4. Kapitel Schaltungen und Technik von Sendern
4.4 Oszillatoren mit variabler Frequenz (VFOs) und hoher Frequenzstabilität
Die Nachteile des Quarzoszillators und des VXO, die fehlende oder stark eingeschränkte Möglichkeit, die Arbeitsfrequenz zu verändern, vermeidet der VFO. Das Hauptproblem bei dieser Schaltung ist aber die erzielbare
4.4.1 Allgemeines über Frequenzstabilität bei VFOs
Bisher war die erzielbare Frequenzstabilität bei keinem der behandelten Oszillatoren ein Problem. Beim VFO wird sie jedoch zur Hauptfrage. Da in den Schaltungen dieses Buches keine digitalen Frequenzsyntheseverfahren besprochen werden sollen, stellt ein VFO für den QRP-Amateur so gesehen die einzige Möglichkeit dar, einen größeren Frequenzbereich mit einer Oszillatorschaltung abzudecken.
VFOs verwenden als frequenzbestimmende Teile Schwingkreise aus Spulen und Kondensatoren (LC-Schwingkreise). Dies können sowohl Serien- als auch Parallelschwingkreise sein. Der mechanische Aufbau und die qualitative Ausführung dieses Schwingkreises sind es, die das Frequenzverhalten eines VFOs zu einem Großteil bestimmen.
Wenn man die unerwünschten Frequenzänderungen eines VFO betrachtet, wird man feststellen, das es drei verschiedene Arten von sogenannten “Drifts” bei freischwingenden Oszillatoren geben kann:
a) abrupte Änderungen
b) Kurzzeitdrifts
c) Langzeitdrifts
a) Abrupte Frequenzverwerfungen: Hier verändert der VFO seine Frequenz plötzlich, und ohne sich langsam auf die neue, veränderte Frequenz hinzubewegen. Sie haben ihre Ursache meist in unzureichendem mechanischen Aufbau, wenn sich etwa bei Erschütterungen und Bauteile von einer Position ruckartig in eine andere bewegen. Dadurch ändern sich Kapazitäten in der Schaltung, was zu einer Frequenzverwerfung führt.
b) Kurzzeitdrifts: Sie können hauptsächlich in den Zeiträumen beobachtet werden, in denen sich die Temperatur der frequenzbestimmenden Komponenten eines VFO verändert (“warm-up-phase”). Dies hat zur Folge, dass sich mechanische Abmessungen, wie z.B. die Plattenabstände von Kondensatoren oder die Windungsabstände einer Spule geringfügig verändern. Zusätzlich spielt die Änderung der Kapazität der Transistorgrenzschichten infolge Ausdehnung und Zusammenziehung durch Temperatureinflüsse hier eine Rolle.
c) Langzeitdrifts: Diese Drifts sind am schwierigsten in den Griff zu bekommen, weil ihre Ursache oft nicht sicher geklärt werden kann. Sie können einerseits ähnliche Ursachen wie Kurzzeitdrifts haben, also auf Temperatur oder Feuchtigkeitsänderungen beruhen, andererseits durch die Natur der verwendeten Bauelemente bedingt sein. Mechanische, physikalische oder chemische Eigenschaften der Schwingkreiskomponenten kommen als Ursache in Frage.
4.4.2 Konstruktion frequenzstabiler VFOs
Um es vorweg zu sagen: Es ist nicht möglich, mit den uns zur Verfügung stehend Mitteln, bei einem VFO eine Frequenzstabilität zu erzielen, wie beispielsweise bei einem PLL-Synthesizer oder einem DDS-System. Es ist aber durch gewissenhafte Auslegung der Schaltung und die sorgfältige Auswahl der Materialien sehr gut möglich, die unerwünschte Wanderung der Oszillatorfrequenz auf ein Minimum zu beschränken. Im folgenden Abschnitt sollen dafür einige Hinweise gegeben werden.
Vor allem muss geklärt werden, welche Frequenzstabilität überhaupt erwartet werden kann. Nun, zuerst ist zu sagen, dass jeder VFO nach dem Einschalten eine Drift beobachten lässt, was auf die Erwärmung der frequenzbestimmenden Komponenten zurückzuführen ist. Dies ist also völlig normal. Diese Drift sollte jedoch nach 10, 15 bis spätestens 30 Minuten abgeschlossen sein. Alles was dann an verbleibender Frequenzveränderung beobachtbar sein sollte, darf über einen Betrag von 150 Hz von der Sollfrequenz pro Stunde nicht hinausgehen.
Wie erreicht man diese Ziele?
a) Die Auswahl der Schwingkreisbauteile ist bei VFOs extrem kritisch. Für die Kondensatoren scheiden gewöhnliche Keramiktypen von vornherein aus. Diese Materialien haben ein Temperaturverhalten, das für einen stabilen VFO inakzeptabel ist. Sie ändern nämlich ihre Kapazitätswerte schon bei geringsten Temperaturänderungen drastisch. Statt solcher Keramiktypen verwendet man für den Schwingkreis und für die Koppelkondensatoren in der Oszillatorstufe sog. Styroflexkondensatoren oder solche Keramikkondensatoren, die keine Kapazitätsänderungen zeigen, wenn sich ihre Temperatur ändert (NP0-Typen).
