Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - 400 W - Endstufe mit der 4CX250 für 145 MHz
Trotz der Fortschritte in der Halbleitertechnik hat die Röhre auch heute noch ihre Daseinsberechtigung, besonders auf dem Amateursektor. Die wichtigsten Vorteile gegenüber transistorbestückten Leistungsverstärkern sind günstiges Kostenverhältnis und eine gewisse "Toleranz" bezüglich Überlastung und Fehlanpassung.
Die hier beschriebene Endstufe läßt sich auch ohne eingerichtete Feinmechaniker-Werkstatt nachbauen; es sind nur Blechschere, Handsäge, Bohrmaschine und ein kräftiger Lötkolben notwendig. Biege- und Dreharbeiten sind nicht erforderlich.
1. Elektrischer Aufbau
1.1. Gitterkreis
Die heute verwendeten Steuersender oder Transceiver weisen fast durchweg Ausgangsleistungen um 10 W auf, also mehr als genug, um eine Tetrode in Katodenbasisschaltung ansteuern zu können. Es ist daher nicht notwendig, den Gitterkreis der Endröhre verlustarm (und deswegen schmalbandig) aufzubauen. Dies wäre sogar schädlich, weil die Schwingneigung unnötig erhöht wird. Außerdem müßte man den Gitterkreis bei jedem Frequenzwechsel nachstimmen. Es sollte vielmehr darauf geachtet werden, daß das Eingangs-SWR der Endstufe annähernd 1 ist, und zwar unabhängig von der (bei SSB ständig schwankenden) Steuerleistung. Das ist besonders wichtig, wenn die letzte Stufe des Steuersenders mit einem Transistor bestückt ist. Dieser würde bei schlechter Endstufen-Anpassung leicht in einen kollektorspannungsmäßig übersteuerten Zustand geraten und als Clipper wirken. Die Folgen davon wären starke Verzerrungen (splatter), für die die nachfolgende Röhren-Endstufe eigentlich gar nichts kann.
Die verwendete Eingangsschaltung ist in Bild 1 dargestellt. Ce stellt die Röhren-Eingangskapazität dar, die wegen der endlichen Elektronenlaufzeit zwischen Katode und Steuergitter eine ohmsche Komponente Re enthält. Dieser Wirkwiderstand ist stark von Gitterspannung und Anodenstrom abhängig, schwankt also mit der Ansteuerung. Würde man ihn durch ein verlustloses Transformationsglied an den Eingang (60 Ω) anpassen, so wäre die Eingangsimpedanz der Endstufe ebenso aussteuerungsabhängig. Deshalb wird hier ein Anpaßglied verwendet, das durch einen Serienwiderstand (R1) bedämpft ist. An diesem Widerstand wird der größte Teil der Steuerleistung in Wärme umgesetzt. L1 und C1 vervollständigen den Gitterkreis zu einem Pi-Glied mit 60 Ω Eingangswiderstand; seine Güte beträgt etwa 14, so daß sich eine Bandbreite von 10 MHz ergibt. Messungen haben gezeigt, daß das EingangsSWR unter 1,2 bleibt, wenn sich Re zwischen 500 Ω und ∞ ändert. Ein PI-Glied ist an dieser Stelle auch deshalb vorteilhaft, weil eventuelle Oberwellen des Steuersenders besser unterdrückt werden als durch einen einfachen Parallelschwingkreis.
Bild 1: Eingangsschaltung mit Ersatzschaltbild des Röhren-Eingangs
1.2. Anodenkreis
Aufgabe des Anodenkreises ist es, den Widerstand der Antennen-Speiseleitung auf den optimalen Außenwiderstand der Röhre zu transformieren. Außerdem soll er ein gewisses Maß von Selektion haben, damit die in der Röhre entstehenden Oberwellen ausreichend gedämpft werden. Im Kurzwellenbereich verwendet man durchweg Transformationsglieder aus konzentrierten Bauelementen. Diese sind zwar prinzipiell auch noch bei 145 MHz verwendbar, haben aber derart geringe Leerlaufgüten, daß sich Kreiswirkungsgrade von höchstens 60 bis 70 % erreichen lassen. Deshalb ist - besonders bei höheren Leistungen - die Wärmebelastung der Bauteile unerträglich hoch. In früheren Jahren benutzte man oft sogenannte "Lechersysteme", die meist offen aufgebaut waren und einen erheblichen Teil der erzeugten Leistung (und nicht nur die Grundwelle !) abstrahlten.
