Selbstbau im Amateurfunk

Warum sollte heutzutage noch jemand ein Zusatzgerät oder gar einen Transceiver selber bauen? Heutzutage gibt es alles bereits fertig: Antennen, Funkgeräte, TNC, ob gebraucht oder neu, kein Problem. Einfach anschliessen und los geht's.

Der Reiz im Amateurfunk liegt aber nicht nur darin, Verbindungen mit weit entfernten Stationen zu tätigen. Es ist gerade der Reiz der Vielfalt im Amateurfunk, der die Sache so reizvoll macht: Ich habe heute keine Lust, ein SSB QSO zu fahren? Kein Problem: nehme ich halt die Taste und mache CW. Oder ich schliesse meinen Computer an und versuche, ein paar Verbindungen in RTTY, PSK31 oder SSTV zu tätigen.

Genauso vielfältig sind die selbstgestellten Aufgaben im Selbstbau. Es geht nicht darum, ein Gerät besonders gut oder sogar noch besser zu machen als ein gekauftes. Dies ist heutzutage gar nicht mehr möglich: ganze Scharen gut ausgebildeter Ingenieure sind über Monate und Jahre mit der Entwicklung eines Gerätes beschäftigt. Nein, es geht vielmehr darum, einmal ein Gerät selber zu bauen, zu sehen, wie die einzelnen Bauteile zusammenarbeiten und zu verstehen, was da passiert. Schliesslich wird mir jeder beipflichten, dass das erste QSO mit dem ersten selbstgebauten Transceiver ein unvergessliches Ereignis ist. Ich erinnere mich noch gut an mein erstes CW-QSO mit EA1EIE aus dem Garten meines Schwiegervaters heraus, einfach mit einem selbstgebauten SW20+, einem Akku und einer geliehenen Drahtantenne.

Aus diesen Gründen stellen wir hier einige Selbstbauprojekte vor, die von den Mitgliedern unseres Ortsverbandes durchgeführt wurden.


Viel Spass beim Nachbau

Erik, DL2KEB

 

Links

CTCSS-Encoder
Soundkarten-Interface
JFet-Vergleichsmessungen
JFet-Arbeitspunkteinstellung

CTCSS-Encoder

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CTCSS-Encoder als Bausatz

DB0ERK benötigt ja bekanntlich einen 98,4 Hz Subaudio-Ton (CTCSS), daher habe ich mich nach einer einfachen Lösung umgesehen, mit welcher man ältere Funkgeräte nachrüsten kann.
Meine Wahl fiel auf den CTCSS-Encoder als Bausatz von CS Tech, hier der Link: http://www.cstech.co.uk/radio.html

Der Bausatz kostet £11.16, inclusive Versand sind das etwa 14 Euro. Die Bestellung erfolgte auf der Homepage, Bezahlung per Kreditkarte. Der Bausatz war nach etwas über einer Woche im Briefkasten, d.H. Zollformalitäten gab es keine. Eventuell lag dies an dem geringen Bestellwert.

Der Aufbau des CTCSS-Encoders dauerte bei mir ca. 45 Minuten, anschliessend erfolgte der Einbau in ein Siemens C5 nach der Anleitung auf Jan Alte's Home Page, http://www.digisolutions.de/c5umbau/C5_CTCSSAddOn.html.Der Encoder ist durch diese Art und Weise des Betriebes,d.h. ohne Schalter, permanent aktiv, was sich bislang nicht als störend erwiesen hat.

CTCSS-Encoder im Roger Piep Gehäuse (rechte Platine)

Aufbau und Anschluss

TS-790E ready for DB0ERK

Für den Einbau gibt es mehrere Optionen:

  • Einbau direkt in das Funkgerät
  • Einbau in ein Mikrofon
  • Einbau in ein Gehäuse als Vorsatzgerät für das Mikrofon

Die ersten beiden Optionen haben gewisse Nachteile: Die Geräte, die den Encoder aufnehmen sollen, müssen anhand des Schaltplanes erst genauestens analysiert werden, anschliessend zerlegt und durch Lötarbeiten verändert werden. Ausserdem braucht der Encoder Platz, und die Platine ist nicht wirklich klein, so dass sie sich in der Regel nicht in ein Mikrofon einbauen lassen wird.

Der Einbau in ein Gehäuse bietet die eleganteste Option, vielen Dank an Wilfried, DD8KF für den Tip. Das Gehäuse verfügt über eine Mikrofonbuchse und über ein Anschlusskabel mit Mikrofonstecker, so dass es zwischen Mikrofon und Transceiver eingeschleift werden kann. Falls der Transceiver 5-12V Spannung an der Mikrofonbuchse hat, könnte sogar die Batterie entfallen. Im rechten Beispiel, Kenwood TS-790E, wurde der Encoder einfach parallel zum Mikrofon geschaltet. Der Ausgang des Decoders ist bereits mit einem Kondensator gegen Gleichspannung abgekoppelt, und das Widerstandsnetzwerk am Ausgang bietet einen hinreichend hohen Eingangswiderstand (mindestens 10 Kiloohm), so dass eine Beeinflussung des Mikrofons bezüglich Anpassung wohl in den meisten Fällen zu vernachlässigen ist.

