Schaltungen und Technik von Sendern für QRP (Teil 1)
4.1 Allgemeine Einführung
Sicher interessiert es Sie brennend, welche Reichweiten Sie mit einer QRP-Station unter Verwendung der verschiedenen Modulationsarten erzielen können.
4.1.1 “Die Gretchenfrage” – QRP-Betrieb in SSB oder CW?
Dieses Kapitel behandelt QRP-Sender für CW und SSB-Betrieb. Eine grundsätzliche Frage, die in diesem Zusammenhang immer wieder gestellt wird, ist “Ergibt SSB-Betrieb in QRP überhaupt Sinn?“. Die Antwort, die vielen CW-Enthusiasten wahrscheinlich ein Kopfschütteln als Reaktion entlockt, ist JA! Allgemein wird QRP-Betrieb nämlich mit CW als Betriebssart gleichgesetzt. In den meisten Veröffentlichungen zum Thema QRP kann man leider ein eindeutiges Übergewicht von CW-Sendern gegenüber solchen für SSB feststellen. Es ist natürlich unbestreitbar, dass Sender für Morsetelegrafie einfacher aufzubauen sind, als solche für Sprachmodulation in Einseitenbandtechnik. Aber es gibt viele interessante Veröffentlichungen über SSB-Sender und Transceiver. Und für den fortgeschrittenen Amateur ist es reizvoll, die eigenen Kenntnisse und Fähigkeiten dahingehend zu erweitern.
Natürlich macht QRP-Betrieb in Phonie etwas mehr Probleme als in CW. Die Ausnutzung der Sendeenergie bei CW ist wegen der minimalen benötigten Bandbreite eines Ein-Ton-Signals wesentlich effektiver ausgenutzt. Ein SSB-Signal mit einer Bandbreite von 2,5 bis 2,8 kHz hat es natürlich schwerer, sich gegen QRM von stärkeren Stationen und gegen atmosphärische Störungen (besonders auf den langwelligen Bändern) durchzusetzen. Auf der Empfängerseite besteht bei einem nur wenige Hz breiten CW-Signal die Möglichkeit, den Empfangskanal so weit zu verengen, dass fast keine QRM-Problematik mehr auftritt. Zudem ist die Ausnutzung der Eingangsleistung der Endstufe wegen des größeren übertragenen Spektrums bei SSB geringer. Und natürlich kann man einwenden, dass bei SSB wegen der geringeren relativen Signalstärke das Verhältnis von Nutzsignal zu unerwünschtem Rauschen dermaßen schlecht sei, dass man die Sache sowieso vergessen könne. Glücklicherweise zeigt die praktische Erfahrung genau das Gegenteil.
Trotz aller negativ ausgehenden theoretischen Überlegungen ist es in der Praxis möglich, mit einer 5 W-SSB-Station auf den Bändern ab 14 MHz aufwärts, beachtliche, oft transkontinentale Entfernungen zu überbrücken. Dieses Kapitel enthält aus diesem Grunde in erster Linie Schaltungen für SSB-Modulation. Sie sind technisch gesehen einfach die interessanteren. Aber auch der eingeschworene CW-Fan wird nachbaubare Schaltungen und Anregungen finden. Außerdem kann man die meisten Baugruppen, insbesondere Senderverstärker und Endstufen natürlich ebenfalls für Morsetelegraphie benutzen.
4.1.2 Die erzielbare Reichweite bei QRP-Betrieb
Es gibt naturgemäß beim Funken auf Kurzwelle viele Einflussgrößen, welche in die erzielbare Reichweite eingehen. Vor allen anderen sind natürlich die atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen ein entscheidender Faktor. Wenn man mit einer Monobandstation arbeitet, bleibt einem nur die Möglichkeit, sich den Bedingungen, die momentan auf dem Band anzutreffen sind, zu unterwerfen. Frequenzwechsel ist ja leider wegen der technischen Ausstattung unmöglich. Wenn man einen Monoband- Sender oder Transceiver benutzt, sollte er also für das Band ausgelegt sein, bei dem man erfahrungsgemäß immer mit einigermaßen akzeptablen Bedingungen rechnen kann. Für den an DX interessierten Amateur ist das 20 m-Band zu Zeiten normaler bis geringer Sonnenaktivität der absolute QRP-Favorit, vielleicht noch das 18 MHz-WARC-Band. Erfahrungen des Verfassers zeigen, dass dieses 20m-Band auch zu Zeiten niedriger Sonnenfleckenrelativzahl und damit eingeschränkter Weitverkehrsmöglichkeiten, mit QRP-Sendeleistung immer zumindest Überseeverbindungen ermöglicht. In Zeiten hoher Sonnenaktivität sind die Bänder von 15 m aufwärts das ideale Terrain für den DX-QRP-Amateur.
Menschen mit eher lokalen, also auf Deutschland und seine europäische Nachbarstaaten ausgerichteten Interessen, sollten sich außerhalb der Wintermonate abends und nachts für das 80 m-Band entscheiden, wenngleich hier mit vielen atmosphärischen Störungen gerechnet werden muss und insbesondere in den Abendstunden der Störpegel relativ hoch ist. Im Winter ist Low-Power-DX dann auf 80 m gut möglich. Das 40 m-Band ist für QRP primär in CW zu empfehlen, weil sich im Phonie-Bereich sehr viele Stationen drängeln, was auf CW wegen der geringen benötigten Bandbreite nicht so stark ins Gewicht fällt. Die Erfahrungen zeigen dann, dass gerade auch mit Phonie auf dem 80 m-Band eine große Anzahl schöner Verbindungen getätigt werden können, und dass für CW diese beiden Bänder in etwa gleichwertig sind.
