Vierstufiges Mittelwellenradio mit nur einer 1-Gitter- Röhre

Hier der ungekürzte Text. In gekürzter Form vorgetragen im P39- OV- Abend am 13.01.05.

Das Ziel der nostalgischen Entwicklung

Weshalb baut ein Funkamateur ein Mittelwellenradio? Weil in der Epoche, mit der wir uns hier beschäftigen, die Kurzwelle noch nicht ernst genommen wurde. Nach dem Lesen etlicher Veröffentlichungen aus der Zeit von 1925 bis 1928 entstand der Wunsch, die Probleme genauer kennenzulernen, mit denen die damaligen Radio- Entwickler zu tun hatten. Insbesondere die sogenannte Reflexschaltung wurde damals als geniale, aber auch schwierige Radiobastelei gelobt. Als die Röhren besser und billiger wurden, verschwand die Reflexschaltung genausoschnell wieder.

Daneben findet man die mannigfaltigsten Bauanleitungen verschiedener Geradeausempfänger und erster Superhets. Genauer Superheterodyne - Damals hat jeder, der etwas darstellen wollte, seiner Schaltung einen Namen gegeben der mit ...dyne endete. Neutrodyne, Tropadyne, Solodyne, Strobodyne, Ultradyne.

Nach dem zweiten Weltkrieg waren Röhren so knapp und teuer, daß die Reflexschaltung wieder hervorgeholt wurde. Inzwischen waren auch Germaniumdioden entwickelt worden, Selen- Netzgleichrichter, Keramikkondensatoren, Ferritspulen, kurz all die Teile, die in meiner Bastelkiste auf ihren zweiten Einsatz nach über 50 Jahren warteten. Also war es naheliegend, sich in die Zeit um 1948 zurückzuversetzen. Eine halbtote Röhre fand sich auch, deren Daten den Einsatz einer Reflexschaltung sinnvoll erscheinen ließ.

Denn eins muß gleich klargestellt werden. Mit Pentoden von 1940/1950 konnte man so gute Radios bauen, daß man keine Trickschaltungen mehr brauchte. Solch einen empfindlichen 0V1 ( Audion mit Niederfrequenzverstärker ) habe ich noch funktionsfähig. Ziel war also, aus der müden Eingitterröhre soviel Verstärkung herauszuholen, daß etwa die Empfindlichkeit eines zwei- Pentoden- Geradeausempfängers erreicht wurde.

Grundlagen der verwendeten Schaltungstechnik

Weil ich meine ersten Gehversuche als Jugendlicher noch mit Röhren machte, und erst nach dem Bau mehrerer Geräte auf Transistoren und ICs umsatteln musste, besteht die Gefahr, daß ich im Folgenden Kenntnisse voraussetze, die spätere Generationen nicht mehr erworben haben. Allerdings will ich versuchen, ohne viel Theorie auszukommen. Von den Radiobastlern der 20er Jahre konnten auch nicht alle einen Schwingkreis ausrechnen. Den hat man nach Kochbuchrezept realisiert und experimentell verbessert.

Für die Reflexschaltungen habe ich zwei Seiten, wo man sich mit der Materie etwas vertraut machen kann, bevor man sich an die Schaltung dieses MW- Radios wagt: Standard Reflexschaltungen, Übersicht und eine Seite zu einem Artikel über die spezielle Reflexschaltung von Lehne .

Auch eine andere damals erfundene Schaltung wird hier verwendet. Sie ist auf der Seite Pendelaudion und Pendelentdämpfung beschrieben.

Einiges Wissenswerte zu Röhren der 20er Jahre und zu einigen exotischen Röhren, die ich in alten Artikeln gefunden habe, findet man auf der Seite Exotische Empfangsröhren.

Ich war zunächst etwas ratlos, welche alte Röhre ich für meine Experimente wählen sollte. Die Bastelkiste enthielt an Trioden fast nur später übliche Doppeltrioden, z.B. ECC81, deren Steilheit viel zu hoch war. Ich entschied mich für eine Röhre, die eigentlich zu ganz anderen Zwecken entwickelt wurde. Aber wegen ihrer äußeren Erscheinung mit großem Loktalsockel und metallisch lackiertem Glasgehäuse passte sie besser zu den alten Schaltungen als jüngere Novalröhren. Wozu die Röhre sonst dient, dazu später mehr. Weil für sie kein Datenblatt vorhanden war, mussten zunächst die Kennlinien aufgenommen werden. Sie entsprachen tatsächlich weitgehend den gesuchten. Die Röhre kam den in den alten Beschreibungen angegebenen Daten recht nahe.

