5W Röhren VHF Oszillator

HF-Generator Das ist der Röhrengenerator, der hauptsächlich für Experimente mit Hochfrequenz entwickelt wurde, die etwas mehr Leistung erfordern. Das ist immer dann der Fall, wenn ein Lämpchen zum Leuchten gebracht werden soll. Der Generator erzeugt eine Frequenz im Bereich von 150-180MHz, die auch während des Betriebes von außen eingestellt werden kann. Die maximale Ausgangsleistung beträgt ca. 5W an 240Ohm. Die Auskopplung ist komplett galvanisch von der Netzseite getrennt und lose gewählt. Dadurch können verschiedenste Lasten ohne großen Anpassungsaufwand betrieben werden.

!! Achtung vor dem Nachbau !!
In Röhrenschaltungen werden hohe Spannungen in Verbindung mit Kondensatoren verwendet. Eine Berührung eines aufgeladenen Kondensators oder netzspannungsführenden Teilen kann lebensgefährlich sein. Eine Berührung mit der Hochfrequenz kann bei höheren Leistungen Verbrennungen der Haut verursachen.
Außerdem muss auf die Abschirmung der Hochfrequenz geachtet werden. Um keine Funkdienste bzw. Fernsehsender in diesem Frequenzbereich zu stören, muss sich der gesamte Aufbau in einem HF-dichten Gehäuse befinden. Mit dem Nachbau sollten nur jene beginnen, die schon Erfahrung auf dem Gebiet der Elektrotechnik und der Hochfrequenztechnik haben.


Innenansicht Das ist das Innenleben des Generators. Links im Bild ist der Netzfilter am Kaltgerätestecker zu sehen, daneben die Sicherung. An der Vorderseite befindet sich der Schalter und die Kontrolleuchte. Danach folgen der Gleichrichter, die Entladewiderstände und die Glättungskondensatoren. Hinter dem Kondensator ist der g2-Widerstand zu sehen. Im rechten Teil befindet sich der eigentliche Oszillator mit dem Schwingkreis. Auf der Hinterseite ist der Schwingkreiskondensator so angebracht, dass er von außen verstellbar ist. Parallel dazu liegt die Schwingkreisspule mit der Mittelanzapfung an der Gleichrichterschaltung. Der blaue Draht stellt die Auskopplung dar, die nur mit den Ausgangsbuchsen verbunden ist.