Trimmerkondensatoren, die zu Zwecken der Bandspreizung eingebaut sind, dürfen keine keramischen Scheibentrimmer sein, sondern es müssen Folientrimmer oder am besten Lufttrimmer verwendet werden.
b) Weitere Schwingkreiskomponenten: Die Spule eines stabilen VFO darf kein Kernmaterial enthalten, das auf Ferritbasis aufgebaut ist. Ferrite neigen unter Temperatureinfluß ebenfalls sehr stark dazu, ihre magnetischen Eigenschaften zu verändern. Wenn man überhaupt einen Kern zum Abstimmen braucht, dann benutzt man einen Kupfer- oder Aluminiumkern. Diese haben jedoch im Gegensatz zu Ferriten diamagnetische Eigenschaften, woraus sich ergibt, dass die Frequenz des Oszillators steigt, wenn der Kern weiter in die Spule eingeführt wird. Vorteilhaft bei diesen diamagnetischen Stoffen ist aber andererseits, dass die Induktivität der Spule weit weniger durch den Kern beeinflusst wird wie bei einem ferromagnetischen Material. Die Frequenzveränderungen infolge Temperaturschwankungen sind folglich geringer.
Die Verwendung eines Schwingkreis mit möglichst hoher Güte hat oberste Priorität. Vermieden werden sollten Ringkernspulen (wenn möglich) und freitragende Spulen (unbedingt!). Letztere sind zwar von der Schwingkreisgüte sehr gut, aber mechanisch völlig instabil. Wenn man jedoch Ringkernspulen verwenden will, empfiehlt es sich, Eisenpulverringkerne aus Material-Mix 6 (mit gelber Farbkodierung, u = 8) oder Mix 10 (schwarz, u = 6) als Spulenträger zu benutzen. Dies liegt an den geringeren Permeabilitäten dieser Materialien, verglichen mit denen von Mix 2 (rot, u = 10). Die erzielbare Schwingkreisgüte ist dann höher. Weiterhin ist die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften nicht ganz so stark ausgeprägt, wie bei rotem Material oder solchem mit höherer Permeabilität.
Es müssen dann bei Verwendung von Ringkernspulen aus Eisenpulver aber in jedem Fall für die Kondensatoren Styroflex-Typen verwendet werden, weil beide Materialien (Kern und Isoliermaterial des Kondensators) entgegengesetztes Temperaturverhalten zeigen. Viel besser als Ringkernspulen sind Zylinderspulen auf starren Körpern, aber wie schon erwähnt, ohne Kern. Befestigt werden müssen die Windungen auf der Spule mit einem Kleber, wenn man keine Kammerspulenkörper verwendet.
Als variabler Hauptdrehkondensator sollte nur ein Kondensator mit Luft als Dielektrikum verwendet werden. Sein Aufbau sollte mechanisch sehr stabil sein, am besten ist die Welle kugelgelagert ausgeführt, wenn möglich an beiden Enden. Leider kostet solch ein Kondensator einen gewissen Betrag (30,- bis 50,- DM).
Wenn zusätzlich zum Drehkondensator Trimmer verwendet werden, um die Eckfrequenzen des VFO einzustellen, so sollten keine keramischen Trimmer eingebaut werden. Keramikkondensatoren aller Art haben in einem VFO (zumindest in dem Teil, der für die Frequenzerzeugung zuständig ist) wirklich nichts zu suchen.
c) Die Ankopplung des Schwingkreises an den nachfolgenden Transistor muß sehr lose sein. Man sollte versuchen, den Koppelkondensator (Ck) so weit zu verkleinern, dass der Oszillator immer noch ausreichende Ausgangsspannung erzeugt, und die Schwingungen sicher nicht abreißen, insbesondere wenn der Oszillator verstimmt wird. Das sichere Wiederanschwingen ist neben der Frequenzstabilität ein Kriterium für den richtigen Wert des Koppelkondensators.
d) Die Betriebsspannung des VFO muß in jedem Fall stabilisiert sein. Am besten geschieht diese Stabilisierung über 2 Stufen. Bei 12 V Haupt-Betriebsspannung wird beispielsweise als erste Stufe auf 10 oder 9 V begrenzt. Danach im zweiten Schritt auf 8 bis 6 V. Zwischen den Spannungen sollte eine Differenz von mindestens 2 Volt verbleiben, damit der Spannungsregler (wenn man keinen “Low-Drop”-Typ verwendet) immer genug Spannungsdifferenz zum Nachregeln hat.
e) Der VFO muß mit mindestens einer, besser zwei Pufferstufen ausgerüstet sein, um Schwankungen der Impedanz am Ausgang des Oszillators möglichst nicht zum Steuertransistor durchdringen zu lassen.
f) Der Steuertransistor des VFO sollte mit möglichst geringer Leistung betrieben werden, um eine zu starke Temperaturänderung der Steuerstufe zu vermeiden.
