Oszillatoren und Kippschaltungen mit Transistoren und Röhren

Letzte Änderung an dieser Seite: 28.10.2021

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Zu den Schaltungen:

1. Röhren-Inverter für Elektrolumineszenz-Leuchtpanels
2. MW/KW Prüfoszillator mit Transistor
3. Der Prüfoszillator mit Amplitudenmodulation
4. Frequenz-Wobbeln mit dem LC-Oszillator und Elektromagnet
5. Effizienter Röhren-LC-Oszillator mit ECC 82 für ganz tiefe Frequenzen
6. EM 80 und 84 als Oszillatoren: Zwinkernde Magische Fächer und Balken
7. EABC 80 plus SA 1156 als Hybrid-Wienbrücken-Oszillator
8. Etwas für Pentoden: das Transitron-Miller-Trautonium
9. Der Doppeldrehko im Tonfrequenz-Transistor-Oszillator
10. Von 6 auf 100 V: Transistor-Spannungswandler
11. "Stilechte" elektronische Anodenbatterie für kleine Röhrenprojekte

1. Röhren-Sinusoszillator als Inverter für Elektrolumineszenz-Panels

Mit Elektrolumineszenz-Leuchtfolie kann man wunderbar experimentieren. Kleiner Nachteil: man braucht einen Inverter, der die nötige Betriebsspannung von etwa 100 Volt Wechselspannung bereitstellt. Mit Röhren ist das kein Problem. Der kapazitive Dreipunkt-Röhrenoszillator rechts dürfte auch anspruchvollste Bedürfnisse zufriedenstellen. Bei 250 V Betriebsspannung erzeugt er 180 Volt (eff.) sehr saubere Sinusspannung mit 560 Hz. Zwei Vorteile hat die Schaltung:

• kein Trafo, eine einfache Spule ohne Anzapfung ist o.k.
  
• der Wechselspannungs-Abgriff erfolgt gegen Massepotential, nicht gegen den Anoden-Pluspol.

Das ist praktisch, wenn man mit dem Oszi arbeiten möchte. Die Röhre arbeitet in Anoden-Basis-Schaltung und hat auch mit DIN A4 großen Leuchtfolien keine Probleme. Die Frequenz kann mit C₁ und C₂ = 8...10 x C₁ in weiten Grenzen angepaßt werden. 200 Hz bis 5 kHz sind für Leuchtfolien üblich. Geheizt wird die PL508 mit 17 Volt. Ein 16-V-Modelleisenbahn-Trafo ist dafür ideal.
Bei weniger Leistungsbedarf geht es auch mit PCL805. Der Kathodenwiderstand sollte auf 270 Ω vergrößert werden. Diese Konstruktion unter Verwendung eines Fischertechnik^(R)-Baukastens macht die Sache dann auch transportabel:

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Das Video -- Homer S. anklicken!

Sehen Sie verschiedene Typen von Elektrolumineszenz-Leuchfolien und den Röhren-Inverter in Aktion.

2. MW/KW Transistor-Prüfoszillator

Dieser einfache Colpitts-Transistor-Oszillator hat mir beim Radiobasteln mit Mittel- und Kurzwelle schon oft gute Dienste geleistet, um Schwingkreise und Bandfilter abzugleichen. Er ist auf dem Steckbrett schnell aufgebaut. Der 500-pF-Doppeldrehkondensator stammt aus einem alten Röhrenradio. Sein massives Metallchassis liegt auf Massepotential. Zum Betätigen habe ich einen dicken Plastikdrehknopf angeschraubt. Dadurch ist die Handempfindlichkeit minimal. Die Spule L₁ kann nach Bedarf gewickelt werden. Sie braucht keine Anzapfung. Durch den Transistor ist Batteriebetrieb möglich (die hält ewig) und der Aufbau wird sehr klein. Die Frequenz- und Temperaturdrift ist auch mit Germaniumtransistoren gering. Das Poti P₁ in der Emitter-Leitung wird so eingestellt, dass die Oberwellen minimal sind und die Schwingungen im gesamten einstellbaren Frequenzbereich nicht abreißen. Maximale und minimale Frequenz stehen ungefähr im Verhältnis von 3:1. Natürlich kann man statt des altmodischen OX 4005 jeden anderen HF-Transistor einsetzten, auch NPN.

