Das QRP-Baubuch – Kapitel 2

Materialien, Werkzeuge, Messgeräte und Konstruktion

2.1 Bauteile

Wer sich dazu entschlossen hat, als Funkamateur seine Ausrüstung selbst zu bauen, sieht sich zuerst einmal dem Problem gegenüber, die für ein Projekt benötigten Materialien einzukaufen. Doch so groß ist dieses Problem meistens gar nicht: QRP-Geräte zeichnen sich, das wurde schon gesagt, in der Regel durch vergleichsweise einfache Schaltungsauslegung aus. Das bedeutet, dass teure Spezialbauteile, die nur schwer zu beschaffen sind, nicht verwendet werden müssen. Natürlich kann man auf dem Markt manchmal QRP-Bausätze finden, die mit sehr teuren Bauteilen aufgebaut sind. Die meisten Selbstbaugeräte werden dagegen zum überwiegenden Teil aus gewöhnlichen Standardbauteilen der Elektronik konstruiert, die nicht übermäßig schwer zu besorgen und die preisgünstig sind. Weiterhin sind die Schaltungen in diesem Buch deshalb bewusst so gehalten, dass die Anschaffung höchstleistungsfähiger, dafür aber seltener und extrem teurer ICs und Spezialteile nicht erforderlich ist. Irgendwelche Hochleistungs-ICs von auf HF-Schaltungen spezialisierten Halbleiterherstellern, mit Stückpreisen von über 40,- DM, wird der Leser/die Leserin in diesem Buch vergebens suchen.

Wie kommt man nun an die benötigten Teile? Nun, Standardbauteile wie Widerstände, Kondensatoren, Transistoren und ähnliches können Sie in jedem Elektronik- und Bastlerladen in Ihrer Umgebung kaufen. Eine Liste überregionaler Versandanbieter ist im Anhang abgedruckt. Heute, 30 Jahre nach der Erstauflage sind die bekannten Internetauktionshäuser eine gute Quelle für Material.

Dann gibt es Händler, die sich auf Hochfrequenzbauteile spezialisiert haben, auf Teile also, bei welchen man beim Kaufversuch im Elektronikladen nur ein Achselzucken oder ein mildes Lächeln erntet. Auch von diesen Anbietern gibt es im Anhang eine Liste.

Aber meistens ist der Kauf von neuen Bauteilen überhaupt nicht sinnvoll. Die meisten Teile liegen buchstäblich auf der Straße. Was soll denn das heißen? Ganz einfach: Wenn Sie irgendwo ein altes Radio -, Fernseh- oder gar Funkgerät entdecken können, nehmen Sie’s mit! In diesen alten Teilen, die für den “normalen” Besitzer keinerlei Wert mehr haben, finden Sie unendlich viel Bauelemente, die Sie einfach nur auslöten müssen. Und schon haben Sie wieder etwas in Ihrer Bastelkiste, das Sie unter Umständen sonst nie und nimmer hätten beschaffen können. Der Verfasser ist sich zwar im Klaren darüber, dass die Sammelwut, die ein (männlicher) Funkamateur an den Tag legen kann, schwerste soziale Komplikationen mit nahestehenden Personen weiblichen Geschlechts (Freundin, Ehefrau, Mutter) verursachen kann, man sollte sich aber in solchen Fällen wenn irgend möglich durchsetzen. Es würde einem sonst etwas “ganz Wertvolles” verlorengehen!

Besonders interessant für den QRPer und ambitionierten Funkbastler sind alte CB-Funkgeräte, am besten solche die noch bis vor 4 oder 5 Jahren hergestellt wurden. CB-Geräte eignen sich deshalb als Materialspender so gut, weil sowohl der Frequenzbereich als auch die Leistungsklasse, in welchen diese Transceiver arbeiten, am ehesten mit denen unserer QRP-Stationen vergleichbar sind. Hier lassen sich fast alle Teile wieder verwenden. Es gibt insbesondere ideal passende Bauelemente wie Sendetransistoren, fest abgestimmte Schwingkreise für Zwischenfrequenzen (meistens 455 kHz und 10,695 MHz), SSB- und Keramikfilter, Spulen, Kondensatoren, Schalter, Potentiometer, Relais und vieles andere mehr. Sogar die Gehäuse dieser CB-Transceiver lassen sich recyceln und geben einem selbstentwickelten QRP-Gerät ein attraktives Design! Bei neueren CB-Geräten ergibt sich leider das Problem, dass nicht alle Teile ohne weiteres dem QRP-Recycling zugeführt werden können, weil die Hersteller dieser Transceiver seit einiger Zeit ebenfalls vermehrt auf SMD-Bauteile umsteigen. Die sind aber nur für den Profi-Elektroniker, und dann nur im Neuzustand interessant.

Beim Auslöten der Bauteile aus alten Geräten benötigt man einen starken Lötkolben, der mindestens 60 W Leistung haben sollte. Wenn die elektrische Leistung zu gering ist, kann es passieren, dass man zu lange braucht, um ein Bauteil aus der Platine herauszulösen. Die Folge ist einer unzulässige Erwärmung und damit eine mögliche Zerstörung des Teils. Dies gilt besonders für Halbleiter wie ICs und Transistoren. Man sollte daher beim Auslöten also darauf achten, dass man das Teil innerhalb weniger Sekunden aus der Platine herausgenommen hat. Sollte dies nicht möglich sein, lässt man erst mal einige Sekunden zum nächsten Versuch verstreichen, um dem gestressten Bauelement eine Abkühlungsphase zu ermöglichen.

