Rob's web

Endstufen - wie man sie betreibt

Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Endstufen - wie man sie betreibt

---

Diese Zusammenstellung von Maßnahmen zum störarmen Betrieb von Endstufen wurde in der Hoffnung geschrieben, daß Hilfestellungen und Denkanstöße zur Verbesserung der vor allem bei Kontesten oft desolaten Signalqualität einzelner Stationen beitragen möge. Sie dient zudem der Vorbereitung einer im gleichen Heft erscheinenden Baubeschreibung einer sehr linearen 750-W-Endstufe für UKW mit der Röhre 4CX1000A.

Eine Leistungsstufe dient zum Verstärken des Nutzsignals und nicht zum Erzeugen eines Störspektrums. Für die Realisierung eines starken Signals mit gleichzeitig hoher spektraler Reinheit sind mehrere Bedingungen zugleich einzuhalten:

1. Die Endstufe muß tatsächlich ein Linearverstärker sein.
2. Das Steuersignal des Transceivers muß für sich bereits eine hohe spektrale Reinheit aufweisen.
3. Beim Zusammenschalten von Steuersender und Endstufe (PA) müssen die Pegel sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Der "Mikegain-Regler" ist dazu ungeeignet!
4. Die Modulationshüllkurve des Ausgangssignals muß betriebsmäßig, also ständig, optisch sichtbar gemacht werden. Ein Zeiger-Instrument täuscht falsche Zusammenhänge vor.

Diese vier Bedingungen werden nun einzeln näher erläutert.

1. Endstufe

Röhren und Transistoren in Linearverstärkern benötigen stabile Hilfsspannungen zur Arbeitspunkteinstellung. Diese sollen auch unter dem erschwerten Betrieb an einem Notstrom-Aggregat erhalten bleiben. Wenn bei einem Transistor die Basisvorspannung oder bei Röhren Steuergitter-oder Schirmgitterspannungen beim Durchsteuern im Takt der Hüllkurve schwanken, dann werden Kennlinienbereiche mit verschiedener Steilheit durchlaufen. Bei Mischstufen ist dieser Effekt erwünscht und führt zur Bildung der Zwischenfrequenz. Bei komplexen hochfrequenten Signalen im Sendebetrieb mischen sich diese Signale untereinander und erzeugen die gefürchteten Intermodulationsprodukte.

Bei transistorisierten Leistungsverstärkern muß deshalb der Basisvorspannung eine hohe Aufmerksamkeit gewidmet werden. Eine Kontrolle der Stabilität bei Aussteuerung erfolgt mit Hilfe des Oszilloskops. Als Anhaltswert darf für Linearverstärker bei einer Vorspannung von etwa 0,7 V eine maximale Schwankung von 0,1 V (SpitzeSpitze-Wert) angenommen werden. Erfahrungsgemäß sind viele kommerzielle "Linearverstärker" wesentlich schlechter.

Die Gittervorspannungen von Verstärkerröhren erfordern eine ähnliche Aufmerksamkeit. So sollte die Schirmgitterspannung für Röhren der 4CX-Serie eine dynamische Schwankung von nicht mehr als 5 V (Spitze-Spitze) aufweisen. Zu beachten ist, daß bei der unbedingt notwendigen Stabilisierung auch mit erheblichen negativen Strömen gerechnet und deshalb eine hohe Vorlast einbezogen werden muß.

Eine rein statische Kontrolle dieser Spannungen mit Hilfe eines Vielfachinstruments ist nicht ausreichend, da viele Regelschaltungen für Sprachaussteuerungen nicht schnell genug arbeiten oder zu Überschwingungen neigen. Die Kontrolle erfolgt deshalb mit dem Oszilloskop.

Fehlanpassungen der Röhre oder des Transistors an den Transformationskreis (beispielsweise durch ungünstige Dimensionierung oder Fehlabstimmung) verringern die Aussteuerbarkeit und bewirken dann Intermodulation, wenn trotzdem eine "amateurgemäße" Ausgangsleistung verlangt wird.

