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  Ifür 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 Cund C 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 Uzwischen 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

Ihängt 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 gar nicht zeigen möchte.

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 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

[7] https://www.box73.de/

 

So manche Schätzchen verstauben in irgendeiner Ecke. Zum Elektroschrott damit? Nein, es sind viele Erinnerrungen damit verbunden. Die Anschaffung hatte oft einen hohen „Außenwi­derstand“, sprich sie erleichterte unsere Geldbörse erheblich. <da trennt man sich ungern.

Heutige Geräte haben mehr Features, aber das Angebot ist kleiner geworden. Bei sinken­der Zahl der Amateurfunker rentiert sich der Entwicklungsaufwand nicht. Viele Anbieter sind vom Markt verschwunden. Geräte für das 23 cm Band sind rar, Funkgeräte mit 13 cm- Band gibt es im Handel offenbar nicht mehr.

Es ist ein wenig Nostalgie, trotzdem kann die Oldies wiedererwecken. Auch wenn siee einen Defekt haben, lassen sie sich meistens leichter reparieren als neue Geräte. Die Fehlerquellen sind begrenzt, das erleichtert die Suche. Hier soll das Vorgehen an einem Beispiel erläutert werden.

Bei mir stand ein Semco Terzo-Digital mindestens 20 Jahre unbenutzt. Das Schätz­chen sollte doch noch mal in den Betrieb gehen! Und zwar portabel auf einem Bergrücken im Schwarz­wald an der Autobatterie und mit einer HB9CV auf einem Fotostativ. Das spielte auch bis zum ersten Druck auf die PTT -Taste: Es roch sofort streng elektrisch und ein Rauchwölkchen bahnte sich einen Weg aus den Lüf­tungsschlitzen. Das brachte mir den Kommentar eines an­deren OMs ein: Ich solle doch die Wolke mit einem Taschentuch modulieren und nach India­nerart Rauchzeichen senden. RM, Rauchzeichenmodulation war erfunden.

Der Semco ist knapp 50 Jahre alt, ich habe ihn 1979 gebraucht gekauft. Der Preis lag dennoch an der  Schmerzgrenze. Es war ein Gerät aus deutscher Fertigung der Oberklasse, quasi ein Mercedes unter den Funkgeräten. Er beherrscht alle Betriebsarten, hat noch einen konventio­nellen VFO, dafür in der Digitalver­sion bereits eine echte Frequenzanzeige.

Der Semco kam in die Werkstatt und etwa nach einem  halben Arbeitstag konnte er als geheilt entlassen werden. Ersetzt wurden zwei Tantal-Kondensatoren und ein Trimmpotentiometer. Verglichen mit zwei anderen 2m-Geräten hat er auch heute noch mit Abstand den emp­find­lichsten Empfänger. 20 W HF bei SSB und 15 W bei FM sind natürlich nicht überwälti­gend, aber selbst die 100 W des jüngsten Gerätes bringen nur etwas mehr als eine S-Stufe.

Im OV habe ich von meiner Reparatur berichtet. Kurz darauf stand ein Semco Terzo-Analog der Clubstation vor mir auf dem Tisch. Ein Problemfall, jahrelang nicht mehr im Betrieb ge­wesen, er soll nie richtig funktioniert haben. Der wurde mir dann als Herausforderung über­lassen.

Das Gerät war völlig tot, der Netztrafo lieferte Wechselspannung am Ladekondensator war nichts mehr zu messen. Der Semco besteht aus vielen Baugruppen und Platinen, die konventi­onell miteinander verdrahtet sind. Die kann man einzeln ausbauen, muss aber meistens viele Lei­tungen ablöten. Auch wenn im Netz zahlreiche Schaltbildauszüge veröffentlicht sind, möchte ich hier sicherheitshalber auf eine Wiedergabe verzichten.[1] Im Semco des OV war der Brückengleichrichter defekt, das ist ein seltener Fehler.

In älteren Geräten sind die Kondensatoren dass Hauptproblem. Elektrolytkondensatoren ver­lieren oft ab einem Alter von zehn Jahren ihre Kapazität. Sie können sich auch bei starker thermischer Belastung aufblähen und dann sehr effektvoll platzen. Hier hatte im Netzteil nur ein Kondensator mit 10µF den größten Teil seiner Kapazität verloren.

Tückisch sind Tantal-Kondensatoren. Sie wurden oft wegen ihres geringen Reststroms ver­baut. Sie vertragen keine impulsartigen Ströme, wie sie beim Einschalten auftreten. Sie schla­gen dann durch und schließen die Versorgungsspannung kurz. Es ist sinnvoll, Tantalkonden­satoren bei einem Defekt durch konventionelle Elektrolytkondensatoren zu ersetzen. Das habe ich auch bei den  beiden Semcos getan.

Der Semco hat als PA einen vierstufigen Verstärker in konventioneller Bauweise, die letzten beiden Transistoren sitzen auf einem Aluwinkel, der an den Kühlkörper geschraubt ist. Auf der PA-Platine waren gleich zwei Widerstände verbrannt. Sie sind in der Zuführung der Ver­sor­gungsspannung der PA wohl als Strombegrenzung vor den Tantal-Kondensatoren gedacht. Zwei Kondensatoren waren durchgeschlagen. Die PA wurde ausgebaut, dazu musste der Alu­winkel run­ter.

