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Weshalb fällt der Mond nicht runter?
Doch, das tat er immer wieder! Staunen? Gut da muss man weiter ausholen:
Der Mond, den wir nach draußen mitunter sehen, fällt zum Glück nicht runter. Weshalb? „Der ist im All schwerelos!“ ist meist die erste Antwort, aber die ist falsch. Auch Astronauten in der Raumstation sind nicht schwerelos, sind sie doch auch nur etwa 800 km von der Erde weg. O.K.,ganz schön weit für einen Fußgänger, aber die erfahren da oben fast die gleiche Schwerkraft wie auf der Erde. Beim Mond, der rund 384.000 km entfernt ist, sieht das schon etwas anders aus. Aber auch der erfährt Schwerkraft von der Erde. Der würde auch runterfallen wie die Astronauten, wenn er sich nicht bewegen würde. Er kreist ja in etwa 4 Wochen einmal um die Erde, die Astronauten brauchen dafür nur etwa 90 Minuten. Immer wenn es so richtig rund geht, gibt es da so was wie die Fliehkraft. Diese Erfahrung machen wir früh auf der Kirmes. Aber diese Aussage ist auch falsch.
Stellen wir uns einen Riesen vor, der die Astronauten bzw. den Mond an einer langen Schnur über seinem Kopf herumschleudert. Die Schnur ist stramm gespannt und würde die reißen, wäre es aus mit der Karussellfahrt. Es ginge geradeaus weiter, wie es Newton schon behauptet hat und auf der Erde würden die bewegten Dinge zu Boden stürzen. Da ist dann die Schwerkraft die Schuldige. Die Kraft im Faden hält die Dinge auf der Kreisbahn. Nur sind weder unser Mond noch Astronauten angebunden, die erforderliche Kraft wird von der Schwerkraft der Erde aufgebracht. Sie hält die Körper auf der (Fast-) Kreisbahn.
Nun, mein Mond hat nur etwa 15 cm Durchmesser und er soll oberhalb einer Holzplatte schweben. Was er aber nicht tat. Sobald man in los ließ, polterte er heftig auf die Platte. Wie aber soll er dort schweben? Mein Mond kreist nicht um irgend ein Ding im Zimmer, da müssen wir die Schwerkraft der Erde mit anderen Maßnahmen überlisten. Magnete können sich beispielsweise abstoßen. Es scheint, als wären in den Ecken der Holzkiste 4 sehr starke Magnete, und im Mond offenbar auch. Er wird jedenfalls sehr stark in jede der Ecken gezogen, sobald er nur etwas von der Mitte der Holzkiste entfernt ist. Von Abstoßung ist da keine Spur! Erst ein ganz sorgfältiges Vorgehen führte zum Schweben. Ganz langsam musste der Mond an die richtige Stelle gebracht werden, dann erst konnte man ihn loslassen.
Da ist aber etwas mehr, denn schließlich hat die Kiste (aber nicht der kleine Mond) einen Stromanschluss. Könnte es sein, dass in der Kiste etwas wie ein kleiner Induktionsherd ist? (Morgen gibt es gebratenen Mond!) Im Mond müsste eine Spule sein. Dann hätten wir so etwas wie einen Transformator, über den Energie in den Mond übertragen wird, wie es beim drahtlosen Laden eines Handys geschieht. Hier würde dann nicht geladen, sondern die Beleuchtung des Mondes betrieben. Wenn durch die Mond-Spule Strom fließt, wird sie zum Elektromagneten. Auch bei Elektromagneten kann eine Abstoßung auftreten. Diese Kraft könnte die Schwerkraft überwinden und der Mond oben halten. Steigt er zu hoch, wird die Kraft kleiner und so kann er nicht wegkatapultiert werden.
Wenn das die Erklärung ist, müsste so was auch andernorts klappen. Das Handy auf der drahtlosen Station müsste sanft zur Decke schweben. Gefährlich.wird es beim Induktionskochfeld in der Küche. Töpfe gut festhalten, die fliegen sonst an die Decke! Passiert nicht? Testen wir das einmal etwas kleiner: Etwas Aluminiumfolie auf das Kochfeld legen und einschalten. Ein paar Sekunden strebt die Folie nach oben, dann schaltet die Herdelektronik ab.