Die ausgewählte Spezialröhre hat darüber hinaus den Vorteil, daß die beiden enthaltenen Trioden unterschiedliche Kennlinien aufweisen. Diese seltene Eigenschaft passt gut zum Schaltungskonzept, wie gleich gezeigt wird. Der Nachteil, daß die beiden Gitter intern verbunden sind, stört bei der Kernschaltung nicht, sondern spart sogar Teile. Jedoch bei den Erweiterungen, bei der Anwendung der Reflexschaltung, erzwang dieser gemeinsame Gitteranschluss neue Wege. Das führte zu unkonventionellen Schaltungen und neuen Erkenntnissen.

Schaltungskonzept

Für die Wahl des Schaltungskonzeptes tun wir zunächst einmal so, als hätten wir eine normale Doppeltriode zur Verfügung. Wir können beide Triodensysteme in eine Reflexschaltung einbinden. Das gäbe einen zweistufigen HF- Verstärker, der gleichzeitig die Aufgabe eines zweistufigen NF- Verstärkers erledigt.

Können wir damit einen Superhet bauen? Ein Mischer verlangt eine Knickkennlinie, ein Reflexverstärker dagegen eine lineare Kennline. Das passt auf den ersten Blick nicht zusammen. Eine Triode wäre in einem Überlagerungsempfänger also für den Mischer reserviert und stände nicht für eine Reflexfunktion zur Verfügung. Sie würde statt für HF und NF zweimal die volle Verstärkung, also nur einmal die reduzierte Mischverstärkung einbringen.

Unter bestimmten Bedingungen kann zwar auch ein Mischer in eine Reflexschaltung einbezogen werden, es bleibt aber der Nachteil, daß die Mischverstärkung geringer als die Geradeausverstärkung ist. Auch wenn wir einen externen Diodenmischer vor die zwei ZF-Verstärker schalten würden, kämen wir nicht auf die gewünschte Gesamtverstärkung. Die Aufgabe war also, trotz Verzicht auf das Superhetkonzept, eine ausreichende Trennschärfe zu erreichen. Da denkt man zuerst an ein rückgekoppeltes Audion.

Aber auch ein Audion scheidet für Doppelausnutzung aus, weil es in sich HF- und NF- Funktionen vereinigt. Auf die Vorteile einer Entdämpfung durch Rückkopplung muß man deswegen aber nicht verzichten, denn das geht auch beim HF- Verstärker, wenn auch kritischer als beim Audion. Deshalb entschied ich mich für eine Pendel- Entdämpfung. Die Demodulation kann in einer separaten, röhrenlosen Stufe erfolgen.

Diesen Vorschlag fand ich im FUNK/Funkbastler 1928, Heft 4, Seite 53, siehe Reflexschaltung von Lehne. Dort beschreibt der Autor Lehne auch detailliert die Schwierigkeiten mit dem Schwingeinsatz und der Dimensionierung der Reflexschaltung mit einer Triode. Weil ich wegen der zwei Trioden mit noch größeren Problemen rechnete, wählte ich für die Entdämpfung die komfortabelste Lösung, nämlich die mit separatem Pendeloszillator.

Blockschaltbild

Die Blockschaltung beginnt mit einer Ferritantenne, die zu einem hochohmigen Schwingkreis ergänzt wurde, um gleich eine möglichst hohe HF-Spannung an das Gitter zu bekommen. Auch der Anodenschwingkreis hat einen relativ hohen Resonanzwiderstand. Weil hier das Triodensystem mit der etwas höheren Steilheit verwendet wird, schwingt die Stufe durch Rückkopplung über die innere Anoden- Gitter- Kapazität. Um dies zu vermeiden, müssen Triodenverstärker sonst neutralisiert werden. Hier wird stattdessen der Pendeloszillator eingefügt, der die Entdämpfung nutzbar macht. Das Gitter bekommt ein so großes Signal vom 20kHz- Oszillator, daß es die halbe Zeit gesperrt ist. So können die angefachten Schwingungen wieder ausklingen, und die Stufe pendelt um den Punkt optimaler Empfindlichkeit.

