Der Selbstbau von Funkgeräten mit kleinen Sendeleistungen

4. Kapitel Schaltungen und Technik von Sendern für QRP

Teil 4 - Autor: Peter Rachow Home


4.7 Senderverstärker und Leistungssender

4.7.1 Theoretische Grundlagen
 
Nach der Sendefrequenzaufbereitung, also dem Oszillator oder dem Sendermischer, schließt sich der eigentliche Sendeteil an. Er besteht aus Vorverstärker, Vortreiber, Treiberstufe und Endstufe. Wieviel dieser Stufen man benötigt, hängt von der gewünschten Ausgangsleistung der Gesamtschaltung ab. Bei QRP-Sendern mit einer maximalen Ausgangsleistung von 10 W reichen wenige Stufen (max. 4).
 
4.7.2 Die Anzahl der Senderstufen
 
Wenn Sie einen Sender konstruieren wollen, müssen Sie zuerst ungefähr festlegen, welche Leistung die Schaltung später abgeben soll. Davon hängt nämlich die die Anzahl der Senderstufen und die Auswahl der Transistoren (weitere Hinweise siehe Kapitel 2, Thema "Transistoren") ab, die in die jeweilige Stufe eingebaut werden sollen. Für jeden Transistor geben die Hersteller die Verstärkung an, so daß ein ungefährer Richtwert vorliegt. Für Sender mit kleiner Leistung können Sie pro Senderstufe eine Leistungsverstärkung zwischen dem Faktor 8 und 12 (entsprechend 9 bis 11 dB) erwarten, was allerdings nicht für Gegentaktstufen gilt. Hier ist die Leistungsverstärkung um einiges höher, weil ja 2 Transistoren die Verstärkung der Stufe gemeinsam erzeugen.
 
Bei der Konstruktion von Sendern mit Transistoren haben sich 2 völlig verschiedene Konstruktionsverfahren entwickelt. Das erste beginnt den Sender von der letzten Senderstufe, der PA, her aufzubauen. Anschließend die Treiberstufen und schließlich den Oszillator oder den TX-Mischer. Dieses Verfahren wird z.B. in DeMaws "QRP-Notebook" vorgeschlagen. Im Gegensatz dazu hält er Verfasser diese Vorgehensweise jedoch für Amateure für nicht ohne weiteres anwendbar. Wenn man nämlich mit den hinteren Leistungsstufen beginnt, hat man keine Möglichkeit, den Sender während der Konstruktion stufenweise zu testen. Wenn dann endlich der Oszillator angeschlossen ist, und der Sender zum ersten Mal komplett betrieben wird, kann man unter Umständen unangenehme Überraschungen erleben. Einzelne Stufen oder die ganze Schaltung fangen plötzlich an, ein reges Eigenleben zu entwickeln (siehe Thema "Selbsterregung"). Wenn man eine komplette Konstruktion vor sich auf dem Tisch liegen hat, sind diese "wilden" Schwingungen nur sehr schwer in den Griff zu bekommen. Es wird daher empfohlen, erst mit dem Steuersender zu beginnen und anschließend die Leistungsstufen aufzubauen.
 
4.7.3 Die Senderleistung und ihre Verteilung auf die einzelnen Senderstufen
 
Wie bereits erwähnt, kann man bei der Leistungsverstärkung, die mit jeder Senderstufe erzielbar ist, von bestimmten Beträgen (Verstärkung in dB) ausgehen. Diese ergeben sich durch den vom Hersteller angegebenen Transistorgewinn. Eine typische Leistungsverteilung in einem dreistufigen Sender mit einem Oszillator kann so aussehen:

(C) Peter Rachow 
(C) Peter Rachow
Abb. 42a Leistungsverteilung in einem Sender
 
Wenn man mit der Konstruktion des Oszillators beginnt, kann man nach dessen Fertigstellung an einem Lastwiderstand die HF-Spannung messen und die Ausgangsleistung errechnen. Danach muß der Transistor der folgenden Stufe bestimmt werden. Wenn man nämlich den vom Hersteller des Transistors angegebenen Verstärkergewinn mit der Eingangsleistung multipliziert, erhält man die zu erwartende Ausgangsleistung. Wenn man dann weiterhin kalkuliert, daß der Wirkungsgrad einer Senderendstufe (A-Betrieb) bei minimal 50 % liegt, so wird die entstehende Verlustleistung in etwa gleich der ausgerechneten erwarteten Ausgangsleistung. Also muß der Transistor dieser Folgestufe mindestens für die 2 bis 3 fache Verlustleistung ausgelegt sein, die dem errechneten Wert entspricht.
 
Ein Beispiel für die Auslegung eines dreistufigen Senders und die Verteilung des Verstärkungsgewinnes auf die Senderstufen:
 

Stufe

Leistung der Stufe

dB

Transistortyp

PV max.