Zur Überprüfung können wir mal ein wenig forschen. Wir bringenden Mond in die ziemlich kleine stabile Position über der Mondbasis. Wenn man in anstößt, dreht er sich. Innerhalb von etwa 1 Minute nimmt die Rotationsgeschwindigkeit sogar alleine zu. Wenn man ihn abbremst und in Gegenrichtung anstößt, dreht er sich auch andersrum. Geht man von einem ruhenden Mond aus, stellt man fest, dass er sich zunächst in eine zufällige Richtung in Bewegung setzt, nach einer Weile wieder abbremst, sich rückwärts in Bewegung setzt. Auch hier wird er dann alleine schneller, um dann wieder abzubremsen, dann folgt wieder eine Richtungsumkehr. Das wiederholt sich einige Male, die Bewegungen werden länger. Irgendwann ist die Bremswirkung nicht mehr ausreichend, der Mond dreht sich nu noch in eine Richtung, die nicht vorhersagbar ist. Das hilft uns aber nicht, das Schweben zu erklären.
Bringen wir mal Technik ins Spiel: Auf unsere Mondbasis kommt eine Drahtschleife, eine Art von Spule, die an ein Oszilloskop angeschlossen wird. Und voila, das Oszilloskop zeigt uns eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 171,8 kHz mit sehr vielen Oberwellen. Sinus sieht anders aus. Im Holzkasten ist also wirklich ein kleines Induktionskochfeld! Allerdings müssen wir unsere schöne Theorie gleich wieder einstampfen: Die Beleuchtung ist abschaltbar und wenn die nicht leuchtet, ist das Wechselfeld nicht mehr vorhanden. Es dient offensichtlich nur der zur Energieversorgung der Mondbeleuchtung.
Suchen wir weiter und stellen zunächst fest, dass der Mond auch eine Anziehungskraft hat. Und zwar eine magnetische Anziehungskraft! Im Innern ist also ein Magnet verbaut. Auch die Mondbasis enthält einen Magneten, denn auch ohne Stromversorgung zieht sie kleine Eisenstückchen an. Stoßen sich dann gleichnamige Pole in Basis und Mond ab? Dass es grundsätzlich möglich, man würde aber niemals erreichen, dass ein Magnet stabil über dem andern schwebt. Das ist ein labiles Gleichgewicht, sowie in der Situation, wenn man auf eine große glatte Kugel eine kleinere glatte Kugel legt. Sie wird immer herunterfallen.
Man muss noch dafür sorgen, dass der Mond eine kleine Kraft erfährt, wenn er sich aus der Mittelpunktsposition heraus bewegt. Das könnte man mit Elektromagneten erledigen, die den Mond in die Mittelpunkts Lage zurückziehen. Dazu müsste in irgendeiner Weise die Position des Mondes ermittelt werden und dann in Abhängigkeit von der Mondposition ein Strom durch die Spulen geschickt werden.
Ist das machbar? Ja! Da der Mond sowieso einen starken Magneten beinhaltet, kann man Hall-Sensoren verwenden, um seine Position festzustellen. Stellen wir uns das wie ein Koordinatensystem vor, so müssen wir seine X Koordinate und seine Y Koordinate ermitteln. Das sind schon mal zwei Sensoren. Wenn der Mond beispielsweise in Richtung der positiven x-Achse auswandert, müsste ein Magnet auf der positiven x-Achse seine Anziehungskraft reduzieren, ein Magnet auf der negativen x-Achse seine Anziehungskraft erhöhen. Das gilt natürlich auch umgekehrt. Eine ähnliche Überlegungen muss man für die Y Achse anstellen, ein Hallsensor müsste die Y Auslenkung feststellen. Über zwei Spulen auf der negativen bzw. positiven y-Achse muss der Mond je nach Lage mehr oder weniger stark angezogen werden. Nötig erscheint es auch, die Höhe des Mondes über der Holzkiste zu kennen, das könnte ein dritter Sensor erledigen, der dann Einfluss auf den gesamtfließenden Spulenstrom nehmen könnte und so eine Justierung der gesamten Anziehungskraft vorzunehmen.
Felddspule für ddas Licht Und hier steckt noch mehr Technik
An der Stelle muss der Schraubenzieher her und nun der Inhalt des Kastens ergründet werden. Vier Stahlplättchen in der Mitte, acht Transistoren am Rand der Platine, einige ICs und zwei Trimmpotentiometer sind erkennbar, dazu kommt noch etwas Vogelfutter. Nimmt man die Platine heraus, entdeckt man auf der Rückseite vier Spulen und einen großen ringförmigen Magneten. Im Kasten selbst sitzt eine runde Spule, die an eine zweite Platine angeschlossen ist. Die ist die Quelle des hochfrequenten Felds.
