2021-08-12 Technik Klasse A: Lektion Hochfrequenzverstärker

Diese Lektion (Lehrkraft: DJ3EI) behandelt Stoff, der von 39 Fragen aus dem BNetzA-Fragenkatalog abgefragt wird.

Hausaufgaben

Hausaufgaben, ehe die Lektion im Kurs drankommt

Den Rest dieser Datei vorbereitend lesen. "Bonusmaterial" ist für Interessierte und kann überschlagen werden.

Einmal die Fragen zur Lektion in afutest durchgehen. Dabei die "Maximale Fragenzahl" auf "alle" einstellen. Während der Prüfung bekommt Ihr Schmierpapier ("Konzeptpapier" im Amsdeutsch) und die Formelsammlung der Klasse A von der BNetzA gestellt und könnt den von Euch mitgebrachten nicht-programmierbaren und textspeicherlosen Taschenrechner benutzen. Also ist es klug, wenn Ihr es gleich so übt.

Sich dabei aufschreiben, welche Fragen man nicht gewusst hat. Diese Liste zum Kurs mitbringen.

Hausaufgaben, nachdem die Lektion im Kurs dran war

Die Fragen zur Lektion in afutest durchgehen. Dabei immer noch auftretende Problem durch Nachlesen, Nachfragen oder andere Mittel lösen. Das Ziel ist die Zuversicht, von diesen Fragen höchstens drei oder vier nicht beantworten zu können.

Die Fragen zum Stoff der Technik Klasse A, der bisher im Kurs dran war, in auftest rekapitulieren. Dabei "Maximale Fragenzahl" auf 51 Fragen stellen und so lange üben, bis maximal sechs falsche Antworten pro Durchgang auftreten.

Info zur Lektion

Extralang! - bis 21:30

Heute Abend gibt es keine Betrieb+Vorschriften-Lektion. Dafür können wir uns Zeit nehmen bis 21:30 für ein spannendes Stück Schaltungstechnik. Ich freue mich schon!

Anfangen will ich mit einer kurzen Zusammenfassung "was man über Dioden und Transistoren unbedingt wissen muss, um Schaltungen zu verstehen" (eine Wiederholung des Wichtigsten aus den Lektionen von DJ5AM). (Vielleicht schaffe ich es schon vor dem Abend, an dieser Stelle einen Abriss zu veröffentlichen.)

Lektion im Onlinekurs

Das Material, das wir durchnehmen, ist der Teil der Lektion A07, der sich nicht mit Oszillatoren beschäftigt. (Oszillatoren sind ein eigenes, auch sehr spannendes Thema, das nach bisheriger Planung in unserem Kurs erst in einigen Wochen drankommen wird (aus organisatorischen Gründen).)

• Da ist der relativ kurze Abschnitt über den selektiven Verstärker (keine Fragen, die Fragen gehören schon zu Oszillatoren).

• Und dann geht es weiter mit dem Abschnitt Hochfrequenz-Leistungsverstärker und den verschiedenen Arbeitspunkten.

Einige Faustregeln fürs Schaltungsverstehen

• Eine Diode leitet nicht, bis etwa 0,6 Volt Spannung in Durchflussrichtung anliegt. Ab dieser Spannung leitet sie schlagartig; der fließende Strom ist (in der Regel) durch die Außenbeschaltung begrenzt, nicht durch die Diode selbst.

• Die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors verhält sich genauso.

• Bonusmaterial: Die BE-Strecke sollte aber nicht mit mehr als etwa 5 Volt in Sperrrichtung zu sehen kriegen. Etwas oberhalb von 5 Volt bricht die Diode durch (verhält sich wie eine Zenerdiode), was auf die Dauer dazu führt, dass sich die Transistoreigenschaften zum Nachteil verschlechtern.

