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Kurs 2020/21 zur Erlangung der Amateurfunk Lizenz Klasse E

Klaus Scheibel DF5RO Weitergabe ohne Änderung und mit Angabe der Quelle erlaubt

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Übersicht 1 : Mathematische Grundkenntnisse

Größen und Einheiten Volt, Watt, Amper Henry, Farad, Siemens, Tesla, Hz Zehnerpotenzen Milli, Kilo, µ, ppm, %

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Übersicht 2 : Mathematische Grundkenntnisse 2

Schwingungen Frequenz, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Verkürzungsfaktor Das Dezibel Spannung, Leistung, dBµV, dBW, Die S-Stufen

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Übersicht 3 : Elektrisch Grundkenntnisse

Strom – und Spannungsquelle Innenwiderstand, Stromkreis Elektrisches Feld Magnetisches Feld Elektromagnetisches Feld Messungen und Messinstrumente Drehspulenmessgerät, Oscilloskop, Dip-Meter Durchführung von Messungen

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Übersicht 4 : Passive Bauelemente und Anwendungen

Spule Die Induktivität Spule bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Spulenschaltungen Transformator

Kondensator Kapazität Kondensator bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Kondensatorschaltungen

Ohm‘scher Widerstand Widerstand, Leitfähigkeit, Ohm‘sches Gesetz Leistung, Belastbarkeit, Grundschaltungen Reihenschaltung, Parallelschaltung, Spannungsteiler

Schwingkreis und Filter Schwingkreis Resonanzfrequenz, Impedanzfrequenzgang, Bandbreite, Güte Quarz als Schwingkreis, Topfkreis Filter Bandfilter, Sperrkreis, Bandpass

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Leiter, Nichtleiter, Isolator Halbleitermaterial PN-Übergang Diode, Typen und Kennlinien Silizium, Germanium, Schottky-Diode Kapazitätsdiode, Z-Diode, Fotodiode, LED Anwendung , Schaltungen Gleichrichter, Spannungsbegrenzung,

Transistoren, Typen und Kennlinien bipolare Transistor, Feldeffekt-Transistor Verstärker Transistorverstärker Basisvorspannungsteiler, Arbeitspunkt Operationsverstärker Die Elektronenröhre Integrierte Schaltungen

Oszillator Rückkopplung Oszillatortypen LC-Oszillator, Quarzoszillator, PLL Oszillator, VCO

Übersicht 5 : Halbleiter

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Kennzeichnung der Sendearten Modulation CW Modulation Amplitudenmodulation Modulationsgrad, Leistung bei AM SSB Modulation Trägerunterdrückung, Ringmodulator, Vergleich AM - SSB Frequenzmodulation Erzeugung von FM

Demodulation CW-Demodulation AM-Demodulation Der Audion-Demodulator SSB Demodulation Demodulation von SSB Der Produktdetektor FM Demodulation FM-Demodulator, FM-Demodulator mit PLL

Übersicht 6 : Modulation und Demodulation

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PLL VCO, PLL mit Mischstufen Sender Einfachmischprinzip, Mehrfachmischprinzip, Vervielfacher, Balance-Mischer (SSB) CW, AM, FM Modulation Transverter

Übersicht 7 : Frequenzaufbereitung und Sendertechnik

Hochfrequenzverstärker selektive Verstärker, PI-Filter, Leistungsverstärker, Wirkungsgrad Schaltungen Senderleistungen Beseitigung von Störungen

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Nachrichtentechnik - Übertragungstechnik

Senden

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Mathematische Grundkenntnisse

Größen und Einheiten Volt, Watt, Ampere, Henry, Farad, Siemens, Tesla, Hz Zehnerpotenzen Milli, Kilo, µ, ppm, % Schwingungen Frequenz, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Verkürzungsfaktor Das Dezibel Spannung, Leistung, dBµV, dBW, Die S-Stufen

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Internationales Einheitensystem SI (=systeme international d‘unites)

Mit einem Gesetz wurden diese Grundeinheiten 1970 in der Bundesrepublik Deutschland gesetzlich vorgeschrieben.

Masse m Kilogramm kg Masse des internationalen Kilogrammprototyps Zeit t Sekunde s Das 9.192.631.770-fache der Periodendauer einer Cäsium 133 CS Schwingung / Strahlung Thermodynamische T Kelvin K 1/273,16 der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser Temperatur bei genau spezifizierten Rahmenbedingungen Länge l Meter m Stromstärke I Ampere A Stoffmenge n Mol mol Lichtstärke I V Candela cd

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Internationales_Einheitensystem

Alle anderen Einheiten werden von diese 7 Basiseinheiten abgeleitet.

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Abgeleitete Einheiten

Spannung U Volt V Strom I Ampere A Widerstand R Ohm Ω Ω=V/A Impedanz Z Ohm Ω Leitwert G Siemens S S=1/Ω Leistung P Watt W W=V*A Arbeit W Wattsekunde Ws Frequenz f Hertz Hz Hz=1/s Kapazität C Farad F F=As/V Induktivität L Henry H H=Vs/A Elektrische Feldstärke E Volt pro Meter V/m Magnetische Feldstärke H Ampere pro Meter A/m Magnetische Flussdichte T Tesla Vs/m² Lichtstrom Lumen lm lm=sr*cd Beleuchtungsstärke E V Lux lx lx=lm/m²

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.1.2 Größen und Einheiten

TA201 Welche Einheit wird für die elektrische Spannung verwendet? TA202 Welche Einheit wird für die elektrische Ladung verwendet? TA203 Welche Einheit wird für die elektrische Leistung verwendet? TA204 In welcher Einheit wird der elektrische Widerstand angegeben? TA205 Welche der nachfolgenden Antworten enthält nur Basiseinheiten nach dem internationalen Einheitensystem? TA206 0,22µF sind TA207 3,75 MHz sind TA208 Welche Einheit wird für die Kapazität verwendet?

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Zehnerpotenzen

Zehnerpotenzen sind eine übliche Darstellung von sehr großen oder sehr kleinen Zahlen. Sie basieren auf unseren Zehnersystem und werden als Potenzen der Zahl 10 dargestellt: 10 n (gesprochen: 10 hoch n)

Dezimal Exponential SI-Präfix SI-Symbol Billionstel 0,000.000.000.001 10 -12 piko p Milliardstel 0,000.000.001 10 -9 nano n Millionstel 0,000.001 10 -6 mikro µ -> ppm Tausendstel 0,001 10 -3 milli m -> Promille 0/ 00 Hundertstel 0,01 10 -2 zenti c -> Prozent % Zehntel 0,1 10 -1 dezi d Eins 1 10 0 Zehn 10 10 1 deka da Hundert 100 10 2 hekto h Tausend 1000 10 3 kilo k Million 1.000.000 10 6 mega M Milliarde 1.000.000.000 10 9 giga G Billion 1.000.000.000.000 10 12 tera T

Im Englischen Sprachraum werden z.T. unterschiedliche Bezeichnungen verwendet. Deutsch: Milliarde -> Englisch: Billion

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Zehnerpotenzen: Beispiele

1 kg = 10 3 g = 1.000 g

1 hl = 10 2 l = 100 l

100 kHz = 100*10 3 Hz = 100.000 Hz

145 MHz = 145*10 6 Hz = 145.000.000 Hz

2,4 GHz = 2,4*10 9 Hz = 2.400.000.000 Hz

1 mg = 1*10 -3 9 = 0,001 g

100 µF = 100*10 -6 F = 0,000.001 F

4,7 pF = 4,7*10 -12 F = 0,000.000.000.004.7 F

10 cm = 10*10 -1 m = 0,10 m

Zehnerpotenzen haben den großen Vorteil, dass man mit ihnen auch astronomisch große Zahlen einfach ausdrücken kann. 9.460.730.472.580.800 m ≈ 9,461*10 15 m ≈ 9,461 Billionen Kilometer -> 1 Lichtjahr.

Wie lange braucht ein Flugzeug (1000km/h) für ein Lichtjahr ? -> 9,461*10 15 m = 9,461*10 12 km / 1000 km/h = 9,461*10 9 h -> 1.080.023 Jahre -> mehr als 1 Millon Jahre Wie lange hätte Apollo11 gebraucht ? (11km/s) -> 9,461*10 12 km / 11 km/s = 239*10 6 h = 27.273 Jahre

10 % = 10*10 -2 = 0,10

0,5 0/ 00 = 0,5*10 -3 = 0,005

5 ppm = 5*10 -6 = 0,000.005

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TA101 0,042 A entspricht TA102 0,00042 A entspricht TA103 100 mW entspricht TA104 4 200 000 Hz entspricht

1.1.1 Allgemeine mathematische Grundlagen

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Elektrische Grundkenntnisse

Strom – und Spannungsquelle Innenwiderstand, Stromkreis Elektrisches Feld Magnetisches Feld Elektromagnetisches Feld Messungen und Messinstrumente Drehspulenmessgerät, Oszilloskop, Dip-Meter Durchführung von Messungen

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Strom- Spannungsquelle

Eine Spannungsquelle bzw. Stromquelle ist ein Gerät, das an seinen Anschlüssen eine Spannung oder einen Strom liefert.

+ - U I U = Spannung in V I = Strom in A + -

Bei der technischen Stromrichtung fließt der Strom vom Pluspol zum Minuspol. Dazu muss der Stromkreis geschlossen sein d.h. der Strom muss vom Pluspol zum Minuspol fließen können.

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TB201 Welche Spannung zeigt der Spannungsmesser in folgender Schaltung? TB202 Folgende Schaltung eines Akkus besteht aus Zellen von je 2 V. Jede Zelle kann 10 Ah Ladung liefern. Welche Daten hat der Akku? TB203 Was versteht man unter „technischer Stromrichtung“ in der Elektrotechnik? TB204 Kann in folgender Schaltung von zwei gleichen Spannungsquellen Strom fließen? Welche Begründung ist richtig? TB205 Wie lange könnte man mit einem voll geladenen Akku mit 55 Ah einen Amateurfunkempfänger betreiben, der einen Strom von 0,8 A aufnimmt? TD301 Welche Eigenschaften sollten Strom- und Spannungsquellen aufweisen? TD302 Die Leerlaufspannung einer Gleichspannungsquelle beträgt 13,5 V. Wenn die Spannungsquelle einen Strom von 1 A abgibt, sinkt die Klemmenspannung auf 12,4 V. Wie groß ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle? TD303 Die Leerlaufspannung einer Gleichspannungsquelle beträgt 13,5 V. Wenn die Spannungsquelle einen Strom von 2 A abgibt, sinkt die Klemmenspannung auf 13 V. Wie groß ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle? ‚

1.2.2 Strom und Spannungsquellen

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Elektrisches Feld (E-Feld)

Das elektrische Feld wirkt auf elektrische Ladungen. (Elektronen) Es wird durch die elektrische Feldstärke beschrieben. Sie zeigt die Stärke und die Richtung des Feldes.

Ausbreitung des elektrischen Feldes.

Elektrisches Feld eines Plattenkondensators Homogenes Feld

Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an. Gleiche Ladungen stoßen sich ab.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrisches_Feld

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Magnetisches Feld (H-Feld)

Das magnetische Feld wirkt auf magnetische Materialien oder auf bewegte Ladungsträgern. Es wird durch das Magnetfeld beschrieben, das von Objekten erzeugt wird oder auf Objekte wirkt. Magnetfelder werden u.a. durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt. (mechanische Bewegung oder veränderlichen Strom -> Wechselstrom)

Magnetfeld um einen stromführenden Leiter. „Rechte Hand Regen“

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetismus#Magnetfelder_und_Feldlinien

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Elektromagnetisches Feld

Das elektromagnetische Feld ist eine Kombination aus elektrischem Feld (E-Feld) und magnetischem Feld (H-Feld). Es ist eine nichtionisierte Strahlung. (elektromagnetische Strahlung z.B. Funkwellen, Licht) Die Ausbreitung geschieht durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem (E) und magnetischen (H) Feld. Die beiden Felder stehen dabei senkrecht aufeinander und sind verknüpft wie die Glieder einer Kette.

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TB301 Welche Einheit wird für die elektrische Feldstärke verwendet? TB302 Wie nennt man das Feld zwischen zwei parallelen Kondensatorplatten bei Anschluss einer Gleichspannung? TB303 Wie werden die mit X gekennzeichneten Feldlinien einer Vertikalantenne bezeichnet? TB401 Welche Einheit wird für die magnetische Feldstärke verwendet? TB402 Wie nennt man das Feld im Innern einer langen Zylinderspule beim Fließen eines Gleichstroms? TB403 Wenn Strom durch einen gestreckten Leiter fließt, entsteht ein TB404 Wie werden die mit X gekennzeichneten Feldlinien einer Vertikalantenne bezeichnet? TB501 Wodurch entsteht ein elektromagnetisches Feld? TB502 Wie erfolgt die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle? TB503 Das folgende Bild zeigt die Feldlinien eines elektromagnetischen Feldes. Welche Polarisation hat die skizzierte Wellenfront? TB504 Der Winkel zwischen den elektrischen und magnetischen Feldkomponenten eines elektromagnetischen Feldes beträgt im Fernfeld

1.2.3, 1.2.4, 1.2.5 Felder

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Messungen und Messgeräte 1: Drehspulenmessgerät

Mit einem Drehspulenmessgerät kann man elektrische Ströme und Spannungen messen. Der Messwert wird mit einem Zeiger auf einer Skala angezeigt.