Im Zweifelsfall sind V-MOS-Transistoren oder Röhren den Transistoren vorzuziehen. Bei moderater Aussteuerung lassen sich zwar jeweils 30 dB Abstand zwischen einem Zwei-Frequenz-Signal und den Intermodulationsprodukten 3. Ordnung erzielen, jedoch klingen die Produkte höherer Ordnung bei Röhren wesentlich schneller ab. Im praktischen Betrieb spielt aber entgegen der landläufigen Meinung das 1M3-Produkt kaum eine Rolle, da es zwischen der Grundschwingung und den Formanten der individuellen Stimme entsteht und teilweise noch in den Durchlaßbereich des Quarzfilters fällt. Ein geringer 1M3-Abstand beeinträchtigt in erster Linie die Übertragungsqualität. Bei gleichem IM3-Abstand hat jedoch eine V-MOS- oder Röhren-PA im kritischen Bereich von 5 bis 20 kHz neben der Sendefrequenz um bis zu 20 dB bessere Absenkungen.

Daß es auch bei Röhren weniger geeignete Konstruktionen gibt, gehört zum Gemeingut (z.B. QQE06/40, auch die 4CX250 ist keineswegs günstig, siehe Testbericht in CQ-DL 5/82). Viel weniger verbreitet ist leider die Selbstdisziplin, durch Leistungsverringerung den Störabstand auf natürlichem Wege zu verbessern. Bekanntlich steigen für 1 dB mehr Ausgangsleistung die Intermodulationsprodukte je nach Ordnung um 3 dB bis über 20 dB an. Der Intercept-Punt ist entgegen manche Gerüchten ohnehin nicht erreichbar.

2. Transceiver

Die Ausgangssignale moderner Transceiver sind zumeist recht ordentlich, wie durch zahlreiche Testberichte aus den letzten Jahren belegt werden kann. Für die HF-Leistungsstufen gelten die Überlegungen nach (1). Hier sind jedoch bei fast allen Geräten noch Verbesserungen möglich.

Weniger günstig müssen die Rauscheigenschaften der Überlagerungs-Oszillatoren beurteilt werden. Durch Mischung erhält nämlich das Ausgangssignal den Rauschsockel des Oszillators. Infolge der Sprachaussteuerung des Senders übernimmt die Rauschglocke dann die Hüllkurve der Niederfrequenz. Die auf diese Weise abgestrahlten Störsignale ähneln zwar den Intermodulationsprodukten, sind aber zumeist breitbandiger. Transceiver mit ungünstigen Rauscheigenschaften sollten als Steuerquelle für eine Endstufe nicht verwendet werden (Siehe UKW-Berichte 4/81: Der Dynamikbereich von 2-m-Geräten).

Bei dem in dieser Beziehung ohnehin recht guten YAESU-Transceiver FT225RD konnte in 100 kHz Abstand die Rauschglocke um etwa 10 dB abgesenkt werden. Erst nach dieser auch beim gleichen Gerät einer benachbarten Station durchgeführten Modifikation war ein gegenseitig störarmer Betrieb mit einer leistungsfähigen Endstufe möglich. Zu beachten ist, daß diese Verbesserung auch empfangsseitig wirksam ist.

3. Zusammenschalten von Steuersender und Endstufe

Wenn die Transceiver zumeist recht ordentliche Signale absetzen, so haben die Hersteller bezüglich der Zusammenschaltung von Sender und PA "eine Leiche im Keller". Außer einem Relaiskontakt zum Weiterschalten bieten sie kaum hilfreiche Details an. Notwendig wäre die stufenlose Einstellbarkeit der hochfrequenten Ausgangsleistung auch bei SSB. Der Mike-gain-Regler ist hierfür ähnlich unzweckmäßig, wie die Regulierung der Fahrgeschwindigkeit eines Autos mit Hilfe der Handbremse.

Eine Kontrolle der Hüllkurve des Sendesignals offenbart, daß zwar die mittlere Ausgangsleistung einstellbar ist, die hochfrequente Spitzenleistung jedoch annähernd auf ihrem Maximalwert verbleibt. Das Mike-gain-Potentiometer beeinflußt in erster Linie die Laut-Leise-Dynamik des Sendesignals. Seine Funktion ist es außerdem, verschiedenartige Mikrophone an den Transceiver anzupassen. Die Geräte-interne ALC (automatic level control) arbeitet dem Mike-gain-Regler entgegen. Eine starke Reduzierung der Ausgangsleistung ausschließlich über die Einstellung der ALC führt zu Regelverzerrungen. Zudem werden vor dem Einsetzen der Regelung schmale Impulse (ca. 1 ms bis Reduzierung einsetzt) mit der Oberstrichleistung des Geräts erzeugt. Beim FT 225RD sind das 40 bis 50 Watt!

