Inhalt (grüne Teile = HB3-Stoff)

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1 Inhalt (grüne Teile = HB3-Stoff) (* = HB3 Stoff, die Kennzeichnung der für HB3 wichtigen Teile mit einem Stern (*) ist eine wertvolle Hilfe beim praktischen Studium). 9 WELLENAUSBREITUNG Stromverstärkungsfaktor* Mess-Schaltung für Kennlinienaufnahme Kennlinien Transistor-Grundschaltungen Wichtige Zwischenbetrachtung Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung Berechnungsbeispiele Verlustleistung Der Feldeffekttransistor* Funktionsweise eines FETs* MOS-FET Steilheit Darlington-Schaltung Operationsverstärker Der invertierende Verstärker Der nichtinvertierende Verstärker Der Differenzverstärker Grundschaltungen* Gleichrichterschaltungen* Stabilisiertes Netzgerät Verstärkerschaltungen Gegenkopplung Verstärkerklassen Digitaltechnik Einleitung Neues Buch ILT-Digiboard Sinnvolle Praxis 53 ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/6 -

2 9.8 Wellenausbreitung* Feldstärke Ausgangsleistung P A und Eingangsspannung U e Bodenwellen, Raumwellen* Sonnenaktivität, Ionosphäre, Short skip, Long skip, DX-Verbindungen, E- und F-Schicht* App für iphone* MUF, LUF, FOT* SFI, A- und K-Wert Links zu aktuellen Ausbreitungs-Prognosen Fading und Schwund* Totalausfall der Kurzwelle, Mögel-Dellinger-Effekt* Kurzwellenbänder* Gray Line Amateurfunk-Frequenzen* Amateurfunk-Bandpläne* Weltreise in drei Minuten Bakentabelle UKW- und UHF-Bänder* Überreichweiten* Troposphärische Überreichweiten (Tropo)* Sporadic-E (E s ) Meteorscatter* Aurora Schon geübt mit dem ILT-App?* Hausaufgaben* Musterlösungen* Stichwortverzeichnis 78 ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/7 -

3 Bei konstanter Kollektor-Emitterspannung UCE misst man bei einer bestimmten Basisstromänderung die sich ergebende Kollektorstromänderung. Dieser Wechselstromverstärkungsfaktor (auch Kurzschluss-Stromverstärkungsfaktor genannt) ist immer etwa so gross wie die Gleichstromverstärkung B Formel 9-1) Transistor-Grundschaltungen Die Mess-Schaltung in Bild 9-1 benutzt den Emitter als gemeinsamen Anschluss für den Ausgang und den Eingang des Transistors. Deshalb hat diese Schaltung den Namen Emitterschaltung bekommen. Es lässt sich nun denken, dass auch die anderen Anschlüsse des Transistors als gemeinsamen Anschluss benutzt werden können. Man erhält dann so die Kollektorschaltung bzw. die Basisschaltung. Je nach Schaltungsart ändern sich die Eigenschaften der Schaltung, was in der untenstehenden Tabelle ersichtlich ist (Schaltungsbilder). Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung Schaltung U b U b U b R L R 1 R L R 1 R 1 T 1 T 1 T 1 U e R 2 U a U e R 2 R L U a U e R 2 U a Stromverstärkungsfaktor gross, z.b. 300 gross, z.b. 300 < 1 Spannungsverstärkungsfaktor gross, z.b. 300 < 1 gross, z.b. 100 Leistungsverstärkungsfaktor sehr gross, z.b gross, z.b. 300 gross, z.b. 200 Eingangswiderstand Ausgangswiderstand einige 100 bis 5 k gross, z.b. 100 k gross, z.b. 50 k klein, z.b. 100 klein, z.b. 50 gross, z.b. 50 k Lage der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung gegenphasig Gleichphasig Gleichphasig Die äusseren Schaltelemente sollen im Moment noch nicht allzu stark beachtet werden, wir kommen noch darauf zurück. ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/12 -

4 9.2 Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung Bei npn-transistoren muss die Basis stets positiv gegenüber dem Emitter sein (bei pnp-transistoren negativ). Transistoren werden deshalb mit einer Basis-Emitter-Vorspannung betrieben, der die Steuerwechselspannung überlagert ist. Die Basis-Emitter Vorspannung UBE und die Kollektor- Emitterspannung UCE stellen den Arbeitspunkt des Transistors ein. Bild 9-5 zeigt zwei Möglichkeiten dazu. Hier wird die Basis-Emitter-Vorspannung über einen Spannungsteiler (links) gewonnen, oder mittels eines Vorwiderstandes (rechts). U b U b R L R L R 1 C 2 R V C 2 C 1 T 1 U 2 ~ C 1 T 1 U 1 ~ R 2 U 1 ~ U 2 ~ 0 0 Bild 9-5: Basis-Emitter-Vorspannung beim bipolaren Transistor. Bei Erwärmung eins Transistors steigen die Ströme an und der einmal gewählte Arbeitspunkt verlagert sich. Dadurch ändern sich die Verstärkung, der Eingangswiderstand, der Ausgangswiderstand und noch eine Reihe von übrigen Parametern. Der Arbeitspunkt muss deshalb stabilisiert werden. Bild 9-6 zeigt links eine Gleichstromgegenkopplung. ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/16 -