 

 

PA und Antennenrelais

Alte PA Transistoren, sind häufig mit einer Mutter aus Messing oder Kupfer auf dem Kühl­körper angeschraubt. Dabei wurde die Mutter mit einem Sicherungsmittel auf dem Transistor befestigt. Zum Lösen der Mutter sollte man tunlichst einen kleinen Schraubenschlüssel auf das abgeflachte Ende des Gewindebolzens setzen und die Mutter mit einem zweiten Schlüssel lösen. Hier hatte hier schon jemand die Mutter gedreht, ohne den Transistor gegen Verdrehen zu schützen. Vom Stripline-Transistor der Treiberstufe waren jedenfalls alle An­schlussbein­chen abgerissen. Nach kurzer Suche war der Transistor zu einem moderaten Preis noch be­stellbar.

In der Zwischenzeit konnte man ja einmal versuchen, den alten Transistor noch zu retten... Reste der Anschlussfahnen waren noch vorhanden. Mit vier dicken kurzen Kupferdrähten wurden die Anschlussbeinchen nachgebildet und der Transistor dann erst mal unter dem Win­kel auf der Platine an einem Beinchen angelötet. Nach Abbau des Winkels ließen sich dann auch die übri­gen Beinchen anlöten und der Winkel ganz ohne Verspannung montieren. De­fekte von Halbleitern sind selten, obwohl auch die altern. Wenn man hier auf „Leichen“ stößt, sind es fast immer Leistungshalbleiter.

Restaurierte Treiberstufe

Erwartungsvoll wurde der Sender aufgetastet, keine HF! Allerdings war auch schon am Eingang der PA nichts zu messen. Das kann man heute schon mit einem einfachen DSO und 10 : 1 Tast­kopf testen. Zur Geburtsstunde des Semco wären solche Oszilloskope für uns unbezahlbar gewe­sen.

In einem zugelöteten Blechgehäuse befindet sich der Sendemischer. Ein auf 9 MHz moduliertes Signal wird mit etwa 136 MHz gemischt. In die 1136 MHz ist bereits der VFO eingebunden, so dass die Aus­gangsfrequenz entsteht. Der Frequenzaufbereitung fehlte die Betriebsspannung.

 

Korrodiertes PTT-Relais

In älteren Geräten werden in der Sendeempfangsumschaltung fast immer Relais eingesetzt. Deren Kontakte verschmutzen, was dann Probleme verursacht. Nach Abziehen der Haube kann man die Kontakte mit einem Stückchen Papier reinigen. Nie Schleifpapier benutzen! Eine kleine Menge Kontaktspray kann dabei helfen. Das muss aber später unbedingt abge­wa­schen oder abgewischt werden. Kontaktspray bildet sonst bald einen Film, der wieder Prob­leme bereitet. Auch bei diesem Gerät lag hier ein solches "Kontaktproblem" vor, obwohl die Feder­chen vergoldet waren. Das betraf  PTT-Relais und das Antennenrelais. Putzen  , so wie beschrieben brachte Abhilfe.

Auch mit Betriebsspannung streikte der Sendemischer immer noch, denn auch hier hatte ein Tantal- Kondensator sein Leben ausgehaucht und den Vorwiderstand zerstört. Nach Bauteil­tausch lieferte die PA bereits knapp 2 W Hochfrequenz.

In der Betriebsanleitung des Semso sind sogar einige Hinweise zum Abgleich des Gerätes. In der PA müssen dabei nur Trimmkondensatoren gegen die Signallaufrichtung auf Maximum der Ausgangsspannung eingestellt werden. Das war leicht zu erledigen.

Wenn immer möglich sollte man sich ein Servicemanual beschaffen, im Netz wird man bei älteren Geräten oft fündig. Nach „Gefühl“ einzustellen und abzugleichen geht schief. Auch wenn nach den Jahren kein optimaler Abgleich mehr gegeben ist, richtet man mit beim Vor­gehen nach Augenmaß nur Schaden an. Den wieder zu beseitigen ist dann wirklich eine Auf­gabe. Vor allem Bandfilter lassen sich meistens nur mit einem Wobbelgenerator korrekt ab­gleichen. Dazu ist es mitunter erforderlich den Filterausgang zu bedämpfen. Genau dazu lie­fert das Servicemanual die Information. Da mein Wobbler gerade jetzt den Dienst verwei­gerte, habe ich vom Sendemischer die Finger gelassen.

Spulenkerne verdienen eine vorsichtige Behandlung, wenn sich um reine Ferritkerne handelt. Der Schraubenzieher ist tabu, hier muss ein passender Kunststoffdreher her. Ansonsten bricht ein Stück des Schlitzes im Kopf des Kerns ab und es bewegt sich garantiert nichts mehr. Das ist dann ein Totalschaden. Freundlicherweise sind hier Kerne mit einem Kunststoffkopf ver­baut, die sind nicht so empfindlich.

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9 MHz Sendefrequenzaufbereitung

Die 9 MHz- Frequenzaufbereitung (Modulator) bedarf einiger Einstellungen. Man stößt oft auf Trimmwiderstände in mehr oder weniger fortgeschrittenen Stadium der Verfalls. Wer die nicht tauschen möchte oder kann, muss die reinigen. Kontaktspray geht in Ordnung, wenn man es wieder abwäscht Ein Glasfaserradierer beseitigt Ablagerungen schonender als jedes noch so feines Schmirgelpapier. Isopropanol oder Spiritus und ein Pinsel sind beim Abspülen nütz­lich. Merkt man sich die Position der Trimmer vor der Reinigung, hat man hinterher be­reits eine Grundeinstellung.