Oszillator

50 mW

---

2 SC 829

250 mW

Treiber

500 mW

10

2 SC 1957

750 mW

Endstufe

5W

10

2 SC 1307

25 W

 
4.7.4 Die Schaltungstechnik der Senderstufen
 
Die im Kapitel 3 gemachten Ausführungen über HF-Verstärker gelten natürlich auch für die Leistungsstufen eines Senders. Man kann selektive, schmalbandige und gemischte Senderschaltungen unterscheiden. Die SSB-Sender dieses Buches sind vorwiegend breitbandig konzipiert. Dies ist daran zu erkennen, daß als Kopplungsglieder zwischen den einzelnen Senderstufen Breitband-HF-Übertrager eingebaut sind.
 
Beginnen wir mit den Verstärkerstufen, die sofort nach dem Oszillator oder Sendermischer angeordnet sind, den HF-Vorverstärkern. Auf dieser Ebene wird noch mit sehr kleinen Leistungen gearbeitet. Die Eingangsleistung dieser Stufen liegt zwischen 1 und 50 mW. Letztere werden bei Oszillatoren erreicht, die für höhere Leitungen ausgelegt sind. Bei den meisten Mischern kann man dagegen nur Ausgangs-leistungen im Bereich unter 10 mW erwarten.
 
Sehen wir uns ein Beispiel für einen HF-Vorverstärker in einem Breitbandsender an:

(C) Peter Rachow 
Abb 42b: Vorverstärkerstufe für Breitbandsender
 
Die Schaltung arbeitet im A-Betrieb. Am Eingang der Stufe liegt entweder ein Oszillator oder das Bandfilter eines Sendermischers. Die Eingangsleistung darf in keinem Fall 10 mW überschreiten, weil sonst das Ausgangssignal der Verstärkers verzerrt wäre. Der Verstärker arbeitet mit einer Emitterstromgegen-kopplung (Widerstand 56 nicht durch C überbrückt) um die Linearität der Stufe zu verbessern. Dr ist eine Universal-HF-Drossel mit einem ausreichend hohen XC (R > 500) für die niedrigste Betriebsfrequenz der Breitbandstufe.
 
Als nächstes betrachten wir eine typische Treiberstufe, ebenfalls im A-Betrieb angesteuert:
 
(C) Peter Rachow
Abb. 42c: Treiberstufe im A-Betrieb
 
Diese Stufe schließt mit einem HF-Transformator T ab. Solch ein Transformator ist meistens als Breitband-Ringkernübertrager ausgeführt. Genaue Hinweise zur Herstellung solcher Übertrager gibt der folgende Abschnitt "Kopplung von Senderstufen". Ansonsten enthält die Schaltung keine Neuerungen.
Der Emitterwiderstand entscheidet den Stromfluß über die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors Tr. Wenn man eine höhere Ausgangsleistung wünscht, kann er bis auf 5 verkleinert werden. Niedriger sollte der Wert allerdings nicht sein, weil sonst die Stufe thermisch nicht mehr ausreichend stabil ist.
 
Und zum Schluß eine Endstufe:
 
(C) Peter Rachow
Abb. 42d: Eintaktendstufe für SSB-Betrieb
 
Tr ist ein HF-Leistungstransistor auf einem Kühlkörper. Die Endstufe ist für SSB-Betrieb gedacht und ergibt einen Verstärkungsgewinn in der Größe von 8 bis 10 dB. T1 und T2 sind Breitband-HF-Übertrager.
 
T 1 wird auf einen Ringkern Amidon FT 50-43 gewickelt. Er erhält primärseitig 16 Windungen 0,4 mm Kupferlackdraht. Sekundär 8 Windungen. Das genaue Übertragungsverhältnis muß experimentell ermittelt werden.
T 2 ist ein Aufwärtstransformator auf Kernt FT 50-43 mit primär 8 Windungen, sekundär 10 bis 12. Die Ausgangsimpedanz ist 50 . Die Ausgangsleistung liegt bei ca. 2 Watt.
 
Der Kondensator Cp dient zur Abstimmung des Ausgangskreises und wird experimentell bestimmt. Die Endstufe wird auf maximale Signalamplitude abgeglichen. Richtwerte für Cp sind 82 pF bis 1nF, abhängig von der Betriebsfrequenz der Stufe.
 
4.7.5 Kopplung der Senderstufen und Impedanzanpassung
 
Die HF-Energie, die vom Oszillator oder einer sonstigen Senderstufe produziert wird, wird in den nachfolgenden Verstärker eingespeist. Es gibt verschiedene Kopplungsverfahren, um die HF-Energie von einer Stufe zur folgenden zu übertragen.
 
Man kann Senderstufen
 
- induktiv (mit HF-Breitbandtransformatoren)
- kapazitiv (mit Kondensatoren oder kapazitiven Spannungsteilern)
- mit Netzwerken aus Spulen und Kondensatoren (PI-Filter, L-Netzwerk)
koppeln.
 
