ungelöst Clapp-Oszillator funktioniert nicht so wie simuliert

[Frank]

Hallo,

ich brauche einen LC-Oszillator mit ca. 3 .. 6 MHz. Die Frequenz soll mit einem 25-pF-Drehkondensator ( + Parallel-C) einstellbar sein, bei dem ein Ende auf Masse liegt.
Dazu baute ich einen Clapp-Oszillator mit einem BF199 (B = 134) auf, in LTspice und real. Der selbstgewickelten Luftspule (gemessen 45µH) gab ich in LTspice eine parasitäre Kapazität von 5pF.
Der LTspice-Oszillator hat ein Ausgangssignal von -1,0 .. 5,0 V (6,0 Vss) bei 4,2 MHz. Der reale Oszillator schwingt mit ähnlicher Frequenz, jedoch mit nur 1,5 .. 1,8 V (300mVss). Mit einem BF199 (B = 104) aus einer anderen Lieferung sind es 1,5 .. 1,75 V.

Auch ein BC549C schwingt bei LTspice gut; mit -0,7 .. 5,0 V (5,7 Vss). Die Frequenz ist ein Promille niedriger als mit dem BF199. Aber auch hier schwingt der reale Oszillator nur mit 1,8 .. 2,05 V (250mVss).
Was kann der Grund für diesen Unterschied zwischen Simulation und Praxis? An defekten Transistoren liegt es ja offenbar nicht.

Die Betriebsspannung ist sauber.
Das Oszilloskop hat eine Bandbreite bis 20 Mhz. (Gestern noch getestet: Die Ausgangsspannung eines 5-V-Quarz-Oszillator-Bausteins 12 MHz mißt das Oszilloskop mit 0 .. 5 V.)
Die beiden 330pF sind Folienkondensatoren, die Widerstände sind Metallfilm-Widerstände.
Der Kupferwiderstand der Luftspule ist < 0,1 Ohm .

Gruß, Frank

 

[spicer]

Was misst Du reell an der Basis des jeweiligen Transistors?
In der Simulation ist das ja ca -/+ 5V.

 

[Frank]

Yepp. Ich habe für die Messung auch eine Meßspitze an den Emitter gehalten, weil die Meßspitze an der Basis ja die Vorspannung senkt.

Beim BC549C: Ub = 2,2 .. 2.3 V, Ue = 1,7 .. 1,8 V . Uss ist also durch das Anlegen der Meßspitzen von 250 mV auf 100 mV gesunken.
Beim BF199: Ub = 2,1 V, Ue = 1,5 V . Mit der Meßspitze an der Basis schwingt nichts mehr. Wenn man durch Änderung des Spannungsteilers die Vorspannung erhöht, schwingt es wieder.

Ist bei den Transistoren hier vielleicht die Verstärkung zu klein, wegen des verschobenen Arbeitspunktes? Aber das müßte dann ja auch die Simulation zeigen.

 

[spicer]

Also hast Du auch in der Realiät an der Basis eine kleinere Amplitude als in der Simulation. Das würde ja bedeuten, dass die Transistoren korrekt simuliert werden.

Hast ein TC1 Tester?
Welcher hFE zeigt Dir das an?
Hier ein BC547B:




Habe momentan auch keinen Plan
Bin sicher, das LTspice keinen Fehler macht. aber ich (wir) schnallen das nicht

 

[Frank]

Hallo,

Also hast Du auch in der Realiät an der Basis eine kleinere Amplitude als in der Simulation. Das würde ja bedeuten, dass die Transistoren korrekt simuliert werden.

Ähm ... die Simulation zeigt 10Vss an, aber die Realität nur ein paar hundert Millivolt, dann ist das doch nicht korrekt simuliert, oder?

Eine Korrektur ist nötig, sorry, anstelle des 270k-Widerstandes war ein kleinerer eingebaut - ist jetzt korrigiert. Die Ausgangsschwingung hat sich nun ungefähr verdoppelt, ist jedoch noch weit von der Simulation entfernt:
BF199 (B=134) : 2,35 .. 2,80 V
BF199 (B=104) : 2,30 .. 2,75 V
BC549C (B=550): 2,85 .. 3,35 V
Wenn ich bei Simulation und realem Aufbau mal die Serienschwingkreise rausnehme, liegen die Gleichspannungen max. 150 mV auseinander. Zumindest der Teil der Simulation klappt offenbar.
Die Stromverstärkungen (BF) in den Modellen der beiden Transistortypen sind 122,5 und 493,2 - also ganz ähnlich wie bei den realen.