Schaltungsbeschreibung

Die ersten Bauteile nach dem Netzanschluss bilden ein Entstörfilter, welches HF Auskopplungen auf die Netzseite verhindert. Unerwünschte Hochfrequenz, die vom Trafo Richtung Netz fließen möchte, findet an der Induktivität (39mH) einen hohen Widerstand vor und wird an den Netzklemmen über den Kondensator (0.1µF) abgeleitet. Der Entladewiderstand (560k) ist unbedingt vorzusehen, da der Kondensator aufgeladen sein könnte, wenn die Schaltung vom Netz getrennt wird.
Der Trafo hat zwei Sekundärwicklungen, welche die Spannungen für Heiz- und Anodenkreis erzeugen. Es ist weiterhin wichtig, dass die Schaltung durch den Trafo galvanisch vom Netz getrennt wird, da der Massepunkt der Schaltung mit dem Gehäuse und somit mit dem Schutzleiter verbunden ist.
Im Heizkreis liegt ein 1 Ohm Widerstand, der zur Einschaltstrombegrenzung der kalten Röhren dient. Wenn man einen richtigen Röhrentrafo (z.B. aus einem alten Radio- oder Fernsehgerät) verwendet, ist dieser Widerstand nicht erforderlich, da bei solchen Trafos der Einschaltstrom durch eine erhöhte Steureaktanzen begrenzt wird. Da die beiden Röhrenheizungen in Serie geschaltet sind, sollten Sie zwei gleich alte Röhren verwenden. Es ist aber auch möglich bei entsprechender Trafospannung beide Röhren parallel zu schalten. Die beiden Kondensatoren (10nF), die parallel zu den Heizkathoden geschaltet sind, dienen zur Ableitung der Hochfrequenz, die sich in die Heizung einkoppeln kann.
Die Spannung für den Anodenkreis wird durch die Dioden (4x1N4007) gleichgerichtet und anschließend geglättet. Die Glättung erfolgt in mehreren Stufen. Die Hauptglättung erfolgt durch den 100µF Elko, der aber schon eine relativ hohe Induktivität besitzt. Deshalb werden noch kleinere Kondensatoren parallel geschaltet. Der letzte Kondensator sollte ein keramischer Typ sein, um die HF optimal zu überbrücken.
Der Oszillator wurde mit zwei EL84 (=6BQ5) aufgebaut. Diese Röhren sind eigentlich keine HF-Röhren, doch sie sind sehr großzügig aufgebaut (großer Abstand zwischen Anode u. Kathode = geringe Kapazität). Sie lassen sich problemlos bis zu 180MHz verwenden. Allerdings sinkt dann natürlich die Nutzleistung auf nur mehr 5W, anstelle von 34W in einer AB-Gegentakteinstellung bei NF ab. Aber 34W HF wären für viele Versuche ohnedies schon zuviel und da diese Röhren in fast jedem Radiogerät verwendet wurden, ist auch die Beschaffung kein Problem. Bei der EL84 (siehe Sockelschaltung ) ist das Bremsgitter mit der Kathode verbunden. Deshalb muss nur das Schirmgitter mit dem 1,5kOhm Widerstand (3W) auf die Anodenspannung gelegt werden. Im Betrieb ergibt sich damit eine g2 Spannung von ca. 200V. Um ein Schwingen des Gitters zu vermeiden, sollte ein 10nF Kondensator möglichst nahe am Sockel der Röhre auf Masse gelegt werden. Die Vorspannung für das Steuergitter (g1) wird durch zwei 100kOhm Widerstände erzeugt. Dadurch ergibt sich zwangsläufig eine Arbeitspunkteinstellung im C-Bereich, da nur positive Gitterspannungen möglich sind.
Die Rückkopplungskondensatoren sind variabel gewählt (2,5-4pF), da ihre Werte etwas kritisch sind. Sie leiten einen Teil der Anodenspannung der jeweils anderen Röhre auf das Steuergitter zurück und regen so eine Schwingung an.
Im Anodenkreis befindet sich der eigentliche Schwingkreis, der aus zwei gleichen Spulenhälften und einem Plattendrehkondensator (1-5pF) besteht. Die Schwingkreisspule hat 2 Windungen mit 13mm Durchmesser.
Der Schwingkreis wird von beiden Röhren impulsförmig angeregt, um die durch die Auskopplung abgezogene Leistung wieder zu ersetzen. Die Auskoppelspule hat ebenfalls 2 Windungen mit 15mm Durchmesser.

Schaltungssimulation

Von dieser Schaltung wurde auch ein PSpice Modell (Version 6.3 unter Windows 95) angefertigt, an dem man vor dem Nachbau die Einflüsse der einzelnen Bauteile testen kann. Die dabei erreichten Werte stimmen zwar nicht mit den tatsächlichen überein, denn dazu müssten allen parasitären Kapazitäten und Induktivitäten berücksichtigt werden. Es lässt sich aber ein Überblick über das Verhalten der Schaltung gewinnen. Besonders der Einfluss der Koppelkondensatoren auf die Schwingungsneigung kann so ausgetestet werden. Bei zu hohen Werten tritt eine Pendelschwingung auf, und die Hauptschwingung reißt ab.
Die notwendigen Röhrenmodelle für die EL84 habe ich von der Duncan's Amp Page. Sie sind zwar nicht für Hochfrequenz entworfen worden, funktionieren aber trotzdem. Wichtig ist nur, dass der Gitterstrom richtig simuliert wird, da das für den C-Betrieb wesentlich ist. Bei Hochfrequenz muss zusätzlich noch die Gitterkapazität berücksichtigt werden, da diese zusammen mit den Koppelkondensatoren einen kapazitiven Spannungsteiler bilden. Bei vielen einfachen Modellen wird der Gitterstrom automatisch als Null angenommen. Dann erhält man schnell astronomische Spannungen im GV-Bereich.