Gute Wirkungsgrade (um 90 %) lassen sich mit Koaxialkreisen erreichen. Dabei befinden sich alle elektrischen und magnetischen Feldlinien in einem geschlossenen Metallkäfig, so daß keine störende Abstrahlung zu befürchten ist. Für das 2-m-Band kommt wohl nur ein λ/4-Kreis in Betracht, ein λ/2-Resonator wäre zu unhandlich. Damit hat man das altbekannte Problem der verlustarmen Erdung des Innenleiters bei gleichzeitiger Anodenspannungszuführung zu lösen. Bild 2a zeigt die "klassische" Ausführungsform; hier liegt der Trennkondensator CT am masseseitigen Ende des Innenleiters. Bei einem Anodenwechselstrom von 0,3 A und einer Betriebsgüte des Resonators von 50 fließt an dieser Stelle ein HF-Strom von rund 15A, so daß bei einem Verlustwiderstand von 1 Ω bereits 225W (!) HF-Leistung in Wärme verwandelt werden. Wesentlich günstiger ist es, den Trennkondensator in die Nähe der Röhre zu verlegen, wie dies in Bild 2b dargestellt ist. In diesem Fall fließen über CT nur der Anodenwechselstrom der Röhre und der relativ geringe Blindstrom des Abstimmkondensators C2. Die Kapazität von CT kann hier wesentlich kleiner sein als bei der zuerst genannten Ausführung. Von Nachteil ist, daß nun die Anodendrossel in der Nähe des Spannungsmaximums angeschlossen werden muß, ihre Induktivität muß also entsprechend größer gewählt werden als im ersten Fall.
Bild 2a: Klassisches Abblocken des Innenleiters
Bild 2b: Galvanisch geerdeter Innenleiter
Nun noch kurz zur Auskopplung der erzeugten Leistung aus dem Koaxialkreis. Von den verschiedenen möglichen Arten hat sich wegen des einfachen Aufbaus die induktive Kopplung mittels Leiterschleife durchgesetzt, üblicherweise mit einem zur Schleife in Serie geschalteten Drehkondensator (Cs in Bild 2b). Dieser hat hauptsächlich die Aufgabe, die Induktivität der Auskoppelschleife zu einem Serienschwingkreis zu ergänzen und damit deren Blindwiderstand wegzustimmen. Man kann aber außerdem mit seiner Hilfe das Transformationsverhältnis (RAnode/RAntenne) des Anodenkreises in gewissen Grenzen ändern; die verbleibenden Blindanteile lassen sich leicht durch Nachstimmen von C2 kompensieren. Diese Möglichkeit ist in der Praxis von Bedeutung, denn man kann damit dieselbe Endstufe bei verschiedenen Betriebsarten auf optimalen Wirkungsgrad bzw. höchste Ausgangsleistung abstimmen. Zum Beispiel bei SSB: AB1-Betrieb ohne Gitterstrom und guter Linearität; bei Telegrafie und FM: AB2-Betrieb, Linearität nicht von Bedeutung, höhere Ausgangsleistung. Beide Betriebsfälle bedingen unterschiedliche Außenwiderstände für die Röhre.
Das ausführliche Schaltbild des HF-Teils der Endstufe ist in Bild 3 dargestellt. Die auf den Eingang folgende SWR-Brücke (käufliches KW-Stehwellenmeßgerät) wurde fest in das Mustergerät eingebaut. Sie dient dazu, bei der Abstimmung C1 auf geringsten Rücklauf einstellen zu können. Außerdem läßt sich damit im "Barfußbetrieb" das SWR der Antenne überprüfen. Über das Koaxialrelais A gelangt die Steuerleistung zum Gitterkreis. Die Induktivität L1 (siehe Bild 1) ist nicht als Bauteil ausgeführt, sie wird durch Gitterzuleitung, die Widerstände R1 sowie die Anschlußdrähte des Koppelkondensators C10 gebildet. Die Gittervorspannung wird über L5 zugeführt, das Schirmgitter ist außer mit dem in der Röhrenfassung vorhandenen "Abklatschkondensator" noch mit C4 und C5 abgeblockt. Alle Versorgungsspannungen werden über Durchführungskondensatoren geführt, um ein Abwandern von HF in das Netzteil zu verhindern. Die über L3 ausgekoppelte Leistung gelangt über Relais B und einen Richtkoppler zum Ausgang der Endstufe. Bei diesem Richtkoppler handelt es sich um einen vereinfachten Nachbau des von OE5THL in (1) beschriebenen Meßgerätes. Er dient dazu, die Endstufe auf maximalen Vorlauf in der Antennen-Speiseleitung abgleichen zu können.