Der Schaltplan. Den Antennendraht am Kollektor mit Trimmer braucht man nicht wirklich. Am Basteltisch genügt die induktive Einstreuung von der Schwingkreisspule, um im Detektor oder Audion ein Signal zu erzeugen.

3.) ...und nun mit Amplitudenmodulation

Fürs Radiobasteln ist bisweilen ein amplitudenmoduliertes Signal nützlich, um die Funktion des Demodulators und des NF-Verstärkers oder Hörers zu testen. Das ist kein Problem. Mit einem zweiten Transistor und unter Verwendung eines kleinen Zwischenübertragers aus einem alten japanischen Transistorradio ist leicht ein Tonfrequenzgenerator zusammengesteckt, der die Modulation des HF-Oszillators erledigt. Die HF wird mit einem Sinussignal konstanter Frequenz moduliert. In diesem Fall sind es 1,4 kHz. Das 1-kΩ-Poti in der Emitterleitung des rechten Transistors stelle ich so ein, dass der Tonfrequenzgenerator sicher schwingt, aber nicht zu viel Distorsion des Sinussignals erzeugt. Auch der Modulationsgrad kann in Grenzen eingestellt werden. Natürlich ist auch hier die Wahl der Transistoren ziemlich unkritisch.

Hier das amplitudenmodulierte Signal am Oszilloskop. Aufgenommen habe ich es nicht am Oszillator selbst. Nein, das wäre doch zu einfach. Das Oszillogramm stammt vom Ausgang dieses Empfängers (d.h. am Schwingkreis vor der Demodulatordiode), der auf das modulierte Funksignal abgestimmt war.

Schaltplan und Steckbrettaufbau des Modulators. Natürlich könnte man an der Basis des rechten Transistors statt des Rückkoppelsignals vom Übertrager auch Musik aus dem CD-Player einspielen...

4. Frequenz-Wobbeln mit Oszilloskop, LC-Oszillator und Elektromagnet

Das Video zum Wobbel-Experiment:

Anleitung und Versuch, einfach anklicken!

Beim Experimentieren mit Radios, Schwingkreisen, Bandfiltern oder sonstigen frequenzabhängigen Schaltungen ist es nützlich, wenn der Oszillator seine Frequenz von allein hoch und runterfährt. Dazu dient diese Schaltungserweiterung. Die Schaltung beruht darauf, dass der Ferritstift in der Oszillatorspule seine Permeabilität und damit die Oszillatorfrequenz verändert, wenn sie durch ein externes Magnetfeld vormagnetisiert wird. Die Frequenz verhält sich in Abhängigkeit des Stroms in der Feldspule wie in der Grafik. Ich habe den Oszillator auf 1 MHz abgestimmt, bevor ich den Strom durch die Feldspule hochgefahren habe. Das Verhältnis ist zwischen 1 und 4 Ampere halbwegs linear. Unter 1 A passiert fast gar nichts. Das hängt vom Ferrit ab. Um ein variables Magnetfeld zu erzeugen habe ich eine dicke Zylinderspule verwendet. Sie hat 4,5 Ω und wird mit 6 bis 12 V Wechselstrom aus dem Netztrafo gespeist. Auf diese Weise kann ich die Frequenzkurve von Schwingkreisen und Detektoren am Bildschirm des Oszis automatisch anzeigen lassen. Das ist in der rechten Spalte unten gezeigt.
Die Diode im Kreis der Feldspule braucht man nicht unbedingt. Sie ist aber praktisch, damit der Ferritkern immer nur in dieselbe Richtung magnetisiert wird. Wenn sich die Richtung jedesmal ändert, dann bringt die Remanenz des Ferrits das Oszibild durcheinander. Und natürlich wird die Feldspule mit Diode nicht so schnell heiß.
Selbstverständlich muss man nicht unbedingt den MW/KW-Oszillator von oben verwenden. Jede andere LC-Oszillatorschaltung kann das im Prinzip auch.

Der Übersichtsplan der Wobbelschaltung.

Die Oszillatorspule mit dem Ferritkern muss im Innern der Feldspule montiert werden.

