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Überarbeiteter Text eines Vortrags auf der VHF-UHF 76 in München.
Beim Bau und beim Nachgleichen von Transistorsendern, manchmal auch beim Betrieb mit stärkerer Fehlanpassung, können Störschwingungen auftreten, deren Beseitigung nicht immer leicht ist. Die Bewältigung dieses Problems ist jedoch für die Sicherheit der Transistoren und die Freiheit von Nebenausstrahlungen äußerst wichtig. Dieser Beitrag gibt eine Aufgliederung in verschiedene Schwingungsursachen, ihre gezielte Erkennung und Beseitigung.
1. Niederfrequente Schwingungen
In Transistorsendern sind Schwingkreisanordnungen in T-Form zweckmäßig(1). Sie sind für Gleichstrom und für tiefe Frequenzen hochohmig, so daß die Kollektor- und Basisströme über Drosseln geleitet werden müssen und die Verstärkung der Transistoren bei tiefen Frequenzen nicht definiert ist. Bild 1 zeigt eine typische Schaltung eines Transistorverstärkers im C-Betrieb.
Bild 1: Typische Schaltung eines VHF-Transistorverstärkers im C-Betrieb Dick gezeichnet: Kapazitäten des Transistors
Ebenfalls eingezeichnet sind die Eingangs- und Ausgangskapazitäten des Transistors sowie seine spannungsabhängige Rückwirkungskapazität. Sie bilden mit der Basisdrossel Dr B und der Kollektordrossel Dr C eine Art Huth-Kühn-Oszillator. Er schwingt, sobald die Resonanzfrequenzen im Basis- und Kollektorkreis auch nur annähernd gleich sind und sobald Gleichstrom durch den Transistor fließt. Die Schwingungen können so heftig werden, daß der Transistor in Millisekunden zerstört wird, ohne daß man eine Chance hat, Untersuchungen über die Ursache anzustellen. Auch wenn die Hersteller von HF-Leistungstransistoren eine Durchbruchsicherheit ihrer Produkte bei Fehlanpassung garantieren, gilt das nicht für den Fall, daß bei dieser Fehlanpassung niederfrequente Schwingungen entstehen.
Daraus ergibt sich die Forderung, jede Neigung zu niederfrequenten Schwingungen (darunter sind im weitesten Sinne Schwingungen unterhalb der Arbeitsfrequenz, also bis in den MHz-Bereich hinein, zu verstehen) schon bei der Entwicklung der Schaltung eindeutig zu beseitigen. Dazu hat sich folgende Untersuchungsmethode bewährt:
Entsprechend Bild 2 wird die Basisdrossel Dr B am kalten Ende von Masse getrennt und für tiefe Frequenzen mit einer Kapazität von ca. 0,5 µF abgeblockt. Vom Pluspol der Stromversorgung her wird über ein Potentiometer von 100 kΩ und einen Anschlagwiderstand von 1 bis 5 kΩ Basisstrom eingespeist. Jeder äußere Stromweg von Basis nach Masse muß vermieden werden (kein Basisteiler !). Das kalte Ende der Kollektordrossel Dr C wird mit einer Kapazität von ca. 0,1 µF abgeblockt, zusätzlich zur HF-Abblockung mit 1 nF.
Bild 2: Änderung der Transistor-Spannungsversorgung zum gefahrlosen Testen auf niederfrequente Schwingungen. Hinweise zum Netzteil Im Text.
Als Versorgungsspannung wird zunächst nur 1/4 der Durchbruchspannung UCEo des Transistors angelegt. Das hat folgenden Grund: Die Durchbruchspannung der Transistoren ist für Gleichstrom und für tiefe Frequenzen niedriger als für hohe. Dieser Effekt wird bei der Spezifizierung von HF-Leistungstransistoren mit ausgenutzt. Solange mit dem Auftreten niederfrequenter Störschwingungen gerechnet werden muß, ist die Versorgungsspannung daher niedriger anzusetzen als im späteren Betrieb. Außerdem ist bei niedrigerer Spannung die Rückwirkungskapazität höher, so daß auch die Schwingneigung größer ist.