Wenn Sie dagegen einen QRP-Multibander benutzen, suchen Sie sich immer das höchste Band, das gerade zu arbeiten ist, und wirklich gute Übertragungsbedingungen zeigt. Wenn sich die Ausbreitungsbedingungen dann verschlechtern, wechseln Sie frühzeitig auf ein tieferfrequentes Band. Als QRPer leiden Sie nämlich zuerst unter den nachlassenden Ionosphärenverhältnissen. Auf den höheren Bändern ergeben sich insgesamt zwei wichtige Vorteile für QRP-Stationen. Erstens sind die atmosphärischen Störungen weniger stark ausgeprägt, zweitens sind die Bänder breiter, man “ertrinkt” darum nicht so sehr im Gedränge der anderen Stationen.
Der nächste Punkt, dem besonders viel Aufmerksamkeit gewidmet werden muss, ist die Antennenanlage. Die Antenne selbst sollte so hoch wie möglich aufgehängt sein und in einwandfreier Resonanz betrieben werden. Die Speiseleitung ist möglichst verlustfrei auszuführen. Nähere Informationen entnehmen Sie bitte dem Kapitel 7 über Antennen für QRP.
Die Betriebstechnik des Operators muss an die neuen Verhältnisse angepasst werden. Rufen Sie nicht so oft und ausdauernd selbst CQ, es sei denn, Sie haben eine wirkliche Super-Antenne an Ihrem QRP-Gerät. Antworten Sie besser auf CQ-Rufe anderer Stationen. Wenn Sie mit dem QRP-Betrieb beginnen, und dies gilt besonders für QRO-Umsteiger, rufen Sie nicht nach Stationen, die ein Pile-Up haben. Das Arbeiten von Pile-Up’s mit QRP können Sie sich für später aufheben, wenn Sie Ihre Betriebstechnik etwas ausgefeilt haben. Rufen Sie keine Stationen an, die Sie selbst kaum hören. Mit 99%iger Wahrscheinlichkeit ist der/die OM/YL am anderen Ende nicht so verrückt wie Sie, und versucht mit 5 Watt eine Verbindung auf 20m einmal um den halben Erdball. Rufen Sie nur Stationen, die wirklich laut sind, also mindestens S 8 bis 9, das können dann aber auch DX-Stationen sein.
Wenn Sie in SSB Betrieb machen, meiden Sie die Bänder 80, 40 und 160 m nach Möglichkeit. Dort ist der atmosphärische Störpegel (QRN) und das “man made noise”, also die durch Menschen erzeugten Störungen (QRM, Funkenstörungen, Rauschen aus Computern etc.) manchmal so hoch, dass man mit einer SSB-QRP-Station aller Wahrscheinlichkeit nach Probleme bekommen wird. Man kommt einfach aus dem Störpegel beim Empfänger nicht heraus. Benutzen Sie daher besser die höheren Bänder, je nach Bandöffnungen und Bedingungen.
Ein sehr wichtiger Hinweis für Phonisten: Sie haben wirklich wenig Sendeleistung! Wenn Sie jetzt mit der gleichen Stimmlage und Ausdruck sprechen, mit denen Sie auf 2 m eine FM-Verbindung durchführen, nutzen Sie ihre Station nicht optimal aus. Denken Sie daran, dass Sie mit der QRP-Station 1, 2 oder sogar 3 S-Stufen schwächer beim Empfänger gehört werden, als der QRO-Operator. Optimieren Sie daher zusätzlich Ihre Sprechtechnik und den Ausdruck Ihrer Stimme. Versuchen Sie deutlicher und klarer akzentuiert zu sprechen. Sprechen Sie nicht schnell und undeutlich, sondern eher langsam und sehr deutlich. Heben Sie Ihre Stimme zusätzlich etwas an. Höhere Frequenzen heben sich nämlich stärker vom Hintergrundrauschen und von Störungen ab.
Wenn wir gerade über S-Stufen sprechen: Welchen S-Wert bei einer Empfangsstation kann man mit kleiner Leistung im Vergleich zu einer QRO-Station erwarten?
Die Antwort lässt sich in Zahlen ausdrücken: Wenn man in Betracht zieht, dass 1 S-Stufe einer Vervierfachung der Sendeleistung entspricht (= -6 dB Leistungsdämpfung), kann man folgende Beispielrechnung anstellen:
Eine QRO-Station sendet mit 750 W und erzielt bei der Empfangsstation einen S-Wert von S 9 + 20 dB. Verringert der Operator die Leistung auf 100 W wird sein Signal um ca. 9 db schwächer (10 log (750/100) = 8,75 dB 9 dB). Er erreicht dann also immer noch S 9 + 11 dB. Reduziert er die Leistung weiter auf 25 W ergibt dies 6 dB weniger Feldstärke (Faktor 4), also S 9 + 5 dB. Bei weiterer Verminderung der Ausgangsleistung auf 5 W fällt die Feldstärke nochmals um 7 dB, beträgt im Endergebnis immer noch knapp unter S 9. Eine Verminderung der Sendeleistung um den Faktor 150 ergibt folglich nur eine um ungefähr 3 S-Stufen geringere Empfangsfeldstärke. Das Ganze funktioniert, weil der Rückgang der Sendeleistung keinen linearen Effekt erzeugt.