Falls innerhalb von G38 Interesse besteht, würde ich eine Anzahl an Bausätzen, kleinen Gehäusen und Batterieclips bestellen. Ich rechne mit 20,- Euro pro gebautem Encoder. Ihr müsstet dann selber Mikrofonbuchsen und Stecker besorgen, die sich ja von Gerät zu Gerät unterscheiden, und die Anschlussbelegung für das Mikrofon aus dem Handbuch heraussuchen. Wolfgang, DL1KWS, hat sich bereits um Räumlichkeiten bemüht, die wir für das Projekt verwenden könnten.

vy 73 de DL2KEB Erik

 

Soundkarten-Interface

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Soundkarten-Interface für PSK31/SSTV usw...

In unserem ersten neuen Selbstbauprojekt haben wir uns für ein Soundkarteninterface entschieden. Dieses dient der Verbindung zwischen Computer mit Soundkarte und dem Transceiver. Die Materialkosten lagen bei ca. 8 €, gebastelt wurde dafür an drei Nachmittagen. Insgesamt haben wir 13 solcher Interfaces gebaut, von denen die meisten bereits erfolgreich eingesetzt werden.

Das Interface ermöglicht, Töne von der Soundkarte über den Transceiver auszusenden, umgekehrt die empfangenen Signale mit der Soundkarte in den PC einzuspeisen und schliesslich die PTT des Transceivers über eine serielle Schnittstelle zu steuern und den TRX so auf Sendung zu schalten. Früher benötigte man für die Digitalen Betriebsarten ein meist sehr kostenintensives Zusatzgerät, den sogen Multimode Controller, heutzutage reicht für die meisten Digitalen Betriebsarten ein PC mit Soundkarte völlig aus.


Um den Nachbau zu ermöglichen, stellen wir den Schaltplan und die Gebrauchsanweisung zur Verfügung. Das Interface kann auf einer normale Streifenrasterplatine aufgebaut werden.

Aus gründen der Betriebssicherheit wird empfohlen, zusätzlich einen 20 Ohm Widerstand zwischen Line Out und Poti einzufügen. Dies verhindert, dass bei Endstellung des Potis ein Kurzschluss des Soundkartenausgangs entsteht. Dank für den Hinweis an Wolfram, DF3UT.

G-38 Soundkarten-Interface, Gebrauchsanleitung


Danksagung


Dank geht an Bert, DG5KAJ, der die Gehäuse und viele Bauteile für unser erstes Bastelprojekt beigesteuert hat, sowie Wolfgang, DJ7HE, für die Spende des Platinenmaterials.
Dank geht auch an die beteiligten OMs, die den Aufbau durch ihren tatkräftigen Einsatz an mehreren Wochenenden erst ermöglicht haben.

Haftungsauschluss


Dieses Interface wurde von Gerd DO1KGS an einem FT-817 und von mir (DL2KEB Erik) an einem FT-990 und TS-790e getestet und funktioniert bei uns einwandfrei. Für Schäden gleich welcher Art, die durch den Betrieb dieses Interfaces entstehen, sei es durch Fehler im Aufbau oder durch fehlerhaften Betrieb, übernehmen wir keine Haftung. Alle Interfaces wurden einem Funktionstest unterzogen, und sie werden zum Selbstkostenpreis abgegeben. Wir helfen euch sehr gerne bei Problemen, Garantien können jedoch nicht gegeben werden.

Beschreibung


Das Interface wird zwischen Computer und Transceiver angeschlossen und ermöglicht so den Betrieb der neuen digitalen Betriebsarten auf Kurzwelle und UHF/VHF. Viele frei erhältliche Programme können mit diesem Interface betrieben werden, zum Beispiel: Digipan, WinPSK, MSSTV, MTTY, Throb, IZ8BLY Stream, IZ8BLY Hellschreiber, IZ8BLY MT63 Terminal, und viele andere mehr.

Das Interface besteht im wesentliche aus zwei 1:1 NF(Ton)-Übertragern und einem Optokoppler. Die NF-Übertrager sorgen für eine galvanische Trennung der Tonsignale, die zwischen Computer und Transceiver übertragen werden. Es gibt jeweils einen Übertrager für den Sendezweig und einen für den Empfangszweig. Da es sich um passive Bauteile handelt, benötigt das Interface keine Betriebsspannung. Vor dem NF-Übertrager im Sendezweig befindet sich ein Trimmer. Mit diesem kann das Eingangssignal für den Transceiver so weit abgeschwächt und eingestellt werden, dass der Mikrofoneingang nicht übersteuert wird. Dies ist notwendig, weil der Mikrofoneingang nur Pegel um 20mV verkraftet, während viele Soundkarten Pegel um 1-2V liefern können.

Die PTT-Schaltung besteht aus einem Optokoppler Typ CNY17-IV oder equivalent, und ein paar zusätzlichen Bauteilen. Die Betriebsspannung für den Optokoppler wird direkt aus der seriellen Schnittstelle des Computers entnommen. Die Programme können dadurch den Transceiver automatisch auf Sendung schalten, das Einschalten des Sender von Hand entfällt.

Ein Schaltbild inclusive Beschreibung der Bauteile befindet sich auf der letzten Seite dieser Anleitung.