Polschuhe der Feldspulen 3 Hallsonden als Magnetfeldsensoren
Die Stahlplättchen auf der Oberseite befinden sich genau unterhalb der Spulen, hier kann wohl durch Verschieben die Stärke und Form des Magnetfeldes justiert werden. Zwei der Chips erweisen sich als Vierfachoperationsverstärker der untenl links ist ein Vierfach-Analogschalter. Je vier der Transistoren auf der Außenseite bilden offenbar eine H-Brücke für je zwei der Spulen. Bei genauerem hinsehen entdeckt man auf der Rückseite der Platine in der Mitte einige kleine Bauteile, das scheinen die gesuchten Hallsonden zu sein. Sie sind jeweils um 90° zueinander versetzt Auch ohne Details an einer Schaltskizze ablesen zu können, sieht man, dass die Vorüberlegungen weit gehend richtig gewesen sein müssen.
Angela Merkel wurde mal gefragt, ob sie glauben würde, dass es Leben auf dem Mond gibt.
Ihre Antwort: "Natürlich, brennt ja jeden Abend Licht da oben!"
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Wir haben die Angewohnheit uns mit elektrischen Geräten zu umgeben, die immer als Ursache herhalten müssen, wenn mal etwas nicht funktioniert. Das können Heizung, Licht Rollladen und mehr sein. Und ständig fällt mir etwas neues ein...
Der Raum meines alten Büros hat 4 Rollläden, die motorisch betrieben werden. Hinzu kommen 4 Gruppen von mit je 5 Einbaustrahlern. Schon seit 20 Jahren erfolgt die Bedienung mit einer Funkfernsteuerung. Die Technik dazu fand Platz in einem Kabelkanal, der Netzwerk-, Antennen- und Telefonkabel Heimat gibt. Ebenso sind dort 4 Versorgungsmodule für die alten Halogeneinbaustrahler untergebracht. Das war „natürlich gewachsen“, es wurde immer wieder umgebaut und sah deshalb inzwischen grausam aus.
Demontierte Maugruppen Es sieht schlimmer aus aals es ist
Das sollte im laufenden Betrieb erneuert werden. Licht und Rolllladen sollten nicht über mehrere Tage ohne Funktion sein. Na denn mal, den Kabelkanal so weit wie möglich demontieren und die Geräte abschrauben, die Verkabelung blieb erst mal dran…
Klemmleiste für Rollladen, Licht LSA-Leiste für Kommunikation
Zunächst mal wurde eine Klemmleiste für alle Zu- und Ableitungen am oberen Kanalende montiert. Das sind die Rollladenkabel mit 5 x 1,5 mm² und die Lichtleitungen mit 3 x 1,5 mm². Für N und SL müssen Sammelklemmen her. Die Klemmleiste blieb zunächst noch leer.
Zweite Baustelle ist die Verteilung der Steuer- und Telefonkabel. In jedem Raum endet ein 10-paariges Kabel mit 20 x 0,4 mm². Das verzweigt in die Telefonleitungen im Raum, sogar ISDN ist noch dabei, Ja ein paar ISDN-Telefone sind noch aktiv. Dann führen zu jedem Heizkörper Steuerleitungen mit Cat-5-Kabeln. Die waren damals beim Umbau noch vorrätig. Von kleinen Anschlussbuchsen wurden die Ventilantriebe bedient, ebenso ein steckbares Fernthermometer, das seine Daten an einen Steuerrechner im Keller sandte.
Hier bot es sich an, Eine LSA-Klemme einzubauen, die fand am unteren Kanalende ihren Platz. Alle Kabel konnten sauber aufgetackert werden. Das konnte mit etwas Vorsicht sogar „life“ ohne Abschaltung erfolgen. Telefonisch waren wir stets noch erreichbar.
Die alten Halogenstromversorgungen hatten sich als wahre Störsender bis weit in den Kurzwellenbereich erwiesen. Das kam bei mir als Amateurfunker gar nicht gut an. Da die 20 Strahler in der Decke statt 20 x 50 Watt nun dank LED-Technik nur noch 20 x 6,5 Watt benötigen, wurde hier wie in anderen Räumen auch ein 150 Watt-Netzteil verwendet, das 12 V Gleichspannung liefert. Die Kleinspannung kann leicht mit MOS-FETs geschaltet werden.