4.1.3 Anforderungen an den eigenen Sender
Wenn Sie kein kommerzielles Funkgerät für QRP verwenden, sind Sie ganz alleine verantwortlich für das Signal Ihres Senders. Achten Sie deshalb stets darauf, dass Sie ein sauberes und reines Signal abstrahlen, das frei von Nebengeräuschen und unerwünschten Aussendungen ist. Schließen Sie nie einen Sender an die Antenne an, ohne sich das Signal mindestens einmal sorgfältig und kritisch und über eine längere Testphase hinweg mit einem Empfänger selbst angehört zu haben. Im Idealfall schauen benutzen Sie einen Spektrumanalysator.
Wenn Sie den SSB-Sender betreiben, sorgen Sie immer dafür, dass das Sendesignal nicht übersteuert also verzerrt ist. Betreiben Sie den Sender nie am Rande oder gar in der Sättigung, also in dem Bereich ab dem er nicht mehr weiter verstärken kann. Nehmen Sie eher 1 Watt weniger Ausgangsleistung in Kauf, mit einem Hochfrequenzsignal, das einem kommerziell gefertigten Amateurfunk-Transceiver nicht wesentlich nachsteht.
Wenn Sie einen CW-Sender betreiben, sollte Ihr Signal beim Tasten keine Zirp- oder Heultöne mitbringen, weil der Oszillator beim Einschalten eine Frequenzverwerfung erzeugt. Stabilisieren Sie wenigstens die Betriebsspannung des Oszillators, wenn möglich ebenfalls die der Pufferstufe und des Verstärkers.
Gegen die Aussendung von Harmonischen lässt sich leicht etwas unternehmen. Im Kapitel 4.14 finden sich leicht nachbaubare Schaltungen für Senderausgangsfilter in -Schaltung, die für 50Ω -Anwendungen ausgelegt sind.
Gehen wir nun in medias res und wenden uns praktischen Schaltungen zu.
4.2 Oszillatoren und ihre Arbeitsweise
Alle Sender, die man baut, haben mindestens einen Oszillator, der die Arbeits- und eventuelle Hilfsfrequenzen erzeugt. Diese(r) Oszillator(en) ist/sind gewissermaßen das Herzstück des Funkgerätes. Sie entscheiden zu einem gewichtigen Teil mit über Tongüte und Frequenzkonstanz des Senders. Eine nicht akkurat funktionierende Schaltung eines Oszillators verschlechtert die Eigenschaften des gesamten Senders oder Transceivers, auch wenn die anderen Stufen und Module sehr durchdacht und gut konstruiert sind. Deshalb ist es notwendig, beim Oszillator, dessen Entwurf und Aufbau, besondere Sorgfalt walten zu lassen.
Es werden im Rahmen dieses Buches einfache Oszillatorschaltungen vorgestellt, also VFOs, XOs und VXOs. Eine synthetische Frequenzaufbereitung (PLL-Synthesizer) soll aber nicht Gegenstand dieses Buches sein, weil die Oszillatorschaltungen nicht zu komplex werden sollen. Es soll nämlich auch dem “Durchschnittsamateur” Gelegenheit zum Nachbau gegeben werden. Im übrigen kann man einen VFO als Selbstbauer so aufbauen, dass seine Frequenzkonstanz für die Anwendungen völlig ausreichend ist, wodurch Synthesizer für die in diesem Buch vorgestellten Funkgeräte überflüssig werden. QRP-Design heißt unter anderem, den technischen Aufwand dort zu begrenzen, wo dies sinnvoll erscheint.
Warum produziert ein Oszillator Wechselspannung?
Ein Oszillator ist im Prinzip nichts anderes als eine Verstärkerschaltung, wie wir sie bereits kennengelernt haben. Jeder Verstärker in der Nachrichtentechnik hat einen Eingang und einen Ausgang. Wenn man Oszillatorschaltungen betrachtet, sieht man nur einen Ausgang, an dem man die erzeugten Wechselspannungen abnehmen kann. Der Eingang des Verstärkers ist dagegen nicht sofort erkennbar, er ist intern in der Schaltung mit dem Ausgang verbunden, und zwar so, das jedes Signal am Ausgang des Verstärkers zu einem gewissen Betrag auf dessen Eingang zurückgeführt wird.
Ein guter Spruch in diesem Zusammenhang: “Every oscillator amplifies and every amplifier oscillates”. 😉
Diese teilweise Rückführung der am Ausgang eines Verstärkers anliegenden Wechselspannung zu dessen Eingang nennt man in der Fachsprache der Hochfrequenztechnik Rückkopplung. Dabei meint man immer eine phasenrichtige Rückführung von Teilen der erzeugten Energie. Ein anderer und genauerer Begriff für positive Rückkopplung ist Mitkopplung.