5 Da wir für die weiteren Berechnungen IB benötigen, muss dieser zuerst berechnet werden. Aus der Formel B I I C B könnte durch Umstellen der Formel der Basisstrom berechnet werden, wenn, ja wenn der Kollektorstrom IC bekannt wäre. Aber hier weiss man lediglich den Emitterstrom IE. Also müssen wir den Basisstrom anders berechnen. Hier hilft eine kleine Überlegung, sowie als mathematische Rechenhilfe das Ausklammern bzw. das Faktorisieren. Falls Sie nicht mehr wissen, wie das geht, so blättern Sie die Lektion 2 nochmals durch und machen einige Beispiele zum Auffrischen. Gemäss Formel (9-2) setzt sich der Emitterstrom IE aus der Summe des Kollektorstromes IC und des Basisstromes IB zusammen. Also: IE IC I (9-5) B I E = Emitterstrom I C = Kollektorstrom I B = Basisstrom Da IC aber auch IB B beträgt, (durch Umformen der Formel (9-1)) kann man IE auch wie folgt darstellen: IE IB B I (9-6) B I E = Emitterstrom I B = Basisstrom B = Stromverstärkung ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/19 -

6 9.3 Der Feldeffekttransistor* Schon kurz nach der Erfindung des Transistors hat man sich Gedanken darüber gemacht, wie das Bauteil dahingehend zu verbessern ist, dass es keine Steuerleistung mehr braucht. Dabei ist man auf eine Patentveröffentlichung von Lilienfeld aus dem Jahre 1928(!) gestossen, welches einen Feldeffekt beschreibt. Beim Feldeffekt-Transistor dient eine in Sperr-Richtung gepolte Diode, also im Prinzip eine Kapazitätsdiode, als Steuerstrecke. Eine Spannung an einer Kapazität bewirkt ein elektrisches Feld ( Lektion 4) im Dielektrikum, daher die Bezeichnung Feldeffekt Transistor (FET). Es gibt eine Reihe von verschiedenen FETs, aber wir wollen hier nicht allzu tief in diese Technologie ein dringen. Hier kurz die Funktionsweise. Betrachten wir dazu Bild 9-9. p-leitend G Isolierzone n-leitend -U GS S Strompfad D G Isolierzone p-leitend R L U DS Bild 9-9: Aufbau eines Feldeffekttransistors. Man bezeichnet die Anschlüsse eines FETs mit Source (S) Drain (D) und Gate (G). Source kommt von Quelle, die Source entspricht dem Emitter beim bipolaren Transistor. Drain kommt von Abfluss, der Drain entspricht dem Kollektor. Gate kommt von Tor, das Gate entspricht der Basis eines bipolaren Transistors. Bild 9-9a zeigt das Schaltzeichen von Feldeffekt-Transistoren. ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/26 -

7 9.5.2 Der nichtinvertierende Verstärker Lässt man die Gegenkopplung als Spannung am Eingang wirksam werden, so kann man einen nicht invertierenden Verstärker bekommen. Bild 9-15 zeigt die Grundschaltung. R 2 - U e1 U e2 R 1 U a Bild 9-15: Der nicht invertierende Verstärker. Auch hier wird die Spannungsverstärkung v nur durch die äussere Beschaltung bestimmt, nämlich ebenfalls durch das Verhältnis der Widerstände R1 und R2. Es gilt somit beim nicht invertierenden Op-Amp: R2 v 1 R 1 (9-14) v = Verstärkungsfaktor R 1 = Widerstand R 1 R 2 = Widerstand R 2 ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/38 -

8 9.6 Grundschaltungen* Gleichrichterschaltungen* Bereits in Abschnitt (Kapitel 7) haben wir gesehen, dass man Dioden (Röhren oder Halbleiter) zur Gewinnung von Gleichspannungen brauchen kann. Dioden haben bekanntlich die Eigenschaft, den Strom nur in einer Richtung passieren zu lassen. Dort haben wir ja bereits die Einweg- Gleichrichtung kennen gelernt. Wie aus Bild 7-15 (Kapitel 7) ersichtlich ist, lädt sich der Kondensator C maximal auf die Spitzenspannung der anliegenden Wechselspannung auf. Die maximale Gleichspannung am Ladekondensator berechnet sich also: U CL U 2 (9-16) eff U CL = Spannung am Kondensator C U eff = Effektiv-Wechselspannung Bei der Einweggleichrichtung wird immer nur eine Halbwelle des Sinussignals ausgenutzt. D V~ D 2 C R L Bild 9-17: Zweiweg-Gleichrichterschaltung. ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/45 -

