Kapitel über Sendeschaltungen



Inhaltsverzeichniss
Einleitung zu Sendeschaltungen

Kapitel 1: L/C Oszillatoren
Kapitel 1: Was ist ein Oszillator Was ist ein LC Oszillator
Kapitel 1.1: Der Collpitts Oszillator
Kapitel 1.2: Der Clapp Oszillator
Kapitel 1.3: Der Pierce Oszillator
Kapitel 1.4: Der Meissner Oszillator
Kapitel 2.0: R/C Oszillatoren Einleitung
Kapitel 2.1: R/C Oszillator mit PNP / NPN Transistor
Kapitel 3.0: Resonator / Quarzoszillator Einleitung
Kapitel 3.1: Oszillator mit Resonator
Kapitel 3.2: Quarzoszillator
Kapitel 4: Freischwingende Oszillatoren moduliert
Kapitel 4.1: Colpitts Oszillator mit Frequenzmodulation
Kapitel 4.2: Colpitts Oszillator mit Amplitudenmodulation
Kapitel 5: Frequenzstabilisierte Oszillatoren moduliert
Kapitel 5.1: Resonator Oszillator Amplitudenmoduliert
Kapitel 5.2: Quarzoszillator Amplitudenmoduliert

Willkommen zu: Grundlagen Sendetechnik

Bevor wir uns mit dem interessanten Kapitel über Sendeschaltungen beschäftigen, möchte ich euch noch einmal kurz über die Rechtlichen Hintergründe Hierzulande (Deutschland) aufklären. Wenn Ihr euch etwas mit dem Thema Sender beschäftigt habt, in der Vergangenheit, seid Ihr bestimmt auch auf die rechtlichen Hürden aufmerksam geworden, die mit dem Wunsch "selber zu senden" einhergehen. Hier gibt es einige Einschränkungen.

Die folgenden Grundlagen Experimente finden im Mittelwellen Rundfunkband statt. Dies bedeutet, das man die hier gebauten Oszillator - und - Sendeschaltungen mit einem handelsüblichen Rundfunkempfänger empfangen kann. Dabei sollte es sich idealerweise um einen Taschenempfänger mit eingebauter Ferritantenne handeln. Bei der Bundesnetzagentur ist eine sogenannte Allgemeinzuteilung hinterlegt. Dort gibt es auch eine Allgemeinzuteilung für die Frequenzen des Mittelwellenbandes. Interessant ist hier, das - einfach gesagt - über dem gesamten Mittelwellenband unter anderem "von jedem" eine Feldstärke erzeugt werden darf, die die Stärke von -15dbµA/10m oder weniger besitzt. Also eine rein induktive Übertragung. Diese Erlaubniss ist ideal, um in diesem Grundkurs Experimente mit Sendern im Mittelwellenband zu machen, denn die hier vorgestellten Sender strahlen Ihre erzeugte Sendeenergie rein induktiv ab. Zusätzlich sollte die generierte Feldstärke unter den Grenzwerten sein - da die Reichweite der hier gezeigten Oszillatoren / Sender so gering ist, das man sie auch mit einem empfindlichen Weltempfänger in 10m absolut nichtmehr aufnehmen kann. Durch meine Recherchen habe ich herausgefunden, das man dann davon ausgehen kann, das die erlaubten Feldstärken eingehalten werden. Da ich nur über diverse Forenbeiträge indirekt desöfteren von der Bundesnetzagentur bestätigt bekam, das diese induktive Übertragung, wie sie hier stattfindet, theoretisch erlaubt sei - jedoch immernoch leichte Zweifel hatte - lies ich der Bundesnetzagentur eine Email zukommen, wo ich selbst dieses Thema erneut hinterfragte. Die Antwort der Bundesnetzangentur kam dann - nach ein paar Wochen - und mir wurde mitgeteilt, das die Sender, welche ich verwenden möchte, betrieben werden dürfen - selbst eine Dauersendung (also ein "eigenes Radioprogramm") sei erlaubt, da es sich bei meinem Vorhaben um eine induktive SRD Übertragung handeln würde, und Rundfunkbelänge nicht relevant wären.

Erklärung: Was ist rein induktives Senden?


Ich kann euch zu keiner der Senderschaltungen garantieren, das Ihr diese in der Praxis betreiben dürft - allerdings, nachdem Ihr den Text gelesen habt, könnt Ihr euch selbst ein Urteil über die Legalität der Sendeschaltungen machen. Auch durch meine Rückfrage bei der Bundesnetzagentur sehe ich es für mich jedenfalls als "ok" diese Modulatorschaltungen zu betreiben, da die Reichweite ja weit unter den vorgegebenen Grenzwerten ist, und ich so indirekt annehme, das sie zugelassen wären.

Kapitel 1.: Der L/C Oszillator

Das Herzstück eines Senders ist natürlich der Oszillator. Er erzeugt die Schwingungen - die Frequenz - auf der später die Informationen (Musik, Sprache, Digitale Daten) übertragen werden. Durch Auswahl der Bauelemente kann bestimmt werden, auf welcher Frequenz der Oszillator schwingt. So könnte man ihn so auslegen, das er auf beispielsweise nur 0,1Mhz (100Khz) schwingt - oder auf 2400Mhz (2,4Ghz) oder noch höher. Allerdings benötigt man natürlich für so hohe Frequenzen spezielle Bauelemente, und solche Schaltungen sind dann auch nichtmehr auf einem Steckboard realisierbar. Doch nicht nur in der Sendetechnik wird der Oszillator benötigt. Auch in modernen Microcontroller Schaltungen arbeiten Oszillatoren, um die Taktfrequenz für den Mikrocontroller zu erzeugen. In modernen Radios wird ein Oszillator benötigt, um ein Signal bereitzustellen, das der Radio benötigt, um eine Station aus dem Wellensalat an verschiedenen Radiosendern auszuwählen.