Zum Nachweis der Schwingungen kann ein Oszillograf oder ein Diodenvoltmeter benutzt werden, am einfachsten aber der Kollektorstrom der untersuchten Stufe. Dieser zeigt einen Dip, sobald Schwingungen auftreten. Die Prüfung wird ohne HF-Ansteuerung durchgeführt. Man erhöht durch Drehen des Potentiometers langsam den Basisstrom und beobachtet, ob sich der Kollektorstrom kontinuierlich mit ändert. Geht er plötzlich zurück, so ist das ein Zeichen, daß die Stufe schwingt. Der Basisstrom bleibt dabei konstant, da er durch die Versorgungsspannung und die Vorwiderstände festgelegt ist. In diesem Zustand kann man ohne Gefährdung des Transistors die Störschwingung mit einem Dipmeter oder einem Frequenzzähler näher untersuchen.
In Ausnahmefällen wird man allerdings auch in dieser Testschaltung beim Einsatz der Schwingungen ein Ansteigen des Kollektorstroms beobachten, vor allem bei VHF-Leistungstransistoren mit kleiner Emitter-Basis-Durchbruchspannung UEB0. Die Schwingungen sind dann so stark, daß die Basis-Emitter-Diode in Sperrichtung leitend wird. Aus diesem Grund ist es generell ratsam, für diesen Test ein Netzgerät mit (einstellbarer) Strombegrenzung oder einen genügend hohen Vorwiderstand in der Betriebsspannungsleitung zu verwenden.
1.1. Abhilfemaßnahmen
Zur Beseitigung dieser Schwingungen hat sich folgendes Rezept als allgemein gültig erwiesen, und zwar für Sender von 160 m bis 70 cm: Die Kollektordrossel Dr C soll nur so groß sein wie für die tiefste Sendefrequenz (bei Mehrband-Sendern) notwendig (20 bis 80 µH für Kurzwelle, ca. 0,2 bis 2 µH für VHF/UHF). Die Basisdrossel dagegen soll bei genügend kleinem Gleichstromwiderstand (2 bis 20 Ω, je nach Sendeleistung) so groß sein wie praktisch möglich (300 bis 2000 µH für Kurzwelle, bis zu 150 µH für VHF !). Der Sinn dieser Maßnahme besteht darin, durch Wahl möglichst unterschiedlicher Induktivitäten die parasitären Resonanzen im Kollektor- und Basiskreis so weit auseinanderzulegen, daß keine Huth-KühnErregung auftreten kann. Der große Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß keine Bedämpfungswiderstände notwendig sind, die unter Umständen zu merklichen Verlusten an HF-Leistung führen können.
In der Testschaltung nach Bild 2 kann man auf einfache Weise prüfen, wie groß die Basisdrossel im Verhältnis zur Kollektordrossel sein muß, damit die Stufe stabil bleibt. Ist der geeignete Wert gefunden, folgt der Kollektorstrom bis zu hohen Werten dem Basisstrom kontinuierlich, ohne Dip- oder Zappelerscheinungen. Man kann dann die Versorgungsspannung bis auf den Wert UCE0/2 erhöhen und den Kollektorstrom bis an die Grenze des erlaubten Gleichstrom-Arbeitsbereiches steigern (Daten des Typs beachten), um zu sehen, ob die Schaltung im ganzen Arbeitsbereich stabil ist. Zusätzlich ist ein Test mit sehr kleiner Versorgungsspannung angebracht, um das Verhalten bei großer Rückwirkungskapazität zu prüfen. In dieser Weise werden alle C-Verstärker eines Neubauprojektes untersucht und die geeigneten Basisdrosseln ermittelt.
