Ein selektiver
Detektor
von Rudolf Drabek
In den nun fast 100 Jahren in denen
Radioempfang möglich ist, war anfangs der Kristalldetektor die einzige
Möglichkeit Programmen mit Kopfhörern zu folgen.
Das in ausgewählten, bevorzugten Gebieten wie
einer Großstadt. Berlin 1923 war der Beginn des Rundfunks. Selektivität war
nicht erforderlich. Es war ja nur ein Sender empfangbar. Die Sendungen
schlossen meist mit der Bitte, nicht auf die Erdung der Antenne zu vergessen.
Eine Antenne ist ja auch reizvoll für einen Blitz!
http://www.elektrohamann.de/downloads/Antennenblitzschutz.pdf
Heute ist der Detektorempfang ein Hobby für
Spezialisten als auch der Beginn für junge Leute sich mit Elektronik zu beschäftigen.
Bei mir war es nicht anders, so um 1953 in Wien. Die Zeitschrift Funk und Film
war meine erste Quelle für Radiobasteleien mit der Beilage „ Der
Radiopraktiker“.
Es waren mit einfachen Detektoren 3
Stadtsender in Wien zu hören. Selektivität war schon eine Frage. Mich störte es
ganz gewaltig, wenn der 584 kHz Sender fast über den ganzen Abstimmbereich zu
hören war. Aber verstanden habe ich damals wenig über den technischen
Hintergrund. Nun, das zumindest hat sich verbessert. Ich habe auch als
Radioentwickler bei Hornyphon gearbeitet und etwa 10 Radios entwickelt. Jetzt,
in Pension, ist Elektronik noch immer auch ein Teil meiner Hobbys.
Vor kurzem habe ich einen Bericht über einen
preisgekrönten Detektor von Prof. Dr.Ing. Berthold Bosch gelesen, der mein
Interesse an den Anfang des Radioempfangs wieder geweckt hat.
Sender in mehr als 1000 km Entfernung konnten
gehört werden. Die Bedienung eines solchen „Rennpferdes“ ist außerordentlich aufwendig. Man muss
1.
Mit einem
Weltempfänger die Frequenz eines einfallenden MW-Senders feststellen
2. Lose Ankopplung
eines Prüfsenders an die Antenne um die vielen Abstimmelemente des Detektors
auf Optimum zu trimmen
3.
Dann hört man
wirklich auch die Station, die der
Weltempfänger identifizieren konnte.
http://www.radiomuseum.org/forumdata/upload/Bosch_Detektor1.Rad.Mus.pdf
http://www.radiomuseum.org/forumdata/upload/Bosch_Detektor2.Rad.Mus.pdf
http://www.oldradioworld.de/gollum/analysis.htm
Literatur die
zusätzlich nützlich war:
http://www.dl4zao.de/_downloads/Detektorradio_Workshop.pdf
Wichtig sind die Links am Ende der letzten
Datei, ebenso wie
http://www.jogis-roehrenbude.de/Detektor/Mende.htm
mit
vielen Formeln.
Was man also braucht sind:
4.. Eine gute
Antenne. Es heißt ja: Eine gute Antenne ist der beste Verstärker
5. Entsprechende
Selektivität durch Anwendung von Schwingkreisen hoher Güte. Bei Einkreisern eben nur ein Schwingkreis hoher
Güte. Die Bedienung bleibt damit einfach.
6.
Eine passende Diode
zur Demodulation
7. Empfindliche
Kopfhörer
Spezifikation des geplanten Detektors.
Bandbreite 3 bis 8 kHz des EInkreisers für MW.
Güte mit Spulen lt. Bild mit 150 bis 200.
Der MW Bereich wird geteilt wegen des
besseren LC-Verhältnisses und geringerer Verstimmung durch die Ankopplung der
Antenne.
Die MW recht ja von 510 bis 1620 kHz. Also
1:3,17 in Frequenz also 1:10 in Variation des Drehkondensators. Das wird bei
einer Antennenkapazität von etwa 40 pF und weiteren Streukapazitäten schon
etwas problematisch.