Bei allen Ankoppelverfahren muß die impedanzrichtige Auslegung des Koppelgliedes beachtet werden. Wenden wir uns daher erst dieser Problematik zu, denn sie wurde bis zu diesem Punkt im Buch nicht direkt angesprochen. Wer aber etwas tiefer in die Konstruktion von Transistorsendern einsteigen will, muß sich zwangsläufig mit dem Thema Anpassung befassen, wenn er gut funktionierende Senderschaltungen bauen will.
 
Was bedeutet "Anpassung". Dieser Begriff ist eine Kurzform und meint eigentlich "Impedanzanpassung". Wenn Sie noch nicht genau wissen, was unter "Impedanz" zu verstehen ist, sehen Sie bitte im Kapitel mit Erläuterungen am Buchende nach. Eine schematische Darstellung und die nötige Transformation von Impedanzen zeigt nachfolgende Abbildung. Die Schaltung der notwendigen Impedanzübertrager an Ein- und Ausgang einer Senderstufe kann man sich so vorstellen:
 
(C) Peter Rachow
(C) Peter Rachow
Abb. 43a Impedanzen an einer Senderstufe mit HF-Transformatoren T 1 und T 2.
 
T1 transformiert die äußere Impedanz am Eingang der Stufe auf den Wert der Impedanz an der Basis des Transistors. T 2 tut das gleiche im Kollektorkreis.
 
Es ist erforderlich, über die Impedanzen an Ein- und Ausgang der Senderstufe recht genau informiert zu sein. Die Ausgangsimpedanz einer Senderstufe ist vergleichsweise leicht zu berechnen. Sie ergibt sich aus der Leistung und der Betriebsspannung der Stufe. Es errechnet sich die Ausgangsimpedanz einer Senderendstufe zu
(C) Peter Rachow
 
Anwendbar für Stufen im A-Betrieb (ca. 50% Wirkungsgrad). Für U wird die Betriebsspannung angenommen, PAus ist die Senderausgangsleistung der betreffenden Senderstufe, PEin die Eingangsleistung. Wenn lediglich die Ausgangsleistung bekannt ist, gilt nur der rechte Teil der Gleichung.
 
Die Eingangsimpedanz einer Senderstufe dagegen läßt sich nur schwer exakt kalkulieren, weil viele Faktoren, die in die Gleichung eingehen, nicht bekannt sind. Man ist deshalb auf Schätzungen angewiesen. Die Impedanzen am Eingang bewegen sich bei Leistungsstufen (P > 200 mW) durchweg im Bereich unter 50 , bei Stufen mit einer Eingangsleistung über 5 W unter 2 . Je höher die Eingangsleistung wird, desto geringer wird die Eingangsimpedanz, weil der Basisstrom ansteigt und die Basisspannung konstant bleibt.
 
Warum Anpassung der Impedanzen? Wie Sie sicher wissen, müssen bei der Übertragung elektrischer Energie  von einem Erzeuger (Generator) zu einem Verbraucher (Abnehmer) die Impedanzen beider gleich groß sein. Das bedeutet, daß Spannung und Strom dieselben Verhältnisse haben müssen. Nur dann kann die gesamte Energie des Generators übertragen werden. Wenn die Impedanzen unterschiedlich sind, wird ein Teil der Energie in den Generator reflektiert und dort in Wärme umgewandelt. Das bekannteste Beispiel für diesen Sachverhalt sind Antennen. Wenn die Impedanz der Antenne nicht mit der des Senderausgangs übereinstimmt, fließt ein Teil der Energie wieder in die Endstufe des Senders zurück und wird dort in Form von Wärme abgestrahlt.
 
Das gleiche Prinzip gilt für die Kopplung der Senderstufen in mehrstufigen Sendern. Ein Beispiel: Eine Treiberstufe erzeugt Sendeenergie, die sie in die Endstufe einspeist. Wenn die Ausgangsimpedanz der Treiberstufe von der Impedanz am Eingang der Senderendstufe abweicht, so tritt hier das Problem auf, daß ein Teil der erzeugten Energie gar nicht erst zur Endstufe gelangt, sondern in die Treiberstufe reflektiert wird. Um eine optimale Übertragung der Sendeenergie von einer Stufe des Senders zur folgenden zu gewährleisten, ist es also nötig
 
a) sowohl die Impedanzen (am Ein- und Ausgang der Stufe) zu kennen, als auch
b) über Möglichkeiten zu verfügen, diese Impedanzen im Bedarfsfall anzupassen.
 