Durch das Rauschen, das jeder Verstärker produziert, oder durch einen Stromimpuls beim Einschalten des Oszillators, wird die Schwingung einmal angestoßen und erhält sich dann wegen der Rückkopplung selbst aufrecht. Die Frequenz der Wechselspannung, die der Oszillator abgibt, wird dabei durch ein frequenzselektives Bauelement bestimmt. Je nachdem, um welche Art selektives Bauteil es sich handelt, unterscheidet man verschiedene Arten der Oszillatorsteuerung. Wir verwenden in diesem Buch ausschließlich nachfolgende drei Typen von Oszillatoren:
- Quarzkontrollierte Oszillatoren, bei denen die Frequenz nicht veränderlich ist. (XO)
- Oszillatoren, bei denen die Frequenz ebenfalls durch einen Schwingquarz festgelegt wird, aber in engen Grenzen variabel ist. (VXO)
- LC-Oszillatoren, deren Frequenz durch einen Reihen- oder Parallelschwingkreis aus Spule und Kondensator bestimmt wird, und somit in weiten Grenzen verändert werden kann (VFO)
Im Laufe der Entwicklung von Oszillatoren haben sich verschiedene Schaltprinzipien herausgebildet. Diese Unterschiede betreffen meistens die Art und die Erzeugung der Rückkopplungsspannung.
Man unterscheidet
Der Energiebetrag, der rückgekoppelt wird, ist mit ausschlaggebend für die hochfrequenten Eigenschaften des Oszillators. Allgemein kann man sagen, dass die zurückgekoppelte HF-Energie gerade so groß sein sollte, dass der Oszillator sicher schwingt. Die allgemeinen Anforderungen, die an einen Oszillator gestellt werden müssen, lassen sich für den Amateurbereich auf nur zwei reduzieren:
- möglichst reines Ausgangssignal (keine Neben- und Oberwellen)
- möglichst hohe Frequenzkonstanz über einen längeren Zeitraum
Die erste Forderung lässt sich dadurch erfüllen, dass man den Betrag der zurück gekoppelten Energie gerade so groß macht, dass sich die Schwingungen selbst erhalten (siehe oben) und der Oszillator sicher anschwingt. Wenn der Betrag an zurück gekoppelter Energie zu groß wird, dann wird der “Eingang” des Oszillators übersteuert, und es treten wie bei jedem anderen Verstärker Verzerrungseffekte auf.
Die Folge ist ein verzerrtes, und damit stark oberwellenhaltiges, sowie höchstwahrscheinlich nicht frequenzkonstantes Ausgangssignal.
Die zweite Forderung ist etwas schwerer zu erfüllen, wenn man nicht einen Oszillator baut, der durch einen Schwingquarz stabilisiert wird. Bei Oszillatoren mit variabler Frequenz gibt es verschiedene konstruktive Maßnahmen um eine hohe Frequenzstabilität zu erzielen. Wir werden später auf diese technischen Details näher eingehen. Daneben hat es sich bewährt, den Oszillator mit möglichst geringer Leistung zu betreiben, weil durch die Erwärmung der Schaltkomponenten, besonders der Transistoren bzw. deren Grenzschichten, die Frequenzstabilität reduziert wird. Durch Ausschalten von thermischen Einflüssen lassen sich die Eigenschaften von VFO-Schaltungen wirksam verbessern.
4.2.1 Ein einfacher Versuchsoszillator nach dem Meißner-Prinzip
Auch wenn heutzutage Meißner-Oszillatoren im Selbstbau nicht mehr verwendet werden, lohnt sich der Aufbau einer Testschaltung, weil die Art der Rückkopplungserzeugung sehr leicht zu verstehen ist. Außerdem lassen sich hier erste Erfahrungen mit einer sehr schwingsicheren Oszillatorschaltung sammeln. Das Rückkopplungsprinzip dieser Schaltung basiert auf der induktiven und phasenrichtigen Auskopplung der Rückkopplungsspannung aus dem Schwingkreis. Dafür gibt es die Sekundärspule, die ca. 1/4 der Windungszahl der Primärspule hat.
Mit dem Potentiometer (10k) an der Basis wird der Arbeitspunkt des Oszillators eingestellt. LC 1 ist ein auf die gewünschte Frequenz abgestimmter Schwingkreis. Man sollte mit ersten Versuchen auf dem 40 m-Band beginnen. Dann kann folgende Ringkernspule hergestellt werden.
Spulendaten: Kern T-50-6, Primärwindung 40 bis 50 Wndg. 0,3 mm Kupferlackdraht, sekundär 10 Wndg.
Der Parallelkondensator hat dann ca. 180 pF Kapazität. Bestimmen Sie die genauen Daten der Schwingkreiskomponenten z. B. mit dem Dip-Meter.
Schalten Sie den Oszillator ein, und schließen an den Ausgang des Senders ein Oszilloskop an und beobachten die Schwingungen. Die Rückkoppelspule muss richtig herum gepolt angeschlossen werden, so dass die HF in der richtigen Phasenlage an die Basis zurückgeführt wird. Wenn der Oszillator nicht schwingt, vertauschen Sie einfach die beiden Anschlüsse der Spule. Verändern Sie jetzt den 10k-Trimmer an der Basis, und vergleichen die Form der Schwingung in Abhängigkeit vom Basisspannungsteiler. Wenn die Kurvenform des HF-Signals stark verzerrt ist, vermindern Sie die Rückkopplungsspannung, indem Sie den Wert des 1nF Kondensators in der Rückkopplungsleitung verkleinern.