Am besten ist es, die Platine senkrecht in einen Schraubstock einzuspannen, um dann von beiden Seiten bequem arbeiten zu können. Achten Sie darauf, dass der Arbeitsplatz beim Entlöten gut belüftet ist, da unter Umständen Schadstoffe durch die hohe Temperatur freigesetzt werden können. Manche Lötzinnmischungen enthalten geringe Beimengungen von Salz- oder Schwefelsäuse (HCl bzw. H2SO4), die dann nach 1 bis 2 Stunden Reizungen der Bronchialschleimhaut hervorrufen können. Achten Sie stets darauf, den beim Löten entstehenden Dampf nicht direkt einzuatmen.

Doch zurück zum Thema “Bauteile”. Eine weitere ergiebige Quelle für Bauteile sind Ausstellungen und “HAM-Märkte”. Auf diesen Funkflohmärkten sind die Angebote an Bauteilen naturgemäß reichhaltig. Nur sollte man hier bei den Preisen vorsichtig sein, die oft ungerechtfertigt sehr hoch sind, was besonders für Drehkondensatoren und Spulen gilt.

2.1.1 Widerstände

Widerstände gibt es mit festen und variablen Werten. Festwiderstände werden in großer Zahl benötigt. Es gibt sie hauptsächlich als

• Kohleschichtwiderstände
• Metallfilmwiderstände
• Drahtwiderstände

Die ersten beiden Typen sind hervorragend für HF-Schaltungen im KW-Bereich geeignet. Für unsere Anwendungen scheiden die Drahtwiderstände dagegen jedoch von vornherein aus. In diesen Bauteilen wird Widerstandsdraht (Chrom-Nickel oder Konstantan) in kleinen Spiralen aufgewickelt, die unerwünschte und nicht kalkulierbare Induktivitäten darstellen, welche dann die Funktionsweise einer Schaltung in negativer Weise beeinflussen können oder gar ein Funktionieren unmöglich machen. Drahtwiderstände werden fast ausschließlich für Werte von 0,1 Ohm  bis ca. 50 Ohm angeboten. Sie eignen sich nur für NF- und Gleichstromanwendungen.

Kohleschicht- und Metallschichtwiderstände vermeiden diese Induktionseffekte. In Ihnen liegen zwar ebenfalls Spiralen aus dem Widerstandsmaterial, diese “Wicklungen” sind aber gegensinnig angeordnet. Dadurch heben sich Ihre Induktionswirkungen auf, sobald Wechselstrom durch sie fließt. Widerstände dieser Bauarten lassen sich bis weit in den VHF-Bereich verwenden, was für unsere Anwendungen mehr als ausreichend ist.

Kohleschichtwiderstände stellen die preisgünstigste Alternative dar. Wir benötigen sie in den meisten Fällen mit einer Belastbarkeit von 0,25 W. Für Senderstufen auch gelegentlich mit 1 bis 2 Watt maximaler Leistung. Es lohnt sich in jedem Fall, sich ein günstiges Sortiment von Widerständen anzuschaffen, wie es von verschiedenen Elektronikhändlern auf dem Versandwege angeboten werden.

Eine Toleranz von 10% pro Wert ist völlig ausreichend. Wir benötigen Widerstände aus der E12 Reihe: 10; 12; 15; 18; 22; 33; 47; 56; 68; 82; 100 und so fort.

Die Tabelle für die Farbkodierung findet sich im Anhang. Variable Widerstände werden als Potientiometer für Frontplattenmontage und als Widerstandstrimmer für Platinenmontage angeboten. Bei diesen Typen wird eine Kohleschleifbahn auf ihrer Länge von einem beweglichen Schleifer abgetastet. Die Widerstandsverteilung auf dieser Schleifbahn bestimmt das Widerstandsverhalten in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg auf der Kohlebahn.

Man unterschiedet

• lineare Potentiometer
• logarithmische Potentiometer

Bei der ersten Art ist die Widerstandszunahme pro zurückgelegtem Weg des Schleifers über die gesamte Weglänge der Schleifbahn konstant. Das Regelverhalten ist linear, daher der Name. Bei der zweiten Gruppe wächst der Widerstand exponentiell mit dem Weg an, um sich dann langsam dem Endwert zu nähern. Logarithmische Potentiometer werden hauptsächlich als Lautstärkeeinsteller verwendet, weil das menschliche Hörempfinden ebenfalls nicht linear ist, und sich so eine dem menschlichen Ohr angemessenere und angenehmere Einstellung der Empfängerlautstärke erzielen lässt.

Abb. 1a Regelverhalten von linearem a) und logarithmischen b) Potentiometer

Für Widerstandstrimmer sind die Ausführungen mit 0,25 W maximaler Belastbarkeit ausreichend. Sie sind wesentlich kleiner als die 0,5 W-Typen, und deshalb besser für kompakte Geräte geeignet. Überflüssig zu sagen, dass Drahtpotentiometer ebenfalls für die Anwendung in HF-Geräten ausscheiden.