So sieht es am Oszi aus. Man erkennt sehr schön die Resonanzkurve des Schwingkreises aus L_X und C_X aus dem Schaltplan. Die Kopplung an den Oszillator geschieht induktiv über 10 bis 20 cm Distanz hinweg. Das Oszillogramm links zeigt den Spulenstrom und die HF am Testschwingkreis als Zeitfunktion. Rechts ist die HF im X/Y-Betrieb direkt als Funktion des Spulenstroms zu sehen.

5. LC-Oszillatoren für ganz niedrige Frequenzen

Oszillatoren mit LC-Resonanzkreis zu bauen ist bei hohen Frequenzen eine einfache Sache. Bei niedrigen Frequenzen, sagen wir um 100 Hz und weniger, wird es schwieriger. Induktivitäten kann man nicht beliebig groß machen. Sie werden sehr unhandlich. Je kleiner die Resonanzfrequenz bei gegebener Induktivität L jedoch eingestellt wird, desto geringer ist die Güte des Schwingkreises. Der Kreis verliert jede Selektivität für die Frequenz der Schwingung, wenn das Quadrat des Verlustwiderstands R_v der Spule größer ist als das Verhältnis L/C von Induktivität und Kapazität.

Die Schaltung rechts im Bild kennt dieses Problem nicht. Sie nutzt die Serienresonanz des Schwingkreises und kompensiert den Verlustwiderstand R_v der Spule. Nachteil: wirklich sinusförmig ist das Signal nun nicht mehr. Für L = 7 H, C = 5 µF (ein Motorkondensator) schwingt der Oszillator bei ca. 11 Hz. Die LED blinkt im Takt der Schwingungen.

Die beiden Trioden arbeiten als Gleichstromverstärker. Die die Triode links arbeitet in Gitterbasisschaltug und verstärkt das Eingangssignal an ihrer Kathode. Die rechte Triode ist ein Kathodenfolger und wirkt als reiner Stromverstärker. Bei Resonanz ist die Phasenverschiebung des Serienschwingkreises Null, und die Rückkopplungs-Bedingung für den Oszillator ist erfüllt.

6. Anzeigeabstimmröhren (magische Balken, Fächer, Augen...) oszillieren sichtbar

Magisches Auge oder Fächer

Auch mit einer Abstimmanzeigeröhre (Magisches Auge oder Fächer) kann man Schwingungen erzeugen. Der Vorteil: man sieht, was die Röhre gerade tut. Natürlich darf die Frequenz nicht zu groß sein. Rechts im Bild die Schaltung eines magischen Fächers (EM 80) als RC-Oszillator. Die Frequenz beträgt hier etwa 20 Hz. Der leuchtende Fächer geht dabei periodisch auf und zu. Durch Vergrößern der Kondensatoren und Widerstände kann man sie in weiten Grenzen verändern. Die Schwingungsamplitude an der Anode erreicht ohne weiteres über 100 V.

Das linke Bild zeigt zwei Varianten, eine mit Glimmlampe und eine mit Transistor.

Im ersten Fall erzeugt die Glimmlampe durch periodisches Entladen eines Kondensators Kippschwingungen. Die Zündspannung soll etwa 90 V betragen, die Brennspannung 60 V. Die Triode der EM80 verstärkt die Amplitude dieser Schwingungen, und steuert dabei den Fächer auf und zu. Wenn die Glimmlampe zündet, zuckt der Fächer zusammen, um sich dann wieder langsam zu öffnen

Im zweiten Beispiel arbeitet die Triode der EM80 in Gitterbasisschaltung, und der Transistor steuert den Katodenstrom. Diese Schaltung hier schwingt mit etwa 1/8 Hz. Sie hat gegenüber der oben gezeigten Schaltung einen Vorteil: Der Fächer wird automatisch immer zu 100 % ausgesteuert, also zwischen ganz geschlossen und ganz offen, und zwar praktisch unabhängig von Betriebsspannung und Bauteilbemessung.

Das selbstschwingende Magische Auge arbeitet jetzt als Effektbeleuchtung für eine Reklametafel, auf meiner Modelleisenbahn!