Beim Semco müssen im Modulator die Amplitude des 9 MHz-Signals für SSB, FM und AM eingestellt werden, ebenso die Trägerunterdrückung bei SSB. Ohne Schaltbild oder Abgleich­anweisung geht da gar nichts, die Trimmer beeinflussen sich gegenseitig! Ein Spektrumana­ly­zer mit 50 dB Dämpfungssglied am Ausgang der PA war eine große Hilfe. Alle wichtigen Pa­rameter kann man direkt ablesen, den Hub des FM Signals inklusive. Solche Analyzer sind auch für uns noch bezahlbar. Eventuell hilft da auch einmal ein anderer OM aus.

Spektrum bei 20 W SSB, Einzelton

Das Ausgangssignal sah dann wieder recht gut aus, die Nebenwellen blieben homöopatisch. Die Trägerunterdrückung bei SSB erreicht trotz Nachgleich nicht ganz den Katalogwert. Die Ausgangsleistung stimmt, ebenso der Frequenzhub bei FM. Zur Geburtsstunde des Gerätes war die FM-Bandbreite noch höher als heute. Im Sendezweig war das über den Hub korrigier­bar.


Dann sollte der Empfänger doch eigentlich kein Problem sein, es kam aber anders! Auf zwei bandfiltergekoppelte Vorstufen mit je einem Dual-Gate-MOSFET folgt der erste Mischer auf 9 MHz ZF. Die Vorstufen konnte ich ohne funktionierenden Wobbler nicht nachgleichen. In Ein­gang des ZF-Bausteins ist ein breites Quarzfilter, es folgt ein zweistufiger Verstärker, dann wird auf 460 kHz herabgemischt. Sagt jedenfalls das Handbuch. Zwei keramische Filter für AM und USB sorgen für Selektion, nach einem Transistor wird über ein Spulenfilter ein IC mit einem ZF Verstärker aus der Rundfunktechnik angesteuert. Bei FM wird das Signal vor den kerami­schen Filtern abgeleitet, mit einem TBA120 verstärkt und demoduliert. Abge­glichen werden soll gegen die Signalrichtung auf Maximum der Regelspannung. Das ZF-Mo­dul war nicht stabil und klopfempfindlich. Auch die Empfindlichkeit des Empfängers änderte sich je nach Laune um 15 dB. Als eine Ursache entpuppte sich der Ziehkondensator des Quar­zes des Oszillators für den zweiten Mischer.

ZF-Verstärker und 2. Mischer

Auch hier hatte die Korrosion für Kontaktprobleme gesorgt, eine Reinigung konnte die besei­tigen. Eine sorgfältige Trocknung des Folientrimmers war nötig, Reste des Reinigungsprays verändern das εr und damit die Kapazität unkontrollierbar. Einmal gesäubert sind Trimmkon­densatoren eigentlich unkritische Bauteile.

Das Pegelmaximum vor dem zweiten Mischer auf 9 MHz lag jedoch nicht an der gleichen Stelle wie das Maximum der zweiten ZF. Mit winziger Schrift war im Schaltbild die Frequenz des zweiten Oszillatorquarzes mit 9,455 MHz angegeben, das würde eine zweite ZF von 455 kHz bedeuten. Die Frequenz des zweiten Oszillators lag aber 9,461 MHz. Der schön nach Au­genmaß wieder eingestellte Ziehtrimmer wurde korrigiert, bis 9,455 MHz auf dem Frequenz­zähler standen. Die Klopfempfindlichkeit war weg, der Quarz war wohl an der Grenze des Zielbereichs. Auch fielen jetzt die Maxima der Durchlasskurven von erster und zweiter ZF zusammen.

 

Korrigierte Frequenz des zweiten Oszillators

Alleine kann sich der Ziehkondensator nichts so weit verstimmt haben, hier muss wohl ein an­derer Reparateur die Angabe von 460 kHz geglaubt haben. Merke: Auch Quarzosillatoren sollte man kontrollieren, das ist auch über ein „Abhören“ mit einem zweiten Empfänger mög­lich.

2 Vorstufen und 1- Mischer

Der Empfänger war jedoch immer noch taub, es fehlten gute zwölf dB von den Angaben des Datenblatts. Spannungswerte sind leider im ganzen Manual nicht vorhanden, sieht man von der Betriebsspannung einmal ab. Trotzdem gibt es Möglichkeiten, Informationen zu bekom­men. Nützlich ist es, wenn in verschiedenen Verstärkerstufen gleiche Bauteile verwendet wer­den. Auch bei verschiedenen Arbeitsfrequenzen sind doch die Arbeitspunkte oft identisch. In den beiden Vorstufen des Empfängers ist das der Fall. Eine Messung der Spannung am Source-Widerstand der MOSFETs liefert Informationen über den Stromfluss. Er war in der ersten Vorstufe erheblich geringer als in der zweiten, obwohl das Gate 2 des ersten MOSFET auf ca. +4 V lag. In der zweiten Vorstufe wird hier dagegen die Regelspannung zugeführt, die sogar negativ werden kann Man sollte in der zweiten Stufe den kleineren Stromfluss erwarten. Messen heißt mit einer bekannten Größe vergleichen, hier wurde das etwas unkonventionell durchge­führt.