Als Beispiel für geeignete Dimensionierungen sei angeführt, daß bei älteren VHF-Leistungstransistoren, wie 2N3375 und 2N3632, Kollektordrosseln von 1 µH und Basisdrosseln von 130 µH zweckmäßig waren(2). Bei neueren VHF-Leistungstransistoren mit integrierten Emitterwiderständen ist der Anstieg der Verstärkung zu tieferen Frequenzen und damit die Schwingneigung nicht mehr so ausgeprägt. Dafür ist allerdings die Kollektor-Basis-Kapazität meist größer. So hat der Leistungstransistor B40-28 (2N6200) des neuen Umsetzers DB0ZU eine Basisdrossel von 30 µH und als Kollektordrossel eine Spule von 5 Windungen versilbertem Draht von 1 mm ø, auf einen Dorn von 6 mm ø gewickelt. Als Ferritdrosseln benutzt der Verfasser gerne die Siemens-Funkentstördrosseln der Bauform B82111 und B82500, die über (3) auch für Einzelabnehmer zu beziehen sind.
Der Verfasser weiß, daß er mit seinem Basisdrossel-Rezept im Gegensatz zu Industrie-Empfehlungen steht.(4),(5). Diese mögen bei Einband-Sendern und bei Verwendung der richtigen Ferritmaterialien durchaus ihre Gültigkeit haben. Tatsache bleibt, daß seit der Veröffentlichung in (1) etliche Amateure im Münchener Raum beim Nachbau von Transistorsendern verschiedenen Ursprungs mit den niederinduktiven Basisdrosseln Schwierigkeiten bekamen. Die Empfehlung, es einmal mit den "großen, Basisdrosseln zu versuchen, brachte in allen Fällen sofort die Lösung des Problems.
2. Parametrische Schwingungen
Neben den niederfrequenten Schwingungen, die sich, wie beschrieben, auch ohne Hochfrequenzansteuerung allein mit Gleichstrom anregen lassen, gibt es andere Arten von Störschwingungen, die nur bei vorhandener Sendefrequenz entstehen können. Sie sind für die Transistoren nicht gefährlich und treten in leichten Fällen auch nur bei bestimmten Betriebszuständen auf; so zum Beispiel bei nachlassender Batteriespannung oder verstimmter Antenne. Dies muß nicht unbedingt an einem anormalen Verhalten des Senders erkennbar sein. Die Möglichkeit, daß benachbarte Funkdienste gestört werden, ist aber gegeben, so daß Maßnahmen zur Unterdrückung derartiger Störschwingungen notwendig sind.
Parametrische Schwingungen (in (5) auch mit Frequenzversetzung bezeichnet) können entstehen, wenn die Summe oder Differenz der Resonanzfrequenzen zweier abgestimmter Kreise gleich der Sendefrequenz ist. Der eine Kreis ist in der Praxis durch die Resonanz einer Basisoder Kollektordrossel mit den Transistor- und Schaltungskapazitäten gegeben, der andere ist ein verstimmter oder durch Fehlanpassung von außen verzogener Kreis für die Sendefrequenz. Die Schwingungen können sinusförmig oder bei höherer Intensität auch sehr ober-wellenreich sein, so daß der Sender dann eine große Zahl von Nebenlinien, einen sogenannten "Lattenzaun", über eine Breite von mehreren 10 MHz aussenden kann.
2.1. Erkennen der Störschwingungen
Da die Störschwingungen eine Grundfrequenz von über 2 MHz haben können, ist das Auffinden der Nebenausstrahlungen mit dem Amateurbandempfänger oft gar nicht möglich, weil keine von ihnen in das Empfangsband fällt. Die Industrie benutzt zur Prüfung auf Nebenausstrahlungen einen Spektrumanalysator. Da die Frequenzlage der Nebenlinien im Grunde nicht interessiert, sondern nur die Tatsache ihres Vorhandenseins, genügen für den Amateur einfachere Meßverfahren.