Für optimalen Betrieb einer Wien-Brücke in einem großen Frequenzbereich müssen die Widerstände und Kondensatoren möglichst genau aufeinander abgestimmt sein. Vor allem muss das Doppel-Potentiometer, mit dem die Frequenz eingestellt wird, einen hohen Gleichlauf haben. Das ist aber in der Praxis nicht immer vollständig zu erreichen. Aus diesem Grund braucht der Verstärker die automatische Verstärkungsregelung, denn sonst können die Schwingungen beim Ändern der Frequenz entweder abbrechen oder bei Übersteuerung sehr viele Oberwellen enthalten.

Einen universell einsetzbarer Wien-Brücken-Oszillator mit sehr guter Amplitudenstabilität und recht hoher Ausgangsspannung kann man mit einer Triode und einem pnp-Transistor aufbauen. Die hohe Eingangsimpedanz der Röhre und die hohe Stromverstärkung des Transistors passen ideal zusamme. Zur automatischen Regulation des Verstärkungsfaktors wird eine der Röhrendioden genutzt, die in einer EABC 80 oder in einer EBC91 bzw. 6AV6 enthalten sind. Bei der EABC 80 empfiehlt sich die niederohmige Diode D3, deren Anode an Pin Nr. 1 des Novalsockels liegt. Die Diode erzeugt aus dem Ausgangssignal eine zur Amplitude proportionale Gleichspannung. Diese gelangt an das Gitter der Triode und ändert ihre Steilheit. Dadurch werden Aussteuerung und Ausgangsamplitude weitgehend konstant und der Oberwellenanteil gering gehalten. Am Poti P_g wird die Brückenverstärkung grob eingestellt. Statt des 2SA1156 können auch andere Hochspannungs-pnp-Transistoren verwendet werden. Die Stromverstärkung sollte > 100 sein. Der Transistor sollte einen Kühlkörper erhalten.

8. Elektronische Musik mit Röhre und Bleistift: Das Trautonium

Dieses Trautonium ist einfach aufzubauen. Es ist ein Transitron-Miller-Oszillator. Das Prinzip ist einfach: die Elektronen von der Kathode fließen abwechselnd zum Schirmgitter und zur Anode (je nach dem, was gerade positiver ist) und laden die Kondensatoren auf, bis die Spannung davon dort zu negativ ist. Dann gehen sie zur anderen Elektronen, und so weiter. Es geht nur mit Röhen von mindestens drei Gittern.
Die Diode in der Gitterzuleitung ist nicht unbedingt erforderlich. Sie erlaubt es aber zwei oder mehr Oszillatoren parallel zu schalten und mit demselben Graphitwiderstand zu spielen. Auch auf den Trafo kann man verzichten. Er diente hier nur zur Anpassung eines niederohmigen Lautsprechers.

Dieser musikalische Oszillator wird mit einem Kontaktstift gespielt, den man auf eine mit Bleistift gemalte Linie drückt. Bleistiftminen enthalten Graphit, das elektrisch leitet. Das trifft auch für eine Linie zu, die man damit auf Papier malt. Je größer der elektrische Widerstand ist, den die Graphitschicht zwischen dem Kontaktpunkt und dem Gitter der Röhre hat, desto tiefer ist der Ton des Trautoniums. Der Tonumfang beträgt etwa 2 ½ bis 3 Oktaven. Das Bild unten zeigt einen solchen Bleistift-Widerstand, den ich von Hand auf Karton gemalt habe. Mit der Dicke und Breite der Linie kann man wunderbar experimentieren und interessante Klangeffekte erzeugen. Das Spielen erfordert etwas Geschick. Typisch sind die Glissandi, die entstehen, wenn man den Kontaktstift über die Graphitschicht gleiten läßt.

Karriere gemacht hat das Trautonium, das um 1930 von dem Elektroingenieur Friedrich Trautwein und dem Komponisten Oskar Sala entwickelt wurde, beim Film. Es ist ein Vorläufer moderner Musiksynthesizer. Berühmte Komponisten haben Musik für das Trautonium geschrieben: Hanns Eisler, Carl Orff, Paul Hindemith. Hitchcock's "Vögel" würden ohne seine blechernen Klänge nicht fliegen, ebensowenig wie in George Lucas' Starwars-Abenteuern die Rache der Sith zünden würde.