Die folgenden Unterkapitel will ich ein paar Oszillatorschaltungen vorstellen. Für den experimentellen Charaktär reicht es, eine Oszillatorschaltung (die erste) aufzubauen, und an dieser Schaltung die Experimente zum Thema Oszillator durchzuführen - denn die Oszillatoren liefern im Prinzip alle das gleiche Ergebniss. Wird die Drahtbrücke BR1 in das Steckboard gesteckt, erzeugt der Oszillator ein Signal, das man mit einem Mittelwellenempfänger in der Nähe des Oszillators empfangen kann. Es wird keine Information übermittelt, sondern ein sogenannter Leerträger. Im Amateurfunk werden Leerträger genutzt um Telegrafie Signale in CW zu übertragen - hierzu später aber mehr. Bei den folgenden 4 L/C Oszillatorschaltungen handelt es sich um sogenannte freischwingende Oszillatoren das bedeutet, das ihre Schwingfrequenz von einer Spule und einem Kondenastor bestimmt wird - daher auch der Begriff LC Oszillator L steht hierbei für Spule, C für Kondensator.

Ein Klick auf das Schaltbild führt euch zum vollständigen Schaltplan des Versuchs.

Kapitel 1.1 - der Colpitts Oszillator




Erklärung

Der Colpitts Oszillator wird sehr gerne verwendet - zum Beispiel in vielen "Wanzen" Senderschaltungen, 1-Transistor UKW Sendern aber auch als Sender in einer Fernsteuerung für ein Modell. Er macht sich vor allem durch die sogenannte Basisschaltung bemerkbar, das bedeutet, das ein Kondensator von Basis des Transistors auf Masse geschalten ist. Er hat die Aufgabe, an der Basis anliegende Hochfrequenz nach Masse kurzzuschließen, weiterhin erkennt Ihr einen Colpitts Oszillator an dem Rückkopplungskondensator zwischen Emitter und Kollektor.

In dem folgenden Experiment wollen wir uns mit dem Colpitts Oszillator beschäftigen, und gleich - stellvertretend für die anderen Oszillatoren - ein paar Experimente mit dem Oszillator machen. Wir lernen den Zusammenhang zwischen Schwingfrequenz und den frequenzbestimmten Bauelementen kennen, und untersuchen die Oszillatorschaltung im Detail.

Aufbau

Der Collpitts Oszillator wird auf einem der beiden Steckboards aufgebaut. Den Aufbauplan für diesen Oszillator findet Ihr hier.

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr den Colpitts Oszillator aufgebaut habt, und euren Aufbau auf Fehler kontrolliert habt, könnt Ihr die Schaltung in Betrieb nehmen. Dazu Steckt Ihr die Drahtbrücke BR1 in´s Steckboard. Die LED D1 beginnt nun zu leuchten. Nehmt euren Mittelwellen Radio, platziert ihn in der Nähe des Senders (Idealerweise 10...20cm entfernt davon) und sucht mit dem Senderrad das Signal eures Senders. Habt Ihr einen Radio mit Signalanzeige gestaltet sich dieser Versuch leicht, denn wenn Ihr den Sender gefunden habt, zeigt die Signalanzeige ein Signal an. Schaut doch - falls Ihr es noch nicht getan habt - noch einmal auf die Hauptseite zu dem Kapitel "Empfohlene Radios für die Sendeversuche". Vermutlich befindet sich das Signal des Senders im Bereich zwischen 1200 und 1600Khz. Nachdem Ihr den Sender im Radio gefunden habt, könnt ihr den Sender ausschalten, entfernt dazu die Drahtbrücke BR1 - die Signalanzeige am Radio erlischt, genauso wie die LED am Steckboard. Wenn die Signalanzeige nicht erlischt, müsst Ihr den Sender wieder in Betrieb nehmen, und den Test so lange wiederholen, bis das Signal gefunden wird. In diesem Fall kann es sein, das Ihr ein Störsignal empfangen habt, wie es von verschiedenen Geräten erzeugt wird. Ist der Sender im gesamten Mittelwellenband nicht empfangbar, so überprüft bitte den Aufbau erneut. Eventuell habt Ihr aus Versehen einen Kontakt 1 Feld falsch gesteckt. Verfügt Ihr über keinen Radio mit Signal Anzeige, so stellt den Radio so ein, das dieser ein deutlich hörbares Rauschen von sich gibt, wenn Ihr euren Oszillator dann im Radio findet, ändert sich das Rauschen deutlich - je nachdem - wie empfindlich der Radio ist, wird es leiser oder lauter... Wichtig ist, das Ihr sicher nachweisen könnt, das das Signal von eurem Oszillator stammt, und nicht ein anderes Signal empfangen wird. Dazu einfach bei vermutlich erfolgreichem Empfang die Steckbrücke BR1 aus dem Steckboard ziehen, und prüfen ob das Signal im Radio verschwindet.

Experiment

Nun, da Ihr die Schaltung erfolgreich in Betrieb genommen habt, ist es Zeit einige Experimente an der Oszillatorschaltung durchzuführen. Die Frequenz des Senders wird hier durch die Spule und den dazu parallel geschaltenen Kondensator bestimmt. Verändert man den Wert eines Bauteils, so ändert sich auch die Schwingfrequenz.

Verändern der Induktivität: Nehmt euren Sender in Betrieb, justiert den Radio auf euren Sender. Nun entfernt die Drahtbrücke BR3 aus dem Steckboard, eine Spule wird nun hinzugefügt, und die Gesamtinduktivität von 100µH erhöht sich auf 200µH. Dadurch schwingt der Sender auf einer tieferen Frequenz, am unteren Bandende des Mittelwellenbereichs. Sucht mit eurem Empfäger nun das neue Signal des Oszillators.

Verändern der Kapazität 1: Dreht am Drehkondensator, die Frequenz des Oszillators ändert sich, da sich die Parallelkapazität zur Spule verändert hat. Habt Ihr keinen Drehkondensator, so steckt einen weiteren 100pF Kondensator zu dem bereits vorhandenen dazu. Die Frequenz ändert sich, und Ihr müsst euren Radio nachstellen (tiefere Frequenz wenn der zweite 100pF dazugesteckt wird) um den Oszillator wieder zu empfangen.