2.1.2 Kondensatoren

Kondensatoren werden mit festen und variablen Werten benötigt. Am häufigsten benötigen wir

2.1.2.1 Festkapazitäten

Festwertkondensatoren werden von uns im Bereich von 5 pF bis ca. 470 uF gebraucht. Je nach Wertebereich der Kapazität unterscheiden sich die Produktionsverfahren. Es gibt sie dann als Keramik -, Polyester- und Elektrolyt- bzw. Tantalkondenstoren. Die Kapazitätswerte unter 10 nF werden vorwiegend als Kondensatoren in HF-Leitungen eingebaut. Sie können hier in den meisten Fällen als Keramikkondensatoren ausgeführt sein. Nur dort, wo es darauf ankommt, dass der Kondensator seinen Kapazitätswert mit der Temperatur möglichst nicht ändert (z.B. in VFO-Oszillatoren, siehe das Kapitel 4.3 f.), sollte man NP0-Kondensatoren oder Styroflex-Typen verwenden. Bei Kondensatoren sollte man beim Einbau weiterhin beachten, dass die Anschlussleitungen möglichst kurz gehalten werden, um unerwünschte Induktivitäten am Kondensator zu vermeiden. Diese könnten dann zu undefinierten Schwingkreisen werden, was besonders zu unerwünschten VHF-Oszillationen in einer für Kurzwelle ausgelegten HF-Verstärkerstufe führen kann.

Im Bereich von 10 nF bis 220 nF gibt es Polyesterkondensatoren, in Bereichen mit noch höheren Kapazitätswerten verwenden wird die preisgünstigen Elektrolyt-Kondensatoren oder die kleineren aber leider teureren Tantalkondensatoren. Diese Kondensatoren müssen dann, wenn es sich um gepolte Typen handelt, mit der vorgeschriebenen Polung eingesetzt werden. Achten Sie darauf beim Aufbau der Schaltung, sonst funktioniert das Modul nicht, oder der Kondensator raucht oder explodiert im schlimmsten Fall. Dabei werden dann ziemlich ungesunde chemische Substanzen frei (TCDD (eine Dioxin-Variante), PCB etc.).

2.1.2.2 Variable Kondensatoren

Zusätzlich zu den Festwertkondensatoren benötigen wir für einige Anwendungen variable Kondensatoren. Diese Drehkondensatoren gibt es im Handel als hochwertige Keramik- und preiswerte Hartpapiertypen. Weiterhin werden zum Einstellen von Schwingkreisen und HF-Kopplungen sogenannte Trimmkondensatoren (“Trimmer”) gebraucht. Wir benötigen sie beispielsweise für VFOszillatoren, um die Frequenz des Steuerschwingkreises abstimmen zu können. Da dieser VFO die Eigenschaften und Funktionstüchtigkeit unseres Senders/Empfängers/Transceivers maßgeblich beeinflusst, beispielsweise durch seine Frequenzstabilität und genaue Einstellbarkeit, ist es wichtig, hier nicht am falschen Ende zu sparen.

Leider sind gerade diese wichtigen Bauteile nicht immer zu beschaffen und zudem bei hoher Qualität etwas teurer, so dass man unter Umständen einen vorhandenen Drehkondensator durch Zerlegen und Umbau anpassen muss. Ein Umbaubeispiel für einen Hartpapier-Drehkondensator in einen Luftkondensator erläutert das Kapitel 4, wo es unter anderem um VFOs geht.

Zum Abstimmen von Schwingkreisen werden zusätzlich oft kleine Trimmkondensatoren verwendet. Hier ist die Ausführung als Folientrimmer am ehesten zu empfehlen. Sie werden u.a. von der Firma Valvo hergestellt und sind im Bereich mit Endkapazitäten von 6 bis 110 pF erhältlich. Hier lohnt sich ein kleiner Vorrat in verschiedenen Kapazitätswerten.

2.1.3 Bipolare Transistoren (NPN- und PNP-Typen)

Wer den Markt der angebotenen Transistortypen studiert, wird ziemlich schnell feststellen, dass schon eine kleine Angebotspalette eines Händlers 300 und mehr verschiedene Typen auflisten kann. Die Typenvielfalt ist ziemlich unübersichtlich, weil es heute für fast jede Art von Anwendung einen bestimmten Transistor gibt. Wir benötigen glücklicherweise für unsere Anforderungen in Sendern und Empfänger nur wenige verschiedene Standardtypen aus dem Bereich der Universaltransistoren, sowie solche, die speziell für HF-Anwendungen hergestellt wurden. Diese Typen sind dann wiederum relativ preisgünstig zu erhalten, so dass es in diesem Fall ebenfalls ratsam ist, sich einen kleinen Vorrat anzulegen. Dieser sollte zumindest die wichtigsten Transistoren beinhalten, die immer wieder verwendet werden.

Hier eine beispielhafte Liste von solchen Typen, die man immer wieder benötigt:

NF- und Universaltransistoren NPN:

• Europäische Typen: BC 237, BC 238, BC 548
• Amerikanische Typen 2 N 1711, 2 N 2216, 2 N 2222,
• Japanische Typen: 2 SC 372, 2 SC 536, 2 SC 710, 2 SC 829 , 2 SC 945 etc.

HF-Transistoren NPN für kleine Leistungen

• Europäische Typen: BF 225, BF 245
• Amerikanische Typen: 2 N 4400, 2 N 3053
• Japanische Typen: 2 SC 1674, 2 SC 1675

NF- und Universaltransistoren PNP:

• Europäische Typen: BC 308, BC 250
• Amerikanische Typen: 2 N 4037
• Japanische Typen: 2 SA 473, 2 SA 733, 2 SA…

Diese Liste ist natürlich unvollständig, und soll nur eine kleine Orientierung darüber geben, welche Transistoren man für die Konstruktionen in diesem Buch verwenden kann. Manche Anbieter haben auch sogenannte “Transistorsortimente” im Angebot. Diese sind hervorragend geeignet, wenn Sie wenigstens einige HF-Typen enthalten.