Die zweite HF- Stufe nutzt das zweite Triodensystem mit der geringeren Steilheit. Außerdem ist der dritte HF- Schwingkreis durch die Gleichrichterdiode belastet. Hier wurde auf Anpassung der Diode dimensioniert, was zu einer großen Bandbreite und geringer Verstärkung führt. Hier besteht also keine Schwinggefahr.

Der auf den Demodulator folgende zweistufige NF- Verstärker erlaubt nur leisen Lautsprecherempfang, weil der Anodenstrom nur ca. 2mA beträgt. Wegen der hohen Anodenspannung ist aber immerhin eine Sprechleistung in der Größenordnung von 50 mW möglich. Bei alten, ungedämpften Lautsprechern ( also keine Boxen !) reicht das, wenn man direkt davor sitzt. 1928 sprach man bei 50mW von Zimmerlautstärke!!

Zweistufiges Radio mit Doppelnutzung von Triode 2

Bevor ich mit den Reflexschaltungen experimentieren konnte, musste ich zuerst der Kern der Schaltung optimieren, den pendelentdämpften Hochfrequenzverstärker. Dahinter setzte ich einen normalen Diodendemodulator - Meine Nostalgie ging nicht soweit, mich hier mit einem Kristalldetektor herumzuärgern. Die Oszillatortriode kann gleichzeitig als Lautsprecherverstärker dienen, da die Oszillatorschwingung im Ultraschallbereich liegt. Dafür wird das weniger steile Transistorsystem verwendet, siehe folgendes Bild, linke Hälfte.

Im Bild sind rechts die Gitterspannungs- Anodenstromkennlinien dargestellt. Oben die Kennlinie für die im Schaltbild oben gezeichnete Triode mit der Anode A1. Sie hat die größere Steilheit. Bei Gitterspannungen unter -6V fließt kein nennenswerter Anodenstrom. Die untere Triode (A2) kann einen größeren Bereich der Gitterspannung nutzen, nämlich fast bis -20V. Daraus ergibt sich, daß eine größere, mit A2 erzeugte Schwingamplitude das erste Triodensystem soweit durchsteuert, daß es die halbe Zeit gesperrt ist. Also ist A1 für den Pendel-entdämpften HF- Verstärker und A2 für den dazugehörigen Oszillator geeignet.

Bei üblichen Doppeltrioden müssten die Gitter verschiedene Vorspannungen erhalten, und die Oszillatorspannung müsste über einen Kondensator eingekoppelt werden. Die Spezialröhre spart hier also einige Teile.

Die bei den Kennlinien dargestellten Wechselspannungen sollen die Funktion verdeutlichen: Der großen, blau gezeichneten Oszillatorspannung ist am Gitter die kleine, rot dargestellte Hochfrequenz überlagert. Anodenseitig sind die jeweils uninteressanten Anteile des Anodenstroms weggelassen. Der rote HF-Anteil des Stroms in A1 lässt während der positiven Oszillatorhalbwelle am Schwingkreis die HF-Spannung Ua1 anwachsen, die dann in der Pause wieder abklingt. An A2 liegt der Oszillatorschwingkreis, der den HF-Anteil kurzschließt, der auch hier im Anodenstrom enthalten ist.

Die Niederfrequenzspannung ist in diesem Zeitmaßstab nicht zu sehen. Sie verschiebt die dargestellten Spannungen hin und her, was durch die drei blauen Linien angedeutet wird.

Dreistufiges Radio mit Doppelnutzung der Trioden 1 und 2

Bisher mussten sich HF- und NF- Signal nur deshalb überlagern, weil die Spezialröhre nur einen Gitteranschluß hat. Sie wurden aber getrennt verstärkt, so dass es noch keine Reflexschaltung im üblichen Sinn ist. Das wollen wir jetzt hinzufügen: Die obere Triode A1 kann neben der HF-Verstärkung auch eine NF- Vorverstärkung durchführen, siehe nächstes Bild, linke Hälfte. Daß der Strom nur die halbe Zeit fließt, führt zu einer Halbierung der Verstärkung. Aber besser eine halbe als garkeine.



Aber halt! Die Röhre hat doch nur ein Gitter, und da liegt schon das NF- Signal für die untere Triode an. Da kann doch nur ein einziges NF-Signal eingespeist werden.