Verändern der Kapazität 2: Wenn Ihr am Poti P1 mit einem Schraubendreher dreht, so ändert sich die Spannung an der Z Diode. Eine Z Diode besitzt, wie eine eigendlich für solche Zwecke vorgesehene Kapazitätsdiode, eine sogenannte Sperrschichtkapazität durch anlegen einer Spannung kann man diese Kapazität verändern. Allerdings - da es sich bei der Z Diode um keine "ordentliche" Kapazitätsdiode handelt ist die Kapazitätsänderung nur sehr gering. Wenn Ihr den 100pF Kondensator, welcher prallel zur Spule ist, herauszieht oder den Trimmkondensator auf eine geringe Kapazität justiert (auf die höchste Frequenz) ist der Effekt der Kapazitätsdiode stärker ausgeprägt.

Testet doch einmal die Reichweite, wie weit Ihr das Signal des Oszillators empfangen könnt.

Nun beschäftigen wir uns noch mit unerwünschter Frequenzänderung. Oftmals ist es unerwünscht, das der Oszillator eines Senders oder sonstigem elektronischen Schaltkreis, wo eine variable Frequenz notwendig ist, seine Frequenz selbstständig ändert. Allerdings besitzen die Bauelemente die Eigenschaft, das sie sich durch äußere Einflüsse leicht in ihrem Verhalten verändern. Dies resultiert eine unerwünschte Frequenzänderung des Oszillators.

Frequenzänderung durch Spannungsänderung: Wird die Batterie mit der Zeit leer, ändert sich die Versorgungsspannung des Oszillators - und somit seine Schwingfrequenz. Entfernt für diesen Versuch die Drahtbrücke BR2. Dadurch wird durch einen Widerstands Spannungsteiler die Versorgungsspannung des Oszillators reduziert - ähnlich als würde die Batterie sehr leer gehen. Wenn Ihr den Sender gerade in Betrieb hattet, werdet Ihr feststellen, das das Signal aus dem Radio verschwunden ist - man muss den Radio wieder nachstellen.

Frequenzänderung durch Temperaturänderung: Für den nächsten Versuch benötigt Ihr einen Haarföhn. Nehmt den Oszillator in Betrieb, und erwärmt mit dem Haarföhn vorsichtig die Platine. Achtet darauf, das die Platine nicht zu heiss wird. Sobald sich die Bauteile erwärmen ist wieder ein deutlicher Frequenzdrift feststellbar - die Frequenz ändert sich also schon wieder.

Erkentniss

Der freischwingende Oszillator erzeugt ein unmoduliertes Signal, die sogenannte Trägerfrequenz . Spule und Kondensatoren bestimmen die Schwingfrequenz. Bei einem freischwingenden Oszillator wird die Schwingfrequenz jedoch auch unerwünscht durch externe Einflüsse wie Spannungs oder Temperaturänderung geändert. Mit einer sogenannten Kapazitätsdiode kann ein Oszillator aufgebaut werden, dessen Frequenz sich durch eine externe Spannung in gewissen Grenzen regeln lässt. Eine solche Schaltung nennt man übrigens VCO - Voltage Controlled Oszillator. Also Spannungsgesteuerter Oszillator.

Nach unserem ersten erfolgreichem Versuch wollen wir diverse Bauelemente der HF Technik nun genauer betrachten

Parallel und Reihenschaltung von Spule und Kondensator


Parallelschwingkreis - Frequenz


Hier ein Beispiel für einen Schwingkreis, wie man ihn in einem Radio finden würde. Diese Spule - mit rotem Kern - findet man beispielsweise in einem Radio im Lokaloszillator. Sie hat die Aufgabe ein für den Radio wichtiges Signal bereitzustellen.

Es handelt sich um eine einstellbare Spule


Welche unten oftmals über einen Kondensator verfügt, welcher zu den Windungen parallel geschalten ist


Hier sieht man verschiedene Trimmkondensatoren.


Trimmkondensatoren findet man in Radios und diversen anderen elektronischen Geräten. Sie sind dazu gedacht, um beispielsweise interne Oszillatoren, Filter, Quarzoszillatoren abzugleichen. Prinzipiell sollte man bei einem Trimmkondensator auf wenig Benutzung achten, da dieser Mechanisch nicht ideal ausgelegt ist, um desöfteren verstellt zu werden. Ein Drehkondensator hingegen - wie im unteren Bild zu sehen - ist für die mehrfache Justage ausgelegt. Er ist bei einem Radio mit analoger Frequenzwahl über einen Seilzug - oder auch direkt - mit dem Frequenz Einstellrad verbunden. Es gibt dabei zwei Typen von Drehkondensatoren - einen Folientrimmer, und einen Luft Drehkondensator. Der Luft Drehkondensator hat zwar den Nachteil, das er recht groß ist. Dadurch ist aber die Gesamtkapazität größer. Während ein Folientrimmer so bis 500pF Kapazität besitzt (beide Plattenpakete zusammen geschalten) verfügt ein Luft Drehkondensator mit beiden Plattenpaketen über Kapazitäten weit über 700pF. Außerdem hält der Luft Drehkondensator durch den Physikalisch größeren Abstand der Plattenpakete zueinander eine viel höhere Spannung aus, als ein Folien Drehkondensator. Das ist für Sender mit hoher Leistung wichtig, da im Resonanzfall eine hohe Spannung an der Antenne entsteht - mit welcher oftmals ein Drehkondensator verbunden ist. Es gibt außerdem (hierfür habe ich kein Foto) noch Vakuum Drehkondensatoren. Diese halten eine Spannung von einigen Kilovolt aus.

Hier einen Luft Drehkondensator


Hier ein Folien Drehkondensator

Man sieht deutlich die Folie zwischen den Plattenpaketen


Nun möchte ich euch noch ein paar weitere Oszillatorschaltungen vorstellen, die Ergebnisse die Ihr bei Tests herausfinden würdet, wären im Prinzip ähnlich mit den Ergebnissen, die Ihr beim ersten Oszillator erzielt habt. Dennoch zeige ich euch noch ein paar Schaltungen, Ihr könnt Sie euch ja mal anschauen, denn Ihre Besonderheiten sind erwähnenswert. Um auch die Nachbauzeit zu verkürzen habe ich auf die Varicap Einstellung und die Schaltung mit 2 Spulen verzichtet. Anstelle von 2 Spulen könnt Ihr einen Schraubendreher - oder ein Stück Metall - in die Nähe der Spulenkörper halten. Dadurch verkleinert sich die Induktivität der Spule, und die Frequenz wird sich erhöhen.

