Clapp-Schaltung

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Fig.1: Clapp-Oszillator mit Röhre

Der Clapp-Oszillator wurde von James K. Clapp entwickelt und 1948 publiziert [1]. Nach einem Artikel von Vackář wurde das Prinzip von anderen Ingenieuren unabhängig entwickelt; eine Variante von Gouriet sei seit 1938 bei der BBC im Betrieb gewesen.[2] Er kann als Verbesserung der Colpitts-Schaltung angesehen werden.

Als Verstärker wurde eine Elektronenröhre verwendet (Fig.1). Der frequenzbestimmende Schwingkreis besteht aus der Spule und den drei in Serie geschalteten Kondensatoren. Dabei ist der frequenzbestimmende Kondensator C1 nicht in die Mitkopplung einbezogen. Die beiden anderen Kondensatoren C2 und C3 bilden wie bei der Colpitts-Schaltung einen Spannungsteiler, an dem ein Teil der Schwingkreisspannung auf die Kathode zurückgeführt und damit verstärkt wird.

Die Schaltung ist für hohe Frequenzen geeignet, bei denen hohe Frequenzstabilität notwendig ist und eine Spulenanzapfung wie beim Hartley-Oszillator nicht zweckmäßig ist.

Für einen Abstimmoszillator im Superhet-Empfänger ist der Clapp-Oszillator für höhere Frequenzen besser geeignet als der Colpitts-Oszillator. Der Abstimmkondensator C1 liegt mit einem Anschluss auf Masse. Weiterhin ändert sich die Gesamtverstärkung zwischen niedriger Oszillatorfrequenz und hoher Oszillatorfrequenz nicht so stark wie beim Colpitts-Oszillator. Die Hartley-Schaltung ist ebenfalls als Abstimmoszillator geeignet, wenn eine Spulenanzapfung vertretbar ist.

Die Daten von Spule und Kondensator des Schwingkreises definieren im Wesentlichen die erzeugte Frequenz mittels der Thomsonschen Resonanzformel. Die Zusatzkapazitäten der restlichen Bauelemente verringern diese berechnete Frequenz.

Transistorschaltung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fig. 2: Clapp-Oszillator mit JFET in Gate-Schaltung

Die frequenzbestimmenden Bauelemente in der Clapp-Oszillatorschaltung in Fig. 2 nach [3] sind die beiden Kondensatoren C1, C2 und die Induktivität L1, welche von der Colpitts-Schaltung bekannt sind. Zusätzliche frequenzbestimmende Bauelemente sind der variable Kondensator C3 zur Frequenzeinstellung und die HF-Drossel L2. Der Verstärker J1 arbeitet in Gate-Schaltung und dreht die Phase zwischen Eingang und Ausgang nicht, also um 0°. Die Hochfrequenzspannung am Verstärker-Ausgang (JFET Drain-Anschluss) wird durch den kapazitiven Spannungsteiler C1, C2 geteilt und am Verstärker-Eingang (JFET Source-Anschluss) eingespeist. Die Verstärkung von J1 wird durch R1 eingestellt. Aufgrund der Bauteile-Toleranzen von J1 ist es oft nötig R1 einstellbar auszuführen um beide Ziele, sicheres Anschwingen und geringe Oberwellen, zu erreichen. Mit C4 wird das Ausgangssignal des Oszillators ausgekoppelt. Das RC-Glied R2, C5 siebt die Betriebsspannung. Die Betriebsspannung wird dem JFET Drain-Anschluss über die HF-Drossel L2 zugeführt.

Der Lastwiderstand RL gehört nicht zum Oszillator, sondern ist ein Ersatzelement für den Eingangswiderstand der folgenden Stufe. Der Parallelwiderstand RP1 reduziert den Gütefaktor des Schwingkreises auf Q=100. Mit RP2 wird die Güte der HF-Drossel auf Q=65 gesetzt. Die Werte von Lastwiderstand und Gütefaktor sind wichtig für die Dimensionierung oder die Schaltungssimulation [4].

