Class-E WSPR-Sender mit 5 V funktionsweise

Überblick

Ein Class-E-Verstärker nutzt einen MOSFET als Schalter und ein abgestimmtes LC-Netzwerk, um mit sehr hohem Wirkungsgrad HF-Leistung zu erzeugen.

Typische Signalkette:

5 V DC
  │
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MOSFET-Schalter
  │
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Class-E Netzwerk
(L + C)
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Tiefpassfilter
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50 Ω Antenne / Dummyload

Class-E-Verstärker

Warum entstehen hohe Drain-Spannungen?

Obwohl die Versorgungsspannung nur 5 V beträgt, können am Drain deutlich höhere Spannungen auftreten.

MOSFET EIN

Der MOSFET verbindet den Drain nahezu mit Masse:

Drain ≈ 0 V

Die Speicherdrossel (L) nimmt Energie auf:

E = ½ · L · I²

Der Strom durch die Spule steigt an.

MOSFET AUS

Der Strom durch eine Spule kann nicht schlagartig verschwinden.

Die Spule erzeugt deshalb die notwendige Spannung:

U = L · dI/dt

um den Stromfluss aufrechtzuerhalten.

Die gespeicherte Energie lädt die vorhandenen Kapazitäten auf und erzeugt die typische Class-E-Drainspannung.

Typischer Spannungsverlauf am Drain

20V |         /\
    |        /  \
15V |       /    \
    |      /      \
10V |     /        \
    |    /          \
 5V |---/------------\-----
    |
 0V +----------------------> Zeit

Typische Spitzenwerte:

Vpeak ≈ 3 ... 4 × Vcc

Bei 5 V Versorgung:

15 ... 20 V Peak

Zero Voltage Switching (ZVS)

Ein Class-E-Verstärker wird so dimensioniert, dass der MOSFET genau dann einschaltet, wenn die Drainspannung nahezu Null ist.

Drainspannung ≈ 0 V
Drainstrom     ≈ maximal

Dadurch entstehen nur geringe Schaltverluste.

Dieses Verfahren nennt man:

Zero Voltage Switching (ZVS)

Spannungs- und Leistungswerte an 50 Ω

Umrechnung

Vs   = Vss / 2
Veff = Vss / 2,828
P    = Veff² / 50 Ω

Typische Ausgangswerte

Leistung Veff Vs Vss
10 mW 0,71 V 1,0 V 2,0 Vss
50 mW 1,58 V 2,24 V 4,47 Vss
100 mW 2,24 V 3,16 V 6,32 Vss
200 mW 3,16 V 4,47 V 8,94 Vss
500 mW 5,00 V 7,07 V 14,14 Vss

Beispiel

Gemessen am Ausgang nach dem Tiefpass:

Vss = 9 V

Berechnung:

Veff = 9 / 2,828
     = 3,18 V

P = 3,18² / 50
  = 0,202 W
  = 202 mW

Wichtiger Hinweis

Die hohe Drainspannung bedeutet nicht, dass die Ausgangsleistung ebenfalls sehr hoch ist.

Die Drainspannung entsteht durch die im LC-Netzwerk gespeicherte Energie und ist ein normaler Bestandteil der Class-E-Arbeitsweise.

Bei einer Versorgung von nur 5 V sind am Drain durchaus 15 bis 20 V Spitzenwert üblich, während die Ausgangsleistung lediglich einige hundert Milliwatt beträgt.

Einfluss der Anpassung auf die Ausgangsleistung

Die hohe Drainspannung eines Class-E-Verstärkers allein sagt noch nichts über die tatsächlich abgegebene HF-Leistung aus.

Entscheidend ist, wie gut das Class-E-Netzwerk, der Tiefpass und die Antenne bzw. der Dummyload aufeinander abgestimmt sind.

Gute Anpassung

Bei guter Anpassung wird die im Schwingkreis gespeicherte Energie effizient in die 50-Ω-Last übertragen.

Typische Merkmale:

  • Hohe Ausgangsspannung am 50-Ω-Ausgang
  • Hoher Wirkungsgrad (oft 80–90 %)
  • Geringe Erwärmung des MOSFETs
  • Sauberes Sinussignal nach dem Tiefpass
  • Hohe HF-Leistung bei geringer Versorgungsspannung

Beispiel:

Versorgung: 5 V
Stromaufnahme: 80 mA

Eingangsleistung:
Pin = 5 V × 0,08 A = 400 mW

Wirkungsgrad: 85 %

HF-Ausgangsleistung:
Pout ≈ 340 mW

Schlechte Anpassung

Ist die Last nicht optimal angepasst, kann die Energie nicht vollständig abgegeben werden.

Mögliche Folgen:

  • Niedrigere HF-Leistung
  • Höhere Drain-Spannungsspitzen
  • Stärkere Erwärmung des MOSFETs
  • Schlechterer Wirkungsgrad
  • Erhöhte Oberwellen

Beispiel:

Versorgung: 5 V
Stromaufnahme: 80 mA

Eingangsleistung:
Pin = 400 mW

Wirkungsgrad: 40 %

HF-Ausgangsleistung:
Pout ≈ 160 mW

Wichtig

Eine hohe Drain-Spannung bedeutet nicht automatisch hohe Ausgangsleistung.

Es kann sogar vorkommen, dass bei schlechter Anpassung die Drain-Spannung steigt, während die abgegebene HF-Leistung sinkt.

Deshalb sollte bei der Optimierung eines Class-E-Senders immer sowohl

  • die Drainspannung,
  • die Ausgangsspannung an 50 Ω,
  • die Stromaufnahme

als auch die berechnete HF-Leistung betrachtet werden.

Die beste Einstellung erkennt man nicht an der höchsten Drain-Spannung, sondern an der höchsten HF-Leistung bei gleichzeitig geringer Verlustleistung im MOSFET.

Quellen

Dieses Dokument entstand aus öffentlich verfügbaren technischen Quellen, eigenen Messungen und praktischen Erfahrungen. Die Aufbereitung, Strukturierung und Zusammenfassung erfolgte mit Unterstützung von ChatGPT.

Letzte Aktualisierung: 11.06.2026