• Wenn am Kollektor noch genug Spannung ist, nimmt der Kollektor ein bestimmtes (relativ festes) Vielfaches des Basisstroms auf. Typische Stromverstärkungen β liegen bei β=200, "heiße" Transistoren z.B. β=400 bis 900, Leistungstransistoren im Bereich weniger Dutzend.

• Ein durchgesteuerter Transistor bildet keinen kompletten Kurzschluss, aber die Kollektorspannung kann bis auf z.B. 0,4 V sinken.

• Bonusmaterial: Wenn die Kollektorspannung unter der Basisspannung liegt, sagt man, der Transistor "ist in der Sättigung".

• Bonusmaterial: Ein interner Kondensator zwischen Kollektor und Basis stört bei hohen Frequenzen zunehmend. Als Faustregel wirkt der sich so aus, als lasse die Stromverstärkung mit steigender Frequenz immer weiter nach (β ~ 1 / f), bis sie bei einer "Transitfrequenz" den Wert 1 erreicht.

• Eine Schaltung wie die von TD431 oder TD432 erzeugt gewaltige Verzerrungen. Das erkennt man unmittelbar daran, weil das Ausgangssignal nicht ein vergrößertes Abbild des Eingangssignals ist, sondern qualitativ ganz anders aussieht. Einen HiFi-NF-Verstärker kann man so nicht bauen, denn das Ausgangssignal würde sich furchtbar anhören. \n- Folgendes sind verschiedene Beschreibungen für dieselbe Sache:

  • Ein Verstärker liefert keine Verzerrungen.
  • Ein Verstärker ist linear.
  • Das Ausgangssignal eines Verstärkers ist (nur) ein vergrößertes Abbild des Eingangssignals.
  • Das Ausgangssignal eines Verstärkers enthalt nur die Frequenzen, die das Eingangssignal auch enthielt Bonusmaterial: Und zwar im selben relativen Lautstärkeverhältnis.

• Kondensatoren sperren Gleichströme, aber lassen Wechselströme durch bzw. schließen sie kurz.

Faustregeln zu Verzerrungen

Wir kommen noch drauf zurück, wenn wir Modulationsarten durchnehmen. So viel jetzt schon:

• In nichtlinearen Verstärkern interagieren Signale, so dass sich neue Frequenzen bilden.

• SSB-Sprachsignale (Bonusmaterial: oder auch AM-Sprachsignale oder PSK31-Datensignale) enthalten mehrere Frequenzen gleichzeitig. Leite ich so ein Signal durch einen verzerrenden Verstärker, entstehen "Intermodulationsprodukte" (Mischprodukte) direkt neben der Frequenz der Aussendung.

• Die Folge: Ich sende nicht nur in meinem normalerweise belegten Kanal, sondern unerwünscht auch daneben (drüber und drunter). Diese unerwünschten, störenden Aussendungen nennt man "Splatter". Splatter müllt das Band zu und ist rücksichtslos, kann auch zu (verbotenen) Aussendungen außerhalb des Amateurfunkbandes führen. TK104: Soll man nicht!

• Um Splatter zu vermeiden solche SSB-Verstärker nutzen, die linear arbeiten.

• Ein Signal mit nur einer Frequenz bildet auch in einem nichtlinearen Verstärker keinen Splatter. Wenn eine Frequenz sozusagen mit sich selbst interagiert, entstehen aber Oberwellen: Aus f entsteht zusätzlich 2f, 3f, 4f, 5f, ... . (Das passiert bei einem SSB-Signal im nichtlinearen Verstärker übrigens zusätzlich auch noch.)

• Das ist bei HF nicht unbedingt schlimm, denn Oberwellen kann man mit einem Tiefpassfilter relativ bequem herausfiltern. TG509, TG513

• Man nutzt gerne nicht-lineare HF-Verstärker, da mit ihnen ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann.

• Was "Wirkungsgrad" ist, erklärt übrigens Frage TG504.