g) Es ist überdies empfehlenswert, den VFO räumlich getrennt von der restlichen Schaltung, insbesondere dem Sender zu betreiben. Am besten ist der Einbau in ein separates und abgeschirmtes Gehäuse. Sollte dies nicht möglich sein, sollte der VFO zumindest möglichst weit entfernt von den Leistungsstufen und dem Lautsprecher angeordnet sein. Dadurch werden Einstreuungen von HF von der Leistungsstufe in den VFO und mikrofonische Effekte durch Vibrationen vermieden, die durch den Lautsprecher ausgelöst werden.
h) Der VFO sollte sehr kompakt aufgebaut werden. Lange Leitungen nehmen einerseits Streuenergie auf (etwa von der Senderendstufe) andererseits wirken sich Längenänderungen infolge Temperaturschwankungen stärker auf die Induktivitäten der Leitungen aus. Doppelseitiges Platinenmaterial für VFOs ist nicht empfehlenswert, weil sich die Kapazität, welche die beiden Kupferseiten bilden, mit der Temperatur ändert.
Und ganz zum Schluss: Die Frequenz des VFO sollte so niedrig wie möglich gewählt werden. Als oberste Grenze gelten hier wohl 10 MHz. Ab dieser Frequenz ist ein VFO nur mit unwirtschaftlichen Maßnahmen zu stabilisieren. Wenn höhere Frequenzen benötigt werden, ist der Einbau einer Verdoppler- oder Verdreifacherstufe sinnvoll, oder man mischt die Frequenz des VFO mit einer stabilen Quarzfrequenz. Im ersten Fall werden zwar die Frequenzdrifts multipliziert, doch insgesamt ist die Anordnung stabiler, als ein VFO der direkt die hohe Frequenz erzeugt. Die Mischung hat einen höheren Aufwand, aber das beste Ergebnis. Die Schaltung eines VFO nach dem Superhetprinzip folgt später.
4.4.3 Bestimmung der Frequenzstabilität von VFOs
Wenn Sie jetzt schon soviel Arbeit in Ihren VFO investiert haben, und Sie vermuten, dass er stabil sein müsste, ist es Zeit dies zu überprüfen. “The proof of the pudding is the eating!”.
Für diese Messungen braucht man einen Frequenzzähler oder einen stabilen (also mit PLL-Synthesizer) ausgerüsteten Transceiver / Receiver. 30 Minuten nach dem Einschalten des VFO wird die Frequenz gemessen, und alle 5 Minuten wird die aktuelle Frequenz neu abgelesen. Tragen Sie diese Werte in ein Diagramm oder eine Tabelle ein, und beobachten Sie das Verhalten 2 Stunden lang. Der VFO sollte insgesamt innerhalb einer Stunde nicht mehr als 150 Hz gedriftet sein.
Wenn Sie einen Transceiver als Referenz benutzen, stellen Sie sicher, das er eine gewisse Zeit zum Einlaufen hatte. Wählen Sie das schmalste Empfängerfilter und stellen Sie die Frequenz Ihres VFO ein. Sie können ebenso gut eine Stimmgabel verwenden, um beide Frequenzen durch Erzeugen einer Schwebung zu vergleichen. Prüfen Sie über einen längeren Zeitraum, ob der VFO permanent im Filterdurchlaßbereich des RX liegt oder anhand der entstehenden Schwebung mit der Stimmgabel, ob die VFO-Frequenz konstant ist.
Die typische Frequenzwanderung eines VFO sieht wie folgenden im Diagramm aus. Man erkennt, dass die Frequenzdrift pro Minute immer geringer wird.
4.4.4 VFO-Typen
In der Sendertechnik gibt es viele verschiedene Typen von Oszillatoren, die meistens nach Ihren Entwicklern benannt sind. Für die in diesem Buch dargestellten Schaltungen kommen aus der Vielzahl der möglichen Grundschaltungen hauptsächlich in Betracht:
- Oszillatoren nach Hartley
- Oszillatoren nach Colpitts
Beide zeichnen sich durch ausgezeichnete Frequenzstabilität in Verbindung mit einfacher Schaltungsauslegung aus. Für jeden dieser Typen folgt eine Beschreibung und eine Beispielschaltung.
a) Hartley-Oszillatoren
Die Art der Rückkopplung ist bei diesem Oszillator charakteristisch. Sie wird durch die Anzapfung der Schwingkreisspule erreicht. Es ergibt sich somit eine phasenrichtige Rückführung von Teilbeträgen der erzeugten Sendeenergie zum Transistoreingang. Eine praktisch anwendbare Schaltung mit einem FET:
Der Transistor Tr 1 ist ein Feldeffekttransistor, wie beispielsweise der 2 SK 33, der 2 N 3819 oder der MPF 102. Der Schwingkreis LC 1 muss den vorher angeführten strengen Ansprüchen für Steuerschwingkreise in variable Oszillatoren genügen. Die Spule erhält Ihre Anzapfung ungefähr im unteren Viertel bis unteren Sechstel der gesamten Windungszahl. Die genaue Position der Anzapfung hängt von den Eigenschaften des Transistors ab: Je höher die Stromverstärkung des Transistors, desto geringer kann der Anteil der Anzapfung an der Gesamtgröße der Spule sein. Ein zu hoher Betrag an Rückkopplungsenergie erhält zwar sicher die Schwingung aufrecht, erzeugt aber eine verzerrte Wellenform und einen hohen Oberwellenanteil. Außerdem wird der Schwingkreis gedämpft, wenn die Anzapfung zu weit in die Mitte gelegt wird. Dadurch sinkt die Schwingkreisgüte, weil ein weiterer Widerstand dem Schwingkreis parallel geschaltet wird.