Geplant ist eine Variation von 1:4 also etwa
135 bis 550 pF incl. Der Antennenkapazität.
Das erfordert Induktivitäten von 53 µH und
210 µH für die beiden Bereiche.
Die Empfindlichkeit soll in etwa dem
bekannten Volksempfänger mit VCL11 entsprechen.
Das ist ein Bereich von 200 bis 700 µV.
Aus baulichen Gründen ist eine vertikale
Antenne mit 5 m Länge geplant.
Der Kopfhörer: Das Beste was man bekommen kann sind Sound
Powered Kopfhörer. Was ist das? Erinnern sie sich an alte Filme
mit Schiffen, wo man über Rohre, die in den Maschinenraum führten, kommunizierte?
Ganz ohne Strom, rein akustisch.
Diese SPK sind das Äquivalent mit Leitungen.
Es gibt keine Stromversorgung. Mikrophon und Hörer sind identisch. Die Sprache
lieferte die Energie um sie wieder im Hörer hörbar zu machen. Es versteht sich
von selbst, dass die Konstruktion auf höchste Effizienz getrimmt ist.
Diese Verständigung wird auch als
Grubentelefon verwendet, da keine Explosionsgefahr besteht. Auf Kriegsschiffen
werden sie auch noch verwendet wegen Ausfallsicherheit.
Bei Dynalec habe ich nachgefragt, was das
kosten könnte. Mehr als 1400 US$. Na ich werde elektronisch nachhelfen um die
gewöhnlichen 4000 Ohm Kopfhörer, die etwa -70 dBm Empfindlichkeit haben auf die
-92 dBm von SPK zu bringen.
-92dBm sind 0,6 PicoWatt. Meine Kopfhörer sind
schlechter und brauchen 10 nW um etwas zu hören. Also 16000-mal mehr Energie
als SPK. Also ein Unterschied von 42 dB.
Die Demodulation ist mit einem Anodendetektor
geplant. Dieser belastet den Schwingkreis nicht. Im Gegensatz zu einer Diode.
Da Detektorgeräte auch mit Röhrendioden erhältlich waren, möge man mir die
Speisespannung für den Anodendetektor verzeihen. Er verstärkt nicht, also denke
ich das Prinzip des passiven Detektors damit fast zu erhalten.
Die Schwingkreisspule
Wichtig war mir die Weitabselektion
abzuschätzen. Im Internet habe ich nichts gefunden, also selbst ist der Mann.
Die graue Kurve entspricht einer Güte von 7
mit der man bei einem Detektor rechnen kann, wenn die Diode an einer Anzapfung
der Spule angeschlossen ist. Damit kann man einige Sender ungestört empfangen. Mit Q=200
sollte es, offensichtlich, in weiten
Bereichen um 30 dB besser sein und die Bedienung des Detektors ist einfach im
Vergleich zu einem Bandfilterdetektor, oder sogar einem Dreikreiser.
Die Exceldatei im Anhang zur Studie bei
anderen Frequenzen.
Hier noch die Ableitung für Interessierte.
Die Spule besteht aus zwei Teilspulen, die
einmal in Serie und dann je Bereich auch parallel geschaltet werden. Die Güte
ist wie folgt. Gemessen mit schwacher Ankopplung und Oszillograph mit 10 MOhm als Indikator für -3 dB.
Der „Spulenkörper“ ist eine
Mozartkugelschachtel aus Polystyrol, das ja ausgezeichnet kleine Dämpfungswerte
liefert. Der Draht Litze 27 x 0,04. Bei Bedarf geht’s auch noch besser.
Die Spule hat mit Absicht einen großen
Durchmesser von etwa 10 cm. Sie ist damit doppelt so empfindlich wie eine
Ferritantenne. Die eff. Antennenhöhe kommt in die Gegend von 1 m. Stichwort
Peildetektor !
Spulenpaar mit Ankopplung
gemessene Q Verläufe
Die Induktivität habe ich mit meinem Eigenbau
gemessen.