Kapitel 1.2 der Clapp Oszillator




Erklärung

Den Clapp Oszillator erkennt Ihr vor allem an folgenden Merkmalen:

- Spule liegt über Kondensator von Basis nach Masse
- Rückkopplung mit Kondensator zwischen Basis und Emitter

Aufbau

Den Bauplan für diesen Versuch findet Ihr hier

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr den Oszillator aufgebaut habt, könnt Ihr die Brücke BR1 in das Steckboard stecken. Die LED D1 leuchtet - nun könnt Ihr den Oszillator mit dem Radio im Mittelwellenband suchen. Ihr solltet, wenn Ihr euch an die vorgegebenen Bauteilwerte haltet, den Oszillator zwischen 1000 und 1200Khz finden.

Experiment

Siehe Kapitel 1.1 Colpitts Oszillator.


Erkentniss

Wie auch der Colpitts Oszillator erzeugt der Clapp Oszillator ein Signal. Die Frequenz ist vom Verhältniss L/C abhängig - sowie - äußeren Einflüssen wie Spannungs und Temperaturänderung.

Kapitel 1.3 Der Pierce Oszillator




Erklärung

Den Pierce Oszillator findet man vor allem als Quarzoszillator. Ihr erkennt ihn daran, das das Rückkoppelnde Element zwischen Basis und Kollektor ist. Die beiden Kondensatoren von Basis nach Masse, und von Kollektor nach Masse sorgen für die notwendige Rückkopplung, das der Oszillator zuverlässig schwingt.

Aufbau Den Aufbauplan findet Ihr hier.

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr den Oszillator korrekt aufgebaut habt, könnt Ihr die Drahtbrücke BR1 in das Steckboard stecken. Die LED D1 leuchtet. Sucht nun mit einem Radio im Mittelwellenband das Signal, wenn Ihr euch an die Bauteilwerte haltet, sollte es bei ca. 900...1600 Khz zu finden sein

Experiment

Siehe Colpitts Oszillator aus Kapitel 1.1


Erkentniss

Wie auch die vorherigen Oszillatorschaltungen erzeugt der Pierce Oszillator ein Signal, seine Schwingfrequenz wird durch das Verhältniss von L / C bestimmt, sowie äußeren Einflüssen wie Spannungs und Temperaturänderung.

Kapitel 1.4 Der Meissner Oszillator





Erklärung

Der Meissner Oszillator unterscheidet sich in diesem Punkt von den anderen Oszillatorschaltungen, das das Signal nicht kapazitiv - also durch Kondensatoren - rückgekoppelt wird, sondern mit Spulen. Dabei ist es wichtig, das die Spulen so im Verhältniss zueinander stehen, das das Signal immer invertiert wird. Sind beide Spulen "Richtig gepolt" und es entsteht eine Phasenverschiebung von 0° schwingt der Oszillator nicht. Mit der im Kapitel 1.1 gezeigten - roten - Lokaloszillatorspule lässt sich beispielsweise ein Meissner Oszillator aufbauen, da diese Spule über 2 Spulen verfügt, welche galvanisch getrennt sind. Oftmals hat eine Spule sogar eine Anzapfung, sodass sich sogar mit einem Spartrafo ein Meissner Oszillator aufbauen liese.

Aufbau

Den Aufbauplan findet ihr hier

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr die Schaltung aufgebaut habt, steckt Ihr die Drahtbrücke BR1 in das Steckboard. Die Kontroll LED D1 leuchtet, sucht nun den Oszillator mit einem Mittelwellenradio. Wenn Ihr euch an den Aufbau gehalten habt, solltet Ihr ein Signal zwischen 700 und 900 Khz finden.

Experiment

Nachdem Ihr den Oszillator im Radio gefunden habt, steckt den mit Cx bezeichneten 470pF Kondensator in das Steckboard. Die Frequenz ändert sich nach unten. Der Oszillator sollte nun zwischen 600 und 800Khz schwingen.

Nun entfernt die beiden Drahtbrücken der Rückkopplungsspule. Ersetzt sie durch 2 der 5cm langen Verbindungsleitungen, welche Ihr vor dem Beginn der Experimente entsprechend der Anleitung vorbereitet habt. Steckt diese Verbindungsleitungen so in das Steckboard, das der Oszillator schwingt, überprüft die Funktion des Oszillators mit dem Radio. Nun vertauscht die Anschlüsse der beiden Drähte, also der Draht, welcher zum 100pF Kondensator führt geht nun auf Masse, und anders herum. Prüft nun die Funktion des Oszillators - Ihr werdet feststellen, das dieser nichtmehr schwingt.

Erkentniss

Der Meisssner Oszillator erzeugt wie die vorherigen Oszillatorschaltungen ein Signal. Dabei ist die Funktion der Schaltung von der richtigen Polarität der jeweilgein Rückkoppelspulen abhängig. Die Frequenz wird durch das Verhältniss von L / C sowie externe Einflüsse wie Temperatur und Spannungsänderung bestimmt.

Kapitel 2: R/C Oszillator


Nicht immer ist eine Spule zur Verfügung, oder aus Platzgründen unerwünscht. Die Alternative zu einem Oszillator, dessen Schwingfrequenz durch eine Spule und einen Kondensator bestimmt wird ist ein R-C Oszillator., , Seine Schwingfrequenz wird durch einen Widerstand - R - und einen Kondensator - C - bestimmt. In diesem Kapitel möchte ich euch einen RC Oszillator vorstellen.

Kapitel 2.1: R/C Oszillator mit PNP und NPN Transistor



Erklärung

Bei dieser Schaltung handelt es sich um 2 Verstärker in Emitterschaltung. Ein Verstärker in Emitterschaltung hat die Eigenschaft, das Eingangssignal um 180° zu verschieben. Wir haben also 2 Verstärker, die das Signal jeweils um 180° verschieben - verbindet man die Ausgänge der Verstärker miteinander beginnt die ganze Konstruktion zu schwingen. Die Schwingfrequenz wird hierbei durch das Verhältniss der Rückkoppelkondensatoren (10pF) und der Widerstände (10k Potentiometer) bestimmt. Die im Verhältniss zum Kollektorwiderstand viel zu kleinen Rückkoppelwiderstände (1,2k zwischen Basis und Kollektor) sorgen dafür, das der Transistor schneller leitet / sperrt. Die geringe Verstärkung ist dennoch ausreichend für stabielen Schwingungseinsatz. Die Spule dient hier übrigens nur dazu, das erzeugte Signal induktiv in den Radio zu koppeln, der Oszillator schwingt auch ohne Spule.