Heute werden vorwiegend digitale Messgeräte eingesetzt. Multimeter

Quelle :https://de.wikipedia.org/wiki/Drehspulmesswerk

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Multimeter

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Messungen und Messgeräte 2: Oszilloskop

Ein Oszilloskop zeigt eine oder mehrere elektrische Spannungen und deren zeitlichen Verlauf auf einem Bildschirm. Das Oszilloskop zeigt die Werte in einem Koordinatensystem. Normalerweise ist die horizontale Achse die Zeitachse ist und die vertikale Achse die Spannungsachse. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Oszilloskop

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Messungen und Messgeräte 3: Dipmeter

Ein Dipmeter, oder Grid-Dipper misst die Resonanzfrequenz von elektrischen Schwingkreisen oder Antennen. Er besteht aus einem durchstimmbaren Oszillator mit einer Spule, die von außen zugänglich ist. Der Messbereich lässt sich in groben Schritten durch Austausch der Spule (Steckspule) wählen.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Dipmeter

Sendespule Sie wird an den zu messenden Schwingkreis gehalten

Beim Erreichen der Resonanzfrequenz schlägt das Instrument kurz aus: Es „dippt“

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Messungen und Messgeräte 4: Stehwellenmessgerät, SWR Meter

Ein Stehwellenmessgerät ist ein Gerät zur Messung des Stehwellenverhältnisses. (SWR = standing wave ratio) Es kann die in einem Kabel laufenden hochfrequenten Wellen getrennt nach Richtung in ihrem Betrag erfassen. Es erlaubt eine Aussage über das Maß der Fehlanpassung einer Antenne.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Stehwellenmessgerät

Aufbau / Richtkoppler

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Durchführung von Messungen

Spannungen werden parallel zur Last gemessen. (hochohmig) Ströme werden in Reihe zur Last gemessen. (niederohmig)

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Seite:29

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.10 Messungen und Messinstrumente

TJ101 Das Prinzip eines Drehspulmessgeräts beruht auf TJ102 Die Auflösung eines Messinstrumentes entspricht TJ103 Was ist ein Dipmeter? TJ104 Wozu wird ein Dipmeter beispielsweise verwendet? TJ105 Welches dieser Messgeräte ist für die Ermittlung der Resonanzfrequenz eines Traps, das für einen Dipol genutzt werden soll, am besten geeignet? TJ106 Wie ermittelt man die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises? TJ107 Für welche Messungen verwendet man ein Oszilloskop? TJ108 Welches dieser Geräte wird für die Anzeige von NF-Verzerrungen verwendet? TJ201 Welche Schaltung könnte dazu verwendet werden, den Wert eines Widerstandes anhand des ohmschen Gesetzes zu ermitteln? TJ202 Wie werden elektrische Spannungsmesser an Messobjekte angeschlossen und welche Anforderungen muss das Messgerät erfüllen, damit der Messfehler möglichst gering bleibt? TJ203 Die Zeitbasis eines Oszilloskops ist so eingestellt, dass ein Skalenteil 0,5 ms entspricht. Welche Frequenz hat die angelegte Spannung? TJ204 Für welchen Zweck wird eine Stehwellenmessbrücke verwendet? TJ205 Welche Spannung wird bei dem folgenden Messinstrument angezeigt, wenn dessen Messbereich auf 10 V eingestellt ist? TJ211 An welchem Punkt sollte das Stehwellenmessgerät eingeschleift werden, um zu prüfen, ob der Sender gut an die Antennenanlage angepasst ist?

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Seite:30

Mathematische Grundkenntnisse

Größen und Einheiten Volt, Watt, Amper Henry, Farad, Siemens, Tesla, Hz Zehnerpotenzen Milli, Kilo, µ, ppm, % Schwingungen Frequenz, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Verkürzungsfaktor Das Dezibel Spannung, Leistung, dBµV, dBW, Die S-Stufen

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Seite:31

Sinus Schwingung: Frequenz und Wellenlänge

Funksignale breiten sich in Form von elektromagnetischen Wellen aus. Die Grundform einer Welle ist die Sinus-Welle. Eine Sinus-Welle einer bestimmten Wellenlänge entspricht genau einer Frequenz. Ein Wellenzug ist eine Schwingung. Die Frequenz gibt, wie viele Schwingungen/Sekunde gemacht werden.

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Seite:32

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

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Seite:33

Sinus Schwingung: Spitzenwert und Effektivwert

Sinusförmige Signale werden außer durch die Frequenz durch ihre Amplitudenwerte bestimmt. Man unterscheidet zwischen Spitzenwert und Effektivwert.

Effektivwert Entspricht dem Spannungswert, der eine Wirkleistung erzeugt d.h. eine Gleichspannung mit dem Wert der Effektivspannung erzeugt die gleiche Wirkleistung. Hier: U2 bzw. U5 Englischer Begriff : RMS (Root Mean Square, Quadratischer Mittelwert)

Spitzenwert Maximale Amplitude der Schwingung. Hier: U1 bzw. U6 Spitzen-Spitzen Wert Uss Doppelter Spitzenwert

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Seite:34

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.2.6 Sinusförmige Signale

TB609 Das 70-cm Band befindet sich im TB610 Welche Frequenz hat die in diesem Oszillogramm dargestellte Spannung ? TB611 Welche Frequenz hat das in diesem Schirmbild dargestellte Signal ? TB612 Eine sinusförmige Wechselspannung hat einen Spitzenwert von 12V. Wie groß ist der Effektivwert der Wechselspannung ? TB613 Eine sinusförmige Wechselspannung hat einen Effektivwert von 12V. Wie groß ist der Spitzen-Spitzen Wert?

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Seite:35

Wellen: Kinder der Sinusschwingung

Die Sinuswelle ist die Grundform aller Wellen. Alle anderen Wellenformen entstehen durch Mischung von Sinuswellen mit unterschiedlicher Amplitude und Frequenz.

Alle Wellenformen können in Sinuswellen mit unterschiedlicher Frequenz und Amplitude zerlegt werden. Fourier-Analyse Jean Baptist Joseph Fourier 1822: Theorie analytique de la chaleur.

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Seite:36

Wellen: Von der Zeit zur Frequenz

Wegen den von Fourier entdeckten Zusammenhängen kann die Darstellung von Wellenformen stark vereinfacht werden. Die die Grundform jeder Wellenform eine Sinuswelle ist, braucht sie nicht mehr „gezeichnet“ werden.

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Seite:37

Oberwellen / Harmonische

Eine Harmonische ist ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz – eine Oberwelle. Dabei gilt folgende Festlegung: Die Grundschwingung der Frequenz ist die 1. Harmonische. 1. ungeradzahlige H. Die doppelte Frequenz ist die 2. Harmonische bzw. 1. Oberwelle 1. geradzahlige H. (doppelte Frequenz = Oktave) Die dreifache Frequenz ist die 3. Harmonische bzw. 2. Oberwelle 2. ungeradzahlige H. Jeder Wellenverlauf, der von der reinen Sinusform abweicht, (= verzerrt) hat Oberwellen. Je „kantiger“ die Wellenform ist, desto mehr Oberwellen sind vorhanden. Worst case: Der Dirac-Stoß erzeugt unendlich viele Frequenzen. (Ein Impuls mit unendlich kurzer Länge.) Jede aktive Schaltung verzerrt die Signalform und erzeugt damit Oberwellen.

Paul Adrien Maurice Dirac *8.8.1902, +20.10.1984 Britischer Physiker und Nobelpreisträger

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Seite:38

Oberwellen: Beispiele

Es entstehen nur ungeradzahlige Oberwellen.

Es entstehen geradzahlige + ungeradzahlige Oberwellen.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Frequenzspektrum

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Seite:39

Wellen: Ausbreitungsgeschwindigkeit

Eine Welle breitet sich nur im Vakuum mit der maximal möglichen Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit des Vakuum c 0 aus. c 0 = 299 792 458 m/s; In/auf jedem andern Medium ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle langsamer. Der Verkürzungsfaktor (VKF) ist das Verhältnis der Signalgeschwindigkeit auf einer Leitung zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Der Verkürzungsfaktor muss bei der Berechnung von Antennen und Kabeln berücksichtigt werden.

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Seite:40

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

Die zweite ungeradzahlige Harmonische der Frequenz 144,690 MHz ist

Die Harmonischen werden „durchgezählt“ -> 1 2 3 4 5 u.s.w.

Grüne Zahlen = gerade Zahlen = geradzahlig

Rote Zahlen = ungerade Zahlen = ungeradzahlig

Alternative Leseart: Die 2. Harmonische ist die 1. geradzahlige Harmonische Die 4. Harmonische ist die 2. geradzahlige Harmonische Die 1. Harmonische ist die 1. ungeradzahlige Harmonische Die 3. Harmonische ist die 2. ungeradzahlige Harmonische Die 5. Harmonische ist die 3. ungeradzahlige Harmonische u.s.w.

TB702 Ein periodische Schwingung, die wie das folgende Signal aussieht, besteht

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Seite:41

Verstärkung und Dämpfung

Diese beiden Begriffe gibt es nicht nur in der Elektrotechnik. Sie sollen aber hier nur für die Elektrotechnik behandelt werden. Verstärkung und Dämpfung sind von der Definition her gleich. Sie unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen. Beide sind definiert als das Verhältnis von Eingangswert zu Ausgangswert.

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Seite:42

In der Nachrichtentechnik gibt es immer wieder das Problem Übertragungsstrecken zu berechnen, die aus vielen Verstärkern und Dämpfungsgliedern besteht. Zur Vereinfachung der Rechnungen wurde ein logarithmischer Verhältniswert eingeführt, das Dezibel. (dB) Das dB ist ein Verhältniswert – keine Einheit ! Das dB vereinfacht die Arbeit mit Verstärkungen und Dämpfungen. Das dB ist aber auch der Anlass zu vielen Verwirrungen.

Verstärkung und Dämpfung in dB

Man unterscheidet:

Spannung Leistung 3dB *1,41 *2 6dB *2 *4 10dB *3,16 *10 20dB *10 *100 30dB *1000 40dB *100 *10000

Benannt nach Alexander Graham Bell (*3.3.1847 +1.8.1922); de.wikipedia.org/wiki/bel_(Einheit)

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Seite:43

Absolute dB

Man kann auch absolute Werte in dB angeben. Dann muss jedoch die Bezugsgröße spezifiziert werden.

dBm Leistungspegel absolut Bezugswert ist 1 mW

dBW Leistungspegel absolut Bezugswert ist 1 W

1 µW = -30 dBm 10 µW = -20 dBm 100 µW = -10 dBm 1 mW = 0 dBm 10 mW = 10 dBm 100 mW = 20 dBm 1 W = 30 dBm

1 mW = -30 dBW 10 mW = -20 dBW 100 mW = -10 dBW 1 W = 0 dBW 10 W = 10 dBW 100 W = 20 dBW 1 kW = 30 dBW

Außerdem gibt es noch: dBV/m Bezugswert ist 1V/m dBµV Bezugswert ist 1µV dBi Antennengewinn Bezugswert (0 dBi) ist ein hypothetischer Isotropstrahler, der in alle Richtungen die gleiche Abstrahlstärke hat.

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Seite:44

Ausflug: Fragenkatalog Klasse A

TA107 Ein Spannungsverhältnis von 15 entspricht TA108 Eine Leistungsverstärkung von 40 entspricht TA109 Wie groß ist der Unterschied zwischen S4 und S7? TA110 Der Pegelwert 120 dBµV/m entspricht einer elektrischen Feldstärke von TA112 Ein Sender mit 1 Watt Ausgangsleistung ist an eine Endstufe mit einer Verstärkung von 10 dB angeschlossen. Wie groß ist der Ausgangspegel der Endstufe?

Leistung: Faktor 10 = 10dB Faktor 4 = 6dB 40 = 10*4; Verstärkung = 10dB+6dB;

120dB = 40 + 40 + 40 dB; 40dB = Faktor 100; Faktor = 100 * 100 * 100 = 1.000.000 (1 Million) Feldstärke = 1µV/m * 1.000.000; Feldstärke = 1*10-6 * 106 V/m; Feldstärke = 1V/m

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Passive Bauelemente und Anwendungen

Spule Die Induktivität Spule bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Spulenschaltungen Transformator

Kondensator Kapazität Kondensator bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Kondensatorschaltungen

Ohm‘scher Widerstand Widerstand, Leitfähigkeit, Ohm‘sches Gesetz Leistung, Belastbarkeit, Grundschaltungen Reihenschaltung, Parallelschaltung, Spannungsteiler

Schwingkreis und Filter Schwingkreis Resonanzfrequenz, Impedanzfrequenzgang, Bandbreite, Güte Quarz als Schwingkreis, Topfkreis Filter Bandfilter, Sperrkreis, Bandpass

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Ohm‘scher Widerstand eines Objektes

Für den spezifischen Widerstand gibt es Materialtabellen. z.B. Kupfer 17*10 -3 (Ω*mm 2 )/m Silber 16*10 -3 (Ω*mm 2 )/m

Georg Simon Ohm (* 16. März 1789 in Erlangen; † 6. Juli 1854 in München) deutscher Physiker.

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Ohm‘scher Widerstand : Bauteil und Ohm'sches Gesetz

Schaltbild eines ohm‘schen Widerstandes R

R

Messung eines ohm‘schen Widerstandes R

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Ohm‘scher Widerstand : Bauteilkennzeichnung

Schaltbild eines ohm‘schen Widerstandes R

R

Der Wert eines Widerstands wird über farbige Ringe angegeben:

Farbe

Wert

Multiplikator

Toleranz

Temperaturkoeffizien t

Silber

-

x 0,01

± 10%

-

Gold

-

x 0,1

± 5%

-

Schwarz

0

x 1

-

200 ppm

Braun

1

x 10

± 1%

100 ppm

Rot

2

x 100

± 2%

50 ppm

Orange

3

x 1.000

-

15 ppm

Gelb

4

x 10.000

-

25 ppm

Grün

5

x 100.000

± 0,5%

-

Blau

6

x 1.000.000

± 0,25%

10 ppm

Violett

7

x 10.000.000

± 0,1%

5 ppm

Grau

8

x 100.000.000

± 0,05%

1 ppm

Weiß

9

x 1.000.000.000

-

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Ohm‘scher Widerstand: Bauformen

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Einschub: Formeln umstellen

Die Grundrechenarten ändern sich, wenn ein Faktor die Seite des Gleichheitszeichen ändert. Aus + wird – Aus * wird / Aus Potenz wird Wurzel und umgekehrt.