Der Kondensator C1 ist der Koppelkondensator zwischen Schwingkreis und Transistor. Er sollte so klein wie möglich sein. Das heißt konkret: genauso klein, dass der Oszillator sicher schwingt und ausreichend HF-Energie erzeugt. Als Richtwert kann gelten: 15 bis 50 pF (der Wert ist frequenzabhängig und durch Probieren zu ermitteln!). Für den Auskoppelkondensator C3 gelten ähnliche Bedingungen. Je kleiner er wird, desto geringer sind die Rückwirkungen der nachfolgenden Stufen auf den Steuerkreis. Natürlich wird mit kleinerer Kapazität, also steigendem XC, der Betrag der ausgekoppelte Energie immer geringer. Hier gilt es also, einen Kompromiß zu finden. Darum hier ein Richtwert: XC liegt im Bereich von 470 bis 2200 , abhängig von der Verstärkung der nachgeschalteten Puffer- und Verstärkerstufe(n).
b) Colpitts-Oszillator
Die Rückkopplung beim Colpitts-Oszillator wird über einen kapazitiven Spannungsteiler vorgenommen. Sein Vorteil liegt darin, dass man die Spule einfacher herstellen kann, weil die Anzapfung fehlt. Nachteilig wirkt sich aus, dass die beiden zusätzlichen Kondensatoren C 2 und C 3 ebenfalls in die Schwingkreiskapazität mit eingehen, und somit das Driftverhalten des Oszillators beeinflussen. Für die Auswahl dieser Kapazitäten gilt demnach das Gleiche, was für Schwingkreiskapazitäten gefordert wurde.
Die Werte von C 2 und C 3 richten sich dabei nach der Arbeitsfrequenz. C 2 sollte ungefähr 1,2 bis 2,2 mal so groß sein wie C 3. Der kapazitive Widerstand XC von C 2 liegt zwischen 200 und 1000 . Ansonsten gelten die gleichen Hinweise wie zum Hartley-Oszillator und das unter 4.3.1 ausgeführte. Sollte ein Colpitts-Oszillator einmal nicht schwingen, so kann das Verhältnis C2/C3 probeweise variiert werden.
Die Zenerdiode Z1 dient der Stabilisierung der Betriebsspannung. Die im Emitter liegende Spule Dr 1 ist eine HF-Drossel mit 1 mH Induktivität. Ersatzweise kann ein Widerstand mit einem Wert von 560Ohm eingebaut werden.
4.4.5 Abstimmung des VFO
Für die Abstimmung des VFO gibt es verschiedene Verfahren. Die bei Selbstbau-Amateurfunkgeräten am häufigsten angewendeten:
- Drehkondensator
- variable Spuleninduktivität
- Abstimmung mit einer Kapazitätsdiode
4.4.5.1 Abstimmung des VFO mit Drehkondensatoren und fester Induktivität
Normalerweise wird man den VFO mit einem veränderlichen Kondensator abstimmen, die Induktivität der Schwingkreisspule bleibt konstant. Für unsere Zwecke kommen nur Drehkondensatoren mit Luft als Dielektrikum in Frage. Temperatureinflüsse wirken sich bei einem Luftdielektrikum am geringsten auf die Frequenz des Oszillators aus. Drehkondensatoren mit Plastikfolien zwischen den Platten haben zudem eine zu große Gesamtkapazität (>100 pF). Leider sind Luftdrehkondensatoren relativ teuer.
Wenn man trotzdem auf die guten Eigenschaften eines Luftdrehkondensators Wert legt, und etwas mehr Arbeit investieren will, kann man sich einen solchen ohne weiteres selbst herstellen. Man benötigt dazu einen der im Handel (fast nicht mehr) erhältlichen Hartpapier/Folien-Drehkondensatoren mit 250 oder 500 pF Endkapazität, die Kunststoffolien als Dielektrikum verwenden.
Hier eine kurze Beschreibung für den Umbau. Sie ist anwendbar auf die meisten Drehkondensatoren, die im Fachhandel angeboten werden:
1.) Der Kondensator muss zerlegt werden. Die Nieten oder andere Befestigungsteile, die den Kondensator an den Ecken zusammenhalten, werden vorsichtig mit einem 1,5 mm-Bohrer herausgebohrt oder anderweitig entfernt, ohne das umgebende Hartpapiermaterial zu beschädigen. Die zentrale Welle wird anschließend aufgeschraubt, und der Kondensator vollständig zerlegt. Alle Einzelteile werden sorgfältig aufgehoben, bis auf die Kunststoffisolierungen. Diese können weggeworfen werden.