Allerdings liefert die Lichtschaltung 230 V. Das sind die alten Decken- und Wandanschlüsse, die bis in den Kanal verlängert wurden. Vier Koppelrelais auf einer weiteren Hutschiene im oberen Teil des Kanals beheben das Problem, die Steuergeräte erhalten nur noch 12V.
Koppelrelais für Lichtschaltung Lichtmodul
Diese Lichtschaltung erfolgt von einem kleinen Schaltgerät im Kanal. Es ist über ein I2C-Kabel mit dem Steuergerät verbunden. Die Schalterinformationen gelangen so zum „Rechnerchen“, die Daten für die MOS-FETs gehen den umgekehrten Weg. Ist das Steuergerät nicht in Betrieb, werden die Leuchten direkt von den Eingangssignalen geschaltet. Das gleiche Modul wird auch in anderen Räumen verwendet.
Dann gibt es eine „Relaiskiste“, die Rollläden bedient, das 12V-Netzteil abschalten kann und eine Rollladenzeitschaltuhr anbindet. Hier haben 23 Industrierelays ihren Arbeitsplatz. Da auch dieser Baugruppentyp auch an anderer Stelle verwendet wird, wo sogar 8 Rollladengruppen sind, ist diese Baugruppe hier etwas überdimensioniert. Auch hier ist der Betrieb ohne das Steuergerät möglich, die Zeitschaltuhr fährt dann alle Rollladen synchron.
Das Steuergerät ist in einem weiteren Gehäuse untergebracht. Es bedient die Relaisgruppe, die Lichtschaltung und nimmt Daten von einigen Sensoren entgegen. Weiter ist ein WiFi-Modul und ein 866MHz-Empfänger eingebaut, eine Echtzeituhr und ein Hardwarewatchdog. Der Prozessor ist ein ESP 32, der auch mit dem Webserver und einem Datenmodul nicht ausgelastet wird. Klar, auch diese Baugruppentyp wird auch an anderen Stellen verwendet.
Übrigens: Alle Verbindungen sind steckbar, dort wo Netzspannung im Spiel ist oder Lichtstrom fließt, sind Molex-Verbinder eingesetzt. Ansonsten werden Klinkenstecker, RJ45-Verbinder oder andere Normverbindungen eingesetzt. Versorgt werden alle Module von einem 15V-Steckerrnetzteil, denn das „dicke“ Netzteil ist nur in Betrieb, wenn es benötigt wird.
Dann kam die Umschaltung. Die Licht- und Rollladenleitungen wurden auf die Klemmleiste gelegt, der Rest war vorverdrahtet. Angeschlossen mussten auch die Lichtkabel. Da von jedem Einbaustrahler ein Kabelpaar kommt, ist das ein Mordsbündel, die Stromaufnahme einer 12 V Halogenlampe mit 50 Watt liegt über 4 A. Davon waren 20 Stück verbaut, das war eine richtige Deckenheizung. Bei heutigen Energiepreisen wäre das wie Geld zu verbrennen. Im wahren Sinn des Wortes!
Klemmen für Lichtstromkreise Relaisbaugruupe für 8 Rollladen
Die Inbetriebnahme war ziemlich problemlos, nur die Reihenfolge der Relaisleitungen war genau umgekehrt, die Zählweise war falsch. Da wurden dann einige Leitungen umgeklemmt, obwohl man das auch im Steuerprogramm ändern könnte. Es sind reichlich kleine Leds in den Geräten verbaut sind, das ist fast eine kleineLichtorgel. Die hilft aber bei aber bei der Fehlersuche, weil man viele Ein- und Ausgangssignale im Blick hat.. Auch an der Software wurden noch einige Korrekturen vorgenommen. Da aber bei allen Steuergeräten im Haus gleiche Softwaremodule für WiFi- NTP, Sensorik usw. genutzt werden, sind gravierende Fehler kaum denkbar. Oder in allen Geräten vorhanden…
Andere Zimmer haben eine ähnliche Technik, allerdings versorgt dort auch ein Gerät auch mal zwei Räume, wie die Straßenseite im EG. Dann passen die erforderlichen Relais auch auf die Platine des Steuerrechnerchen. Die Schaltungen sind Eigenentwicklungen, die Platinen mit KICAD entworfen und geprüft und dann industriell gefertigt. Die Sicherheitsvorschriften werden eingehalten, hoffe ich jedenfalls, denn die vermehren sich schneller als Kaninchen. Berufsbedingt bin ich auf dem Gebiet nicht ahnungslos, fachlich sollte es keinen Grund für Beanstadungen geben.
