90° Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen. Jeder Tiefpass macht ja 45° an der Grenzfrequenz. Unten für die Spannung an *, oben für Spannung an **.
Eine Simulation dieser Schaltung mit ihrem dynamischen Verhalten ist als Excelsheet von mir verfügbar.
Bei Interesse bitte bei ELO danach fragen.
Dann zeige ich ihnen wie das prinzipiell geht Einschaltvorgänge mit Grundrechnungsarten zu berechnen.
Die modernste Art von RC-Generatoren ist zweifellos die Synthese mit einem digitalen Signalprozessor.
Aber das ist ein sehr umfangreiches neues Thema wie man mit Software einen Signalgenerator erstellt.
Vielleicht findet sich mal jemand der einen Artikel dazu schreibt.
Copyright-Hinweis:
das Röhren-Schaltbild stammt aus "Der Radiopraktiker" Nr.19/1956 siehe auch www.praktiker.at
Nachtrag:
Hier eine ganz einfache Schaltung aus dem Buch Grundwissen Elektronik, die nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet, die Amplitudenstabilisierung jedoch mit zwei Dioden erreicht:
Diese Variante der Regelschaltung muss eher als Begrenzerschaltung bezeichnet werden. Man verwendet zwei Dioden, die über ihre Kennlinie die Ausgangssignale auf ca. 1,2Vss klippen. Prinzipiell entstehen dabei Verzerrungen des Ausgangssignals. Man kann die kritische Verstärkung jedoch so genau einstellen, dass die Verzerrungen sehr gering bleiben. Die Schaltung kennt keinerlei Stabilitätsprobleme und arbeitet problemlos auch mit den geringsten Frequenzen.
Amplitudenstabilisierung mit Dioden
Die Schaltung zeigt zugleich eine praktische Variante mit nur einer Betriebsspannung. Eine künstliche Mittenspannung wird dabei durch einen Spannungsteiler erzeugt, der zugleich einer der frequenzbestimmenden Widerstände der Wien-Brücke darstellt. In dieser Form eignet sich die Schaltung zur Erzeugung einer festen Frequenz.
Verwendet man in einer ähnlichen Schaltung ein Doppelpoti zur Einstellung der Frequenz, dann führt ein mangelnder Gleichlauf allerdings effektiv zu höheren Verzerrungen, weil die Verstärkung höher eingestellt werden muss. Zur Aufrechterhaltung der Schwingungen muss die Verstärkung für den ungünstigsten Punkt eingestellt werden. In anderen Frequenzbereichen ergeben sich dann etwas höhere Verzerrungen, weil die Begrenzerdioden stärker klippen.
B.K.
Literatur: Grundwissen Elektronik
Es handelte sich um eine Schaltung nach der Wien-Robinson Brücke.