Bild 3: Schaltbild einer 400 W Endstufe mit der 4cx250B für das 2 m Band
1.3. Netzteil
Die zum Betrieb dieser Endstufe notwendigen Spannungen sind:
| UA | ca. 2000 V, max. ca. 400 mA |
| UG2 | +360 V, max. 25 mA |
| UG1 | -55 V, zum Sperren -130 V |
| UH | 6,0 V ˜, 2,6 A |
Da der Verstärkungsfaktor einer Tetrode stark von der Schirmgitterspannung abhängt, muß diese für Linearbetrieb stabilisiert sein. Will man die Endstufe auch in Klasse AB2, also mit Gitterstrom betreiben, dann sollte man auf einen niedrigen Innenwiderstand der UG1-Quelle achten, damit der von der Ansteuerung erzeugte Gitterstrom nicht den Arbeitspunkt der Röhre ins C-Gebiet verschiebt. Wie Bild 4 zeigt, sind diese Spannungen mit Z-Dioden stabilisiert. Glimmstreckenstabilisatoren dürften nun endgültig der Vergangenheit angehören; ihr Einsatz bei der Schirmgitterversorgung ist sogar gefährlich. Erstens können bei deren Ausfall wegen der zu hohen G2-Spannung Überschläge im Innern der Senderöhre auftreten, zweitens neigen Glimmröhren mit parallel geschalteten Kondensatoren immer zu Kippschwingungen, die dann letztlich eine kräftige "Modulation" der Endstufe bewirken. Schon mancher hat sich gewundert, daß sein Signal trotz "zahm" gefahrener Röhre und einwandfreiem Aufbau mehrere hundert kHz breit war. Im übrigen dürfte die Verwendung von Z-Dioden sogar billiger sein als die "klassische" Version.
Bild 4: Netzteil für die Endstufe nach Bild 3
Wie man sieht, werden zwei Netztransformatoren verwendet. Tr1 dient zur Versorgung von Heizung, Steuergitter und Relais. Der Anodenruhestrom wird mit dem Schalter S2 eingestellt, während der Sendepausen gelangt über einen Kontakt von Relais C die volle negative Spannung (ca. -130 V) an das Gitter. Es hat sich gezeigt, daß trotz dieser Sperrspannung das Diodenrauschen der Endröhre im Empfänger noch hörbar war, deshalb wird das Schirmgitter über einen weiteren Kontakt an Masse gelegt. Ein dritter Kontakt schaltet während des Sendebetriebs den Axiallüfter an die volle Netzspannung; bei Empfang wird durch RV die Drehzahl und damit der Geräuschpegel herabgesetzt. Das Radialgebläse arbeitet dauernd mit voller Leistung. Das Meßinstrument M2 kann mit Hilfe des Umschalters S3 zur Messung von Steuer- und Schirmgitterstrom herangezogen werden. Je nach verwendetem Meßwerk muß muß man die entsprechenden Widerstände eventuell etwas ändern.
Wie das Datenblatt des 4CX250 angibt, dürfen Anoden- und Schirmgitterspannung erst 30 Sekunden nach dem Einschalten der Heizung angelegt werden. Deshalb wurde als Hauptschalter (S5) eine Ausführung mit 3 Stellungen gewählt. Transformator Tr2 wird erst in Stellung 3 an das Netz gelegt, gleichzeitig wird die Versorgungsspannung für die Relais freigegeben. Wer nur ein schwach abgesichertes Netz zur Verfügung hat, muß gegebenenfalls die Einschaltbremse Rs/S6 vorsehen. Diese ist ohnehin zur "sanften. Aufladung der AnodenElkos zu empfehlen.