Geöffneter Steuerrechner Verdrahtung oben
"Bitte hören Sie auf mit diesen schlechten Wortspielen!"
"Watt?"
"Sie sollen aufhören mit ihren Wortspielen über die Elektronik"
"Tut mir leid. Das Volt ich nicht"
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Schalttransistoren für HF verwenden?
Bei einigen älteren Projekten wird vorgeschlagen, in einer KW-PA Power-MOS-FETs für Schaltnetzteile verwenden. [1] Auch wurde berichtet, dass, solche Transistoren bei der Reparatur alter Endstufen als Ersatz für bipolare Transistoren eingesetzt wurden.[2]
Das klingt erst mal gut, Schalttransistoren kosten nur einen Bruchteil des Preises von HF-Leistungstransistoren. Das ist auch verlockend, wenn die Originalhalbleiter nicht mehr zu beschaffen sind.
Abb. 1 Der Patient mit defektem Treibertransistoren
Hier sollen die Erfahrungen aus einem Reparaturversuch mit dieser Technik vorgestellt werden. Das Problem war die Endstufe aus einem älteren Kenwood-Transceiver. (Abb. 1) Ein Amok laufendes Netzteil hatte die Treibertransistoren in den Siliziumhimmel befördert. Das ist ein Serienfehler des Geräts, deshalb war der Originaltransistor längst ausverkauft und nicht mehr verfügbar.
Die Lage:
Klassische Endstufen müssen im A- oder bei Gegentaktendstufen im AB-Betrieb arbeiten, wenn sie SSB-Signale verstärken. Nur dann arbeiteten sie linear und liefern saubere Ausgangssignale. Bei Eintaktschaltungen ist dazu ein recht hoher dann Kollektorruhestrom in der „Mitte“ der Arbeitskennlinie erforderlich, der Wirkungsgrad liegt erheblich unter 50 %. Gegentaktschaltungen benötigen nur so viel Ruhestrom, dass der Arbeitspunkt am Anfang des linearen Teils der Kennlinie liegt. Zur Festlegung des Arbeitspunkts wird dem Steuersignal ein fester Basisstrom überlagert. Je nach Ausgangsleistung der Stufe kann der Kollektorruhestrom durchaus 50-500 mA betragen, der Basisstrom ist deshalb relativ hoch. Der Basisstrom muss einstellbar und temperaturkompensiert sein. Sonst steigt der Kollektorstrom im Betrieb exponentiell mit der Temperatur. Das steigert die Erwärmung noch mehr, so was endet für den Transistor dann tödlich. Für Erzeugung des Basisstroms reicht ein Poti alleine nicht, man muss etwas mehr Aufwand treiben. Abb. 2 zeigt die Schaltung der Treiberstufe des Patienten.
Abb. 2, Treiberstufe der PA
Die Temperaturkompensation erfolgt mit D3 und D4., wobei in D3 eine „Thermodiode“ gleich zwei in Reihe geschalteten P-N Übergänge hat. D4 ist auch eine Spezialausführung. D3 ist in engen thermischen Kontakt direkt auf einem der Treibertransistoren montiert. (Abb. 1. unten im gelben Rechteck) Mit steigender Temperatur, sinkt die Spannung an den Dioden und damit die Spannung am Schleifer von RV1 und so der von Q3 gelieferte Basisstrom. Was der Konstrukteur mit D2 erreichen möchte, bleibt ein Rätsel. R11 und R12 stabilisieren die Treiberstufe und sollen vor wilden Schwingungen schützen. R14 und R15 bewirken zusätzlich mit den Spulen eine frequenzabhängige Gegenkopplung.
Dass erste Problem im Zusammenhang mit dem Transistortausch ist banal: Will man Q4 und Q5 durch MOS-FETs ersetzen müssen die Nachfolger mechanisch auf Platine und Kühlkörper passen. HF- Leistungstransistoren haben aber oft ein Strip-Line-Gehäuse, das es dann auch noch in verschieden Varianten gibt.