Es gibt verschiedene Verfahren, eine impedanzrichtige Übertragung der Sendeenergie zwischen den einzelnen Verstärkerstufen zu erzielen. Betrachten wir die wichtigsten:
 
- induktiv (mit HF-Breitbandtransformatoren)
- kapazitiv (mit Kondensatoren oder kapazitiven Spannungsteilern)
- mit Netzwerken aus Spulen und Kondensatoren (PI-Filter, L-Netzwerk)
 
4.7.6.1 Impedanztransformation mit Breitbandübertragern (induktive Kopplung)
 
Ein häufig angewandtes Verfahren zur Impedanztransformation haben Sie bereits in Form des Transformators kennengelernt. Es wird auch in Abb. 43b gezeigt.
 
(C) Peter Rachow
Abb 43b Induktive Kopplung und Impedanztransformation
 
Erinnern wir uns: Ein Transformator setzt sowohl Ströme als auch Spannungen auf andere Werte um. Die Spannungen stehen im proportionalen Verhältnis der Windungszahlen, die Ströme verhalten sich umgekehrt proportional. Wie verhalten sich aber die Quotienten (R=U/I), also die Impedanzen? Eine einfache Beispielrechnung soll dies erklären.
 
Ein Transformator in einem einfachen Beispiel hat ein Windungszahlenverhältnis von Primär- zu Sekundärwindung von 1 : 2. Daraus folgert, daß die Sekundärspannung doppelt so hoch ist, wie die Primärspannung:
 
(C) Peter Rachow    (Gl. 1)
 
Der Sekundärstrom ist dagegen nur halb so groß, weil die Leistungen auf beiden Seiten des Trafos in der Theorie gleich sind:
(C) Peter Rachow                    (Gl. 2)
 
Die Impedanz auf der Primärseite ergibt sich zu
(C) Peter Rachow                   (Gl. 3)
 
Die Impedanz auf der Sekundärseite errechnet sich zu
 
                 (Gl. 4)
 
oder wenn man Gl 1 und Gl 2 in Gl. 4 einsetzt:
(C) Peter Rachow
Somit ist
(C) Peter Rachow
 
Der Faktor 4 ergibt sich demnach als Produkt von 2². Die Impedanzverhältnisse auf der Primär- und Sekundärseite verhalten sich folglich wie die Quadrate (bzw. die Quadratwurzel bei der Rückrechnung) der Windungszahlenverhältnisse. Will man eine Verdoppelung der Impedanz auf der Sekundärseite (Faktor 2) benötigt man 2 soviele Windungen.
 
Wenn, was in der Praxis häufiger vorkommt, ein Windungszahlenverhältnis gesucht ist, löst man die Gleichung nach nprim./nsek. auf:
 
(C) Peter Rachow
 
4.7.6.2 Die Auswahl des Kernmaterials
 
Nachfolgende Zeilen beziehen sich nur auf Ringkernübertrager.
 
1.) Es muß ein für die Frequenz des Senders geeignetes Kernmaterial ausgewählt werden. Siehe dazu die Frequenzbereiche von Kernmaterialien im Kapitel 2. Bei Breitbandsender sollte der gesamte  Frequenzbereich in den für den Kern zugelassenen Bereich fallen.
 
2.) Die Kerngröße muß der HF-Leistung angemessen sein, die die Stufe erzeugen soll. Informationen enthält ebenfalls Kapitel 2. Der Kerndurchmesser darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, weil sonst der magnetische Fluß im Kern zu groß wird, und er in die Sättigung eintritt. Dies führt zu einer Veränderung der magnetischen Eigenschaften, also zu einem Funktionsverlust des Übertragers.
 
3.) Die Windungszahlen müssen errechnet werden. Siehe dazu den übernächsten Abschnitt.
 
Als Kerne für diese Breitbandübertrager verwendet der Verfasser im KW-Bereich (3--30 MHz) das Material FT xx-43 mit einer Permeabilität von u = 850. Die Anzahl der Windungen hängt von der Frequenz ab. Je höher die Frequenz, desto geringer muß die Anzahl der Windungen sein. Für die Primärwindungen der meisten Standard-HF-Transformatoren gelten ungefähr folgende Richtgrößen (für Kerne FT 37-43 und FT 50-43):
 
f = 7 MHz: 20 Wndg.
f = 14 MHz 14 Wndg.
f = 28 MHz: 8 Wndg.
 
Wenn man keine Ferrit- sondern Eisenpulverkerne verwendet, muß man die Anzahl der Windungen erhöhen, weil die Permeabilitäten des Materials andere Werte haben. Die Kerne geraten aber nicht so schnell in die Sättigung. Für KW ist das Material 2 (rot) gut geeignet.
 
Bei der Verwendung von anderem Material als FT xx-43 kann man die obigen Richtzahlen nicht benutzen. Für die Ermittlung einer Windungszahl bei gegebener Frequenz geht man folgendermaßen vor:
 
Man geht von der Annahme aus, daß der Wechselstromwiderstand der Spule um einiges größer sein muß, als die Ausgangsimpedanz der Stufe, etwa um den Faktor 3 oder 4. Wenn man den Ausgangswiderstand des Verstärkers berechnet hat, benötigt man den AL-Wert des verwendeten Kerns. Jetzt wird die Induktivität der Spule bestimmt.
 