2.) Der Kondensator wird jetzt wieder als Luftkondensator, natürlich mit wesentlich weniger Platten, zusammengebaut. Um die unbeweglichen Statorplatten auf Distanz zu halten, beschafft man sich man kleine Unterlegescheiben (solche für M2-Schrauben). Die Entfernung zweier Statorplatten sollte 2 mm nicht unterschreiten. Statt der Nieten werden Schrauben der Stärke M2 in die Löcher an den Ecken der Preßplatten eingesetzt, anschließend werden die Statorplatten mit den Distanzscheiben zu einem Plattenpaket zusammengebaut. Wenn man 3 Statorplatten aufeinandergesetzt hat, verschraubt man das ganze Paket mit M2-Muttern.
Der Rotor wird anschließend zusammengebaut. Als Distanzscheiben nimmt man jene, die ursprünglich eingebaut waren. Dabei ist darauf zu achten, dass sich die Rotorplatten im Statorpaket zwischen den Platten frei bewegen können, ohne diese zu berühren. Sollte dies nicht über den ganzen Drehwinkel des Rotors der Fall sein, vergrößert man den Abstand der Statorplatten etwas. Auch geringfügiges Nachbiegen der Platten kann ausreichen.
Hinweis: Das ganze ist möglicherweise eine etwas langwierigere Arbeit. Man kann jedoch den Kapazitätswert des Kondensators recht genau an die eigenen Anforderungen anpassen. Dies kann durch Verändern der Anzahl der Rotor- und Statorplatten sowie deren Abstände geschehen. Für einen VFO im Bereich 5 MHz sind 3 Statorplatten und 2 Rotorplatten eine Ausgangsgröße, ab der man zu experimentieren beginnen kann. Außerdem erhält man auf diese Weise für wenig Geld einen stabilen Luftdrehkondensator, der dem VFO exzellente Frequenzstabilität verleiht.
Bei Verwendung eines Drehkondensators muss die Drehzahl der Achse untersetzt werden, damit man den Oszillator feinfühlig abstimmen kann. Normalerweise werden hierfür Feintriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von 1 : 3 bis 1 : 6 verwendet. Diese sind bei den meisten größeren Anbietern im Programm. Man muss jedoch 20,- bis 30,- DM für solch ein Bauteil veranschlagen.
4.4.5.2. Abstimmung mit variabler Induktivität und konstantem Parallelkondensator
Wenn man keinen passenden Drehkondensator zur Verfügung hat, und den Selbstbau eines Kondensators scheut, gibt es eine weitere Möglichkeit, ein relativ zuverlässiges Abstimmelement zu bauen: Die Lösung liegt in der Veränderung der Induktivität der Spule.
Spulen ändern bekanntermaßen ihre Induktivität, wenn man ein ferromagnetisches Material (z.B. Ferrit) oder einen diamagnetischen Stoff (z.B. Kupfer oder Aluminium) in die Spule hinein oder bereits in ihre unmittelbare Nähe bringt. Diese Tatsache kann man zum gezielten Abstimmen eines Schwingkreises ausnutzen. Wir wollen uns hier für ein diamagnetisches Material entscheiden. Dies hat drei Gründe:
a) Die erhältlichen Ferritmaterialien passen oft von ihren Maßen nicht in die Spulen, die der QRP-Amateur gerade konstruiert. Sie lassen sich überdies schlecht mechanisch bearbeiten.
b) Diamagnetische Stoffe (wie z.B. Kupfer) ändern ihre Eigenschaften mit der Temperatur nicht so stark.
c) Wenn man zwei Spuelnkerne mit gleichen Abmessungen hat, einen aus Ferrit und einen aus Kupfer, kann man feststellen, dass der Ferrit-Kern die Induktivität der Spule weit mehr beeinflußt, als der diamagnetische Kupferkern. In den VFOs unserer Sender wird jedoch immer nur ein kleiner Frequenzbereich überstrichen der meistens nur wenige hundert kHz breit ist (Mit Ausnahme des 10 m-Bandes).
Als diamagnetisches Abstimmelement kann Kupferlackdraht sehr gut verwendet werden. Er sollte einen Durchmesser von 1,5 bis 2,5 mm, der natürlich kleiner ist als der Spuleninnendurchmesser. Um eine exakte Abstimmung zu erzielen, soll der Draht genau dosierbar und exakt in die Spule hineingeschoben und wieder herausgezogen werden können. Dazu lötet oder klebt man ihn auf eine lange Schraube oder eine Gewindestange mit der Gewindestärke M3 oder besser M2 (wegen der geringeren Steigung des kleineren Gewindes und der daraus sich ergebenden besseren Justierbarkeit).