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TC102 Die Farbringe gelb, violett und rot auf einem Widerstand mit 4 Farbringen bedeuten einen Widerstandswert TC103 Die Farbringe rot, violett und orange auf einem Widerstand mit 4 Farbringen bedeuten einen Widerstandswert TC104 Die Farbringe rot, violett und rot auf einem Widerstand mit 4 Farbringen bedeuten einen Widerstandswert von TC108 Ein Widerstand hat eine Toleranz von 10 %. Bei einem nominalen Widerstandswert von 5,6 kΩ liegt der tatsächliche Wert zwischen TC109 Welche Bauart von Widerstand folgender Auswahl ist am besten für eine künstliche Antenne (Dummy Load) geeignet? TC110 Welchen Wert hat ein SMD-Widerstand mit der Kennzeichnung 221? TC111 Welchen Wert hat ein SMD-Widerstand mit der Kennzeichnung 223? TJ109 Eine künstliche Antenne für den VHF Bereich könnte beispielsweise aus TJ110 Welche der folgenden Bauteile könnten für eine genaue künstliche Antenne, die bei 28 MHz eingesetzt werden soll, verwendet werden?

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Ohm‘scher Widerstand: Grundschaltungen

Ig fließt durch beide Widerstände; Uein teilt sich auf. Reihenschaltung

Ig teilt sich auf; Uein liegt an allen Widerständen an. Parallelschaltung

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

Wie groß ist der Gesamtwiderstand dieser Schaltung, wenn R1 = 3,3kΩ, R2 = 4,7kΩ und R3 = 27kΩ beträgt?

TD101 – TD 104 Wie groß ist der Ersatzwiderstand der Gesamtschaltung? TD108 Die Gesamtspannung U an folgendem Spannungsteiler beträgt 12,2 V. Die Widerstände haben die Werte R1 = 10 kΩ und R2 = 2,2 kΩ. Wie groß ist die Teilspannung U2? TD109 Zwei Widerstände mit R1 = 20 Ω und R2 = 30 Ω sind parallel geschaltet. Wie groß ist der Ersatzwiderstand? TD110 Zwei Widerstände mit R1 = 100 Ω und R2 = 150 Ω sind parallel geschaltet. Wie groß ist der Ersatzwiderstand?

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Ausflug: Fragenkatalog Klasse A

TD107 Wie groß ist der Gesamtwiderstand der dargestellten Schaltung?

Ersatzwiderstand „rot“ ist gleich wie „gelb“.

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Passive Bauelemente und Anwendungen

Spule Die Induktivität Spule bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Spulenschaltungen Transformator

Kondensator Kapazität Kondensator bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Kondensatorschaltungen

Ohm'scher Widerstand Widerstand, Leitfähigkeit, Ohm’sches Gesetz Leistung, Belastbarkeit, Grundschaltungen Reihenschaltung, Parallelschaltung, Spannungsteiler

Schwingkreis und Filter Schwingkreis Resonanzfrequenz, Impedanzfrequenzgang, Bandbreite, Güte Quarz als Schwingkreis, Topfkreis Filter Bandfilter, Sperrkreis, Bandpass

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Seite:56

Kondensator

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Seite:57

Kondensator: Wechselstrom

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Seite:58

Kondensator: Kapazitiver Widerstand Xc

Der ideale Kondensator (= ohne Verluste) hat bei Wechselstrom einen reinen Blindwiderstand X c .

Der reale Kondensator hat bei Wechselstrom auch einen ohm‘schen Widerstand R c (Wirkwiderstand). Der resultierende Widerstand ist Z c . (Scheinwiderstand)

Betrag des Vektors Betrag des Scheinwiderstands

Komplexer Widerstand

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Seite:59

Kondensator: Grundschaltungen

Es gibt auch einen Verlustwiderstand Rv der parallel zur Kapazität liegt. Daraus ergibt sich:

Gesprochen: Tangens Delta

Allgemeines Ersatzschaltbild eines Kondensators

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Seite:60

Kondensator: Verschiedene Bauformen

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Seite:61

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TD105 – TD107 Welche Gesamtkapazität hat die folgende Schaltung? An einem unbekannten Kondensator liegt eine Wechselspannung mit 16 V und 50 Hz. Es wird ein Strom von 32 mA gemessen. Welche Kapazität hat der Kondensator?

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Seite:62

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TC201 Welche Aussage zur Kapazität eines Plattenkondensators ist richtig? TC202 Ein Bauelement, bei dem sich Platten auf einer isolierten Achse befinden, die zwischen fest stehende Platten hineingedreht werden können, nennt man TC203 Welche Kapazität hat nebenstehend abgebildeter Kondensator? TC204 Welche Kapazität hat nebenstehend abgebildeter Kondensator? TC205 Welche Kapazität hat nebenstehend abgebildeter Kondensator? TC206 Drei Kondensatoren mit den Kapazitäten C1 = 0,1 µF, C2 = 150 nF und C3 = 50000 pF werden parallel geschaltet. Wie groß ist die Gesamtkapazität? TC207 Bei welchem der folgenden Bauformen von Kondensatoren muss beim Einbau auf die Polarität geachtet werden? TC208 Mit zunehmender Frequenz

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Seite:63

Passive Bauelemente und Anwendungen

Spule Die Induktivität Spule bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Spulenschaltungen Transformator

Kondensator Kapazität Kondensator bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Kondensatorschaltungen

Ohm'scher Widerstand Widerstand, Leitfähigkeit, Ohm’sches Gesetz Leistung, Belastbarkeit, Grundschaltungen Reihenschaltung, Parallelschaltung, Spannungsteiler

Schwingkreis und Filter Schwingkreis Resonanzfrequenz, Impedanzfrequenzgang, Bandbreite, Güte Quarz als Schwingkreis, Topfkreis Filter Bandfilter, Sperrkreis, Bandpass

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Seite:64

Spule

U L

I L

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Seite:65

Spule Wechselstrom

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Seite:66

Spule Induktiver Widerstand X

L

Die ideale Spule (=ohne Verluste) hat bei Wechselstrom einen reinen Blindwiderstand X L .

Die reale Spule (=mit Verluste) hat bei Wechselstrom auch einen ohm‘schen Widerstand R L . Der resultierende Widerstand ist Z L . (Scheinwiderstand)

Betrag des Vektors Betrag des Scheinwiderstandes

Komplexer Widerstand

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Seite:67

Einschub: Phasenverschiebung

Komplexer Widerstand : Z = R + jX;

Induktive XL Kapazitiv XC Blindwiderstand

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Seite:68

Spule: Grundschaltungen

Auch bei der Spule gibt auch einen Verlustwiderstand Rv. Er liegt in Reihe zur Induktivität. Es ergibt sich:

Gesprochen: Tangens Delta

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Seite:69

Transformator

Bild : http://de.wikipedia.org/wiki/Transformator

Um einen magnetischen Kern sind zwei Spulen gewickelt. Legt man an eine Spule Wechselspannung, so wird in der anderen Spule ebenfalls eine Wechselspannung erzeugt, die vom Verhältnis der Windungen abhängig ist.

U1

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Seite:70

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TC301 Wie ändert sich die Induktivität einer Spule von 12 µH, wenn die Windungszahl bei gleicher Wickellänge verdoppelt wird? TC302 Wie ändert sich die Induktivität einer Spule von 12 µH, wenn die Wicklung auf dem Wickelkörper bei gleicher Windungszahl auf die doppelte Länge auseinander gezogen wird? TC303 Wie kann man die Induktivität einer Spule vergrößern? TC304 Das folgende Bild zeigt einen Kern, um den ein Kabel für den Bau einer Netzdrossel gewickelt ist. Der Kern sollte aus TC305 Schaltet man zwei Glühlampen gleichzeitig an eine Spannungsquelle, wobei eine Glühlampe zum Helligkeitsausgleich über einen Widerstand und die andere über eine Spule mit vielen Windungen und Eisenkern angeschlossen ist, TC306 Mit zunehmender Frequenz

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Seite:71

Übertrager

In der Nachrichtentechnik nennt man Transformatoren, die mit kleiner Leistung in Signalwegen betrieben werden Übertrager. Mit ihnen werden auch Widerstände angepasst. („übertragen“)

Zi Welche Impedanz Zi messe ich,auf der Primärseite des Übertragers ?

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Seite:72

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

TD304 Berechnen Sie die Leerlaufausgangsspannung dieser Schaltung für ein Transformationsverhältnis von 5:1. TD305 Berechnen Sie die Leerlaufausgangsspannung dieser Schaltung für ein Transformationsverhältnis von 8:1. TC401 Ein Trafo liegt an 230 Volt und gibt 11,5 Volt ab. Seine Primärwicklung hat 600 Windungen. Wie groß ist seine Sekundärwindungszahl? TC402 Ein Trafo liegt an 45 Volt und gibt 180 Volt ab. Seine Primärwicklung hat 150 Windungen. Wie groß ist seine Sekundärwindungszahl? TC403 Die Primärspule eines Übertragers hat die fünffache Anzahl von Windungen der Sekundärspule. Wie hoch ist die erwartete Sekundärspannung, wenn die Primärspule an eine 230-V-Stromversorgung angeschlossen wird?

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Seite:73

Passive Bauelemente und Anwendungen

Spule Die Induktivität Spule bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Spulenschaltungen Transformator

Kondensator Kapazität Kondensator bei Gleichstrom / Wechselstrom Verlustfaktor Phasenbeziehung Kondensatorschaltungen

Ohm'scher Widerstand Widerstand, Leitfähigkeit, Ohm’sches Gesetz Leistung, Belastbarkeit, Grundschaltungen Reihenschaltung, Parallelschaltung, Spannungsteiler

Schwingkreis und Filter Schwingkreis Resonanzfrequenz, Impedanzfrequenzgang, Bandbreite, Güte Quarz als Schwingkreis, Topfkreis Filter Bandfilter, Sperrkreis, Bandpass

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Seite:74

LC-Schwingkreis

Thomson‘sche Schwingungsgleichung

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Seite:75

Parallelresonanz – Reihen/Serienresonanz

Bei Parallelresonanz ist der Schwingkreis bei der Resonanzfrequenz hochohmig.Er wirkt als Sperrkreis.

Bei Reihen/Serienresonanz ist der Schwingkreis bei der Resonanzfrequenz niederohmig.Er wirkt als Leitkreis.

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Seite:76

Bandbreite - Güte

Die Bandbreite und somit die Güte eines Schwingkreises hängen vom Verlustwiderstand des Kreises ab. In der HF-Technik ist das im Wesentlichen der Verlustwiderstand der Spule X L . Der Verlustwiderstand des Kondensators kann vernachlässigt werden.

Wird mit steigender Frequenz kleiner.

Wird mit steigender Frequenz größer.

Mit folgenden Formeln kann man die Güte abschätzen:

Parallelkreis:

Reihen/Serienkreis:

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Seite:77

Bandfilter - Bandpass

Bandfilter / Bandpässe sind gekoppelte LC-Schwingkreise. Bringt man zwei Schwingkreise zusammen, so beeinflussen sie sich. Ähnlich wie beim Transformator gelangt Energie von einem Kreis in den anderen.

Feste Kopplung

Lose Kopplung

Überkritische Kopplung

Man strebt eine feste Kopplung an, da hier die Flankensteilheit des Filters am größten ist. (Selektivität) Ein Bandfilter, dass aus zwei Schwingkreisen besteht nennt man „zweipoliges Filter“. (Pol = Resonanzfrequenz)

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Seite:78

Quarzfilter – mechanische Filter

Quarze zeichnen sich durch ihre hohe Frequenzstabilität und durch geringe Verluste aus. Die Resonanzfrequenz hängt nur von den mechanischen Abmessungen ab und ist nicht veränderbar. Quarzfilter und Quarzoszillatoren werden deshalb meist zusammen mit anderen Schaltungen z.B. PLL, Mischer verwendet. Es gibt verschiedene Materialien z.B. spezielle Keramiken als Aluminiumoxyd , die ähnliche Effekte zeigen. (Keramik-Resonatoren) Besonders bei hohen Frequenzen werden auch mechanische Konstruktionen als Filter verwendet z.B. Hohlraum-Resonatoren, Fingerfilter, Topfkreise. Alle diese Bauteile eignen sich zum Bau von äußerst steilflankigen (= selektiven), mehrpoligen Filtern.

Legt man an bestimmte Kristalle Spannung an, so verändern sie Ihre Form. (Piezo-elektrischer Effekt) Durch Anlegen von Wechselspannung kann man sie zum Schwingen anregen. Sie verhalten sich dann wie ein elektrischer Schwingkreis mit sehr hoher Güte. (10.000 und mehr)

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Seite:79

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.4.2 Schwingkreise und Filter TD201 – TD210

TD206 Was stellt diese Schaltung dar? TD208 Was stellt diese Schaltung dar?

TD209 Was stellt diese Schaltung dar? TD207 Was stellt diese Schaltung dar?

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Seite:80

Leiter, Nichtleiter, Isolator Halbleitermaterial PN-Übergang Diode, Typen und Kennlinien Silizium, Germanium, Schottky-Diode Kapazitätsdiode, Z-Diode, Fotodiode, LED Anwendung , Schaltungen Gleichrichter, Spannungsbegrenzung,

Transistoren, Typen und Kennlinien bipolare Transistor, Feldeffekt-Transistor Verstärker Transistorverstärker Basisvorspannungsteiler, Arbeitspunkt Operationsverstärker Die Elektronenröhre Integrierte Schaltungen

Oszillator Rückkopplung Oszillatortypen LC-Oszillator, Quarzoszillator, PLL Oszillator, VCO

Stromleitung

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Seite:81

Man unterscheidet: • Leiter (Silber, Kupfer, Aluminium ….., Zinn) • Nichtleiter / Isolatoren (Kunststoffe, Gummi, Glas, Keramik, Holz, destilliertes Wasser ……) • Halbleiter (z.B. Silizium, Germanium, ……)

Stromleitung

In einem Leiter gibt es freie Ladungsträger (Elektronen). Er ist zum Transport von Ladungsträgern geeignet. (= elektrischer Strom) Metalle leiten Strom, da ihre Atome eine Kristallgitterstruktur eingehen, in der die Elektronen schwach gebunden sind. (= Elektronengas) Leiter haben einen geringen Widerstand. Nichtleiter haben einen hohen Widerstand – sie isolieren.