Nimmt man für die Simulation beliebige ähnliche NPN-Kleinsignaltransistoren, kommt man meist - sogar beim uralten BC107A - auf Amplituden zwischen 4,5 und 5,8 V.
Die allermeisten Modelle sind bestimmt richtig, also stimmt irgendwas mit der Realität nicht. Ich hab's immer gewußt!
Aber was?
Haben die realen Transistoren evtl. eine zu große Kollektor-Basis-Kapazität? Aber dann müßten gleich mehrere Serien unabhängig voneinander schlecht gewesen sein ... das ist auch eher unwahrscheinlich ...

Ich werde es nochmal neu aufbauen, mit anderen Bauteilen.

Gruß, Frank

 

[spicer]

"also stimmt irgendwas mit der Realität nicht."
looool

aber spass bei seite.
ich bin totaler analog noob!
zbsp AC analyse schnall ich nicht
bin nur der admin hier

 

[Udo]

Hallo Frank,
es gibt bei Youtube exzellente Videos zu Clapps Oscillator, mit konkreten Dimensionierungsvorschriften.
Wichtig ist der Parameter hfe der Transistoren.
Gruß, Udo

 

[spicer]

Hättest ev ein paar Links?
Danke

 

[Frank]

Hallo Udo,

an Links wäre ich auch interessiert. Möglicherweise übersehe ich ja irgendwelche parasitären Einflüsse.
Wohlgemerkt, der Clapp-Oszillator funktioniert, ich wundere mich nur über die kleine Amplitude gegenüber der Simulation.

Gruß, Frank

 

[Udo]

Hallo Frank,
ich traue mich fast nicht eine banale, dumme Frage zu stellen, nämlich diese: Hast Du Deinen Oszillographen-Tastkopf kalibriert ? stehen am Scope die 1Vpk an ? Diese Stolperfalle kann ja vorkommen, wenn der Tastkopf verstellt ist.
Nun ist mir aufgefallen, daß Deine Schaltung von der Standardversion etwas abweicht. In jener Konfiguration wird vom Kollektor aus rückgekoppelt. Leider haben sich meine vorgeschlagenen Youtube-videos auf diese
Versionen bezogen. Zu Deiner Schaltung habe ich nur 2 Beiträge gefunden, eine für Bastler und eine mehr wissenschaftliche.
Ich hänge die Beiträge an, ebenso eine Schaltung wie dort "bei den Bastlern" aufgeführt, als .asc-file.

Gruß, Udo

 

[Frank]

Hallo Udo,
die Frage ist durchaus berechtigt.
Es ist ein Hameg 412. Ich habe zwei Standard-Tastköpfe mit Teiler 1:1 und 1:10 umschaltbar, den 1:10-Teile kann man einstellen. Die Messung des "Calibrator"-Ausgangs ergibt bei beiden Tastköpfen eine saubere Rechteckspannung.

Das Oszilloskop zeigt bei beiden Eingängen und mit beiden Tastköpfen dieses Verhalten:
1:1 :
Am Frequenzgenerator Kontron 8120 zeigt es bei dessen höchster Frequenz, ca. 12,5 MHz, einen Abfall auf 80% an.
Um die Kapazität der Meßspitze zu ermitteln, schalte ich einen 1-kOhm-Widerstand davor: -3dB-Frequenz ist 950 kHz. 1,3 MHz -> 60% 1,9 MHz -> 50%, 4,3 MHz -> 25%, 12 MHz -> 10%

1:10 :
Linear bis 12,5 MHz
1-kOhm-Widerstand vor der Meßspitze: -3dB-Frequenz 6,2 MHz. 9,4 MHz -> 50%, 12,5 MHz -> 32%

Ich maß den Oszillator bisher immer mit mit der 1:1-Einstellung. Die 950 kHz deuten - bei einem angenommenen Tiefpaß - auf 168 pF Kapazität des Meßkopfes hin.
Kann dies die beobachtete Auswirkung haben?
Schaltet man in der LTspice-Schaltung diese Kapazität parallel zum Ausgang, verringert sich die Oszillatorfrequenz um 1%, das Ausgangssignal hat weiterhin 6Vss.
Also ist es das wohl eher nicht. Aber ich werde die Schaltung trotzdem mal mit einem moderneren Oszilloskop nachmessen. Das kann etwas dauern.

