Sperrschwinger

Der Sperrschwinger ist ein rückgekoppelter Kippschwingungsgenerator^[1], der als eine mit einem Übertrager ausgestattete^[1] elektrische Oszillatorschaltung zur Erzeugung von Impulsen verwendet wird. Er besteht in der einfachsten Form nur aus einer magnetisch gekoppelten Doppelspule bzw. einem Impulstransformator und einem verstärkenden Bauelement wie einem Transistor, früher auch Elektronenröhre. Unterschieden wird zwischen Sperrschwingern, die selbstschwingend betrieben werden oder werden können, und solchen, die einmalig oder periodisch ausgelöst werden. Namensgebendes Merkmal ist der nichtlineare Betrieb des verstärkenden Elements am Übergang in den Sperrbereich (z. B. Sperrspannung der Elektronenröhre).

Allgemeines

Durch die Wahl der Bauelementparameter lassen sich die zeitlich oft kurzen Nadelimpulse in einem sehr weiten Bereich von Tastverhältnis und Periodendauer wählen. Die elektrische Auskopplung des Impulssignals kann über den Impulstransformator mittels einer zusätzlichen Wicklung erfolgen. Die Schwingungsneigung wird durch eine positive Rückkopplung über den Impulstransformator realisiert.

Je nach Schaltungsvariante kann der Sperrschwinger auch zur Erzeugung von Kippschwingungen als Form des Ausgangssignals genutzt werden. Da die Sägezahnschwingung alle Oberwellen der Grundfrequenz enthält, wurde dieser Oszillatortyp vor allem zur Tonerzeugung in älteren elektronischen Orgeln eingesetzt.

Anwendungsbereiche

Elektrische Uhren

Elektronisches Uhrwerk mit Sperrschwinger

Sperrschwinger in einer Uhrenschaltung

Bei dem technologischen Übergang Mitte des 20. Jahrhunderts von mechanischen Uhrwerken hin zu den heute üblichen Quarzuhren gab es am Markt auch elektronische Uhren, welche einen Sperrschwinger als Antriebsvorrichtung besaßen. Im Gegensatz zu Quarzuhren mit Uhrenquarz, wo die elektronische Schaltung für sich eine entsprechend genaue Zeitbasis darstellt und die Uhrenmechanik nur noch zur Bewegung der Zeiger dient, dient die elektronische Schaltung in diesem Fall nicht dazu, die Ganggenauigkeit der mechanischen Uhr zu verbessern, sondern nur dazu, den mechanischen Energiespeicher zu ersetzen. Der Energiespeicher ist notwendig, um unter anderem Reibungsverluste im Uhrwerk auszugleichen.

Bei rein mechanischen Uhren besteht die Antriebsvorrichtung samt dazugehörigem Aufzug üblicherweise aus einem Federspeicher. Durch Ersatz mit einem elektrischen Antrieb und elektrischen Energiespeicher, bestehend aus der Schaltung des Sperrschwingers und eines Energiespeichers wie beispielsweise einer Batterie, können so längere Betriebszeiten der Uhr erreicht werden. Ein „Aufziehen“ des Federspeichers wie bei mechanischen Uhren nach meist nur wenigen Tagen entfällt. Zudem gibt es keine mechanisch stark beanspruchte Ankerhemmung, was die Standzeiten erhöht. Die Ganggenauigkeit wird, wie bei mechanischen Uhren, durch mechanische Vorrichtung an der Unruh eingestellt.

Der Sperrschwinger stellt bei dieser Anwendung elektrisch keine für sich eigenständige Oszillatorschaltung dar, sondern wird erst durch das Zusammenspiel des mechanischen Uhrensystems mit der elektronischen Schaltung als ein gesamtes elektromechanisches System schwingungsfähig. Die Unruh ist mit einem Dauermagneten hoher Koerzitivfeldstärke versehen, welcher unmittelbar neben zwei magnetisch gekoppelten Luftspulen L1 und L2 angebracht ist. Die Spulen werden von einem Bipolartransistor T, wie in nebenstehender Schaltskizze angegeben, angesteuert. Zur Vermeidung zu großer Amplituden an der Unruhe befindet sich in dieser neben den Dauermagneten zusätzlich eine Wirbelstrombremse. Um den elektromechanischen Oszillator in Schwingung zu versetzen, beispielsweise nach einem Batterietausch, muss durch eine mechanische Vorrichtung die Unruh mit einem mechanischen Impuls in Bewegung versetzt werden.^[2]

Der Kondensator C stellt die ungefähre Arbeitsfrequenz des Sperrschwingers, je nach Modell verschieden, auf ca. 2 Hz bis ca. 5 Hz ein. Das System ist mechanisch so ausgerichtet, dass durch das Zusammenwirken mit dem Permanentmagneten der Unruh kurz vor dem Nulldurchgang (Ruhelage) ein kurzer Antriebsimpuls vom Sperrschwinger aus geht, was bis zur Erschöpfung der Batterie die Bewegung der Unruh gewährleistet. Üblicherweise wird diese Variante von Sperrschwinger von einer Mignonzelle mit einer Spannung von 1,5 V versorgt.

Synchronisierter Oszillator

Sperrschwinger als Frequenzteiler 1:2 in einem Tongenerator einer elektronischen Orgel, mit den RC-Gliedern wird die Frequenz grob eingestellt

Sperrschwinger lassen sich durch Einkopplung eines anderen Impulssignals so synchronisieren, dass sie mit derselben Frequenz (s. u. bei Fernsehanwendung) oder in einem festen Frequenzverhältnis zum Eingangssignal (Frequenzteiler) schwingen.

So wurden sie in älteren Fernsehgeräten zur Erzeugung der Kippschwingungen für Vertikal- und Horizontalablenkung benutzt, synchronisiert durch die Synchronimpulse im empfangenen Fernsehsignal. In der Horizontalstufe wurde der Sperrschwinger allerdings bald durch Schaltungen ersetzt, die eine höhere Sicherheit der Synchronisation mit der senderseitigen Kippschwingung erlauben (sogenannte Schwungradsynchronisation).

In älteren elektronischen Orgeln (z. B. Dr.-Böhm-Orgel^[3]) wurden sie mit dem Verhältnis 1 zu 2 als Frequenzteiler zur Tongeneration eingesetzt.

Radartechnik

Schaltbild eines triggerbaren Sperrschwingers

Selbstschwingende Sperrschwinger wurden in alten Radargeräten als Generator für die Impulsfolgefrequenz verwendet.

Getriggerte Sperrschwinger wurden als Frequenzteiler im Verhältnis von 1 zu 2 bis 1 zu 5 zum Beispiel für die Erzeugung von Entfernungsmarken bei Radargeräten genutzt.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} HANDBUCH FÜR HOCHFREQUENZ- UND ELEKTRO-TECHNIKER, V. BAND, Fachwörterbuch mit Definitionen und Abbildungen. VERLAG FÜR RADIO-FOTO-KINOTECHNIK GMBH, Berlin-Borsigwalde 1957/1970.
2. ↑ Junghans ATO-Mat, techn. Beschreibung
3. ↑ Dr. Rainer Böhm, Elektronische Orgeln und ihr Selbstbau, RPB 101/102, Franzis-Verlag, München, 1963, 1973