Aufbau

Ihr findet den Aufbauplan hier

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr die Schaltung aufgebaut habt, stellt euren Radio auf eine beliebige Frequenz, auf der kein anderer Sender zu empfangen ist, zwischen 1200 und 1600 Khz. Nun nehmt den Oszillator durch das Einstecken der Drahtbrücke BR1 in Betrieb. Dreht mit einem passenden Schraubendreher vorsichtig am Poti P1 - Ihr solltet bei korrektem Aufbau in der Lage sein, den Oszillator mit dem Radio zu empfangen.

Experiment

Entfernt die Drahtbrücke BR2, das Ergebniss sollte sein, das der Oszillator nichtmehr empfangbar is. Nehmt einen Schraubendreher und justiert nun wieder das Poti P1. Ihr könnt den Oszillator nun wieder im Radio empfangen. Nun könnt Ihr wie in Kapitel 1.1 - Colpitts Oszillator - noch den Haarföhn Test machen. Ihr werdet feststellen, das sich die Frequenz mit der Temperatur ändert.

Erkentniss

Mit einem R/C Oszillator lassen sich wie mit einem L/C Oszillator verschiedene Frequenzen erzeugen. Wie auch der L/C Oszillator ist die Frequenz sowohl von Temperatur als auch Betriebsspannung abhängig.

Kapitel 3 - Resonator und Quarzoszillator


Wie Ihr in den vorherigen Experimenten gesehen habt, sind alle freischwingenden Oszillatorschaltungen nicht absolut stabiel in ihrer Frequenz. Dies ist vor allem unpraktisch, wenn diese Oszillatoren zum Beispiel Anwendung in einem Funkgerät finden würden. Dieses ist stark äußeren Umgebungsänderungen (vor allem Temperatur) ausgesetzt. Wenn der Oszillator hier wegläuft wird die Funktion des Funkgerätes stark eingeschrenkt. Also nimmt man für das Funkgerät Quarze. Diese Bauelemente erzeugen - eingebaut in eine Oszillatorschaltung - eine sehr stabiele Frequenz, die sich auch bei Spannungs oder Temperaturänderungen nicht verändert bzw. so gering verändert, das dies in der Praxis nicht störend wirkt. Neben Quarzen gibt es auch sogenannte Resonatoren diese ähneln den Quarzen. Jedoch ist die erzeugte Frequenz eines Resonator Oszillators nicht ganz so stabiel wie die eines Quarzoszillators. Dies nutzen sich vor allem viele "Funkbastler" bzw. Funkamateure. So kann man einen einerseits recht frequenzstabielen Oszillator aufbauen - eben mit einem Resonator - auf der anderen Seite kann man durch das hinzufügen externer Bauelemente (Trimmkondensatoren) die Frequenz eines Resonator Oszillators doch in Grenzen weiter wie bei einem Quarzoszillator ändern. Sehr oft findet man Resonatoren in IR-Fernbedienungen, oftmals auch mit einer Frequenz von 450Khz.

Kapitel 3.1 Ein Oszillator mit Resonator




Erklärung

Die hier gezeigte Oszillatorschaltung nutzt einen Resonator. Der Resonator erzeugt in einer Oszillatorschaltung die auf dem Gehäuse des Resonators aufgedruckte Frequenz. Euer Resonator mag im Bereich von 450...500Khz liegen, welche außerhalb des Mittelwellenbandes ist. Der Schwingkreis im Kollektor des Transistors mit der 10µH Spule, und den 3 Stück 1nF Kondensatoren welche zur ihr parallel geschalten sind filtert jedoch das Mittelwellensignal heraus. Folgt diesem Grundkurs, im Kapitel "Filter und Bandpässe" wird dieser Effekt genauer erklärt - in diesem Experiment soll das Schwingverhalten des Resonator Oszillators analysiert werden.

Ein Resonator für 500Khz...


Aufbau

Den Aufbauplan findet Ihr hier

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr die Schaltung entsprechend der Vorlage aufgebaut habt, könnt Ihr sie in Betrieb nehmen. Dazu steckt Ihr die Drahtbrücke BR1 in´s Steckboard. Die LED D1 leuchtet. Stellt nun euer Radio auf die doppelte Frequenz des Resonators. Hat euer Resonator eine Frequenz von 450Khz, so stellt euren Radio auf 900Khz, Hat der Resonator eine Frequenz von 500Khz, so stellt euren Radio auf 1000Khz. Dabei ist allerdings zu beachten, das der Resonator auch etwas neben der Frequenz schwingen kann, größere Abweichungen als +/- 10Khz sollte es aber nicht geben. So schwingt ein 500Khz Resonator in diesem Experiment bei in etwa 1004 Khz.

Experiment

Nehmt einen Föhn, erhitzt die Platine vorsichtig. Beobachtet dabei das Signal im Radio. Ihr werdet feststellen, das sich die Frequenz nicht, oder nur sehr gering (kaum wahrnehmbar) ändert. Entfernt nun die Drahtbrücke BR2, die Frequenz des Oszillators ändert sich nicht obwohl eine deutliche Verringerung der Sendeleistung feststellbar ist..

Erkentniss

Ein Resonator im Oszillator sorgt für eine stabiele Frequenz. Die Schaltung ist relativ unempfindlich auf externe Temperatur - und - Spannungsänderungen.

Kapitel 3.2 der Quarzoszillator




Erklärung

Ein Quarzoszillator arbeitet viel präziser auf einer vorgegebenen Frequenz, als der Resonator Oszillator. Hier habe ich den Pierce Oszillator verwendet - natürlich könnte man im Clapp Oszillator (wenn man die Schaltung etwas abändert aus Kapitel 3.1) genauso einen Quarz einsetzen. Doch durch Verwendung des Pierce Oszillators seht Ihr, wie man beim Pierce Oszillator einen Quarz einzubauen hat. In der Praxis verwendet man üblicherweise Quarze, wenn man eine sehr genaue Frequenz benötigt. Ein Quarz erzeugt eine stabielere Frequenz als ein Resonator, wenn der Oszillator äußeren Einflüssen wie Temperatur und Spannungsänderunh ausgesetzt wird.
Ein Quarz...


