Oszillator

Anfachen einer ungedämpften Schwingung durch Rückkopplung

Ein Oszillator ist ein schwingungsfähiges System. Dies bedeutet, dass es eine üblicherweise zeitliche Oszillation seiner Zustandsgrößen ermöglicht. Oszillation bedeutet, dass eine fortwährende Veränderung zwischen zwei Zuständen, oder um einen zentralen Punkt stattfindet, der meist der Ruhelage des Systems entspricht.^[1]

Oszillatoren findet man überwiegend in der Elektrotechnik bzw. Elektronik und der Mechanik. Jedoch sind Systeme mit periodischem Verhalten auch aus anderen Bereichen technischen Zeitsystemen (Astrometrie, Navigation, GNSS- und GPS-Empfänger und andere Bereiche physikalischer und Labor-Zeitmessung), in der Chemie, in der Biologie und in der Soziologie^[2] bekannt.

Schwingungen mechanischer oder elektrischer Systeme sind ohne zusätzliche Maßnahmen stets gedämpft. Das bedeutet, dass die Amplitude der Schwingung mit der Zeit abnimmt, wenn aktiv keine Energie von außen zugefügt wird. Ein Oszillator besitzt daher immer eine Einrichtung zur Zuführung von Energie. Dies kann beispielsweise durch mechanische Kraft, wie bei einem Uhrwerk, oder durch elektrische Spannung geschehen.

Wenn sich das Verhalten des Oszillators mit Differentialgleichungen beschreiben lässt, ist es mathematisch gesehen ein Dynamisches System. Ein solches System bezeichnet man dann als Oszillator, wenn es einen stabilen Grenzzyklus besitzt.^[3] Einen Zustand, bei dem ein Grenzzyklus erreicht ist, nennt man eingeschwungener Zustand. In einem solchen Zustand ist die Schwingung des Oszillators notwendigerweise periodisch.

Oszillatoren in der Physik

Ein Grenzzyklus ist wahlweise attraktiv oder Ljapunow-stabil. Ersteres gilt für Systeme, deren Energie sich einem Grenzwert annähert, letzteres für Systeme, deren Energie erhalten ist. Energieerhaltung bedeutet, dass bei einer Bewegung entlang eines geschlossenen Weges keine Arbeit verrichtet wird. Diese Systeme nennt man konservativ.

Das Kraftfeld eines konservativen Systems lässt sich durch ein Potential beschreiben. Ein vielfach verwendetes Modell ist daher ein Teilchen, das sich in einem Potential bewegt. Diese Art von Problemen lassen sich häufig näherungsweise mit dem Modell des harmonischen Oszillators beschreiben. Wie sich an dem Modell des dynamischen Billards oder des Hénon-Heiles-Potentials sehen lässt, müssen jedoch nicht alle konservativen Systeme einen stabilen Grenzzyklus besitzen und somit ein Oszillator sein.

Oszillatoren in der Elektronik

Ein Oszillator ist eine Baugruppe zur Erzeugung von ungedämpften elektrischen Schwingungen. Er setzt Gleichleistung in Wechselleistung um und kann aus einem einzelnen selbstschwingenden Bauteil oder aus mehreren Bauteilen bestehen, die zu einer Oszillatorschaltung zusammengefügt werden. Diese Bauteile müssen damit eine Verstärkung > 1 haben (Ausgangsamplitude größer als Eingangsamplitude) und verstärken die Amplitude des Schwingungssignals, bis eine physikalische Begrenzung seiner Verarbeitungs-Leistung eintritt. Dies dämpft letztendlich die Amplitude zu einem stabilen Ausgangssignal.

Anforderungen an Oszillatoren sind Konstanz des Ausgangssignals in Frequenz und Amplitude, Belastungsunabhängigkeit, wenn Leistung in nachfolgend verarbeitende Schaltungen abgeführt wird, eine geringe Temperaturabhängigkeit und in Sonderfällen ein hoher Wirkungsgrad (dies widerspricht den Anforderungen an sehr hohe Frequenz- und Amplitudenkonstanz).

Ein Oszillator enthält immer frequenzbestimmende Bauteile, eine Begrenzungsschaltung der Amplitude und einen negativen differenziellen Widerstand. Dieser wird entweder durch einen rückgekoppelten Verstärker oder durch ein Bauelement mit negativem differenziellen Widerstand wie beispielsweise eine Tunneldiode oder Lambda-Diode realisiert.

Die Amplitudenbegrenzung geschieht entweder/oder:

am Eingang des Verstärkers (bei Bipolartransistoren an der Basis-Emitter-Diode) → weiche Begrenzung
am Ausgang des Verstärkers (maximale Aussteuerung der Stufe/Betriebsspannung) → harte Begrenzung

Die frequenzbestimmenden Bauteile können sein:

LC-Glieder (Serien- oder Parallelschwingkreise)
RC-Glieder
Leitungen
Schwingquarze, Keramikfilter, Keramikresonatoren
Hohlraumresonatoren
Oberflächenwellen-Filter
YIG-Filter
MEMS-Oszillatoren.

ausgewählte Beispiele

mechanisch

elektronisch

optisch

Laser

Weblinks

Wiktionary: Oszillator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

↑ oscillate: definition of oscillate in Oxford dictionary (British & World English)
↑ Niklas Luhmann, Organisation und Entscheidung (Opladen [u.a.]: Westdt. Verl., 2000). S.224
↑ Periodic Orbit - Scholarpedia

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[1] scillate: definition of oscillate in Oxford dictionary (British & World English)

[2] Niklas Luhmann, Organisation und Entscheidung (Opladen [u.a.]: Westdt. Verl., 2000). S.224

[3] Periodic Orbit - Scholarpedia

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