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Problemlösungen beim Bau von Senderverstärkern für KW-Bereiche 6

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KW-Senderverstärker für nur ein KW-Band

Erheblich vereinfacht werden Berechnung und Aufwand an Einzelteilen, wenn Senderverstärker für nur ein einziges KW-Band anzufertigen sind. Es ist hier nicht der Ort zu erörtern, ob es zeitgemäß und/oder sinnvoll ist, der Vielzahl von KW-Bändern, die uns heute zur Verfügung stehen, Einband-Senderverstärker gegenüberzustellen. In Frage kommen sie in erster Linie für Funkamateure, die auf einem mit Bedacht gewählten Band Gesprächsrunden pΩegen oder die regelmäßig Weitverkehrsverbindungen tätigen, die auch dazu dienen, Ausbreitungsbedingungen systematisch zu studieren.

Gang der Berechnung des Anodenschwingkreises

1. Tetrodentyp wählen und den Arbeitswiderstand RA berechnen:

2. Gütefaktor Q wählen: Q = 10...20

3. Blindwiderstand Xc, von C, berechnen:

bei B-Betrieb oder

bei C-Betrieb

4. C₁ für gewähltes Band berechnen:

Wenn C₁ für 10-m- oder ggf. auch 15-m-Band nicht zu verwirklichen, weil zu klein, Q erhöhen. Ggf. verringern oder/und I_an erhöhen.

Beispiel:

1. QB 3,5/750, U_an = 2500 V, I_an = 0,3 A

2. Q = 10

3. B-Betrieb für Einseitenband-Modulation

4. 10-m-Band

Mit Vakuum-C₁-Drehkondensator zu verwirklichen, nicht aber mit einem herkömmlichen 150-pF-Drehkondensator, da mit ihm

5. C₁-Drehkondensatortyp wählen Soll bzw. muß ein herkömmlicher 150pF-Drehkondensator verwendet werden, wählt man z. B. Q = 15 anstatt Q = 10 und erhält

Dann ist

Man kann aber auch von einem erzielbaren C₁ ausgehen und berechnet dann, welcher Gütefaktor Q sich mit diesem C₁ einstellt:

6. C₁ festlegen

7. X_c1 berechnen

8. Q berechnen

bei B-Betrieb

Bezogen auf das unter Punkt 5 Hinzugefügte sei z. B. C₁ = 35 pF. Dann ist X_c1 150 Ω, und man erhält Q = 16. Im übrigen erfolgt die Berechnung von C₂ und L mit Hilfe der bereits erläuterten Formeln.

Die Spule des π-FilterAnodenschwingkreises

Die Ermittlung der für eine berechnete Induktivität L erforderlichen Windungszahl w einer π-Filter-Anodenschwingkreisspule und ihrer Abmessungen ermöglicht die Formel

Spulenlänge l und -durchmesser d sind - frei gewählt - vorzugeben, wobei die Bedingung l > 0,3 × d einzuhalten ist, was bedeutet, daß Spulen mit nur sehr wenigen Windungen nur angenähert erfaßbar, Spulen mit Längen ab etwa d/2 hingegen mit großer Genauigkeit berechenbar sind.

Die - vorläufige - Festlegung von l und d ist grundsätzlich nichts anderes als reines Probieren, aber die Erfahrung hat gelehrt, daß Durchmesser d um 8 cm die Obergrenze dessen darstellen, was in einem vertretbar großen KW-Senderverstärker-Gehäuse noch unterzubringen ist. Die Untergrenze für d liegt bei 3...5 cm und wird dann im allgemeinen für 15-m- und 10-m-Band-Spulen gewählt.

Damit klingt an, daß es bei Allband-KW-Senderverstärkern üblich ist, L in zwei Spulen unterschiedlichen Durchmessers aufzuteilen: die physikalisch und räumlich kleinere Spule läßt einen größeren Abstand zwischen den Abgriffen für das 15-m- und 10-m-Band zu. Die Formel für w - die bereits im Kapitel über den Steuergitterschwingkreis vorgestellt worden ist - geht davon aus, daß der Abstand zwischen den Windungen dem Durchmesser des Leiters entspricht, der für die Wicklung verwendet wird (Abb. 17). Im Gegensatz zu früher, verwendet man heutzutage vorzugsweise freitragende, aus Kupferrohr gefertigte Spulen. Dadurch sind sie im vorhinein für das 10-m-Band insofern hochfrequenzmäßig reichlich überdimensioniert, als dort die Stromverdrängung durch den Skineffekt beginnt, nicht mehr vernachlässigbar klein zu sein.