Beim Mustergerät wurde auch für die Hochspannungsversorgung ein Brückengleichrichter eingesetzt. Dies hat den Vorteil geringerer Lastabhängigkeit der Anodenspannung und um den Faktor 3 kleineren Brummanteils. Wenn kein Transformator mit ca. 1600 V zur Verfügung steht, kann aber auch Spannungsverdopplung oder -verdreifachung angewendet werden.
Das Meßinstrument M3 kann über S4 zur Messung von Anodenspannung oder -strom umgeschaltet werden. Die Z-Diode D22 verhindert, daß die volle Spannung an den Schalter gelangt und dort Kriechströme hervorruft, welche sich als Prasseln im Empfänger äußern würden.
1.4. Spezielle Bauteile
| V | Sendetetrode 4CX 250B oder ..R |
| Fassung | Eimac SK-600 oder Valvo B 8 700 70 mit Kühlkamin |
| C1, CS | Luft-Drehko 50 pF Endkapazität (Hopt 220 A 2) |
| C2, CT | siehe Text |
| C3 | Durchführungskondensator 1 nF / 3 kV (Siemens) |
| C4 | keramische Scheibe, 10 nF / 500 V = |
| C5 | Kunststoff-Kondensator 0,47 µF / 400 V |
| C6 | keramische Scheibe, 47 nF / 30V = |
| C7, C8, C9 | Schraub-Durchführungs-Kondensatoren, 4,7 nF / 500 V |
| C10 | keramische Scheibe, 2,2 nF / 500 V |
| C11 | keramischer Scheiben- oder Rohrkondensator, 27 pF |
| R1 | 4 Stück Kohleschicht-Widerstände 10 Ω / 1 W parallel |
| RS | Drahtwiderstand 47 Ω 50 W (Rosenthal) |
| RV, CV | abhängig vom verwendeten Lüfter |
| RM, M1 | aus Stehwellenmeßgerät |
| M2, M3 | Drehspulenmeßwerke 1 mA / 300 Ω (Japan) |
| L2, L3 | siehe Text |
| L4 | 9 Wdg. versilberter Cu-Draht 1,5 mm ø, 25 mm I.D., 35 mm lang |
| L5 | 15 Wdg. Cu Lack-Draht 1,5 mm ø, 15 mm I.D., 40 mm lang |
| Relais A | MD-Koaxialrelais 951, 12 V (Bauer) |
| Relais B | Dow-Key DK 60 - G 2 C, 12 V (Bauer) |
| Relais C | Kammrelais 4 x um, 12 V (Siemens, Haller) |
| Radiallüfter | z.B. Airflow 26 BTM (Bauer) |
| Axiallüfter | z.B. Papst Nr. 3050, Cv = 1 µF / 300 V ˜ |
2. Mechanischer Aufbau
Der nun folgende Abschnitt soll keine bis ins kleinste Detail gehende Arbeitsanleitung sein, sondern vielmehr ein gebautes und erprobtes Exemplar dieser Endstufe beschreiben. Beim Nachbau sind dem Einfallsreichtum des Amateurs (fast) keine Grenzen gesetzt, je nach handwerklichen Möglichkeiten bzw. schon vorhandenen Teilen wird er das eine oder andere Detail anders ausführen. Wenn die angegebenen Maße auch nur ungefähr (= 10 %) eingehalten werden, wird der Erfolg am Ende nicht ausbleiben.
Bild 5 zeigt die Endstufe von der Anodenseite her. Der Abschirmkasten hat die Außenmaße: Länge 372 mm, Breite 112 mm, Höhe 120 mm. Er ist aus 1-mm-Messingblech zusammengelötet. Man benötigt folgende Zuschnitte:
2 Stück 372 × 120 Vorder- und Rückseite
2 Stück 120 × 110 Seitenteile
1 Stück 370 × 110 Chassis
1 Stück 110 × 45 Trennwand
1 Stück 370 × 110 oberer Deckel
1 Stück 135 × 110 untere Deckel
1 Stück 234 × 110 untere Deckel
Bild 5: Anodenseite der Endstufe
Der Grundriß der Endstufe ist in Bild 6 dargestellt. Für den Innenleiter des Anodenkreises wurde Messingrohr von 25 mm Außendurchmesser und 1 mm Dicke verwendet. Am masseseitigen Ende wird die Erdungsscheibe (50 mm ø) stumpf angelötet, am "heißen" Ende die eine Platte des Trennkondensators CT. Als Dielektrikum kann PTFE- (Teflon-) Folie von 0,25 mm Dicke dienen; die vier Spannschrauben des Kondensators sind durch Buchsen aus PTFE isoliert, wie sie als Zubehör für Leistungstransistoren erhältlich sind.
