Hartley-Oszillatoren: Zuverlässige, abstimmbare Lösungen für konstante Amplitude

Elektronische Oszillatoren wandeln Gleichstrom in ein Wechselstromsignal um. Je nach frequenzselektivem Filter unterscheidet man RC- und LC-Oszillatoren.

Einer der häufigsten Oszillatoren in Radioempfängern oder als HF-Oszillator ist der Hartley-Oszillator. Er ist eine Weiterentwicklung des Armstrong-Oszillators und leicht abzustimmen. Heute betrachten wir Funktionsweise, Konfigurationen und mehr.

Ein elektronischer Oszillator

Was sind Hartley-Oszillatoren?

Der 1915 von Ralph Hartley erfundene Hartley-Oszillator ist ein harmonischer Oszillator. Ein LC-Schwingkreis (Spulen und Kondensator) bestimmt die Schwingfrequenz. Er lässt sich im HF-Bereich (30 kHz bis 30 MHz) abstimmen und dient als RF-Oszillator.

Einfacher Hartley-Oszillator

Kennzeichnend ist der abgestimmte Schwingkreis mit einem Kondensator parallel zu zwei angezapften Spulen (oder einer Mittenanzapfung). Die Rückkopplung wird vom Mittelanzapfungspunkt der Spule entnommen.

Funktionsprinzip und Schaltbild des Hartley-Oszillators

Ein Hartley-Oszillator enthält folgende Bauteile (siehe Schaltbild):

Schaltbild eines Hartley-Oszillators

• R1, R2, R_E – Vorspannung des Transistors
• C1, C2 – Koppelkondensatoren
• RFC (Drosselspule) – trennt DC- und AC-Pfade: bei DC fast kurzgeschlossen, bei HF hochohmig (fast offen)
• Transistorverstärker (Basis-Emitter-Schaltung) – liefert 180° Phasendrehung
• Schwingkreis: L1, L2, C – erzeugen die Schwingfrequenz

Funktionsablauf:

• Beim Anlegen von V_CC steigt der Kollektorstrom, der Kondensator C im Schwingkreis lädt sich auf.
• Nach Vollladung entlädt sich C über L1 und L2.
• Während der Entladung laden sich die Spulen magnetisch auf.

(Spulen)

Hinweis:

Ein Kondensator speichert Energie im elektrischen Feld, eine Spule im magnetischen Feld. Bei vollständiger Entladung des Kondensators beginnt die Spule zu laden und umgekehrt – es entsteht ein energiegeladener Austausch.

• Das periodische Laden und Entladen erzeugt gedämpfte sinusförmige Schwingungen am Ausgang. Die Amplitude nimmt aufgrund der ohmschen Verluste der Spulen (I²R-Verluste als Wärme) ab.
• Der Schwingkreis liefert 180° Phasendrehung zwischen Punkt B und A (Punkt C ist Masse). Wenn B negativ, ist A positiv.
• Um Schwingungen aufrechtzuerhalten, müssen die gedämpften Schwingungen verstärkt werden. Der Schwingkreisausgang speist den Transistor (Emitterschaltung), der das Signal verstärkt.
• Die Rückkopplungsenergie wird über die gegenseitige Induktivität zwischen L1 und L2 zurückgeführt.
• Der Transistorausgang lädt den Kondensator wieder auf – die verstärkte Energie kompensiert die Verluste. So bleibt die Amplitude über den Frequenzbereich konstant.

Schwingfrequenz des Hartley-Oszillators

Die Frequenz berechnet sich wie bei jedem Parallelschwingkreis:

C ist die Kapazität von C im Schwingkreis.

Da zwei Spulen verwendet werden, ist die äquivalente Induktivität:

L_eq = L₁ + L₂

Berücksichtigt man die gegenseitige Induktivität M:

L_eq = L₁ + L₂ + 2M

Die Schwingfrequenz ergibt sich schließlich zu:

Hartley-Oszillator in verschiedenen Konfigurationen

Shunt-gespeister Hartley-Oszillator

Verwendet eine Emitterschaltung (Common Emitter).

Ein shunt-gespeister Hartley-Oszillator

• Einzelne Betriebsspannung: Spannungsteiler R_B und R1 liefern festen Bias.
• C1 überbrückt R_E (Temperaturstabilisierung).
• Spule L3 shunt-speist den Kollektor; C3 als Koppelkondensator und DC-Sperre verhindert Kollektor-Kurzschluss.
• C2 als Basis-Sperrkondensator vermeidet Basis-Masse-Kurzschluss.

Funktionsweise

Nach Einschalten bestimmen R1 und R_B den Anfangsbias. Rückkopplung vom Kollektor zur Basis über L2/L1 baut Schwingungen auf.

Hinweis: Ein AC-Pfad existiert vom Emitter über L2, C2 zur Basis und über L1, C3 zum Kollektor.

Während der Schwingung baut sich ein degenerativer Bias über R_E auf (mit passendem C1).

Die Bauteilwerte bestimmen:

1. R_B, R1 → Class-C-Bias für leichten Start
2. C1, R_E → Temperaturstabilisierung
3. Class C oder B Bias → gewünschter Wirkungsgrad

Der Ausgang kann vom Schwingkreis (Spule) oder vom Kollektor (über Kondensator) entnommen werden.

Reihen-gespeister (Series-fed) Hartley-Oszillator

Auch hier: Emitterstabilisierung und Spannungsteilerbasis. Die Kollektorspannung wird über den Anzapfungspunkt der Schwungspule zugeführt; C3 entkoppelt die Spannungsquelle für das Signal. Der Betrieb ist ähnlich, aber DC fließt durch einen Teil des Schwingkreises → Güte (Q) und Frequenzstabilität sind schlechter als beim Shunt-Betrieb.

Schaltbild eines reihen-gespeisten Hartley-Oszillators

Hartley-Oszillator mit Operationsverstärker (Op-Amp)

Vorteil: Die Verstärkung lässt sich über Eingangs- und Rückkopplungswiderstand individuell einstellen. Der Op-Amp arbeitet im invertierenden Modus:

A = –R_f / R1

Wobei: –R_f = Rückkopplungswiderstand, R1 = Eingangswiderstand, A = Verstärkung.

Ein Hartley-Oszillator mit Op-Amp

Bei Transistorversion muss die Verstärkung leicht über dem Verhältnis L2/L1 liegen. Der Op-Amp bietet höhere Frequenzstabilität, da er weniger von Schwingkreiselementen abhängt. Frequenzformel und Prinzip bleiben gleich.

Vor- und Nachteile des Hartley-Oszillators

Vorteile:

• Ein einzelner Spulentyp (Autotransformator) statt großem Transformator.
• Wenige Bauteile: zwei Festspulen oder eine angezapfte Spule.
• Ersetzt man C durch einen Quarzkristall, erhält man einen festfrequenten Quarzoszillator.
• Konstante Amplitude über den Arbeitsfrequenzbereich.
• Frequenz variabel über veränderliche Spule oder einzelnen veränderlichen Kondensator.

Ein Quarzkristall

Nachteile:

• Nicht für tiefe Frequenzen geeignet.
• Harmonische Verzerrungen – nicht ideal für reine Sinuswellen. Abhilfe: Amplitudenstabilisierungsschaltung.

Fazit

Hartley-Oszillatoren finden vielfältige Anwendung, z. B. zur Erzeugung von Sinusschwingungen gewünschter Frequenz. Es gibt viele Konfigurationen (FET-basiert, Reihen-/Shunt-gespeist, Op-Amp).

Bei weiteren Fragen zu Hartley-Oszillatoren stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.