Hüllkurven- und digitale Endstufen

Immer noch werden Endstufen in herkömmlicher Art als das °Non Plus Ultra° allerdings nur von Amateuren betrachtet, obwohl es wesentlich bessere Lösungen gibt um die Signalstärke zu erhöhen. Eine wesentlich bessere Lösung ist eine Hüllkurven- und digitale Endstufe. Mit denen können mit hohem Wirkungsgrad HF-Leistung erzeugen.

Eine analoge Endstufe hat einen Wirkungsgrad von nur wenigen Prozent, was ja jeder Amateur bestätigen kann, wenn er ehrlich mal die Leistungsbilanz seiner Endstufe betrachtet. Allein die Heizleistung von Röhren Endstufen mit Strömen von über 100 Ampere reduziert den Gesamtwirkungsgrad auf wenige Prozent und errechnet sich aus der Multiplikation der Wirkungsgrade der Einzelkomponenten und ist verschwindet gering, unterhalb von 10 Prozent.

Den meisten Amateuren ist zwar der Wirkungsgrad seiner Station egal, er merkt es nur im Portemonnaie, welches meist gut gefüllt ist.

Dabei ist eine HK – Endstufe nur ein Schaltungselement der HF-Technik, das aus einem Signal die Hüllkurve extrahiert. Sie folgt den Amplitudenänderungen des Eingangssignals und erzeugt ein Ausgangssignal, das den Amplitudenschwankungen des Eingangssignals proportional ist, jedoch ohne Rücksicht auf die eigentlichen Frequenzkomponenten im Eingangssignal. Dabei wird das Eingangssignal gleichgerichtet, um alle negativen Amplituden zu entfernen. Das ursprüngliche Audiosignal wird nun wieder in die Hüllkurvenendstufe eingespeist. Ein Tiefpassfilter begrenzt und glättet das gleichgerichtete Signal, um eine kontinuierliche Hüllkurve zu erzeugen, die den Amplitudenverlauf des Original-Signals entspricht. Die resultierende Hüllkurve wird an die Last gegeben und kann zur Steuerung anderer Komponenten in einer elektronischen Schaltung verwendet werden. Mit dieser Technik kann man mit nur einen schlaffen Transistor Leistungen von einigen hundert Watt erzeugen.

Zugegeben, mit dieser Technik muss man sich beschäftigen und es erfordert einige mathematischen Grundlagen was dem Amateur oder zumindest einigen Amateuren nicht schwerfallen dürfte. Die meisten Amateure verstehen ja auch nichts von der SDR Technik und nutzen diese trotzdem, mehr oder wenige gut.

Die Anwendung von Hüllkurvenendstufen ist heute Standard in der Satelliten Technik wegen des hohen Wirkungsgrades, da hier besonders die Effektivität an erster Stelle steht, was man an den beiden Raumsonden Voyager 1, 2 der NASA, die 1977 gestartet wurden, um das äußere Sonnensystem zu erforschen, entnehmen kann.

Beide Sonden haben den interstellaren Raum verlassen und sind unglaublich weit von der Erde entfernt. Voyager 1 ist derzeit etwa 23 Milliarden Kilometer, Voyager 2 ist etwas näher, aber immer noch beeindruckend weit entfernt, bei etwa 19 Milliarden Kilometern. Es ist faszinierend, dass diese Sonden seit Jahrzehnten im Weltraum unterwegs sind und uns noch immer wertvolle Daten über den interstellaren Raum liefern. Siehe: Freiraumdämpfung

Eine digitale Endstufe oder Class-D-Verstärker wandelt das analoge Audiosignal in ein Pulsweiten moduliertes Signal um. Dies geschieht mittels eines schnellen AD-Wandlers, der das Signal in eine Reihe von Pulsen mit unterschiedlicher Breite – PWM – einteilt. Dadurch arbeitet der Verstärker sehr effizient und erzeugt weniger Verluste im Vergleich zum traditionellen Verstärker.

Eine digitale Endstufe hat grundsätzlich folgenden Aufbau:

Ein Modulator wandelt das analoge Signal in ein PWM-Signal um. Der hochfrequente Schalter zerlegt dabei das NF-Signal um das PWM-Signal zu erzeugen. Danach folgt ein Tiefpassfilter, welches das PWM Signal glättet und es wieder in ein analoges Signal wandelt, das an die Last ausgegeben wird.
Digitale Endstufen sind heute in der NF-Technik Standard und erobern die HF-Technik langsam im Zuge der Entwicklung von schnellen und kostengünstigen AD-Wandlern wie in der SDR-Technik, die es erlaubt SDR Empfänger bis hin in den GHz Bereich zu entwickeln.

Heute sendet die einfachste Fritz Box mit hoher Leistung schon im 5,6 GHz Bereich, was vor einigen Jahren noch Utopie war. Vor allem scheint es so, dass die Natur grundsätzlich die digitale Verbreitung von Informationen bevorzugt, denn digitale Signale können jederzeit wieder in das Original-Signal durch Begrenzer zurückgeführt werden, um negative Beeinflussung und Störungen zu entfernen.
Selbst das Sonnenlicht ist kein Kontinuum, sondern kommt in Paketen – Photonen – zu uns auf die Erde. Der Vorteil einer digitalen Endstufe ist die hohe Effizienz, die über 90 % liegt, was sie ideal für mobile und batteriebetriebene Geräte macht.

Dr. Walter Schau, DL3LH, rund 70 Jahre Amateurfunk im Gepäck

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