Danke für die PDFs! Das IcETRAN-Paper muß ich mir mal GANZ in Ruhe ansehen.

Gruß, Frank

 

[Udo]

Hallo Frank,
als ergänzende Antwort kann ich Dir noch mitteilen, daß ich Deine Originalschaltung auch mit MicroCap 12 simuliert habe. Das Ergebnis entspricht exakt dem von LTSpice. Da muss also doch etwas mit Deinem Aufbau oder den Komponenten sein. Ich würde mal noch einen Buffer (schnellen Op) an den Ausgang hängen, um zu sehen, ob die 168pF des Meßkopfes eine Rolle spielen.
Dann gibt es noch einen anderen Tipp, um evtl. etwas zu finden: a) mit Kältespray die Transistoren, bzw. die Schaltung anblasen, b) mit dem Lötkolben "nahe" an die Bauteile gehen und erhitzen (ohne Berührung). Man erkennt dann,
ob die Schaltung empfindlich reagiert oder stabil schwingt.
Hast Du mit einem "modernen" Scope dasselbe Ergebnis erzielt?
Gruß Udo

 

[Frank]

Hallo Udo,
danke für den Test mit einem anderen Programm! Ich sach ja, nicht die Simulation ist das Problem, sondern die Realität.

Und für Deine Tips!
Einen schnellen OP habe ich leider nicht.
Den heißen Lötkolben habe ich schon mal nahe an die Schaltung gehalten, und die Frequenz veränderte sich auch sofort - die Amplitude allerdings kaum. Die Frequenz ging sofort nach Wegnahme wieder in Richtung ihres alten Wertes. Ich nehme an, der Einfluß des Lötkolbenmetalls war höher als der der Temperatur. Ich probiere es trotzdem nochmal mit Fön und Kältespray und messe dann die Frequenz nach.
An das gute Oszilloskop komme ich evtl. in der nächsten Woche - ich werde berichten.

Gruß, Frank

 

[Frank]

So, jetzt bin ich endlich zum Nachmessen gekommen, mit einem Rigol-Oszilloskop, 100 MHz.
Mit dem zugehörigen Tastkopf in Stellung 1:1 maß ich 800 mVss, bei 1:10 waren es noch 500 mVss.
Mit meinem eigenen Taskopf maß ich in beiden Stellungen 500 mVss.

Der Unterschied zwischen den beiden Oszilloskopen ist also relativ klein.

Gruß, Frank

 

[Simulateur]

Der Clapp ist eine sehr gutmütige Schaltung. Am stärksten reagiert sie noch auf mangelhafte Kreisgüte, indem die Spannungen runter gehen.

Ein Foto vom Aufbau und speziell von der Spule würde uns helfen, die Situation ein zu schätzen.
Ich empfehle, die tatsächlich wirksame Kreisgüte zu ermitteln.

Auch beim Transistor empfiehlt es sich, die tatsächlichen Parameter zu messen und sich nicht auf seine Überzeugungen zu verlassen. Fehlersuche funktioniert nur, wenn sie knallhart auf gemessenen Fakten beruht. Zu jeder Messung kann man die Messanordnung simulieren und sehen, ob das Modell gleich ragiert.

 

[Frank]

Glücklicherweise ist gerade mein Basteltisch frei, so daß ich ein paar Fotos machen konnte.


(Auch wenn es so aussieht - der linke Spulendraht hat keinen Kontakt zur Kupferinsel darunter.)
Die Luftspule besteht aus 16 Windungen Kupferlackdraht d = 0,6 mm auf einem Kunststoffröhrchen (Kugelschreiber) mit d = 9,5 mm.

Die Stromverstärkungen maß ich mit dem Transistortester eines DMMs. Wie hier beschrieben, liegen sie in der gleichen Größenordnung wie bei den Modellen.

Da bin ich ja mal gespannt.

