Das QRP-Baubuch – Additum

Nachfolgende Erläuterungen sollen etwas aus dem Text des Buches herausgenommen werden, weil sie theoretische Grundlagen behandeln. Es werden Begriffe erklärt, die im Text nur gestreift werden konnten. Querverweise auf andere, in diesem Stichwörterverzeichnis enthaltene Begriffe, sind mit einem Pfeil (=>) gekennzeichnet.

Additive Mischung => Mischung

Arbeitspunkteinstellung beim Verstärker im A-Betrieb (genauere Berechnung)

Was im Kapitel 4 nicht genauer angesprochen wurde, die Dimensionierung der Basis- und Emitter- und Kollektorwidersände im A-Verstärker, soll hier nachgeholt werden. Für eine genaue Bestimmung dieser Werte muss man allerdings einige Daten des Transistors kennen. Diese Daten sind:

• Die Stromverstärkung (als “Beta” oder hFE bezeichnet)
• Die Basis-Emitterspannung (UBE)

Beide Angaben können aus dem Datenblatt des Transistorherstellers entnommen werden.

Einige Standardformeln, nach denen die Widerstände einer A-Transistorstufe in Emitterschaltung zu berechnen sind, folgen im Anschlus. Man geht bei dieser Berechnung vom Kollektorstrom aus, der über den Transistor fließen soll. Der Emitterwiderstand R3 kann dann annäherungsweise bestimmt werden zu:

Für IC wird eingesetzt der Kollektorstrom, UBE kann für Si-Transistoren angenommen werden mit 0,7 V.

und schließlich R1:

Die Kondensatoren Cin, Cout und CE sollten so gewählt werden, dass ihr XC für die kleinste zu verstärkende Frequenz ausreichend niedrig ist. Mit CE läßt sich der Verstärkungsfaktor bis zu einer bestimmten Grenzfrequenz recht genau einstellen, weil der Grad der Gegenkopplung für Wechselspannungen geregelt werden kann.

Der Lastwiderstand am Ausgang lässt sich nach 2 verschiedenen Verfahren berechnen. Das einfachere geht davon aus, dass an dem Widerstand bei gegebenem Kollektorstrom die halbe Betriebsspannung abfallen muss. Dies wären

Die zweite Formel ist etwas komplizierter. Sie berechnet den gewünschten Ausgangswiderstand, der die Stufe abschließen soll, mit ein:

Wobei R_Aus der gewünschte Ausgangswiderstand der Stufe und Ubetr. die Betriebsspannung ist.

Um den Emitter-Bypass-Kondensator (CE) exakt berechnen zu können, müssen verschiedene Daten des Transistortyps bekannt sein. Diese findet man in den Datenblättern des Transistors (sogenannte h-Parameter). Aber es geht auch einfacher. Es gilt dann näherungsweise:

Wobei fGrenz die untere Grenzfrequenz der Verstärkerschaltung ist. Wenn man zusätzlich noch eine Korrektur des Frequenzganges wünscht, kann man von dieser Formel ausgehend den Emitterkondensator neu bestimmen. Dessen Wert lässt sich ebenfalls nur annähernd berechnen, und zwar durch Umstellung der vorher genannten Gleichung:

in Beispiel aus der Praxis: Es soll eine Verstärkerstufe in Emitterschaltung für eine untere Grenzfrequenz von 2 MHz berechnet werden. Wir gehen von folgenden Annahmen aus: Kollektorstrom IC = 2mA., Betriebsspannung Ubetr. = 12V, Stromverstärkung des Transistors (hFE) = 200.

Wir wählen den nächsten Wert der E12-Reihe: 680 Ohm. Dann werden die Basisspannungsteilerwiderstände berechnet:

Wir wählen 15 kOhm.

Der nächste Wert der E-12 Reihe ist 82 kOhm. RL wird nach dem vereinfachten Verfahren berechnet:

Es kann ein Kondensator mit einer Kapazität von 1,2nF eingebaut werden.