Abb. 17: Für die Berechnung ihrer Induktivität verwendete Bemaßung einlagiger Zylinderspulen, die (auch) in π-Filtern verwendet werden. Axialer Längsschnitt, Wicklungsbeginn bei 0 (Null), Wicklungsende bei n (vgl. mit Abb. 19). d: Durchmesser; l: Länge; d_d: Durchmesser des Kupferrohrs; a_w: Abstand der Windungen von einander; d/3: Mindestlänge einer Spule, die genaue Berechenbarkeit mit Hilfe der im Text verwendeten Formel gewährleistet.

Für KW-Senderverstärker mit Nutzleistungen bis hin zu 1 kW ist bereits 4mm-Kupferrohr ausreichend, und wenn man zu 5- oder 6-mm-Kupferrohr greift, dann nur, um der Spule höhere mechanische Stabilität zu geben. Diese kann man - wenn man gediegenes Handwerk zum Grundsatz erhebt - weiter erhöhen, indem man eine starr machende PlexiglasΩäche horizontal und axial in die Spule einfügt; mit zwei Plexiglasrundstangen wird sie auf dem Chassis befestigt.

Gestaltung einer π-Filterspule

Angenommen, es ginge darum, die im Rahmen dieses Beitrages bereits als Beispiel berechnete Anodenschwingkreisspule zu gestalten, die insgesamt die Induktivität 8 µH und Abgriffe bei 1 µH, 1,3 µH, 2 µH und 4 haben muß.

Hinweis: Abgriffe für das 17-m- und 12m-Band bleiben, aus Gründen, die weiter oben dargestellt worden sind, zunächst unberücksichtigt. (Siehe "Berechnung von C₁, C₂ und L eines π-Filter-Anodenschwingkreises", einleitende "Vorbemerkung")

Entsprechend dem soeben erläuterten Grundsatz, trennt man den 10-m- und 15-m-Teil der Induktivität vom übrigen. Zu berechnen sind also eine 8µH - 1,3 µH = 6,7 µH- und eine 1,3 µH-Spule.

Es seien für die 80-m-... 20-m-BandSpule d = 8cm und l = 10cm.

Dann ist

Auf 10 cm Länge sind 12 Windungen unterzubringen; zwischen 12 Windungen beΩnden sich auch 12 Zwischenräume (Abb. 17). Sollen diese - wie erwünscht - dem Durchmesser des für die Wicklung verwendeten Kupferrohres entsprechen, dann muß die Summe der Zwischenräume gleich der halben Spulenlänge - also 5 cm - und die Breite eines Zwischenraumes

sein. Mit 4-mm-Kupferrohr läßt sich die 6,7-µH-Spule hinreichend genau mit l = 10 cm verwirklichen.

Es seien für die 15-m-... 10-m-Band-Spule d = 5 cm und l = 5 cm.

Dann ist

Die Breite eines Zwischenraumes sollte

sein: 4-mmm-Kupferrohr ist also für die Herstellung auch dieser Spule das geeignete Halbzeug.

Dem aufmerksamen Leser wird nicht entgangen sein, daß die Formel zur Berechnung der Windungszahl w, wenn l = d, vereinfacht wird zu

Eine Methode des Wickelns von Spulen aus Kupferrohr

Spulen aus Kupferrohr nicht maschinell, sondern manuell herzustellen, bereitet keine Schwierigkeit, bedarf aber einiger handwerklicher, leicht nachvollziehbarer Kniffe.

1m Großhandel erhältlich ist Kupferrohr, das das Kurzzeichen "SF-Cu" trägt und aus sauerstofffreiem Kupfer (Cu) besteht, das einige hundertstel Prozent Phosphor enthält und dadurch "desoxidiert" ist. Es weist hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Für unsere Zwecke kommen Kupferrohre mit den Durchmessern 4 mm, 5 mm und 6 mm in Frage, mit der Wanddicke 1 mm: "4 x 1"-, "5 x 1"- und "6 x 1"-Kupferrohr. Ausführungen mit 0,5 mm Wanddicke sollte man nicht verwenden, da die Gefahr besteht, daß beim Biegen der Rohrquerschnitt elliptisch wird oder sogar Knicke entstehen.

Als Wickelkörper kommt nur Stahlrohr in Frage, mit den Durchmessern 40 mm, 50 mm und 70 mm, bei rund 300 mm Länge und 2 mm Wanddicke. Mit den genannten Wickelkörperdurchmessern erhält man Spulendurchmesser um 5 cm, 6 cm und 8 cm.