Der in den Vorstufen verbaute BF351 ist längst ausgelaufen, in einem wenig Vertrauen erwe­ckenden Online-Elektronikladen konnte ich noch genau ein Exemplar erwerben, das  auch zü­gig geliefert wurde.[2]
Der Einbau erfolgte mit den damals üblichen ESD-Vorsichtsmaßnahmen: Das Bauteil wurde mit einem dünnen Draht mehrfach umwickelt (Kurzschluss) und dann die­sem Zustand einge­lötet. Dann wird mit aller Vorsicht der Draht wieder entfernt. Man sagte in den 70ern den MOSFETs nach, man könne sie durch bloßes Angucken zerstören… Bei der Aktion wurden auch alle Kondensatoren der Vorstufe ersetzt.

Ist ein Halbleiter nicht mehr zu beschaffen, muss man nach Ersatztypen suchen.[3] Das war beim BF351 gar nicht so einfach, er ist einfach heute nicht mehr in Tabellen vertreten. Nach einiger Suche fand ich den Hinweis auf den 3N203, den man bei einem auf Amateurfunk spe­zialisier­ten Teilehändler kaufen könnte. Schwieriger ist das bei ICs, Ersatztypen gibt es dort oft nicht. Allerdings habe ich auch selbst das Hybridmodul aus der Senderendstufe eines fast 40 Jahre alten Funkgerätes noch gefunden.

 

S9 bei 5µV, auch die dB-Skala stimmt ziemlich gut

Der Empfänger hatte wieder die gewünschte Empfindlichkeit, das S-Meter ließ sich so justie­ren, dass bei 5 µV S9 gezeigt wurde, und auch zwischen S2 und S9 + 20 zehn dB mehr Pegel am Eingang zehn dB S-Meteranzeige mehr bewirken.

Ob damit alle Fehler behoben sind, wird die Zeit zeigen. Weil manche Geräte ein Stück Ge­schichte sind, haben sie es verdient, erhalten zu bleiben. Ich benutze auch noch einen Mess­sender von HP, der sicher fast 50 Jahre alt ist. Der hat damals so viel gekostet wie ein Ober­klassefahrzeug. Die Frequenz wird noch über eine Reihe von Ziffernschaltern eingestellt, das Ausgangssignal wird von einem OCXO abgeleitet. Es ist wirklich sauber, wie der Analyzer zeigt. Nur portabel ist der nicht, das Gehäuse ist gigantisch, seine Masse bestimmt 25 kg.

Fassen wir zusammen: Die erste Kontrolle betrifft die Betriebsspannungen. Wenn man hier keine groben Auffälligkeiten hat, kann man entgegen der Signalrichtung die Baugruppen tes­ten, bis man auf das Nutzsignal trifft.

Hauptfehlerquellen sind Elektrolytkondensatoren, gefolgt von Kontak­ten und Trimmern. Halbleiter sind eher selten defekt, die sterben meistens durch Überlastung (Hier: Vorstufe). Kontakte kann man putzen, Trimmer und Kondensatoren auswechseln. Das geht sogar ohne Mikroskop  und Lupenbrille. Die Funktionsweise eines Oldies erschließt sich in der Regel aus dem Stromlaufplan, anders als bei manchen Digitalgeräten. So kann man gerade ältere Geräte häu­fig ziemlich einfach reparieren  und erhalten. Man muss sich dabei nur ein wenig Zeit las­sen. Bei diesem Semco waren etwa 20 Stunden erforderlich. Mit einem  Oldtimer zu fahren ist ein Erlebnis, wer schon einmal Cuba besucht hat wird das bestätigen. Ebenso macht es viel Spaß mit einem Oldie zu funken oder zu messen. Es ginge etwas verloren, wenn wir schöne alte Geräte nicht erhalten würden. Das sehen wohl auch andere OMs so.[4], [5]

 

Quellen

Handbuch des Semco Terzo 

[1] http://www.afu-df3iq.de/Hersteller/Semcoset/Semco%20Terzo/SemcoTerzo_Betriebsanleitung.pdf

 

Daten BF 351

[ 2] https://alltransistors.com/es/mosfet/crsearch.php?&struct=MOSFET&polarity=N&pd=0.36&uds=24&id=0.05&rds=100&caps=TO72

 

Vergleichstabelle Transistoren

[3] http://obsoletetellyemuseum.blogspot.com/2010/09/table-of-m-series-transistor-equivalents.html

 

Nachbau eines Semco Terzo

[4] https://wiki.oevsv.at/wiki/Geschichte_UKW_Funk

 

Firmen mit Geschichte in Sachen Amateurfunkgeräte

[5] http://ve6aqo.com/df8ru.htm

 

LNB Umbau, August 2020

Nachdem mehrere LNB OPTICOM LTP 04H erfolgreich modifiziert wurden, gab es beim letzten Versuch einen Schock. Das Platinenlayout des LTP 04H ist grundlegend geändert worden. Das betrifft auch die Takterzeugung, das bisher verwendete „Kochrezept“ funktioniert so nicht mehr. Die Platine trägt als Datum nun den 20.8.2019, beim Vorgänger war das Datum aus 2018. Anzunehmen, dass nach und nach nur noch die neue Platine anzutreffen ist. Soweit die schlechte Nachricht.