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Seite:82

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.2.1 Leiter, Halbleiter, Isolatoren TB101 Welche Gruppe enthält insgesamt die besten gut leitenden Metalle? TB102 Welches der genannten Metalle hat die beste elektrische Leitfähigkeit? TB103 Welches der genannten Metalle hat die schlechteste elektrische Leitfähigkeit? TB104 Welche Gruppe von Materialien enthält nur Nichtleiter (Isolatoren)?

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Seite:83

Stromrichtung im Stromkreis

Quelle: de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Stromrichtung

Aus historischen Gründen gibt es eine physikalische Stromrichtung (Elektronenstrom) und eine technische Stromrichtung (elektrischer Strom). Alle Schaltungen und Berechnungen beziehen sich immer auf die technische Stromrichtung. Strom kann nur dann fließen, wenn freie Ladungsträger (Elektronen) vorhanden sind.

Fragenkatalog TB203 : Was versteht man unter „technischer Stromrichtung“ in der Elektrotechnik ?

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Seite:84

Halbleiter: Werkstoffe

Das Halbleitermaterial z.B. Silizium wird durch ein spezielles Herstellungsverfahren sehr rein und sehr gleichmäßig in der Kristallstruktur hergestellt. Silizium Einkristall Dieses Material ist neutral und fast ein Isolator. Weitere Halbleiterelement sind Germanium und Selen. Auch Verbindungen aus Elementen können zum Bau von Halbleitern verwendet werden. Dazu werden z.B. Elemente aus der Gruppe 3 des Periodensystems mit Elementen aus der Gruppe 5 zusammengebracht. (sogen. 3-5 Verbindungen.) Ein sehr häufig verwendetes Material ist GaAs (Gallium-Arsenid). Es wird z.B. bei Hochfrequenz Transistoren verwendet.

Quelle: www.planet-wissen.de/alltag_gesundheit/werkstoffe/sand/

Fragenkatalog TB105 : Was verstehen Sie unter Halbleitermaterialien?

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Seite:85

Einschub: Periodensystem

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem

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Seite:86

Halbleiter: Dotieren 1

Werden ganz gezielt eine sehr geringe Menge an Fremdatomen in das Kristallgefüge eingebaut, so bilden sich Fehlstellen im Atomgefüge aus. (1 Donator/10 6 oder 10 7 Atome; bei schwacher Dotierung) Es sind dann entweder zu viele Elektronen da (Elektronenüberschuss, N-dotiert), oder zu wenig. (Elektronenmangel, P-dotiert.) Wird P-dotiertes Material mit N-dotiertem Material zusammengebracht, so bildet sich an der Trennfläche eine neutrale Zone aus. Diese Zone entsteht durch Rekombination der Ladungsträger und ist nicht leitend. Diese Zone wird deshalb Sperrschicht genannt.

Bilder: http://de.wikipedia.org/wiki/Dotierung

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Seite:87

Halbleiter: Dotieren 2

Neutrales SiliziumGleichmäßige Anordnung aller Atome im Gitter. („Einkristall“)Keine freien Ladungsträger.

N-dotiertes Silizium Jedes Atom hat ein Elektron zu viel. Freien Ladungsträger: Elektronen

P-dotiertes SiliziumJedem Atom fehlt ein Elektron.Freien Ladungsträger: Elektronen Mangel = „Löcher“

Durch das Dotieren entsteht entweder P-Silizium oder N-Silizium. Das jetzt elektrisch polarisiert Material besitzt freie Ladungsträger. Das ist die Grundvoraussetzung, das Strom fließen kann.

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Seite:88

Halbleiter: Sperrschicht

Nach dem Zusammenfügen der beiden Materialien (auf atomarer Ebene) gleichen benachbarte Atome ihr Ungleichgewicht an Ladungsträgern aus. Es entstehen wieder neutrale Atome ohne freie Ladungsträger. In dieser Zone ist somit keine Stromleitung möglich. Es entsteht eine Verarmungszone, die sogenannte Sperrschicht.

Auf der P-Seite wird der Elektronenmangel neutralisiert.

Auf der N-Seite wird der Elektronenüberschuß abgebaut.

RekombinationEs bildet sich die Sperrschicht

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Seite:89

PN - Übergang

Legt man Spannung in Sperrrichtung an, dann wird die Sperrschicht verstärkt. Die Verarmungszone wird vergrößert. Elektronen und Löcher werden von der Sperrschicht „weggezogen“. Es fließt nur ein sehr geringer Sperrstrom. - +

Legt man Spannung in Durchlassrichtung an, dann wird die Sperrschicht abgebaut. Neue Ladungsträger fließen in die Sperrschicht. Es kommt zur ständigen Rekombination. Es fließt der Durchlassstrom. Er kann sehr groß sein und muss begrenzt werden. + -

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Seite:90

Diode

Dioden haben nur eine Sperrschicht und weisen Ventilwirkung auf d.h. sie lassen Strom nur in eine Richtung fließen. Technische Stromrichtung: von Anode (+) nach Kathode (-). Dioden werden aus verschiedenen Materialien gefertigt und haben dann verschiedene Flussspannungen.

Es gibt verschieden Typen von Dioden. Sie sind für spezielle Anwendungen entworfen worden.

Z-DiodeEs wird nur die konstante Sperrspannung ausgenutzt. (Spannungsstabilisierung)

Kapazitätsdiode (Varaktor/Varicap)Es wird die Kapazität der Sperrschicht ausgenutzt. Diese Kapazität kann durch das Anlegen von Spannung verändert werden.

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Seite:91

Diodenkennlinien

Verschiedene Diodentypen haben unterschiedliche Flussspannungen:

Schottky ca. 0,2V Germanium ca. 0,2 – 0,4 V Silizium ca. 0,5 – 0,8 V LED ca. 1,5 V

Walter Hans Schottky Deutscher Physiker (* 23. Juli 1886 † 4. März 1976 )

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Seite:92

Gleichrichter

Negative Halbwellen werden abgeschnitten.

Negative Halbwellen werden „nach oben“ geklappt.

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Seite:93

Zenerdioden

Uf

Uz

Zenerdioden haben eine genau festgelegte 2. Durchbruchspannung, die Zenerspannung U Z .

Clarence Melvin Zener Amerikanischer Physiker (* 1. 12 1905 † 15. 7 1993)

Zenerdioden werden im Sperrbetrieb eingesetzt und begrenzen die Spannung auf den Wert ihrer Zenerspannung UZ. Sie werden für Netzteilschaltungen genutzt. Uz Ue 0V

Der Vorwiderstand RV verhindert das „Durchlegieren“ der Z-Diode, da er den Strom begrenzt. Rv

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Seite:94

LED

Rv

LEDs werden im Durchlassbetrieb eingesetzt. Der Vorwiderstand Rv verhindert ein „Durchlegieren“, da er den Strom begrenzt. Die Flussspannung der LED ist deutlich grösser als die der „normalen“ Dioden. Sie kann von Typ zu Typ unterschiedlich sein.

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Seite:95

Diode: Bauformen

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Seite:96

Farbe λ in nm Werkstoff Infrarot λ > 760 Galliumarsenid (GaAs), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) Rot 610 < λ < 760 Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP), Galliumphosphid (GaP) Orange 590 < λ < 610 Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP) Gelb 570 < λ < 590 Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP) Grün 500 < λ < 570 Indiumgalliumnitrid (InGaN), Galliumnitrid (GaN), Galliumphosphid (GaP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP), Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) Blau 450 < λ < 500 Zinkselenid (ZnSe), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Siliziumkarbid (SiC) Violett 400 < λ < 450 Indiumgalliumnitrid (InGaN) Ultraviolett 230 < λ < 400 Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN)

Einschub: LED Farben und Werkstoffe

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode

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Seite:97

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.3.5 Diode TC501 – TC509

TC501 P-dotiertes Halbleitermaterial ist solches, das mit einem zusätzlichen Stoff versehen wurde, TC502 N-leitendes Halbleitermaterial ist gekennzeichnet durch TC503 Ein in Durchlassrichtung betriebener PN Übergang ermöglicht TC504 Eine in Sperrrichtung betriebene Diode TC505 Die Auswahlantworten enthalten Silizium Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand TC506 Die Auswahlantworten enthalten Silizium Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. TC507 Wie verhält sich die Kapazität einer Kapazitätsdiode (Varicap)? TC508 Wozu dient folgende Schaltung? TC509 Wozu dient die folgende Schaltung? TD304 Berechnen Sie die Leerlaufausgangsspannung dieser Schaltung für ein Transformationsverhältnis von 5:1. TD305 Berechnen Sie die Leerlaufausgangsspannung dieser Schaltung für ein Transformationsverhältnis von 8:1. TD306 Welches ist der Hauptnachteil eines Schaltnetzteils gegenüber einem konventionellen Netzteil?

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Leiter, Nichtleiter, Isolator Halbleitermaterial PN-Übergang Diode, Typen und Kennlinien Silizium, Germanium, Schottky-Diode Kapazitätsdiode, Z-Diode, Fotodiode, LED Anwendung , Schaltungen Gleichrichter, Spannungsbegrenzung

Transistoren, Typen und Kennlinien bipolare Transistor, Feldeffekt-Transistor Verstärker Transistorverstärker Basisvorspannungsteiler, Arbeitspunkt Operationsverstärker Die Elektronenröhre Integrierte Schaltungen

Oszillator Rückkopplung Oszillatortypen LC-Oszillator, Quarzoszillator, PLL Oszillator, VCO

Halbleiter Grundlagen

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Bipolarer Transistor: Aufbau

Bipolare Transistoren werden durch Strom gesteuert. Der kleine Basis-Strom IB zwischen der Basis (B) und dem Emitter (E) steuert den großen Kollektor-Strom IC zwischen Kollektor (C) und Emitter (E). IB IC

Statische StromverstärkungTransistoren werden häufig nach ihrer Gleichstromverstärkung in Gruppen eingeteilt. Die statische Stromverstärkung ist die Gleichstromverstärkung bei konstanter Kollektor-Basis Spannung.

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Bipolarer Transistor: Vergleich

Man unterscheidet drei Grundschaltungen. Diese sind nach dem Transistoranschluss benannt, der in Bezug auf das Signal sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis liegt.

Emitterschaltung

Kollektorschaltung

Basisschaltung

Eingangswiderstand

mittel 1…10kΩ

klein 10…100Ω

groß > 100kΩ

Ausgangswiderstand

groß 10kΩ…1MΩ

sehr groß > 100kΩ

klein 10…100Ω

Leistungsverstärkung

sehr groß

groß

mittel

Grenzfrequenz

niedrig

hoch

niedrig

Anwendung

universal

HF

Impedanzwandler

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Bipolarer Transistor: Typen

Die Diodenschwellen sind vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig. z.B. Silizium ca. 0,6 – 0,7 V

C++ B+ E E UBE UCE IB IC NPN Der Transistor leitet, wenn die Basis um eine Diodenschwelle positiver als der Emitter ist. Der Kollektor muss positiver als die Basis sein.

B- C-- E E UBE UCE IB IC PNP Der Transistor leitet, wenn die Basis um eine Diodenschwelle negativer als der Emitter ist. Der Kollektor muss negativer als die Basis sein.

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Bipolarer Transistor: Grundschaltung

Eingang

Ausgang

+U B

0V

R B1

R B2

R C

R E

C in

C out

C E

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Einschub: Rechenbeispiel

Eingang

Ausgang

+U B

0V

R 2

R C

R E

C in

C out

C E

Gegeben:UB = 10V; IC = 2mA; B = 200; URE = 1V; IR2 = 10 * IB; Gesucht: R1 = ?

I R1

I R2

I B

I C

U R1

U R2

U RE

I B = I C / B = 2mA / 200; I B = 10µA;

U R2 = U RE + 0,6V = 1V + 0,6V; U R2 = 1,6V;

U R1 = U B – U R2 = 10V - 1,6V; U R1 = 8,4V;

I R2 = 10 * I B = 10 * 10µA; I R2 = 100µA;

I R1 = I B + I R2 = 10µA + 100µA; I R1 = 110µA;

R 1

R 1 = U R1 / I R1 = 8,4V / 110µA; R 1 = 76,4Ω;

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Arbeitspunkt: A-Betrieb

Die Arbeitskennlinie des Transistors ist linearisiert dargestellt. In Wirklichkeit ist sie nichtlinear.

Die Eingangsspannung wird an der Arbeitskennlinie gespiegelt.

Dadurch entsteht die deutlich verstärkte Ausgangsspannung. Die Steilheit der Arbeitskennlinie ist ein Maß für die Verstärkung des Transistors.

Der Nullpunkt der Eingangsspannung liegt auf dem Arbeitspunkt A. Dieser Punkt liegt in einem Bereich der Kennlinie, die eine verzerrungsarme (lineare) Verstärkung ermöglicht.

Die Arbeitskennlinie stellt den Kollektorstrom I C in Abhängigkeit der Basis-Emitter Spannung U BE dar.

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Arbeitspunkt: B-Betrieb

Die Arbeitskennlinie des Transistors ist linearisiert dargestellt. In Wirklichkeit ist sie nichtlinear.

Die Eingangsspannung wird an der Arbeitskennlinie gespiegelt.

Dadurch entsteht die deutlich verstärkte Ausgangsspannung. Die Steilheit der Arbeitskennlinie ist ein Maß für die Verstärkung des Transistors.

