Beitrag zur einfache ‚Eintakt-Transistor-Endstufe‘.

Dieser Beitrag wird etwas technisch und trockene Theorie, eine transistorisierte Eintakt-Sender-Endstufe (HF-Leistungsverstärker), die typischerweise im Hochfrequenzbereich (HF) zur Verstärkung von Sendesignalen eingesetzt wird.

Ich gehe hier etwas tiefer in der Materie ein und versuche das Ganze möglichst genau zu erklären. Wer sich dafür interessiert mal zu wissen wie solch ein einfacher Verstärker arbeitet oder wer sich damit selbst beschäftigt und mit dem Bau von Sendeendstufen anfangen möchte, für diejenigen kann das hier interessant werden.

Wie funktioniert die Schaltung?

Die ankommende Hochfrequenz von der Endstufe gelangt über die Spule L1 an T1 (Vom Transistor der Emitter). Der Transistor ist ein PNP-Transistor Positiv-Negativ-Positiv. Damals in der Ausbildung hat mir mein Lehrer eine Eselsbrücke genannt, welche ich heute noch benutze „Pfeil nach Platte“ also PNP ist das nicht der Fall so ist es ein NPN Negativ-Positiv-Negativ.  Die Auskopplung und Anpassung der verstärkten HF gelangen über einen PI-Filter an die Antenne. L2 ist die Antennenspule des PI-Filters und C1, C2, C3 die Zugehörigen Kapazitäten (Kondensatoren). Die Spannung zum Kollektor oder auch Kollektorspannung wird über eine Drossel Dr1 zugeführt.

Errechnung der Drossel Dr1 und ihre Aufgabe:

Um die Induktivität der Hochfrequenzdrossel Dr1 zu berechnen, nutzt man das Prinzip des induktiven Blindwiderstands (XL). Ein Blindwiederstand ergibt sich bei einer Spule durch Wechselspannung. Hingegen bei Gleichspannung die Spule nur ihren realen Drahtwiederstand (Kupfer, Alu usw. ist metallabhängig) hat. Somit haben wir die Möglichkeit Gleichspannung ungehindert durch eine Spule zu lassen aber eine Wechselspannung zu blockieren. Daraus ergibt sich, eine HF-Drossel hat die Aufgabe, Gleichstrom (DC) zur Versorgung des Transistors ungehindert passieren zu lassen, während sie für das hochfrequente Wechselstromsignal (HF) wie ein sehr hoher Widerstand (Sperre) wirkt.

Der Blindwiderstand einer Spule berechnet sich nach der Formel: XL​=2 * π * f * L

Daraus ergibt sich umgestellt nach der gesuchten Induktivität L:  L=XL / (2 * π * L)

Die Faustregel zur Dimensionierung

In der Praxis ist kein fester Zielwert für XL im Schaltbild vorgegeben. Man nutzt daher eine bewährte Faustregel aus der Hochfrequenztechnik: Der Blindwiderstand XL der Drossel sollte bei der niedrigsten Betriebsfrequenz mindestens das 10-Fache des Last- bzw. Schaltungswiderstandes (RL) betragen.

In Standard-HF-Systemen (wie Sendeendstufen im Amateurfunk) rechnet man meistens mit einer Systemimpedanz von RL = 50 Ohm.

Für diesen Frequenzbereich würde man also eine Drossel mit mindestens 3μH wählen (häufig wird aus Sicherheitsgründen ein noch größerer Standardwert wie 10μH oder 22μH genommen, solange deren Eigenresonanzfrequenz weit über der Betriebsfrequenz liegt!).

Nun wollen wir uns den PI-Filter genaues Betrachten

Ein Pi-Filter (auch π-Filter oder Tiefpass-Anpassungsnetzwerk genannt) verdankt seinen Namen der Anordnung seiner Bauelemente, die optisch dem griechischen Buchstaben π ähnelt. In einer Senderendstufe wie der vorliegenden erfüllt es zwei kritische Aufgaben gleichzeitig.

Die zwei Hauptaufgaben

1. Impedanzanpassung: Der Transistorausgang hat meist einen relativ niedrigen Innenwiderstand (z. B. 10 ….. 20 Ohm), während die Antenne oder das nachfolgende Kabel in der Regel eine Impedanz von \50 Ohm aufweisen. Das Pi-Filter transformiert diese unterschiedlichen Widerstände verlustarm ineinander, um maximale Leistungsübertragung zu gewährleisten.