Anschluss


Zuerst muss der Gehäusedeckel abgeschraubt werden. Dazu werden die vier Schrauben, die sich am Deckel befinden, gelöst. Bitte passt beim Zusammenschrauben des Gehäuses auf: Die Gewinde sind in das weiche Aluminium geschnitten, und bei zu hohem Kraftaufwand können die Gewinde zerstört werden. Stelle das Interface so vor dich hin, dass sich die Anschlussbuchsen auf der linken Seite befinden. Der Aufbau entspricht dem Aufbau in Schaltbild, d.h. der Obere NF-Übertrager (kleiner schwarzer Klotz) ist für die Tonsignale, die von Transceiver zum Computer gehen, der untere Übertrager für die von der Soundkarte zum Mikrofoneingang gehenden Signale. Darunter seht ihr den Optokoppler (kleiner schwarzer Käfer) für die PTT.

An das mitgelieferte Kabel müssen zwei Stecker angelötet werden: ein Mikrofonstecker und ein Lautsprecherstecker. Die Stecker und Belegungen sind für jeden Transceiver verschieden, daher seht ihr am besten in der Beschreibung des Gerätes nach und besorgt die passenden Stecker. Dann müssen folgende Signale verbunden werden:

- Lautsprecher Ausgang
- Lautsprecher Masse
- Mikrofon Eingang
- Mikrofon Masse
- PTT
- PTT Masse

Manche Transceiver haben eine sogenannte AFSK- oder Packet-Buchse. Wenn ihr diesen Anschluss verwendet, müsst ihr wahrscheinlich den 10 Kiloohm-Widerstand vor dem unteren Übertrager durch eine Drahtbrücke ersetzen. Dieser Eingang kann sonst untersteuert werden, so dass ihr kein Ausgangssignal habt. Bitte seht in der Gerätebeschreibung nach, welchen Eingangspegel dieser Eingang benötigt.

Am besten notiert ihr, welche Farbe welchem Signal entspricht, die Kabel haben acht Leitungen. Verwendet immer ein Leitungspaar gleicher Farbe, z.b. grün und grün/weiss, für ein bestimmtes Signal, das erleichtert hinterher die Fehlersuche. Lötet die passenden Signale an und bohrt ein Loch in das Gehäuse, je nach Geschmack in die Vorder- oder in die Rückseite. Verbindet die Masseleitungen des Kabels nicht mit dem Gehäuse, sonst entsteht eine Masseschleife!!!

Hier das Anschlussschema:


Soundkarte Line In

 

Soundkarte Line Out



Serielle Schnittstelle
Com1 oder Com2

Lautsprecher oder Mic Lautsprecher Masse

Mikrofon

Mikrofon Masse

PTT

PTT Masse


 


Die obersten zwei Schraubklemmen haben drei Anschlüsse, es werden nur die beiden äusseren verwendet. Isoliert die Leitungen ab und schraubt sie gut fest, überprüft durch Ziehen an den Leitungen, ob sie gut sitzen. Schliesst den Transceiver an ein Dummy Load an. Bitte überprüft beim Anschluss des Interfaces, ob der Transceiver nicht sofort auf Sendung geht! Dann liegt ein Fehler vor, der erst behoben werden muss! Das Interface unterstützt nur Transceiver mit positiver PTT-Tastung, was bei allen modernen Geräten der Fall ist. Ihr könnt nun das Interface mit dem Transceiver verbinden.

Verbindet nach dem oben angegebenen Schema den Computer mit dem Interface, die dafür benötigten Kabel liegen bei. Falls ihr keine 9-Polige, sondern eine 25-Polige serielle Schnittstelle habt, benötigt ihr noch einen passenden Adapter. Diesen bekommt ihr bei einem befreundeten OM oder im nächsten Computerladen. Moderne Soundkarten haben folgende Belegung:

- Mikrofon rot
- Line In blau
- Line Out grün und/oder schwarz

Betrieb


Dieser Handbuchteil wäre sehr umfangreich, weil jeder PC und jedes Programm anders reagiert, daher nur ein paar Tips. Wenn etwas nicht funktioniert, bitte auf 145.525 durchrufen.

Empfang


Stellt euren Transceiver auf die PSK31-Frequenz 14.070 MHz ein, ihr müsstet wenn das Band offen ist ein „Wimmern“ hören. Startet ein PSK31-Programm, vorzugsweise WinPSKse oder Digipan. Wenn ihr keinen „Wasserfall“ seht, stimmt vielleicht etwas mit dem Aufnahmeregler nicht.

Unter Digipan: Configure->Waterfall Drive... bzw.

Unter WinPSKse Settings->Rx Level Adjust schauen, ob unter Mic. oder Zusatz das Häckchen gesetzt ist.

Wenn der Wasserfall mit ein paar gelben Linien erscheint: geschafft, der Empfang funktioniert bereits.

Senden


Stellt in eurem Programm die passende serielle Schnittstelle für die PTT ein. Schliesst euren Transceiver an ein Dummy Load an, und schaltet das Programm auf Sendung. Das Poti im Interface und die Regler im Programm müssen so angepasst werden, dass der Sender nicht übersteuert wird. Die Programmdokumentationen geben genaue Anweisungen zu den Einstellungen. Wenn euer Transceiver eine ALC-Stellung hat, könnt ihr sofort erkennen, ob er übersteuert wird oder nicht. Wenn der Transceiver erst gar nicht auf Sendung geht, überprüft bitte, ob das Interface an der gleichen Schnittstelle angeschlossen ist, die im Programm eingestellt wurde.