Schaltungssimulation Die Simulation beschreibt einen Oszillator, der mit zwei EL84 aufgebaut ist. All jene, die diese Datei nicht lesen können oder einen anderen Simulator besitzten, sollen die Schaltung so wie hier gezeichnet eingeben. Es ist wie gesagt keine perfekte Nachbildung der Realität, die ist aber ohnehin nie möglich.
Die g2-Spannung wird der Einfachheit halber aus einer zweiten Spannungsquelle gewonnen. Die Heizspannung wird bei Röhren fast nie simuliert. Da die Röhrenmodelle bei höheren Frequenzen sehr stark von der Realität abweichen, ist der Schwingkreis nur auf ca. 2 MHz abgestimmt. Es sind aber auch höhere Frequenzen möglich.

Simulationsergebnis Das Ergebnis zeigt deutlich, wie die Schaltung arbeitet. Es sind die Ausgangsspannung und die beiden Gitterspannungen dargestellt. In der obrigen Schaltung sind diese Messpunkte durch die V-Meter gekennzeichnet. Die Messung erfolgt immer gegen Masse.
Die positiven Spitzen der Gitterspannung steuern die jeweilige Röhre auf, wodurch der Schwingkreis angeregt wird. Sehr schön ist die 180° Phasenverschiebung der beiden Gitterspannungen zu sehen. Dieses Muster ist charakteristisch für eine Gegentaktschaltung.

Einige Tips für den Nachbau

Beim Aufbau von HF-Schaltungen sollte man immer auf einwandfreie Masseführung und kurze Leitungslängen achten. In meinem Modell habe ich die Kathoden beider Röhren direkt am Sockel mit dem Gehäuse verbunden und die Gleichrichterschaltung auch am Gehäuse geerdet.
Diese Schaltung ist eine Gegentaktschaltung. D.h. beide Röhren liefern abwechselnd Energie in den Schwingkreis. Aus diesem Grund sollten beide Röhren möglichst gleich beschaltet werden. Das kann man durch einen mechanisch möglichst symmetrischen Aufbau des Schwingkreises erreichen. Am besten dreht man dazu die Röhrensockel so, dass die Anodenanschlüsse sich gegenüberliegen. Dazwischen kann man dann den Schwingkreis anbringen. Wichtig ist auch eine symmetrische Zuführung der Anodenspannung auf die Mittelanzapfung der Schwingkreisspule. Man muss beachten, dass auch in diese Leitung HF von beiden Spulenhälften eingekoppelt wird. Auch die beiden Zuleitungen zum Drehkondensator koppeln in die Spannungszuführung ein und sollten deshalb möglichst weit von ihr entfernt sein. Es ist auch möglich, die Zuleitung durch das Spuleninnere zu führen. Allerdings sollte man keinen Kondensator direkt an der Schwingkreisspule auf Masse legen. Die Induktivität des kurzen Stückes Draht hilft eventuelle Unsymmetrien auszugleichen.
Außerdem sollte man auf unerwünschte Einkopplungen in alle Leitungen in der Nähe des Schwingkreises achten. Wenn man bedenkt, dass mit 2 Windungen im Abstand von 1cm vom Schwingkreis immerhin 5W ausgekoppelt werden können, kann man sich vorstellen, wie groß das Feld um den Schwingkreis ist. Wenn man es ganz sauber aufbauen will, sollte man den Schwingkreis vom Rest der Schaltung abschirmen. Es reicht aber auch, wenn man die beiden g2 Kondensatoren und die Heizspannungskondensatoren so dicht wie möglich am Röhrensockel montiert.
Im Schwingkreis fließen sehr hohe Ströme, sodass es sich empfiehlt zumindest für die Schwingkreisspule einen Silberdraht zu verwenden. Da durch die hohe Frequenz eine Stromverdrängung in die Oberfläche des Leiters erfolgt, kann auch ein versilberter Kupferdraht oder ein versilbertes Kupferrohr verwendet werden.


Einige mögliche Versuche mit Hochfrequenz

Magnetische Kopplung Den ersten Versuch, den ich hier vorstellen möchte, werden sicher alle die mit Hochfrequenz vertraut sind leicht durchschauen. Auf einem Glas liegt eine Glühlampe (6V,50mA). Am Lampensockel ist eine Drahtschleife von ca. 4 cm Durchmesser angelötet. Am Generatorausgang befindet sich eine ähnliche Drahtschleife. Wird die Hochfrequenz eingeschaltet, so beginnt die Lampe ohne eine Verbindung mit dem Generator zu leuchten.