Beispiel: Eine Senderstufe (ausgelegt für 14 MHz) hat eine Ausgangsleistung von 1 W und wird mit 12 V betrieben. Die Ausgangsimpedanz errechnet sich zu:

(C) Peter Rachow= 12² V²/ 2 W = 72 
 
Als Wechselstromwiderstand der Transformatorwicklung ergibt sich jetzt ein Wert
 
Z = 72 4 Ohm = ca. 300 Ohm
 
Die Induktivität einer Spule, die bei 14 MHz einen Wechselstromwiderstand von 300 hat, beträgt:
 
(C) Peter Rachow

nach L aufgelöst
(C) Peter Rachow
 
Die Induktivität der Spule wäre also gefunden.
 
Nun soll ein Transformator auf einem Kern T 50-2 (Eisenpulvermaterial rot) gewickelt werden. Der AL-Wert dieses Materials ist annäherungsweise 50 (H pro 100 Wndg.)
 
Für ca. 6 H benötigt man also
(C) Peter Rachow
 
Es werden also 25 Windungen auf der Primärseite des Transformators benötigt.
 
Die Sekundärwindungszahl berechnet sich anschließend nach der vorher abgeleiteten Verhältnisgleichung. Leider ist die Anfertigung dieser HF-Transformatoren für den Amateur fast ausschließlich eine Experimentierarbeit, weil man nicht alle Größen in den Verstärkerstufen kennt. Man sollte also die Experimente mit einem Übertrager beginnen, der nach dem weiter vorne beschriebenen Verfahren hergestellt wurde und einigermaßen an die erwarteten Verhältnisse angenähert ist. Anschließend kann man die Windungszahlen von Primär- und/oder Sekundärwindung geringfügig erhöhen oder vermindern, und die Ergebnisse auswerten.
 
Da diese Experimente nur am fertig aufgebauten Sender durchgeführt werden können, hat es sich bewährt, einen Transformator für Hochfrequenz nicht direkt mit seinen Spulendrähten in die Lochrasterplatte einzulöten. Viel empfehlenswerter ist es, Lötstifte in die Platine einzusetzen, und an diesen den Übertrager festzulöten. Wenn man das Teil jetzt wieder auslöten muß (und man muß in jedem Fall, denn es ist noch nie vorgekommen, daß ein Übertrager sofort beim ersten Versuch das richtige Windungszahlenverhältnis hatte) kann man ihn einfach an den Stiften in der Platine ab- und wieder anlöten.
 
Wie ermittelt man experimentell das richtige Windungszahlenverhältnis für einen Übertrager für Senderstufen?
 
Der erste Schritt besteht darin, einen ersten Versuchstrafo zu wickeln, wobei man sich über die ungefähr vorhandenen Impedanzen auf den beiden Seiten des Übertragers Gedanken gemacht haben sollte. Das vorher beschriebene Verfahren ist gut dazu geeignet. Ein Ausgangsübertrager im Kollektorkreis einer Senderstufe führt in aller Regel eine Abwärtstransformation der Impedanz um den Faktor 3 bis 9 durch. Nur bei Senderendstufen kann die Ausgangsimpedanz niedriger als die 50 des Koaxialkabel sein, erfordert also eine Aufwärtstransformation.
 
Es wird also ein Übertrager auf einen Ringkern gewickelt und eingebaut. Der Sender wird dann eingeschaltet, und man bestimmt die Ausgangsleistung. Anschließend wird probeweise ein ähnlicher Transformator mit etwas abweichendem Windungszahlenverhältnis eingesetzt. Der alte Transformator wird nicht zerstört. Wenn der neue nicht oder nicht richtig arbeitet, hat man etwas in der Hand, mit dem man weiterexperimentieren kann. Läßt sich nach dem Einbau des neuen Übertragers die Ausgangsleistung steigern, verändert man das Windungszahlenverhältnis weiter in diese Richtung. Ansonsten in der Gegenrichtung. Man kann unter Umständen gezwungen sein, längere Zeit zu experimentieren. Genau die richtige Beschäftigung für regnerische Nachmittage.
 
4.7.6.3 Kapazitive Kopplung
 
(C) Peter Rachow
(C) Peter Rachow
Abb. 43c Kapazitve Kopplung zwischen Senderstufen
 
Abb. 43c Bild 1) zeigt eine kapazitve Kopplung ohne Impedanztransformation. XC des Koppelkondensators bestimmt den Kopplungsgrad. Bild 2) zeigt eine Impedaztransformation über einen kapazitiven Spannungsteiler. Es gilt annäherungsweise:
(C) Peter Rachow
 
Hierbei muß aber noch die Ausgangskapazität des Transistors Tr 1 und die Eingangskapazität von Tr 2 mit einkalkuliert werden. Diese liegen den jeweiligen Kondensatoren parallel.
 