9 9.8 Wellenausbreitung* Ausser Sender, Empfänger und den dazugehörigen Antennen setzt das Zustandekommen einer Funkverbindung die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, die von der Antenne des Senders abgestrahlt und von der des Empfängers wieder empfangen werden. Die elektromagnetischen Wellen schlagen gleichsam eine unsichtbare Brücke zwischen Sender und Empfänger und schliessen die Kette der drahtlosen Nachrichtenübermittlung. Das elektromagnetische Feld ist aus elektrischen und magnetischen Feldkomponenten zusammengesetzt, die senkrecht aufeinander stehen. Das Feld breitet sich von der Quelle her (Antenne) kugelförmig mit der Lichtgeschwindigkeit in den freien Raum aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist: c m/ s (9-17) c 0 = Ausbreitungsgeschwindigkeit ( m/s, [oder auch km/s]) Feldstärke Bei der Ausbreitung unterscheidet man zwischen einem Nah- und einem Fernfeld. Für die HF- Übertragung ist allein das Fernfeld von Interesse. Es beginnt im Abstand r von etwa (= Wellenlänge Lektion 4) von der Antenne (r = Kugelradius der Ausbreitungskugel). Die Energiedichte des Fernfeldes nimmt mit 1 2 r ab, da die energiedurchsetzte Ausbreitungs- Kugeloberfläche mit r 2 zunimmt. Die Energiedichte eines Feldes ist proportional zum Quadrat der Feldstärke. Die Feldstärke nimmt mit der Entfernung proportional ab (weil die empfangene Sendeleistung auch abnimmt). ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/54 -

10 Ionosphäre Raumwellen Sender 50 km Tote Zone 800 km Erde 2'000 km Bild 9-21: Die Ionosphäre ermöglicht weltweite Verbindungen über Kurzwelle. Durch einen oder mehrere solcher Sprünge (Skip) ist es möglich, nicht nur sehr grosse Entfernungen zu überbrücken, sondern auch noch fast um den ganzen Erdball herum funken zu können. Solche Raumwellen entstehen aber nur bei Kurzwellen, bei UKW- und UHF Frequenzen ist die Ionosphäre fast durchlässig, es entstehen keine Reflexionen. In Bild 9-21 erkennt man auch, wie wichtig der Einstrahlwinkel für Funkverbindungen ist. Für den Betrieb über kurze Funkstrecken ist Steilstrahlung günstig (Short Skip oder Kurzer Skip). Der Abstrahlwinkel der Antenne muss steil (über 30 ) sein. Für lange Funkstrecken (interkontinentale DX- Verbindungen) ist Flachstrahlung (Long Skip oder Langer Skip) günstig. DX-Verbindungen erfordern also eine flache Abstrahlung (5-15 ) von der Antenne. Die höchste Frequenz, die auf diese Weise reflektiert werden kann, hängt einerseits vom Einfallswinkel der Welle, anderseits von der Ionisationsdichte der betreffenden Schicht ab. Da diese Dichte mit dem Tag/Nacht-Zyklus, dem Jahreszyklus und dem Sonnenaktivitäts-Zyklus wechselt, variiert der Maximalwert der Frequenz entsprechend. Der Sonnenflecken-Zyklus dauert 11 Jahre. Gutes Funkwetter oder eine Bandöffnung besteht dann, wenn die Dichte der Ionosphäre schön konstant und regelmässig ist, so dass entsprechende Weitverbindungen zustande kommen können. ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/58 -

