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HF-Oszillatoren

Schaltungstechniken in der Hochfrequenz

copyright 2002: Claude Jacobs

Ausdrückliche Warnung des Autors:
Jede Art Oszillatoren, seien sie nun analog oder digital, hoch- oder niederfrequent, können bei nicht fachgemäßer Handhabung, unkontrolliert Störsignale abstrahlen. Auch abgeschirmte und geerdete Gehäuse sind dabei kein unbedingter Schutz, da eine Abstrahlung ebenfalls über die Zuleitungsdrähte erfolgen kann. Arbeiten an Oszillatoren dürfen daher nur von erfahrenen Personen vorgenommen werden! Für weiteren Fragen, Lizenzen und Informationen zu den landesspezifischen Bestimmungen wenden Sie sich bitte an die nächste Postbehörde.

HAFTUNGSAUSSCHLUSS:
Der Autor übernimmt keinerlei Gewähr für die Aktualität, Korrektheit oder Vollständigkeit der bereitgestellten Informationen. Er übernimmt keinerlei Haftung für Schäden materieller oder ideeller Art, die durch die Nutzung der dargebotenen Informationen, verursacht werden.

INDEX

Siehe auch:
Elektronische Oszillator-Schaltungen
Regenerativ-Empfänger (Pendler)


Es sei gleich zu Beginn noch einmal hervorgehoben, daß der Bau, das Betreiben und Umändern von Sender- oder Empfängerschaltungen VERBOTEN ist. Es gibt eine Vielzahl geprüfter und genehmigter Transceiver im Handel. Diese fertigen Module sind auch meist billiger als ihre Einzelteile. Alle hier vorliegenden Bescheibungen sollen nur dem besseren Verständnis der äußeren Beschaltung, Messung und Codierung von Transmitter und Receiver dienen.



Das Layout:

Einige wichtige Grundprinzipien:
Anders, als die im NF-Bereich angestrebte schaltungstechnische Ästhetik, wird das Platinenlayout in der HF-Technik zugunsten der Frequenz- und Amplitudenstabilität ausgelegt. Auch wenn einige Schaltungen eher spartanisch anmuten, so kommt es hier hauptsächlich auf eine sehr genau geplante Verdrahtung an. Statt schmale Leiterbahnen wählt man meist breite, widerstands- und induktionsarme Verbindungen ("Skin"-Effekt), deren Lage insbesondere auch die kapazitive Kopplung benachbarter Leitungen berücksichtigen muß. In vielen Fällen ist sogar eine Direktverbindung mit gestutzten Bauteilfahnen angesagt. Oft wird auch eine doppelt beschichtete Platine verwendet, auf deren Oberseite die Verbindungsleitungen sind, und deren gesamte Unterseite -ungeätzt- auf Masse gelegt ist. Sind Oszillatorstufen gesondert in ein eigenes Gehäuse eingebaut, so sollten die Ränder dieser Platinenunterseite lückenlos an das Gehäuse angelötet werden. Bei flachen Transistoren mit seitlich angebrachten Fahnen ist es manchmal notwendig, eine Bohrung an dieser Stelle der Platine vorzunehmen, damit die Platine, bzw. ihr Metallbelag, keinen unerwünschten Einfluss auf das Innere des Transistors hat. Die fertige Schaltung weist schlußendlich eine derart unüberschaubare und unberechenbare Vielfalt an parasitären Kapazitäten und Induktivitäten auf, daß nachträgliche Einstellungen unvermeidlich sind.


Die Stromversorgung:

Schwingkreisoszillatoren werden grundsätzlich mit einer stabilisierten Spannung betrieben, da Schwankungen in der Versorgungsspannung unvermeidlich eine Arbeitspunktverlagerung des Transistors und damit Verzerrungs-, Amplituden- und Belastungsveränderungen, und dementsprechend auch Frequenzabweichungen hervorrufen. Die Zuleitung erfolgt über eine Drossel (L2 in Abb.1) und einen Kondensator (C4), beide sehr nahe am Oszillatorgehäuse angebracht. Sie unterdrücken die hier austretenden Frequenzen, damit diese nicht in das Netzteil oder andere Schaltungselemente übertragen werden. Der Oszillator selbst kann für einen möglichst hohen Strom ausgelegt werden. Dadurch ist die Schaltung gegen Blindinduktionen und -kapazitäten weitaus stabiler. Die Grenze bildet jedoch die Temperaturentwicklung, die einen sehr hohen Einfluß auf die Bauteiltoleranzen hat.