Bild 6: Grundriß und Einzelteile der 400 W Endstufe
Als Anodenanschluß wurde im Mustergerät ein Surplus-Teil mit Kontaktfedern verwendet. Steht ein solches Teil nicht zur Verfügung, so kann es durch eine Schelle mit Spannschraube (à la Schlauchbinder) ersetzt werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß die Röhre keinen mechanischen Spannungen ausgesetzt wird. Der Stator des Abstimmkondensators C2 besteht ebenfalls aus 1-mm-Messingblech, er wird durch eine Anzahl von zusammengeschraubten Keramikstützen gehalten. Als Rotor dient eine 2 mm dicke Messingscheibe von 45 mm Durchmesser. Diese erhält in der Mitte ein M6 - Gewindeloch und wird mit einer Kontermutter an der Achse (M6 - Gewindestab) befestigt. Es empfiehlt sich, einen Anschlag vorzusehen, damit nicht durch zu weites Eindrehen der Abstimmscheibe ein Hochspannungskurzschluß entsteht. Als Lager für die Gewindeachse dient eine zweckentfremdete BNC-Buchse für Einlochmontage. Nachdem die "Eingeweide" herausgedrückt wurden, lötet man ein Messingrohr ein (außen 8, innen 5 mm ø), in das leicht ein M6 - Gewinde geschnitten werden kann. Der Verfasser wollte es besonders vornehm machen und wählte hierzu ein Feingewinde mit 0,5 mm Steigung. Der Erfolg ist nun, daß der Knopf beim Abstimmen mehrere Umdrehungen hin- und hergedreht werden muß, um das Maximum zu finden. Ein M6 - Normalgewinde ist daher besser.
Für alle Befestigungen müssen Schrauben und Muttern aus Messing verwendet werden. Stahlschrauben würden sich wegen der kräftigen Magnetfelder im Resonator stark erhitzen. Bild 7 ist eine Großaufnahme der wichtigsten Teile am Anodenanschluß der Röhre, Bild 8 stellt eine Seitenansicht der Endstufe dar. Zur Befestigung der Deckel dient Winkelmessing (Schenkellänge 10 mm, Dicke 2 mm), die Abstände der Befestigungslöcher sollten nicht zu groß gewählt werden (ca. 40 mm), damit das Gehäuse HF-dicht bleibt. In dem Raum unter dem Chassis ist genügend Platz für die SWR-Brücke und das Eingangs-Koaxialrelais. Bild 9 zeigt den Gitterkreis der Röhre. Alle vier Katodenanschlüsse werden direkt mit der Röhrenfassung verlötet. Ein Blechwinkel - mit dem Steuergitteranschluß verschraubt - trägt die vier parallelgeschalteten Widerstände R1.
Bild 7: Die Anode und ihre Beschaltung
Bild 8: Seitenaufriß der Endstufe
Bild 9: Die Gitterseite
3. Abgleich
Zunächst eine eindringliche Warnung: Jede Berührung mit der Anodenspannung dieser Endstufe kann tödlich sein. Vor jedem Eingriff sollte man unbedingt
- abschalten
- entladen
- kurzschließen.
Den Eingang der Endstufe verbindet man mit einem Steuersender, dessen Ausgangsleistung nach Möglichkeit einstellbar sein sollte. Am Ausgang liegt ein HF-Wattmeter oder - falls nicht vorhanden - eine Antenne. Nachdem die Röhre etwa 1 Minute vorgeheizt wurde (Tr1), schaltet man den Anodentransformator (Tr2) zu. Das Anodenstrominstrument darf noch keinen Ausschlag anzeigen. Nun wird der Schaltkontakt ("PTT" in Bild 4) an Masse gelegt und der Anodenruhestrom mittels S2 auf 80 bis 100 mA eingestellt.