 

Die gute Nachricht: Mit wenig Mühe lässt sich auch das neue Modell für uns modifizieren, dass es in das 2 m Band direkt umgesetzt, wenn man die Takterzeugung vornimmt wie DK4RV in der CQ DLL vom April 2020 vornimmt. Bild 1 zeigt den geöffneten LNB im Originalzustand. Da es leichter zu realisieren ist, soll der obere F-Anschluss das Ausgangssignal abführen, über die untere Steckverbindung wird das Oszillatorsignal eingekoppelt. Über den oberen Anschluss soll auch die Stromversorgung erfolgen, das ist aber nicht verpflichtend.

Raustreten!

Die winzige Spule, die direkt unterhalb der oberen Buchse auf die Leiterbahn gelötet ist, muss ersetzt werdn. Das ist die Speisedrossel, sie muss durch eine Spule mit höherer Induktivität ersetzt werden, diee Begründdung steht im ersten Tei. Mit einer feinen Lötkolbenspitze und einer feinen Pinzette lässt sich das Problem  „erfassen und lösen“.

Mit einem Entlögerät oder etwas Entlötlitze lässt sich der Pin der unteren F-Buchse ablöten, eventuell ist es nötig, ihn ein wenig nach oben zu biegen.

Dann muss doch der Quarz raus. Das habe ich mit einem Doppellötkolben (Tweezer) versucht und bin jämmerlich gescheitert. Der Quarz löste sich ganz leicht, allerdings mit den beiden Lötpads des Quarz. Die waren wohl noch nicht richtig warm. Glück im Unglück: Die Platine blieb brauchbar! Hier ist Geduld gefordert, eventuell eine Seite erwärmen, den Quarz vorsichtig hochbiegen und dann die zweite Seite ablöten.


Einzug der „Neuen“

An die untere F Buchse wird ein SMD-Kondensator mit 10 bis100 nF gelötet. Das zweite Beinchen dieses Kondensators wird über eine ganz feine Schaltlitze mit dem linken Pad des Quarzes verbunden (Bild 2).  Die waren an den mit dem roten X gekennzeichneten Stellen. Wegen des ungeschickten Vorgehens beim Auslöten musste die Leiterbahn zum Pad als Anschluss dienen.

Eigentlich könnte man die Speisedrossel auch dorthin löten, wo sie auch vorher saß. Allerdings ist die Baugröße des Originals nicht wirklich lötfreundlich, deshalb habe ich eine größere Bauform mit 5 µH verwendet. Sie wurde auf eine freie Stelle am oberen Spannungsregler auf die Platine geklebt. Der obere Anschluss der Spule wurde mit dem unteren Beinchen der Spannungsregler verbunden, das zweite Beinchen über einen Hilfsdraht mit der oberen F-Buchse verbunden.

Finale

Den Deckel montieren, über die obere Buchse 12 V zuführen. Die Stromaufnahme sollte bei ca. 120 mA liegen. Eventuell kann man in den Deckel im rechten Teil (!) noch eine Kunststofffolie einlegen. Etwas Silikon dichtet das Gehäuse ab, dann kann der LNB wieder in seine Hülle und eingebaut werden. Wir verwenden horizontale Polarisation, deshalb muss man den LNB um 90° verdreht einbauen, oder aber mit 18 V gespeist werden, damit die Umschaltung auf horizontale Polarisationsrichtung wirksam wird. Lötet man den unteren Drosselanschluss an die untere F-Buchse, kann man die Speisespannung über die Oszillatorleitung zuführen.

Funtionsweise

Der zentrale Chip, ein RD3567EM ist auch in diesem LNB  verbaut, prinzipiell musste das alte Verfahren auch hier funktionieren. Während in der alten Version des LNB  die Einspeisedrossel als mäanderförmige Leiterbahn ausgeführt war, sind hier SMD-Bauteile dazu verbaut. Unter der Lupe kann man mit einer nadelförmigen Messspitze die Gleichspannung vom Eingang aus verfolgen. Damit ließ sich das Bauteil unterhalb der oberen Buchse als Drossel identifizieren. Der kleine Punkt rechts neben dem Spannungsregler ist offenbar ein Abblockkondensator. Von dort geht es direkt zum unteren Beinchen des oberen Spannungsregler, an dem man die Eingangsspannung messen kann. Damit ist klar, wo die neue Drossel anzuschließen ist.

Das Oszillatorsignal von der unteren, stillgelegten Buchse wird mit dem Kondensator gleichspannungsmäßig entkoppelt an den Quarzanschluss geführt. Da der Quarz hier leicht zugänglich ist, wurde er entfernt sich, das vermeidet Nebenwirkungen. Der richtige Anschluss kann experimentell ermittelt werden. Es ist der linke Pin, über den die Rückkopplung erfolgt, wenn der Quarz verwendet wird. Als Pegel sollte hier knapp 1 V effektiv anliegen. Bei zu fester Ankopplung neigt auch der SI5153 dazu, nur noch "Müll" in Form eines breitbandigen Störsignals zu liefern.