Hier hilft uns das unterschiedliche Verhalten der Spezialröhre bei der positiven und negativen Halbwelle des Oszillatorsignals. Lassen wir für die folgende Betrachtung mal HF-Signale weg, siehe rechte Bildhälfte! Dann liegt am Gitter die Überlagerung von Oszillatorspannung und der Niederfrequenz vom Demodulator, wie schon im vorigen Bild. Im Triodensystem 1 wird davon nur die NF1 zu NF2 verstärkt. Das Oszillatorsignal wird hier nicht verstärkt, weil A1 für die Oszillatorfrequenz an Masse liegt. An A2 wird die NF1 auch verstärkt, allerdings mit kleinerer Steilheit.

Bei negativer Halbwelle, wenn das Oszillatorsignal unter -14V gesunken ist, wird die Diode leitend und schaltet die verstärkte NF2 zum Gitter. Jetzt ist aber das Triodensystem 1 schon stromlos, so daß es keine NF- Rückkopplung geben kann. Die Triode 2 verstärkt weiter. Am Ausgangsübertrager haben wir also eine Niederfrequenzspannung U NF3, die abwechselnd ein Stückchen der nur einmal verstärkten (vernachlässigbar) und der zweimal verstärkten Demodulatorspannung zeigt. Diese Zwischenlösung ist zugegebenermaßen nicht leicht zu durchschauen, und war auch nicht gut beherrschbar, deshalb gehen wir gleich einen Schritt weiter!

Klarer wird die Funktion, wenn wir am Gitter einen vom Oszillator gesteuerten Umschalter einfügen, siehe nächstes Bild. Bei negativer Halbwelle läßt er wieder durch die obere Diode das von A1 vorverstärkte NF- Signal NF2 zum Gitter. Bei positiver Halbwelle, wenn die Spannung vom Oszillator -1V übersteigt, wird die untere Diode leitend und begrenzt die Gitterspannung auf die Summe von HF1 + NF1.



Beide Diodenzweige sind niederohmiger als die Rückkopplung des Oszillators. Dadurch ist jetzt am Gitter fast eine Rechteckschwingung zu sehen, der auf den Flächen verschiedene kleinere Signale überlagert sind. Während der positiven Halbwelle findet man um einen Mittelwert von -1V herum einige Perioden der Hochfrequenz vom Antennenkreis, wobei der Mittelwert ein Stückchen aus der NF-Spannung ist, die vom Demodulator kommt. Entsprechend wird die negative Halbwelle von einem Stückchen aus der von A1 verstärkten Niederfrequenz NF2 bestimmt.

Vierstufiges Radio mit Dreifachnutzung der Triode 2

Jetzt fehlt noch die zweite HF-Stufe. Diese Aufgabe als dritte Funktion dem Triodensystem A2 aufzubürden, ermöglicht ebenfalls der Gitterumschalter, siehe nächstes Bild. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß der an Anode A1 angeschlossene Schwingkreis nachschwingt, wenn A1 stromlos wird. In der Zeit, wo nur A2 Strom zieht, kann nun das von A1 verstärkte HF-Signal in der Triode 2 noch ein bisschen weiter verstärkt werden.



Rechts sind wieder die Verhältnisse anhand der Kennlinien gezeigt, wobei diesmal die Niederfrequenzsignale weggelassen wurden. Man findet an der Anode A2 für die Empfangsfrequenz abwechselnd das nur einmal schwach verstärkte Signal des Antennenkreises und während der negativen Halbwelle des Oszillatorsignals das zweimal verstärkte. Dieses stellt eine gedämpfte Schwingung dar, weil während dieser Zeit A1 gesperrt ist, und der zweite Schwingkreis keinen Energienachschub erhält. Dem Demodulator ist das egal. Wenn er wenig belastet ist, kann er mit Spitzengleichrichtung arbeiten.

Verfolgen wir noch einmal den Signalweg: Bei positiver Halbwelle des Oszillators ist die untere Diode leitend, so dass das HF- Signal vom Eingangsschwingkreis zu den Gittern gelangt. Am A1- Schwingkreis ist das HF- Signal einmal verstärkt, entdämpft, und schwingt nach, während es darauf wartet, dass die obere Diode öffnet. Das erfolgt in der negativen Halbwelle, wenn die Gitterspannung vom Oszillator auf unter -14V gezogen wird. Nun erfolgt die zweite HF-Verstärkung in der unteren Triode. Das Niederfrequenzsignal, am Demodulatorausgang im Ladekondensator gespeichert, wartet, bis die untere Diode öffnet. Das ist der Fall, wenn die obere Triode aktiv ist. Das einmal verstärkte NF- Signal gelangt auf Umwegen zur oberen Diode, wo es erst durchgelassen wird, wenn die obere Triode gesperrt ist, und nur noch die untere Triode die Endverstärkung durchführt.