Wenn's immer noch nicht funktioniert, bitte schreien...

Viel Spass wünscht Euch

Das Selbstbauteam von G-38

JFET-Vergleichsmessungen

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Messung der Verstärkung bei JFet-Transistoren

Autor: Erik Beckers, DL2KEB


Die Herausforderung (bzw. das Problem):

Bei der Durchführung meines Black Forest Bauprojektes kam ich an einen Punkt, dass trotz intensiver Bemühungen keine Verbesserungen des Empfängers mehr möglich war. Der Sender arbeitete ebenfalls nicht zufriedenstellend, d.h. er erreichte nicht die vom Entwickler angegebene Ausgangsleistung. Mein Funkfreund Nick, PA2NJC, gab mir den Tip, einmal die verwendeten Halbleiter, sprich Transistoren zu überprüfen. Bisher glaubte ich immer, ein bestimmter Transistortyp habe ganz bestimmte, in sehr engen Grenzen gesteckte Parameter, und man müsse immer beim Aufbau einer Schaltung genau den angegebenen Transistortypen verwenden. Doch das stimmt nicht, wie der entsprechende Versuch zeigt. Eine sehr gute Einführung in diese Thematik, die speziell auf JFets und MOSFets anwendbar ist, stellt das JFet Biasing Tutorial von Wes Hayward, W7ZOI [1] dar.

Die Verstärkung eines Fets wird durch die Steilheit (Yfs oder Gfs) angegeben. Diese ist ein Mass für die Änderung des Stromes, der zwischen Drain und Source fliesst, bezogen auf die Spannungsänderung am Gate. Je höher die Änderung des Stroms zwischen Drain und Source bei einer bestimmten Spannungsänderung am Gate ist, desto höher ist die Verstärkung des Transistors. Die in den Transistordatenblättern angegebenen Werte für die Steilheit beziehen sich auf eine Spannung zwischen Drain und Source von 0 Volt. Für die Messung dieses Wertes sind keine grossen Klimmzüge erforderlich. Es genügt, zwei bestimmte Werte zu messen und daraus die Steilheit zu berechnen. Die zu messenden Werte sind der Drainstrom Idss, der bei einem Kurzschluss des Gates mit der Source fliesst, und die Abschnürspannung (pinch-off voltage) Vp, d.h. die Gate-Spannung, bei der der Drainstrom fast Null ist. Diese beiden Werte setzt man in die folgende Formel ein und erhält die Steilheit:

Formel 1: Berechnung der Steilheit bei Vds=0 Volt.

Für den mathematisch Interessierten: Diese Formel entsteht, wenn man aus der Formel in Bild 1 aus W7ZOI JFet Biasing Tutorial [1] die erste Ableitung bildet. Das Ergebnis ist in Gleichung 1 ebenfalls in diesem Tutorial zu sehen. Anschliessend setzt man für Vgs=0 Volt ein, und erhält so die oben angegebene Formel. Für die ganz Harten sei das Buch Introduction to Radio Frequency Design von Wes Hayward [2] empfohlen. Dort wird die ganze Mathematik unter anderem zum Thema Transistormodell genauestens erläutert.

Die Messung

Mit dieser kleinen Schaltung lassen sich die beiden Werte Idss und Vp recht schnell messen. R3 kann bei Messungen an JFet entfallen, dieses Poti dient zur Vorspannungserzeugung des zweiten Gates bei einem Dual Gate Mosfet. Der zu testende Transistor wird noch nicht eingesetzt, zuerst schliesst man die Betriebsspannung an und stellt am Anschluss von Gate 2 eine Spannung von 4-5 Volt ein. Falls man das Datenblatt zur Hand hat, kann man den Wert einstellen, den der Hersteller des Transistors für die Messung der Steilheit verwendet. Diese Spannung sollte während der Vergleichsmessungen nicht mehr verändert werden, weil sich bei unterschiedlichen Spannungen an Gate 2 die für uns wichtigen Parameter verändern und so eine Vergleichsmessung unmöglich machen. Die Messgeräte sollten für eine Spannungsmessung natürlich möglichst hochohmig und für die Strommessung niederohmig sein, da sonst wiederum falsch gemessen wird. Natürlich reicht für eine Vergleichsmessung auch ein erschwingliches Messgerät einfacherer Bauart aus.
Anschliessend setzt man den Transistor in die Schaltung ein und regelt Poti R2 so lange, bis das Amperemeter nur noch einen sehr kleinen Strom anzeigt. Der Strom wird in einer Grössenordnung von vielleicht 20 bis 100 Microampere liegen, der genaue Wert ist nicht so wichtig, viel wichtiger ist, die mit dem Voltmeter gemessene Spannung zu beobachten. Sie wird sich in einem bestimmten Bereich, der mit dem Poti R2 geregelt wird, so gut wie gar nicht mehr verändern. Sobald der Strom sehr klein wird, zeigt das Voltmeter schon einen sehr genauen Wert für Vp an. Die Hersteller der Halbleiter geben daher nie die Abschnürspannung bei einem Drainstrom von 0 Volt an, sondern immer bei einem etwas höheren Wert von z.B. 20 Microampere. Die Spannung an R2 entspricht nun der Abschnürspannung, da die Spannung am Gate durch den Spannungsabfall an R2 gegenüber der Spannung an der Source so niedrig ist, dass der Fet fast sperrt. Wir können also nun die Abschnürspannung Vp am Voltmeter ablesen und notieren.

