SSB-Generatoren
4.6 Schaltung von SSB-Generatoren nach der Filtermethode
Wie schon angekündigt, soll der Schwerpunkt dieses Kapitels auf der Erzeugung von SSB-Signalen liegen (phone-operation, we love you! 😉 ).
SSB-Signale werden standardmäßig in Balance-Modulatoren erzeugt, die den Träger des Signals unterdrücken. Diese Modulatoren können als aktive (= verstärkende) und passive (= nicht verstärkende) Mischer realisiert werden. Im folgenden Abschnitt sollen beide Schaltungsarten besprochen werden.
4.6.1 Ein SSB-Generator mit passivem Diodenmischer
Als erste Schaltung wird ein passiver Diodenringmischer einschließlich Peripherie beschrieben, der ein Signal mit doppeltem Seitenband erzeugt. Trägerfrequenz und eingespeiste Niederfrequenz erscheinen dagegen bei dieser Schaltung nur noch sehr stark abgeschwächt am Ausgang oder gar nicht. Ein sich anschließendes SSB-Filter beseitigt das unerwünschte Seitenband und den eventuell vorhandenen Restträger, so dass ein reines Einseitenbandsignal entsteht.
Die Trägerunterdrückung kann mit dem Potentiometer VR 1 eingestellt werden. Der Generator darf dann, wenn nicht moduliert wird, nur ein HF-Ausgangssignal mit minimalem Pegel erzeugen. Der Signalpegel dieser Restspannung liegt dann 35 bis 40 dB unter jenem, das am Ausgang der Schaltung anliegt, wenn der Modulator voll ausgesteuert wird. Solche Werte von Trägerunterdrückung sind für unsere Geräte mit geringen Ausgangsleistungen völlig ausreichend.
Als Mikrofonverstärker wird der bereits in Kapitel 3.3.3 behandelte IC Verstärker benutzt, der mit einem Operationsverstärker A 741 arbeitet. Der Ausgangspegel aus diesem Verstärker ist ausreichend, wenn ein dynamisches Mikrofon angeschlossen ist, das bei normalem Besprechen 50 mVSS Ausgangsspannung liefert.
4.6.1.1 Der Ringmodulator
Der eigentliche Modulator besteht aus den Dioden D1 und D2 (1 N 1418, 1 N 914 o.ä.) und dem Breitbandtransformator L1. Dieser wird folgendermaßen hergestellt: Auf einen Amidon-Ringkern FT 37-43 oder kleiner (Kernmaterial jedoch immer 43) wird eine trifilare Wicklung aufgebracht. Trifilar heißt, das man vor dem Bewickeln des Kernes drei Spulendrähte miteinander verdrillt. Die Drahtstärke kann relativ gering sein (0,4 mm Durchmesser) je nach Größe des verwendeten Kerns und Geschick des Konstrukteurs. Beim Verdrillen sollte darauf geachtet werden, dass die Drähte gleichmäßig und sehr dicht miteinander verwickelt werden. Am besten nimmt man dazu eine Handbohrmaschine, in die man die Drähte einspannt. Das andere Ende kommt in einen Schraubstock. Unter langsamem(!) Drehen wird der Draht gespannt gehalten, so dass sich eine saubere und exakte Umwicklung der drei Drähte ergibt.
Anschließend werden 15 Windungen aus diesem dreiadrigen Draht auf den Kern aufgewickelt. Die 3 Drähte, die an dem gleichen Ende herauskommen, haben den gleichen Wicklungssinn. Sie sind in der Schaltskizze mit einem X gekennzeichnet. Beim Einbau in die Schaltung muss dieser Wicklungssinn unbedingt(!) eingehalten werden, weil sonst der Modulator nicht zufriedenstellend arbeitet und die Trägerunterdrückung mangelhaft ist.
