Ein Sinus-Oszillator, der von Sekundärelektronen angetrieben wird

Letzte Änderung: 21.4.2024

Zurück zur vorigen Seite

Negadyn, der etwas andere Oszillator

Eine recht selten verwendete, dennoch ausgezeichnet funktionierende Schaltungsvariante für einen Sinusoszillator habe ich in einem Frequenzgenerator für mein Bastellabor umgesetzt: das Negadyn. Die Schwingungserzeugung beruht auf der stellenweise abfallenden Anodenkennline von Tetroden. Diese bilden einen negativen Widerstand, der dazu verwendet werden kann, die Dämpfung im einem LC-Schwingkreis zu kompensieren.

Der Vorteil des Negadyns gegenüber anderen Oszillatorschaltungen besteht darin, dass keine gesonderte Rückkopplung notwendig ist.

Das Prinzip läßt sich an der Anodenstrom- Anodenspannungs-Kennlinie einer Tetrode im Bild rechts leicht erklären. Hierbei handelt es sich um eine EF 184, deren Bremsgitter und Schirmgitter auf + 200 V liegen, Mit von 0 V an steigender Anodenspannung U_A erreicht der Anodenstrom I_A ein Maximum, hier etwa 7 mA bei 15 V. Steigt U_A weiter, dann nimmt der Anodenstrom kontinuierlich ab und wird sogar negativ: - 4 mA bei etwa 130 V.

Ein "negativer" Widerstand

Wie ist das möglich ? Nun, die von der Kathode kommenden und auf der Anode auftreffenden Elektronen schlagen dort Sekundärelektronen heraus, die zum Bremsgitter zurückfliegen, weil dieses positiver ist als die Anode. Je höher nun U_A, desto mehr Sekundärelektronen entstehen aus einem "Primärelektron", und desto mehr nimmt der Anodenstrom ab.

Die Anodenstrom-Anodenspannungs-Kennlinie des Negadyns. Verwendet wird hier der fallende Abschnitt der Kennlinie, der einen negativen Widerstand repräsentiert: der Strom nimmt als Funktion der Spannung ab. Der gewählte Arbeitspunkt des Oszillators liegt bei 70 Volt, was einem Anodenstrom von etwa 0 entspricht.

Der Schaltplan des Frequnzgenerators

Wie der Oszillator funktioniert

Das Prinzip der Schaltung ist folgendes: Das Netzteil erzeugt eine Gleichspannung von ungefähr 200 V, die nach der Siebung über einen kleinen Widerstand an Schirmgitter und Bremsgitter der EF184 gelegt wird. Der hochspannungsfeste npn-Transistor BF459 erzeugt zusammen mit der Glimlampe und der Zenerdiode an seinem Emitter eine stabilisierte Spannung von 70 V, die über die Schwingkreisspule an die Anode der EF184 gelangt. Die Zenerdiode stabilisiert auch die Kathodenspannung der Pentode auf 12 V. Zur Abstimmung der Frequenz kann man hier verschiedene Kondensatoren parallelschalten. Zum Feintuning dient ein Drehko von 2 x 500 pF.

Einstellen von Frequenz und Dämpfung

Das Gitter der EF184 erhält über das Dämpfungspoti im Kathodenzweig eine negative Spannung zwischen 0 und -12 V. Hierdurch werden Anodenstrom und die Stärke der Sekundäremission beziehungsweise die Höhe des negativen Widerstandes an der Anode eingestellt. Zweckmäßig stellt man das Poti so ein, dass die Schwingungen die Röhre nicht übersteuern.

Um dies im Betrieb kontrollieren zu können, habe ich einen magischen Balken, eine Abstimmanzeigeröhre vom Typ EM84, als Indikator vorgesehen (Bild links). Diese Röhre erhält über eine eigene Wicklung des Zeilentrafos eine Spannung, die mit den beiden Germaniumdioden AA112 gleichgerichtet und dem Steuergitter der EM84 zugeführt wird. Das Dämpfungspoti muss so eingestellt werden, dass sich die beiden Leuchtbalken gerade eben nicht berühren. Dazu muss einmalig das 500 kΩ-Poti links oben im Schaltbild kalibriert werden.

Der Rest der Schaltung erklärt sich von selbst. Es ist ein Umschalter für eine externe Schwingkreisspule vorgesehen, sowie ein Abschwächer für das Ausgangssignal. Als Spule dient übrigens ein Zeilentransformator aus einem alten Saba-TV-Gerät. Vor etwa 30 Jahren, als ich das Gerät gebaut habe, gab es davon jedenfalls reichlich.

Der Oszillator ist bei mir noch heute in Verwendung, auch wenn sein Frequenzumfang mit etwa 1 bis 28 kHz recht bescheiden ist. Mit einer externen Spule komme ich allerdings bis etwa 2 MHz.

Ersatzschaltbild und Eigenschaften des Oszillators

Wenn es um das Verständnis der Schwingungserzeugung geht, kann man die oben angegebene Schaltung zu folgendem Prinzipschaltbild vereinfachen. Alle Gleichstrom-spezifischen Details habe ich ausgeblendet:

Hierbei ist N der negative differentielle Widerstand. Das Vorzeichen von N ist nach unsrerer Definition positiv, wenn die Kennlinie fallend ist. An Hand des oben gezeigten Oszillogramms schätzen wir N auf etwa 10 Kiloohm, was man aber am Dämpfungspoti einstellen kann: der Anodenstrom I_N nimmt, wenn die Anodenspannungen U von 10 auf 120 V ansteigt, um 11 mA ab. 110 V geteilt durch 11 mA ergibt 10 Kiloohm. Ferner ist C die Kapazität des Schwingkreises, L dessen Induktivität und R der ohmsche Verlustwiderstand, das heißt, der Gleichstromwiderstand der Wicklung. Hiermit berechnet sich nach den Kirchhoffschen Gesetzen folgende Gleichung für die Eigenfrequenz:

Für den Fall, dass der Verlustwiderstand R sehr klein und der negative Widerstand N der Anodenstrecke sehr groß sind, reduziert sich dies auf die bekannte Thomsonsche Schwingkreisformel. Damit aber der Oszillator wirklich schwingt, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

Der negative Widerstand, den die Röhre erzeugt, darf eine bestimmte Obergrenze nicht übersteigen. Je höher der Verlustwiderstand R ist, desto kleiner muss N sein, wobei Schwingkreise mit hoher Induktivität und kleiner Kapazität mehr Spielraum lassen als solche, wo das umgekehrt ist. Ein Minimum an Oberwellen erhält man dann, wenn die Ungleichung nur ganz knapp erfüllt ist. Ist die linke Seite dagegen bedeutend größer als die rechte, dann entstehen starke Verzerrungen. Zweitens:

Diese Gleichung zeigt, dass auch ein allzu niedriger Wert von N die Schwingungen ebenfalls unterbindet. Das heißt, man kann nicht erwarten, dass ein Negadyn beliebig schlechte Schwingkreise anregen kann. Das aber ist nicht nur hier, sondern bei jedem elektronischen Oszillator so.

Hier sieht man den Zeilentrafo aus einem alten Farbfernseher, der als Schwingkreis dient. Durch den recht verlustarmen Ferritkern des Zeilentrafos (der effektive Verlustwiderstand R des Schwingkreises ist hier ziemlich klein) läßt sich ein recht großer Frequenzbereich von 1 kHz bis zu mehreren 10 kHz realisieren.