Transistoren, die aus alten HF-Geräten ausgelötet wurden, sind ideal zum Wiedereinbauen im QRP-Equipment. Besonders in japanischen CB-Geräten findet man viele interessante Transistoren, die aber nicht immer genau einzuordnen sind, was ihren Typ betrifft. Meist handelt es sich um NPN-Typen, seltener um PNP-Transistoren oder FETs. Auf den meisten japanischen Transistoren kann man Aufdrucke wie den folgenden sehen:

C 710

Dieser Transistor ist dann z.B. ein 2 SC 710, ein NPN-Universaltransistor. Weil die meisten Japan-Transistoren in CB-Transceivern mit “2 S” beginnen, hat man diesen Teil beim Aufdrucken einfach weggelassen und beschränkt sich auf die genauere Typnummer.

Aus diesen Japanfunkgeräten lassen sich praktisch alle Transistoren recyceln. Insbesondere die HF-Typen, die in der Eingangsstufe des Empfängers und der Treiber- und Endstufe der Sender eingebaut sind, sind hochinteressante Objekte für den QRPer.

HF-Endstufentransistoren sind an ihrem großen rechteckigen Gehäuse zu erkennen, und daran, dass sie direkt mit einem Kühlblech oder dem Chassis des Transceivers verschraubt sind. Die Daten kann man sich aus einem Datenbuch beschaffen, für die gängigsten Transistoren folgt im Anhang eine Liste, so dass man weiß, welchen Typ man vor sich hat und was man damit anfangen kann. Wenn Sie HF-Leistungstransistoren aus einem alten Gerät ausbauen, heben Sie immer das dazugehörige Installationsmaterial auf, wie Plastikschrauben und die Glimmerscheiben, die zur Isolierung eingebaut wurden.

2.1.3.1 Die Überprüfung eines unbekannten Transistors

Der QRP-Konstrukteur sollte es sich allerdings zur Regel machen, einen Transistor vor dem Einbau einer Funktionsprüfung zu unterziehen, wenn er nicht wirklich fabrikneu ist. Ausgelötete Halbleiter können nämlich Defekte aufweisen, die auf zu hoher Wärmebelastung während des Auslötens beruhen. Oder sie erwischen den Transistor, der mal dafür gesorgt, dass das Gerät nicht mehr funktionierte. Also, erste Regel: gebrauchte Halbleiter vor dem Einbau prüfen!

Diese Überprüfung kann mit einem Ohmmeter geschehen oder besser mit einem Transistorprüfgerät, das zusätzlich eine Abschätzung der Stromverstärkung erlaubt. Oft kommt es vor dass man einen Transistor vor sich hat, von dem man zwar weiß, dass es ein bipolarer Transistortyp ist (oder sein könnte), den man vielleicht verwenden kann. Leider hat man aber die Daten, ob PNP oder NPN, nicht griffbereit, noch weiß man ob der Transistor defekt ist.

Bei einem bipolaren Transistor, egal ob PNP- oder NPN-Typ kann man mit einem Ohmmeter leicht überprüfen, welcher Typ vorliegt, wenn man sich das Ersatzschaltbild in Erinnerung ruft:

Abb. 1b Ersatzschaltbild des NPN-Transistors

Vorgehensweise am Beispiel NPN-Transistor: Die Basis ist der Punkt, an dem die beiden Anoden der Dioden sich berühren. Wenn man an diesen Punkt den +-Pol des Ohmmeters (rotes Kabel) anlegt, müsste bei Durchprobieren aller Kombinationsmöglichkeiten die Kombination auftreten, bei der die beiden anderen Anschlüsse leitende Verbindung mit dem Anschluss am +-Pol (= Basis) haben. Wenn dies nicht auftritt, ist der Transistor kein NPN-Transistor oder er ist defekt.

2.1.3.2 Die Auswahl eines Transistors für eine Schaltung

Wenn Sie selbst eine Schaltung entwickeln oder einen anderen als den im Plan angegebenen Halbleitertyp in eine nachzubauende Schaltung einsetzen wollen, und sich Gedanken machen, welchen Transistortyp sie dazu benutzen können, müssen Sie einige Daten kennen. Der von Ihnen verwendete Transistor muss nämlich die Anforderungen, die an ihn in der Schaltung gestellt werden, in jeder Hinsicht erfüllen können. Ist dies nicht der Fall, funktioniert Ihr Gerät schlecht oder gar nicht. Dies gilt insbesondere dann, wenn Sie weder den vorgeschlagenen Transistor noch dessen Ersatztyp in eine Schaltung einsetzen wollen. Machen Sie sich also Gedanken, was der Transistor in der Schaltung für Eigenschaften haben soll. Wie:

• ist die Polarität des Transistors (NPN oder PNP)
• hoch ist die Grenzfrequenz bzw. Arbeitsfrequenz der Schaltung
• sind die Grenzdaten für Strom, Spannung, Leistung, die in der Schaltung auftreten können

Die Polarität des Transistors bestimmen Sie durch die Art der Anwendung. Meistens wird es ein NPN-Typ für NF/Universal- oder HF-Anwendungen sein. Nur dort, wo der Transistor als Schalter benutzt wird, wie bei VOX oder Sende-Empfangsumschaltung, kann es einmal ein PNP-Transistor werden.