Der Umschalter mit den zwei Dioden gleicht also den Nachteil der verbundenen Gitter funktionell aus. Trotzdem könnte man mit zwei getrennten Trioden natürlich bessere Ergebnisse erzielen. Denn die aktiven Zeiten sind hier ja weniger als die halbe Oszillatorperiode lang. Entsprechend reduziert sich die Verstärkung. Gegenüber dem reinen pendelentdämpften HF-Verstärker der Kernschaltung bringt die hier so umständliche Reflexschaltung aber immer noch einen wesentlichen Verstärkungsgewinn.

Dabei ist die Entkopplung des Demodulators vom entdämpften, ersten HF-Verstärker ausschlaggebend. Bei der Schaltung mit der Diode am zweiten Schwingkreis war dieser so bedämpft, daß eine zusätzliche, externe Rückkopplung zur Entdämpfung nötig war. Diese war nur schwer beherrschbar. Jetzt kann der zweite Kreis so hohe Güte haben, daß zur Pendel- Entdämpfung die unvermeidliche interne Rückkopplung ausreicht.

Eine realisierte Schaltung

Ich bin immer zu ungeduldig, um aus einer funktionierenden Schaltung auch noch eine vorzeigbare Schaltung zu machen. In diesem Fall wäre für einen stilechten Aufbau besonders viel mechanische Arbeit erforderlich gewesen. Deshalb blieb es bei einem Chassis aus Hartpapier mit Lötösen und offener Verdrahtung. Die Schaltung ist auf der Seite Schaltungsdetails beschrieben. Beobachtungen bei den Tests und einen Versuch ihrer Deutung findet man unter Analyse der Effekte.

Beurteilung des Konzeptes

Sicher sind die meisten Leser bei den letzten Kapiteln aus dem Kopfschütteln nicht mehr herausgekommen. Das ist ja Irrsinn, werden viele gedacht haben. Soviele Winkelzüge, nur um Röhren zu sparen? Heute kann man sich das bei Transistoren im Cent- Bereich nicht mehr vorstellen. Selbst 1-Chip Radios sind unter 1 Euro angesiedelt. Aber nach dem Krieg zählte jedes Bauteil, auch Kondensatoren wurden gespart, wo es nur ging.

Um die hier beschriebene Schaltung im Sinne eines Bastlers von 1948 zu beurteilen, muß man die Gesamtheit aller benötigten Bauteile mit einer Standard- Radioschaltung dieser Zeit vergleichen. Haben die Winkelzüge womöglich zu einer Erhöhung der Bauteil- Aufwendungen geführt? In der Tat: Dioden, von denen hier ja drei benötigt werden, waren kostbarer als Röhren. Wenn unser Bastler also nicht beruflich mit Mikrowellen zu tun hatte, wird er wohl kaum welche in der Bastelkiste gehabt haben. Und daher hätte er die Eingitterröhre mit zwei Anoden schnell beiseitegelegt und normale Trioden verwendet.

Schade, also ist das doch keine historische Schaltung, sondern eine für das 21. Jahrhundert, wo nun zum drittenmal Röhren absolute Mangelware geworden sind.

Nachtrag: Die Röhre aus der Bastelkiste

Ich versprach, zu erklären, wozu die Röhre mit dem einen Gitter aber zwei Anoden sonst dient. Es ist das Magische Auge EM35, mit anderem Sockel besser bekannt als EM11. Auch mit der UM4 habe ich experimentiert. Sie hat etwas weniger Verstärkung, ist aber sonst sehr ähnlich. Die Anoden sind intern mit den Ablenkstäben verbunden. Wegen der vollen Durchsteuerung der Kennlinien leuchten die Fächer hier in voller Breite unterschiedlich hell. Die zu A1 gehörende Leuchtkante zeigt mit winzigen Ausschlägen den Sender und zappelt mit der Modulation. Diese sechste Funktion der Röhre ist hier aber so unbefriedigend, daß ich fast vergessen hätte, sie zu erwähnen.


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