Viele Versuche mit HF-Endstufen für den Amateurfunk hatten ein
Problem mit den höheren Bändern. Je höher die Frequenz, desto
schlechter wird der Wirkungsgrad und desto kleiner wird die
Ausgangsleistung. Das gilt auch für POWER-FETs in der Endstufe, weil
die üblichen Typen sehr hohe Kapazitäten haben. Es gibt zwar spezielle
HF-Power-FETs, aber mein Ehrgeiz war es, mit sehr einfachen Bauteilen
auszukommen. Als besonders kapazitätsarm war der IRF510 aufgefallen.
Weil er nur einen halben Euro kostet, habe ich mir gleich einen
ausreichenden Vorrat zugelegt. Aber trotz der relativ geringen
Eingangskapazität von 180 pF (bei 25 V) war es schwierig ihn bis über
20 MHz anzusteuern. Im realen Betrieb sind die effektiven Kapazitäten
vor allem durch die Miller-Kapazität wesentlich höher. Da braucht man
schon einen recht großen HF-Strom, um das Gate voll durchzusteuern.
Die
entscheidende Idee war es dann, einen achtfachen Bus-Treiber 74HC541
als Treiber zu verwenden. Das IC darf noch mit 6 V betrieben werden und
hat dann Umschaltzeiten von rund 5 ns. Mit acht parallelen Treibern
kann man auch die relativ große Eingangskapazität des IRF510 schnell
genug umladen. Die Eingangsspannung musste mit zwei Widerständen etwas
angehoben werden, weil der der PLL-Baustein nur 3 V liefert. Der erste
Versuch war schon recht erfolgreich. Auf allen Bändern konnte etwa
5...10W herausgeholt werden. Der FET wurde dabei kaum warm, was für
eine gute Aussteuerung spricht.
Im
Endausbau musste noch einiges bedacht werden. Die Morsetaste wird am
Port 8 des Arduino angeschlossen. Das Programm steuert den Mithörton am
Pin 9, die Sende-Empfangsumschaltung am Pin 10 und die Endstufentastung
am Pin 11. Im praktischen Betrieb ist es wichtig, dass das HF-Signal
weich getastet wird, weil es sonst eine zu große Bandbreite hat. Um den
Endtransistor vollständig zu sperren wird eine negative Vorspannung aus
dem Treiber-Signal erzeugt. Bei gedrückter Morsetaste schaltet der
Arduino über den PNP-Transistor eine positive Vorspannung ein. Der
100-nF-Koppelkondensator zur Endstufe ist Teil eines Tiefpassfilters, das für
die weiche Tastung sorgt.
Bei
den ersten Versuchen ist ein FET durch Überlastung zerstört worden,
vermutlich durch Überspannung am Drain. Deshalb wurde eine
Schutzschaltung mit Gleichrichter und zwei Zenerdioden eingefügt um die
Drainspannung im Fehlerfall zu begrenzen. Ein zusätzlicher Kondensator
von 200 pF hilft ebenfalls, Induktionsspitzen zu verringern. Das
Verhalten der Endstufe hängt ganz wesentlich vom Ausgangsübertrager ab.
Hier wurde ein Ferrit-Ringkern unbekannter Herkunft mit 3 Windungen und
9 Windungen verwendet. Man sieht aber noch Überschwinger am Drain, die
vermutlich durch Streuinduktivitäten verursacht werden.
Tiefpassfilter, eingeschaltet für 3,5 MHz
Am
Ausgang der Endstufe liegen drei umschaltbare Tiefpassfilter mit
freitragenden Luftspulen. Für das 80m-Band haben sie 15 Windungen, für
die höheren Bänder entsprechend weniger. Der Oberwellenanteil wurde
gemessen und ist auf 3,5 MHz und auf 10 MHz in Ordnung, auf 7 MHz noch
zu hoch, was aber durch das externe Anpassfilter verbessert wird. An 50
Ohm kann eine Ausgangsleistung von etwa 10 W gemessen werden, bei 14
MHz nur noch etwa 5 W. Die Leistung kann aber auf allen Bändern noch
erhöht werden, indem die Betriebsspannung der Endstufe verändert wird.