Das Spulewickeln darf nicht freihändig in der Weise erfolgen, daß man - wenn man Rechtshänder ist - den Wickelkörper randständig mit der linken Hand umklammert und mit der rechten Hand das Kupferrohr aufträgt, denn dann ist das Ergebnis immer ein unregelmäßiges, häßliches Gebilde. Vielmehr muß der Wickelkörper gedreht und mit dem Drehen das ruhende Kupferrohr aufgewickelt werden. Das ist freihändig nicht möglich, wohl aber, wenn das aufzutragende Kupferrohr gestreckt auf einer ebenen, harten Unterlage, z. B. auf dem Fußboden, liegt. Darüber später mehr.

Die für eine bestimmte Spule erforderliche Kupferrohrlänge beträgt

l ≈ w × π × d + 80 cm

mit d für den Durchmesser des Wickelkörpers. Zum - buchstäblichen - Handhaben der widerspenstigen Kupferroh-renden sind 2 × 40 cm dem Produkt w × d hinzugefügt. Für w = 12 bei d = 7 cm erhält man l ≈ 340 cm (!). Man bitte den Verkäufer, das gewünschte Rohrstück ringförmig transportierbar zu machen und unter gar keinen Umständen zu knicken.

Das Kupferrohrstück wird auf einem glatten Fußboden sorgfältig geradegerichtet, bis Biegungen nicht mehr zu erkennen sind, und das Rohr rollen kann.

Der Wickelkörper wird rund 5 cm von einem Kupferrohrende entfernt aufgesetzt, sehr kräftig mit einer Hand angedrückt, mit der anderen Hand das freie Kupferrohrende gefaßt und, mit so viel Andruck wie möglich und so weit wie möglich, um den festgehaltenen Wickelkörper gewunden. Der Wickelkörper wird entfernt und das Rohrende dort abgesägt, wo es der Krümmung des Wickelkörpers nicht mehr folgen wollte. Dann wird der Wickelkörper wieder in die nicht ganz vollständige Windung eingefädelt.

Indem man das Kupferrohrende anfangs noch festhält, beginnt man, den Wickelkörper langsam, aber stetig, auf dem Kupferrohr zu rollen (Abb. 18), Windung dicht an Windung, ständig mit vollem Andruck. Dabei kriecht man auf den Knien der entstehenden Spule hinterher. Ein paar Zentimeter des anderen Kupferrohrendes dürfen gestreckt bleiben.

Abb. 18: Wickeln einer Anoden schwingkreisspule aus 4 x 1-mmKupferrohr

Unmittelbar nach Fertigstellung des Spulenrohlings, wird dieser auf dem Wickelkörper mit äußerster Kraft (!), von seinen Wicklungsenden her, gegenläuΩg, also wringend, längere Zeit immer wieder angespannt. Man beobachtet dabei, daß die Spule noch dichter dem Wickelkörper anzuliegen beginnt, und daß auch geringfügige Krümmungen an Windungen verschwinden: es entsteht ein makelloser Spulenrohling (Abb. 19). Der Innendurchmesser einer mit dieser Methode gefertigten Spule ist um nur 2 mm...3 mm größer als der Außendurchmesser des Wickelkörpers.

Abb. 19: Fertige Spule mit w = 7, l = 7,6 cm, d = 9,7 cm, d_d = 0,4 cm, a_w = 0,4 cm und L ≈ 3,8 µH.

Den bei der Berechnung. einer Spule eingesetzten, sozusagen idealisierten Durchmesser beim Wickeln zu erzielen, ist zwar mit Wickelkörpern möglich, deren Durchmesser die Entspannung nach dem Wickeln einer Spule - deren Wicklung, mathematisch betrachtet, der Raumkurve einer Schraubenlinie folgt - und den Durchmesser des Kupferrohres berücksichtigt, jedoch entspringen der soeben geschilderten Wickeltechnik Spulen, die von vornherein eine der gewünschten sehr nahe liegende Induktivität haben, wenn man die Spulen nach dem Wickeln in bezug auf die Länge l so trimmt, daß sie mit der in der Berechnung verwendeten übereinstimmt.

Messung der Induktivität

Messung der Induktivität ist nicht unbedingt erforderlich und ist selbstverständlich am einfachsten, wenn ein industriell gefertigtes L-Meßgerät zur Verfügung steht.