Die Induktivität der Drossel wurde auf 5µH erhöht, um auch dann einen hinreichend großen Scheinwiderstand zu haben, wenn die Gleichspannung mit dem Oszillatorsignal (ca. 26 MHz) zugeführt wird. Wichtig ist weniger der Wert, neben der Baugröße ist  die Resonanzfrequenz der Drossel entscheidend. Sie muss oberhalt von 144 MHz liegen. Andernfalls bestimmt der kapazitive Scheinwiderstand der Wicklungskapazität das Geschehen. Der im ersten Teil genannte Händler (R...) bietet zu allen Bauteilen Datenblätter an, die Auskunft geben.

So geht es mit der neuen Platinenversion!

 

 

 

Lithium-Ionen-Akkus in eigenen Projekten

Bild 1 , Akkupaket aus einem Camcorder

Lithium-Ionen-Akkus werden seit etwa 20 Jahren eingesetzt. Es gibt etliche Arten, die sich durch das Material der Elektroden und des Elektrolyten unterscheiden. Wenn der Elektrolyt in Form einer Paste vorliegt, spricht man von Polymer Akkus. Mehr dazu und eine Erklärung der Funktion findet man bei [1].

Li-Ion-Akkus werden verbaut ,wo viel Energie bei kleinem Volumen nötig ist. Anfangs waren es Mobiltelefone, hochpreisige Notebooks, heute findet man sie vom Akkustaubsauger bis zur elektrischen Zahnbürste. Das Aufmacherbild zeigt ein typisches Akkupaket aus einem Camcorder. Auch in der CQ-DL wurden sie beschrieben und wie man sie nutzen kann. [2].

Sie sind eigentlich optimal, verlangen aber sorgfältigeBrhandlung. Ein  Hersteller von Edeltelefonen musste das auch erfahren: Viele Exemplare eines Handymodells erwiesen sich als kleine Brandbomben. Sie durften nicht mehr in ein Flugzeug, es gab es einen Gesamtrückruf. Der Versand von Li-Ion-Akkus ist nur noch in mit einem spezifizierten Aufkleber gekennzeichneten Paketen erlaubt. Manche Paketdienste verweigern den Transport von Geräten mit Li-Ion-Akkus. Das halte ich zwar für übertrieben, es zeigt aber, dass man einige Regeln beachten sollte!

Information: Die Akkus enthalten auch Lithiumverbindungen, ein Alkalimetall. Diese Metalle sind sehr reaktionsfreudig und brennen leicht, besonders gut beim Kontakt mit Wasser! In den Zellen ist zwar kein metallisches Lithium, aber auch die Verbindungen haben es in sich. Sogar die Feuerwehr hat Probleme, brennende E-Autos zu löschen, oft erfolgt immer wieder eine Selbstentzündung. Sie versenkt deshalb gelöschte E-Autos zur Abkühlung einige Tage komplett in einem wassergefüllten Container. Klingt erst mal abschreckend, aber wir fahren heute mit Autos herum, die 15 mal mehr Energie im Tank haben. Das akzeptieren wir auch.


Was Li-Ion-Akkus nicht mögen:

  • Mechanische Beschädigungen, der Grund s.o.
  • Tiefentladung unterhalb von etwa 2,5 V . Lithium-Polymer-Akkus müssen sogar oberhalb von 3,3 V bleiben.
  • Laden über die Ladeschlussspannung hinaus. Das sind ca. 4,2 V, der Wert ist aber typabhängig. Bei Überschreitung kann der Akku eine ganz heiße Nummer werden.
  • Kurzschlüsse (auch kurzzeitig), sie führen zur Überhitzung.
  • Temperaturen oberhalb von 80 °C. Die Zellen „gehen durch“ und können brennen.
  • Tiefe Temperaturen, die hinterlassen aber keine bleibenden Schäden.

Bei der Tiefentladung geht Elektrodenmaterial im Elektrolyten in Lösung. Beim „Wiederbeleben“ der Zelle wird das Material wieder an der Elektrode abgeschieden. Das erfolgt aber unregelmäßig, der Separator in der Zeile kann durchdrungen werden, was einen Kurzschluss bedeutet. Anleitungen zur „Wiederbelebung“ im Netz sind unverantwortlich! Wird der Akku zu heiß, wird der Elektrolyt chemisch verändert und brandgefährlich. Polymer-Akkus blähen sich außerdem durch entstehende Gase auf. Die sollte man dann umgehend aus der Wohnung entfernen

Bild 2, Akkubox mit Warnhinweis

Amateure haben deshalb lange Li-Ion-Akkus in eigenen Projekten gemieden Ungeschützte Li-Ion-Akkuzellen findet man kaum bei Elektronikhändlern. Die sind dann mit  Warnhinweisen versehen. (Bild ) Offenbar fürchtet man bei eventuell auftretenden  Schäden durch diese Akkus eine Mithaftung.


Kontaktaufnahme

Notebookakkus, die man früher noch entnehmen konnte, wurden von  Bastlern, heute heißen die Maker, untersucht. Ziel war es, sie in anderen Geräten zu verwenden.

Das Ergebnis ist ernüchternd: 4 bis 5 Anschlusspins, aber auf keiner Kombination davon war dem Akkus Spannung zu entlocken. Der Grund: Eine Schutzschaltung im Akkugehäuse kommuniziert mit dem Notebook über einen I2C-Bus und ohne diese Verbindung stellt sich der Akku tot. Beschrieben wurde das auch bei [3] in der CQ-DL. Das Notebook speichert Informationen über die verbleibende Akkukapazität und noch viel mehr in einem EEPROM der Schutzschaltung. Diese überwacht die 3 bis 5 in Reihe geschalteten Einzelzellen und sendet die Informationen an das Notebook. Was gespeichert ist und wie man es ausliest, findet man in einem Artikel bei [6].