Je nach Antenne und Anpassung kann es auch vorkommen, dass die Endstufe
mehr als 2 A zieht. Dann muss die Spannung etwas reduziert werden.
Das
Programm im Arduino sorgt für eine Entprellung der Morsetaste und eine
automatische Antennenumschaltung mit einer passenden Verzögerung,
sodass man nur die Morsetaste bedienen muss. Derzeit wird der Aufbau
zusammen mit der SDR-Software am PC betrieben. Dazu ist es nötig, den
Lausprecher beim Senden stumm zu schalten, weil die Verzögerung in der
SDR-Signalverarbeitung das eigene Signal soweit verschiebt, dass man
aus dem Takt gerät. Vielleicht kommt noch mal ein zweites Relais für
den Lautsprecher hinzu. Der Transceiver soll aber später auch autonom
ohne den PC arbeiten, dann mit dem IQ-CW-Filter.
Fehlersuche - Ungewollte Resonanzen im Tiefpassfilter
Den
Sender verwende ich jetzt seit einem Jahr für CW und WSPR. Alles
funktionierte prima, nur auf 40 m gab es ein Problem. Bei Dauerbetrieb
fiel die Ausgangsleistung langsam ab, und zusätzlich zeigten sich
Verzerrungen, also Oberwellen. Es sah aus, als würde etwas heiß. Ich
hatte immer den Leistungstransistor in Verdacht.
Weil ich das
40m-Band bei gemeinsamen Antennentests wieder neu zu schätzen gelernt
habe, wollte ich nun dem Fehler auf die Spur kommen. Testweise habe ich
den HF-Übertrager am Ausgang der Endstufe durch eine HF-Drossel
ersetzt, um den Transistor weniger zu belasten. Es kam tatsächlich
weniger Ausgangsleistung heraus, aber das Problem blieb.
Bei
den Tests ist mir aufgefallen, dass das Oberwellenfilter recht heiß
wurde. Das betraf aber nicht das 40m-Filter, sondern das gerade
nicht verwendete 80m-Filter. Mit dem Oszi konnte ich Spannungen weit
über 100 V sehen. Damit war es klar: Das 80m-Filter hatte im
Leerlauf zufällig eine Resonanz nahe 7 MHz, vermutlich leicht darunter.
Dadurch wurden die Bauteile warm, was die Kapazität der
Keramikkondensatoren verringerte und automatisch noch genauer auf
die Resonanz brachte. Die Spannung war dann so hoch, dass die
Kondensatoren ein nichtlineares Verhalten zeigten. Daher die Oberwellen
und die große Verlustwärme.
Zum
Test habe ich das 80m-Filter an einem Punkt gegen GND kurgeschlossen.
Damit trat der Effekt nicht mehr auf. Dann habe ich die
80m-Filterspulen um 90 Grad umgebogen, damit sie nicht so stark mit den
40m-Spulen koppeln. Zusätzlich setze ich einen weiteren Jumper ein, um
das 80m-Filter kurzzuschließen. Jetzt funktioniert es auf 40 m so gut
wie auf den andern Bändern. So konnte ich mit WSPR sogar Australien auf
40 m erreichen.
Wenn ich mir das Bild oben ansehe
(Tiefpassfilter, eingeschaltet für 3,5 MHz), wird mir klar, dass ich da
einige elementare Regeln der HF-Technik missachtet habe. Solche Filter
werden ja meist mit Ringkernen aufgebaut, die kaum magnetisch koppeln.
Wenn ich schon offene Spulen verwende, dürfen sie nicht so nahe
nebeneinander in gleicher Richtung stehen. Und dass nicht verwendete
Spulen in eine zufällige Resonanz kommen können, wusste ich eigentlich.
Deshalb hat man die Spulen im Pi-Filter von Röhrensendern bei der
Bandumschaltung nicht offen gelassen sondern kurzgeschlossen.
CW-Sender mit dem Elektor-SDR