Der zweite Schritt, die Messung des Kurzschlusstromes Idss, erfordert nur noch einen Tastendruck: Durch S1 wird Gate 1 mit der Source verbunden, durch diesen Kurzschluss sinkt die Spannung zwischen Gate 1 und Source auf 0 Volt. Der Strom, der nun durch das Amperemeter fliesst, ist der Kurzschlussstrom Idss, der ebenfalls notiert wird. Wer über einen Computer mit einer Tabellenkalkulation verfügt, kann die Messwerte auch gleich in eine Tabelle eintragen und das Ergebnis berechnen lassen. Setzt man die Spannung Vp in V und den Strom Idss in mA ein, so ist das Ergebnis in der Einheit mS. In amerikanischen Datenblättern erscheint häufig die Einheit µmhos. Diese lässt sich recht einfach in mS umrechnen: 1000 µmhos sind 1 mS. Somit kann man überprüfen, ob die gemessenen Transistoren innerhalb der Spezifikationen des Herstellers liegen oder nicht.

Schaltungsaufbau

Der Aufbau der Schaltung gestaltet sich recht einfach. Für die Messung an einem normalen JFet reicht eine rasch zusammengelötete Schaltung mit einem Transistorsockel aus.

Bild 1: TO-50 Gehäuse

Wegen der besonderen Bauart moderner Dual Gate Mosfets im TO-50 Gehäuse, bei denen die Anschlüsse sternförmig in vier Richtungen abstehen, wurde für diese Bauform ein anders Konzept gewählt, siehe Bild 2: Aus einer kupferbeschichteten Platine wurden die benötigten Anschlüsse freigefrässt. Die schwarzen Flächen sind die Beschichtung, entlang der weissen Linien wurde die Beschichtung mit einer Trennscheibe für Modellbauer (Dremel) entfernt. Anschliessend wird mit einem Durchgangsprüfer oder Widerstandsmessgerät überprüft, ob die Leitungen sauber getrennt wurden. Die freigefrässten Anschlüsse dürfen keine Verbindung untereinander haben. Die Anschlussbezeichnungen wurden mit einem Edding aufgemahlt, G1 und G2 stehen für Gate 1 und 2, S steht für Source und D für Drain.

Die Anordnung der Anschlüsse war bei allen vom Autor verwendeten BF9xx-Typen identisch, im Einzelfall sollte man jedoch vor der Messung überprüfen, ob das Anschlussschema des Transistors zur Schaltung passt. Ein BF981 würde mit dem langen Anschluss (Drain) nach rechts in die Schaltung eingesetzt werden. Auf eine genaue Bemassung wurde verzichtet, wichtig ist nur, dass die Anschlüsse des Transistors vollständig auf den Flächen für G2, S und D aufliegen können, ohne einen Kurzschluss zu verursachen.

Das Loch in der Mitte wurde so gross gewählt, das der Transistor mit seinem Gehäuse so weit in die Platinen eintauchen kann, dass die Anschlüsse auf der Platine aufliegen. Zwischen den Anschlüssen "+" und "D" ist noch ein Widerstand von 100 Ohm einzulöten, die Anschlüsse "S" und "R2-a" sind mit einer Drahtbrücke zu verbinden. Die beiden verwendeten Potis und ein Taster können direkt auf die Platine aufgelötet werden, somit ergibt sich eine Einheit, an welche nur noch die beiden Messgeräte und die Spannungsversorgung angeschlossen werden müssen.

Um zu vermeiden, dass beim Einsetzen des Transistors in die Schaltung ein Kurzschluss entsteht, kann man die Flächen + und die Massefläche zwischen D und S mit etwas Isolierband abdecken. Die Schaltung sollte nur von erfahrenen Bastlern oder unter Anleitung eines solchen aufgebaut werden, für Schäden, die durch die Verwendung dieser einfach aufgebauten Schaltung entstehen, übernimmt der Autor keine Verantwortung.

Bild 2: Schaltungsaufbau

Messung

Die Spannungsversorgung von 10-12 Volt wird angeschlossen und der Schleifer des Potis R1 (G2) auf 4 bis 5 Volt eingestellt. Das Voltmeter wird zwischen R2-a (+) und R2-b (-) und das Amperemeter zwischen  R2-b (+) und Minus (-) angeschlossen. Obwohl bei ca. 100 vom Autor durchgeführten Messungen kein Transistor zerstört wurde, wird empfohlen, vor der Berührung des Bauteiles eventuelle Zerstörung durch statische Elektrizität zu beachten. Am besten ist die Verwendung eines entsprechenden Armbandes, Berührung einer Erdleitung unmittelbar vor der Arbeit mit einem Bauteil reicht jedoch meist aus. Die Anschlüsse des Transistors werden etwas nach unten gebogen, der Transistor wird auf die Platine aufgelegt. Durch Druck mit einem dünnen Gegenstand auf die Gehäusemitte werden die Anschlüsse gegen die Platinen gedrückt und es entsteht ein Kontakt. Der Andruck mit einem Finger hat sich nicht bewährt, da der Strom, der bei Berührung der Anschlüsse über den Finger fliesst die Messungen verfälscht. Anschliessend wird Poti R2 so lange geregelt, biss nur noch ein Strom von einigen 10 Microampere fliesst. Nun kann Vp sofort abgelesen und notiert werden. Anschliessend drückt man den Taster und liesst auf dem Amperemeter den Strom Idss ab. Auf diese Art und Weise lässt sich eine grössere Anzahl Transistoren in ein paar Minuten durchmessen. 