Theoretischer Hintergrund: Dieser Versuch beruht auf der Energieübertragung durch magnetische Wechselfelder wie beim Transformator. Mit steigender Frequenz nimmt die Windungsspannung nach der Formel U=4.44*f*N*Phi zu und somit ist es möglich, in nur einer Windung eine Spannung von 6V zu induzieren.

Für den Tüftler: Bei meinem Modell ist in der Drahtschleife am Generator noch ein kleiner Trick versteckt. Ich habe einen Kondensator von 1pF in einem der Bananenstecker versteckt. Dieser liegt in Serie zur Drahtschleife. Dadurch entsteht bei der richtigen Frequenz eine Serienresonanz, wodurch ein sehr starkes Feld erzeugt wird. Dann leuchtet die Lampe auch noch in einem Abstand von 5cm.


Eindrahtlampe Der nächste Versuch ist dagegen schon etwas Eindrucksvoller. An nur einem Ausgang des Generators ist eine Glühbirne (6V, 50mA) angeschlossen, der andere ist mit dem Gehäuse (Erde) verbunden. Die Lampe beginnt trotz der fehlenden Rückleitung zu leuchten. Für den Laien kann das schon nach Trick oder Photomontage aussehen. Deshalb habe ich die Lampe auch auf ein Glas gestellt. Denn es gibt einfach keine Rückleitung ! Wenn man das Ganze aber hochfrequenztechnisch betrachtet wird, die Sache klarer.

Theoretischer Hintergrund: Bei so hohen Frequenzen spielt die Kapazität eine große Rolle. Kapazität ist überall dort vorhanden, wo sich leitende Flächen gegenüber stehen. Deshalb gibt es auch eine sehr kleine Kapazität zwischen Lampensockel und Generatorgehäuse. Da der kapazitive Widerstand nach der Formel Xc=1/(2*Pi*f*C) mit der Frequenz abnimmt erreicht man schon mit einer Kapazität von 1pF bei 180MHz einen Widerstandswert von 884Ohm. Bei genügend hoher Leistung (Spannung) des Generators reicht das aus, um einen Strom fließen zu lassen, der das Lämpchen leuchten lässt.

Für den Tüftler: Beim Nachbau dieses Versuches sollte man etwas mit der Drahtlänge experimentieren. Denn bei diesen hohen Frequenzen kommt es schon zu Abstrahlungen bei zu langen Drähten. Außerdem bilden sich Stromknoten entlang der Leitung. Wenn man die Lampe in solch einen Knoten legen kann, leuchtet sie besonders hell. Das kann man auch durch Ändern der Frequenz erreichen. Außerdem ist es wichtig, die Zuleitung am Fußkontakt des Sockels anzuschließen. Der freie Außenkontakt erhöht dann die Kapazität, was wieder mehr Leuchtkraft bringt.


Stehende Wellen

Stehende Wellen Das Verhalten von hochfrequenten Wechselströmen lässt sich am besten an einer Paralleldrahtleitung demonstrieren. Dazu spannt man einfach zwei blanke Silberdrähte im Abstand von ca. 5cm auf einer Länge von mindestens 3m. An einem Ende wird der HF-Generator angeschlossen, das andere Ende bleibt frei.
Mit diesen Drähten wird ein Lämpchen (12V,50mA) über zwei Schleifkontakte verbunden. Wird das Lämpchen entlang der Drähte verschoben, so leuchtet und erlischt es immer wieder, obwohl der HF-Generator immer eingeschaltet bleibt.

Das Video zeigt, wie sich die Helligkeit des Lämpchens entlang der Paralleldrahtleitung verändert. Es sind zwei Helligkeitsmaxima, also eine Halbwelle zu sehen. Die Helligkeitsverteilung ähnelt einem Sinus, wird aber durch die quadratisch zu- bzw. abnehmende Leistung (=Helligkeit) zu einem Sinusquadrat verzerrt. Das Geräusch kommt von den gespannten Drähten, die wie ein Saite mechanisch schwingen, wenn das Lämpchen darüber gezogen wird.