4.3 Quarzoszillatoren und quarzgesteuerte Sender
Die wichtigste Eigenschaft von Quarzoszillatoren ist vor allen anderen die ausgezeichnete Frequenzkonstanz über einen längeren Betriebszeitraum. Quarzoszillatoren sind wesentlich einfacher zu stabilisieren, verglichen mit VFOs. Ihr Betrag an Phasenrauschen ist allerdings etwas höherer als bei LC-Oszillatoren. Die Ausgangsleistung kann in der Praxis um einiges höher sein, weil auf eine thermische Belastung des Transistors nicht so stark Rücksicht genommen werden muss wie beim LC gesteuerten Oszillator. Die Änderung der Impedanz am Ausgang des Oszillators wirkt sich außerdem nicht gravierend auf die Frequenzstabilität aus. Die Frequenz ist ja schon aufgrund der Quarzsteuerung sehr stabil. Quarzoszillatoren haben darum nur selten Pufferstufen.
Beschäftigen wir uns mit der Frequenzaufbereitung im XO: Das frequenzbestimmende Steuerelement in einem Quarzoszillator ist ein sogenannter Schwingquarz, ein besonders geschliffener Kristall, der mit zwei elektrischen Anschlüssen beschichtet ist. Er verhält sich elektrisch ähnlich wie ein Schwingkreis aus Spule und Kondensator, nur mit dem wichtigen Unterschied, dass seine Frequenz nicht variabel ist, es sei denn man schleift ihn etwas ab.
Der Quarz hat folgendes Ersatzschaltbild:
Wie man erkennen kann, bilden eine Induktivität und 2 Kapazitäten die frequenzbestimmenden Komponenten des Schwingquarzes. Quarze können als Parallel- und als Serienschwingkreise wirken.
Quarzoszillatoren sind sehr frequenzstabil, weil die Frequenz hauptsächlich durch die Beschaffenheit und den Schliff des Quarzkristalls festgelegt wird. Sie lässt sich allerdings durch Maßnahmen in der äußeren Beschaltung des Quarzes um einige kHz variieren. Weitere Einflüsse auf die Frequenz treten dagegen weitgehend in den Hintergrund. Quarzoszillatoren sind sehr unempfindlich gegen Temperaturschwankungen und ihre Frequenz ist zudem immer exakt reproduzierbar.
4.3.1 Ein praktisch verwendbarer Quarzoszillator mit geringer Ausgangsleistung
Vorgestellt wird ein Quarzoszillator in der sog. COLPITTS-Schaltung:
Dieser Oszillator erhält seine Rückkopplung über zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren C2 und C3. Die vorgestellte Schaltung ist für eine Frequenz von 9 MHz dimensioniert, einer der häufigsten Standardzwischenfrequenzen von Kurzwellen-Transceivern. Der Oszillator kann jedoch leicht auf andere Frequenzen neu dimensioniert werden, wenn man die Werte von folgenden Kondensatoren anpasst: C1, C2 und C3 und natürlich den Schwingkreis LC1.
C1 ist der Koppelkondensator, der den Quarz an den Transistor ankoppelt. Er hat für die gegebene Frequenz (9 MHz) einen kapazitiven Widerstand von
XC = 1 / (2 * Pi * 9 MHz * 100 pF) = 176 Ohm.
Wenn der Oszillator für eine andere Frequenz aufgebaut werden soll, muß die Kapazität so ausgelegt werden, daß XC einen in der Größenordnung ähnlichen Wert hat. Das Gleiche gilt für C2 und C3. XC1 = 176 Ohm , XC2 = 80 Ohm und XC3 = 215 Ohm.
Der Schwingkreis LC 1 wird ungefähr auf die Arbeitsfrequenz des Schwingquarzes ausgelegt. Erkann auch weggelassen und durch einen ohmschen Widerstand (220 <= R <= 470 Ohm) ersetzt werdene. Aus der Schaltung ergibt sich, daß der Quarz auf der Grundwelle (nähere Erläuterungen siehe 4.3.1.2) betrieben wird. An seiner Sekundärseite kann das Ausgangssignal abgenommen werden. Das Verhältnis von Primärwindungszahl zu Sekundärwindungszahl ist 4 : 1. Die Frequenz des Oszillators läßt sich mit dem LC-Kreis nur geringfügig verändern.
Bei der Auswahl des Transistors sollte man auf einen möglichst hohen Wert von ft achten, dieser sollte ca. 5 bis 10 mal höher liegen als die Frequenz des Schwingquarzes. Alle im Anhang genannten HF-Transistoren sind verwendbar.
Die Ausgangsleistung dieses Oszillators ist nicht sehr hoch (10 bis 20 mW). Er ist eher als Hilfsoszillator für Sender gedacht, deren Frequenzaufbereitung auf dem Mischerprinzip aufbaut, denn als Sender. Einen Oszillator, den man zum Ansteuern eines einfachen Geradeaussenders verwenden kann, zeigt dann der übernächste Abschnitt.
4.3.1.1 Geringfügige Veränderung der Quarzfrequenz (VXOs)
Wenn vorher gesagt wurde, daß man die Frequenz eines Quarzoszillators geringfügig variieren kann, so soll jetzt gezeigt werden welche Schaltungsmaßnahmen dafür notwendig sind. Es gibt verschiedene Methoden, um einen Quarz “zu ziehen”, so der Fachausdruck. Meistens geschieht dies dadurch, daß man eine Induktivität oder eine Kapazität in Reihe mit dem Quarz schaltet. Man erhält dann eine “Mischung” aus einem VFO und XO, einen sogenannten VXO.