Gegenkopplung

Gegenkopplung ist eine Schaltungsmaßnahme um in Röhren-, besonders aber in Transistorverstärkern die Arbeitseinstellungen zu stabilisieren und die Linearität der Verstärkerstufe zu verbessern. Das Prinzip der Gegenkopplung baut darauf auf, dem Verstärkereingang einen Teil des Ausgangssignales um 180* phasenverschoben zurückzuführen. Die Gegenkopplungsspannung ist also phasenverkehrt zur Eingangsspannung und führt somit zu einer teilweisen Auslöschung der Wechselspannung am Eingang. Gegenkopplung ist demnach eine negative Rückkopplung. Dies bewirkt zweierlei:

1.) Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers sinkt. Die Schaltung arbeitet stabiler. Dies ist besonders wichtig bei HF-Verstärkern.

2.) Weil die vom Verstärker erzeugten Verzerrungen gegenphasig an den Eingang zurückgeleitet werden heben sie sich zu einem großen Teil auf. Die Linearität der Verstärkerstufe steigt an.

Es gibt eine Vielzahl von Arten der Gegenkopplung. Zwei, die für den Konstrukteur von HF-Schaltungen von besonderer Bedeutung sind, sollen kurz erläutert werden.

a) frequenzkompensierende Spannungsgegenkopplung

Diese Art der Gegenkopplung wird bei Breitbandsendern angewandt, um den Verstärkergewinn bei niedrigen Frequenzen zu vermindern. Die Prinzipschaltung:

Kernstück dieser Schaltungsvariante der Gegenkopplung ist ein frequenzabhängiger Widerstand. In der Schaltung wird die angestrebte Frequenzkompensation durch das Netzwerk aus L, C und R erzeugt. Über dieses Netzwerk fließt die verstärkte Wechselspannung phasenverkehrt vom Kollektor an die Basis des Transistors zurück. Der Wechselstromwiderstand des Netzwerkes steigt mit Erhöhung der Frequenz. Dabei muss allerdings XC wesentlich größer als XL sein (XC >> XL). Der Gleichstromwiderstand kann mit “unendlich” angenommen werden.

b) Stromgegengekoppelte Emitterschaltung

Die meisten HF-Verstärker werden in Emitterschaltung betrieben. Hierbei lässt sich diese Art der Gegenkopplung vorteilhaft anwenden:

Funktionsprinzip: Der zusätzlich in die Emitterleitung eingefügte Widerstand RG liegt zum Widerstand der Basis-Emitterdiode in Serie und linearisiert diesen zusätzlich. Die Kennlinie der Basis-Emitterdiode ist zudem stark temperaturabhängig. Weiterhin dient diese Schaltung auch der Ausschaltung von Exemplarstreuungen der Transistoren. Diese Linearisierung ist auch für Wechselstrom wirksam, weil der Widerstand RG nicht überbrückt wird. Natürlich geht wie bei allen Gegenkopplungsmaßnahmen der Verstärkungsfaktor zurück.

Schaltungen dieser Art findet man häufig in Senderverstärkern, bei denen auf lineares Verstärkerverhalten Wert gelegt wird, also besonders bei Senderstufen in SSB-Sendern. Die Schaltung lässt sich auch so abwandeln, daß RG zu CE in Reihe gelegt und diese Schaltung zu RE parallel geschaltet wird.

Impedanz

Ein rein ohmscher Widerstand hat in einem Gleich- und einem Wechselstromkreis denselben Wert. Spulen und Kondensatoren haben im Gegensatz zum rein ohmschen Widerstand noch Widerstände, die ausschließlich für Wechselströme wirksam sind. (XL induktiver Widerstand, XC kapazitiver Widerstand) Diese Widerstände bezeichnet man auch als Reaktanzen.

Die ohmsche Komponente ist bei der Spule der Gleichstromwiderstand des Drahtes. Aus diesen beiden Angaben kann man dann die Impedanz der Spule berechnen. Sie berechnet sich als die Summe aus Gleich- und Wechselstromwiderstand.

Beim Kondensator ist der ohmsche Widerstand so gering, dass er vernachlässigt werden kann. Die Impedanz des Kondensators ist somit alleine sein Wechselstromwiderstand.