Hat man einen Oszillografen mit einer Bandbreite von möglichst einigen MHz zur Verfügung, so läßt sich ein Aufbau nach Bild 3 zusammenstellen. Das Ausgangssignal des Senders wird auf eine künstliche Antenne gegeben, an die ein Diodengleichrichter angeschlossen ist. Die RC-Zeitkonstante des Gleichrichters ist für die Demodulation hoher Modulationsfrequenzen ausgelegt. Bei einem einwandfreien Sendersignal liefert der Gleichrichter nur Gleichstrom, und der Oszillograf zeigt einen waagerechten Strich. Sind aber Störschwingungen vorhanden, ist das Sendersignal moduliert, und der Oszillograf zeigt das demodulierte Signal.
Bild 3: Meßaufbau zum Nachwels von Störschwingungen mit Diodendemodulator und Oszillograf
Steht kein Oszillograf zur Verfügung, muß man das demodulierte Signal verstärken und einem weiteren Gleichrichter zuführen, der ein Zeigerinstrument speist. Sobald dieses Instrument ausschlägt, muß der Sender mit einer Störschwingung moduliert sein. Damit der zweite Gleichrichter nicht von HF-Resten des ersten gespeist wird, ist hinter diesem ein Tiefpaß erforderlich, der die Sendefrequenz sperrt, aber Frequenzen bis zu einigen MHz durchläßt. Da nur eine Ja-Nein-Aussage verlangt wird (Störschwingungen da oder nicht), kann der Verstärker eine begrenzende integrierte Schaltung sein. Bild 4 gibt das Prinzip dieses Verfahrens an.
Bild 4: Meßaufbau mit doppelter Gleichrichtung zum Erkennen von Störschwingungen
2.2. Anregen der parametrischen Schwingungen
Da die parametrischen Schwingungen auf einem Verstimmungsvorgang beruhen, treten sie bei exaktem Abgleich nur dann auf, wenn der Einfluß der spannungs- und aussteuerungsabhängigen Transistorkapazität auf eine Kreisresonanz besonders groß ist, etwa in Vervielfachern oder in Vorstufen, die mit einem einfachen Parallelkreis arbeiten.
Die Schwingungen können angeregt werden
- durch Verstimmen der HF-Kreise der einzelnen Stufen zu höheren oder tieferen Frequenzen,
- durch Ändern, vor allem durch Verringern der Betriebsspannung,
- durch Ändern der Ausgangsbelastung (Fehlabschluß) oder durch Verstimmen der Ausgangsanpassung
und durch eine Kombination dieser Maßnahmen.
2.3. Abhilfemaßnahmen
In Vorstufen mit Parallelschwingkreis lassen sich parametrische Schwingungen leicht mit einem Serienwiderstand von 10 bis 100 Ω zwischen Kollektor und Schwingkreis beseitigen (Bild 5). Ist eine Basisdrossel vorhanden, so muß diese unter Umständen bedämpft werden.
Blld 5: Maßnahmen gegen parametrlsche Schwingungen In Vorstufen mit einfachem Parallelschwingkreis
In den Leistungsstufen gilt es, niederfrequente Resonanzen aufzuspüren und zu bedämpfen. Einmal kann für die Basisdrossel eine Bedämpfung erforderlich werden, möglichst natürlich mit einem Widerstandswert, der die HF-Leistung nicht wesentlich beeinträchtigt. Zum anderen kann eine RC-Beschaltung der Kollektorverdrosselung Abhilfe schaffen. Die Betriebsspannung wird hart mit einem nassen Tantal-Elektrolytkondensator (schaltfest) oder einem Folienkondensator (MKL o.ä.) von einigen Mikrofarad abgeblockt. Die niederfrequente Abblockunq zwischen beiden Drosseln (Bild 6) wird als RC-Glied ausgebildet.