Anschluss 1 ist verbunden mit 2, 3 mit 4 und 5 mit 6. Die Dioden sollten vor dem Einbau in die Schaltung stets so ausgewählt werden, dass Ihre elektrischen Daten möglichst gleich sind. Der zu bestimmende Wert ist der Widerstand in Durchflußrichtung. Dazu geht man wie folgt vor: Man beschaffe sich einen größeren Posten (mindestens 50 Stck.) dieser Dioden (1 N 914 oder 1 N 1418). Da es sich um Massenware handelt, schlägt diese Anschaffung nicht besonders zu Buche. Dann werden die Dioden mit dem Ohmmeter oder Diodenprüfer untersucht. Wenn man zwei gefunden hat, die ähnliche oder gar gleiche Widerstandswerte beim Durchlass aufweisen, hat man ein passendes Paar. Diese Messung kann man allerdings nicht mit allen Diodentestern durchführen. Mit dem Diodenprüfer, der in die meisten Vielfachmeßgeräte eingebaut ist, geht es aber meistens ohne Probleme. Wenn Sie ein Paar Dioden nicht in der gezeigten Weise zusammenstellen können, können Sie es einmal mit 2 zufällig zusammengestellten versuchen. Besser ist aber ein einigermaßen zueinander passendes Paar. Die Trägerunterdrückung ist effektiver, die erzielbaren Dämpfungswerte (dB) des Restträgers sind höher. Die Drossel Dr 1 ist eine Festinduktivität in Widerstandsbauform. Sie hat den Wert 1 mH. Die maximal erzielbare Trägerunterdrückung kann nach Erfahrung des Verfassers mit dieser Schaltung 40 dB betragen.
4.6.1.2 Das SSB-Filter
Hier wird meistens ein kommerzielles Filter verwendet, für das ca. 20,- bis 50,- EUR investiert werden müssen. Leider ist dies eine etwas teure Anschaffung, die durch die Selbstanfertigung eines Filters umgangen werden kann (siehe den entsprechenden Abschnitt hier und den im 9. Kapitel). Diese kommerziellen Filter gibt es meistens mit Frequenzen von 9 beziehungsweise 10,695/10,7 MHz. Zusätzlich zu dem Filter sollten Sie die entsprechenden 2 Quarze für die Seitenbänder mitbestellen, jeweils einen für das untere Seitenband (LSB) und einen für das obere Seitenband (USB). Diese kosten dann noch mal 10,- EUR pro Paar. Wenn Sie das Glück haben, aus einem alten CB-Funkgerät, das SSB-tauglich war, ein Filter auslöten zu können, löten Sie zusätzlich die beiden Seitenbandquarze aus, die sich ebenfalls im Gerät befinden.
Die im Handel erhältlichen SSB-Filter (ebenso wie Empfängerfilter) haben, neben einer genau definierten Durchlassfrequenz und Bandbreite, eine genau bestimmte Eingangs- und Ausgangsimpedanz, die meistens zwischen 1 und 3 kOhm liegt. Mit diesen Impedanzen müssen die Anschlüsse des Filters abgeschlossen (terminiert) werden, um eine minimale Welligkeit der Filterdurchlaßkurve zu erreichen. Welligkeit heißt in diesem Zusammenhang, dass der Sattel der Durchlaßkurve im Passbandbereich möglichst geradlinig verlaufen sollte, um bestimmte Frequenzbereich des übertragenen Spektrums nicht zu bevorzugen oder zu benachteiligen.
Weil leider meistens nicht bekannt ist, welchen Impedanzwert die Schaltungsteile besitzen, die an das Filter anschließen, geht man davon aus, dass diese Impedanzen in der Regel höher sind, als die Filterimpedanz. Um dann einen impedanzrichtigen Abschluß zu erhalten, schaltet man von den Filteranschlüssen Widerstände gegen Masse, die ungefähr den gleichen Wert haben, wie die vom Hersteller angegebene Impedanz am Ein- bzw. Ausgang des Filters. Diese Schaltung sieht dann so aus:
Die beiden Widerstände R1 und R2 haben den gleichen Wert wie die vom Hersteller angegebene Impedanz des Filters oder sind geringfügig (10 %) größer. Es ergibt sich so eine einigermaßen genaue Impedanzanpassung, die zumindest genauer ist, als wenn man die Terminatorwiderstände einfach weglassen würde. In den folgenden Schaltungen müssen Sie die Werte für diese Widerstände selbst aufgrund der Herstellerangaben ermitteln. Wenn das nicht möglich ist, kann 2,2 kOhm eingebaut werden.
4.6.1.4 Der Trägeroszillator
Als Trägeroszillator wird ein Quarzoszillator verwendet, der mit den Schwingquarzen arbeitet, die zu dem Filter passend sind. Der Quarzoszillator gibt seine Wechselspannung in die dritte Wicklung des trifilaren Transformators L 1 hinein ab.