Ersatzschaltung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Berechnung der Ersatzschaltung des Clapp-Oszillators erfolgt in zwei Schritten. Zuerst werden die Blindwiderstände berechnet, dann die Wirkwiderstände. Die Blindwiderstände von bis , und bestimmen die erzeugte Frequenz. Nach der Berechnung der Wirkwiderstände, zu denen auch , und gehören, kann das Spannungsübersetzungs-Verhältnis von und berechnet werden.

Berechnung Blindwiderstände[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Schaltung oszilliert auf der Frequenz für welche die Summe der Blindwiderstände Null wird. In der Thomsonsche Schwingungsgleichung mit zwei frequenzbestimmenden Bauteilen ist der Ansatz . Dabei sind induktive Blindwiderstände positiv und kapazitive Blindwiderstände negativ . Liegen Blindwiderstände in Reihe, wie und , werden die Blindwiderstände addiert. Der Gesamtblindwiderstand von Blindwiderständen in Parallelschaltung wird berechnet mit:

Die Parallel- und Reihenschaltung der Blindwiderstände im Clapp-Oszillator ergeben den Ansatz:

Üblicherweise wird für eine gegebene Frequenz und gegebene "Colpitts-Induktivität" die Werte von bis gesucht. Der Clapp-Oszillator verwendet größere Induktivitäten als der Colpitts-Oszillator. Es ist und . Dabei ist , und . Die Werte und können noch nicht berechnet werden. Mit ist der neue Ansatz:

Die Umstellung nach liefert

Mit den Definitionen der Kreisfrequenz , des induktiven Blindwiderstand und des kapazitiven Blindwiderstand wird

Die Umstellung der Schwingkreisformel erlaubt die Berechnung von und aus gegebenen Werten für , , und .

Rechenbeispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gegeben sind , , und . Es folgt , , und . Wenn gesetzt wird und die Werte für , , und gleich bleiben, dann wird .

Berechnung Wirkwiderstände[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Berechnung der Wirkwiderstände erfolgt entsprechend der Colpitts-Schaltung. Zuerst werden alle Wirkwiderstände am Verstärker-Eingang (Source) in ein Ersatzelement und alle Wirkwiderstände am Verstärker-Ausgang (Drain) in zusammengefasst. Mit dem Spannungs-Übersetzungs-Verhältnis und der Verstärker-Steilheit muß für die Amplitudenbedingung die Gleichung erfüllt werden. Die Lösung dieser quadratischen Gleichung ist

Am Verstärker-Eingang liegt die Parallelschaltung der Widerstände , und , der Eingangswiderstand des Verstärkers. Für einen JFET ist . Damit wird

Am Verstärker-Ausgang liegt die Parallelschaltung der Widerstände , und , der Ausgangswiderstand des Verstärkers. Der Gütefaktor ist für die Reihenschaltung von und und damit ist das Wirkwiderstand-Ersatzelement

Die HF-Drossel hat den Gütefaktor . Das Wirkwiderstand-Ersatzelement ist

Der Ausgangswiderstand des Verstärkers ist sehr hoch und wird ignoriert. Es wird

Rechenbeispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gegeben sind , , , , , , , und . Es folgt und . Weiter folgt und . Benutzt wird der kleinere Wert . Nun kann in und aufgeteilt werden.

Es sind und . Damit ist die Berechnung des Clapp-Oszillators abgeschlossen.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • H. Ward Silver: The ARRL Handbook for Radio Communications 2013. 90. Auflage. American Radio Relay League, 2012, ISBN 0-87259-405-X.
  • Wes Hayward: Radio Frequency Design. American Radio Relay League, 1994, ISBN 0-87259-492-0.
  • Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 14. Auflage. Springer, 2012, ISBN 3-642-31025-7.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. J. K. Clapp, "An inductance-capacitance oscillator of unusual frequency stability", Proc. IRE, vol. 367, pp. 356-358, Mar. 1948.
  2. Jiří Vackář, LC Oscillators and their Frequency Stability, TESLA Report 1949, ch. 4 (Memento vom 13. August 2012 auf WebCite)
  3. Wes Hayward: Radio Frequency Design. ARRL, 1994, ISBN 0-87259-492-0, Kapitel 7.2 The Colpitts Oscillator, S. 274.
  4. Paul Falstad: Circuit Simulator Applet. Abgerufen am 8. Juli 2016.