Bild 6: Maßnahmen gegen parametrische Schwingungen in Leistungsstufen
Beim Beobachten der Störschwingungsanzeige kann man dann das Potentiometer durchdrehen und auch den Wert des Kondensators verändern, bis man eine Kombination gefunden hat, bei der die Störschwingungen auch unter extremen Bedingungen nicht mehr angeregt werden können. Da das RC-Glied an der Kollektorspannungs-Zuführung im Gegensatz zum Bedämpfungswiderstand an der Basisdrossel keine HF-Leistung kostet, sollte man die Wirksamkeit beider Maßnahmen gut gegeneinander abwägen.
Mit diesen Schaltungsergänzungen ist es möglich, Transistorsender zu bauen, die über einen großen Betriebsspannungsbereich stabil arbeiten (wichtig bei Betrieb aus Trockenbatterien), die sich bei Bedarf einwandfrei amplitudenmodulieren lassen (2) und die auch bei hohem SWR der Antenne keine Neigung zu Störschwingungen zeigen. Dies ist insbesondere bei unbemannten Relaisstationen wichtig, bei denen sich die Eigenschaften der Antenne beispielsweise durch Vereisen stark ändern können.
Der Autor hat nachträglich seine in (2) beschriebene Transistorendstufe diesen Untersuchungen unterworfen und noch folgende Maßnahmen getroffen:
- die Drosseln Dr1 und Dr3 mit je 82 Ω bedämpft
- in Reihe zu C9 und C12 je einen Widerstand von 12 Ω geschaltet
- parallel zu C13 einen 1 µF-MKL-Kondensator geschaltet.
3. Frequenzteilung
In (5) wird als weitere Möglichkeit für Störschwingungen die Frequenzteilung genannt. In diesem Falle läßt sich die betreffende Stufe nicht eindeutig auf die gewünschte Frequenz abstimmen, und der Kollektorstrom ändert sich beim Abstimmen sehr sprunghaft. Der Autor hat derartige Erscheinungen bei VHF-Stufen noch nicht erlebt, wohl aber bei selektiven Kurzwellenendstufen mit doppeltem Pi-Filter(6). Diese Anpaßschaltung hat neben der gewünschten zwangsläufig noch eine zweite Resonanz auf einer tieferen Frequenz. Diese darf nicht mit der halben Sendefrequenz zusammenfallen. Da dies nicht immer zu vermeiden ist, sollte man als Kollektorkreis nie allein ein mehrgliedriges Pi-Glied verwenden, sondern am Eingang dieses Netzwerks durch einen abgestimmten Serienkreis (Bild 1) dafür sorgen, daß dem Transistor keine zusätzliche Resonanz unterhalb der Sendefrequenz angeboten wird. Ansonsten ist eine derartige Nebenresonanz nur im Zusammenhang mit der Kollektordrossel Dr C denkbar, deren Wert dann entsprechend verändert werden muß.
4. Niederfrequente Schwingungen ober die Stromversorgung
In der Diskussion wies Peter Baier, DJ3YB, noch auf eine andere Möglichkeit für Störschwingungen hin. Da bei Transistorverstärkem der Kollektorarbeitswiderstand stets hochohmiger ist als der Eingangswiderstand der nächsten Stufe, kann man die Anpassung bauteilesparend mit einem LC-Transformator in Tiefpaßschaltung vornehmen und die nötige Gleichspannungstrennung durch Kondensatoren an den in Bild 7 durch Pfeile markierten Stellen vornehmen. Ist dieser Kondensator zu groß, und werden anstelle der Basisdrosseln (bei kleinen Leistungen) unkritische ohmsche Widerstände verwendet, so entsteht ein breitbandiger, bis ins Niederfrequenzgebiet arbeitender mehrstufiger Verstärker, der über die Stromversorgung ins Schwingen gerät, da diese nicht die bei NF-Verstärkern üblichen Entkopplungsglieder aufweist. Um von dieser Gefahr frei zu sein, muß man die Trennkondensatoren klein genug bemessen. Man kann sie sogar so klein machen, daß sie mit in den LC-Transformator eingestimmt werden.
Bild 7: Prinzip des von DJ3YB erwähnten Verstärkers. Die Pfeile weisen auf die kritischen Trennkondensatoren hin.