Auch bei Verstärker- und Oszillatorschaltungen sind Impedanzen definierbar. Diese errechnen sich aus den an einem Punkt der Schaltung gefundenen ohmschen und den  induktiven und kapazitiven Widerständen

Induktiver Widerstand (Wechselstromwiderstand einer Spule)

Wenn Spannung an eine Spule angelegt wird, verursacht der fließende Strom den Aufbau eines Magnetfeldes. Das sich in diesem Moment ändernde Magnetfeld induziert während der Zeit seines Aufbaus in die Spule wiederum eine Spannung. Diese zweite Spannung ist der zuerst angelegten Spannung entgegengesetzt . (Selbstinduktion). Der Strom im Magnetfeld kann wegen der beiden entgegengesetzt gerichteten Spannungen nicht sofort seinen Maximalwert erreichen, sondern steigt erst langsam an. Das kennt man eventuell noch aus der Physikstunde. Es heißt “Lenzsche Regel”.

Ein Wechselstrom erzeugt demnach ein Magnetfeld, dessen Polarität sich mit der Flussrichtung des Stromes permanent ändert. Dieses Wechselfeld verursacht im Leiter wiederum aufgrund der oben beschriebenen Effekte eine ständig der Urspannung entgegen gerichtete zweite Spannung.

Eine Spule hat also zusätzlich zu ihrem ohmschen (durch den Spulendraht verursachten) Widerstand einen besonderen, nur für Wechselstrom wirksamen “Wechselstromwiderstand”. Dieser steigt mit der Induktivität der Spule und der Frequenz. Für diesen Wechselstromwiderstand XL einer Spule gilt:

Intermodulation

Dieser Begriff bezeichnet ein Phänomen, das im Zusammenhang mit Mischung auftritt. Ein Mischer erzeugt nicht nur die gewünschten Signale (f1+/-f2), sondern auch solche, in die Vielfache einer der beiden Frequenzen eingehen (n*f1+/-n*f2). Wenn diese unerwünschten Mischprodukte zahlreich auftreten, etwa durch Übersteuerung des Mischers, können sie auch in den ZF-Bereich fallen, und so demoduliert werden. Gegenmaßnahmen: Es muss verhindert werden, dass der Mischer übersteuert wird (man benutzt einen Abschwächer) und es sollte eine naturgemäß großsignalfeste Mischerschaltung zur Anwendung kommen (FET, doppelt-balancierter Mischer).

Kapazitiver Widerstand (Wechselstromwiderstand eines Kondensators)

Kondensatoren lassen Gleichstrom nicht durch. Bei Wechselströmen ist jedoch ein Stromfluss über den Kondensator möglich. Die die mit dem Minus-Pol der Spannungsquelle verbundene Kondensatorplatte lädt sich mit Elektronen solange auf, bis bei gegebener Spannung keine weiteren Elektronen mehr auf die Platte gelangen können. Welche Ladungsmenge maximal von der Platte aufgenommen werden kann, hängt von der Fläche der Platte und der Spannung am Kondensator ab (C=Q/U). Aufgrund der abstoßenden Kräfte, die gleichnamige Ladungen aufeinander ausüben, werden die Elektronen auf der gegenüberliegenden Platte des Kondensators ebenfalls verschoben. Wenn die Polarität der Spannungsquelle wechselt, kehrt sich der Vorgang um, die Ladungsverschiebung geht in die Gegenrichtung. Die Elektronen in einem Wechselstromkreis mit Kondensator werden also ständig im Rhythmus des Wechselstromes bewegt. Es fließt folglich Strom. Da dieser Vorgang nicht verlustfrei ablaufen kann, findet man in diesem Stromkreis ebenfalls einen Widerstand. Dieser ist abhängig von der Frequenz des Wechselstromes und von der Kapazität des Kondensators. Für den Wechselstrom-widerstand XC des Kondensator gilt:

Mischung

Mischung bedeutet in der Nachrichtentechnik die Umsetzung einer Frequenz in ein anderes Frequenzband. Das umzusetzende Signal wird in einem Mischer mit einer zweiten Frequenz gemischt, worauf sich ein Summen- und ein Differenzsignal aus beiden Frequenzen bildet. Man unterscheidet:

• additive Mischung
• multiplikative Mischung

a) Additive Mischung

Dieses Mischverfahren wird heute nicht mehr angewendet. Es erfordert ein Bauelement mit einer nichtlinearen Kennlinie, z.B. eine Diode oder einen Transistor. Der bekannteste additive Mischer dürfte wohl der Detektorempfänger sein. Die in diesem Empfänger enthaltene Diode mischt den Träger eines AM-Senders mit den beiden Seitenbändern und erzeugt aus der Differenzfrequenz beider Signale die Niederfrequenz. Der Nachteil der additiven Mischung ist die zusätzliche Produktion von zahlreichen ungewollten Mischprodukten. Diese vermeidet das Verfahren der multiplikativen Mischung weitgehend. Additive Mischer findet man noch in einfachen Rundfunkgeräten und älteren CB-Funkgeräten.

b) multiplikative Mischung

Charakteristisch bei der multiplikativen Mischung ist die Reihenschaltung zweier Verstärkerbauteile, z.B. Transistoren:

Im Gegensatz zur additiven Mischung werden die beiden zu mischenden Signale nicht gemeinsam einem Transistor zugeführt, sondern an zwei. Die Emitter-Kollektor-Strecken beider Transistoren sind in Reihe geschaltet und steuern in dieser Mischschaltung gemeinsam den Strom im Arbeitsstromkreis. Dadurch entstehen ebenfalls die Summen- und Differenzfrequenz beider Signale. Im obigen Bild wird durch den Schwingkreis im Kollekterstrom eine der beiden Frequenzen bereits ausgefiltert. Die multplikative Mischung erzeugt insgesamt weniger Intermodulationsprodukte als die additive, sie ist heute in der Funktechnik das allgemein verwendete Verfahren. Ein besonders nebenwellenarmer Mischertyp ist der Ringmodulator.

Multivibrator

Einfache Schaltung zur Erzeugung von rechteckigen Schwingungen.

Funktion: Die beiden Transistoren wirken als Spannungsinverter. Wenn Tr 1 eine hohe Spannung an seiner Basis hat, wird er leitend. Dadurch wird die Spannung an seinem Kollektor Null. Die Phasenlage dreht sich um 180*. Dieser Spannungsimpuls wird über C2 zeitverzögert an die Basis von Tr 2 weitergeleitet. Die Auflade- bzw. Entladezeiten von C2 und C1 bestimmen somit die Ausgangsfrequenz. Nachdem der Impuls Tr 2 durchlaufen hat, hat sich die Phase abermals umgekehrt. Der gesamte Phasenwinkel ist jetzt 360*, das Signal ist also wieder völlig phasenrichtig an der Basis von Tr 1 angekommen. Dadurch ist eine 100%ige Rückkopplung erzielt, die Schaltung schwingt demnach selbsttätig. Die Ausgangsspannung ist rechteckförmig, weil die Transistoren hier nur 2 Schaltzustände ermöglichen (durchgeschaltet und hochohmig)

Diese Schaltung kann auch mit digitalen ICs (2 in Reihe geschaltete Inverter oder NAND-Gatter, deren Eingänge verbunden sind) sehr einfach realisiert werden. Man erhält dann einen digitalen Oszillator. Ein Beispiel wie dieser Multivibrator als Tongenerator benutzt werden kann enthält Kapitel 6.1.

Neutralisation

Hochfrequenzverstärker neigen im Gegensatz zu NF-Verstärkern zu einer unstabilen Arbeitsweise. Darauf wurde bereits im Rahmen dieses Buches mehrfach eingegangen. Vielfach entstehen die unerwünschten Schwingungen aufgrund innerer Mitkopplungen im Verstärkerelement (Transistor oder Röhre).

Die in diesen Bauteilen vorkommenden Kapazitäten wirken als Kopplungskondensatoren für Hochfrequenzen, die an Aus- bzw. Eingang der Stufe liegen. Über diese Kapazitäten können Rückkopplungswege und damit innere Mitkopplungen entstehen.