9. Einfacher Tonfrequenz-Oszillator mit Doppeldrehkondensator

Was man mit einem alten Radio-Doppeldrehko sonst noch anfangen kann: ein RCL-Oszillator für Sinus-Schwingungen im Tonfrequenzbereich.
Die Frequenz hängt nicht weiter von der Trafowicklung ab, sofern ihre Induktivität einigermaßen hoch ist, das heißt, etwa 1 H oder mehr beträgt. Zwischenübertrager aus Transistorradios und alten Kassettenrekordern eignen sich hervorragend, aber auch Relaisspulen. Ein Rückkopplungsanzapfung oder gar eine extra Wicklung wird hier nicht benötigt.

Eine einfache, aber flexible Oszillatorschaltung für Frequenzen zwischen 1 und 4 kHz ist dieser Oszillator. Schnell aufgebaut, wenn ein guter Sinus benötigt wird. Die Frequenzabstimmung erfolgt mit dem Doppeldrehkondensator von 2 mal 500 pF. Frequenzbestimmend ist die doppelte Kapazität zusammen mit dem jeweiligen 47-kΩ-Widerstand. Jedes RC-Glied erzeugt 45° Phasenverschiebung. Die Induktivität im Kollektorkreis ergibt weitere 90°, so dass die nötigen 180° für die Rückkopplung zusammenkommen. Es gibt hier also keinen Schwingkreis!
Das Besondere an diesem RCL-Oszillator ist, dass man mit dem Doppeldrehko im Prinzip einen Frequenzumfang von 1:10 einstellen könnte. Im gewöhnlichen LC-Oszillator wären es nur 1:3. Freilich ist dieser große Abstimmbereich in der Praxis nicht vollständig nutzbar. Die Kapazitäten des Drehkondensators sind im unteren Einstellbereich bereits in der Größenordnung der Basis-Emitter-Kapazität des Transistors. Dadurch reißen die Schwingungen hier ab. In dieser Schaltung sind Si-Transistoren mit hoher Stromverstärkung besonders gut geeignet.
Am Trimmpoti P₁ muss die Gegenkopplung so eingestellt werden, dass der Eingangswiderstand des Transistors ausreichend hoch ist. Dann sind auch die Oberwellen minimal, und der einstellbare Frequenzbereich ist am größten.

10. Universell einsetzbarer Transistor-Spannungswandler

Die Umsetzung kleiner Gleichspannungen zwischen 6 und 20 Volt in eine höhere Spannung von bis zu 300 Volt leistet dieser Sperrwandler

• Elektrolumineszenz-Leuchtfolie
• Glimmlampen
• kleine Röhrenschaltungen (wobei noch ein Gleichrichter fehlt)

Natürlich ist die Stromstärke auf wenige mA begrenzt. Der Versuchsaufbau:

Der Trafo des Wandlers ist ein kaum 3 cm großer Zwischenübertrager aus dem Tonfrequenzverstärker eines alten Transistorradios. Die Windungszahlen der Wicklungen stehen im Verhältnis 2,5 zu 1 zu 16, wobei die kleinste Wicklung für die Rückkopplung im Basiskreis, die größte Wicklung für die Hochspannung verwendet wird.

Ich habe den Wandler für meine Modelleisenbahn entworfen, wo er aus 16 V Gleichspannung ungefähr 150 V für die orange leuchtende Glimmlampen erzeugt. Die sollen einen ganz speziellen Lichteffekt machen.

Kollektorstrom (oben) und Kollektorspannung am Transistor. Der Transistor leitet abwechselnd für 160 µs, wobei der Kollektorstrom durch die Trafowicklung stetig bis auf 200 mA ansteigt. Dann sperrt er den Strom für die nächsten 250 µs. Folge: der Trafo erzeugt einen heftigen Spanungsimpuls an allen Wicklungen. Am Kollektor entsteht eine Spitze von fast 70 V. An der Ausgangswicklung ist es dem Windungszahlverhältnis n₃:n₁ entspreched mehr. Der verwendete Transistor vom Typ 2N2219 kommt damit klar, doch sollte man bei anderen Typen zur Sicherheit ins Datenblatt schauen. Der durchschnittliche Stromverbrauch ist 80 mA bei 16 V Betriebsspannung.