Abkopplung der Hochfrequenzelemente:

Alle Bauteile, die keine Schwingungen benötigen, müssen unbedingt durch Kondensatoren oder Drosseln von den schwingenden Elementen getrennt werden, damit nicht noch mehr Teile ihre unberechenbaren Faktoren hinzufügen. Die in Abb.1 eingezeichneten Dioden, die nur zur stabilen Vorspannungserzeugung dienen, werden in diesem Beispiel hochfrequenzmässig mit C5 (und C6) von dem HF-führenden R1 abgetrennt. Ebenso trennt C4 und L2 den HF-Teil vom Spannungsregler. Als Grundsatz dient: Je weniger Bauteile HF-behaftet sind, desto kontrollierter (und stabiler) arbeitet der Oszillator.

Abb.1: Hochfrequente Abkopplung
Die einzigen in dieser Schaltung frequenzführenden Bauteile sind : C1,C2,C3,L1,L3,(R1),T1, alle anderen sind abgekoppelt. Nach dem gleichen Prinzip erfolgt ebenfalls der Abgriff und der Entwurf der eventuell nachfolgenden Schaltungen.

Um die Belastung des Oszillators so gering wie möglich zu halten -der Oszillator soll möglichst "frei" schwingen können-, ist es wichtig, daß die Kopplung an eine zweite Stufe "lose" ist, d.h. entweder an eine mittlere Windung der Oszillatorspule, besser noch an eine gesonderte, naheliegende Koppelspule. Diese lose Kopplung hat zwar den Nachteil, dass das Signal abgeschwächt ist, demgegenüber der Oszillator jedoch nur wenig durch andere Stufen rückläufig beeinflusst werden kann. Wenn die Koppelspule nun auch noch als Schwingkreis ausgeführt wird, dann trägt dieser zur Verringerung der Oberwellenanteile bei.

Um eine möglichst hohe Frequenz- und Amplitudenstabilität des Oszillators zu gewährleisten wird eine weitere Verstärkerstufe nachgeschaltet. Fälschlicherweise werden in manchen Dokumenten oft Schaltungen beschrieben, bei denen die Antenne direkt am Oszillatorkreis ankoppelt. Die Freude über ein endlich erzeugtes Signal täuscht meist über die damit verlorene Frequenz- und Amplitudenstabilität der Schaltung hinweg. Es ist offensichtlich, daß eine derart angebrachte Antenne genau den kritischsten Punkt des Oszillators nach außen führt: den Schwingkreis. Außerdem erzeugen Oszillatoren keine reinen Sinuswellen, sondern meist komplexe, oberwellenreiche Schwingungen. Daher ist es unumgänglich, einen Resonanzverstärker nachzuschalten, der diese Verzerrungen senkt und das eigentliche Nutzsignal herausfiltert.

Damit die Oszillatorschaltung von den nachfolgenden Stufen soweit wie möglich abgekoppelt ist, wird er meist gesondert in ein eigenes abschirmende geerdete Metallgehäuse eingebaut. Jede Leitung -die HF-Anzapfung ausgenommen- kann direkt an ihrer Durchführungsbohrung über einen 1nF Kondensator mit dem Gehäuse verbunden werden (Durchführungs-Kondensatoren). Damit werden ebenfalls die im Inneren unvermeidlichen Übertragungen auf diese Leitungen an den Ausgängen wieder unterdrückt.

Der Feldeffekttransistor hat gegenüber dem bipolaren Transistor den Vorteil, daß seine Kennlinie weichere Rundungen im unteren Schwellbereich aufweist. Dadurch entstehen bei Übersteuerung weniger starke Oberwellen, wodurch die Wirkung der im HF-Gehäuse vorliegenden Kapazitäten verringert wird.


Der Schwingkreis:

Der Schwingkreis bildet den sensibelsten Teil des Oszillators. Seine Dimensionierung bestimmt im Wesentlichen die Frequenzstabilität der Schaltung. Der Abstand der Spule von anderen Bauteilen sollte ungefähr einen halben cm betragen, damit die induzierten Magnetfelder nicht geschwächt oder unterbrochen werden können. Dabei ist ebenfalls zu beachten, dass die Platinenunterseite meist metallbeschichtet ist und dadurch ein zusätzliches Hindernis darstellt. Die Spule wird daher oft mit ihren verlängerten Anschlussfahnen regelrecht als Luftspule angebracht.

Es ist ratsam, den Kondensator des Schwingkreises gleich mit in diese Luftschaltung einzubeziehen und somit den gesamten Schwingkreis von Störelementen zu entfernen. Auch auf die mechanische Stabilität ist besonders zu achten, da schon kleinste Vibrationen (insbesondere der Spulenwindungen) zu Frequenzänderungen führen. Bei fertigem Aufbau kann die Spule mit einem Tropfen Wachs stabilisiert werden.