Wie man leicht erkennen kann, handelt es sich um den schon bekannten Quarzoszillator, der allerdings um eine Umschaltung für die Seitenbänder ergänzt wurde. Die beiden Trimmer VC 1 und VC 2 ermögliche eine genaue Justierung der einzelnen Quarzfrequenzen. Sehen Sie sich dazu den Abschnitt “Abgleich und Test” an. Wenn Sie diese Schaltung später in ein Gehäuse einbauen, achten Sie darauf, dass die Leitungen zwischen dem Umschalter und den Quarzen beziehungsweise Masse möglichst kurz sind. Max. 5cm sind ein akzeptabler Wert. Verwenden Sie sonst entweder ein Platinenrelais, oder bauen Sie die SSB -Aufbereitung in der Nähe der Frontplatte ein. Eine Alternative zum Umschalten aus größerer Entfernung besteht im Umschalten der Quarze mit Transistoren:
Die Transistoren Tr 1 beziehungsweise Tr 2 sind in dem Moment hochohmig, wenn an den Basiswiderständen (1 kOhm ) keine Spannung anliegt. Wenn ein Seitenband geschaltet werden soll, muss die Basis des betreffenden Transistors auf +12 V gelegt werden, dieser schaltet dann den Quarz gegen Masse durch. Zusätzlich verbessern lässt sich diese Schaltung, wenn von den Basen 10 k Widerstände gegen Masse geschaltet werden, die die Eingänge der Transistoren in nichtgeschaltetem Zustand eindeutig auf 0 Volt legen.
Es soll aber nicht verschwiegen werden, dass diese Schaltung Probleme aufwerfen kann. Beim Verfasser kam es bei manchen Oszillatorschaltungen und Schwingquarzen zu dem Effekt, dass die Quarze nicht mehr abgeschaltet werden konnten. Dies ist auf eine zu große Emitter-Kollektor-Kapazität der Transistoren zurückzuführen. Es sollten daher Experimente mit verschiedenen Quarzen und Transistoren durchgeführt werden. Im Gegensatz zu der häufig beschriebenen Umschaltung mit Dioden haben diese Transistoren dagegen den großen Vorteil einer kleineren Kapazität, wegen der 2 nacheinandergeschalteten PN-Übergänge.
4.6.1.5 Abgleich und Test
Wenn Sie über einen Frequenzzähler verfügen, können Sie den Trägeroszillator vorab einstellen. Schließen Sie den Zähler an de Ausgang des Oszillators an, und schalten Sie auf LSB. Regeln Sie mit dem Trimmkondensator, der dem Seitenbandquarz für dieses Seitenband in Reihe geschaltet ist, die Frequenz auf ungefähr 9001 kHz ( 300 Hz) ein. Anschließend stellen Sie die Trägerfrequenz für das obere Seitenband auf 8999 kHz ein ( 300 Hz). Je nach Frequenzplan Ihres Gerätes müssen Sie evtl. USB und LSB vertauschen.
Geben Sie anschließend einen Sinuston mit 1000 Hz und einer Spannung von 50 mVSS auf den Eingang des Mikrofonverstärkers. Schließen Sie ein Oszilloskop an des Ausgang des Verstärkers an, und überzeugen Sie sich, dass der Verstärker mindestens eine Spannung von 2 VSS NF erzeugt.
Als nächstes schließen Sie das Oszilloskop an den Ausgang des SSB-Filters an. Wenn der Modulator jetzt mit HF und NF versorgt wird, müssen Sie ein Signal am Ausgang des Filters erkennen. Das Signal muss sich verändern (am besten ist es, wenn die Amplitude zurückgeht, in dem Moment, wo Sie die NF-Amplitude verkleinern). Wenn Sie kein Signal sehen, messen Sie am Eingang des Filters, hier muss ein Signal vorhanden sein. Schließen Sie das Oszilloskop wieder am Ausgang des Filters an, und verändern Sie den Trimmkondensator am Quarz, bis ein Signal erscheint. Sie stellen dadurch die Seitenbandfrequenz des Trägers so ein, dass das Seitenband durch die Filterdurchlasskurve hindurch passt.