Gruß, Frank

 

[Simulateur]

Super, Frank,

das zeigt schon einmal allerlei Fehlerpotential für eine Fehlersuche. Dazu werde ich mich aber erst äussern, wenn ich das gebaute Objekt und die bisher erfolgte Fehlersuche NACHVOLLZIEHBAR sehe. An Ratespielen und an oberflächlicher Plauderei habe ich wenig Interesse. Daher ein paar Hinweise zur Arbeitsmethodik an dich:

Für eine Erfolg versprechende Fehlersuche braucht es erst mal eine Festlegung auf EIN simulierfertiges *.asc Schaltbild, das in ALLEN Details mit dem realen Aufbau übereinstimmt. Zur Zeit haben wir zwei verschiedene Schaltbilder in einem *.asc File, das nicht simulierfähig ist, weil die Transistormodelle nicht enthalten sind. Ich werde da keine Modelle einbinden, ich erwarte von einem Unterstützung Suchenden, dass er seine Unterlagen funktionsfertig vorlegt. Und keines der Schaltbilder stimmt mit dem fotografierten Objekt überein.

Dann braucht es SCHARFE Fotos, wo alle Bauteile und alle Verbindungen eindeutig erkennbar sind. Alle Knoten gehören dort beschriftet. Ich werde keine Anschlussbelegung aus einem Datenblatt heraussuchen. Wenn DU Hilfe bei der Fehlersuche brauchst, ist das DEINE Arbeit und ich erwarte, dass du das Ergebnis nachvollziehbar präsentierst. Ich sehe keine Transistortype, keine Stromverstärkung, keine tatsächlichen Widerstandswerte, keine gemessenen Kapazitäten, keine Spulengüte, keine gemessene ESR der Kondensatoren.

Zu allen Bauelementen dieser Minischaltung braucht es die tatsächlich gemessenen Werte und Parasitärwerte in ZAHLEN, genau so wie die gemessenen Eigenschaften der Gesamtschaltung, wie tatsächliche Versorgungspannung, Stromaufnahme, Arbeitspunkt, Basissignal, Ausgangssignal, ... . Das muss vollständig un KOMPAKT zusammen gefasst werden. Der Verweis auf verstreut liegende Informationen ist kontra produktiv. Fehlersuche, heisst unter Anderem, Übersichtlichkeit zu schaffen.

Du schreibst: "Wie hier beschrieben, liegen sie in der gleichen Größenordnung wie bei den Modellen."
Und das ist deine Überzeugung. Die ist hier irrelevant und bei der Fehlersuche hinderlich. Fehlersuche funktioniert nur, wenn man bereit ist, sich von den eigenen Überzeugungen zu lösen, den diese sind es ja, die zu dem Fehler geführt haben.

 

[Frank]

Hallo, vielen Dank für Dein Interesse!

Den ersten Aufbau incl. Spule und Serien-Kondensator habe ich nicht mehr.
Für den zweiten wickelte ich diverse Spulen, um die Schaltung mit verschiedenen Frequenzen auszuprobieren. Spule und Kondensator sind also neu. In allen anderen Punkten entspricht die Schaltung nun dem Original mit BF199. Der Folienkondensator parallel zur Betriebsspannung ist nicht in der Simulation; er hat aber auch keinen Einfluß auf die Höhe des Ausgangssignals.

Die neue Spule hat 39,3 µH, ihre Parallelkapazität ist 30 pF, der ohmsche Widerstand ist 0,19 Ohm. Wie gewünscht, rechne ich Dir die Güte aus: Q = ωL / R = 4380.
Die gemessenen Spannungen sowie die gemessenen Bauteilewerte stehen in der asc-Datei.
Den ESR der Kondensatoren im pF-Bereich kann ich mit meinen Hausmitteln nicht zuverlässig ermitteln; er ist auch nicht in deren Datenblättern angegeben. Man findet ihn eher bei Elkos. Wozu brauchst Du den ESR?
IMO ist der Verlustfaktor wesentlicher. In Datenblättern von WIMA-Folienkodensatoren <= 1000 pF ist der Verlustfaktor bei 1 MHz mit <= 1% angegeben. Das Extrapolieren willst bestimmt Du übernehmen.
Gesamtstromaufnahme = 0,9mA
Bei meinen verstreuten Angaben ging es lediglich um eine Stromverstärkung, auf die ich sogar verlinkt hatte. Aber hier nochmal: Die gemessene Stromverstärkung des BF199 ist 134, die Stromverstärkung im Modell ist 122,5.