Wenn man einen Kondensator in Reihe zum Schwingquarz schaltet, wird die vom Oszillator erzeugte Frequenz erhöht, bei der Reihenschaltung einer Spule hingegen vermindert. Die neue Induktivität beziehungsweise Kapazität geht dann zusätzlich in den Schwingkreis des Quarzes ein (siehe Abb. 15) und wirkt frequenzverändernd.
Beachtet werden muss dabei der Wert von Ck. Sein Wechselstromwiderstand bei der Betriebsfrequenz des Oszillators sollte mindestens und den Faktor 10 kleiner sein als der Wechselstromwiderstand des zum Ziehen verwendeten Bauelements. Der Betrag der maximalen Frequenzabweichung ist dabei in erster Linie von 2 Faktoren abhängig:
a) der absoluten Höhe der Quarzfrequenz
b) der Güte des Quarzes
zu a) die maximale Abweichung von der Sollfrequenz kann man bei einem Quarz im 10 m-Band erzielen. Sie liegt bei ca. 12 kHz. Im 80 m-Band sind nur wenige kHz Frequenzversatz (1 bis maximal 2,5 kHz) möglich. Allgemein gilt, je höher die Grundfrequenz des Quarzes ist, desto höher ist die maximal mögliche Abweichung. Leider nimmt bei größer werdendem Frequenzversatz die Frequenzstabilität ab. Man sollte diese Möglichkeit also nicht bis an die Grenze ausschöpfen.
zu b) Hier gilt, das die maximale Abweichung der erzeugten Frequenz, von der auf dem Quarz aufgedruckten Sollfrequenz, umgekehrt proportional zu dessen Güte ist. Je “schlechter” der Quarz ist, desto größere Frequenzabweichungen lassen sich erzielen. Man sollte jedoch beachten, dass die Schwingungen bei zu starkem “Ziehen” erstens weniger frequenzunstabil werden, und zweitens die Amplitude des Signals langsam aber stetig abnimmt. Irgendwann setzen die Schwingungen dann aus, oder der Oszillator schwingt nach dem Ausschalten und anschließendem neuerlichem Anlegen der Betriebsspannung nicht mehr an. Darum sollte der “Ziehbereich” immer so eingeengt werden, dass sich sichere Betriebsbedingungen ergeben.
Die Spule kann bei Quarzen im Bereich von 7 MHz bis 14 MHz eine maximale Induktivität von 20 uH besitzen. Der Kondensator kann von 50 pF solange verkleinert werden, bis die Schwingungen aussetzen oder der Oszillator frequenzinstabil wird. Diese Werte müssen aber abhängig vom Quarz und der Oszillatorschaltung experimentell ermittelt werden.
In manchen Veröffentlichungen zu diesem Thema findet man die Serienschaltung von Spule und Kondensator zum Ziehen des Quarzes. Da hierüber dem Verfasser jedoch keine eigenen Erfahrungen vorliegen, soll der Leser angespornt sein, selbst Experimente in diese Richtung anzustellen.
Generell kann man sagen, dass der VXO eine einfache Auslegung einer Senderschaltung ermöglicht, weil auf die Frequenzkonstanz des Senders nicht so großes Augenmerk gerichtet werden muss, verglichen mit einem VFO beispielsweise. Andererseits ist man aber im Betrieb sehr stark eingeschränkt, weil Frequenzänderungen nur begrenzt möglich ist. Eine Lösungsmöglichkeit dieses Problems kann sein, mehrere Quarze eines Bandes umschaltbar anzuordnen, und diese dann nochmals zu ziehen, so dass man mindestens 50 bis 70 % des CW-Teiles eines Bandes überbrücken kann.
4.3.1.2 Grundtonquarze und Obertonquarze
Ein wichtiger Unterschied zwischen den Betriebsarten eines Schwingquarzes soll noch erläutert werden. Quarzfrequenz und Ausgangsfrequenz des Oszillators müssen nicht immer identisch sein. Bei dem vorher vorgestellten Quarzoszillator waren immer beide Frequenzen gleich, der Oszillator war für die Frequenz ausgelegt, für die der Quarz geschliffen ist. Dieser Oszillator ist ein Grundtonoszillator.
Man kann jedoch die Harmonischen des Oszillators direkt ausnutzen und weiter verstärken. Durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen ist es dann möglich, den Oszillator beispielsweise auf der 3. Oberwelle des Quarzes zu betreiben. Der Schwingkreis im Kollektor des Oszillatorstransistors wird einfach für diese Harmonische ausgelegt.
Grundtonoszillatoren findet man bis in den Frequenzbereich von ca. 20 MHz. Sie haben entweder keinen Schwingkreis am Ausgang oder einen auf die Grundfrequenz des Quarzes abgestimmten LC-Resonanzkreis.