Der Nullpunkt der Eingangsspannung liegt auf dem Arbeitspunkt B. Dieser Punkt liegt direkt am Knick der Kennlinie. Dadurch wird nur eine Halbwelle der Eingangsspannung verstärkt. Es entstehen starke Verzerrungen und viele Oberwellen.

Die Arbeitskennlinie stellt den Kollektorstrom I C in Abhängigkeit der Basis-Emitter Spannung U BE dar.

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Arbeitspunkt: Zusammenfassung

A-Betrieb Der Arbeitspunkt liegt in der Mitte des linearen Bereichs der Steuerkennlinie. Beide Halbwellen werden gleichmäßig verstärkt.Hoher Ruhestrom; Wirkungsgrad ca. 0,4; sehr wenig Oberwellen. A

B-Betrieb Der Arbeitspunkt liegt im Knick der Kennlinie. Nur eine Halbwelle wird verstärkt. Hohe Verzerrungen. Findet Verwendung als Gegentakt-B-Verstärker.Kleiner Ruhestrom; Wirkungsgrad ca. 0,7; wenig Oberwellen. (bei Gegentakt) B

C-Betrieb Der Arbeitspunkt liegt im Sperrbereich der Kennlinie. Verzerrt das Signal stark. Verwendung in FM-Endstufen mit großer Leistung.Wirkungsgrad ca. 0,9; Sehr viele Oberwellen. C

AB-Betrieb Der Arbeitspunkt liegt im unteren Bereich der Kennlinie. Meist gleitender Arbeitspunkt.Kleine Ansteuerung -> B-Betrieb -> kleiner Ruhestrom Große Ansteuerung -> A-Betrieb AB

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Bipolarer Transistor : Bauformen

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Feldeffekttransistor: Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET)

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Feldeffekttransistor

Sperrschicht-FETs werden auch als JFET bezeichnet. Sperrschicht-FETs gibt es als N-Kanal und P-Kanal Typen. (englisch: Junction-Field-Effect-Transistor; junction = Sperrschicht)

Er besteht aus einem N-dotierten Kristall mit 2 P-dotierten Zonen. N P P

Um diese P-Zonen herum bilden sich Sperrschichten.

N P P UDG UGS UDS ID Legt man eine negative Gatespannung UGS an, dann „wachsen“ die Sperrschichten in die N-Zone und verengen den Kanal. Der Drain-Strom ID nimmt ab.

G S D G S D S = Source (Quelle) D = Drain (Abfluss) G = Gate (Tor)

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Feldeffekttransistor: MOS-FET

MOS-FETs werden auch als IG-FET bezeichnet. Es gibt Anreicherungstypen (selbst-sperrend) und Verarmungstypen. (selbst leitend) (MOS : Metal-Oxid-Semiconductor; IG : Insulated Gate = isoliertes Gate)

Beispiel: Anreicherungstyp S G D Wenn keine positive Spannung zwischen Source und Gate anliegt, dann fließt kein Strom zwischen Source und Drain. P-Subtrat N N

Legt man eine positive Spannung zwischen Source und Gate an, dann „wandern“ die „Löcher“ vom Gate weg. Der Bereich zwischen Source und Drain wird mit freien Elektronen angereichert. Er wird leitfähig. S G D P-Subtrat N N N-Kanal

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Feldeffekttransistor

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Feldeffekttransistor: Schaltbilder

FET J-FET MOS-FET Verarmungstypselbst leitend Anreicherungstypselbst sperrend

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.3.6 Transistor TC601 – TC612

TC601 Was versteht man unter Stromverstärkung beim Transistor? TC602 Das Verhältnis von Kollektorstrom zum Basisstrom eines Transistors liegt üblicherweise im Bereich von TC603 Bei diesem Bauelement handelt es sich um einen TC605 Welche Kollektorspannungen haben NPN und PNP-Transistoren? TC606 Bei einem bipolaren Transistor in leitendem Zustand befindet sich die Emitter-Basis Diode TC607 Welche Transistortypen sind bipolare Transistoren? TC608 Wie lauten die Bezeichnungen der Anschlüsse eines bipolaren Transistors? TC609 Ein bipolarer Transistor ist TC610 Wenn die Basisspannung eines NPN Transistors gleich der Emitter Spannung ist, TC611 Wie erfolgt die Steuerung des Stroms im Feldeffekttransistor (FET)? TC612 Wie bezeichnet man die Anschlüsse des nebenstehenden Transistors?

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Seite:112

Integrierte Schaltungen (IC integrated circuit)

Wikipedia sagt: Ein integrierter Schaltkreis, auch integrierte Schaltung (IC = integrated circuit) ist eine auf einem dünnen, meist einige Millimeter großen Plättchen aus Halbleiter-Material (chip) aufgebrachte elektronische Schaltung. Sie wird manchmal auch als Festkörperschaltkreis oder monolithischer Schaltkreis (solid-state circuit bzw. monolithic integrated circuit) bezeichnet. Dieser Chip ist meist zum Schutz und zur einfacheren Kontaktierung in einem mehrfach größeren Chipgehäuse eingekapselt. Ein IC enthält typischerweise eine Kombination von zahlreichen miteinander elektrisch verbundenen elektronischen Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Dioden und/oder weiteren aktiven und passiven Bauelementen.

EPROM chip

(https://de.wikipedia.org/wiki/Integrierter_Schaltkreis)

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Operationsverstärker: Symbol

Ein Operationsverstärker ist ein Verstärker mit sehr hoher ( -> gegen unendlich) Verstärkung. Eingangs- und Ausgangssignale sind Gleichspannungsgekoppelt.

Invertierender Eingang

Nichtinvertierender Eingang

Ausgang

Bild: http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverstärker

Versorgungsspannungsanschlüsse nicht eingezeichnet.

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Operationsverstärker: Grundschaltungen

Invertierender Verstärker

Nicht-Invertierender Verstärker

Strom-Spannungs-Wandler

R1

R2

U E

U A

I E

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Röhre: Aufbau

Kathode (-)

Anode (+)

Gitter (-)

Heizung (indirekt)

Mit der am Gitter angelegen Spannung wird der Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode gesteuert. Freie Elektronen werden durch Heizen der Kathode erzeugt.

Bild ://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenröhre

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Seite:116

Röhre: Grundschaltung

Die beiden Kondensatoren des π – Filters sind meist mit „Plate“ und „Load“ beschriftet und dienen – zusammen mit der Spule – zur Anpassung der Ausgangsimpedanz der Röhre an die Antennenimpedanz. „Abstimmen“ CP CL

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Seite:117

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.4.4 Verstärker TD401 In welcher der folgenden Zeilen werden nur Verstärker-Bauelemente genannt? TD402 Was versteht man in der Elektronik unter Verstärkung? Man spricht von Verstärkung, wenn TD403 Was ist ein Operationsverstärker? TD404 Ein IC (integrated circuit) ist TD405 Worauf beruht die Verstärkerwirkung von Elektronenröhren?

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Seite:118

Logik Schaltkreise

Es gibt Bausteine mit unterschiedlichen Logikfunktionen (=Gatter). Die gebräuchlichsten sind: UND ODER X-ODER (exklusiv oder) NICHT

NAND (nicht und) NOR (nicht oder) NXOR (nicht x-oder)

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Seite:119

Logik Tabellen

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Seite:120

Leiter, Nichtleiter, Isolator Halbleitermaterial PN-Übergang Diode, Typen und Kennlinien Silizium, Germanium, Schottky-Diode Kapazitätsdiode, Z-Diode, Fotodiode, LED Anwendung , Schaltungen Gleichrichter, Spannungsbegrenzung

Transistoren, Typen und Kennlinien bipolare Transistor, Feldeffekt-Transistor Verstärker Transistorverstärker Basisvorspannungsteiler, Arbeitspunkt Operationsverstärker Die Elektronenröhre Integrierte Schaltungen

Oszillator Rückkopplung Oszillatortypen LC-Oszillator, Quarzoszillator, PLL Oszillator, VCO

Halbleiter Schaltungen

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Seite:121

Oszillator: Rückkopplung

Zur Frequenzerzeugung werden Oszillatoren eingesetzt. Sie bestehen aus einem schwingfähigen System (z.B. LC-Kreis), das in den Rückkopplungszweig (hier: Mittkopplung) eines Verstärkers eingebaut ist.

Grafik: http://de.wikipedia.org/wiki/Pendel

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Seite:122

Einschub: Mitkopplung bei der Pendeluhr

Schwingbedingung: Nach jeder Hemmung geben die schrägen Zähne des Gangrades ein bisschen Energie an das Pendel weiter. Am Gangrad wird die potentielle Energie (=Lageenergie) der Gewichte in kinetische Energie (=Bewegungsenergie) des Pendels umgesetzt.

Anschwingbedingung: Anschieben des Pendels mit der Hand

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Hemmung_(Uhr)

Gangrad angetrieben über Gewichte

Gangregler z.B. Pendel

Und … wer hat‘s erfunden ?

Falsch !!! Es war Galileo Galiei ca. 1640.

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Seite:123

Grundschaltungen von LC-Oszillatoren

Es gibt drei unterschiedliche Arten von LC Oszillatoren. Sie sind nach ihren Erfindern benannt worden.

Meissner Induktive Rückkopplung über einen Übertrager „Transformator“

Hartley Induktive Rückkopplung über die Anzapfung an der Spule induktive Dreipunktschaltung

Colpitts Kapazitive Rückkopplungkapazitive Dreipunktschaltung

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Seite:124

Schaltungsbeispiele von LC-Oszillatoren

Die Frequenzgenauigkeit und Frequenzstabilität ist von der Güte der Spule und des Kondensators abhängig. Außerdem sind diese Schaltungen sehr abhängig von der Umgebungstemperatur und dem mechanischen Aufbau der Geräte.

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Seite:125

VCO (voltage controlled oscillator = spannungsgesteuerter Oszillator)

Die Frequenzvariation erfolgt mittels einer Kapazitätsdiode. (Varaktor/Varicap)

Uein

+Ub

Uosc

VCO für sinusförmige Signale.

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Seite:126

Quarz Oszillator

Das schwingfähige System besteht aus einem Quarz oder einer speziellen Keramik die den piezo-elektrischen Effekt zeigen.

Diese Oszillatoren schwingen sehr genau auf einer Frequenz und sind sehr temperaturstabil. Der Nachteil ist, dass zum Frequenzwechsel der Quarz getauscht oder umgeschaltet werden muss. Aus diesem Grund werden sie meistens in komplexeren Oszillatorschaltungen als „Normale“ verwendet. z.B. im PLL Oscillator

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PLL Oszillator (Phasenregelschleife)

Tiefpass

VCO

Digital einstellbaren Frequenzteiler

Eine PLL (phase-locked loop) ist eine Schaltung, die die Frequenz eines veränderbaren Oszillators (VCO) über einen geschlossenen Regelkreis so beeinflusst, dass die Phasenabweichung zwischen dem Ausgangssignal und dem Oszillator möglichst konstant ist.

Vorteil: Die Frequenz kann in Stufen variiert werden. Das Teilerverhältnis kann digital eingestellt werden.

Nachteil: Das Phasenrauschen verringert die Empfängerempfindlichkeit. Relativ hoher Schaltungsaufwand.

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Seite:128

Frequenzstabilität von Oszillatoren

Mit folgenden Maßnahmen kann man die Frequenzstabilität eines Oszillators verbessern: • Stabilisierung der Betriebsspannung und der Arbeitspunkte von Transistoren und Röhren. • Mechanisch stabiler Aufbau • Hohe Kreisgüten • Lose Ankopplung von Verstärkerelementen an den Schwingkreis. (geringe Rückwirkungen) • Kompensation der Frequenzdrift durch die Wahl von Bauteilen mit entsprechenden Temperaturkoeffizienten. • Einsatz von Quarzen z.B. auch in Thermostaten.

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Seite:129

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.4.6 Oszillatoren TD601 Was verstehen Sie unter einem „Oszillator“? TD602 Was ist ein LC-Oszillator? Es ist ein Schwingungserzeuger, wobei die Frequenz TD603 Was ist ein Quarz-Oszillator? Es ist ein Schwingungserzeuger, wobei die Frequenz TD604 Wie verhält sich die Frequenz eines LC Oszillators bei Temperaturanstieg, wenn die Kapazität des Schwingkreiskondensators mit dem Temperaturanstieg geringer wird? TD605 Im VFO eines Senders steigt die Induktivität der Oszillatorspule mit der Temperatur. Der Kondensator bleibt sehr stabil. Welche Auswirkungen hat dies bei steigender Temperatur? TD606 Der Vorteil von Quarzoszillatoren gegenüber LC-Oszillatoren liegt darin, dass sie

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Seite:130

Kennzeichnung der Sendearten Modulation CW Modulation Amplitudenmodulation Modulationsgrad, Leistung bei AM SSB Modulation Trägerunterdrückung, Ringmodulator, Vergleich AM - SSB Frequenzmodulation Erzeugung von FM

Demodulation CW-Demodulation AM-Demodulation Der Audion-Demodulator SSB Demodulation Demodulation von SSB Der Produktdetektor FM Demodulation FM-Demodulator, FM-Demodulator mit PLL

Modulation und Demodulation

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Seite:131

Modulation: Übersicht

In der Sende- und Empfangstechnik(= Nachrichtentechnik) hat man folgendes Problem: Information (Sprache, Zeichen) soll drahtlos übertragen werden. Dazu verwendet man allgemein ein Trägerfrequenz-Verfahren. Die Information wird einem hochfrequenten Träger (HF) überlagert. (= moduliert) Der Träger wird auf eine bestimmte Art und Weise moduliert.