 

Idss/mA

Vp/V

Yfs/mS

14,00

1,45

19,30

5,50

1,43

7,67

5,50

1,13

9,76

7,00

1,37

10,25

6,00

1,19

10,04

Tabelle 1: Beispielmessung des Transistors BF981

Ergebnis

Wie man anhand der Beispielmessung sehen kann, weichen die Werte einzelner Transistoren sehr stark voneinander ab. Dies kann dazu führen, dass eine Schaltung nicht wie vorgesehen oder gar nicht funktioniert. Das anfangs beschrieben Problem mit der mangelnden ZF-Verstärkung und der geringen Ausgangsleistung wurde durch Austausch je eines Transistors im Sende- und Empfangszweig gelöst: zur Verwendung kamen zwei 3N211 Transistoren, die ich auf einem Amateurfunk-Flohmarkt erstanden hatte. Die Bauteile hatten eine gemessene Steilheit von bis zu 18 mS, und nach dem Umbau waren alle Probleme gelöst. Eine Verschlimmbesserung erreichte ich durch Austausch aller drei ZF-Transistoren: die Durchgangsverstärkung in der letzten Stufe war so hoch, dass der Verstärker anfing zu schwingen. Dies war an einem Zischen zu erkennen, welches aus dem Lautsprecher ertönte. Der Einbau eines "normalen" Transistors in die letzte ZF-Stufe entschärfte das Problem.

Quellen

[1] W7ZOI JFet Biasing Tutorial by Wes Hayward, JFET Tutorial
[2] Introduction to Radio Frequency Design, Wes Hayward, W7ZOI, ARRL Verlag oder über Funkamateur Versand

JFET-Arbeitspunkteinstellung

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Einstellung des Arbeitspunktes bei JFet-Transistoren, Anleitung von W7ZOI

Original (Link): JFET BIASING TUTORIAL BY W7ZOI


Diese Anleitung ist copyright © 2000-2001 von Wes Hayward, W7ZOI
Mit freundlicher Genehmigung des Autors aus dem Englischen übersetzt von Erik Beckers, DL2KEB

Vorspannung bei JFets und Verstärkerdesign W7ZOI, 30 Dez. 2000


Die Arbeitspunkteinstellung ist bei JFet-Transistoren im allgemeinen nicht aufwendiger als bei bipolaren Transistoren. In vielerlei Hinsicht verhalten sie sich grundsätzlich wie Röhren. Der Strom, der zwischen Drain und Source des FETs fliesst, wird von der Spannung zwischen Gate und Source, Vgs, kontrolliert. (Das ist die Spannung, die man mit einem Voltmeter messen würde, welches zwischen Gate und Source angeschlossen ist).

Die Schaltung in Bild 1 definiert die Parameter, die man zur Beschreibung des Gleichspannungsverhaltens eines FETs verwendet. Der 100 Ohm Widerstand wird eingefügt, um UHF-Schwingungen während der Messung zu unterdrücken. Es wird die Gatespannung V verändert und dabei der Drainstrom gemessen. Das Ergebnis wird anschliessend wie in Bild 1 dargestellt aufgezeichnet. Das Verhalten des FET wird durch die einfache quadratische Gleichung in Bild 1 beschrieben, sie enthält die zwei für den FET geltenden Parameter IDSS und VP. IDSS ist der Drainstrom, der bei einem Kurzschluss des Gates mit der Source fliesst. Die sogenannte Abschnürspannung (pinch-off voltage), VP, ist VGS bei einem Drainstrom von nahezu null. Source- und Gatestrom eines FETs sind identisch.

Grundsätzliches Verhalten eine N-Kanal JFet, Verarmungstyp
Die Nummern dienen zur Veranschaulichung der Grundidee.

Der Experimentierende, der einen JFet in einer Schaltung einsetzen möchte, wird am häufigsten die Methode einsetzen, die man automatische Vorspannungserzeugung (self biasing) nennt. Hierbei wird ein Widerstand in die Source-Leitung geschaltet. Das Gate wird mit Masse verbunden. Der Strom, der durch den FET fliesst, fliesst auch durch den Widerstand. Dieser Strom verursacht einen Spannungsabfall, der die Sourcespannung über die des Gates anhebt, dies entspricht einer negativen Vorspannung des Gates gegenüber der Source. Dadurch wird ein Drainstrom eingestellt, der kleiner als IDSS ist.

Die Drainspannung ist nicht weiter kritisch, weil sie ein paar Volt grösser als die Spannung an der Source ist.