Die Grenzfrequenz wird durch die Aufgabe des Transistors in der Schaltung näher bestimmt, also ob es sich beispielsweise um einen Verstärker für Hochfrequenz handeln soll, um einen NF-Verstärker oder ob Sie mit dem Transistor nur einen Schalter realisieren wollen, der gerade mal einen Stromfluß ermöglicht oder unterbricht. Ein wichtiger Wert, den die Transistorhersteller in diesem Zusammenhang angeben, ist die sogenannte Transitfrequenz (ft). Sie sagt aus, bei welcher Frequenz die Verstärkung des Transistors auf 1 zurückgeht, also die Signalpegel am Ein- und Ausgang des Verstärkers gleich hoch sind (Verstärkung 0 dB).

Zur Auswahl eines Transistors anhand der Transitfrequenz:

Bei der Auswahl eines Transistors sollte immer beachtet werden, dass die Transitfrequenz ft dieses Transistortyps um den Faktor 5 oder besser um den Faktor 10 höher liegt, als die maximale Arbeitsfrequenz der Schaltung.

Beispiel: Ein Transistorverstärker in einem Sender soll für eine maximale Arbeitsfrequenz von 30 MHz ausgelegt werden. Die Transitfrequenz des Transistors in dieser Schaltung muss somit mindestens 5 * 30 MHz = 150 MHz betragen.

Besser, und im KW-Bereich natürlich wegen der relativ niedrigen Arbeitsfrequenzen leichter zu verwirklichen, ist sogar ein Sicherheitsfaktor von 10 bis 12.

Die Grenzdaten für Strom, Spannung, Leistung bestimmen sich aus der angelegten Betriebsspannung (also meistens 12 bis 14 V), dem Strom, der über die Emitter-Kollektorstrecke fließen soll und der daraus zu berechnenden maximalen Eingangsleistung der Verstärkerstufe.

Die Berechnung der Eingangsleistung einer Verstärkerstufe:

Es ist sinnvoll, einen Transistor hinsichtlich dieser Anforderungen so auszuwählen, daß seine maximale Verlustleistung um den Faktor 2 bis 3 größer als die maximale erwartete Eingangsleistung in dieser Stufe ist. Diese maximale Velustleistung wird vom Hersteller angegeben und darf nicht über einen längeren Zeitraum überschritten werden. Eine Daumenregel hierzu:

Die Verlustleistung von sogenannten Kleinleistungsransistoren reicht vom untersten Milli-Watt-Bereich (< 20mW) bis ca. 500mW. Ab diesem Bereich spricht man von Leistungstransistoren. Die maximale Kollektor-Emitter-Spannung (UCE) liegt bei den hier angegebenen Typen bei ca. 25V. In der kommerziellen Technik werden aber manchmal Transistoren verwendet, die die 10fache Spannung als Grenzwert haben.

Die lebenswichtigen Angaben über die Verlustleistung und Grenzspannung eines Transistors sowie andere interessante Daten finden Sie in Tabellenbüchern. Diese werden in vielfältiger Ausführung und Umfang angeboten. Wählen Sie deshalb ein Werk, daß nicht nur einige Standardtypen wie die deutschen BC- (NF- und Universal) und BF- (Hochfrequenz) Typen behandelt, sondern möglichst auch auf amerikanische (2N…) und japanische (2SA… (PNP), 2 SC…(NPN), 2 SK…(FETs etc.)) eingeht. Denn Sie wissen ja nie, welche Transistoren Ihnen später mal über den Weg laufen.

2.1.3.3 Feldeffektransistoren

Diese Typen werden in vielen Schaltungen, hauptsächlich dort wo es um HF-Verstärkung und Mischung geht, benötigt. Diese FETs gibt es ebenfalls in vielen unterschiedlichen Ausführungen im Handel. Davon benötigen wir eigentlich nur zwei Arten:

• N-FETs (z.B. 2 SK 19, 2 SK 33, 2 N3819, MPF 102)
• Dual-Gate MOSFETs (z.B. 40673, 3 N 201, BF 900)

Der Vorteil von FETs liegt in der Tatsache, daß kein Steuerstrom fließt. Die Ansteuerung ist damit, wie man in der Fachsprache sagt, leistungslos. Der Eingang ist extrem hochohmig. FETs verhalten sich in diesem Punkt wie Röhren. Hinzu kommt, daß Feldeffekttransistoren ein besseres Großsignalverhalten zeigen. Sie werden nicht so leicht übersteuert wie bipolare Transistoren. Dies macht sie interessant für Eingangssignalverstärkung im HF-Bereich besonders in der ersten Stufe von Empfängern. Hinzu kommt ein meist gutes bis sehr gutes Rauschverhalten. Dieses Buch enthält deshalb ausschließlich mit FETs bestückte Empfängereingangsschaltungen.

2.1.3.4 Kühlung von Transistoren. Was bedeutet der Begriff “Verlustleistung”?

Schon die kleinen Leistungen der QRP-Sender erfordern bereits eine Kühlung der End- und manchmal sogar der Treiberstufentransistoren. Warum eigentlich Kühlung?

Die Eingangsleistung des Transistor hatten wir bereits besprochen. Sie wird als das Produkt der angelegten Betriebsspannung und den über den Transistor fließendend Strom errechnet. Ein Teil dieser Eingangsleistung wird in nutzbare Ausgangsleistung umgewandelt. Der Rest ist die sogenannte Verlustleistung, die am Transistor als Wärme auftritt.