Bei den meisten Geräten dürfte die Einstellbarkeit der Ausgangsleistung nachgerüstet werden können. Es ist ein 50-Ω-Punkt mit möglichst kleinem HF-Pegel zu suchen und mit einem gut zugänglichen 100-Ω-Potentiometer zu versehen. Beim vom Verfasser benutzten FT 225RD fand sich eine Einschleusemöglichkeit in der Zwischenfrequenz von 10,7 MHz. Ohne Beeinträchtigung sonstiger Daten läßt sich nach Bild 1 die Ausgangsleistung für die Betriebsart SSB zwischen Null und 25 Watt verstellen.

Bild 1: Stufenlose Leistungseinstellung an einem 50 Ω-Punkt in der Senderaufbereitung.

Ein Reduzieren des Pegels bereits im vorderen Teil der Aufbereitung vermindert zudem die Intermodulationsprodukte, die in den nachfolgenden Stufen sonst erzeugt würden. Allerdings geht diese Maßnahme etwas zu Lasten der dynamikkomprimierenden Wirkung der ALC.

Die beschriebene Maßnahme konkurriert mit der recht effektiven Möglichkeit der Pegelanpassung durch Zwischenschalten eines hochfrequenten Dämpfungsgliedes ausreichender Belastbarkeit. Der Dämpfungsbetrag wird mit Hilfe von Schichtoder Massewiderständen so dimensioniert, daß bei Oberstrichleistung des Steuersenders die PA bis maximal 1 dB unter ihre Grenzleistung ausgesteuert wird (Bild 2).

Bild 2: Dämpfungsglied im Sendezweig der Endstufe.

Eine Endstufen-Übersteuerung ist damit ausgeschlossen. Die Dynamikkompression durch die Geräte-interne ALC bleibt erhalten. Für eine hohe mittlere Ausgangsleistung (auch am Zeiger-Instrument) sorgt dann die auf einen hohen Wert eingestellte "Mike-gain' . Ein auf diese Weise verstärktes Signal dürfte bei korrekt arbeitender Endstufe auch bei großen Empfangsfeldstärken nur noch wenige kHz neben der Sendefrequenz hörber sein. Das Dämpfungsglied im Sendezweig bringt noch einen Vorteil mit sich, der oft übersehen wird: Es bietet dem Steuersender eine reelle Last an. Die guten Intermodulationsspektren der Transceiver lassen sich nur an einer ohmschen Last mit gutem SWR realisieren. Eine Endstufe mit Röhren oder Transistoren stellt dagegen einen dynamischen, also aussteuerungsabhängigen Abschluß dar.

Sinnvollerweise erfolgt die Anpassungs-Optimierung bei Oberstrichleistung. Bei allen anderen Aussteuerungsgraden ist der Eigangswiderstand von Endstufen von reellen 50 Ω weit entfernt. Es tritt demzufolge eine Verkürzung der Aussteuerkennlinie des Steuersenders ein. Die Intermodulationsprodukte steigen unter Umständen besorgniserregend an, obwohl die gleiche Leistung an einer reellen Last (Antenne oder Dummy) von guter Qualität ist. Ein Dämpfungsglied von 5 dB (10-W-Transceiver auf 4CX250) erzwingt selbst im theoretisch ungünstigsten Fall eine Rückflußdämpfung von mindestens 10 dB, also ein SWR von schlimmstenfalls 2 : 1.

Ein weiteres Absenken der Intermodulationsprodukte ist durch ein stärker kontrolliertes Betriebsverhalten dann möglich, wenn die SenderpegelRegelung (ALC) aus der hochfrequenten Ausgangsleistung der PA gewonnen wird. Betrag und Zeitkonstante der Regelspannung müssen individuell dimensioniert werden. Wenn Siebung und Zeitkonstante dieser Spannung weiterhin durch die Aufbereitung im Transceiver bestimmt werden, reicht die Schaltung in Bild 3 aus.

Bild 3: ALC-Gewinnung aus der Endstufe.

Mit Hilfe des Potentiometers wird die Oberstrichleistung eingestellt. Die Diode D2 ermöglicht die Anbindung an die ALC-Leitung im Transceiver. Unter Umständen muß die interne ALC-Gewinnung reduziert oder stillgelegt werden. Steht aus dem Richtkoppler keine ausreichend hohe oder richtig gepolte (negative) Spannung zur Verfügung, so läßt sich diese mit Hilfe eines Operationsverstärkers aufbereiten.

Ein Richtkoppler ist als Auskoppel-Element einer induktiven oder kapazitiven Auskopplung vorzuziehen, da er unabhängig von den jeweiligen Anpassungsverhältnissen der Antenne arbeitet und dessen Richtspannung auch zu einer genauen Leistungsanzeige verwendet werden kann.