4.7.6.4 Impedanztransformation mit LC-Netzwerken: Das PI-Filter.
 
Eine weitere Möglichkeit, diese Impedanztransformation zwischen den Stufen eines Sender vorzunehmen, ist die Verwendung von Netzwerken aus Spulen und Kondensatoren. Das bekannteste Netzwerk ist das -Filter. Eine abgewandelte Form, bestehend nur aus einer Spule und einem Kondensator heißt L-Filter. 
 
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Sie sind noch da? Gut, sehen wir uns zuerst das -Filter und seine theoretischen Grundlagen an. Die allgemein bekannte Schaltung eines -Filters besteht aus 2 Kondensatoren und einer Spule (3-Elementfilter):

(C) Peter Rachow 
Abb. 44 3-Element--Filter
 
Das -Filter kombiniert mehrere elektrische Funktionen in einer Schaltung:
 
1.) handelt es sich einen Parallelresonanzkreis. Die Kapazität des Schwingkreises wird gebildet aus der Serienschaltung von C1 und C2. Die Resonanzfrequenz des -Filters ist also zu berechnen nach:
(C) Peter Rachow
 
2.) wirkt die Schaltung als Tiefpaßfilter. XL steigt proportional mit der Frequenz, XC fällt. Dies führt zu einer Abschwächung von HF-Spannungen mit hohen Frequenzen. Dadurch werden störende Harmonische (Oberwellen) unterdrückt.
3.) Der Quotient von (C) Peter Rachow bestimmt das Verhältnis der Impedanzen an Ein- und Ausgang dieser Schaltung. Wenn C1 = C2 ist, so folgt daraus: Z1 = Z2.
 
Für die Fälle, in denen die Impedanzen abweichen, kann man die vorher für die Anpassung mit Transformatoren gezeigte quadratische Abhängigkeit von Impedanz und Übertragungsverhältnis anwenden. Eine Änderung gibt es doch, darum kurz die Herleitung:
 
Auf beiden Seiten des -Filters wird die elektrische Leistung als gleich angenommen (P1 = P2).
 
für P wird eingesetzt U²/Z:
(C) Peter Rachow(Gl. 1)
 
Die Spannungen verhalten sich wie die kapazitiven Widerstände:
(C) Peter Rachow     (Gl. 2)
 
Verknüpft man die Ergebnisse von Gl. 1 und Gl. 2 so erkennt man, daß die Impedanztransformation wieder in quadratischer Abhängigkeit von den Spannungen und damit den Kondensatoren C1 und C2 steht, diesmal aber umgekehrt:
(C) Peter Rachow
 
Ein -Filter wird im Senderbau hauptsächlich zur Unterdrückung von unerwünschten Harmonischen eingesetzt, erst in zweiter Linie zur Impedanztransformation. Die Bemessung derartiger Filter ist ein relativ aufwendiger mathematischer Vorgang. Es gibt aber vereinfachte Formeln, die sich für Sender kleiner Leistung gut als Näherung anwenden lassen. Das so gefundene -Filter muß dann abschließend im Praxistest genau abgestimmt werden. Deshalb sollten die Werte von Spule und Kondensatoren in gewissen Grenzen veränderlich sein.
 
4.7.6.5 Bestimmung der Komponenten eines selbstangefertigten PI-Filters
 
Der erste Schritt ist die Festlegung der Güte Q der Spule L, denn für den Schwingkreis aus L, C1 und C2 muß eine bestimmte Schwingkreisgüte (siehe Anhang mit Erklärungen) Q eingehalten werden. Diese liegt bei -Filtern im Senderbau zwischen 1 und 5. Man wählt die Spulengüte Q = 1. Für die Berechnung der Komponenten des -Netzwerkes gelten folgende vereinfachte Formeln:
 
(C) Peter Rachow

(C) Peter Rachow
 
ist die Winkelgeschwindigkeit (2f), Z1 die Eingangsimpedanz, Z2 die gewünschte Ausgangsimpedanz..
 
Beispielrechnung: Es soll ein -Filter-Netzwerk gebaut werden, das für einen 14 MHz-Sender eine Impedanztransformation von Z1 = 100 auf einen Wert von Z2 durchführt. Unter Verwendung der vorher genannten Formeln für eine Spulengüte Q = 1 ergeben sich folgende Werte: Z= 50 Ohm
 
C1 = 133 pF, C2 = 188 pF und L = 1,65 H.
 
Da man die Spulengüte theoretisch zwar gut berechnen, praktisch aber nicht genau den Vorgaben entsprechend herstellen kann, sind die gefundenen Werte nur Richtgrößen.
 
