Amateurfunklehrgang – Der Weg zur HB9-Lizenz/ Grundschaltungen

Stromversorgung

Die Stromversorgung einer Amateurfunkstation ist entscheidend für die Leistung der Geräte. Günstige Netzteile halten oft nicht, was sie versprechen. Es ist besser, in eine qualitativ hochwertige Spannungsversorgung zu investieren, als am Netzteil zu sparen. Für den Betrieb einer Amateurfunkstation zu Hause steht das 230-Wechselstromnetz zur Verfügung.

Die typischen Amateurfunkstation benötigt 20 bis 30 A bei einer Spannung von 13,8 V, Toleranz: +/- 15 %). Die Versorgungsspannung muss frei von störenden Signalen und stabil sein. Die Versorgung muss abgesichert und kurzschlussfest sein. Die maximale Leistung soll über der maximalen Leistungsaufnahme der Station liegen. Bei der Aufstellung oder dem Einbau von Netzteilen oder Stabilisierungseinrichtungen muss darauf geachtet werden, dass die entstehende wärme zuverlässig abgeführt werden kann.

Der mobile Betrieb einer Funkstation stellt hohe Anforderungen an die Stromversorgung. Besonders wichtig ist dies bei leistungsstarken Transceivern. Eine ausreichende Bordbatterie ist entscheidend, um kontinuierlich senden zu können und sicherzustellen, dass das Fahrzeug jederzeit startbereit ist. Der Zigarettenanzünder ist für solche Ströme ungeeignet. Die Stromversorgung muss mit möglichst kurzen Leitungen an die Batterie angeschlossen werden. Eine separate Batterie für das Funkgerät kann sinnvoll sein, erfordert jedoch eine geeignete Lichtmaschine und einen Laderegler. Ein Spannungskonstanter kann die Betriebsspannung stabil halten, selbst wenn das Bordnetz keine ausreichende Spannung liefert.

Akkus & Ladeschaltungen

Vergleich Akkutechnologien

	Autobatterie	Blei-Gel	Li-Ion	LiFePO
Ladungsdichte Wh/kg	30-40	30-50	150-250	180-210
Entladekurve	Steil	Steil	Flach	Flach
Temperaturempfindlichkeit	Moderat	Moderat	Moderat bis hoch	Gering
Mech. Empfindlichkeit	Moderat	Gering	Moderat	Hoch
Temp. Empfindlichkeit	Moderat	Moderat	Moderat bis hoch	Gering
Beschaffungskosten	Tief	Tief-moderat	Hoch	Moderat
Haltbarkeit/Zyklenfestigkeit	5 a/1000	bis 12 a/1500	5-10 a/~2000	7-12 a/tausende

Es sei angemerkt dass es innerhalb der Technologien noch starke Unterschiede durch anwendungsspezifische optimierungen herrschen. Wenn bereits Bleiakkus vorhanden sind (Auto, Wohnmobil) lohnt es sich oft, diese Anlage auf den Funkbetrieb zu ertüchtigen. Wird eine fahrzeugunabhängige Mobilstation aufgebaut sollte eine Evaluation zwischen Li-Ion und LiFePO durchgeführt werden.

Linearregler ("Trafonetzteile")

Herkömmliche Netzteile mit einem Transformator sind ideal für Funkanwendungen, da sie keine zusätzlichen Störsignale erzeugen. Allerdings sind sie für den portablen Einsatz aufgrund ihrer Grösse und ihres Gewichts für einen 100 W Transceiver ungeeignet. Wenn Störsignale vermieden werden müssen und höhere Kosten akzeptabel sind, ist ein Trafonetzteil für den stationären Betrieb empfehlenswert.

Schaltnetzteile

Digitale Schaltnetzteile sind kompakter und leichter als herkömmliche Trafonetzteile. Sie können Ausgangsströme bis zu 100 A liefern, was bei Trafonetzteilen aus Kosten- und Gewichtsgründen nicht praktikabel ist. Sie sind effizienter und besser geeignet für den portablen Einsatz bei Veranstaltungen wie einem Fieldday oder im Urlaub geeignet.