Powerbanks, eigentlich gedacht, die Reichweite von Handy-Akkus zu erweitern, sind beliebte  Objekte bei der Suche nach Energiespeichern. Geladen werden sie über eine USB-Buchse, ein Laderegler begrenzt die Ladeendspannung der Akkuzelle(n) auf ca. 4,2 V. Bei der Entladung wird die Spannung über einen Step-Up-Wandler von den 3 V bis 4,2 V der Zelle auf 5 V erhöht, die stehen an einer anderen (!) USB-Buchse zur Verfügung. Das zeichnet sie für eigene Projekte aus: Laden erfolgt problemlos per Handy-Netzteil, die Ausgangsspannung ist fast konstant 5 V. Aber: Alle mir bekannten Powerbanks schalten sich nicht nur bei entladenem Akku ab, sondern auch bei fehlender oder geringer Last. Das geschieht wohl, damit der Step-Up-Wandler nicht durch seinen Eigenverbrauch den Akku leer lutscht. Nach meiner Erfahrung erfolgt die Abschaltung unterhalb von etwa 50 mA Ausgangsstrom nach 1 bis 2 Minuten. Wo 5 V genügen und eine Grundlast vorhanden ist, haben wir eine preiswerte, kompakte Energiequelle, DL7VFS hat das in [2] beschrieben.


Andere Wege existieren, Akkubauformen sind genormt. Bei Li-Ion-Zellen findet man oft den Typ 18650. Wie bei der Primärzelle CR2030 die Zahl über den Zelldurchmesser 20 mm und den Durchmesser 30 Zehntelmillimeter (!) informiert, hat eine 18650-Zelle einen Durchmesser von 18 mm und die Länge 65,0 Millimeter. Das ist etwas größer als eine AA-Zelle. Trotzdem gibt es dafür Halter (Bild 3), sodass man die Zellen in Schaltungen einsetzen kann.

 

Bild 3, Akkuhalterung mit 18650-Zelle

Zum Laden kann man sie entnehmen und in einem Standardlader (Bild 4) wieder  mit Energie betanken. Man muss allerdings selbst dafür sorgen, dass keine Tiefentladung eintritt.

Bild 4, Standardladegerät, für Li-Ion geeignet


Die Lösung sind Zellen dieses Typs, die ein BMS (Battery Management System) haben Das ist ein Modul, das die Zellen unterhalb der Entladeschlussspannung abschaltet und auch bei Erreichen der Ladeendspannung den Ladevorgang abbricht. Einige dieser Zellen sind durch das BMSein wenig länger als 65 mm. Andere Zellen haben die Normgröße  und die Ladung erfolgt über eine Micro-USB-Buchse an der Zelle. Akkus mit Normmaßen und BMS können wie  normale Akkus verwendet werden. Es lohnt ein Blick zum norddeutschen Händler mit dem R, der führt inzwischen viele Zellformen. Trotz BMS sind bei der Reihenschaltung solcher Zellen zusätzliche Schutzdioden erforderlich. Das ist aber noch suboptimal.

Praxis

Schalten wir trotzdem einmal  mehrere 18650-Zellen ohne BMS  in Reihe, schauen uns aber vorher bei Elektronikhändlern um. Im Fachhandel für Modellbau und auch beim E-Kauf findet man relativ günstig sogenannte Cell-Balancer. (Bild 5)

Bild , 5 Balancer für je 4 Zellen

Man verbindet sie so wie in Schaltung (6) mit den Zellen. Die Cell-Balancer messen ständig die Spannung aller Einzelzellen und schalten den Ausgang des Akkus ab, wenn auch nur eine der Zellen die Entladeschlussspannung unterschreitet, oder die Ladeendspannung überschreitet. Bild 6 zeigt das schematisch. Das Akkupaket ist so geschützt.


Bild 6, Wirkungsweise des Balancers

Eine weitere Funktion kommt hinzu: Wenn auch nur eine Zelle die Ladeendspannung erreicht, müsste man eigentlich den Ladestrom abschalten, die übrigen Zellen werden nicht ganz geladen. Ist eine Zelle fast vollständig geladen, wird über einen Bypass per MOSFET ein Widerstand  parallel zu dieser Zellegeschaltet. Ein Teil des Ladestroms wird an dieser Zelle vorbeigeleitet und „verheizt“, etwas vereinfacht dargestellt. Auch die Baugruppe, die in [3] analysiert wurde, arbeitet so. Sind alle Zellen geladen, erfolgt die Abschaltung. In [4] wird das Verfahren ausführlich erklärt. Ob ein China-Produkt wirklich auch diese Funktion hat, kann man über die Erwärmung der größeren Widerstände kurz vor Ladeschluss feststellen.

Es gibt auch aktive Cell-Balancer, die über trickreiche Schaltregler, die Energie bereits vollständig geladener Zellen auf andere Zellen übertragen [5]. Ebenso kann ein Ladungsausgleich zu entladenen Zellen stattfinden. Diese Technik  findet man in den einfachen Schaltungen aber nicht. (Bild 7)

 

Bild 7, aktiver Balancer für 4 Zellen

Cell-Balancer gibt es für verschiedene Zellenzahlen und Lade- und Lastströme. Sie sind oft für bestimmte Akkutypen, wie den 18650, spezifiziert. Da kann man nicht mehr so viel falsch machen. Sie begrenzen in der Regel auch den maximalen Entladestrom und wirken als elektronische Sicherung.