Für höhere Frequenzen werden die Quarze auf der 3. Oberwelle der Grundschwingung betrieben. Man spricht dann von einem Obertonoszillator. Diese Oszillatoren haben immer einen auf die Ausgangsfrequenz abgestimmten Schwingkreis. Ein praktisches Beispiel für diese Schaltungsart zeigen Abb. 18b b) und das nächste Beispiel. Dabei kommt es aber auf die physikalischen Eigenschaften des Quarzes an. Allgemein gilt, dass man die meisten Obertonquarze auf ihrer Grundfrequenz benutzen kann, umgekehrt gibt es manchmal Probleme, besonders bei gradzahligen Vielfachen.
Beginnen wir jetzt mit 2 praktischen Anwendungen von Quarzoszillatoren. Wenig später ein Sender für das 40 m-Band, und hier
4.3.2 Eine Senderschaltung für CW-Betrieb auf 10 m.
Aus 3 Senderstufen lässt sich ein einfacher Morse-Sender für das 10 m-Band aufbauen. Der Sender kann ein-, zwei oder dreistufig betrieben werden. Die Ausgangsleitungen liegen dann bei ca. 50 mW, 200 mW und 1,5 W. Es wird empfohlen, den Sender stufenweise aufzubauen und zu erproben. Beginnen wir zunächst mit der Oszillatorstufe.
4.3.2.1 Der Quarzoszillator höherer Leistung für 28 MHz
Die folgende Schaltung beschreibt einen einstufigen quarzkontrollierten Sender für das 10 m-Band. Der Sender kann durch Tastung der Stromversorgung mit Morsezeichen moduliert werden. Die Ausgangsleistung liegt bei ca. 40 bis 50 mW, abhängig vom Widerstand R3. Wenn der angegebene Wert von 47Ohm eingebaut wird, beträgt die Sendeleistung ungefähr 40 mW. Man kann den Wert bis auf 33Ohm verkleinern, muß den Transistor dann allerdings kühlen. Wenn der Oszillator als Steueroszillator für eine nachgeschaltete Verstärkerstufe dienen soll, sollte der Wert von R 3 zwischen 100Ohm und 220Ohm liegen. Eine Antenne mit 50 Impedanz kann unter Zwischenschaltung eines Oberwellenfilters (siehe den entsprechenden Abschnitt in diesem Kapitel) direkt angeschlossen werden. Der Quarz ist diesmal zwischen dem Kollektor und der Basis geschaltet. Diese Schaltungsart bezeichnet man als Parallelresonanz. Durch die fehlende Gegenkopplung auf der Betriebsfrequenz (XC des Quarz ist hochohmig) wird die Arbeitsfrequenz eingestellt. Die vorher beschriebenen Maßnahmen, um die Quarzfrequenz zu variieren sind natürlich auch hier anwendbar.
Lt und Ct erlauben es, die Quarzfrequenz zu verändern (VXO-Schaltung). Ct kann dabei nicht beliebig verkleinert werden, weil sonst die Schwingungen des Oszillators aussetzen. Lt erhält 10 bis 15 Windungen 0,4 mm Kupferlackdraht auf einem zylindrischen Kern mit 6 bis 8 mm Durchmesser. Ct ist ein Drehkondensator mit ca. 10 bis 56 pF Kapazität.
Dr 1 ist eine HF-Drossel mit fast beliebigen Wert. Im Oszillator des Verfassers wurden 10 Windungen Kupferlackdraht auf einen Kern FT 37-43 gewickelt. Aber auch jede HF-Drossel aus CB-Geräten kann verwendet werden, wenn ihre Windungszahl größer als zehn Windungen ist. Falls keine Drossel zur Hand ist, wickelt man 20 Windungen 0,3 mm Kupferlackdraht auf einen Widerstand 100 k/1W.
LC 1 ist ein auf das 10 m-Band abgestimmter Schwingkreis. Das Windungszahlenverhältnis ist wieder annähernd 4 : 1. Die Spule kann auf einen Ringkern oder einen Zylinderspulenkörper gewickelt werden. Für eine Ringkernspule wird ein Kern FT 50-43 verwendet. Die Primärspule erhält dann 8 Windungen 0,4 mm Kupferlackdraht, die Sekundärspule 3 Windungen aus dem selben Draht. Der Parallelkondensator hat einen Wert von 18 pF. Der Ausgang an der Auskoppelspule hat eine Impedanz von annähernd 50Ohm .
Wenn man aus einem CB-Gerät die dort verwendeten Standardspulen entnimmt, können diese sehr gut in den Oszillator eingebaut werden. Die Parallelkapazität beträgt dann zwischen 22 pF und 39 pF, je nach Spulentyp. Diese Spulen haben meistens 6 bis 9 Windungen auf einem Zylinderspulenkörper mit 8 mm Außendurchmesser.
Der Oszillator muß eine HF-Spannung von 4 VSS an einem 50Ohm -Lastwiderstand erzeugen. Die Spannung am Ausgang muß rein sinusförmig und frequenzkonstant sein.
4.3.2.2 Etwas mehr Leistung für den 10 m-Sender: Die Treiberstufe
Eine Treiberstufe ergänzt den einstufigen CW-Sender zu einer zweistufigen Schaltung. Diese Verstärkerstufe arbeitet im C-Betrieb, die fehlende Linearität dieser Betriebsart ist bei einem CW-Sender nicht nachteilig, weil die abgestimmten LC-Kreise im Kollektorkreis die Ausgangsspannung sinusförmig filtern. Die Senderausgangsleistung an dieser Treiberstufe beträgt ca. 200 Milliwatt. Die Nachschaltung eines Oberwellenfilters ist hier unbedingt erforderlich, wenn der Sender ohne den nachfolgend beschriebenen Endverstärker betrieben wird, weil der Ausgangskreis nur als einfacher LC-Schwingkreis ausgebildet ist, und darum nur eine geringe Filterwirkung entwickelt.