Stromverteilung

Obwohl viele Netzteile und Stromverteilschienen damit ausgerüstet sind, der herkömmliche Bananenstecker ist nicht geeignet für den Anschluss eines Transceivers. Sie haben einen zu schwachen Kontakt, ein ungewolltes Abziehen ist leicht möglich. Zudem lässt sich der benötigte Kabelquerschnitt nicht mehr an diesen Steckern anschliessen. Büschelstecker sind eine bessere Alternative für temporären Einsatz bei höheren Strömen, aber auch keine dauerhafte Lösung. Eine sichere Verbindung für den Transceiver-Anschluss bei Feststationen erfolgt besser über Verbindungen wie Ringösen oder Quetschkabelschuhe an den lösbaren Polklemmen des Netzteils.

Eine empfehlenswerte Alternative, sowohl stationär als auch mobil, sind die Steckverbindungen des Anderson PowerPole Systems. Diese genormten Stecker, Buchsen und Verbinder sind stabil und in verschiedenen Farben erhältlich. Die Kontakte werden mit einer Crimpzange am Kabelende befestigt und die Steckerhülse arretiert sich automatisch. Für diejenigen, die dem Crimpen nicht vertrauen, gibt es auch Kontaktstücke zum Löten. Einige Netzteile und Funkgeräte sind bereits werkseitig mit PowerPole-Anschlüssen ausgestattet. Für dieses System sind auch Einbaubuchsen erhältlich.

Kleinverbraucher, welche ausserhalb des Shack an wetter und Feuchtigkeit ausgesetzt sind, können über Superseal (Hersteller: AMP) der Schutzklasse IP67 oder die Wk (Hersteller: WonkedQ) oder Sp Stecker (beide Schutzart IP68) angeschlossen werden.

Kabel und Spannungsabfall

Für die Spannungsversorgung eines Transcievers sind in der Regel 13.8 V und rund 20 A erforderlich. Um die maximale Kabellänge zu berechnen, welche die Spannung am Geräteeingang im erlaubten Toleranzbereich hält, gehen wir folgenden Rechenweg:

Für ein 4 mm² Kabel:

A=4mm

ρ=1.68×10 Ω*m

l=2m (Leitung hin und Zurück, also das Gerät steht ein Meter vom Netzteil entfernt)

Für den Widerstand verwenden wir $R={\frac {\rho *l}{A}}$ und für den Spannungsabfall $U=R*I$ an

und dann erhalten wir einen Spannungsabfall von 0.168 V was etwa 1.3 % entspricht. Bei ca. 11.5 m Kabellänge (zweiadrig) erreichen wir die 15 % Spannungsabfall. Wàhlen wir ein Kabel mit 6mm² ist die Toleranz bei 17.5 m ausgereizt.

Schwingkreise

Filter

Um bestimmte Frequenzen zu dämpfen (Sperrbereich) oder passieren (Durchlassbereich) zu lassen werden sogenannte Filterschaltungen benötigt. Als Kenngrössen von einem Filternetzwerken dienen die Kennfrequenz (f_c) und bei Bandfilter die Filtergüte Q. Ein Filternetzwerk ist durch die Übertragungsfunktion, auch als Filterkurve bekannt, charakterisiert. Wir beschränken uns auf den Hochpass, Tiefpass Bandpass und Bandsperre und betrachten den Aufbau von passiv wie auch aktiv aufgebauten Filternetzwerken.

Oszillatoren

Oszillatoren dienen zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen. Bei den diskret aufgebauten Oszillatoren wird das Signal durch Rückkopplung in einer Verstärkerschaltung erzeugt. Die Frequenz wird durch einen Schwingkreis bestimmt, dieser kann mit einem Quarz auf eine bestimmte Frequenz stabilisiert werden.

Klassische Oszillatorschaltungen

Die klassischen Oszillatorschaltungen haben Vor- und Nachteile, diese sind in folgender Tabellle gegenübergestellt:

Oszillatoren	Stabilität	Phasenrauschen	Harmonische Verzerrungen	Starten/Einschwingverhalten
Phasenschieber-Oszillator	Mittel	Mittel	Mittel	Gut
Wien-Brücke-Oszillator	Hoch	Niedrig	Niedrig	Gut
Hartley-Oszillator	Mittel	Mittel	Mittel	Sehr gut
Colpitts-Oszillator	Mittel	Mittel bis Niedrig	Mittel	Sehr gut
Clapp-Oszillator	Hoch	Niedrig	Niedrig	Gut
Quarzstabilisierter Oszillator	Sehr hoch	Sehr niedrig	Sehr niedrig	Langsam bis mittel

Qualitätskriterien für Oszillatoren sind primär die Stabilität betreffend Frequenz, Amplitude und Phase, eine schnelles Ansprechen und die Genauigkeit der Kurvenform. Das Oszillatorsignal soll frei sein von Oberwellen, Nebenwellen und Rauschen.