Genau betrachtet wird die Wärme nicht am Gehäuse sondern in der Sperrschicht des Transistors erzeugt. Sie muß dann von dort nach außen abgeführt werden. Die Halbleiterhersteller geben für jeden Transistor eine maximale Sperrschichttemperatur an, die nicht überschritten werden darf. Diese liegt bei Siliziumtransistoren bei ca. 200°C. Alles was längere Zeit darüber liegt, führt früher oder später zur Zerstörung des Transistors.

Die Größe der Kühlfläche, die man an dem Transistor anbringen muß, hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab. Erstens ist die Dauerverlustleistung des Transistors bestimmend. Bei Kleinleistungstransistoren in Vorstufen strahlt das Gehäuse einen Teil der Wärmeleistung als Wärmestrahlung ab, ein weiterer Teil wird über Konvektion (Wärmetransport durch die Umgebungsluft) abgeführt. Der Rest wird über die metallenen Anschlußbeinchen, die gute Wärmeleiter sind, an die Platine weitergeleitet.

Bei Leistungstransistoren ist dieser Wärmetransport nicht mehr ausreichend. Da diese Transistoren mit zusätzlichen Anschlüssen für Kühlbleche zur unterstützenden Wärmeabfuhr versehen sind, ist außerdem die Temperatur dieses Kühlkörpers wichtig. Je wärmer dieses ist, desto geringer ist das Temperaturgefälle zwischen Transistorsperrschicht und Kühlkörper. Damit sinkt folglich der mögliche Wärmestrom vom Transistorgehäuse nach außen.

Man sollte aus diesem Grund, den Kühlkörper von Leistungstransistoren immer so groß bemessen, daß diese über längere Zeit nicht wärmer als 50° C werden. Um nicht mit dem Thermometer an die Schaltung herangehen zu müssen, reicht eine einfache “Daumenregel” (diesmal in des Wortes ureigenster Bedeutung…) aus: Der Mensch kann mit der Hand (in diesem Falle dem Daumen) nicht längere Zeit eine Temperatur fühlen, die höher als 50° C ist, ohne unangenehme Gefühle oder Schmerzen zu empfinden. Wenn Sie also einen Transistor 20 Sekunden mit der Hand berühren können, ohne daß es unangenehm wird, liegt die Temperatur noch im akzeptablen Bereich.

Die meisten Elektronikanbieter haben Transistorkühlkörper in allen möglichen Formen und Größen im Angebot. Für unsere Leistungskategorien reichen Kühlkörper mit einer Fläche von 10 bis 15 cm². Wenn man keinen Kühlkörper verwenden will, kann man das Metallgehäuse des Senders zur Kühlung heranziehen. Die Transistoren werden dann mit der Blechwand verschraubt. Dabei ist zu beachten, daß die gängigen HF-Leistungstransistoren meistens den Kollektoranschluß am Gehäuse haben. Dies hat zur Folge, daß sie isoliert eingebaut werden müssen, sonst wird die Plusspannung, die am Kollektor liegt, kurzgeschlossen. Dazu benutzt man Isolierscheiben aus Glimmer sowie zum Befestigen der Transistoren Plastikschrauben oder Isolierringe für Metallschrauben. Um einen guten Wämeübergang zwischen Transistor und Kühlblech zu erreichen, streicht man Wärmeleitpaste aus Silikon zwischen Transistor und Blech. Das sollte man allerdings nur dann tun, wenn die Schaltung endgültig in ein Gehäuse eingebaut wird. Für Probeaufbauten lohnt sich dies nicht, denn die Silikonpaste verursacht eine ziemliche Schmiererei und haftet an allem, auch an der Kleidung!

Für Transistoren mit Rundgehäusen (wie dem 2 N 2216 oder 2 N 3553 etc.) gibt es sternförmige Kühlkörper, die bis zu Verlustleitungen von 1 bis maximal 2 Watt auf den Transistor aufgesteckt werden. Für kleine CW-Sender, die im C-Betrieb arbeiten, sind diese völlig ausreichend. Für den A-oder AB-Betrieb von SSB-Endstufen, die permanent mit einem mehr oder weniger hohen Ruhestrom betrieben werden, wird die thermische Belastung des Transistors bei solchen kleinen Kühlkörpern dagegen zu groß.

2.1.4 Spulen für Hochfrequenz

Spulen werden hauptsächlich in drei Funktionen in HF-Schaltungen eingebaut:

• als Sperren für Wechselstrom (Drosseln insbesondere für HF)
• in Resonanzkreisen
• als HF-Transformatoren

Idealerweise kann man diese beiden Funktionen verbinden. Man erhält dann einen resonanten HF-Übertrager. Einige Beispiel für Standardanwendungen von Spulen:

Abb. 2 Standardschaltungen von Spulen und LC-Kreisen

Wir werden für unsere Schaltungen hauptsächlich drei Arten von Hochfrequenzspulen verwenden:

• Spulen auf runden Körpern mit Ferritkernen (Zylinderspulen)
• Ringkernspulen
• Drosselspulen und Ferritperlen

2.1.4.1 Zylinderspulen

Diese Spulenkörper finden sich in vielen verschiedenen Bauformen in den Angebotslisten von Anbietern, die sich auf HF-Bauteile spezialisiert haben, und natürlich als Ausschlachtteile in alten CB-Transceivern und Radios.