• Oberschwingungsunterdrückung (Tiefpass): Ein Transistor im HF-Leistungsbetrieb erzeugt neben der Grundwelle unerwünschte Oberwellen (Harmonische). Das Pi-Filter arbeitet als Tiefpass-Filter: Es lässt die gewünschte Sendefrequenz passieren und blockiert höhere Frequenzen, damit der Sender keine Störungen auf anderen Frequenzen verursacht.

Struktur und Funktion der Komponenten

In einer klassischen Leistungsstufe setzt sich das Pi-Filter aus drei Reaktanzen zusammen: zwei Querkapazitäten und einer Längsinduktivität.

In der oben betrachteten Schaltung wird diese Struktur durch die Bauelemente C2 / L2 / C3 (bzw. die nachfolgende Festkapazität) realisiert, wobei der Drehkondensator eine flexible Abstimmung auf die Antenne ermöglicht.

Für die Berechnung eines PI-Filters für 27 MHz ist die Eingangsimpedanz 20 Ohm ein üblicher Kollektor-Lastwiderstand für Transistoren bei kleineren Betriebsspannungen, Ausgangsimpedanz 50 Ohm Standard bei Funkanlagen CB-Funk und Amateurfunk. Und die Betriebsgüte (hochgenug für gute Filterung und niedrig genug für ausreichende Bandbreite).

Folgend die Berechnungsschritte.

Um die benötigte Windungsanzahl (n) für die Spule mit L = 0,093 μH (93 nH) zu bestimmen, zieht man die klassische Wheeler-Näherungsformel für einlagige Zylinderspulen (Luftspulen) heran.

Da die Geometrie (Durchmesser des Spulenkörpers und Drahtstärke) die Windungszahl massiv beeinflusst, betrachten wir zwei praxistaugliche Varianten für den Hochfrequenzbereich bei 27 MHz:

In der realen Schaltung lässt sich das Pi-Filter durch die variablen Drehkondensatoren perfekt auf das Maximum der Sendeleistung bei minimalen Reflexionen (SWR) trimmen.

Durch mechanisches Auseinanderziehen der Spule verringert sich die Induktivität; durch Zusammendrücken erhöht sie sich. Damit lässt sich auch das Pi-Filter zusammen mit den Drehkondensatoren exakt auf das SWR-Minimum (Stehwellenverhältnis) bei 27 MHz trimmen.

Okay, nun ist ja nicht mehr viel oder? Wir machen bei er Schaltung auf der anderen Seite des Transistors weiter.

Der Eingang.

Die Kombination aus L1, dem 1-nF-Kondensator und dem 20-Ohm-Widerstand bildet das Eingangs- und Basis-Biasing-Netzwerk des Transistors. Diese Bauteile sorgen dafür, dass das Hochfrequenz-Eingangssignal sauber in den Transistor eingekoppelt wird, während gleichzeitig der Gleichstrom-Arbeitspunkt stabilisiert wird.

Der 1nF Kondensator:

HF-Einkopplung & DC-Block: Er lässt das hochfrequente Eingangssignal (27 MHz) fast ungehindert zur Basis des Transistors passieren. Gleichzeitig blockiert er Gleichspannung (DC) vom Eingang, damit der Arbeitspunkt des Transistors nicht durch externe Signalquellen verschoben wird.

Die L1 Basisdrossel:

HF-Sperre (Drossel): Sie verhindert, dass das empfindliche HF-Eingangssignal über den 20-Ohm-Widerstand und die Stromversorgung nach Masse abfließt. Für Wechselstrom ist sie hochohmig, für Gleichstrom (DC) bildet sie jedoch eine niederohmige Verbindung.

Der 20Ohm Widerstand:

Gegenkopplung & Stabilisierung: Er begrenzt den Basisstrom und sorgt für eine Gleichstrom-Gegenkopplung. Dadurch wird verhindert, dass der Transistor bei Erwärmung thermisch wegläuft (Thermal Runaway). Zudem bedämpft er die Schaltung leicht, um unerwünschte Eigenschwingungen (wilde Oszillationen) zu verhindern.

Zusammenwirken in der Praxis:

Dieses Netzwerk sorgt dafür, dass die Endstufe im sogenannten C-Betrieb (Class-C) oder einem tiefen B-Betrieb arbeitet. Da keine positive Vorspannung an der Basis anliegt, öffnet der PNP-Transistor erst, wenn die Halbwelle des HF-Eingangssignals die Schwellenspannung der Basis-Emitter-Strecke überschreitet.

• Für das HF-Signal: Der Weg geht exklusiv durch den 1-nF-Kondensator direkt auf die Basis. Die Spule L1 blockiert den Weg nach rechts.
• Für den DC-Arbeitspunkt: Der Basis-Rückstrom fließt durch L1 und wird durch den 20-Ohm-Widerstand stabilisiert, ohne dass HF-Energie verloren geht.