 
4.7.6.6 Vereinfachte Transformationsglieder: Das L-Filter 
 
Für ein praktisches Beispiel sehen Sie sich bitte den SSB-Sender des Transceivers des 6. Kapitels an. Hier ist die Kopplung von Treiber- und Endstufe nach dieser Methode gelöst worden. Um etwas über die theoretischen Grundlagen zu erfahren, lesen Sie bitte weiter:
 
Sehen wir uns das Beispiel aus dem beschriebenen Sender an:
 
(C) Peter Rachow
Abb. 45 L-Filter im Senderausgangskreis
 
Die Treiberstufe hat eine Ausgangsleistung von 200 mW. Daraus errechnet sich ihre Ausgangsimpedanz zu:
(C) Peter Rachow
 
Die Eingangsimpedanz der nachfolgenden Endstufe beträgt ca. 50 . Es ist also, um Anpassung zu erzielen, eine Impedanztransformation um den Faktor 7 erforderlich. Die Prinzipschaltung dieses Anpassungsnetzwerkes mit einem L-Filter sieht so aus:
  ´
(C) Peter Rachow
Abb. 46 L-Filter Prinzipschaltung
 
Man geht jetzt bei dieser unvollständigen -Filter-Schaltung davon aus das gilt: Z1 > Z2. In anderen Fällen ist die Schaltung nicht anwendbar. Die Spule L wird anhand des benötigten Wechselstromwiderstandes bestimmt. Dieser errechnet sich zu:
 
(C) Peter Rachow
L ist somit:
(C) Peter Rachow
 
Für den Wert des Kondensators C gilt:

Für C errechnet sich:
(C) Peter Rachow
(C) Peter Rachow 
Wenn XL und XC bestimmt sind, wird, wie gezeigt, mit den Gleichungen zur Errechnung des induktiven bzw. kapazitiven Widerstandes (siehe Anhang) durch Auflösen nach L bzw. C, unter Einbeziehung der Frequenz, der Wert der Bauelemente errechnet. Dabei wird deutlich, daß derartige einfache Netzwerke nur für eine Frequenz (bzw. Band) brauchbar sind. Dies ist jedoch für die im QRP-Betrieb häufig vorkommenden Monobandsender kein Problem. Ein wichtiger Hinweis: Bei diesen Transformationsgliedern müssen die Spulen und die Kondensatoren natürlich abstimmbar sein, um das Impedanzverhältnis genau einstellen zu können!
 
Wenden wir uns jetzt wieder der Praxis zu: 
 
4.8 Ein Schaltungsvorschlag für einen 10 m-SSB-Sender mit 1 W Ausgangsleistung
 
Mit 3 Transistoren läßt sich ein QRP-SSB-Sender für das 10 m-Band aufbauen. Er liefert eine Ausgangsleistung von etwas mehr als 1 W an 50 . Angesteuert werden kann er direkt von einem Oszillator oder durch ein Bandfilter, wenn die Sendefrequenz durch Mischung erzeugt wurde. Die Eingangsleistung sollte 10 mW nicht überschreiten, da sonst mit Verzerrungen des Ausgangssignales zu rechnen ist. Die Transistoren Tr 1 bis Tr 3 sollten für eine Transitfrequenz von 200 MHz oder höher ausgelegt sein. Als Typen für Tr 2 und Tr 3 eignet sich aber auch der 2 SC 1957 oder der 2 SC 2312, die Verstärkung geht dann jedoch leicht zurück. Für Tr 3 kann ebenso gut ein 2 SC 1306 verwendet werden (ft = 300 MHz!). Beide Transistoren müssen gekühlt werden, weil sie im A-bzw. AB-Betrieb angesteuert werden, und einen relativ hohen Ruhestrom haben.
 
Dr 1 und Dr 2 bestehen aus 20 Windungen 0,5 mm Kupferlackdraht auf einem Kern Amidon FT 50-43.
L 1 wird ebenso auf einen FT 50-43 Kern gewickelt. Primärseitig erhält sie 10 Windungen, sekundärseitig 3. Die Drahtstärke ist 0,4 mm.
 
L 2 und L 3 sind identische Zylinderspulen. Der Durchmesser des Spulenkörpers beträgt 8 mm. Es werden 5 Windungen 1 mm Kupferlackdraht aufgewickelt. Die Spulen sollten einen Ferritkern haben, um das -Filter optimal abstimmen zu können. Der Einbau gleichwertiger Ringkernspulen ist möglich, wegen der fehlenden Möglichkeit der Abstimmung aber nicht empfehlenswert.
 
Die Vorspannung für den Endstufentransistor wird über den Widerstand R 11 erzeugt. Er sollte eine höhere Belastbarkeit (1 Watt) haben. Hierfür darf aber kein Drahtwiderstand verwendet werden. Dies gilt auch für den Emitterwiderstand von Tr 3.
 