Im Amateurfunk sind unter anderem folgende Modulationsarten gebräuchlich:

A1A CW Telegrafie; „Morsen“ A3E AM Amplituden Modulation J3E SSB Einseitenband Modulation C3F ATV Amateur Fernsehen F1B RTTY Funkfernschreiben F3E FM Frequenz Modulation

Weitere gebräuchliche Übertragungsformate / Modulationsarten sind: SSTV, FAX, Packet Radio, APRS, PSK31, AMTOR und PACTOR

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Seite:132

Kennzeichnung der Modulationsarten

Die Funkübertragungen werden mit einem neunstelligen Code gekennzeichnet. Die ersten 4 Stellen kennzeichnen die Bandbreite, die nächsten 3 Stellen kennzeichnen die Sendeart und es gibt noch zwei Stellen für Signaleinzelheiten. Es reicht, wenn man für die Sendeart die drei grundlegenden Kennzeichen angibt.

Modulationsart N unmodulierter Träger A Zweiseitenband-AM C Restseitenband F Frequenzmodulation J SSB P Pulsmodulation

Signalart der Modulation 0 kein moduliertes Signal 1 Ein Kanal mit quantisierter oder digitaler Information ohne moduliertem Hilfsträger 2 Ein Kanal mit quantisierter oder digitaler Information mit moduliertem Hilfsträger 3 Ein Kanal mit analoger Information

Übertragene Information N keine Information A Morsetelegrafie CW B Funkfernschreiben RTTY C FAX J Datenübertragung, Fernsteuerung E Sprechfunk F Fernsehen, Video

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Seite:133

Kennzeichnung der Sendearten Modulation CW Modulation Amplitudenmodulation Modulationsgrad, Leistung bei AM SSB Modulation Trägerunterdrückung, Ringmodulator, Vergleich AM - SSB Frequenzmodulation Erzeugung von FM

Demodulation CW-Demodulation AM-Demodulation Der Audion-Demodulator SSB Demodulation Demodulation von SSB Der Produktdetektor FM Demodulation FM-Demodulator, FM-Demodulator mit PLL

Modulation und Demodulation

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Seite:134

Telegrafie CW (A1A, continuous wave)

Strenggenommen handelt es sich bei CW um eine digitale Modulationsart, da nur der Träger getastet wird d.h. die HF wird ein- und ausgeschaltet. Dadurch entstehen Frequenzpakete, die die Länge der getasteten Zeichen haben. Von der Art der Tastung hängt auch die Bandbreite der Aussendung ab.

Am günstigsten ist es, wenn man den Sender „weich“ tastet. Weiches Tasten, also eine Tastung mit abgerundeten Zeichenflanken, bewirken eine Reduzierung der belegten Bandbreite und vermeiden Störungen. Bei harter Tastung bewirkt das steil-flankiges Signal eine erheblich größere Nebenwellenausstrahlung. Außerdem ist die belegte Bandbreite größer. Zu weiches Tasten führt zum „Verschmieren“ der Zeichen. Dadurch verringert sich die Lesbarkeit der Zeichen.

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Seite:135

Amplitudenmodulation AM (A3E)

Hier steckt die Information in der Amplitude der Hochfrequenz (= HF = Träger). Die Höhe der Spannung der HF ändert sich im Rhythmus der Sprache. Bei der AM findet man die Information wieder als Einhüllende des Trägers. Die Höhe der Amplitude ist ein Maß für die Lautstärke des moduliertem Signals.

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Seite:136

AM: Modulationsgrad

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitudenmodulation

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Seite:137

AM: Seitenbänder

Moduliert man einen Träger (f HF ) mit dem Signal (f NF ), so entstehen zusätzlich zur Trägerfrequenz noch zwei andere Frequenzen. Eine liegt oberhalb des Trägers (f O ) und eine liegt unterhalb des Trägers. (f U )

Moduliert man einen Träger mit einem Frequenzgemisch z.B. Sprache, so entstehen zwei Seitenbänder. In jedem steckt die komplette Information, die man übertragen möchte. Die Amplitude der Seitenbänder entspricht dabei der Amplitude des niederfrequenten Modulationssignals und der Abstand der Seitenbänder von der Trägerfrequenz wird durch die Modulationsfrequenz bestimmt.

Die Information steckt in jedem der beiden Seitenbänder. Sie wird somit 2x übertragen.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitudenmodulation

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Seite:138

Einseitenbandmodulation SSB (J3E)

Wie schon erwähnt, steckt in einem AM Signal die Information 2 mal. Diese doppelte Übertragung kostet aber Bandbreite und Leistung. Aus diesem Grund ging man dazu über, nur ein Seitenband ohne Träger zu übertragen.

SSB hat folgende Vorteile: • Die Bandbreite von SSB ist etwa halb so groß wie bei AM. • Die Energie des ausgestrahlten Seitenband ist 4 mal so groß wie die Energie des AM Signals. • Überlagerungspfeifen auf benachbarten Frequenzen entfällt. • Störungen verringern sich. • Es können mehr Stationen auf den Frequenzen arbeiten.

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Seite:139

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.5.1 Amplitudenmodulation AM, SSB TE101 Wie unterscheidet sich SSB (J3E) von AM (A3E) in Bezug auf die Bandbreite? TE102 Welches der nachfolgenden Modulationsverfahren hat die geringste Störanfälligkeit bei Funkanlagen in Kraftfahrzeugen? TE103 Das folgende Oszillogramm zeigt ein AM Signal. TE104 Das folgende Oszillogramm zeigt ein AM Signal. TE105 Das folgende Oszillogramm TE106 Das folgende Oszillogramm zeigt ein typisches Zweiton-SSB-Testsignal.

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Seite:140

Frequenzmodulation FM (F3E)

Bei FM steckt die Information nicht in der Amplitude des Trägers (HF), sondern in der Frequenz. Die Frequenz verschiebt sich im Rhythmus der Modulation. Die Schnelligkeit der Frequenzänderung ist ein Maß für die Modulationsfrequenz fs. Die Größe der Frequenzauslenkung (=Hub) ist ein Maß für die Lautstärke des modulierten Signals. Die Bandbreite ist somit von der Modulationsfrequenz und dem Hub abhängig.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitudenmodulation

Da bei FM die Amplitude keine Rolle spielt, sind FM Übertragungen sehr störungsfrei. FM beansprucht mehr Bandbreite als CW, AM oder SSB. Ein weiterer Nachteil ist, das ständig der Träger mit voller Leistung ausgestrahlt werden muss.

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Seite:141

Frequenzmodulation – Phasenmodulation ?

Analoge Phasenmodulation und Frequenzmodulation sind eng miteinander verwand. Bei Sprachübertragung kann man den Unterschied nicht erkennen. Zur Demodulation muss der Empfänger die exakte Phasenlage des ursprünglichen Sendesignals wissen. Das ist bei analoger Übermittlung sehr aufwendig. (Synchronisation notwendig) Erst bei digitalen Übertragungsarten wird sie vermehrt angewendet. Bei digitalen Verfahren ist es üblich Synchronisationssignale mit dem Datenstrom zu verschicken. (Start / Stop Bits) Somit ist die notwendige Synchronisation einfach durchzuführen.

Die blaue Kurve hat die doppelte Frequenz. Anders betrachtet ist der Nulldurchgang um 90° früher als bei der roten Kurve. (90° = π/2) Die Phasenverschiebung ϕ=90°;

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Seite:142

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.5.2 Frequenzmodulation TE201 Wodurch wird bei Frequenzmodulation die Lautstärke-Information übertragen? TE202 FM hat gegenüber SSB den Vorteil der TE203 Ein zu großer Hub eines FM-Senders führt dazu, TE204 Größerer Frequenzhub führt bei einem FM Sender zu

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Seite:143

Bandbreite

Eine wichtige Kenngröße beim Funken ist die Bandbreite. Sie bezeichnet den Platz, den ein moduliertes Signal im Frequenzband braucht. Die Bandbreite ist nicht nur das Maß für den Platz, den ein Sender braucht, sondern sie ist auch ein Maß für die Störungen, die auf einem Signal sind.

Je kleiner die Bandbreite ist, desto geringer sind die eingestreuten Störungen.

Die Bandbreite der einzelnen Modulationsarten kann man an Hand von Formeln oder Erfahrungswerten abschätzen.

CW abhängig von der Tastgeschwindigkeit; bei Tempo 80 = ca. 55Hz. AM Träger + 2 Seitenbänder B = 2*f mod ; SSB 1 Seitenband B = f mod ; FM abhängig vom Hub und Modulationsfrequenz B = 2*(HUB + f mod );

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Seite:144

Weitere Übertragungsarten

Packet Radio AFSK / FSK per FM AX.25 / Datex-P AMTOR (amateur teleprinting over radio) AFSK PACTOR (packet radio + AMTOR) AFSK Version 4 mit Phasenmodulation APRS (automatic packet reporting system) AFSK

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Seite:145

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.4.5 Modulator / Demodulator TD501 Durch Modulation TD502 Welche Aussage zum Frequenzmodulator ist richtig? Durch das Informationssignal TD503 Zur Aufbereitung des SSB-Signals müssen TD504 Wie kann ein SSB-Signal erzeugt werden?

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Kennzeichnung der Sendearten Modulation CW Modulation Amplitudenmodulation Modulationsgrad, Leistung bei AM SSB Modulation Trägerunterdrückung, Ringmodulator, Vergleich AM - SSB Frequenzmodulation Erzeugung von FM

Demodulation CW-Demodulation AM-Demodulation Der Audion-Demodulator SSB Demodulation Demodulation von SSB Der Produktdetektor FM Demodulation FM-Demodulator, FM-Demodulator mit PLL

Modulation und Demodulation

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Geradeausempfänger / Audion

Der Geradeausempfänger ist das einfachste Empfängerprinzip. Bei ihm wird die HF direkt der Demodulationsstufe zugeführt. Beim Detektor ist noch nicht einmal eine Empfängerelektronik vorhanden. Er eignet sich nur zum Empfang von starken Ortssendern. Die modulierte HF wird gleichgerichtet. Danach wird der Träger durch einen Tiefpass herausgefiltert. Die NF kann nun mit einem kleinen Lautsprecher oder Ohrenhörer abgehört werden. Der Detektor eignet sich zum Empfang von AM-Sendern.

Ein weiterer Geradeausempfänger ist das Audion. Dort dient eine Röhre oder ein Transistor zur Demodulation und zur Verstärkung.

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Überlagerungsempfänger / Superhet

Im Gegensatz zum Geradeausempfänger wird beim Superhet-Empfänger die ankommende HF mit einer variablen Oszillatorfrequenz so gemischt, dass eine andere Frequenzlage, die sogen. Zwischenfrequenz (ZF) entsteht. Alle nachfolgenden Stufen sind dann auf diese ZF fest abgestimmt.

Wegen der relativ breiten Filterkurven des Eingangsfilters gelangen viele HF Frequenzen an den Mischer und erzeugen so ein breites Spektrum an NF Frequenzen.

In der HF-Stufe wird das Empfangssignal verstärkt und gefiltert. In der folgenden Mischstufe wird bereits das NF Signal gebildet.

Ein nachgeschalteter Tiefpass selektiert deshalb den gewünschten Bereich.

Superhet = Superheterodyn Empfänger = Überlagerungsempfänger

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Mischer

Im Mischer spielen sich ähnliche Vorgänge wie in einem AM-Modulator ab. Es wird im Mischer quasi eine Frequenz mit einer anderen moduliert. Es entstehen auch „Seitenband-ähnliche“ Gebilde, die hier jedoch Mischprodukte genannt werden. Es entstehen bei der Mischung von zwei Frequenzen immer zwei Mischprodukte.

In der Vielzahl der Anwendungen möchte man nur eine der beiden Mischprodukte. Deshalb schaltet man der Mischstufe ein Filter nach, das nur eine gewünschte Frequenz durchlässt.

f1

f2

fm1 +fm2

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Versetzen eines Seitenbands durch Mischung

Bei der Demodulation von SSB wird das Seitenband mit einer Frequenz gemischt.

Dadurch wird das gesamte Frequenzband in den NF Bereich verschoben. SSB NF

Die Eigenschaft des Mischers, immer zwei Mischprodukte zu erzeugen hat einen großen „Schönheitsfehler“: Sie ermöglicht das Auftreten von Spiegelfrequenzen. Die Spiegelfrequenz ist die Frequenz, die mit der Oszillatorfrequenz gemischt, auch die Zwischenfrequenz ergibt. Dadurch werden Signale mit dieser Frequenz auch empfangen und stören das gewünscht Signal. Beispiel: Um ein Signal, das auf 145,500 MHz gesendet wird zu demodulieren, mischt man es mit einer VFO Frequenz von 134,800 MHz auf die ZF von 10,7 MHZ herunter. Die Spiegelfrequenz liegt um den Wert der ZF unterhalb der VFO Frequenz. Sie ist somit 124,100 MHz.

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Doppel Superhet

Um das Problem der Spiegelfrequenz umgehen zu können, baut man in der HF-Vorstufe ein Filter ein, das zwar die gewünschte Frequenz durchlässt, jedoch die Siegelfrequenz abblockt. Aus Gründen der besseren Selektion baut man Doppel-Superhet-Empfänger. Das sind Empfänger, sie über zwei Zwischenfrequenzen verfügen. Das folgende Bild zeigt das Prinzipschaltbild eines Doppel-Superhet.

VFO variable frequency oscillator (einstellbarer Oszillator) CO crystal oscillator (Quarz Oszillator) BFO beat frequency oscillator (Schwebungsoszillator; ersetzt den fehlenden Träger) AGC automatic gain control (automatische Verstärkungsregelung) ZF Zwischenfrequenz

10,7MHz

455kHz

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Demodulation von AM

Hierzu wird die gleiche Schaltung wie beim Geradeausempfänger genutzt. Das ZF Signal wird über einen Einweggleichrichter geführt. Im nachfolgenden Tiefpass werden die Reste der ZF entfernt.

ZF

NF

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Demodulation von CW und SSB: BFO

SSB

Die einfachste Methode der Demodulation ist das Zusetzen des fehlenden Trägers und anschließend eine Demodulation wie bei AM.