Ein gängiges Verfahren diese durch innere Mitkopplung ausgelöste Schwingneigung zu beseitigen, besteht in der Neutralisation. Die Neutralisation einer Senderstufe beruht auf der Tatsache, dass man eine genau dosierbare Gegenkopplung in den Verstärker einbauen kann, um den Verstärkungsfaktor kontrolliert abzusenken. Der zwischen Kollektor und Basis gelegene veränderliche Kondensator Cn erlaubt eine dosierte, um 180° phasenverschobene, Rückführung von HF-Energie an den Verstärkereingang.

Ringmodulator

Der Ringmodulator ist ein passiver Mischer bestehend aus vier hintereinander geschalteten Dioden. Die Schaltung dieser Dioden darf nicht verwechselt mit der Greatz-Gleichrichterschaltung.

Funktion: Voraussetzung für das einwandfreie Funktionieren dieser Schaltung ist, das die 4 Dioden sorgfältig ausgewählt wurden. Sie müssen also gleiche elektrische Daten (= ohmscher Widerstand in Flusrichtung, Sperrschichtkapazität etc.) haben. Wenn man eine Wechselspannung mit der Frequenz f1 an den HF-Transformator Tr1 anlegt, ohne f2 in Tr2 einzuspeisen, ist die Spannungen zwischen den Punkten B und C maximal. Die Spannung zwischen A und D ist dagegen Null, weil die Diodenstrecken D1/D2 bzw. D3/D4 als Spannungsteiler interpretiert werden können. Die Brücke ist im Gleichgewicht. Somit liegt auch keine Spannung zwischen den Mittelanzapfungen der Übertrager.

Das gleiche gilt, wenn f2 alleine in den Modulator eingespeist wird. Erst wenn beide Spannungen anliegen, und eine wesentlich größer als die andere ist, schaltet diese größere die Dioden in ihrem Rhythmus durch. Die Folge ist eine Mischung mit den bekannten Ergebnissen (f1+/-f2).

Rückkopplung

In der Nachrichtentechnik Ausdruck für das Zurückleiten von Gleich- oder Wechselspannungen auf den Eingang eines Verstärkers. Wenn die zurückgekoppelte Spannung die gleiche Polarität und Phasenlage hat, spricht man von Mitkopplung. Diese führt zur Erzeugung ungedämpfter Schwingungen. Wenn Phasenlage oder Polarität nicht mit denen des Verstärkeingangs übereinstimmen bzw. gegenphasig sind, spricht man von “Gegenkopplung”.

Schwingkreis

Der Schwingkreis ist eine der wichtigsten Schaltungen in der Hochfrequenztechnik. Schwingkreise bestehen aus Parallel- oder Serienschaltung von L und C. Er tritt in 2 verschiedenen Varianten auf:

Beim Parallel-Schwingkreis ist der Widerstand bei Resonanz maximal, weil XC = XL ist und beide Widerstände parallel geschaltet sind. Bei allen anderen Frequenzen als fres. lässt der kleinere Wechselstromwiderstand der beiden Komponenten wegen der Parallelschaltung den Gesamtwert der Schaltung immer kleiner werden als der kleinste Widerstand im Schwingkreis aus XL oder XC.

Bei der Serienschaltung von C und L ist der Widerstand im Resonanzfall am geringsten. Bei allen anderen Frequenzen wird entweder XC oder XL immer größer.

Wenn man einen Parallel-Schwingkreis in eine HF-Leitung einbaut, wird man feststellen, dass die HF-Spannung am Schwingkreis im Resonanzfall stark ansteigt. Je höher dieser Anstieg ist, desto höher ist die *Schwingkreisgüte des LC-Kreises.

Schwingkreisgüte (Q-Faktor) und Schwingkreisbandbreite

Transistorgrundschaltungen

Je nachdem, welcher der drei Anschlüsse des Transistors an das gemeinsame Potential (Masse) von Ein- und Ausgang eines Verstärkers angeschlossen ist, sprich man von Emitter-, Basis- oder Kollektorschaltung des Transistors.