4. Aussteuerungsanzeige

Das Ausgangssignal der gesamten Sende-Anlage muß betriebsmäßig, also ständig, kontrolliert werden. Zeiger-Instrumente täuschen einen falschen Zusammenhang vor, da sie wegen ihrer integrierenden Wirkung nur die mittlere Aussteuerung, nicht aber den Spitzenwert anzeigen. Eine wirksame Kontrolle des abgestrahlten Signals ist aber nur mit einem Spitzenwert-Indikator möglich. Zweckmäßig und unbedingt ratsam für alle Endstufen größerer Leistung ist ein Sichtbarmachen der Sprachaussteuerung mit Hilfe eines Bildschirms, wozu ein einfaches DC-Oszilloskop dienen kann.

Die Wirkungen der einzelnen Maßnahmen zur optimalen Sprachaussteuerung (ALC, hochfrequente Dämpfungen und Sprach-Prozessor) sind so aufeinander abzustimmen, daß die mittlere Ausgangsleistung hoch ist, ihr Spitzenwert jedoch nicht die Sättigung erreicht. Die Optimierung der Aussteuerung, sowie die Kontrolle während des Betriebs, lassen sich durch diese Hullkurvendarstellung besonders günstig durchführen. Mancher Funkfreund hätte den Grund für die an ihn herangetragenen Beschwerden und Gegenstörungen deutlich vor Augen!

Eine besonders eindeutige Linearitäts- und Aussteuerungs-Anzeige läßt sich mit Hilfe eines niederfrequenten Zweiton-Generators durchführen. Da der Zweiton-Test alle Aussteuerzustände erfaßt, kann das Zusammenwirken sämtlicher Stufen der Senderaufbereitung durch Resonanzabgleich optimiert werden. Als Erfahrungwert gilt, daß ein Intermodulationsabstand für Signale 3. Ordnung (IM3) von 30 dB ("schmales" Sendesignal) dann erreicht ist, wenn das Schirmbild praktisch keine mit dem Auge erfaßbaren Abweichungen von der Idealkurve (Zweiweggleichrichtung) zeigt. Für die Demodulation ist eine Siebung mit sehr kurzer Zeitkonstante erforderlich, damit die Entladekurve des Kondensators keine Signalverfälschungen bewirkt. Die Ausgangsbandbreite (Video-Bandbreite) des Demodulators sollte mindestens 50 kHz betragen. Um Amplitudenverfälschungen durch die Diode zu vermeiden, ist die Ausgangsspannung größer als 3 V zu wählen. Für Endstufen ohne Reflektometer ist die in Bild 4 gezeigte Schaltung geeignet.

Bild 4: Hüll kurvendemodulator mit hoher Videofrequenz.

Die Ausgangsspannung muß durch kapazitive oder induktive Annäherung der Diode auf einen günstigen Wert eingestellt werden.

Bei den meisten Endstufen ist ein HF-Indikator eingebaut. Wegen eines zu großen Siebkondensators ist diese Spannung für eine Hüllkurvenbewertung im Originalzustand nicht geeignet. Abhilfe schafft ein Verkleinern des Siebkondensators auf etwa 100 pF und eine ohmsche Vorlast der Ausgangsspannung von etwa 10 kΩ.

5. Literatur

1. Leif Asbrink, SM5BSZ: Der Dynamikbereich von 2-m-Geräten, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 4, S.228-235
2. Günter Schwarzbeck, DL1BU: Endstufen für das 2-m-Band CQ-DL Heft 5/82
3. Günter Schwarzbeck, DL1BU: Geräte-Eigenschaften bei SSB und CW. Besonderheiten zwischen Testbericht und Praxis, CQ-DL Heft 9/82
4. Günter Schwarzbeck, DL1BU: Testbericht VHF Hochleistungsendstufe mit 4CX350, CQ-DL Heft 2/81
5. Thomas Molière, DL7AV: Der Stationsmonitor SM220; Testbericht und Meßdaten, CQ-DL Heft 6/81
6. Wolfgang Günter, DF4UW: Linearendstufen-Übersteuerung, CQ-DL Heft 4/81
7. Dr. Richard Waxweiler, DJ7VD: Niederfrequenz-Zweitongenerator CQ-DL Heft 8/81
8. Günter Schwarzbeck, DL1BU: SSB-QRM, CQ-DL Heft 7/75

DJ4GC, Carsten Vieland.