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Demodulation von SSB: Dioden-Ringmischer

Eine weiter Methode der CW, SSB Demodulation ist die Demodulation mit dem Dioden-Ringmischer (Produktdetektor, Balance-Modulator). Er wird heute noch in großsignalfesten Transceivern eingesetzt. (Schottky-Ringmischer)

Die Trägerfrequenz wird auf „NULL“ heruntergemischt. Anschließend werden die hochfrequenten Anteile durch einen Tiefpass entfernt. Es bleibt nur die NF übrig.

Im Ringmischer werden die beiden Eingangsfrequenz (2.ZF und BFO) miteinander multipliziert . Deshalb: Produktdetektor.

http://de.wikipedia.org/wiki/Gilbertzelle In der allgemeinen Funktechnik wurde der Ringmodulator nach und nach von anderen Schaltungsvarianten verdrängt z.B. von FET-Mischern oder der sogen. Gilbertzelle.

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Achtung Verwechselungsgefahr !

Dioden-Ringmischer Ringmodulator

Graetz-Brücke Brückengleichrichter

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Demodulation von FM

Für die Demodulation von FM wird vorzugsweise der Ratiodetektor (=Verhältnisgleichrichter) eingesetzt.

Zur Demodulation wird der frequenzabhängige Phasenunterschied der Spannung am Schwingkreis und der Spannung an der Sekundärwicklung des ZF- Übertragers ausgenutzt. Durch die Frequenzverschiebung (=Modulation) entstehen an den beiden Dioden ein entgegengesetzt gerichtetes, phasenverschobenes Signal. Die Differenz dieser Signale ist die NF. Die Höhe der Ausgangsspannung hängt von der Größe der Frequenzverschiebung (=Hub) ab. Die Frequenz der Ausgangsspannung hängt von der Geschwindigkeit der Frequenzverschiebung ab.

Zur Vollständigkeit möchte ich noch darauf hinweisen, dass man FM-Signale auch mit einem AM-Empfänger demodulieren kann. Dazu muss das FM-Signal an die Flanke der Durchlasskurve des ZF-Filters rücken. (=Flankendemodulation) Dadurch werden hohe Frequenzen stärker abgeschwächt als niedrige. Es entsteht AM, die demoduliert werden kann. Dass Ausgangssignal ist jedoch verzerrt.

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AVC Regelung und S-Meter

Ein Empfangsverstärker muss einen sehr großen Bereich von Eingangsspannungen verarbeiten können. Kleine Signale müssen sehr stark verstärkt werden, damit sie verarbeitet werden können. Starke Signale dürfen jedoch nur etwas verstärkt werden, da sie sonst verzerrt werden. (Störungen!) Aus diesem Gründen baut man in Empfängern eine automatische Verstärkerregelung ein.(= AVC = automatic volume control)Das dafür benötigte Signal wird durch eine kleine Gleichrichterschaltung von der letzten ZF-Stufe abgenommen und den einzelnen Verstärkern zugeführt.

Das ZF-Signal wird durch eine Diode gleichgerichtet. Der folgende Tiefpass ist so ausgelegt, dass die Regelspannung frei von der ZF ist.

Das S-Meter ist an der AVC Schaltung angeschlossen und zeigt die Höhe der empfangenen Spannung an

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S-Meter

Die Differenz von Stufe zu Stufe der 10 Stufen des S-Meter beträgt 6dB. (Spannung = Verdopplung) S9 entspricht 50µV, gemessen an 50 Ohm Damit ergeben sich die Werte der S-Stufen: S0 = 0,1 µV S1 = 0,2 µV S2 = 0,4 µV S3 = 0,8 µV S4 = 1,58µV S5 = 3,16µV S6 = 6,3 µV S7 = 12,6µV S8 = 25µV S9 = 50µV S9+20dB = 158µV S9+40dB = 500µV S9+60dB = 5000µV = 5mV

In der Realität sind die S-Meter bei Amateurfunkgeräten „weit weg“ von dieser Festlegung. Hohe S-Stufen beim Empfang sollen einen sehr empfindlichen Empfänger zeigen. (Marketing !) Die meisten S-Meter sind „Schätz-Meter“.

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

S-Meter TF403 Um wie viel S-Stufen müsste die S-Meter Anzeige Ihres Empfängers steigen, wenn Ihr Partner die Sendeleistung von 10 Watt auf 40 Watt erhöht? TF404 Ein Funkamateur kommt laut S-Meter mit S7 an. Dann schaltet er seine Endstufe ein und bittet um einen erneuten Rapport. Das S Meter zeigt S9+8dB. Um welchen Faktor müsste der Funkamateur seine Leistung erhöht haben? TF405 Ein Funkamateur hat eine Endstufe, welche die Leistung verzehnfacht (von 10 auf 100 Watt). Ohne seine Endstufe zeigt Ihr S-Meter genau S8. Auf welchen Wert müsste die Anzeige Ihres S-Meters ansteigen, wenn er die Endstufe dazuschaltet? TF406 Wie groß ist der Unterschied von S4 nach S7 in dB?

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Seite:160

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.6 Funk-Empfänger TF101 Eine hohe erste ZF vereinfacht die Filterung zur Vermeidung von TF102 Eine hohe erste Zwischenfrequenz TF103 Welche Aussage ist für einen Doppelsuper richtig? TF104 Ein Empfänger hat eine ZF von 10,7 MHz und ist auf 28,5 MHz abgestimmt. Der Oszillator des Empfängers schwingt oberhalb der Empfangsfrequenz. Welche Frequenz hat die Spielfrequenz? TF105 Wodurch wird beim Überlagerungsempfänger die Spiegelfrequenzdämpfung bestimmt? Sie wird vor allem bestimmt durch TF106 Einem Mischer werden die Frequenzen 136 MHz und 145 MHz zugeführt. Welche Frequenzen werden beim Mischvorgang erzeugt? TF107 Einem Mischer werden die Frequenzen 28 MHz und 38,7 MHz zugeführt. Welche Frequenzen werden beim Mischvorgang erzeugt? TF108 Eine schmale Empfängerbandbreite führt im allgemeinen zu einer TF109 Die Frequenzdifferenz zwischen dem HF Nutzsignal und dem Spiegelsignal entspricht TF110 Durch welchen Vorgang setzt ein Konverter einen Frequenzbereich für einen vorhandenen Empfänger um?

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Seite:161

PLL VCO, PLL mit Mischstufen Sender Einfachmischprinzip, Mehrfachmischprinzip, Vervielfacher, Balance-Mischer (SSB) CW, AM, FM Modulation Transverter

Frequenzaufbereitung und Sendertechnik

Hochfrequenzverstärker selektive Verstärker, PI-Filter, Leistungsverstärker, Wirkungsgrad Schaltungen Senderleistungen Beseitigung von Störungen

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Seite:162

Sender

Ein Sender hat die Aufgabe modulierte Hochfrequenz zu erzeugen uns sie über eine geeignete Antenne abzustrahlen. Jeder Sender besteht aus vier Grundeinheiten:

Oszillator bestimmt die Frequenz des zu sendenden Signals.

Modulator versieht die HF mit der gewünschten Information.

Leistungsverstärker ermöglicht die gewünschte Reichweite.

Filter passt den Sender an die Antenne an und verhindert die Aussendung von unerwünschten Frequenzen.

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Signalaufbereitung: Sendefrequenz

Dazu dienen in erster Linie die Oszillatoren. Man erzeugt jedoch in den seltensten Fällen die Sendefrequenz direkt mit dem Oszillator. Entweder mischt man zwei Frequenzen so, dass die gewünschte Sendefrequenz entsteht oder man vervielfacht das Oszillatorsignal und erhält so die gewünschte Sendefrequenz.

Das Verfahren der Frequenzmischung wendet man hauptsächlich bei Kurwellengeräten an, da hier die Frequenzen so niedrig sind, dass man ohne Schwierigkeiten stabile Oszillatoren für diese Frequenzen bauen kann.

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Frequenzvervielfachung

Das Verfahren der Frequenzvervielfachung wird im VHF(= very high frequency) und UHF(= ultra high frequency) Bereich angewendet. Man kann stabile Oszillatoren nur für einen bestimmten Frequenzbereich aufbauen. Deshalb benutzt man dieses Verfahren um die Sendefrequenz zu erhalten. Zur Erzeugung der Grundfrequenz wird ein Quarzoszillator eingesetzt. Dieser Oszillator hat eine Verstärkerstufe, die im C-Betrieb arbeitet. Durch den nichtlinearen Betrieb entstehen Oberwellen. Die gewünschte Frequenz wird durch einen Resonanzkreis herausgefiltert und weiter verstärkt. Im praktischen Betrieb geht man nicht über eine Verdreifachung hinaus, da die Amplituden der höheren Harmonischen zu klein sind.

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Seite:165

Frequenz Vervielfacher

Das Signal wird einer nicht linearen Verstärkerstufe zugeführt. (Verzerrer) Die gewünschte Oberwelle wird ausgefiltert. z.B. Eingangsfrequenz 96 MHz Ausgangsfrequenz 288 MHz

96 MHz

288 MHz

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Anwendungsbeispiel: Transwerter

Ein hochwertiger KW Transceiver wird im 2m Band genutzt. Bereich 44 – 146 MHz

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Seite:167

CW Modulation

Die einfachste Modulationsart ist CW, da hier die HF „nur“ ein- und ausgeschaltet wird. Aber dieses Ein- und Ausschalten muss richtig geschehen, um ein sauberes Signal zu erhalten.

Folgende Punkte sind zu beachten: • Es soll immer eine Stufe mit kleiner Leistung getastet werden. • Der Zeicheneinsatz soll weich sein, damit die Bandbreite des Sendesignals klein bleibt. • Nie den Oszillator direkt tasten, da dieses zu „Chirp“ führt. • Zwischen Oszillator und Taststufe soll auf jeden Fall eine Pufferstufe eingebaut werden, um Rückwirkungen auf den Oszillator zu vermeiden.

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Seite:168

Amplitudenmodulation AM Modulator

Das NF Signal steuert die Amplitude des Träger Signal. Dazu wird die Verstärkung des Operationsverstärkers im Rhythmus der NF geändert. Der FET F1 wirkt dabei wie ein steuerbarer Widerstand.

F1

R1

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Seite:169

Amplitudenmodulation AM

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitudenmodulation

Man kann bei AM die gleiche Frequenzaufbereitung wie bei CW verwenden. Der Unterschied liegt darin, dass man bei AM die Hochfrequenz in der Treiber- oder Endstufe moduliert. Um bei AM eine optimale Reichweite der Signale zu erreichen muss man dafür sorgen, dass die HF 100% moduliert wird. Zur Kontrolle kann man ein Oszilloskop benutzen.

Untermoduliert Schlechte Ausnutzung der Energie

100% Modulationsgrad Optimale Nutzung der Energie

Übermoduliert Bandbreite und Oberwellen nehmen zu.

Übermodulation steigert nicht die Reichweite des Signals. Anodenstrom / Kollektorstrom der Endstufe steigen zwar an und es wird scheinbar mehr Leistung produziert. Diese „Mehrleistung“ wird aber nur als Oberwellen abgestrahlt. Sehr oft steht dann für das Nutzsignal weniger Leistung zur Verfügung.

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Seite:170

SSB Modulation

Obwohl SSB mit AM verwand ist, unterscheiden sich die Sender für die beiden Betriebsarten total voneinander. SSB Sender arbeiten nach der Filtermethode d.h. durch eine geeignete Schaltung moduliert man die HF so, dass nur zwei Seitenbänder entstehen. Danach wird das nicht gewünschte Seitenband durch ein sehr steiles und schmalbandiges Filter herausgefiltert. Dieses Filter kann man nur für niedrige Frequenzen herstellen. Die gewünschte Sendefrequenz wird durch ein- oder mehrmaliges Mischen erreicht. Zur Herstellung eines trägerlosen SSB Signals kann man eine Balancemodulator (= Ringmodulator) verwenden.

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Seite:171

SSB Seitenbandfilter

Nach dem Balancemodulator filtert man das nicht gewünschte Seitenband aus und mischt es auf die gewünschte Sendefrequenz. Die nachfolgenden Treiber- und Endstufen ermöglichen die gewünschte Leistung. Die Verstärkerstufen dürfen die Form des Signales nicht verändern. Sie müssen alle linear arbeiten. Speziell die Endstufe muss im A(AB)-Betreib arbeiten, da sonst das Signal verzerrt wird. (B-Betrieb bei Gegentakt Endstufen) Eine zusätzliche Möglichkeit, um Verzerrungen zu vermeiden ist eine Verstärkerregelung der Treiberstufen. Diese Regelung (ALC=automatic level control) setzt, beim Erreichen der Aussteuergrenze der Endstufe, die Verstärkung der Vorstufe herunter und verhindert so die Übersteuerung, die zu einer Verzerrung des Signals führt.

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Seite:172

Frequenzmodulation FM

Bei FM steckt die Information in der Frequenz des Signals. FM lässt sich durch eine Kapazitätsdiode (Varicap) herstellen, die in einem Schwingkreis parallel zum Kondensator geschalten ist. Damit ist es möglich, durch eine Spannung die Frequenz des Oszillators zu ändern. Bei Sendern mit Vervielfacherstufen muss man beachten, dass sich der Hub auch vervielfacht !

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Seite:173

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.7 Funksender TG101 Wie kann die hochfrequente Ausgangsleistung eines SSB-Senders vermindert werden? TG102 Welche der nachfolgenden Antworten trifft für die Wirkungsweise eines Transverters zu? TG103 Was kann man tun, wenn der Hub bei einem Handfunkgerät oder Mobil-Transceiver zu groß ist? TG104 Was bewirkt in der Regel eine zu hohe Mikrofonverstärkung bei einem SSB-Transceiver? TG105 Was bewirkt eine zu geringe Mikrofonverstärkung bei einem SSB-Transceiver? TG201 Wie heißt die Stufe in einem Sender, welche die Eigenschaft hat, leise Sprachsignale gegenüber den lauten etwas anzuheben? TG202 Welche Schaltung in einem Sender bewirkt, dass der Transceiver allein durch die Stimme auf Sendung geschaltet werden kann? TG203 Welche Anforderungen muss ein FM-Funkgerät erfüllen, damit es für die Übertragung von Packet Radio mit 9600 Baud geeignet ist?