  1. Da ein Oszillator hauptsächlich gegen parasitäre Kapazitäten anfällig ist, muß bei der Schwingkreisdimensionierung der Kondensator so gross wie möglich gewählt werden.

  2. Die Güte eines Schwingkreises hängt von seinem Innenwiderstand ab. Da dieser Widerstand grösstenteils von dem Spulenwiderstand gebildet wird, muss die Drahtlänge so klein wie möglich sein. Die Drahtstärke selbst mag etwa 1mm betragen. Bei höheren Frequenzen steigt der sogenannte "Skin"-Effect (Aussenhaut-Ströme). Daher empfiehlt es sich, einen silberbeschichteten Draht zu wählen.

  3. Es ist auch vorteilhaft, die (unversilberten) Anschlussdrähte des Kondensators durch versilberte zu ersetzen, indem man die Spulenenden seitlich wieder zueinanderbiegt und direkt am Kondensatorengehäuse an dessen kurz abgeschnittenen Enden anlötet.

  4. Ebenso nahe am Kondensatorengehäuse erfolgt der Abgriff: Da der keramische Entkoppelkondensator (hier C4) direkt mit der Masse und der Betriebsspannung verbunden ist, sollten die Schwingkapazitäten (die ja die berührungsempfindlichsten Teile sind) zwischen Spule und C4 angebracht sein. Der gestutzte Drainanschluss ist ebenfalls direkt an C1-C2 anzubringen.

In der Hochfrequenztechnik ist es nicht möglich, Induktivitäten und Kapazitäten genau zu berechnen, da der Einfluß des entgültigen Schaltungsaufbaus die Werte entscheidend verändern kann. Die Qualität eines Oszillators hängt schliesslich von vielen nachträglichen praktischen Experimenten und Änderungsversuchen ab. Ohne Spezial-Meßgeräte ist es jedoch höchst unwahrscheinlich, eine annähernd "saubere" und den gesetzlichen Vorschriften entsprechende Hochfrequenz zu erzeugen.

Die Stärke des benutzten Drahtes hat nur einen geringen Einfluß auf die Induktivität. Üblich sind Stärken zwischen 0,5 und 1 mm. Eine Annäherung an die induktiven Werte von Luftspulen kann wie folgt errechnet werden:


Die Rückkopplung:
  1. Die Rückkopplung erfolgt über die sehr geringe Kapazität von C3. In vielen Fällen wird sie von der inneren Transisorkapazität ersetzt und kann völlig weggelassen werden. Es ist jedoch ratsamer, sie selbst zu bestimmen, indem man einen (Dreh-)kondensator parallel schliesst. Je grösser die Kapazität, desto grösser die Rückkopplung und damit möglicherweise auch die Übersteuerung (Verzerrung).

  2. Da der niedrige Source- bzw. Emitter-Widerstand (R1, D1, D2, C5, C6) das rückgekoppelte Signal stark belasten würde, wird das hier benötigte HF-Signal durch die Drossel L3 von dem unerwünschten Widerstand entkoppelt. Auch hier gilt: je induktiver die Drossel, desto stärker die Rückkopplung und damit möglicherweise die Verzerrungen.

  3. Der Verbindungspunkt zwischen dieser Drossel und dem Metallschichtwiderstand kann als minderkritisch betrachtet werden, da die Drossel bereits einen großen Teil der Hochfrequenz abhält.


Indirekte Beobachtungsmethoden:

Ob nun ein HF-Oszillator schwingt oder nicht merkt man am einfachsten, indem man den Strom in den Versorgungsleitungen mißt. Führt man nun (berührungslos) einen Metall- oder Ferritkern in die Schwingkreisspule ein, so tritt eine, durch die Frequenz- , Amplituden- und Belastungsveränderung der ganzen Schaltung hervorgerufe Stromänderung auf. Ist das nicht der Fall, dann waren auch keine Schwingungen vorhanden. Oft bemerkt man mit dieser Methode auch das "Abreißen" der Schwingungen durch eine plötzliche Stromsenkung. Mit einem regelbaren Netzteil kann man ebenfalls bei langsam steigender Versorgungsspannung eine plötzliche Stromsteigerung beim Einsetzen der Schwingungen erkennen.

copyright 2002: Claude Jacobs

Siehe auch:
Elektronische Oszillator-Schaltungen
Regenerativ-Empfänger (Pendler)


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