Butler-Oszillator als UKW-Prüfsender

UKW-Prüfsender, UKW Minisender und Minispion sind nur einige typische Anwendungsbereiche bei denen man Oszillatorschaltungen begegnet. Ein Großteil dieser Schaltungen verwendet einen Butler Oszillator zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen.

Obwohl die Schaltung im Prinzip recht simpel und einfach zu verstehen ist, bereitet der Nachbau solcher Schaltungen häufig Probleme. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Zum einen liegt das an der schlechten Dokumentation der Schaltungen und zum anderen an fehlender Fachkenntnis des Nachbauers. Fehlende Messtechnik für diesen Frequenzbereich verstärkt die Auswirkung beider Herausforderungen dann noch zusätzlich.

Butler Oszillator für Frequenzen von bis zu 200 MHz

C5 stabilisiert und filtert die Betriebsspannung minimal und sollte daher so dicht, wie möglich an T1 positioniert werden. Der Spannungsteiler an der Basis von T1, bestehend aus R2 und R3, spannt die Basis von T1 auf etwa 2/3 der Betriebsspannung vor. C4 ist für Hochfrequenz quasi ein Kurzschluss und sorgt dafür, dass die Basis für Hochfrequenz auf Massepotential liegt. R1 sorgt für eine Strombegrenzung. C1 ist für die Rückkopplung zuständig und sorgt dafür, dass die Schaltung zuverlässig schwingt.

Anstelle eines 2N2222 kann man auch nahezu jeden anderen NPN-Transistor verwenden. Ein 2N3904 oder sogar ein einfacher BC549 tut es ebenso. Der Wert von C1 ist unkritisch und kann im Bereich um 100 MHz prinzipiell jeden beliebigen Wert über 4,7 pF haben. Mit sinkender Frequenz sollte C1 entsprechend größer dimensioniert werden. R3 kann man bei höheren Frequenzen auch weg lassen. R3 schadet bei hohen Frequenzen zwar nicht, aber wer sich Bauteile sparen möchte, kann dies gerne tun.

Lässt man R3 weg und schaltet eine Elektret-Mikrofon Kapsel parallel zu C4, hat man einen einfachen Minispion, häufig auch als „Wanze“ bezeichnet. Daher findet man diese einfache Schaltung recht häufig in der Literatur rund um Minispione.

Der Schwingkreis am Kollektor von T1, bestehend aus C3 und L1, bestimmt die Frequenz des Oszillators. Man kann die Resonanzfrequenz mit Hilfe der Thomsonschen Schwingungsgleichung berechnen.

Thomsonschen Schwingungsgleichung

Bei der richtigen Dimensionierung des Schwingkreises liegt für unerfahrene Bastler allerdings schon der erste Stolperstein begraben.Man darf nämlich nicht nur blind die Induktivität der Spule und die Kapazität bzw. den Kapazitätsbereich des Trimmers einsetzen. Macht man es dennoch, wird man enttäuscht feststellen, dass der Oszillator auf einer viel tieferen Frequenz schwingt. Hat man dann keine Messgeräte, wie beispielsweise einen Frequenzzähler zur Verfügung, wird man vergebens versuchen das Signal mit einem Radio zu empfangen.

Doch woran liegt das? Die Lösung ist eigentlich derart offensichtlich, dass man sie nur zu leicht übersieht; Die Drähte der Bauteile, sowie die Bauteile selbst, weisen zusätzlich zu den gewünschten Eigenschaften weitere unerwünschte Kapazitäten und Induktivitäten auf. Man bezeichnet diese Phänomene als parasitäre Kapazitäten bzw. Induktivitäten.

Leider sind diese parasitären Kapazitäten und Induktivitäten nicht sonderlich berechenbar. Sie hängen von den verschiedensten Faktoren, wie der Länge der Zuleitungen, dem verwendeten Leiterplattenmaterial und den verwendeten Bauteilen selbst ab. Bei Luftspulen kann man als Faustregel von einer parasitären Kapazität von ungefähr 1 pF pro mm Durchmesser ausgehen. Diese Kapazität liegt zusätzlich zum Trimmer C3 parallel zur Spule. Genaugenommen handelt es sich bei der Luftspule in der Praxis schon alleine um einen Schwingkreis.

Bei den Spulen selbst muss man auch aufpassen. So habe ich zum Beispiel mit Festinduktivitäten bei hohen Frequenzen enorme Probleme, da diese verhältnismäßig hohe Kapazitäten mitbringen. Selbst Spulen wickeln ist gerade bei hohen Frequenzen dringend empfohlen [1].

Beim Aufbau selbst sollte man aus den oben genannten Gründen darauf achten, dass die Zuleitungen so kurz wie möglich sind. Hochwertige Bauteile sind ebenso Pflicht. Und zu guter letzt darf man die Toleranzen der Bauteile nicht vergessen. Bei Keramikkondensatoren und Trimmkondensatoren sind das immerhin um die 10 %.

Wenn man diese Hinweise berücksichtigt und die Schaltung zusätzlich noch für einen etwas höheren Frequenzbereich auslegt, ist man dem Erfolgserlebnis schon ein Stückchen näher.

Fertig aufgebauter Butler Oszillator als UKW Prüfsender für 100 - 150 MHz

Für einen Frequenzbereich von ca. 100 – 150 MHz habe ich in der Schaltung für L1 eine Luftspule aus 1 mm versilberten Kupferdraht mit 4 Windungen mit 6 mm Durchmesser und 10 mm Länge verwendet. Rein Rechnerisch kommt die Spule auf rund 58 nH. Für C3 wurde ein Trimmkondensator mit einem Einstellbereich von 5 – 25 pF eingesetzt. Rechnerisch kommt man so auf einen Frequenzbereich von rund 132 – 295 MHz. Das ist natürlich illusorisch. Nach Einbezug der parasitären Kapazitäten und Induktivitäten funktioniert der Oszillator dann zwischen ca. 100 und 150 MHz. Der große Unterschied liegt hier auch mit an meinem eher schmutzigen und für HF nicht optimalen Aufbau.

Web-Adressen und Quellen:
[1] Kainka, HF Spulen wickeln: http://www.b-kainka.de