Wichtig bei diesem Aufbau ist, dass die Gewindemuffe, welche die Abstimmschraube führt, sicher und unbeweglich verschraubt oder auf eine andere Art befestigt ist. Diese Befestigung kann etwa auf der Platine oder an der Frontplatte des Gehäuses oder besser an zwei Punkten durchgeführt werden. Die Gewindestange muss eine sehr stabile Führung haben und darf sich nicht bewegen lassen. Zweitens sollte die Gewindestange in der Muffe möglichst wenig Spiel haben, nur so ist eine exakte Abstimmung zu erzielen. Wenn das Gewindespiel zu groß ist, und man feststellen kann, dass der Oszillator beim Durchstimmen abrupte Frequenzänderungen (Sprünge) erzeugt, kann man etwas Watte in die Muffe hineindrehen.
4.4.5.3 Bandspreizung
Es wird beim Bau eines VFO wohl nie sofort der Fall sein, dass der Drehkondensator zwischen seinen beiden Endstellungen genau den Frequenzbereich überstreicht, den man erreichen will. Aus diesem Grunde ist es nötig, eine Einstellmöglichkeit zu haben, um den Oszillator in den gewünschten Frequenzbereich zu “ziehen”.
Bild a) zeigt einen Schwingkreis ohne Bandspreizung. Der Drehkondensator C ist die alleine frequenzbestimmende Kapazität.
Im Bild b) wird dem Hauptkondensator C eine Kapazität Cs in Serie geschaltet. Dadurch verringert sich der Endwert der Gesamtschwingkreiskapazität, der Regelbereich wird eingeengt.
Bei c) wird zusätzlich eine Parallelkapazität Cp der Spule parallel geschaltet. Mit ihr kann man den VFO dann in den richtigen Frequenzbereich “hineinziehen”, und mit Cs die Breite des Abstimmbereichs bestimmen.
4.4.6 Ausrüstung des VFO mit einer RIT-Schaltung
Wenn ein Oszillator in einen Transceiver eingebaut werden soll, kann es wünschenswert sein, die Frequenz des Empfängers in besonderen Situationen geringfügig zu verstimmen, während die Frequenz beim Senden stets fest ist. Meistens wird der Oszillator so beschaltet, dass man zusätzlich zur Hauptkapazität eine weitere veränderliche Kapazität parallel schaltet. Wenn man diese Kapazität aus einer Varicapdiode bildet, kann der Frequenzoffset mit einer Regelspannung bequem eingestellt werden.
Die Kapazitätsdiode ist eine BA 102 oder ein Vergleichstyp. Der Kondensator C1 hat einen Wert von 0,1uF, der Wert von C 2 richtet sich nach dem Offsetbereich, den man erreichen will. Beim angegebenen Diodentyp und einer Oszillatorfrequenz von 7 MHz kann man mit einer Offsetspannung von 0 bis 6 V einen Bereich von ungefähr 2 bis 3 kHz überstreichen, wenn der Wert von C 2 4,7 pF beträgt. Alles weitere ist Experimentierarbeit.
Eine genaue Schaltungsbeschreibung für eine RIT-Schaltung enthält der Abschnitt über den SSB Transceiver im 6. Kapitel.
4.4.7 Die Pufferstufe für den Oszillator
Nach dem Oszillator muss eine Pufferstufe geschaltet werden, die den frequenzempfindlichen Oszillator gegen Änderungen an der Ausgangsimpedanz abschirmt. Diese Änderungen können auftreten, wenn eine der nachfolgenden Stufen getastet wird, oder wenn bei einem Transceiver statt dem Mischer des Empfängers nach dem Umschalten auf Sendung der Sendermischer mit dem VFO verbunden wird. Wenn sich die Impedanz am Ausgang der Steuerstufe des VFO ändert, hat dies immer Frequenzverschiebungen zur Folge.
Pufferstufen haben meist einen Verstärkungsfaktor von 1. Sie arbeiten oft als Emitter- oder Sourcefolger. Eine typische Schaltung einer Pufferstufe mit einem bipolaren Transistor kann wie in der vorstehenden Abbildung aufgebaut sein.
Beschreibung der Schaltung:
Die Transistoren Tr 1 und Tr 2 sind HF-Transistoren mit einer ft von 50 bis 100 MHz. Beide Stufen werden mit einer stabilisierten Spannung versorgt. Nach der Pufferstufe ist eine weitere Verstärkerstufe geschaltet, die im A-Betrieb arbeitet. Sie erzeugt neben der weiteren Trennung des Oszillators vom Ausgang eine Anhebung des Signales. Beide Stufen sind als Breitbandverstärker ausgeführt. Dies hat bei VFOs, die einen größeren Frequenzbereich überstreichen sollen, den Vorteil, daß die Ausgangsspannung über den gesamten Bereich annähernd konstant bleibt. Wenn man abgestimmte. schmalbandige Kreise im Signalweg des VFO-Signales hat, ist nicht gewährleistet, dass das Signal an den Rändern des Frequenzbereiches die gleiche Amplitude hat, wie in der Mitte. Außerdem erhöhen zusätzliche abgestimmte Kreise bei diesen Verstärkern die Gefahr des Selbstschwingens einer einzelnen Stufe oder des gesamten HF- Verstärkers.