Achja, sag' bitte früh genug Bescheid, wenn es Dir zuviel wird, diese Angaben zu finden, obwohl Du ja bestimmt diesen übersichtlichen Thread aufmerksam durchgelesen hast. Ich möchte Dich da nicht zu sehr belasten.

Hier sind die gewünschten Bilder der Platine mit der neuen Spule. Falls Du noch mehr brauchst, laß es mich bitte wissen:


Und hier sind die Bauteilebezeichnungen:

Du schreibst: "Wie hier beschrieben, liegen sie in der gleichen Größenordnung wie bei den Modellen."
Und das ist deine Überzeugung. Die ist hier irrelevant und ... die zu dem Fehler geführt haben.

Falls ich von Dir Beurteilungen oder Ratschläge für meine Arbeitsmethodik benötige, werde ich mich einfach bei Dir melden. Okay?

Gruß, Frank

 

[Simulateur]

Hallo Frank,

der folgende Satz macht mich nachdenklich:

Falls ich von Dir Beurteilungen oder Ratschläge für meine Arbeitsmethodik benötige, werde ich mich einfach bei Dir melden. Okay?

Willst du mir denn vorschreiben, in welcher Form ich mich zu äussern habe? Das würde ich doch etwas abwegig finden.

Und da wir schon bei der Metakommunikation sind: Ich werden nicht für dich die Fehlersuche machen. Kostenlose Fehlersuche nach Anweisungen habe ich grad nicht im Angebot. Ich schau mir lediglich ein paar Sachen an, die mich interessieren, es ist nämlich meine Freizeit, in der ich mich mit deinem Thread beschäftige.

Wenn mir aber an der Arbeitsmethodik DEINER Fehlersuche etwas auffällt, dann bin ich bereit, dir ein Feedback zu geben. Das kann Ratschläge beinhalten und das kann meine Beurteilungen beinhalten, ob etwas zielführend ist, oder nicht. Ursprünglich dachte ich, das wäre von dir gewünscht. In diesem Sinn habe ich versucht, dich zu unterstützen. Nach dem Satz von dir, den ich oben zitiert habe, scheinst du aber gerade das nicht zu wünschen. Auch das wäre für mich OK, dann unterlasse ich halt Kommentare zu deiner Fehlersuche und wünsche dir viel Erfolg dabei.

schönes Wochenende, Sim

 

[Frank]

Hallo,

schade, dabei hatte ich mir soviel Mühe gemacht. Daß es in die Richtung gehen würde, vermutete ich mir allerdings schon bei Deinem zweiten Beitrag.

Du schreibst: "Wie hier beschrieben, liegen sie in der gleichen Größenordnung wie bei den Modellen."
Und das ist deine Überzeugung. Die ist hier irrelevant und bei der Fehlersuche hinderlich. Fehlersuche funktioniert nur, wenn man bereit ist, sich von den eigenen Überzeugungen zu lösen, den diese sind es ja, die zu dem Fehler geführt haben.

Bei einem Unterschied zwischen B = 122,5 und B = 134 wird jeder, der ein wenig elektronisches Verständnis hat, zur Einschätzung "gleiche Größenordnung" kommen.
Falls Du anderer Ansicht bist, hätte ich einen Grund dafür erwartet; z.B. "die Verstärkung kann bei anderen Arbeitspunkten niedriger sein" oder "aus dem und dem Grund muß B mindestens 139,1208 sein", aber keine unbegründete Belehrung.

Zur "Fehlersuche" fordere ich niemanden auf. Genau wie im 1. Beitrag geschrieben, erhoffe ich mir Hinweise auf den Grund für den Unterschied zwischen Simulation und Praxis, so wie spicer und Udo sie mir gaben. Genau solche Tips helfen weiter. Auch wenn sie nicht direkt zur Lösung führen, so helfen sie doch, diese einzukreisen.

Ok, trotzdem danke für Deine Beiträge, immerhin habe ich ja jetzt alle Parameter der Schaltung veröffentlicht. Vielleicht fällt ja dem einen oder anderen noch etwas auf.

Gruß, Frank