Der Steuersender wird nun in Betrieb gesetzt und seine Leistung soweit erhöht, bis der Anodenstrom gerade zu steigen beginnt. C2 und Cs stimmt man wechselweise auf höchste Ausgangsleistung ab. Dann kann man die Steuerleistung soweit erhöhen, daß ein Anodenstrom von ca. 300 mA fließt. Nach Korrektur von C2 und Cs sollten etwa 350 bis 400 W Ausgangsleistung erreicht werden. Anschließend überprüft man, wie "tief" der Anodenstrom-Dip ist: die Endstufe wird kurzzeitig mit C2 außer Resonanz gebracht und der Anodenstrom gemessen. Er sollte etwa 10 % höher sein als im Resonanzpunkt. Ist er wesentlich höher, so ist die Auskopplung zu lose; L3 wird etwas näher zum Innenleiter gebogen oder eine neue, etwas größere Auskoppelschleife angefertigt. Im umgekehrten Fall gilt Entsprechendes. Bei optimaler Auskopplung müssen Anodenstrom-Dip und maximale Ausgangsleistung bei derselben Stellung von C2 erreicht werden.
Nun wird der Gitterkreis abgeglichen. Die SWR-Brücke am Eingang wird auf "Rücklauf" geschaltet und C1 durchgedreht. Wenn das sich ergebende SWR-Minimum schlechter als etwa 1,2 : 1 ist, werden die Anschlußdrähte von C10 (Bild 3) schrittweise verkürzt. Bei richtigem Abgleich fallen SWR-Minimum und Anodenstrom-Maximum beim Durchdrehen von C1 zusammen. Der Gitterkreis braucht bei Frequenzwechsel innerhalb des 2-m-Bandes nicht nachgestimmt zu werden. Wird der Anodenkreis bei 145 MHz optimal abgestimmt, so erreicht man bei 144 bzw. 146 MHz immer noch mehr als 80 % der vollen Ausgangsleistung.
4. Meßwerte und Betriebserfahrungen
Die am Mustergerät gemessenen Werte sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
| ohne Signal | AB 1 | AB 2 | |
|---|---|---|---|
| Anodenspannung | 2200 V | 2000 V | 1900 V |
| Anodenstrom | 100 mA | 300 mA | 420 mA |
| Steuerleistung | 0 | 4 W | 8 W |
| Schirmgitterstrom | 0 | 5 mA | 20 mA |
| Steuergitterstrom | 0 | 0 | 5 mA |
| Ausgangsleistung | 0 | 395 W | 520 W |
| Gesamtwirkungsgrad | 0 | 66 % | 65 % |
| Eingangs-SWR | - | < 1,2 | < 1,2 |
Die angegebenen Werte sind mit Einton-Ansteuerung gemessen. Messung der Ausgangsleistungen mit Waters Dummy-Load-Wattmeter Modell 334 A.
Da keine entsprechenden Meßmittel zur Verfügung stehen, konnten Intermodulationsabstände leider nicht ermittelt werden. Benachbarte Stationen bezeichneten das Signal aber immer als sauber und schmal. Beispielsweise kann im Abstand von 60 kHz oder mehr Duplex-Betrieb gefahren werden (bei voller Ausgangsleistung im AB 1 - Betrieb); dabei beträgt die Entkopplung der beiden Antennen etwa 60 dB (eine horizontal, die andere vertikal polarisiert, Abstand etwa 10 m).
Die beschriebene Endstufe ist beim Verfasser nun seit etwa 3 Jahren in Betrieb, und zwar noch immer mit der ersten Röhre. Sie hat sich als robust und zuverlässig erwiesen, auch im FM-Dauerbetrieb. Im übrigen ist die Schwingsicherheit dieser Endstufe so groß, daß sie auch dann nicht schwingt, wenn Eingang und Ausgang unbelastet, also offen sind.
5. Literatur
- Tiefenthaler, H.: Ein Reflektometer für 0 bis 1300 MHz, UKW-Berichte 10 (1970) Heft 3, Seite 129 - 138
- Tiefenthaler, H.: Meß-Reflektometer für VHF und UHF mit Z = 50 Ohm, UKW-Berichte 13 (1973) Heft 2, Seite 66 - 79
DK1OF, Joachim Kestler.