• Nicht-lineare Verstärker sind bei Signalen einsetzbar, die zu jedem Zeitpunkt nur eine Frequenz enthalten:

  • CW
  • FM
  • FSK-Modi wie z.B. FT8

Bei CW gibt es eine Besonderheit zu beachten...

• Signale wie "schlagartiges Einschalten", Rechteckschwingungen oder kurze Impulse enthalten viele Oberwellen.

• Wenn man eine HF mit so etwas schaltet, wird sie breiter.

• Deshalb ist es beim Morsen wichtig, dass die HF-Leitung nicht schlagartig ansteigt oder abfällt. Denn tut sie das, kann man das Signal noch Kiloherz neben der eigentlichen Sendefrequenz als störendes "Knispeln" hören.

• Bonusmaterial: Die ARRL empfiehlt, dass das Einschalten und Abschalten des Senders beim Drücken oder Loslassen der Morsetaste jeweils 5 Millisekunden dauert. Dadurch sinkt die Bandbreite auf etwa 150 Hz, andererseits bleiben damit sehr schnelle CW-Tempi von 175 Zeichen/Minute (Punktlänge 34 Millisekunden) noch gut lesbar (auch bei schwierigen Ausbreitungsbedingungen mit Fading).

Notizen für 2021-09-02 (und 2021-08-12)

• Amfangen mit den "Faustregeln fürs Schaltungsverstehen".

• TD431 S.50 Simpel PA in Klasse C. Verzerrungen. (Pingeligkeit: Die Spannung der richtigen Kurve sollte nicht ganz bis auf 0 zurückgehen, tpyischer Wert m.E. 0,5 V. Zur Entschuldigung der BNetzA sei angemerkt: Es gibt Spezialtransistoren, die weiter runterkommen.) Diese Frage hatten wir im Kurs schon.

• Was ist das jetzt für ein Signal? An dieser Stelle die Verzerrungskunde, siehe oben, einschl. "Splatter" und CW-Flankensteilheit. Dabei mit erledigen (die Fragen nicht unbedingt zeigen):

  • TB806 S.18 Vokabel "Intermodulationsprodukte" im RX

  • TE107 S.57 "Kreuzmodulation" erklären.

  • TF430 S.71 SSB-PA muss linear sein.

  • TG204 CW-Tastklicks bei zu steilen Flanken. "Verrundung" nennt die BNetzA das, was man tun muss.

• TG222 bis TG225 S.78: Dies ist eine Klasse A-Stufe. Diese Schaltung in Ruhe erklären.

• TG237 bis TG240 S.80 : Dies ist ein Klasse-A-Verstärker mit zwei Stufen. Auch diese Schaltung in Ruhe erklären.

• Nachteil: Viel Ruhestrom, schlechter Wirkungsgrad.

• TD419 S.49 bis TD426 A, B, C Betrieb; Grundsätzliches, Wirkungsgrad

• TF324 S.68 In B-Betrieb (fast) kein Kollektorstrom, nimmt erheblich zu, wenn die Basisspannung erhöht wird. Nicht unbedingt zeigen.

• Kann man mit Klasse B eine lineare Endstufe bauen? Ja, durch Gegentakt. Beispiel:

• TD430 S.50 Gegentakt-Endstufe. Erstmal diskutieren, dass sich Dioden nicht problemlos parallelschalten lassen (Streuungen, "termisches Weglaufen"). Also ist das eine Klasse B Endstufe. Bonusmaterial: wenn das AB oder A sein sollte, müsste man zum Beispiel Emitterwiderstände vorsehen.

• TG303, TG304 S.81 (nicht unbedingt zeigen): Eine Klasse-C-Endstufe wird auch mit Gegentakt nicht linear.

• TG308 S.81 Leistungsanpassung.

• TG515, TG516 S.86 "Verstärker schwingen immer, Oszillatoren nie" - woran merkt man das?

• TG313 bis TG318 S.82: Röhrenschaltung erklären. Motivation: Gitterbasisschaltung hilft gegen wilde Schwingungen.