Abb. 3 Stripline-Gehäuse
Sie müssen gekühlt werden der Ersatz muss an der alten Stelle vorhandenen Kühlkörper passen. Es ist keine gute Idee, den Transistor mit durch Drähtchen verlängerten Anschlussbeinchen irgendwo an einer freien Stelle zu montieren. HF-Schaltungen mögen so was nicht. Hier hatten die alten Treibertransistoren ein TO220-Gehäuse. HF-Transistoren in diesem Gewand sind heute rar. früher fand man so was in CB-Nachbrennern, die ein bisschen mehr Leistung als brachten. Heute sind solche Halbleiter kaum noch verfügbar. Außerdem weisen sie in der Regel nicht die erforderliche Spannungsfestigkeit auf, die CB-Endstufen wurden durchweg mit 12 V betrieben. MOS-FET-Schalttransistoren haben oft ein TO220-Gehäuse und sind ziemlich schnell. Das regt dann die Phantasie an…
Lösungsansatz:
Für den ersten Versuch wurde die Schaltung nach Abb. 4. geändert. Q3 fehlte dabei noch, die Basis von Q4 war am Schleifer des Potentiometers.
Abb. 4 Erste modifizierte Treiberschaltung
Selbstsperrende MOSFETS benötigt statt des Basisstroms eine Gate-Spannung von wenigen Volt. Das gibt Konflikte mit R11 und R12 der alten Schaltung, die müssen raus. Ferner muss dafür gesorgt werden das die von RV1 gelieferte Spannung höher ausfällt. Die Spannung der alten Reihenschaltung von D3 und D4 muss größer werden, ein Versuch mit mehreren weiteren Siliziumdioden in Reihe scheiterte. Vorsichtshalber wurde vor der Inbetriebnahme wurde zum Schutz der Endstufentransistoren deren Basis abgelötet.
So modifiziert arbeitete die Treiberstufe perfekt als Oszillator mit ca. 62 MHz. Die Drosseln in der Gegenkopplung verträgt die Schaltung nicht, sie mussten gebrückt werden. Dann war die Stufe erst mal „ruhig“.
Man konnte zwar 80mA Ruhestrom einstellen, aber selbst ohne Ansteuerung führte die Eigenerwärmung der Treibertransistoren zum Durchgehen des Drainstroms. Die verschiedentlich verbreitete Ansicht „MOS-FETs brauchen keine Temperaturkompensation“ [2] ist falsch, die Schwellenspannung, bei der der Drainstrom einsetzt, ist stark temperaturabhängig. [3] Die Dioden reichten zur Kompensation nicht, obwohl das vielfach so angegeben wird [4].
Den kühlen Kopf bewahren:
Nach Durchkneten von etwas Gehirnschmalz entstand die modifizierte Schaltung mit Q3, der Hauptakteur ist. Er erhält von RV1 eine durch D2 schon etwas temperaturabhängige Gate-Spannung. Sie bewirkt, dass Q3 ein wenig leitend wird und so durch den Spannungsabfall an R17 die Spannung an der Anode von D2 absenkt wird. Diese Spannung wird über Q4, auf die Gate- Anschlüsse der Treibertransistoren gegeben. Q4 ist bei den MOS-FETs eigentlich entbehrlich. Q3 wird direkt auf einem der Treibertransistoren montiert. Der kleine MOS-FET kompensiert seine großen Brüder: Wird er erwärmt, sinkt seine Drainspannung und damit auch die Gate-Spannung der Treibertransistoren. Im Test stieg ohne Ansteuerung zunächst durch die Eigenerwärmung der Ruhestrom der Treiberstufe ein wenig an um dann bald mit der Erwärmung von Q3 fast auf den Ausgangswert zurückzugehen. Ein enger Kontakt der beiden Halbleiter ist nötig. Die gesamte Modifikation war problemlos auf der Leiterplatte realisierbar, ohne die optisch zu verschandeln.
Misserfolge;
Dann wurde der ganzen PA per Messsender HF zugeführt. Schon das Oszilloskop zeigte hinter dem Treibertrafo ein gruseliges Signal das mit Herrn Sinus nicht mehr viel gemeinsam hatte. Etwas Gegenkopplung durch R18 und R19 und die Gate-Widerstände R12 und R13 brachten kaum Verbesserungen. Letztlich entfielen die Sourcewiderstände die Gatewiderstände wurden auf 1 Ohm reduziert, nachdem der Gatestrom überschlagsmäßig bestimmt wurde. Dazu später mehr. Mit höherem Ruhestrom (280 mA) war das Signal der Sinusform etwas näher. Auch ohne den Analyzer zu bemühen war ersichtlich, dass das noch keine Lösung war.