Hinweise zur Inbetriebnahme:
 
Wenn der Sender unkontrolliert schwingen sollte, ist der Kondensator Ck zu verkleinern. Der Wert muß dann experimentell festgestellt werden. Sollte dies keinen Erfolg bringen, wird der ursprüngliche Kondensator für Ck (0,1 F) wieder eingesetzt. Der Primärseite von L 1 kann dann zur Bedämpfung ein Widerstand parallel geschaltet werden, um einen Teil der HF kurzzuschließen. Man beginnt das Experimentieren mit einem Wert von 1 k und verkleinert schrittweise diesen Wert. Das Ausgangsfilter aus C 7 bis C 9 und L 2 und L 3 wird auf maximale Ausgangsleistung abgeglichen. Die variablen Kondensatoren C 7 bis C 9 sind Valvo-Folientrimmer.
 
Bei diesem Sender ist, wie bei allen anderen HF-Verstärkern,  eine gute und großflächige Masseleitung obligatorisch.
 
(C) Peter Rachow
Abb. 47 SSB-Sender für das 10 m-Band
 
 
4.9 Eine SSB-Endstufe mit 10 bis 15 Watt Ausgangsleistung
 
Die nachfolgend gezeigte Endstufe arbeitet als Gegentaktendstufe im AB-Betrieb und kann einem QRP-Sender mit 1 bis 1,5 Watt Ausgangsleitung als Linearverstärker nachgeschaltet werden. Wegen des Gegentaktbetriebes ist die Ausbildung der 2. Harmonischen etwas reduziert. Der Verstärker arbeitet sehr linear.

(C) Peter Rachow
Abb. 48 15-Watt-Endstufe für SSB-Betrieb

Vom Schaltungsprinzip her ist die Endstufe breitbandig ausgelegt, erfordert aber je nach verwendetem Band eine geringfügige Anpassung der Windungszahlen der Ein- und Auskoppeltransformatoren. Nachfolgend muß dann der Wert von Cp ebenfalls angepaßt werden.

In etwas modifizierter Schaltung wird diese Endstufe in den SSB-Transceiver für 20 m aus Kapitel 6 eingebaut. Dort ist sie jedoch für geringere Leistung bemessen. Als Verstärkertransistoren werden die aus CB-Geräten bekannten Transistoren 2 SC 1307 verwendet, die eine ft von 150 MHz haben. Beide Transistoren müssen gekühlt werden. Beim Einbau sind die Transistoren zu isolieren, weil ihr Gehäuse mit dem Kollektor verbunden ist. Die Diode D 1, welche die Basisvor-spannung über die Sekundärwicklung an die Transistoren einstellt, sollte aus Gründen der Stabilität thermisch guten Kontakt mit einem der Gehäuse der Transistoren haben. Ein Kontakt mit dem Kühlblech ist dagegen nicht sehr sinnvoll, weil die Reaktion auf Temperaturänderungen wegen der Wärmeträgheit von großen Kühlkörpern nicht sehr effektiv ist. Als Alternative zu den vorgeschlagenen Transistoren kann auch der Typ 2 SC 1969 eingebaut werden.

Der Eingangstransformator T 1 besteht aus einem Balun-Ringkern BN 43-202. Er erhält auf der Primärseite 8 Windungen, auf der Sekundärseite 3 Windungen für die Bänder unter 20 m. Auf höheren Bändern (20 m und darüber) werden primär 6 und sekundär 2 Windungen aufgebracht. Die Wicklung auf der Sekundärseite ist in der Mitte angezapft. Die Drahtstärke beträgt 0,4 mm.

Über den Eingangstrafo wird die Basisvorspannung an die Transistoren geleitet. Diese wird durch die Diode D1 auf etwa 0,7 V festgelegt. Der 220 -Widerstand sollte für eine Belastbarkeit von 1 Watt ausgelegt sein. 

T 2 besteht aus 2 Säulen von je drei übereinandergeklebten Ringkernen FT 50-43. Diese beiden Säulen werden zu einem Doppelröhrchen nebeneinandergeklebt. Als Kleber kann man Zweikomponentenkleber verwenden.

(C) Peter Rachow
Abb 49. Der Ausgangsübertrager T 2

Die Primärseite erhält primär 3, sekundärseitig 2 Windungen 1 mm Kupferlackdraht. Es sei aber nicht verschwiegen, daß diese Wicklungszahlen bei dem Gerät, das der Leser nachbaut, etwas anders ausfallen können. Die Primärseite von T 2 ist in der Mitte angezapft. Für höhere Frequenzen als 14 MHz werden beide Wicklungen um eine Windung vermindert.

Der Parallelkondensator Cp ist für das 20 m-Band ausgelegt. Für 40 m liegt der Wert 1,5 mal so hoch und so fort. Er ist experimentell so zu bestimmen, daß die Endstufe ein sinusförmiges und reines Ausgangssignal am Oszilloskop beobachten läßt.

Die HF-Drosseln Dr 1 bis Dr 3 sind ebenfalls Balunringkerne BN 43 -202. Sie werden mit Draht 0,5 mm vollgewickelt (10 Windungen minimal).


Autor: Peter Rachow