Aufbau

Den Aufbauplan findet Ihr hier

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr die Schaltung korrekt aufgebaut habt, könnt Ihr sie in Betrieb nehmen. Steckt dazu die Drahtbrücke BR1 in das Steckboard. Nachdem Ihr die Drahtbrücke in das Steckboard gesteckt habt, leuchtet die LED D1. Sucht nun mit dem Radio euren Oszillator. Verwendet Ihr ein Quarz mit der Aufschrift "1000Khz" oder "1Mhz" oder "1.0Mhz" so findet ihr den Sender bei "100" auf der Skala oder "1000". Also auf 1000Khz - was 1Mhz entspricht.

Experiment

Siehe Kapitel 3.1 - Resonator Oszillator


Erkentniss

Wie auch der Resonator Oszillator ist der Quarzoszillator sehr frequenzstabiel, sogar noch frequenzstabieler als der Resonator Oszillator.

Kapitel 4: Modulierter Oszillator


In diesem Kapitel wollen wir das den doch sehr eintönigen Leerträger mit Modulation versehen. In diesem Fall soll die Modulation von einer Tonquelle kommen. Von Modulation spricht man, wenn das Signal das vom Sender ausgesendet wird mit einer Information behaftet ist. Hier gibt es verschiedene Modi - sogenannte Betriebsarten. Die Betriebsart A3E steht für Amplitudenmodulation. Diese Modulations bzw. Betriebsart wird bei Mittelwellenrundfunk üblicherweise verwendet. Hierbei wird die Sendeleistung in Abhängigkeit der eingespeißten NF verändert. Sie wird sowohl abgeschwächt als auch verstärkt. Misst man die Sendeleistung eines Senders, so macht man üblicherweise 2 Angaben. Die gemessene Leistung ohne Modulation Leerträger . Sowie die gemessene Leistung mit Modulation. Diese Leistung (mit Modulation) wird als PEP Leistung angegeben. Sie kann einem vielfachen der Originalleistung entsprechen. So kann ein Sender eine Leistung von 1W haben - Leerträger - und 4W PEP. Die PEP Leistung ist vom Modulationsgrad abhängig. Dieser gibt an, zu wie viel % das Signal moduliert ist. Idealerweise wählt man einen Modulationsgrad von 100%. Somit erreicht man die beste Übertragungsreichweite. In der Sendetechnik ist es jedoch teilweise üblich, nur 80% Modulationsgrad zu verwenden, denn so können Lautstärke Spitzen besser abgefangen werden. Wird der Sender mehr als 100% Moduliert spricht man von Übermodulation. Diese kann im Empfänger zu Verzerrungen führen. Sprache oder Musik hört sich dann kratzig an.

In diesem Kapitel wollen wir die gebauten Oszillatoren mit Modulation versehen, also unsere eigene Miniatur Radiostation bauen. Natürlich müssen dabei viele Abstriche in kauf genommen werden. Ein direkt modulierter Oszillator ist mit einer vollständigen Radiostation alleine schon wegen des Teileaufwandes nicht zu vergleichen. Die hier gezeigten Oszillatoren lassen sich also vermutlich nicht bis zu 100% Modulieren - jedoch - in meinen Tests laut genug um die Experimente, welche ich für Euch vorgesehen habe erfolgreich durchzuführen. Als Tonquelle kauft Ihr idealerweise extra für diesen Zweck bei einem Händler eurer Wahl einen alten MP3 Player, Discman, Walkman o.ä. ein Gerät welches über einen Kopfhörerausgang verfügt, dessen Lautstärke justierbar ist. Zudem sollte es verschmerzbar sein, wenn durch Fehlbehandlung Schäden am Gerät entstehen. Ich empfehle euch, nach alten MP3 Playern zu suchen. Diese gibt´s bei dem entsprechenden Anbieter schon für unter 10€ das Stück, mit 256MB Speicherplatz - und AA Batterie Betrieb. Dies ist jedoch für unsere Experimente absolut ausreichend.

Kapitel 4.1 - Frequenzmodulierter Oszillator




Anmerkung des Authors

In der Anfrage bei der Bundesnetzagentur gab es - wie ich in der Einleitung bereits schrieb - eine Erlaubniss für das induktive übertragen des eigenen Radioprogramms auf einen Radio. Allerdings ging die Bundesnetzagentur davon aus, das ich einen ordnungsgemäßen Modulator baue, welcher Amplitudenmodulation erzeugt. Die folgende Schaltung erzeugt (zum Lerneffekt) eine Frequenzmodulation. Ich habe von der Bundesnetzagentur diesbezüglich keine direkte Erlaubniss. Allerdings - bezogen auf die entsprechende Verfügung - ist nach meiner Interpretation nicht definiert, wie die Aussendung im Mittelwellenbereich vogesehen ist. Es kann also theoretisch jede beliebige Modulation verwendet werden, solange diese die zulässige Feldstärke nicht überschreitet.

Erklärung

Ein Sender besteht normalerweise aus mehreren Komponenten. Es ist bei AM Sendern eher unüblich den Oszillator zu modulieren. Dies hat verschiedene Gründe. Einer dieser Gründe soll hier demonstriert werden. Der Oszillator wird von einer NF Wechselspannung moduliert. Diese sorgt zwar dafür, das sich die Leistung des Senders in Abhängigkeit der eingespeißten Information ändert - und so Amplitudenmodulation entsteht - allerdings sogt die eingespeißte NF im Transistor dafür, das die interne Basis-Emitter Kapazität sich im Verhältniss zur Musik / Sprache etwas verändert - wie die Kapazitätsdiode aus Kapitel 1.1 Colpitts Oszillator. Die Veränderung der Kapazität sorgt wiederrum für eine unerwünschte Frequenzmodulation, da sie ja indirekt zum Schwingkreis parallel liegt. Gerade bei standard Transistoren, wie dem BC548 ist diese Basis-Emitter Kapazität größer ausgeprägt, als beispielsweise bei einem BF199 HF Transistor. Dennoch würde selbst die Verwendung eines BF199 im folgenden Versuch zu unzufriedenstellenden Ergebnissen führen.

