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Phasenschieber-Oszillatoren mit RC- und CR-Gliedern

RC- und CR-Ketten für den Phasenschieberoszillator

Nach welchem Bild berechnen?:

Welchen Wert berechnen?:

Widerstände R1...R3:
Kondensatoren C1...C3:
Frequenz:

Die hier berechneten RC- und CR-Glieder für Phasen- schieberoszillatoren lassen sich in unterschiedlichen Schaltungstechniken verwenden.

Am bekanntesten ist wohl der Einsatz in einer Transistostufe in Emitterschaltung. Aber auch in Verbindung mit Operationsverstärkern sind Phasenschieberoszillatoren bekannt.
Millionenfach bewährt hat sich der Phasenschieberoszillator in der Musikelektronik, als Oszillator für Tremolo- und Vibratoreffekte. Allerdings werden hier keine hohen Ansprüche an eine saubere Sinusform gelegt. Wichtig ist dagegen eine stufenlos einstellbare Frequenz von ca. 1 Hz bis ca. 7 Hz.




Wichtig für die stabile Funktion eines solchen Oszillators ist es, dass
1. das Frequenzsignal insgesamt um 360° in der Phase gedreht und verschoben wird, und
2. eine Spannungsverstärkung von mindesten 29-fach vorhanden sein muss.

Die geforderte Phasendrehung von 360° wird wie folgt erreicht: Drei Mal 60°, durch eine dreigliedrige RC- oder CR-Kette, plus ein Mal 180°, durch eine aktive Verstärkerstufe.
Zu beachten ist, dass innerhalb der RC-Kette die Signalphase um drei Mal -90° verschoben wird, wogegen innerhalb der CR-Kette die Signalphase um drei Mal +90° verschoben wird. In beiden Fällen wird die Bedingung
einer 360° (identisch mit 0°) Phasendrehung erreicht.

Da die dreigliedrige RC- oder CR-Kette die Signalamplitude auf 1/29-stel (bei phi = 180°) ihrer ursprünglichen Höhe abschwächt, muss diese Verstärkerstufe eine Mindestverstärkung von 29 + x aufweisen.

CR-Phasenschieberoszillator mit npn-Transistor, geklippter Sinus

Der Wert von x muss so groß sein, dass die internen Verluste der gesamten Schaltung kompensiert werden. Andererseits darf x nicht zu hoch gewählt werden, da sonst das Sinussignal in der Amplitude geklippt wird.
Bild 4 zeigt das Oszillogramm einer geklippten Sinusform.

Bei einfachen Anwendungen, wie z. B. die oben erwähnten Effektoszillatoren oder ein kleiner NF-Signalgenerator, reicht als Verstärkerstufe ein Bipolartransistor aus. Benötigt man jedoch ein Sinussignal mit geringen Klirrfaktor, so muss die Ankopplung der RC- oder CR-Kette an eine Verstärkerstufe sehr hochohmig erfolgen.

CR-Phasenschieberoszillator mit npn-Transistor

Die Schaltung in Bild 3 zeigt einen Phasen- schieberoszillator mit drei CR-Gliedern. Diese bestehen aus den Kondensatoren C1 bis C3 und den Widerständen R1 bis R3.
Der Widerstand R3 nimmt hier eine Doppelfunktion ein: Zum einen ist R3 Mitglied der letzten CR-Stufe, und zum anderen ist R3 Bestandteil des Basisspannungsteilers von Transistor T1. Der effektive Widerstand R3‘, der am Knotenpunkt C3/R3 liegt berechnet sich aus (R3 // R4) // (rbe + R6). Daraus folgt, dass R3‘ kleiner als R3 ist. Daraus entstehen einige Nachteile für diese Schaltung. Durch den unsymmetrischen Aufbau der CR-Glieder leidet die Kurvenform des Sinus‘. Klirrfaktoren von 20% und mehr sind die Folge. Auch kann der Wert der Frequenz um bis zu 25% kleiner sein als theoretisch berechnet wurde. Desweiteren ist die Frequenz anhängig von der Höhe der Versorgungsspannung und der angeschlossenen Last. Aus den hier genannten Gründen ist es deshalb notwendig, dass der Eingangswiderstand der verstärkenden Stufe mindestens hundert Mal größer sein muss als der Widerstand R3. Mit bipolaren Transistoren ist diese Forderung leider nicht zu erfüllen. Die Alternative ist, hier mit Feldeffekt-Transistoren oder Operationsverstärkern zu arbeiten.

Zusammenfassung:

Der Phasenschieberoszillator findet da Verwendung, wo ein Sinussignal mit konstanter Frequenz benötigt wird, oder, wo die Verzerrung der Sinusform keine Rolle spielt, aber die Frequenz über einen festen Bereich stufenlos, z. B. mit R3 als Poti, verändert werden soll.