4.4.8 Frequenzanzeige
Wir haben die Wahl zwischen analogen und digitalen Frequenzanzeigen. Erstere sind leichter zu konstruieren, weil meistens eine Anzeige verwendet wird, die die Stellung des Abstimmelements auf eine Skala überträgt. Diese Anordnungen sind ausreichend für den “normalen” Betrieb, bei dem es nicht auf 1 oder 2 kHz Frequenzgenauigkeit ankommt. Die meisten im Handel angebotenen Feintriebe haben bereits eine Skala, die aber von der Unterteilung meist nicht passend ist. Man kann hier seine eigene Skalenunterteilung anfertigen und diese überkleben. Die “Eichung” kann mit einem Frequenzzähler oder einem KW-Transceiver durchgeführt werden.
Digitale Zählerschaltungen arbeiten natürlich wesentlich genauer, haben aber zwei Nachteile. Erstens ist der Aufwand höher, was Schaltung und Kosten betrifft. Zweitens arbeiten diese Zähler mit Rechteckoszillatoren und digitalen Teilern, was zur Aussendung von einem breiten Spektrum an Frequenzen führt. Das unschöne Ergebnis davon ist, daß man diese breitbandigen Aussendungen als Rauschen im Empfänger hört. Solche Zähler müssen also abgeschirmt eingebaut werden und die Betriebsspannung des Zählermoduls muß sehr gut gesiebt werden, damit auch auf diesem Wege keine Störsignale in den Empfänger gelangen können.
Der schaltungstechnische Aufwand dieser Zähler läßt sich heute sehr klein halten, weil es bereits fertige Zählmodule auf dem Markt gibt, in die man die VFO-Frequenz nur noch einspeisen muß. Im ersten Kapitel findet sich ein Hinweis auf eine Veröffentlichung in der Zeitschrift Elektor, wo ein solches Modul behandelt wird.
Ein weiteres, weit höher integriertes Zählermodul ist das EA 6077, das von der Firma “Electronic Assembly” in Germering bei München angeboten wird. Es handelt sich um einen vollintegrierten Frequenzzähler auf CMOS-Basis mit LCD-Display. Er erlaubt die Einstellung von verschiedenen Zwischenfrequenzen, so daß es in Superhet- und Transceiver eingebaut werden kann. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die genannte Vertriebsfirma.
4.5 Praktische Schaltungen von Sendern mit variabler Frequenz
Wenn ein VFO konstruiert werden soll, bieten sich entweder die allgemeinen Prinzipschaltungen nach Hartley und Colpitts mit FETs an, die vorher gezeigt wurden, oder die nachfolgende eines mit bipolaren Transistoren bestückten Gerätes.
4.5.1 Ein universeller VFO mit bipolarem Transistor in Colpitts-Schaltung
Die gezeigte Schaltung zeigt einen einfachen, aber universell verwendbaren VFO mit 2 Transistoren. Die Steuerstufe enthält im Gegensatz zu den bisher gezeigten Prinzipschaltungen keinen FET sondern einen bipolaren Transistor. Der VFO kann sowohl als Steueroszillator für einen 80 m oder 40 m-Sender benutzt werden, oder als 5,5 MHz Oszillator für einen Transceiver. Eine Anwendung als sog. Geradeaus-VFO auf den Bändern 20 m und höher sollte aber vermieden werden, weil die Frequenzstabilität dort unzureichend ist. Wenn derart hohe Frequenzen erzeugt werden sollen, gibt es entweder die Möglichkeit die VFO-Frequenz mit einem quarzstabilisierten Oszillator zu mischen oder sie zu vervielfachen.
Eigenschaften und Herstellung der Schwingkreiskomponenten:
Für eine Betriebsfrequenz von 7 MHz wurden im Mustergerät des Verfassers folgende Bauteile im Schwingkreis eingebaut. Die Spule L wurde auf einen Ringkern T 50-6 (Permeabilität u = 8, gelbe Farbkodierung) gewickelt. Sie besteht aus 30 Windungen 0,4 mm Kupferlackdraht. Die Gesamtschwingkreiskapazität bestehend aus C 1, C 2 und C 3 muss ungefähr 100 pF betragen. Weitere Hinweise zur Einstellung des Frequenzvariationsbereichs des VFO können dem Abschnitt “Bandspreizung” entnommen werden. Auch hier sollten im Schwingkreis nur hochwertige Kondensatoren mit ausreichendem neutralem Temperaturverhalten eingebaut werden.
Der Ankoppelkondensator C 4 sollte so groß sein, dass die erste Stufe des VFO eine HF-Spannung von 300 mVSS produziert, dabei aber keine Verzerrungen des Signales zu beobachten sind. Mit ein wenig Experimentierarbeit lässt sich eine normgerecht geformte Sinusschwingung produzieren. Da sein Kapazitätswert abhängig von der Frequenz ist, stellt der angegebene Kondensator von 33 pF nur eine Näherung dar.