LC 1 ist ein Schwingkreis für 10 m. Die Spule wird auf einen zylindrischen Spulenkörper (8 mm Durchmesser) mit Ferritkern gewickelt. Sie erhält 8 Windungen 0,4 mm Kupferlackdraht. Die Parallelkapazität beträgt 39 pF. Die Sekundärspule erhält 3 Windungen.
Der Transistor sollte möglichst gekühlt werden. Die Stufe arbeitet zwar im C-Betrieb mit hohem Wirkungsgrad und ohne Ruhestrom. Es kann jedoch bei längerer Tastung zu einer zu hohen Temperatur des Transistors kommen, was im Interesse der Lebensdauer vermieden werden muss. Als Typ eignet sich jeder HF-Transistor mit einer ft von ca. 150 MHz und einer maximalen Kollektorverlustleistung von 500 mW, z.B. ein 2 SC 1957 oder 2 N 3553.
4.3.2.3 Die Endstufe
Zum Abschluss soll eine Endstufe vorgestellt werden, die ebenfalls im C-Betrieb arbeitet. Sie verstärkt das von der Treiberstufe kommende Signal nochmals um ca. 10 dB auf einen Wert von ungefähr 1,5 W. Die Basis des Transistors liegt über die Ausgangsspule des Treibers auf Masse, was den Arbeitspunkt im C-Betrieb festlegt. Der Kondensator C 1 dient zur Unterdrückung von Schwingungsneigung, indem er Teile der am Eingang anliegenden Hochfrequenz gegen Masse kurzschließt. Die Ausgangsspule L1 hat die gleichen Daten wie die Spule der Treiberstufe. Die Parallelkapazität beträgt 22 pF. Die Drosseln Dr 1 und Dr 2 sind auf Ringkerne des Typs FT 50-43 gewickelt. Sie haben jeweils 15 Windungen Kupferlackdraht 0,4 mm Durchmesser.
Tr 1 ist ein HF-Leistungstransistor mit einer Kollektorverlustleistung von mindestens 2 Watt. Im Mustergerät des Verfasser wurden der Typ 2 N 3553 eingebaut. Dieser erzielte eine HF-Leistung von 1,6 Watt an einem 50 Dummy-Load. Der Transistor dieser Stufe muß in jedem Fall gekühlt werden. Weiterhin wurden gute Ergebnisse mit dem 2 SC 1306 erzielt.
Ein 50 Ohm-Filter am Ausgang schließt den Sender ab, die Daten entnehmen Sie bitte dem Abschnitt über die Senderausgangsfilter (Kapitel 4.14).
4.3.3 Ein quarzgesteuerter Sender für das 40 m-Band
Der nachfolgend beschriebene Sender ist 2-stufig aufgebaut. Er besteht aus einen PIERCE-Quarzoszillator mit einem Grundwellenquarz für das 40 m-Band sowie einer Endstufe mit 350 mW Ausgangsleistung. Der Oszillator kann wie der vorstehend gezeigte 10 m-Sender durch Tasten der Betriebsspannung mit CW moduliert werden. Die Ausgangsleistung des Oszillators beträgt ca. 30 bis 40 mW.
Die Endstufe arbeitet im A-Betrieb, und hat deshalb ein relativ reines Ausgangssignal. Trotzdem muß ein Ausgangstiefpaßfilter nachgeschaltet werden. Der Senderausgang hat eine Impedanz von 50 , so daß die in diesem Buch beschriebenen Senderausgangsfilter verwendet werden können.
Hinweise zu den verwendeten Bauteilen:
Für den Transistor Tr 1 kann jeder HF-Typ mit einer Verlustleistung von wenigstens 100 mW eingebaut werden. Der Transistor Tr 2 sollte für eine Kollektorverlustleistung von mindestens 0,7 Watt dimensioniert sein. Außerdem muß der Transistor gekühlt werden, weil er durch den permanenten Ruhestrom des A-Betrieb bereits ohne Sendertastung erwärmt wird. Wenn man dies umgehen will, kann man statt des Oszillators die Endstufe tasten. Dann reicht die Shaltung aber immer einen geringen Betrag an Hochfrequenzenenergie zur Antenne durch.
Die Spule L1 besteht aus primär 12 Windungen 0,4 mm Kupferlackdraht. Sekundärseitig sind 6 Windungen aufgebracht, so daß die Impedanz im Verhältnis 4 : 1 heruntertransformiert wird. Als Spulenkörper wird ein Ringkern FT 50-43 verwendet.
Die Drossel Dr 1 besteht aus 12 Windungen 0,4 mm Kupferlackdraht auf einem Ringkern FT 37-43. L2 hat primärseitig 10, sekundärseitig 5 Windungen vom selben Draht auf einem Ringkern FT 50-43.
Überprüfen der Schaltung: Der Sender muß am Ausgang ein sinusförmiges 7 MHz-Signal mit einer Amplitude von 12 VSS an einem 50Ohm-Lastwiderstand abgeben.