Der Transistor T1 und seine Funktion:

Da es sich um einen PNP-Transistor in Emitter Schaltung handelt, unterscheidet sich die Ansteuerung in einigen Details von den heute oft üblicheren NPN-Transistoren.

In dieser Schaltung arbeitet der Transistor T1 als das zentrale Steuerelement, das die schwache Hochfrequenz-Eingangsleistung in eine deutlich höhere Ausgangsleistung für die Antenne umwandelt.

Polarität und Spannung:

Bei einem PNP-Transistor müssen alle Spannungen im Vergleich zum NPN-Transistor umgekehrt sein. Der Emitter liegt hier an Masse (0 V). Der Kollektor wird über die Drossel Dr1 mit einer negativen Spannung (oder Masse, wenn der Emitter an Plus liegt) versorgt.

Ansteuerung:

Der Transistor leitet, wenn die Basis negativer als der Emitter wird. Das bedeutet, dass die negative Halbwelle des HF-Eingangssignals den Transistor einschaltet, während die positive Halbwelle ihn sperrt.

Phasenumkehr:

Die Emitter Schaltung bewirkt eine Phasendrehung von 180°. Ein negatives Signal an der Basis führt zu einem ansteigenden (positiveren bzw. weniger negativen) Signal am Kollektor.

Der dynamische Schaltvorgang (Class-C-Betrieb)

Da die Basis über die Spule L1 und den 20-Ohm-Widerstand gleichstrommäßig auf Massepotential (0 V) gehalten wird, gibt es keine klassische Gleichspannungs-Vorspannung (Bias). Der Transistor befindet sich im Ruhezustand (ohne Eingangssignal) im vollständig gesperrten Zustand.

Sobald das HF-Signal (z. B. unsere 27 MHz) anliegt, läuft folgender Zyklus ab:

1. Die negative Halbwelle des Signals kommt an: Sobald die Spannung des Eingangssignals die Schwellenspannung (ca. −0,7 V bei Silizium) unterschreitet, öffnet die Basis-Emitter-Strecke. Es fließt ein Basisstrom.
2. Stromstoß im Kollektorkreis: Durch den fließenden Basisstrom schaltet der Transistor schlagartig durch. Ein kräftiger Kollektorstromstoß fließt durch den Transistor und regt den nachfolgenden LC-Schwingkreis (L2, C1, C2) an.
3. Die positive Halbwelle des Signals kommt an: Die Basis wird positiv. Der Transistor sperrt sofort wieder vollständig.
4. Der „Schaukeleffekt“ (Pendelwirkung): Während der Transistor sperrt, sorgt die im LC-Schwingkreis gespeicherte Energie dafür, dass die Sinuswelle im Ausgangsnetzwerk sauber zu Ende schwingt (auch bekannt als Flywheel-Effekt).

Durch diese stoßweise Energieabgabe arbeitet der Transistor extrem effizient. Da er die meiste Zeit vollständig gesperrt oder voll durchgesteuert ist, entstehen im Transistor selbst nur geringe Verlustleistungen (Wärme), was in der HF-Sendertechnik für einen hohen Wirkungsgrad sorgt.

Im Großen und Ganzen ist die Schaltung hiermit erklärt worden. Um es etwas abzurunden, ich habe jetzt den C-Betrieb erwähnt, es gibt noch den A-Betrieb und den AC-Betrieb von Endstufen. Mit unterschiedlichem Ruhestrom und Wirkungsgraden. Das würde aber hier den Rahmen sprengen, falls das nicht schon passiert ist. Auch ich musste mich wieder in der Materie etwas einarbeiten. Was auch der Grund ist warum ich eigentlich nicht so genau ins Detail gehe.

Die Schaltung selbst ist aus einem alten Amateurfunk Handbuch aus meiner Lehrzeit. Wo leider nicht so genau drinnen erklärt wird, wie genau die einzelnen Komponenten dieser Schaltung funktionieren. Sei noch zu erwähnen das der Transistor Typ welche in dem Buch vorgeschlagen wird, ein Telefunken-Transistor AFZ10 oder ASZ10 so wie 2N1143 sein kann. Natürlich machen die den Hahn nicht Fett.

Eins meiner nächsten Projekte ist ein Röhrenverstärker, den ich rückwärts benutzen werde. Da habe ich schon lange einen Bausatz hier rumliegen. Fehlt nur noch das entsprechende Zeitfenster.

Bis dahin 73