Die Transistoren Tr 1 und Tr 2 sind beliebige HF-Transistoren, etwa ein 2 SC 1675 oder vergleichbare Typen.
Die Betriebsspannung von Tr 1 wird über die Zenerdiode Z 1 (8,2 V) stabilisiert. Wenn der Oszillator eingebaut wird, erhält er seine Betriebsspannung über einen Spannungsregler 7810. Diese zweifache Stabilisierung der Betriebsspannung sorgt mit für eine gute Stabilität der Frequenz.
Die dem Oszillator nachfolgende Verstärkerstufe arbeitet in Emitterschaltung und erzeugt eine HF-Spannung von 2,5 bis 3 VSS.
4.5.2 Ein freischwingender Oszillator nach dem Mischerprinzip
Eine ganz andere Art von Oszillatorschaltung als in den vorangegangenen Abschnitten soll nun behandelt werden. Es handelt sich um einen freischwingenden Oszillator der eine relativ niedrige Frequenz erzeugt, die dann anschließend durch Mischung auf eine beliebige andere Frequenz (in der Regel eine wesentlich höhere) umgesetzt werden kann. Die Vorteile eines VFO mit niedriger Frequenz bezüglich Frequenzstabilität bleiben durch die Mischung mit einem Quarzoszillatorsignal voll erhalten. Der “superheterodynamische” VFO stellt im Vergleich zur ebenfalls anwendbaren Frequenzverdopplung die bessere Lösung dar, wenn man hohe Oszillatorfrequenzen erzeugen will (f > 10 MHz). Bei der Verdopplungsmethode werden Frequenzveränderungen multipliziert, bei der Mischung bleibt es bei einer Addition. Leider müssen die Vorteile des Mischer-VFO mit einem erheblich höheren Schaltungsaufwand erkauft werden.
Der Mischer-VFO besteht aus
- Quarzoszillator(XO)
- VFO
- Mischer
- Ausgangsverstärker
Der Mischer ist mit dem doppelt-balancierten IC MC 1496 aufgebaut. Er erhält seine beiden Signale aus einem Quarzoszillator für Grundwellenquarze und einem VFO. Die Frequenz des VFO sollte im Bereich von 4 bis 7 MHz liegen. Alle Designgrundsätze, die vorher schon erläutert wurden, gelten natürlich ebenso für diesen Steueroszillator.
Die Quarzfrequenz des XO errechnet sich aus der gewünschten Ausgangsfrequenz minus der VFO-Frequenz, so dass das Ausgangssignal durch Addition der beiden Eingangssignale entsteht. Sie kann im Bereich von 4 bis 18 MHz liegen, wenn ein Grundwellenquarz eingebaut wird.
Bei der Auswahl der Frequenzen muss jedoch unbedingt beachtet werden:
Die Frequenzen der Oszillatoren sowie die vorgesehene Ausgangsfrequenz dürfen nicht in harmonischer Beziehung zueinander stehen. Sonst kann ungewollt am Ausgang statt eines Mischproduktes eine Oberwelle eines der beiden Signale auftreten. Weiterhin ist darauf zu achten, dass in dem Fall, wenn der Oszillator in einen Transceiver eingebaut wird, weder die VFO-Frequenz noch deren Harmonische in den ZF-Kanal des Empfängers hineinfallen.
Die Schwingkreise LC 2, LC 3 und LC 4 sind auf die Ausgangsfrequenz abgestimmte Kreise. Sie können entweder auf Zylinderspulenkörper oder Ringkerne (FT 37-43) gewickelt werden. Diese Schwingkreise müssen selbstverständlich abstimmbar sein. Die Spule von LC 2 hat ihre Anzapfung genau in der Mitte.
Tr 1, Tr 2 und Tr 3 sind HF-Transistoren im Kleinleistungsbereich (2 SC 1675 o.ä.).
Weiterhin ist es empfehlenswert, diesen VFO in ein separates, abgeschirmtes Gehäuse einzubauen. Der Grund: Durch die Mischung im IC entstehen zusätzlich unerwünschte Mischprodukte, weil kein Mischer wirklich linear arbeitet (sonst wäre es kein Mischer). Es kann also zum Empfang von solchen ungewollten Mischprodukten kommen, die dann unter Umständen den Empfänger an bestimmten Stellen “zustopfen”. Des weiteren sollte immer die Betriebsspannungszuführung zu diesem Oszillator verdrosselt und mit 0,1 F-Kondensatoren gegen Masse kurzgeschlossen werden.
4.6 SSB-Generatoren
Wie schon angekündigt, soll der Schwerpunkt dieses Buches auf der Erzeugung von SSB-Signalen liegen (phone-operation, we love you!). SSB-Signale werden standardmäßig in Balance-Modulatoren erzeugt, die den Träger bereits unterdrücken. Diese Modulatoren können als aktive (= verstärkende) und passive (= nicht verstärkende) Mischer realisiert werden. Im folgenden Abschnitt sollen beide Schaltungsarten besprochen werden.