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Seite:174

PLL VCO, PLL mit Mischstufen Sender Einfachmischprinzip, Mehrfachmischprinzip, Vervielfacher, Balance-Mischer (SSB) CW, AM, FM Modulation Transverter

Frequenzaufbereitung und Sendertechnik

Hochfrequenzverstärker selektive Verstärker, PI-Filter, Leistungsverstärker, Wirkungsgrad Schaltungen Senderleistungen Beseitigung von Störungen

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Seite:175

Endstufe PA (power amplifier)

Endstufen werden am günstigsten linear betrieben, da so die wenigsten Störungen (Oberwellen, Verzerrungen) entstehen. Man wählt also A-Betrieb oder AB-Betrieb. Bei Gegentakt Endstufen aus zwei Röhren oder Transistoren, wählt man B-Betrieb. Bei FM-Endstufen kann man auch C-Betrieb wählen, da hier die Form der Amplitude keine Rolle spielt.

Jede Endstufe muss in ihrem Ausgangskreis ein Filter besitzen. Am häufigsten benützt man ein PI-Filter. Es wirkt als Tiefpass und schwächt somit die Oberwellen ab. Außerdem ermöglicht es, den Sender an die Antenne anzupassen. Die beiden Kondensatoren C1 (=Plate) und C2 (=Load) werden für den Abstimmvorgang benutzt. Zur Kontrolle wird das Messgerät für den Anodenstrom, oder am besten ein externes Leistungsmessgerät benutzt. Mit den beiden Kondensatoren wird immer auf maximale Ausgangsleistung abgestimmt.

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Seite:176

Endstufe PA: ALC

Eine weitere Möglichkeit um Oberwellen und Verzerrungen zu vermeiden ist, die Endstufe mit einer Verstärkerregelung (ALC = automatic level control) zu versehen.

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Seite:177

Endstufe PA: Lecherleitung

Im VHF/UHF Bereich nutzt man auch sogen. Lecherleitungen als Filterelemente. Sie sind mechanisch auf eine Frequenz abgestimmt und haben sehr hohe Güten. Lecherleitungen können z.B. als Streifenleiter direkt auf Leiterplatten hergestellt werde. Man kann dazu auch Koax-Kabel entsprechender Länge verwenden. Verkürzungsfaktor beachten.

Kurzschluss

Offen

Kurzschluss

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Seite:178

Einschub: Lecherleitung Erklärung

Lecherleitung hat die Länge λ/4 der gewünschten Frequenz. (Verkürzungsfaktor beachten !)

Lecherleitung hat am Ende einen Kurzschluss und erzwingt damit diese Pegel: I = maximal U = 0

Wegen des sinusförmigen Verlaufs eines Welle stellen sich am Eingang der Lecherleitung diese Pegel ein: I = 0 U = maximal

Am Eingang der Lecherleitung sieht es für die entsprechende Frequenz wie ein „Leerlauf“ aus. Sie wird somit nicht gedämpft.

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Seite:179

Endstufe PA: Vermeidung von Störungen

Von großer Bedeutung bei allen HF-Verstärkern und besonders bei Endstufen ist die Verhinderung von Selbsterregung. Selbsterregung entsteht dadurch, dass HF vom Ausgang zurück zum Eingang gelangt. (Rückkopplung; hier Mittkopplung) Hat diese rückgekoppelte HF die richtige Phasenlage und ist groß genug, so wird die Endstufe zum Schwingen angeregt. Eine weiter Gefahr ist die Schwingneigung der Röhren bei hohen Frequenzen. Vor allen bei Trioden ist der Huth- Kühn Effekt (= Rückkopplung der HF von der Anode zum Gitter, bedingt durch die Gitter-Anoden Kapazität) so stark, dass Selbsterregung eintritt. Die dabei erzeugten Schwingungen liegen meist nicht auf der Sendefrequenz. Gegen all diese „Dreckeffekte“ muss man Maßnahmen ergreifen. Aus diesem Grund muss großer Wert gelegt werden auf: • Solide mechanische Konstruktion • Abschirmbleche • Kurze und gerade HF Leitungen • Abblockung der Versorgungsspannung mit Drosseln oder Ferrit-Perlen

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Seite:180

Ausgangsleistung und Wirkungsgrad

Endstufen sind zur Leistungserzeugung da. Jedoch ist „Leistung“ nicht gleich „Leistung“. Man unterscheidet:

Ausgangsleistung = Output = Pout Leistung, die an die Antenne abgegeben wird Eingangsleistung = Input = Pin Leistung, die von der Endstufe aus dem Netz (Batterie) entnommen wird. Sie ist die Summe aller im Gerät vorkommenden Leistungen. Anoden/Kollektor-Verlustleistung = Pv Leistung, die an der Anode / am Kollektor in Wärme umgesetzt wird.

Achtung! Leistung aus der Stromversorgung. Nicht Steuerleistung

Das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung wird als Wirkungsgrad bezeichnet. Der Wirkungsgrad jedes Gerätes ist immer kleiner als 1 bzw. 100%

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Seite:181

Ausgangsleistung und Kenngrößen

Eine Amateurfunkstation besteht immer aus Sender + Antenne. Somit macht es Sinn die Ausgangsleistung auf das gesamte System zu beziehen. Dadurch entstehen zwei neue Definitionen:

ERP (effective radiated power) Die ERP (effektive Strahlungsleistung) ist das Produkt aus der Leistung, die unmittelbar der Antenne zugeführt wird und dem Antennengewinn in einer Richtung, bezogen auf den Halbwellendipol.

EIRP (effective isotrop radiated power) Die EIRP ist das Produkt aus der Leistung, die unmittelbar der Antenne zugeführt wird und dem Antennengewinn in einer Richtung, bezogen auf den isotropen Strahler.

Es kann auch mit kleiner Leistung (QRP) große Reichweiten erzielt werden. Dazu muss eine entsprechend leistungsfähige Antenne verwendet werden um eine entsprechend hohe ERP / EIRP zu erzeugen. Bei Nutzung von Verstärkern steigt die Gefahr, dass die Bandbreite größer wird und mehr Störungen erzeugt werden.

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Seite:182

Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.7.2 Betrieb und Funktionsweise einzelner Stufen TG201 Wie heißt die Stufe in einem Sender, welche die Eigenschaft hat, leise Sprachsignale gegenüber den lauten etwas anzuheben? TG202 Welche Schaltung in einem Sender bewirkt, dass der Transceiver allein durch die Stimme auf Sendung geschaltet werden kann? TG203 Welche Anforderungen muss ein FM-Funkgerät erfüllen, damit es für die Übertragung von Packet Radio mit 9600 Baud geeignet ist? TG301 Ein Sender mit 1 Watt Ausgangsleistung ist an eine Endstufe mit einer Verstärkung von 10 dB angeschlossen. Wie groß ist der Ausgangspegel der Endstufe? TG302 Ein HF-Leistungsverstärker hat eine Verstärkung von 16 dB. Welche HF-Ausgangsleistung ist zu erwarten, wenn der Verstärker mit 1 W HF-Eingangsleistung angesteuert wird? TG303 Die Ausgangsleistung eines Senders ist TG304 Die Spitzenleistung eines Senders ist die TG305 Eine Verdopplung der Leistung entspricht wie viel dB? TG306 Die Ausgangsleistung eines FM-Senders TG307 Wie wird in der Regel die hochfrequente Ausgangsleistung eines SSB-Senders vermindert?

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Isotroper Strahler

Wikipedia sagt: Ein Isotropstrahler (engl. isotropic antenna), auch Kugelstrahler genannt, ist ein Modell bzw. die hypothetische Idealisierung eines Punktstrahlers, der isotrop (d. h. gleichmäßig in alle Raumrichtungen) und verlustlos sendet bzw. empfängt. Er sendet transversale Kugelwellen aus. Die gesamte Sendeleistung P TX gleichmäßig auf die Fläche A einer Kugel, die Leistungsdichte S O im Abstand r beträgt daher:

Der Isotrope Strahler ist ein theoretischer Ansatz. Er ist in der Praxis nicht realisierbar, da jede reelle Antenne eine gewisse Charakteristik hat. Als Bezug für den Antennengewinn ist der isotrope Strahler sehr sinnvoll. Der resultierende Antennengewinn wird in dBi angegeben. z.B. ein λ/2 Dipol hat in Richtung senkrecht zur Antennenachse einen Gewinn von 2,15 dBi.

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Seite:184

Filterarten

Jeder aktive Verstärker hat eine nichtlineare Kennlinie. Auch wenn ein Verstärker im A-Betrieb arbeitet, so bewegt sich sein Arbeitspunkt immer noch auf einer nichtlinearen Kennlinie. Somit entstehen in jeder Verstärkerstufe Oberwellen. Diese Oberwellen müssen so stark abgeschwächt (= gedämpft) werden, dass sie nicht mehr stören. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten: Bandpass (Bandfilter) Sie lassen nur einen bestimmten Frequenzbereich durch. Alle andere Frequenzen werden stärk gedämpft. Induktive Auskopplung Da Induktivitäten (Spulen) eine Widerstand haben, der mit der Frequenz steigt, werden die Oberwellen stärker gedämpft als die Grundwelle. PI-Filter Das PI-Filter dämpft Frequenzen, die über der Sendefrequenz liegen sehr stark.

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Einschub: Wellenwiderstand – Anpassung - SWR

Ohne Anpassung

Leistung wird reflektiert -> schlechtes SWR -> keine Abstrahlung

Leistung wird abgestrahlt -> gutes SWR -> geringe Belastung der Endstufe

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PI-Filter / Matchbox

Legt man ein PI-Filter so aus, dass die beiden Kondensatoren und die Spule durchstimmbar sind, so erhält man ein Anpass-Netzwerk (= Matchbox) Mit dieser Schaltung kann man den Senderausgang und den Antenneneingang optimal aufeinander abstimmen. (SWR 1:1) Dadurch erreicht man, • dass die optimale Sendeleistung an die Antenne abgegeben wird. • dass die rücklaufende Leistung minimal ist und somit die Endstufe am geringsten belastet wird. • dass die störenden Abstrahlungen auf der Speiseleitung der Antenne auf ein Minimum reduziert werden.

Plate

Load

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Seite:187

Beseitigung von Störungen 1

Phase L

Nullleiter N

Schutzleiter PE

Mit der Erzeugung eines „sauberen“ Ausgangssignals allein sind jedoch nicht alle Störungen zu vermeiden. Viele Störungen entstehen durch Direkteinstrahlung von HF in elektrische Geräte. Diese Störungen nehmen mit Erhöhung der Leistung zu. Die elektrischen Leitungen und Metallteile in den gestörten Geräten wirken wie Antennen. Sie fangen die HF ein. Diese HF wird in den Halbleiter- Bauelementen gleichgerichtet und an andere Teile weitergegeben. (z.B. an Verstärker) Häufig werden Störungen auch über das Stromnetz geleitet. Bei Einstrahlung ins Netz hilft ein Tiefpass Filter, das direkt in die Netz-Zuführung des Senders geschaltet wird.

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Beseitigung von Störungen 2

Lange Leitungen, Verstärkereingänge o.ä. kann man durch Einfügen von Sperr- oder Saugkreisen entstören. Auch bei der Wahl der richtigen Antenne und ihrer Aufstellung sollte man die Möglichkeit von Direkteinstrahlung und Oberwellenerzeugung bedenken. So erzeugen unsymmetrische Antennen (z.B. Groundplane) mehr Störungen als symmetrische Antennen (z.B. Dipol). Allgemein soll die Speisung der Antenne über ein Koaxialkabel und ein Symmetrierglied geschehen. Antennen und ihre Zuleitungen müssen immer so aufgebaut oder verlegt werden, dass sie von Netzleitungen, Fernsehantennen, Telefonleitungen o.ä. möglichst weit entfernt sind. Viele Störungen lassen sich dadurch vermeiden, dass man die Antenne ausreichend erdet und zwar nicht an dem Erdungspunkt an dem die anderen Erdleitungen (z.B. Telecom, Kabelfernsehen) zusammenlaufen. Manche Störungen lassen sich aber auch nicht verhindern! In diesen Fällen muss der Amateur die Sendung auf diesen Frequenzen zu gewissen Zeiten einstellen. Wenn der Fall eintritt, dass BCI, TVI oder Direkteinstrahlung produzieren werden, so sollte man sich mit anderen Amateuren in Verbindung setzen, um zu erfahren ob ein ähnlicher Störfall schon aufgetreten ist. Auch gibt es in den meisten Ortsverbänden Literatur über dieses Thema. In hartnäckigen Fällen sollte man aber auch nicht davor zurückschrecken die Bundesnetzagentur zu benachrichtigen, um so Streitigkeiten zu klären.

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Einschub: Fragenkatalog Klasse E

1.7.4 Unerwünschte Aussendungen TG501 Wodurch werden Tastklicks bei einem CW Sender hervorgerufen? TG502 Welches Filter wäre zwischen Senderausgang und Antenne eingeschleift am besten zur Verringerung der Oberwellenausstrahlungen geeignet? TG503 Um Nachbarkanalstörungen zu minimieren, sollte die Übertragungsbandbreite bei SSB TG504 Welche Schaltung wäre zwischen Senderausgang und Antenne eingeschleift am besten zur Verringerung der Oberwellenausstrahlungen geeignet? TG505 Bei der erstmaligen Prüfung eines Senders sollten die Signale zunächst TG506 Welche Filtercharakteristik würde sich am besten für einen KW-Mehrband-Sender eignen?

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