Als Folgende Einflussfaktoren sollen Frequenz, Amplitude und Phase nicht wesentlich beeinflussen:

- Betriebsspannungsschwankungen (Hauptsächlich negativen Einfluss auf Amplitude und Frequenz)

- Temperaturschwankungen (insbesondere die Erwärmung während des Betriebes, beeinflusst meist die Frequenz, verhindern durch geringe Leistung)

- Die Belastung auf dem Signalausgang

- Mechanische Erschütterungen (relevant bei Röhrenschaltungen)

Schaltungsdesign und Bauteilqualität.

Hartley-, Clapp- und Colpitts-Oszillatoren sind alle LC-Oszillatoren, die Induktivitäten (L) und Kondensatoren (C) verwenden, um die Oszillation zu erzeugen. Für Anwendungen, die eine höhere Frequenzstabilität erfordern, ist der Clapp-Oszillator am besten geeignet, für einfache Anwendungen, bei denen die Komponentenanzahl minimiert werden soll, wird der Hartley- oder Colpitts-Oszillator bevorzugt verwendet.

Der Hartley-Oszillator

Der Hartley-Oszillator bietet eine mittlere bis gute Frequenzstabilität, diese hängt aber stark von der Qualität der verwendeten Komponenten ab. In der Regel zeigt er ein akzeptables Phasenrauschen, dieses kann durch Verwendung hochwertiger Komponenten verbessert werden. Das Design ist relativ einfach und benötigt weniger Komponenten im Vergleich zu einigen anderen Oszillatoren.

Der Colpitts-Oszillator

Der Colpitts-Oszillator bietet eine ähnliche Frequenzstabilität wie der Hartley-Oszillator. Das Pahsenrauschen ist in der Regel akzeptabel und kann durch Verwendung von Qualitätskomponenten verbessert werden. Das Design ist relativ einfach,

Berechnen der Frequenz: Die Frequenz wird durch die Induktivität der Spule und die Kapazität der Kondensatoren C₁ + C₂ bestimmt.

Thomsonsche Formel:

$f_{\mathrm {res} }={1 \over 2\pi {\sqrt {L_{1}\cdot \left({C_{1}\cdot C_{2} \over C_{1}+C_{2}}\right)}}}$

Der Clapp-Oszillator

Der Clapp-Oszillator ist die verbesserte Version des Colpitts-Oszillator und ist auch für höhere Frequenzen geeignet. Ein Hauptvorteil des Clapp-Oszillators gegenüber dem Hartley- und Colpitts-Oszillator ist seine verbesserte Frequenzstabilität, insbesondere über einen breiten Frequenzbereich. Das Design ist etwas aufwändiger als das des Hartley-Oszillators. Der zusätzliche Kondensator dient zur zusätzlichen Frequenzstabilisierung.

Der PLL-Oszillator

PLL (Phase-Locked Loop) ist eine Regelungstechnik. Ein PLL-basierter Oszillator, oft als Synthesizer bezeichnet, verwendet einen externen Referenzoszillator in Kombination mit einem VCO (Voltage-Controlled Oscillator) und einem Phasenkomparator, um die Ausgangsfrequenz des VCO zu stabilisieren und zu steuern.

Der PLL-Oszillator hat gegenüber den vorher beschriebenen Oszillatoren einige Vorteile. Die Frequenzstabilität eines PLL-Oszillators ist oft sehr hoch, da er sich an eine stabile externe Referenz "anschliesst". Wenn diese Referenzquelle (z. B. ein Quarzoszillator) sehr stabil ist, wird auch die PLL-Stabilität hoch sein. Das Phasenrauschen kann in gut entworfenen PLL-Systemen niedrig sein, aber es gibt einen Bereich, in dem das Phasenrauschen des VCO dominant sein kann, bevor es durch das PLL "gezogen" wird. Die gewünschte Frequenz eines PLL-Oszillators kann durch die Einstellung der Frequenzteiler-Verhältnisse im Feedback-Loop oder dem Ändern der Referenzfrequenz eingestellt werden. Der Phasenkomparator erzeugt ein Fehlersignal basierend auf der Phasendifferenz zwischen den Frequenzen. Dieses Fehlersignal wird durch einen Filter und dann an den VCO gesendet, um dessen Frequenz anzupassen.

Verstärker