Eigentlich ist das nicht verwunderlich. Im Gegensatz zu teuren HF- Leistungstransistoren müssen die MOS-FETs für Schaltnetzteile keine lineare Kettenlinie haben. Sie müssen nur möglichst schnell von“ an“ nach „aus“ und umgekehrt schalten. Um einen Überblick zu erhalten, wurde eine fliegende Schaltung, zur Aufnahme der Kennlinie wurde gebaut.
Abb. 5 Messung von IDrain in Abhängigkeit von UGate
Das Ergebnis sieht ähnlich so aus wie im Datenblatt:
Abb. 6 ID für UG zwischen 4V und 5V, IDmax ≈ 1,2 A
Bei der Inbetriebnahme traten beim Einsetzen des Drainstroms wilde Schwingungen der Messanordnung auf. Nicht verwunderlich, die Transistoren sind HF-tauglich. Eine wilde Verdrahtung ist HF-technisch eben ungeeignet. Mit Abblock-Kondensatoren C5 und C6 von Gate und Drain zu Source wurde die Schaltung ruhiggestellt, die Messung erfolgte nur mit knapp 200 Hz. Das Ergebnis ist ernüchternd, die „krumme“ Kennlinie bis zu UG = 4,5 V ist fast schon ein Ausschlusskriterium. Deshalb war auch der hohe Ruhestrom erforderlich.
Da es letztlich um die Drainspannung geht, wurde der Aufbau modifiziert:
Abb. 7 Messung von UD in Abhängigkeit von Ug zwischen 4V und 5V
Ein Ohmscher Lastwiderstand ist zwar in einer PA nicht realistisch, aber hier wurde ja auch nicht mit HF gemessen.
Abb. 8 UGate – UDrain – Kennlinie ab UG = 4,8V
ID hängt auch von UD ab, die Kennlinie hat Bananenform, das kann nicht klappen. Nichtlineare Kennlinien sind in Mischern gefragt, hier aber nicht.
Versuchsweise wurden verschiedene MOS-FET-Typen gemessen. Ältere Typen mit geringerer Soure-Drain-Grenzspannung und geringerem IDrain max. lieferten die besseren Resultate. Dabei gehört der hier verwendete IRF 710 noch zu den besseren Kandidaten!
Schließlich wurde auch die Endstufentransistoren wieder in Betrieb gesetzt und die Ausgangspannung per Scope an einer Dummyload kontrolliert. Das Eingangssignal stammte aus dem Messsender. Auch bei kleiner Ansteuerung und nur etwa 20 W Output war das Signal auf etlichen Bändern schon sichtbar verzerrt. Außerdem war eine deutliche Frequenzabhängigkeit der Kurvenform vorhanden.
Der Trackinggenerator des Spectrumanalyzers kam an den Eingang des Endstufenmoduls, eine Dummyload an den Ausgang. Mit dem Messbereich von 1,5 MHz bis 30 MHz und etwa 20 W Ausgangsleistung bei 7 MHz fiel das Ausgangssignal unter 4 MHz leicht und oberhalb 18 MHz erheblich ab. Der Frequenzgang zeigte Resonanzstellen. Das war so gruselig, dass ich das hier eigentlich gar nicht zeigen möchte.
Abb. 8a Frequenzgang der modifizierten PA
Transceiver mit breitbandigen PAs haben kaum eine Chance, die geforderten Werte für Ober- und Nebenwellenfreiheit zu erfüllen. Fast immer werden Filterschaltungen bzw. Antennentuner dahinter verbaut. Beim vorliegenden Gerät folgt für jedes Band ein eigener, relaisgeschalteter Bandpass der PA. Dahinter wartet noch ein Antennentuner alter Bauweise mit motorgetriebenen Drehkondensatoren auf Arbeit.
Die PA wurde wieder normal im Transceiver angeschlossen Mit Dummyload an der Antennenbuchse wurde das Ausgangssignal mit 50 dB Abschwächung am Spectrumanalyzer betrachtet. Trotz der Filterbänke und des Tuners waren Nebensignale und Oberwellen bis 35 dB unter dem Ausgangssignal vorhanden. Das zeige ich deshalb auch nicht, denn so was darf auf gar keinen Fall an eine Antenne!