Jedoch ist eine L-Messung hinreichend genau auch mit Hilfe eines Dipmeters möglich, nachdem man mit der Spule und einem Festkondensator einen Parallelresonanzschwingkreis hergestellt hat. Ein Festkondensator mit einer Kapazität um 100 pF eignet sich sehr gut, dessen Kapazitätstoleranz so klein wie möglich sein sollte.

Die Anschlußdrähte zwischen dem Festkondenator und den Spulenenden macht man so kurz wie möglich und lötet sie - ggf. mit Verlängerungsdrähten - an die Spulenenden, ohne die Spule zu verformen.

Der Schwingkreis wird randständig z. B. auf Styroporquader gelegt und das Dipmeter beim Messen so lose wie möglich mit ihm gekoppelt. Die Resonanzfrequenz kann ggf. mit einem auf die Frequenz des Dipmeters abgestimmten Allband-KW-Empfängers genauer bestimmt werden.

Die Induktivität wird mit Hilfe der Formel

berechnet.

Richtig durchgeführt, beweist eine solche Messung die hohe Genauigkeit, mit der die Formel für die Berechnung von w die Windungszahl zu berechnen gestattet.

Geringfügige Abweichungen von der Sollfrequenz - und mit "geringfügig" dürfen in diesem Zusammenhang auch mehr als 100 kHz gemeint sein - können ohne weiteres zunächst hingenommen werden, da ja gerundete Werte beim Berechnen von L verwendet werden (sollten), und die Richtigkeit des Berechneten insgesamt erst nach dem Zusammenbau des Anodenschwingkreises bestätigt werden kann, auch dann mit einem Dipmeter.

Abgriffe am π-Filter-Anodenschwingkreis

Die Lage der Abgriffpunkte für das 40m-, 20-m- und 10-m-Band auf den Spulen ist so genau vorausberechenbar, daß nach Fertigstellung eines Allband-KW-Senderverstärkers nur noch Feinabgleich erforderlich ist - dieser aber zwingend, um sicherzustellen, daß die Blindwiderstände X_L der Induktivitäten stimmen.

Bei den Spulen bleibend, die weiter oben berechnet worden sind (Abb. 15), ergibt sich, daß folgende Induktivitäten einschaltbar sein müssen, für:

80-m-Betrieb L₁ + L₂, 6,7 µH + 1,3 µH = 8 µH
40-m-Betrieb 2,7 µH (von L₁) + 1,3 µH (von L₂) = 4 µH
20-m-Betrieb 0,7 µH (von L₁) + 1,3 µH (von L₂) = 2 µH
15-m-Betrieb L₂, 1,3 µH
10-m-Betrieb 1 µH (von L₂)

Es besteht - leider - kein einfacher Zusammenhang zwischen der Windungszahl w einer Spule und Teilen ihrer Induktivität auf der Wicklung. So ist z. B. der Punkt für 2,7 µH auf der 6,7-µH-Spule, mit w = 12, nicht rund 4,8 Windungen vom Spulenende entfernt, das L₂ benachbart ist, weil 2,7 ≈ 6,7 × 0,402 und 12 × 0,402 ≈ 4,8 ist.

Auch Faustformeln, wie z. B.

führen zu falschen Ergebnissen, weil der Formfaktor l/d in der Formel für w sich bei Abgriffen an einer festliegenden Induktivität zwingend ändert: er wird kleiner. Bei der 6,7-µH-Spule z.B. liegt die Induktivität bei

sondern rund 1,02 µH höher.

So widersinnig es klingen mag: durch Probieren und wiederholtes Berechnen kommt man vergleichsweise schnell zum Ziel.

Nehmen wir z. B. den Abgriff für 2,7 µH an der 6,7-µH-Spule, und mutmaßen wir, er müsse unterhalb 12/2 = 6 Windungen liegen, nehmen wir an bei w = 5, vom L₂-Anschluß aus gerechnet. Die Länge l beläuft sich dann auf (5 × 0,4 cm) + (5 × 0,4 cm) = 4cm.

Dann ist

Versucht man es mit w = 6, erhält man

l = 4,8 cm ergibt sich aus (6 × 0,4 cm) + (6 × 0,4 cm) = 4,8 cm.

Bei ist also nicht - wie vorhin bereits erwähnt -, sondern zufällig (!) genau der gesuchte Abgriff an L₁.