Die Grösse des Widerstandes wird für einen bestimmten Arbeitspunkt nach Gleichung 1 berechnet, wenn IDSS und VP bekannt sind. Jedoch sind diese Parameter selten genau genug angegeben. Bei dem bekannten Transistor J310 zum Beispiel werden nur Bereiche angegeben: IDSS liegt zwischen 24 und 60 mA und VP liegt zwischen -2 und -6,5 Volt.

Mit der Schaltung aus Bild 2 können IDSS und VP bei einem bestimmten FET leicht gemessen werden. Die Schaltung wird mit verschiedenen Werten für den Source-Widerstand aufgebaut und die Sourcespannung wird mit einem hochohmigen Voltmeter gemessen. Die Abschnürspannung nimmt bei einem hohen Widerstandswert RS von ca. 100 Kiloohm den negative Wert der Sourcespannung an. (Gemeint ist hier wohl nicht der negative, sondern der kleinste Wert der Sourcespannung, diese entspricht Vp, Anmerkung des Übersetzers). Schliesst man die Source mit einem Amperemeter gegen Masse kurz, so kann man IDSS direkt ablesen. Durch diese einfache Messung stehen uns genug Daten zur Verfügung, um den Arbeitspunkt des FETs einzustellen.


Das Experiment wurde mit einem 2N54545 aus der Grabbelkiste durchgeführt, es ergaben sich die Parameter IDSS=11mA und VP=-2,8V. Mit diesen Parametern wurde die Spannungsgleichung nach Bild 1 gezeichnet, zu sehen in Bild 3. Zusätzliche Punkte wurden nachgemessen, es ergaben sich Punkte, die nahe an der berechneten Kurve lagen.

Daten und geglätteter Kurvenverlauf des gemessenen 2N5454.
Dieser FET hat eine Abschnürspannung von 2,8V und einen IDSS von 11 mA

Dieser Aufwand sollte praktisch bei jedem FET betrieben werden, den der Experimentator einsetzen möchte. Es reicht nicht aus, die Daten für einen bestimmten FET-Typ nachzuschlagen, obgleich man einigermassen übereinstimmende Werte erwarten kann, wenn es sich um Bauteile aus der selben Charge des Herstellers handelt.

Weiter oben wurde bereits der J310 mit seinem IDSS-Bereich von 24 bis 60 mA erwähnt. Mit einem Streubereich von 2,5:1 ist dieser noch einer der besseren unter den allgemein erhältlichen Bauteilen. Dagegen streut der früher sehr bekannte MPF-102 bezüglich IDSS im Verhältnis 10:1 (2 bis 20 mA), und VP liegt zwischen -0,5 und -7,5 Volt! Diese Bauteile sollten ganz klar mit äusserster Vorsicht eingesetzt werden. Es sind gute Bauteile für den Hochfrequenzbetrieb , aber zwei MPF-102 werden einander wohl kaum gleichen.

Der nach Bild 3 ausgemessene FET soll in einem Verstärker verwendet werden, und man möchte den Arbeitspunkt auf 5 mA einstellen. Der Punkt bei 5 mA wird aus der Grafik übernommen, und entspricht einer Spannung VGS von circa 0,9 Volt. Aus 0,9 Volt Spannungsabfall bei 5 mA ergibt sich ein Widerstand von 180 Ohm. Verwendet man die Gleichung 1, so ergibt sich ein Widerstand von 182 Ohm. Der Arbeitspunkt bei 5 mA ist in Bild 3 gestrichelt dargestellt.

Hat man den Arbeitspunkt eines FETs eingestellt, so kann er in einem Kleinsignalverstärker verwendet werden. Der wichtigste Parameter, der die Verstärkung des Transistors angibt, ist die Steilheit (engl. transconductance), die sich nach Gleichung 2 berechnen lässt. Die Steilheit ergibt sich aus dem Strom eines Signals im Drain, der sich mit der am Gate angelegten Spannung ändert. (die Steilheit hat die Einheit A/V, also Strom pro Änderung der Spannung, in Datenblättern wird diese in mS bzw µmhos angegeben, 1000 µmhos entspricht 1 mS, Anm.d.Ü.) Beachte, dass die Steilheit gM vom Strom des Arbeitspunktes abhängig ist. Die in den Datenblättern angegebene Steilheit gM entspricht dem Wert bei Betrieb des Transistors bei Idss.

Diese Daten wurden in unserer Beispiel-Verstärkerschaltung verwendet, um die Steilheit zu ermitteln.

Setzt man die ermittelten Daten für den 5 mA Arbeitspunkt in Gleichung 2 ein, so ergeben sich die Daten in Bild 4.