Ursachenforschung:
Nichtlineare Kennlinien verursachen Oberwellen und Nebenwellen. Das zeigt sich hier deutlich. Durch seinen Aufbau hat ein MOS-FET eine recht hohe Gate-Source- Kapazität, Drain und Source und eine etwas kleinere zwischen Drain und Gate. Erstere kann einige 100 pF bis zu 1,5 nF betragen, die zweite ist kleiner liegt aber in der gleichen Größenordnung. Die Kapazitäten sind von der angelegten Spannung abhängig, die Kapazitätsdiode lässt grüßen. [5] Zusätzlich spielt der Ohmsche Widerstand des Gates eine beachtliche Rolle, so dass der Eingangskreis eine komplexe, frequenzabhängige Impedanz hat. Bei 14 MHz hat C = 1 nF ein XC ≈ 11 Ohm! So fließen auch im Gatekreis nennenswerte Ströme. Im Ausgangskreis sieht es ähnlich aus, die Impedanzen sind dort aber größer. Hinderlich ist auch die Kapazität zwischen Drain und Gate, die Spannungen sind gegenphasig, der fließende Strom durch diese parasitäre Kapazität ist um π/2 phasenverschoben. Willkommen im Land der Oszillatoren! Die Schaltungen der Kennlinienschreiber, waren trotz Abblockung noch handempfindlich und zeigten noch Schwingneigung. Das galt auch für die Endstufe, das würde den „welligen“ Frequenzgang erklären.
Auch ohne Mathematik ist plausibel, dass es bei den höheren Bändern erhebliche Leistungseinbußen geben muss. Praktisch waren die bei 21 MHZ noch verschmerzen, bei 29 MHz sank der Output fast auf homöopathische Werte. LDMOS-Transistoren, die echten HF-Spezialisten, sind auch nicht frei von diesen Effekten. Sie sind aber erheblich geringer. Um die Stufen aneinander anzupassen, müssen eventuell noch Eingangs- und Ausgangsübertrager modifiziert werden. Bei den Schaltransistoren stehen die Impedanzen von Eingang und Ausgang nicht im Datenblatt, schlechte Chancen für eine HF-technisch saubere Lösung!
Fazit:
Wenn es auch etliche Anleitungen zur Verwendung von MOS-FETs der Serie IRF xyz gibt, das Resultat ist deutlich suboptimal. Für Neukonstruktion sollte man darauf verzichten, bei Reparaturen bleiben sie eine Notlösung. Erforderlich sind recht hohe Ruheströme, reichlich Filter im Ausgang und eine solide Temperaturkompensation des Arbeitspunktes.
Letztlich wurden die IRF 710 ausgebaut und durch RD16HHF ersetzt, die ich noch entdeckt hatte. Das sind ältere HF-MOS-FETs im TO 220-Gehäuse.{6] Sie sind noch zu beschaffen [7] und sogar bezahlbar. Eine verschmerzbare Leistungseinbuße im 10m-Band gibt es auch hier, die fehlenden Drosseln in der Gegenkopplung sind wohl eine Ursache. Mit ca. 50 mA Ruhestrom kommt man aus. Neben- und Oberwellen (Abb. 9) bleiben unter der erlaubten Grenze. Das kann man zeigen!
Abb. 9 Ausgangsspektrum bei 14 MHz
Da ist zwar Unerwünschtes, aber es bleibt mehr 60 dB unter dem Nutzsignal. Erstaunlicherweise auch ohne Ansteuerung, dieser „Dreck“ kommt also nicht aus der PA selbst. Insgesamt darf das dann aber wieder an eine Antenne! Der Transceiver ist auch im Alter von 40 Jahren wieder im Einsatz. Es gibt zwar auch viel reizvolle „Neuen“ in der HF-Welt, aber es freut mich den langjährigen Begleiter wieder einsatzfähig zu haben.
[1] https://f5npv.wordpress.com/irf530-mosfet-amplifier/
[2] http://www.hampedia.net/kenwood/ts-930s-power-amplifier-repair.php
[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor#Schwellenspannung
[4] https://www.qrpforum.de/forum/index.php?thread/7007-verst%C3%A4ndnisfrage-zum-%C3%BCbertemperaturschutz/
[5] https://www.smarterworld.de/smart-components/halbleiter/nichtlineare-kapazitaeten-von-mosfets-berechnen.147708.html
[6] https://www.mitsubishielectric.co.jp/semiconductors/content/product/highfrequency/ siliconrf/discrete/rd16hhf1.pdf
Meine Frau meinte zu mir, dass ich endlich aufhören soll mit dem Funkegrätt zu spielen, oder sie verlässt mich - OVER!