Wenn Sie ein Signal sehen können, messen Sie am Ausgang des HF-Verstärkers. An dieser Stelle müssen Sie auf dem Oszilloskop ein sinusförmiges HF-Signal feststellen können. Stellen Sie den Trimmer des Seitenbandquarzes so ein, dass die Sinuskurve die sauberste Form hat, und insbesondere die Einhüllungen der Kurven möglichst wenig “verschmiert” sind. Diese Prozedur muss dann ebenfalls für das andere Seitenband wiederholt werden.
Am Trimmpotentiometer VR 1 stellen Sie die Trägerunterdrückung so ein, dass bei Fehlen eines niederfrequenten Modulationssignales, die Amplitude des Restträgers möglichst gering ist. Regeln Sie anschließend die NF-Amplitude wieder hoch, um zu überprüfen, ob die Form der Hüllkurven den Ansprüchen genügt, die im vorigen Absatz formuliert wurden. Der SSB-Modulator sollte bei voller Aussteuerung ein Spitzenspitzenspannung von 2 bis 3 V Hochfrequenz erzeugen.
4.6.2 Ein SSB-Generator mit Differenzverstärker IC CA 3028 A
- Die folgende Schaltung wurde von der Firma TenTec in ihren schon legendären QRP-Transceiver Argonaut II eingebaut. Ursprünglich wurde der Differenzverstärkerbaustein CA 3053 verwendet, der heute jedoch nur noch schwer zu erhalten ist. Die Schaltung funktioniert jedoch ebenso mit einem CA 3028 A, der zu dem ursprünglich verwendeten Baustein sogar anschlusskompatibel ist.
Der CA 3028 A ist ein idealer Mischerbaustein für den QRP-Konstrukteur, weil es sich sehr gut als Mischer für allgemeine Anwendungen benutzen lässt, denn über den Regelanschluß AGC kann man eine Wechselspannung mit einer zweiten Spannung mischen, die an Anschluss 1 oder 5 unsymmetrisch oder an beiden symmetrisch zugeführt wird. Mit dem CA 3028 lassen sich folgende Mischertypen aufbauen:
NF + HF => HF (z.B. SSB-Modulator, Balancemodulatoren) - HF + HF => HF (z.B. RX-Mischer, TX-Mischer )
- HF + HF => SSB und CW Demodulatoren, Produktdetektoren)
Schaltungen zu diesen Anwendungen werden später vorgestellt. Mit dem CA 3028 A kann man als Konstrukteur eine Menge machen (Es lohnt sich daher, immer 1 oder 2 Bausteine vorrätig zu haben)
Und hier die Daten dieses Verstärker ICs: Frequenzbereich DC bis 60 MHz, Verstärkung bei 10,7 MHz ca. 35 bis 40 dB (Abhängig von der Beschaltung).
Beschreibung: Es handelt sich um ein sogenanntes Differenzverstärker-IC. Derartige ICs werden in der Messtechnik verwendet und natürlich als Verstärker im NF- und HF-Bereich. Die charakteristische Schaltung besteht aus einer Brückenschaltung aus 2 Transistoren sowie einem Emitterstromregler mit einem 3. Transistor. Dieser Anschluss (Pin 2) ist aus 2 Gründen interessant. Erstens kann man mit dem Steuertransistor den Emitterwiderstand und damit den Verstärkungsfaktor der beiden Brückentransisoren regeln. Diese Möglichkeit lässt sich in einem ZF-Verstärker, der mit Differenzverstärker-ICs aufgebaut ist, einsetzen, um eine AGC zu realisieren. Zweitens kann man über diesen Eingang eine multiplikative Mischung erzeugen, weil beide Transistorstrecken in Serie geschaltet sind. (Siehe dazu die Erläuterungen am Ende dieses Buches unter dem Stichwort “Multiplikative Mischung”)
Man legt dann auf die ein oder beide Eingänge (Pin 1 und 5) das eine HF-Signal und auf die Basis des Emittertransistors das andere. so dass an den Kollektorausgängen ein Mischprodukt (f1 f2) aus beiden Eingangssignalen abgenommen werden kann.