Ein Verstärker entsprechend Bild 5 wird als Puffer für eine Oszillatorschaltung verwendet. Dabei wird angenommen, der Ausgang des Oszillators liefere eine Spannung von 1 Volt Spitze-Spitze. Diese Spannungsänderung am Gate des FET führt dazu, dass ein Strom von 5,33 mA Spitze-Spitze fliesst. Der Übertrager besteht aus 15 Windungen primär in der Drainleitung und 3 Windungen sekundär auf einem Amidon FT37-43 Ringkern. Dieses Verhältnis der Windungszahlen transformiert die an der Sekundärwindung angelegten Last von 50 Ohm zu einer 1250 Ohm Last in der Drainleitung. Ein Strom von 5,3 mA Spitze-Spitze erzeugt eine Spannung von 6,25 Volt Spitze-Spitze. Liegt kein Einganggssignal an, so liegt die Drainspannung bei 11 Volt, positive und negative Auslenkung der Spannung um 3 Volt führen also nicht zu einer Spannungsbegrenzung. Der Strom schwankt um den 5 mA Arbeitspunkt, nach unten bis ungefähr 3 mA (immer noch grösser als null) und nach oben bis ungefähr 8 mA, also immer noch kleiner als Idss. Das Signal an der 50 Ohm Last wird durch den Übertrager auf 1.33 Volt Spitze-Spitze transformiert. Das sind ungefähr +6 dBm, genug Leistung, um einen Dioden-Ringmischer zu betreiben. Diese einfache Schaltung stellt einen sehr nützlichen Verstärker mit niedrigem Rauschen und hoher Effizienz dar.

Verstärker in Sourceschaltung, Arbeitspunkt 5 mA Drainstrom

Bild 6 zeigt einen FET Verstärker, bei dem eine aufwendigere Arbeitspunkteinstellung verwendet wird. Hier wird nun eine negative Spannungsversorgung verwendet, und der Widerstand, über den der Arbeitspunkt eingestellt wird, muss sich hier wie eine Konstantstromquelle verhalten. Mit dieser Methode können verschiedene FETs mit unterschiedlichen Parametern verwendet werden, wenn der Arbeitspunkt für Id<Idss-min eingestellt wurde. (Mit Idss-min ist wohl der kleinste auftretende Wert für Idss gemeint, Anmerkung des Übersetzers)

Verstärker mit aufwendigerer Arbeitspunkteinstellung. Der Arbeitspunkt dieses Verstärkers liegt bei 5 mA, und die Leistungsfähigkeit entspricht der des Verstärkers aus Bild 5, aber hierbei ist eine Selektierung der Bauteile nicht unbedingt notwendig.

Vorgänge an HF-Leitungen

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Vortrag: Vorgänge an HF-Leitungen...

An unserem OV-Abend am 30.04.2010 fand ein interssanter Vortrag von OM Dr.-Ing. Rudolf Kalocsay, DL3FF zum Thema "Vorgänge an HF-Leitungen mit Hilfe von 3D-Modellen anschaulich erklärt." statt.

OM Rudi hatte anhand der mitgebrachten Modelle vielen interessierten Zuhörern einiges zum obigen Thema verständlich machen können.

An dieser Stelle möchte sich der Vorstand auch im Namen der Mitglieder des OV G 38 ganz herzlich bei OM Rudi DL3FF für seinen Vortrag bedanken.

Agenta zum Vortrag am 30.04.2010

Vorgänge an HF-Leitungen mit Hilfe von 3D-Modellen anschaulich erklärt.

Vortrag von OM Dr.-Ing. Rudi Kalocsay, DL3FF

Was geschieht mit der reflektierten Leistung, die von einer nicht angepassten Antenne reflektiert wurde? Die Antworten in den Publikationen sind widersprüchlich. Mit Hilfe von dreidimensionalen Modellen wird versucht, diese Frage anschaulich zu beantworten.

Nach einer kurzen Einführung in die Modellierung wird gezeigt, wie sich die fortschreitenden und die reflektierten Wellen in entgegengesetzte Richtungen bewegen und wie sich die stehenden Wellen bilden. An einem einfachen Beispiel werden dann die Vorgänge im Umfeld der reflektierten Leistung mit Zahlen belegt.

An weiteren Modellen wird anschaulich gezeigt, warum eine HF-Leitung Impedanzen transformieren kann.

Weiter wird erläutert, warum man mit Hilfe eines Antennenanpassgeräts die volle Sendeleistung auch bei einer nicht resonanten Antenne abstrahlen kann.

Die Frage, wie das SWR-Gerät zwischen der fortschreitenden und der reflektierten Leistung unterscheiden kann wird an einer Schaltung und mit Vektordiagrammen erläutert.

Bei Interesse können die Vorgänge an einer am Ende offenen viertelwellen Leitung am Modell dargestellt werden.

Anschließend werden gestellte Fragen besprochen.

 

Empfohlene Literatur zum Vortrag von OM Dr.-Ing. Rudi Kalocsay, DL3FF


„Vorgänge an HF-Leitungen mit Hilfe von 3D-Modellen anschaulich erklärt“:

  1. D.I. Lorenz Borucki, DL8EAW: Was geschieht auf nicht angepassten HF-Leitungen?
    Funkamateur 12/2007, S. 1292 – 1297

  1. Walter Berner, HB9MY, Franz Acklin, HB9NL: Energieübertragung vom Sender zur Antenne.
    CQ DL 6/1993, S. 371 – 377, CQ DL 7/1993, S.
    462 – 467

  1. D.I. Lorenz Borucki, DL8EAW: Wie funktionieren Stehwellenmeßgeräte?
    CQ DL 1/1998, S. 25 – 27

  1. D.I. Lorenz Borucki, DL8EAW: Leistungsbilanz in einer fehlabgeschlossenen HF-Leitung.
    Funkamateur 11/2009, S. 1164 – 1165

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