Wenn man ausgelötete Teile verwenden will, wird der Spulenkörper folgendermaßen “recycelt”: Wenn die Spule einen Abschirmbecher hat, wird er vorsichtig von der Spule abgezogen. Dazu die Spule an 2 oder 3 Beinchen gleichzeitig mit einer Flachzange festhalten und den Abschirmbecher von der Spule abstreifen. Die alten Wicklungen werden anschließend vom Spulenkörper heruntergewickelt und die neuen aufgebracht. Für diese, unter Umständen etwas Fingerspitzengefühl erfordernde Arbeit, kann die Anschaffung einer kleinen Pinzette, einer spitzen Nagelschere sowie eines Vergrößerungsglases sinnvoll sein, weil man die alten Windungen manchmal aufschneiden muss, um sie vom Spulenkörper zu entfernen.

Für die Herstellung von Schwingkreisen aus solchen selbstgewickelten Spulen, ist das Dip-Meter ein gutes Hilfsmittel. Ohne dieses ist ein selbstgebauter Schwingkreis schlecht auf Resonanz zu bringen, wenn man nicht einen Meßsender besitzt. Sie brauchen für die Herstellung von kleinen Zylinderspulen (wenn diese nicht in Leistungsstufen eingebaut werden sollen) weiterhin eine Rolle Kupferlackdraht in der Stärke 0,2 mm bis 0,05 mm. In den Schaltungen in diesem Buch werden die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise angegeben. Mit dem Dip-Meter kann dann ein Schwingkreis ausgemessen werden. Die nachfolgenden Hinweise beziehen sich allerdings nur auf die Herstellung von Zylinderspulen. Die Bemessung von Ringkernspulen wird im nächsten Abschnitt erläutert.

Die meisten angebotenen Zylinderspulenkörper haben einen Durchmesser von 5 bis 8 mm. Leider ist dies schon eine relativ große Spanne, so dass hier nur Richtzahlen für die Windungszahlen von Spulen für die KW-Bänder angegeben werden können. Wir gehen von einer Spule mit 6 mm Durchmesser mit einem Ferritkern aus:

80 m	25 – 40 Wndg.
40 m	16 – 20 Wndg.
20 m	12 – 16 Wndg.
15 m	10 Wndg.
10 m	6 – 8 Wndg.

Anschließend wird ein Parallelkondensator der Spule parallelgeschaltet:

80 m	150 – 180 pF
40 m	100 – 120 pF
20 m	68 – 82 pF
15 m	47 – 56 pF
10 m	22 – 39 pF

Wie bereits ausgeführt handelt es sich nur um Richtwerte. Die genaue Frequenz des Kreises wird jetzt mit dem Dip-Meter bestimmt. Anschließend wird bei großen Abweichungen von der Sollfrequenz der Parallelkondensator verändert, sonst wird der Kern nachgestimmt. Beachten Sie dabei bitte, daß ein in eine Schaltung eingebauter Schwingkreis eine niedrigere Resonanzfrequenz hat, weil die Schaltkapazitäten (besonders die der Transistoren) dem Schwingkreis parallelgeschaltet sind.

Wenn man von einem Spulenkörpertyp eine größere Anzahl besitzt, kann es sinnvoll sein, eine Berechnungsgrundlage zu suchen, nach der man die Spulen schnell herstellen kann, wenn man die Induktivität weiß. Das Verfahren wird noch einmal an anderer Stelle dieses Buches beschrieben, doch kurz angesprochen werden soll es schon hier:

Ermitteln Sie, welche Induktivität eine bestimmte Anzahl von Windungen eines Drahtes auf dem Spulenkörper ergibt. Messen Sie dazu z.B. 20 Windungen mit einem Parallelkondensator von 100 – 200 pF mit dem Dip-Meter aus. Berechnen Sie dann ausgehend von der gefundenen Resoanzfrequenz die Induktivität pro Windung. Mit diesem Wert kann man weitere Spulen leicht selber herstellen.

2.1.4.2 Ringkernspulen

Diese Spulen werden hauptsächlich in Senderschaltungen als Schwingkreisinduktivitäten und Übertrager in Treiber- und Endstufenverstärker verwendet, sowie als Breitbandübertrager in Baluns und Antennenanpaßgeräten. Auch HF-Drosseln lassen sich bequem damit herstellen.

DER Hersteller von Ringkernen ist die Firma Amidon Association. in den U.S.A. Bei den Senderschaltungen dieses Buches ist der genaue Typ des Ringkerns dann jeweils angegeben, den Sie dann mit dieser Bezeichnung bestellen. Diese Kerne unterscheiden sich nämlich sehr stark in dem verwendeten Kernmaterial und damit ihren elektromagnetischen Eigenschaften. Verwendet werden 2 grundverschiedene Materialien: Es werden Eisenpulver- (Kennbuchstabe “T”) und Ferritringkerne (“FT”) in verschiedenen Materialeigenschaften und Durchmessern angeboten. Die Materialien sind jeweils nur für einen bestimmten Frequenzbereich brauchbar.

Die Bezeichnungen der Kerne sind nach einem bestimmten Schema angelegt:

Zuerst steht der Kennbuchstabe des Materials “T” oder “FT”. Die nächste Zahl ist der Durchmesser in einhundertstel Inch (1 Inch = 2,54 cm). Durch einen Strich getrennt ist die darauf folgende Zahl, welche die Nummer des Materials oder der Materialmischung bezeichnet.