Beschreibung ist hier: http://www.elektronik-labor.de/AVR/LCmeter.html
Der Drehkondensator ist ein 2 x 300 pF Typ
aus der Schatzkiste. Die Werte der Güte oberhalb sind der des kompletten
Schwingkreises. Gleichzeitig erkennt man den Abstimmbereich.
Der Anodendetektor
Am Anfang der Detektoren stand der meist
Galena oder Bleiglanzdetektor. Es wurden auch rostige Rasierklingen, oder auch
z.B. Zinkoxyd zur Demodulation verwendet.
Vorerst wollte ich einen Kathodendetektor verwenden.
http://de.wikipedia.org/wiki/Kathodengleichrichtung
Letztlich habe ich aus
Detektorwirkungsgradgründen den
Richtverstärker, oder auch Anodengleichrichter, ausgewählt. Mithilfe hatte ich von
Interessierten im Web.
http://www.mikrocontroller.net/topic/307883#new
Man kann statt einer Röhre auch einen JFET
verwenden. Der Schwingkreis wird nicht belastet und auch der Nachteil der
Anlaufspannung einer Diode vermieden.
Damit fallen viele Bauteile weg, wie z.B.
Anpasstransformatoren der Kopfhörerimpedanz an den Arbeitspunkt der Diode.
Wenn eine Diode in den quadratischen Bereich
der Gleichrichtung kommt, so steigt der dyn. Widerstand stark an, die
Betriebsgüte steigt damit auch an. Das geht so weit, bis praktisch nichts mehr
gleichgerichtet wird. Dann ist auch die Betriebsgüte des Schwingkreises ident
mit der Leerlaufgüte, aber man hört nichts mehr. Ziel verfehlt. Entsprechende Untersuchungen von mir, mit
Berechnungen im Zeitbereich eines Detektorkreises mit Diode liegen vor.
Theoretisch transformiert sich ja, bei einer
idealen Diode, der Belastungswiderstand mit Glättungskondensator nach der Diode
mit ½ auf die Wechselstromseite.
Die Diode ist also ein Element das sehr
dynamisch auf die Empfangsfeldstärke reagiert und damit auf die Bandbreite des
Detektorkreises.
Stellen sie sich jetzt einen
Bandfilterdetektor vor, bei dem sie, je nach Signalstärke, die Kopplung
einstellen müssen nur weil sich mit der Signalstärke ja die Betriebsgüte ändert!
Sonst ändert sich die Bandbreite des Filters.
Ich bin auch nicht von
Vollweggleichrichterdetektoren begeistert. Man erhöht ja damit nicht die von
der Antenne aufgenommene Wirkleistung. Je mehr Leistung nach der Diode verlangt
wird, umso niedriger wird die Betriebsgüte, also auch die Trennschärfe.
Das ist mir zu umständlich, deshalb der Anodendetektor
mit JFET. Damit kann ich mir auch wieder
einen Mehrkreisdetektor vorstellen, aber es bleiben genug Tücken und
Komplikationen übrig, die ich vermeiden will.
Messergebnisse des JFET-Anodengleichrichters
im Vergleich zu einer Diode:
Kurz gefasst: viel empfindlicher als eine
Detektordiode. Details im Bild. Die Kennlinie ist quadratisch im geplanten
Bereich, aber akzeptabler Klirrfaktor bei mittleren Modulationsgraden.
Die Antenne
Wie schon angekündigt möchte ich eine 5 m
lange vertikale Antenne verwenden, die etwa 4 m über dem Boden an den Detektor
angeschlossen wird. Erde ist die Zentralheizung, die wiederum mit dem Bandeisen
im Fundament des Hauses verbunden ist.
Die Formeln zur Antennenberechnung finden sie
in den Links am Anfang des Berichtes.
Antennen waren nie mein Spezialgebiet.
Die effektive Antennenhöhe sollte so um die
3m liegen.
Damit ergibt sich bei einer Feldstärke von
200 µV/m eine Antennen EMK von
U
= heff x E = 3 x 200 µV/m = 600 µV Das ist
beträchtlich.
Diese
Spannung wird noch durch die Resonanztransformation mit k.Q überhöht.