Aufbau

Den Plan zum Nachbau des Senders findet Ihr hier

Inbetriebnahme

Nachdem Ihr den Oszillator entsprechend der Aufbauanleitung aufgebaut habt, steckt die Drahtbrücke BR1 in das Steckboard. Sucht mit eurem Radio den Oszillator, er sollte bei zwischen etwa 1200-1600 Khz zu finden sein. Nun schaltet eure Tonquelle ein, startet die Wiedergabe und justiert eine gute, unverzerrte Lautstärke. Experimentiert auch mit der Frequenz am Radio für eine gute Tonwiedergabe.

Experiment

Nachdem Ihr eure Schaltung auf passable Tonwiedergabe justiert habt, nehmt den Radio und justiert während der Tonwiedergabe den Radio exakt auf die Frequenz des Oszillators. Ihr werdet feststellen, das sich die Tonwiedergabe drastisch verschlechtert - bei absolut korrekter Justage sogar fast verschwindet. Eine weitere Möglicheit, falls euch die Justage schwer fällt, besteht darin, die Tonquelle auszuschalten, sodass kein Ton gesendet wird. Dann entfernt Ihr euch mit dem Empfänger vom Oszillator, bis das Signal deutlich angerauscht ist und justiert den Empfänger auf beste Feldstärke - besten Empfang. Dies entspricht auch einer Justage auf die Grundwelle. Nun startet eure Audioquelle erneut. Die Tonwiedergabe sollte wieder verzerrt, leise, oder mit eher schlechter Qualität sein. Nun justiert den Radio etwas neben die Frequenz, auf der der Oszillator sendet. Die Tonwiedergabe wird nun wieder klar und unverzerrt. Diese Demodulation nennt man Flankendemodulation.

Erkentniss

Ein freischwingender Oszillator kann mit einem Tonsignal moduliert werden - und wird so zur Miniatur Radiostation. Bei der Modulation des Oszillators entsteht unerwünschte Frequenzmodulation. Man muss den Empfänger immer etwas neben die Frequenz stellen, was jedoch zu "zischeln" und ähnlichen unerwünschten Toneffekten führt.

Kapitel 4.2 - Amplitudenmodulierter Oszillator




Erklärung

Verwendet man entsprechend große parallel Kapazitäten kann der in Kapitel 4.1 beschriebene Kapazitätsdioden Effekt im Transistor so weit verringert werden, das er sich nichtmehr störend auf das generierte Signal auswirkt. Während bei einer Kapazität von 470pF eine Kapazitätsänderung von 10pF, wie sie an der Basis - Emitter Diode auftreten könnte, spürbar auswirkt, wird das Verhältniss bei 2nF / 10pF so gering, das keine nennenswerte Frequenzmodulation mehr entsteht. Weiterhin wird der Arbeitspunkt des Oszillators angepasst. Diese Schaltung funktioniert zwar, die verwendeten Werte sind auf diesen Oszillator designed worden und sind in der Praxis aber eher unüblich.

Aufbau

Den Aufbauplan für den AM modulierten Oszillator findet Ihr hier

Inbetriebnahme

Steckt die Drahtbrücke BR1 in das Steckboard. Die LED D1 zeigt den Betrieb der Schaltung an. Sucht mit dem Radio die nun neue Frequenz des Oszillators. Er sollte bei ca. 520...540Khz auffindbar sein, wenn Ihr euch an den Aufbauplan gehalten haben. Gleicht euren Radio so ab, das der Oszillator einwandfrei empfangen wird. Nun startet eure Tonquelle, und stellt eine Laute, aber unverzerrte Tonwiedergabe ein

Experiment

Dreht am Abstimmrad des Radios. Ihr werdet feststellen, das der Oszillator über den ganzen Bereich, in dem er empfangen wird, keine Stelle besitzt, an der er wie im Kapitel 4.1 leise wird, und die Modulation ( = Tonwiedergabe) verzerrt . Das ist das Ergebniss von sauberer Amplitudenmodulation.

Entfernt doch mal die 100µH Spule, und ersetzt sie (sofern vorhanden) durch die 22µH Spule. Tauscht weiterhin den 100k Widerstand im Emitter des Transistors durch einen 47k Widerstand. Der Oszillator schwingt nun wieder im oberen Mittelwellenband. Bei ca. 1200...1600Khz. Gegebenenfalls müsst Ihr die Platine aufstellen, da die 22µH Spule - anders als die "Sendeantennen" 100µH Spule nicht horizontal, sondern vertikal polarisiert ist.

Erkentniss

Durch korrekte Auswahl der Komponenten ist es möglich, einen Oszillator brauchbar Amplituden zu modulieren. Allerdings verringert sich die Frequenz aufgrund der hohen Kapazitäten der Kondensatoren, welche in die Schaltung eingebaut wurden im Vergleich zum vorherigen Versuch drastisch. Die Kondensatoren sind indirekt zur Spule parallel geschalten, und bilden so einen Schwingkreis mit einer sehr niedrigen Frequenz. Durch tauschen der Spule kann die Frequenz erhöht werden.

Kapitel 5: Frequenzstabilisierte Oszillatoren Amplitudenmoduliert


Oszillatoren, welche über ein frequenzstabilisierendes Element - wie einen Resonator oder ein Quarz verfügen haben kaum Probleme mit Frequenzänderung durch Spannungs und Temperaturänderung. Dies wurde in den Experimenten in Kapitel 3 und 4 dargestellt. Würde man so einen Oszillator modulieren, würden sich die parasitären Kapazitäten im Transistor also nur extrem gering auf die Frequenz des Oszillators auswirken. Diesen frequenzstabilisierenden Effekt eines Resonators - oder eines Quarzes macht man sich zunutze, wenn es darum geht einen möglichst einfachen Sender zu bauen, der dennoch eine einigermaßen brauchbare Amplitudenmodulation ermöglicht. Durch ändern der Werte der Bauteile kann so ein Oszillator bereits zum miniatur Sender mit ein paar mW Ausgangsleistung werden. Ein gutes Beispiel für so eine Schaltung sind Kinder Walkie Talkies.