Übrigens, Transistoren gehen nicht kaputt, nur weil ihre höchstzulässige Kollektor-Emitter-Spannung überschritten wird. Vielmehr wird die Kollektor-Basis-Sperrschicht wie bei einer Zenerdiode in Rückwärtsrichtung leitend. Das allerdings wäre hier aus zwei Gründen schlecht: erstens entzieht der rückwärtsleitende Transistor dem Wandlertrafo einen großen Teil der Energie. Zweitens entsteht im Halbleiter durch die hohe Spannung und den Strom viel Wärme. Das erst macht dem Transistor den Garaus. Wenn der Wandler aber ordnungsgemäß ohne Rückwärtsdurchbruch läuft, dann wird der Transistor kaum warm.

11. Elektronische Anodenbatterie für kleine Röhrenprojekte

Dieser Wandler transformiert 12 Volt aus zum Beispiel einer Autobatterie in eine positive Gleichspannung von ungefähr 90 Volt oder mehr (je nach Wicklung). Die maximale Strombelastung liegt bei etwa 10 mA. Der Wandler eignet sich zum Betrieb kleiner Röhrenschaltungen, z.B. eines Audions, wenn man unterwegs ist. Der Aufbau ist recht klein. Der Stromverbrauch ist bescheiden, ca. 130 mA bei Vollast. An 12 Volt können z.B. zwei E-Röhren (je 6,3 V Heizspannung) in Serie oder eine Doppeltriode wie die ECC 81 geheizt werden (da kann man sowohl mit 6,3 als auch mit 12,6 V heizen, plus/minus 10 Prozent.).
Ich habe den Wandler passend zur Röhrentechnik ganz stilecht mit einem Germanium-Leistungstransistor TF 78/30 von Telefunken ausgerüstet, der ja auch in den 1960er Jahren gefertigt wurde. Ansosten ist die Schaltung sehr ähnlich wie oben. Nun, an Stelle der beiden Siliziumdioden 1N 4004 könnte man eine Germaniumdiode und einen Selen-Einweggleichrichter E 150 C 10 o.ä. verwenden. Das wäre schaltungstechnisch noch authentischer.

Der Wandler ist als Durchflusswandler konzipiert. Das heißt, die Spannung am Ausgang der Trafowicklung n₃ ist in der Phase positiv, wenn der Transistor leitend ist. Bei einem Sperrwandler ist das ja umgekehrt. Der Trafo ist wie oben ein Miniatur-Tonfrequenzübertrager mit gewöhnlichem geschichtetem Eisenblech-Kern. Der Transistortyp ist nicht weiter kritisch.

Oben: Kollektorstrom, ca. 200 mA in der Spitze. Unten: Kollektorspannung, ca 30 V_ss.

Eine Schwierigkeit mit Germaniumtransistoren ist die relativ niedrige Spannungsfestigkeit der Kollektor-Basisdiode. Ich habe daher einige Kondensatoren parallel zu den Wicklungen geschaltet, die speziell den Induktionsimpuls beim Abschalten des Kollektorstrom auf ein zulässiges Maß dämpfen. 12 Volt Betriebsspannung sollte man hier nicht wesentlich überschreiten (Eine Autobatterie mit max. 14,4 V ist aber o.k.). An Wicklung n₁ treten 28 V Spitzenspannung auf, an der Rückkopplungsspule n₂ 20 V. Auch das ist recht unkritisch. Der Punkt an den Trafowicklungen bedeutet, dass die Wicklungen von diesem Anschluss aus in dieselbe Richtung gewickelt sind.
Man beachte auch die Stabilisierwirkung dieser Schaltung. Der Ausgangsstrom aus Trafowicklung n₃ muss am kalten Ende die Basis-Emitter-Strecke des Transistors passieren und verschiebt seinen Arbeitspunkt mit zunehmendem Ausgangsstrom deshalb in den Bereich höherer Verstärkung. Dadurch wird die Leitphase etwas verlängert, und der Wandler kann mehr Energie abliefern.

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