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Lösungsweg: AF421

Frage: Wie groß ist die Gate-Source-Spannung, wenn sich der Schleifer von $R_3$ am Anschlag 1 befindet?
1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit einem horizontalen Leiter, einem linken Eingang („HF_IN“) und einem rechten Ausgang („HF_OUT“), einer Biasversorgung („U_BIAS = 12 V“) und einer Leistungsversorgung („U_DD = 50 V“), zwei MOSFETs, zwei Transformatoren, mehreren Widerständen, Kondensatoren und Spulen.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält einen rechteckigen Schaltkreis mit einem an Masse liegenden horizontalen Leiter unten mit jeweils einem Anschlusspunkt rechts und links. Links oben ist ein Anschlusspunkt „HF_IN“ eingezeichnet. Er ist mit dem oberen Ende der Primärwicklung eines Transformators „T_1 (4:1)“ verbunden. Deren unteres Ende liegt an Masse. Die Sekundärwicklung ist oben und unten jeweils mit dem Gate-Anschluss von zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten MOSFETs K_1 und K_2 verbunden. Die Source-Anschlüsse beider MOSFETs sind miteinander und mit einem Masseanschluss verbunden. Die Drain-Anschlüsse liegen parallel zur Primärwicklung eines Transformators „T_2 (1:9)“. Die Sekundärwicklung geht nach oben an den „HF_OUT“-Ausgang und nach unten gegen Masse. Von der Sekundärwicklung von T_1 geht eine Verbindung über einen 51-Ω-Widerstand R_5 zu einem Verknüpfungspunkt und weiter über einen 6,8-kΩ-Widerstand R_4 nach unten zum horizontalen Leiter. Zu diesem Widerstand gibt es einen parallel geschalteten 100-nF-Kondensator C_4. Vom Verknüpfungspunkt führt nach links eine Verbindung zum Schleifkontakt „2“ eines verstellbaren 220-Ω-Widerstandes R_3. Vom oberen Ende dieses Widerstandes („1“) geht es über zwei in Reihe geschaltete Widerstände – von 270 Ω (R_2 ) und 330 Ω (R_1) zu einem Anschlusspunkt nach links. Zwischen diesem Anschlusspunkt und dem linken Anschlusspunkt des horizontalen Leiters ist ein vertikaler Pfeil nach unten mit der Beschriftung „U_BIAS = 12 V“ eingezeichnet. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Widerständen zweigt eine Verbindung mit einer Zenerdiode (Dreieck nach oben zeigend) ab. Nach unten ist die Zenerdiode mit dem horizontalen Leiter verbunden. Unterhalb der Zenerdiode ist der Leiter mit „U_Z = 6,2 V“ beschriftet. Das untere Ende des verstellbaren Widerstandes („3“) geht über einen 150-Ω-Widerstand R_6 nach unten zum horizontalen Leiter. Von der Mitte der Primärwicklung v des Transformators T_2 geht eine Verbindung über einen 100-pF-Kondensator C_2 zum horizontalen Leiter. Oberhalb von C_2 zweigt ein Leiter nach rechts ab, der über eine 100-µH-Spule zu einem Anschlusspunkt rechts führt. Vom rechten Ende der Spule geht eine Verbindung nach unten über einen 470-nF-Kondensator C_5 gegen Masse. Zwischen dem Anschlusspunkt und dem rechten Anschlusspunkt des horizontalen Leiters ist ein vertikaler Pfeil nach unten mit der Beschriftung „U_DD = 50 V“ eingezeichnet.
Lösung: 3,5 V

Die Z-Diode stabilisiert die Spannung am linken Anschluss von $R_2$ auf

$$U_Z=\qty{6,2}{\volt}$$

Befindet sich der Schleifer von $R_3$ am Anschlag 1, ist der Schleifer direkt mit dem oberen Anschluss von $R_3$ verbunden. Von diesem Punkt nach Masse liegen zwei Zweige parallel:

$$R_4=\qty{6,8}{\kilo\ohm}$$

und

$$R_3+R_6=\qty{220}{\ohm}+\qty{150}{\ohm}=\qty{370}{\ohm}$$

Der Ersatzwiderstand nach Masse beträgt damit:

$$R_\mathrm{u}=R_4\parallel(R_3+R_6)$$ $$R_\mathrm{u}=\frac{\qty{6800}{\ohm}\cdot\qty{370}{\ohm}}{\qty{6800}{\ohm}+\qty{370}{\ohm}}\approx\qty{351}{\ohm}$$

Nun ist auch $R_2=\qty{270}{\ohm}$ zu berücksichtigen. $R_2$ und $R_\mathrm{u}$ bilden an der stabilisierten Spannung von $\qty{6,2}{\volt}$ einen Spannungsteiler:

$$U_\mathrm{G}=\qty{6,2}{\volt}\cdot\frac{\qty{351}{\ohm}}{\qty{270}{\ohm}+\qty{351}{\ohm}}\approx\qty{3,5}{\volt}$$

Da die Source-Anschlüsse der Transistoren auf Masse liegen, entspricht die Gate-Spannung gleichzeitig der Gate-Source-Spannung:

$$U_\mathrm{GS}\approx\qty{3,5}{\volt}$$

Die Gate-Source-Spannung beträgt somit ungefähr $\qty{3,5}{\volt}$.

Übrigens:

Der Widerstand $R_5=\qty{51}{\ohm}$ beeinflusst die Gleichspannung am Gate praktisch nicht, da in das Gate des LDMOS-Transistors nahezu kein Gleichstrom fließt. Für das HF-Signal ist $R_5$ jedoch wichtig: Er bedämpft zusammen mit der Gate-Kapazität mögliche hochfrequente Schwingungen und verbessert damit die Stabilität des Verstärkers.

Der Widerstand $R_4=\qty{6,8}{\kilo\ohm}$ sorgt dafür, dass das Gate auch bei einer Unterbrechung der Arbeitspunkteinstellung ein definiertes Potential gegen Masse besitzt. Er entlädt außerdem die Gate-Kapazität und verhindert damit, dass der Transistor durch ein frei schwebendes Gate unbeabsichtigt leitend wird. Da $R_4$ parallel zum unteren Zweig des Spannungsteilers liegt, muss er bei der genauen Berechnung der Gate-Spannung berücksichtigt werden.

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