Beispiel: Ein Kern mit der Bezeichnung “FT 50-43” ist ein Ferritringkern mit einem Durchmesser von 0,50 Inches (1,25cm) aus dem Material Nr. 43 (u = 850). Der Wert u ist die Permeabilität des Kerns. Diese beschreibt die magnetischen Eigenschaften.

Die Ringkerne werden in fest gerasterten Durchmessern geliefert. Generell gilt, daß die Leistung, die ein Kern aufnehmen und verarbeiten kann, mit dessen Durchmesser (und damit der Kernmasse) wächst.

Außendurchmesser von Amidon Ringkernen

Kern	Durchmesser(cm)	Kern	Durchmesser(cm)
(F)T12	0,3	(F)T16	0,4
(F)T20	0,5	(F)T25	0,65
(F)T30	0,75	(F)T37	0,95
(F)T44	1,1	(F)T50	1,3
(F)T68	1,7	(F)T80	2
(F)T94	2,4	(F)T106	2,7
(F)T130	3,3	(F)T157	4
(F)T184	4,7	(F)T200	5
(F)T225	5,7	(F)T400	10

Für Breitbandübertrager in den Kurzwellenschaltungen dieses Buches wird fast ausschließlich das Ferrit-Material FT..- 43 verwendet, das eine Permeabilität von 850 besitzt und von 3 bis 30 MHz eingesetzt werden kann.

Für Breitbandübertrager, die z.B. Baluns in KW-Dipolen und Quad-Antennen eingesetzt werden, kann unter anderem das Eisenpulvermaterial Nr. 2 mit der roten Farbkennzeichnung benützt werden (T ..-2). Es hat folgende Daten: Permeabilität 10, Frequenzbereich 1 bis 30 MHz. Für Spulen in VFOs, wenn überhaupt, ist das Material 6 (gelb) oder 10 (schwarz) geeignet.

2.1.4.3 Gibt es Unterschiede zwischen Ringkernspulen und Zylinderspulen?

Klar gibt’s die! Der hauptsächliche Unterschied zwischen diesen Spulentypen liegt darin, daß das Magnetfeld beim Toroiden (ein anderes Wort für Ringkern) kreisförmig innerhalb des Kerns verläuft, und an keiner Stelle nach außen tritt. Dies hat zur Folge, daß die Spule einerseits keine Energie nach außen abstrahlt, also außerhalb des Kerns kein nachweisbares Magnetfeld (zumindest theoretisch!) vorhanden ist, und andererseits keine Energie aus magnetischen Feldern außerhalb des Ringes in die Spule induziert werden kann. Besonders für Sender ist diese Eigenschaft ideal, weil keine unkontrollierten Hochfrequenzschwingungen aus einer Spule entweichen können. Somit ist die Gefahr unerwünschter Rückkopplungen und Verkopplungen der einzelnen Senderstufen geringer. Ringkernspulen muß man aus diesem Grunde nicht gesondert abschirmen.

Dieser Vorteil stellt aber gleichzeitig einen geringfügigen Nachteil dar. Wenn kein magnetisches Feld aus der Spule heraustritt, kann man einen Schwingkreis, dessen Spule ein Toroid ist, nicht mit einem Dip-Meter auf seine Resonanzfrequenz hin untersuchen. Als Hilfe bleibt dann, einen dünnen Draht als Ankoppelspule zwei- oder dreimal zusätzlich über den Ringkern zu wickeln, und diese Ankoppelspule induktiv (und lose) mit der Dip-Meterspule zu koppeln:

Abb. 3 Bestimmung der Resonanzfrequenz von Schwingkreisen mit Ringekernspulen

Eine weitere Eigenschaft von Ringkernspulen muß man bei der Konstruktion beachten: Ringkernspulen lassen sich nicht wie Zylinderspulen abstimmen. Der Spulendraht läßt sich auf dem Ring zwar verschieben und zusammendrücken, aber die Induktivität ändert sich dadurch nicht. Man schaltet also als Parallelkondensator keine Festkapazität sondern einen Folientrimmer parallel. Beim Aufbau einer Schaltung muß also etwas mehr Platz für die Parallelkapazität einkalkuliert werden. Besonders, wenn man als fortgeschrittener QRP-Konstrukteur, kompakt und mit hoher Dichte aufbaut!

2.1.4.4 Messungen an Schwingkreisen mit Ringkernspulen

Zuerst kann man jetzt direkt mit dem Dip-Meter und der oben gezeigten Hilfsschaltung die Resonanzfrequenz bestimmen. Anschließend wird mit diesem Wert die Induktivität der Spule berechnet, falls dies nötig sein sollte. Man benutzt hierzu die Thomson’sche Schwingkreisformel und löst nach L auf:

Nach L aufgelöst ergibt sich

Die Bestimmung der Resonanzfrequenz ist immer dann nötig, wenn bei einer Bauanleitung keine exakten Spulenwickelanleitungen vorgegeben sind. Und natürlich immer dann, wenn Sie andere Spulenkörper verwenden. Grundsätzlich können Sie für jede Schaltung dieses Buches, in der Schwingkreise vorkommen, Ihre eigenen Spulen wickeln. Deshalb wurden eher die Resonanzfrequenzen und die Übertragungsverhältnisse angegeben als genaue Spulenwickelvorschriften, weil manchmal bestimmte Kerne nicht zu erhalten sind.