Als Trägeroszillator kann wiederum die Schaltung aus dem vorangegangenen Abschnitt verwendet werden. Falls es sich zeigen sollte, dass der Pegel des HF-Trägersignals zu hoch ist, was an einer mangelhaften Trägerunterdrückung erkennbar ist, kann man den Wert des Kondensators C4 (1 nF) bis auf 100 pF absenken.
Das NF-Signal, das in diesen Modulator gelangt, kommt wieder von einem Mikrofonverstärker. Hier kann ebenfalls der bereits vorher beschriebene Verstärker mit dem IC uA 741 eingebaut werden.
Die Trägerunterdrückung wird mit dem Regler VR 1 so justiert, daß sich ein minimaler Trägersignalpegel ergibt, wenn keine Modulationsspannung auf dem NF-Eingang liegt.
LC 1 ist ein auf die jeweilige Trägerfrequenz abgestimmter Schwingkreis. Die Anzapfung der Spule liegt genau in der Mitte der Primärwindung, um eine Symmetrie der Schaltung des Verstärkerausgangs (Pin 6 und 8) zu erhalten. Für die Bestimmung der Werte der beiden Terminatorwiderstände am SSB-Filter lesen Sie bitte Abschnitt 4.4.1.2.
4.6.3 Ein SSB-Generator mit dem Mischer-IC MC 1496
Während das IC CA 3028 A eigentlich kein IC ist, das besonders für Mischeranwendungen gedacht ist, sondern man nur den internen Schaltungsaufbau für Mischerzwecke ausnutzt, handelt es sich bei dem IC MC 1496 von Motorola um einen reinen Mischerschaltkreis, eine sog. “Gilbert-Zelle”. Sein innerer Aufbau gleicht dem Differenzverstärker des CA 3028, aber hier wurden noch zusätzliche Transistoren integriert. Mit diesem Baustein läst sich natürlich ein SSB-Modulator aufbauen. Das MC 1496 wird in 2 Gehäuseausführungen geliefert. Als MC 1496 F oder MC 1496 N kommt es im 14-poligen DIL-Gehäuse. Als MC 1496 H in einem Rundgehäuse. Die folgende Übersicht zeigt, wo welcher Anschluss an welcher Stelle bei beiden Gehäusebauform liegt. Alle Gehäuse werden von oben betrachtet:
Die Anschluss-Pins haben jeweils folgende Belegung:
| Anschlußbezeichnung | MC 1496 F | MC 1496 G, H |
| Positive Signal In | 1 | 1 |
| Gain Adjust 1 | 2 | 2 |
| Gain Adjust 2 | 3 | 3 |
| Negative Signal In | 4 | 4 |
| Bias | 5 | 5 |
| Positive Out | 6 | 6 |
| V | 14 | 10 |
| Negative Out | 12 | 9 |
| Negative Carrier In | 10 | 8 |
| Positive Carrier In | 8 | 7 |
| NC (not connected) | 7, 9, 11, 13 |
Eine Standardapplikation für einen SSB-Generator mit dem MC 1496 hat das in Abb. 40 gezeigte Schaltbild:
Die Trägerunterdrückung wird wieder mittels des Regelwiderstandes VR 1 so justiert, dass sich ein minimaler HF-Pegel am Ausgang ergibt, wenn kein NF-Signal auf den Modulator gegeben wird. Der Pegel des HF-Trägersignals, das an Pin 10 eingespeist wird, sollte bei ca. 300 mVSS liegen, um die beste Trägerunterdrückung zu erzielen.
4.6.4 Selbstherstellung von SSB Filtern
Leider sind kommerziell angebotene SSB-Filter nicht ganz billig. Seit einigen Jahren gibt es deshalb in der Amateurliteratur Schalt- und Bauvorschläge für die Selbstanfertigung von SSB- und CW-Filtern für Sender und Empfänger. Diese Lösungsmöglichkeiten sind ein guter Kompromiss, weil die verwendeten Bauteile relativ preisgünstig zu erhalten sind. Leider haben die selber hergestellten Filter den Nachteil, daß insbesondere ihre Impedanzen an Ein- und Ausgang nicht genau bestimmbar sind. Man muß dazu nämlich die Werte der Blindwiderstände des Quarzes kennen.