5. Schwingungen auf die Arbeitsfrequenz
An sich sind Schwingungen auf der Arbeitsfrequenz bei VHF-UHF-Sendern sehr unwahrscheinlich, da die Leistungsverstärkung der Transistoren in diesem Frequenzgebiet nicht sehr hoch ist. Aber gerade deswegen werden oft mehrere Verstärker auf engem Raum angeordnet, so daß Rückwirkungen vom Ausgang auf den Eingang des Verstärkerzuges auftreten. Sie sind mit einem Transport von Blindleistung verbunden, haben also verstimmenden Charakter. Wird die Schaltung unstabil, ist das Erscheinungsbild der Störschwingungen daher dem der parametrischen Schwingungen ähnlich. Auch die Meßverfahren zu ihrem Nachweis sind dieselben (Bilder 3 und 4).
Tückisch sind Aufbauten in geschirmten Kammem, die stabil bleiben, solange der Deckel entfernt ist, aber in geschlossenem Zustand den Prüfungen, wie sie bei der Suche nach para-metrischen Schwingungen vorgeschlagen wurden, nicht standhalten. Nun soll man daraus nur nicht den Schluß ziehen, geschirmte Aufbauten seien nicht nur umständlich und teuer, sondern auch unzweckmäßig. Diese Bauweise ist für einen störstrahlungsfreien Aufbau eindeutig akzeptiert. Die Erklärung für diesen "Deckeleffekt" liegt einfach darin, daß die Spulen der Endstufe in der Gehäusewand Ströme induzieren, die bei geschlossenem Deckel auf den Eingangskreis der Baugruppe einwirken können, wenn dieser nicht extra abgeschirmt ist. Aus diesem Grund sollte man, wenn man die üblichen freitragenden Spulen verwenden möchte, bei 28-V-Betrieb nicht mehr als zwei abgestimmte Verstärkerstufen in eine geschlossene Metallkammer bauen, bei 12-V-Betrieb vielleicht drei, weil die Verstärkung pro Stufe dann geringer ist.
Ist der konstruktive Aufbau nicht mehr zu ändern, muß man versuchen durch drastische Maßnahmen, wie starkes Bedämpfen der Basisdrosseln oder Absenken der Betriebsspannung einer oder aller Stufen, die Gesamtverstärkung so zu reduzieren, daß die Baugruppe unter allen zu erwartenden Bedingungen stabil bleibt.
Eine weitere Ursache für Schwingungen auf der Arbeitsfrequenz ist die Verwendung von Basisschaltungen, egal in welcher Stufe. Wegen der Induktivität der Basiszuleitung außerhalb und innerhalb des Transistors weist diese Grundschaltung in abgestimmten Stufen stets eine Rückkopplungsneigung auf, die sich auch in einem spitzen Abstimmverhalten des Kollektorkreises äußert(1). Vor Anwendung dieser Schaltung muß daher aus gegebenem Anlaß gewarnt werden.
6. Literatur
- H.J. Brandt: Leistungsendstufe für das 2-m-Band mit dem Transistor 2N3631 1, UKW-Berichte 10 (1970), Heft 1, Seite 48 - 61
- H.J. Brandt: Leistungsendstufe für das 2-m-Band mit dem Transistor 2N3632 2, UKW-Berichte 10 (1970), Heft 2, Seite 113 - 125
- Siemens Aktiengesellschaft, Zentral-Bauteilelager, Gründlacher Straße 260, Postfach 146, 8510 Fürth-Bislohe
- RCA Silicon Power Circuits Manual, Technical Series SP-50 oder SP-51
- VALVO Unternehmensbereich Bauelemente der Philips GmbH Burchardstraße 19, 2000 Hamburg: Hochfrequenz-Leistungstransistoren. Fachbuch, 162 Seiten.
- H.J. Brandt: Der DL0BS - QRPP - Sender. Das DL-QTC, Heft 3/1971
DJ1ZB, Hans-Joachim Brandt.