Kinder Walkie Talkies mit sehr einfacher Sende und Empfängerschaltung


Die auf dem Foto gezeigten Walkie Talkies nutzen den selben Transistor, welcher als Empfänger verschalten wird, auch als Sender. Er wird dann zum Quarzoszillator mit einer Frequenz von 27,145Mhz. Durch auslegung der Bauelemente beträgt die so generierte Sendeleistung bis zu 10mW (Gesetzliche Vorgaben, Maximalleistung für SRD Anwendungen auf 27Mhz). Obwohl der Sender hier nur ein Oszillator ist, kann man solche Walkie Talkies bei freier Sicht mit einem empfindlichen Empfänger durchaus ein paar hundert Meter weit empfangen.

Kapitel 5.1: Resonator Oszillator mit Amplitudenmodulation




Erklärung

Durch das Einfügen von NF in Reihe zur Stromversorgung kann der Oszillator, wie schon die Schaltungen vorher mit Colpitts Oszillator - in seiner Ausgangsleistung (=Amplitude) moduliert werden. Im Kapitel 3.1 Resonator Oszillator haben wir bereits gelernt, das der Resonator Oszillator kaum auf äußere Einflüsse wie Spannungs oder Temperaturänderung reagiert. Die Frequenz bleibt weitestgehend stabiel. Moduliert man nun den Oszillator mit einer NF Wechselspannung, entsteht zwar wieder der parasitäre Kapazitätsdioden Effekt, jedoch hat dieser aufgrund der vorgegebenen Frequenz durch den Resonator keinen nennenswerten Einfluss auf die tatsächliche Schwingfrequenz der Schaltung. Dadurch ist der Anteil an Frequenzmodulation vernachlässigbar gering.

Aufbau

Den Aufbauplan für diesen Versuch findet Ihr hier

Inbetriebnahme

Justiert euren Radio auf die Frequenz des Resonators, wie in Kapitel 3.2 erklärt. Startet an eurer Tonquelle die Tonwiedergabe, und justiert eine laute, jedoch unverzerrte Wiedergabelaustärke ein.

Experiment

Nachdem Ihr die Schaltung auf gute Tonwiedergabe justiert habt, unjustiert die Frequenz am Radio, wie bei Versuch 4.1: Colpitts Oszillator mit Frequenzmodulation. Ihr werdet feststellen, das dieser Oszillator eine sehr gute Amplitudenmodulation liefert, und so wenig Frequenzmodulation, das diese kaum störend auffällt.

Erkentniss

Der Resonator Oszillator kann einwandfrei Amplitudenmoduliert werden.

Kapitel 5.2: Quarzoszillator mit Amplitudenmodulation




Erklärung

Durch das Einfügen von NF in Reihe zur Stromversorgung kann der Oszillator, wie schon die Schaltungen vorher mit Colpitts Oszillator - in seiner Ausgangsleistung (=Amplitude) moduliert werden. In der Praxis findet man eher Quarzoszillatoren in einfachst Sendeschaltungen - als Resonatoren. Diese hat zum einen mit der Tatsache zu tun, das eine viel größere Frequenzvielfalt aufgrund der verfügbaren Quarze möglich ist - zum anderen mit der Tatsache, das der Quarz stabieler als ein Resonator schwingt, und so weniger unerwünschte Frequenzmodulation entsteht.

Aufbau

Den Aufbauplan für diesen Versuch findet Ihr hier

Inbetriebnahme

Justiert euren Radio auf die Frequenz des Quarzes, wie in Kapitel 3.2 erklärt. Startet an eurer Tonquelle die Tonwiedergabe, und justiert eine laute, jedoch unverzerrte Wiedergabelaustärke ein.

Experiment

Nachdem Ihr die Schaltung auf gute Tonwiedergabe justiert habt, unjustiert die Frequenz am Radio, wie bei Versuch 4.1: Colpitts Oszillator mit Frequenzmodulation. Ihr werdet feststellen, das dieser Oszillator eine sehr gute Amplitudenmodulation liefert, und so wenig Frequenzmodulation, das diese kaum störend auffällt.

Erkentniss

Der Quarz Oszillator eignet sich hervorragend, um mit einem NF Signal amplitudenmoduliert zu werden. Er ist nicht nur sehr frequenzstabiel, sondern verfügt auch über so gut wie garkeine Frequenzmodultion.

Solch kleinst "Sender" wie wir jetzt gebaut haben, werden übrigens als Modulatoren bezeichnet. Anders als ein Sender, welcher im Normalfall eine möglichst große Reichweite besitzt, um größere Distanzen zu überwinden, moduliert ein Modulator ledeglich ein NF Signal auf einen HF Träger. Die Verbindung beträgt nur wenige Zemtimeter - oder - der Modulator ist direkt mit dem Radio verbunden.

Zusammenfassung: Oszillatoren

Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung, welche eine Frequenz erzeugt. Die Frequenz eines Oszillators kann man durch eine Spule und einen Kondensator bestimmen und auch mit einem Widerstand - Kondensator. Bei den ersten Oszillatoren spricht man von L-C Oszillatoren, bei zweiten von R-C Oszillatoren. Oszillatoren mit justierbarer Frequenz nennt man freischwingende Oszillatoren . Die Frequenz dieser Oszillatoren ändert sich jedoch auch (unerwünscht) durch äußere Einflüsse wie Spannungs und Temperaturänderungen. Die bessere Alternative bieten hier Resonator oder Quarzoszillatoren. Sie erzeugen eine präzise Frequenz, die von den äußeren Einflüssen wie Spannungs und Temperaturänderung kaum beeinflusst wird. Der Nachteil dieser Oszillatoren ist jedoch die Tatsache, das die Frequenz fest an die des Resonators oder Quarzes gebunden ist und nur äußerst geringfügig geändert werden kann.

Durch das hinzufügen einer NF Wechselspannung in z.B. den Emitterstromkreis des Oszillatortransistors kann ein Oszillator Amplitudenmoduliert werden. Während dies bei gesteuerten (Resonator / Quarz) Sendern gut möglich ist, entsteht bei freischwingenden Sendern ohne aufwändiges Schaltungdsdesign eine unerwünschte Frequenzmodulation.


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