Theoretischer Hintergrund:
Bei so hohen Frequenzen wirkt sich schon die Laufzeit des Stromes aus. Wenn eine Wechselspannung am Eingang der Leitung angelegt wird, so läuft sie wie eine Welle in Richtung Ende. Doch noch bevor sie das Ende der Leitung erreichen kann, hat sich schon die Polarität am Eingang geändert. Es laufen also immer positive und negative Spannungsbäuche Richtung Leitungsende. Diese werden am offenen Ende der Leitung reflektiert und laufen zum Generator zurück. Dabei überlagern sie sich mit den nachkommenden Wellen, wodurch eine sogenannte "stehende Welle" erzeugt wird. Wenn sich ein positiver mit einem negativen Spannungsbauch überlagert, so erfolgt eine Auslöschung und das Lämpchen leuchtet an dieser Stelle nicht. Wird es jedoch in eine Zone verschoben, in der sich zwei gleichgerichtete Spannungsbäuche überlagern, dann leuchtet es. Der Abstand zweier Punkte in denen das Lämpchen leuchtet, entspricht der halben Wellenlänge. Denn sowohl ein positiver, als auch ein negativer Spannungsbauch bringt das Lämpchen zum Leuchten. Das soll aber nicht heißen, dass am Lämpchen Gleichspannung anliegt ! Aus der Länge zwischen zwei Maxima kann man mit folgender Formel auf die Frequenz zurückrechnen:


Wenn zwischen zwei Spannungsbäuchen z.B. 87cm gemessen werden, ergibt das eine Frequenz von 172,4MHz. Für eine überschlagsmäßige Berechnung reicht es aus, die Lichtgeschwindigkeit mit 300.000 km/s anzunehmen. Wenn man es ganz genau rechnen will, müsste man auch noch den Verkürzungsfaktor der verwendeten Leitung berücksichtigen. Denn die Wellen breiten sich entlang einer Leitung etwas langsamer aus, als im freien Raum.

Für den Tüftler: Wenn man etwas Zeit in Experimente investiert, gelingt es einen Abschlusswiderstand für die Leitung zu finden, bei der das Lämpchen über die gesamte Länge fast immer gleich hell leuchtet. Dann sind alle Wellenwiderstände gleich und es wird ein Großteil der Leistung auf den Abschlusswiderstand übertragen und deshalb nichts mehr reflektiert. Man sagt, die Leitung ist dann angepasst. Den Wellenwiderstand der Leitung kann man durch Änderung des Abstandes der beiden Drähte beeinflussen. Als Abschlusswiderstände sollte man nur induktivitätsarme Massewiderstände verwenden. Natürlich muss er auch die Leistung verkraften können. Eventuell muss man mehrere Widerstände parallel oder in Serie schalten. Bei der hier beschriebenen Leitung liegt der optimale Abschlusswiderstand etwa bei 140Ohm. Man sollte aber auch mit verschiednen Lämpchen experimentieren, da dieses einen relativ großen Anteil der Leistung benötigt.
Anhand des Verhaltens des Lämpchens kann man auch die Oberwellen des Generators beurteilen. Wenn höhere Frequenzen überlagert sind, äußert sich das in mehreren Helligkeitsänderungen innerhalb einer Wellenlänge, die dem sonst sinusförmigen Helligkeitsverlauf überlagert sind. Auch wenn der Übergang von dunkel zu hell nicht in beide Richtungen symmetrisch verläuft, sind Oberwellen (3.) vorhanden.


Energiesparlampe Sehr effektvoll wirkt der Versuch mit der Energiesparlampe, die in die Drahtschleife aus dem 1. Versuch gesteckt wird. Sie leuchtet fast so hell wie im Normalbetrieb, ohne galvanische Verbindung mit dem Generator.

Für den Tüftler: Dieser Versuch funktioniert auch mit einer defekten Lampe. Denn meistens sind dann nur die Heizfäden durchgebrannt und die werden nicht unbedingt benötigt. Sollte die Leistung des Generators nicht ausreichen, um die Röhre zu zünden, so kann man sie mit einem Anschluss an einen Pol des Generators halten. Wenn sich das Gas dann einmal erwärmt hat, leuchtet es auch ohne direkte Verbindung. Hat man noch eine gute Heizwendel zur Verfügung, so kann man diese auch zur Vorheizung benutzten. Der Trick funktioniert auch mit Leuchtstoffröhren. Allerdings benötigen diese eine höhere Leistung.

Mit Hochfrequenz kann man viele verblüffende Experimente durchführen und so das Wesen der Wellen besser verstehen lernen, welche in unserer Kommunikationsgesellschaft immer wichtiger werden. 

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