Man unterscheidet Ladder-Filter (von engl. ladder = Leiter) und Lattice-Filter. Beschäftigen wir uns erst mit Ladder-Filtern. Abb. 41a zeigt den typischen Aufbau und die Frequenzdurchlaßkurve eines solchen Filters. Die Frequenzdurchlaßkurve wurde ermittelt, indem ein Meßsender, ein Oszilloskop und ein Frequenzzähler benutzt wurden. Dieses Filter kann in einen SSB-Empfänger gut eingebaut werden, seine Filterdurchlaßkurve ist ausreichend schmal.
Ladder-Filter werden aus Schwingquarzen, wie sie in CB-Funkgeräten oder Computern verwendet werden, hergestellt. Da diese Quarze in sehr großer Stückzahl produziert werden, sind sie vergleichsweise preisgünstig. Insbesondere die in CB-Funkgeräten eingebauten Quarze eignen sich sehr gut. Hierbei handelt es sich um sogenannte Obertonquarze mit einer Frequenz zwischen 26,965 und 27,225 MHz im 10 kHz-Raster. Quarze dieser Bauart haben eine Grundfrequenz von ungefähr einem Drittel des aufgedruckten Wertes, das heißt, die Oszillatoren schwingen auf der dritten Oberwelle. Eine genaue Tabelle von den im CB-Funk verwendeten Kanalnummern und den dazugehörigen Frequenzen findet sich im Anhang. Neben den CB-Quarzen kann man auch Computer-Quarze verwenden. Eine Standardfrequenz, die in IBM-kompatiblen PCs eingesetzt wird, ist 14,318 MHz. Viele Anbieter haben derartige Standardquarze zu geringen Preisen im Programm (pro Quarz 1,- bis 3,- DM).
Wenn Sie Quarze auswählen, ist neben dem Preis noch ein anderes Kriterium wichtig: Die Quarzfrequenz darf nicht in den ZF-Bereich des Empfängers fallen. Deshalb scheiden die 14,318 MHz Quarze für 20 m-Empfänger aus.
Konstruktion des Ladder-Filters in der Praxis: Es wird eine bestimmte Anzahl von Quarzen in Reihe geschaltet. Die Anzahl hängt von der Anwendung und erwarteter Bandbreite ab. Alle Quarze haben die gleiche Frequenz. Wenn man ein SSB-Sender- oder Empfängerfilter bauen will, benötigt man mindestens 4 gleiche Quarze für das Filter und 1 bis 2 zusätzlich für den Seitenbandträgeroszillator. Ein recht brauchbares Quarzfilter für SSB-Senderfrequenzaufbereitung zeigt Abb. 41b. Die Durchlaßkurve dieses Filters ist noch etwas schmaler als die des in Abb. 41a gezeigten.
Eine weitere Filterschaltung ist das sogenannte Lattice-Filter.
Es verwendet wie das Ladder-Filter Quarze, allerdings haben diese nicht exakt die gleiche Frequenz. Diese Filter werden meist für Empfänger, aber auch in SSB-Generatoren eingesetzt. Die Frequenzen der beiden Quarze liegen etwa um den Betrag der gewünschten Durchlaßbandbreite auseinander. Der Eingangsschwingkreis wird mit C1 auf Resonanz mit der HF/ZF abgeglichen, um maximale Resonanzspannung zu erzielen. Der Transformator kann trifilar (15 Windungen 0,3 mm Kupferlackdraht) auf einen Ringkern FT-37-43 gewickelt werden. Erfahrungen zeigen, daß diese Filter für SSB-Empfänger brauchbar sind, wenn die Quarzfrequenzen um nicht mehr als 1 kHz auseinander liegen. Wenn bei einem Empfänger kein wirklicher Einzelsignalempfang erzielt werden kann, sollte versucht werden, die Quarzfrequenzen noch näher zusammenzulegen, oder 2 gleiche Quarze zu verwenden. Für Sender sollte das beschriebene Filter nicht verwendet werden, weil die Selektionswirkung zu gering ist. Hier kommen Lattice-Filter aus 4 Quarzen in Betracht. Wenn man eine bessere Filterwirkung wünscht, setzt man ein sogenanntes Full-Lattice-Filter ein. Im Ten-Tec Argonaut Transceiver wird das SSB-Signal mit einem solchen Filter erzeugt. Der Trafo hat 15 Windungen bifilar auf einem FT 37-43 Ringkern.