Dimensionierung:

Nutzt man andere Akkutypen mit Cell-Balancern, muss man auf den maximal zulässigen Strom achten. Meist wird der Maximalstrom bei den Platinchen angegeben, das sind oft Mondwerte, maximal 50% davon sind realistisch. Noch wichtiger ist die Einhaltung der maximalen Ladendspannung, sie hängt von der Bauweise des Akkus ab. LiFePO4—Akkuzellen sind dabei besonders sensibel, auch bei Akkuzellen, die wie Tütchen aussehen (Polymer-Akkus), bitte genau recherchieren. Dazu noch eine Ergänzung:

Balancer werden als 3s-, 4s- oder auch 10s-Typ bezeichnet, je nachdem wie viele Zellen im Akku in Reihe geschaltet sind. Es gibt auch Akkus, bei denen mehrere Blöcke von parallel geschalteten Zellen dann in Serie schaltet sind, sie tragen eine ähnliche Bezeichnung. Ein 4s3p-Akku schaltet 4 Blöcke aus je 3 parallel geschalteten Akkus in Serie. Klingt kompliziert, das System sollte aber erkennbar sein.

18650-Zellen haben eine Kapazität von etwa 3 Ah. Drei parallele 18650-Zellenkommen dann auf ca. 10 Ah. Das ist etwa die Kapazität eines Akkus aus einer typischen Powerbank. Will man aus 4 dieser Powerbankakkus Akkupakete bauen, sollte der Balancer für 4s3p geeignet sein. Hier fließen aber höhere Ströme als bei vier 18650-Einzelzellen in Reihe. Aber Vorsicht: Powerbanks enthalten oft Lithium-Polymer-Akkus (Tütchenform), die dürfen nicht so weit entladen werden. Die Spannungsgrenzen von Akku und Balancer genau beachten!

Das sollte helfen, mögliche Kombinationen aus Akkus und Balancern zu finden, wenn es keine Angaben zur Strombelastbarkeit der Balancer gibt.

Nachtanken ist bei diesen Akkus recht problemlos. Man lädt sie mit konstantem Strom, wobei aber die Spannung begrenzt wird. Je höher der Ladestrom ist, desto stressiger ist der Vorgang für die Zeile. Wo kein Zeitdruck besteht, ist es sinnvoll den Ladestrom auf C/10 bis C/5 zu begrenzen. Das bedeutet für die 18650 er-Zellen einen Strom zwischen 300 mA und 600 mA. Die maximale Spannung wird typisch auf 4,2 V x Zellenzahl begrenzt. Bei vier Akkus in Reihe wären das 16,8 V. Zum Ladeschluss sinkt dann der Strom auf einen kleinen Wert ab. Es wäre also möglich, ein Labornetzgerät auf 16,8 V und 0,3 A einzustellen, um damit zu laden. Wir sollten in der Lage sein, eine kleine Schaltung zu entwickeln, die Ladebedingungen ermöglicht. Kleine Spannungsregler  15 V / 0,5 A erzeugen wenig Wärme, wenn man Schaltregler verwendet. Die Ladeschaltung ergänzt den Balancer um eine weitere Sicherheitsstufe.

Bild 8,Ladestufe mit Schaltreglerr


Vorsichtige Leute laden und testen selbstgebaute,  fertige Akkupaket erst einmal draußen. In meinem Umfeld sprach ein Elektriker einmal davon, seinen Pedelec-Akku mit neuen Zellen versehen. Es gab später einen Feuerwehreinsatz wegen eines Akkubrands und viel Sachschaden. Zwar  wurde nie darüber geredet, aber ein Zusammenhang liegt nahe. Sollte ein Akku wirklich einmal brennen, das beste Löschmittel ist ein Eimer Sand.

Aber bei sorgfältigem Vorgehen, wird man den nicht benötigen. Ebenso wie man bei entsprechender Vorsicht mit Hochspannung umgehen kann, ist das auch bei Li-Ion-Akkus möglich.

 

[1] de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator

[2] CQ-DL 7/2021 S8

[3] CQ-DL 7/2021 S38, Wiederbelebung eines Notebookakkus

[4] en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing

[5] https://www.elektronikpraxis.vogel.de/worauf-es-beim-battery-balancing-von-lithium-ionen-akkus-ankommt-a-682080/

[6] https://www.heise.de/select/ct/2019/18/1566748989674181

 

 

Dann gibt es noch Oskar100. Der wird bei etwa 3cm ganz konventionell mit einem 85 cm Spiegel an der Garage empfangen. Sat Antennen 05

Der LNB wurde auf eine Ausgangsfrequenz im 2m- Band hingebogen, wie das geht steht an anderer Stelle. So kommt dessen Signal sogar durch ein Fernsehantennenkabel. Der Uplink geschieht ausgehend von einem 70-cm-Signal über einen Konverter in Antennennähe über eine selbstgebaute 13 cm Helix. Die sieht nicht nach Antenne  sondern eher  nach Spielzeug aus.

Sat Antennen 02

 

Fast unauffällig: Eine FD4, die die Kurzwelle abdeckt.