Es gilt jetzt, an L₁ den Betrag w für L = 0,7 µH zu berechnen. Im vorhinein muß man annehmen, daß w so klein ist, daß die Bedingung, es müsse immer sein

nicht erfüllt wird. In solch einem Fall berechnet man die Windungszahl w vom antennenseitigen Spulenende aus, in diesem Fall also für L = 6,7 µH - 0,7 µH = 6 µH. Mutmaßlich ist w wenig kleiner als das w für 6,7 µH. Als wenn man manuell mit einer Spule experimentierte, wickelt man gedanklich eine Windung von w = 12 ab und versucht es mit w = 11 und daher mit l = (11 × 0,4 cm) + (11 × 0,4 cm) = 8,8 cm.

Es ist

Das Ergebnis ist etwas zu groß. Verringert man w = 11 auf w = 10,75 und behält l = 8,8 cm, durchaus berechtigterweise, bei, ergibt sich

Am L₂-benachbarten L₁-Spulenende sind also rund 1¼ Windungen für den 20-m-Band-Abgriff erforderlich.

Gewitzt durch die mit L₁ - und im Rahmen vergleichbarer Experimente - gemachten Erfahrungen, berechnet man den Abgriff an L₂ für das 10-m-Band, indem man für die Verringerung der Induktivität um nur 0,3 µH von 1,3 µH auf 1 µH eine Verringerung von w = 6 um weniger als eine Windung für erforderlich hält. Wenn man es mit einer Viertelwindung versucht und bei l = 5 cm bleibt, rechnet man

Zweiter Versuch: w = 5,5 und dann

Damit sind die Berechnungen für L₁ und L₂ abgeschlossen.

In grundsätzlich gleicher Weise geht man bei vergleichbaren Berechnungen vor.

Nachtrag: Abgriffe für 17-m-und 12-m-Band-Betrieb

Beim vorstehend durchgerechneten Beispiel liegt der Abgriff für das 20-m-Band bei 2 µH , für das 15-m-Band bei 1,3 µH, für das 10-m-Band bei 1 µH. Bei Betrieb auf dem 17-m- oder auf dem 12m-Band muß der jeweilige Abgriff bei 1,5 µH bzw. 1,1 µH liegen, also zwischen 2 µH und 1,3 µH bzw. zwischen 1,3 µH und 1 µH.

Die gesuchten Abgriffpunkte lassen sich natürlich in der beschriebenen Weise recht genau berechnen.

Man kann - bei vergleichsweise so kleinen µH-Differenzbeträgen - aber auch die Abgriffpunkte abschätzen.

Der Abstand zwischen 2 µH und 1,3 µH beträgt 0,7 µH, 1,5 µH ist 0,2 µH größer als 1,3 µH, und da 0,2 µH rund ein Drittel von 0,7 µH ist, liegt der Abgriffpunkt für 17-m-Betrieb rund ein Drittel oberhalb von -1,3 µH, bezogen auf die auf der Wicklung gemessene Entfernung zwischen den Abgriffen für 1,3 µH und 2 µH.

Wendet man die gleiche Überlegung auf die Frage an, wo der Abgriff für das 12-m-Band liegen muß, findet man auch hier, daß er ein Drittel der Entfernung zwischen den Abgriffen für das 15-m-Band und für das 10-m-Band oberhalb 1 µH zu finden ist (1,3 µH - 1 µH = 0,3 µH; 1,1 µH - 1µH = 0,1 µH; 0,1 µH × 3 = 0,3 µH).

Literatur

1. Anonymus, ARRL Handbook, 66. Auflage, American Radio Relay League, Newington CT, 1989, 15-6, 15-7, 35-10
2. Anonymus, Jacksons Variable Capacitors, High Voltage Transmitter Types, RF Tuning Types, Croydon, 1983, 7-10
3. Anonymus, The Radio Amateur's Handbook, American Radio Relay League, Newington CT, 1981, 6-31
4. Anonymus, Vacuum and Gas Capacitors, Catalog CAP 105, Jennings, San Jose CA, 1989, 6-l1, 14-24
5. Dawley, R. L. (Hrsg.), The Radio Handbook, 13. Auflage, Editors and Engineers, Santa Barbara CA, 1951, 161-163
6. Hayward, W. und D. DeMaw, Solid State Design for the Radio Amateur, 2. Auflage, American Radio Relay League, Newington CT, 1986, 53
7. Orr, W. I., Radio Handbook, 23. Auflage, Sams und Co., Indianapolis IN, 1986, 14-17 - 14-19
8. Datenbücher zu Senderöhren verschiedener Hersteller, Brown Boveri, Valvo, AEG-Telefunken u. a., Ausgaben bis etwa 1986. (Die Produktion einiger Tetrodentypen ist von deutschen in ausländische Firmen verlegt worden.)

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DL3FM, Prof. Dr. Karl Lickfeld.