11 9.8.7 SFI, A- und K-Wert Oft tauchen in den Funkwetter-Berichten Werte und Bezeichnungen auf, die nicht auf den ersten Blick verständlich sind. Hier einige Angaben. Für weitergehende Erläuterungen sei auf Spezial- Literatur oder auf das Internet verwiesen. Zunächst zum SF oder SFI: Mit SF ist der Solare Flux (mit SFI der solare Flux Index) gemeint. Dieser ist ein Mass für die gemessene Energiestrahlung der Sonne. Steigt dieser Wert über 100, ist mit belebten Kurzwellenbändern zu rechnen, im Sonnenfleckenmaximum können hier Werte bis 200 auftreten, Im Minimum leider nur etwa Die Werte A und K haben jeweils lokalen Bezug auf einen Beobachtungsort. Der A-Wert ist das Mass für die geomagnetische Aktivität. Je höher dieser Wert ist, umso aktiver ist das Erdmagnetfeld und umso höher ist die Wahrscheinlichkeit für aussergewöhnliche Ausbreitungsphänomene wie z.b. Aurora. Der K-Wert steht als Massangabe für die geomagnetische Unruhe. Er gibt also an, wie sich das Magnetfeld bezogen auf den Normalzustand eines Beobachtungsortes darstellt. Je höher dieser Wert, umso unruhiger das Magnetfeld Links zu aktuellen Ausbreitungs-Prognosen Auf unserer Website / Ham Radio / Propagation finden Sie auch einige interssante Links zu Ausbreitungs-Vorhersagen mit Bilder der aktuellen Sonnenflecken Fading und Schwund* Auch während der normalen Ausbreitungsbedingungen der Raumwelle (wenn das Band offen ist) ist die Feldstärke am Empfangsort nicht konstant, da sich die Ionisationsdichte und die Höhe der Ionosphäre vielfach ändern. Beim Empfänger äussert sich das im stetigen An- und Abfallen der Eingangsspannung, das als Schwund oder Fading typisch für den Kurzwellenempfang ist. Fading kann sich auch ergeben, wenn zwei Signale mit unterschiedlicher Phasenlage, also zum Beispiel ein Zusammenwirken von Boden- und Raumwelle und eine Zunahme der Ionisation der D-Schicht vorliegen. So stellt sich dann ein langsames Fading ein, wenn zwei KW-Stationen in relativ kurzer Dis- ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/62 -

12 zu beobachten. Ähnlich wie beim 10 m-amateurfunkband verhält sich auch das CB-Band (11 m). Berichte von CB-Weitverbindungen sind daher meist in der Zeit der Sonnenfleckenmaxima zu hören, denn dann ist es wirklich mit kleinsten Leistungen (= QRP) möglich, Super-DX-Verbindungen zu tätigen. Im 15 m-band sind fast nur Verbindungen über Tageslichtstrecken möglich, wo der Ionisationsgrad genügend gross ist und die MUF über 22 MHz hinausreicht. Die Sprungentfernung ist geringer als im 10 m-band, aber man kann auch hier bei guten Bedingungen recht grosse Distanzen mit kleinen Leistungen überbrücken. Das 20 m-band gilt als das klassische DX-Band. Es ist das ganze Jahr hindurch für Weitverkehrsverbindungen geeignet. Im Sommer sind die Nachtstrecken günstig, im Winter die Tagstrecken. Leider sind im 40m-Band, das sich sowohl für Nah- als auch Weitverbindungen eignet, Piraten- Rundfunksender aus dem Osten oft zu hören, so dass der Amateurfunkverkehr sehr erschwert wird. Durch die Banderweiterung auf 7.2 MHz und die Interventionen der dauernden Bandwacht sind die Verhältnisse etwas besser geworden. Die Eigenschaften des 80 m-bandes werden primär durch die D-Schicht beeinflusst. Im Allgemeinen ist das 80 m-band für den Regionalverkehr mit einem Radius von km geeignet. Eines ist sicher, nur in der Praxis können die Ausbreitungsbedingungen wirklich erforscht werden. Nur mit trockener Theorie ist es nicht getan, weil sich die Verhältnisse dauernd und sprunghaft ändern können. Es sind schon Weitverbindungen gemacht worden, zu einem Zeitpunkt, wo es eigentlich gar nicht hat gehen können Gray Line Weitere interessante Dinge über KW-Ausbreitung, wie Gray Line (Dämmerungslinie) finden Sie in Lektion 14.6 (KW-Propagation). Obwohl es nicht direkt für die Lizenzprüfung notwendig ist, lohnt es sich doch unbedingt, dort mal reinzuschauen, auch nach der Lizenzprüfung. Da sieht man, dass die KW-Ausbreitungsbedingungen noch von vielen anderen Faktoren beeinflusst werden. ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/64 -

13 Bakentabelle Rufzeichen Land Band / Frequenzen (MHz) / Minuten / ungefähre Entfernung von DL (Köln) 20m Band 17m Band 15m Band 12m Band 10m Band 14,100 MHz 18,110 MHz 21,150 MHz 24,930 MHz 28,200 MHz Km U1UN UN (NY) 00 / 03 / VE8AT Kanada W6WX USA 01 / 04 / KH6WO USA (Hawaii) 01 / 04 / ZL6B Neuseeland 01 / 04 / VK6RBP Australien 01 / 04 / JA2IGY Japan 01 / 04 / RR9O Russland VR2B Hong Kong 02 / 05 / S7B Sri Lanka 02 / 05 / ZS6DN Südafrika 02 / 05 / Z4B Kenia 02 / 05 / X6TU Israel 02 / 05 / OH2B Finnland CS3B Madeira 00 / 03 / LU4AA Argentinien 00 / 03 / OA4B Peru 00 / 03 / YV5B Venezuela 00 / 03 / Bild 9-23: Tabelle der weltweiten 18 IARU-Bakensender. ILT-Schule Amateurfunk (Vers ) 9/70 -