K
ist das Verhältnis von Antennenkapazität zur jeweiligen Kreiskapazität. Ein
typischer Wert wäre z.B. 1/8 x 160 = 20 fach. Er variiert über die
Abstimmbereiche.
Die Antennenkapazität liegt bei ca. 40 pF.
Der Strahlungswiderstand bei 1 MHz so um die 0,05 Ohm. Die
Antennenersatzschaltung ist also eine
Kapazität von 40 pF mit einem Serienwiderstand von 0,05 Ohm. Der
Leiterquerschnitt der Antenne mit <1 mm² ergibt einen Verlustwiderstand von
0,08 Ohm in Summe also 0,13 Ohm.
Bei 1 MHZ ist die Dämpfung d = R. wC der
Antenne also 0,13 x 2PI()e6 x 40 e-12 = 3,3 e-5.
Umgerechnet auf das Parallelersatzschaltbild
ist der Einfluss auf die Leerlaufgüte, außer der Verstimmung,
vernachlässigbar. Bei einem Mehrkreisdetektor muss man dieser Verstimmung auch
wieder Rechnung tragen.
Das ist also der Generator der die Energie an
den Detektor liefert. Übrigens, schauen sie sich http://www.jogis-roehrenbude.de/Detektor/Mende.htm
an,
was da über die Antenne steht. Ein Modulationsgrad des Senders von 30%
ergibt vor dem Anodendetektor eine HF-Spannung von 12 mVeff = 34 mVpp für die
Feldstärke von 200µV/m. Dies ergibt in etwa, lt. Diagramm s.o. eine NF von 1
mVeff . Das ist bei 12 kOhm Kopfhörerimpedanz eine
Leistung 83 pW. Für einen angepassten SoundPowered Kopfhörer keine
Schwierigkeit das hörbar zu machen. Der LM386 mit v=160
liefert
dann 2 µW, was im Kopfhörer ausgezeichnet zu hören ist.
Die Schaltung
Die Empfindlichkeit wird mit einer
Ersatzantenne 33 pF in Serie mit 10 Ohm ermittelt. Der Antennenwiderstand beträgt zwar etwa
0,1 Ohm, aber die Leerlaufgüte wird selbst
mit 10 Ohm noch nicht wesentlich beeinflusst. Der Grund ist die kleine
Ausgangsspannung meines Prüfgenerators.
Ein Beispiel bei 800 kHz:
L= 210
µH, C= 188 pF Qo=150
Der Paralleldämpfungswiderstand Rp=Qo/wC ist damit 159 kOhm.
Der auf Parallelschaltung umgerechnete Widerstand
der Ersatzantenne von 10 Ohm ist
dann, ich rechne das über die Dämpfung, was
bei kleinen Dämpfungen ausreichend genau ist.
http://de.wikipedia.org/wiki/Verlustwinkel
d= tan Ra/Xa = 10 x 2PI() 800e3 x 33e-12 =
0,0016
Der resultierende Parallelwiderstand muss die
gleiche Dämpfung ergeben.
Rp= Xa/d = 3,6 MOhm also nur eine
Verringerung der Leerlaufgüte um 4%.
Wohlgemerkt nur für die Kunstantennne. Die
reale Antenne hat ja nur einen Serienwiderstand von etwa 0,1 Ohm, was eine 100
x niedrigere Belastung für den Schwingkreis bedeutet.
Mit C8 von 330 pF und C9 von 100 pF kann der
Empfangsbereich auch anderen Spulendaten angepasst werden. Eventuell ist es
sinnvoll C9 als Drehko mit Skala auszubilden. Man kann dann höchst einfach die
Antennenkapazität messen. Ein Sender muss dann bei verschiedenen Antennen auf
den gleichen Platz auf der Skala abgestimmt werden.
Bei Tag sind nahe Wien mit 2m Antenne ohne Erdung
5 Sendet gut zu hören. Abends ca. 30 Sender.
Die nächste Aufgabe wird sein den
„Laboraufbau“ in eine nette Form zu bringen und noch weitere Vergleiche mit
einem Weltempfänger anzustellen. Ich werde berichten.
Download der Berechnungen als Excel-Sheets: Detektor.zip
