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| Grundlegende Empfängerschaltungen - Anodengleichrichter Gittergleichrichter Audion Kristallgleichrichter Detektor |
Empfang von Hochfrequenzschwingungen
Empfangsgleichrichtung
Die amplitudenmodulierte Hochfrequenzwelle erzeugt in der Empfangsantenne eine gleich verlaufende Hochfrequenzschwingung.
Diese gibt aber z. B. in einem Kopfhörer (elektromagnetischen Telefon) kein hörbares Signal, weil die Membran den raschen
Schwingungen nicht folgen kann. Der Mittelwert des Hochfrequenzstromes ist Null, die Membran bleibt in der Mittellage.
Um die Schwingungen im Telefon hörbar zu machen, richtet man die HF-Schwingungen gleich.
Die untere Hälfte der Schwingungen wird - bildlich gesprochen - weggeschnitten.
Die verbleibende Hälfte der Schwingungen kann man in eine Summe von drei Teilströmen zerlegen:
1. Einen Gleichstromanteil J-. Dieser kann bei Empfängern mit Schwundausgleich zur Erzeugung der Regelspannung verwendet werden.
2. Eine tonfrequente Schwingung J~, welche den gleichen Verlauf wie der Wechselstrom im Sendemikrofon hat.
3. Eine Hochfrequenzschwingung J-HF von der gleichen Frequenz und der gleichen Modulation, wie sie die vom Sender ausgehende
Hochfrequenz vor der Gleichrichtung aufweist. Diese Schwingung kann zur Rückkopplung benutzt werden.
Man kann sich von der Richtigkeit der Zerlegung überzeugen, wenn man für einen beliebigen Zeitpunkt tx die
Summe der drei Teilströme J- + J~ + J-HF mit dem Strom der gleichgerichteten HF-Schwingung für tx vergleicht.
Lässt man die gleichgerichtete HF-Schwingung auf einen Kopfhörer einwirken, so hat jeder der 3 Teilströme eine andere Wirkung.
1. Die Membran wird durch Magnetisierung mit dem Gleichstromanteil J- vorgespannt.
2. Die -Tonschwingung J~ versetzt die Membran in Tonschwingungen.
3. Die dem "Richtstrom" (J- + J~) überlagerte Hochfrequenzschwingung J-HF bleibt ohne Wirkung auf die Membran
und fließt über die Windungskapazität der Hörerspulen oder einen parallelgeschalteten Kondensator ab.
Der Kernpunkt jedes Empfängers ist der Empfangsgleichrichter (Demodulator).
Kristalldetektor
Der Detektor ist ein Trockengleichrichter mit sehr kleiner Parallelkapazität. Er besteht z. B. aus einer Metallspitze,
welche gegen einen Kristall gedrückt wird. Das Verhältnis von Durchlasswiderstand zu Sperrwiderstand beträgt etwa
300 Ohm zu 3000 Ohm die höchste Eingangsspannung ca. 1 Volt eff. Nachteilig ist die leichte Verstellung der Spitze
durch Erschütterungen. Übermäßig hohe Störspannungen führen zur Zerstörung der Kontaktstelle, die Stelle wird "taub",
man muss neu einstellen. Die Kennlinien von Kristallgleichrichtern sind im ganzen nutzbaren Bereich etwa parabelförmig.
Beim Kristalldetektorempfänger schaltet man Schwingkreis, Gleichrichter und Kopfhörer in Reihe. Der Schwingkreis L, Co
kommt mit der HF-Spannung der Antenne in Resonanz. Jede zweite Halbwelle gelangt über den Gleichrichter zum Kopfhörer.
Da es auf eine möglichst gute Ausnutzung der von der Antenne gelieferten Leistung ankommt, passt man bei besseren
Geräten den Gleichrichterwiderstand an den Schwingkreiswiderstand annähernd, an, z. B. durch Anschluss des Gleichrichters
an eine Anzapfung der Schwingkreisspule L. Das vermeintliche Suchen einer guten Stelle am Kristall ist in Wirklichkeit
die Einstellung des günstigsten Gleichrichterwiderstandes durch Veränderung des Kontaktdruckes. Den Schwingkreis baut
man möglichst verlustarm auf. Da die Kreisdämpfung um so kleiner ist, je größer die Selbstinduktion L gegenüber der
Parallelkapazität Co ist, verzichtet man vielfach auf eine Abstimmkapazität und begnügt sieh mit der natürlichen
Spulenkapazität (Schiebespule, Variometer). Als Überbrückungskapazität C1 genügt manchmal die Eigenkapazität der
Kopfhörerspulen. Detektorempfang ist nur bei starken Ortssendern brauchbar. Fernempfang kommt wegen der mangelhaften
Trennschärfe des Eingangskreises (Dämpfung durch den Gleichrichter) kaum in Frage. Infolge der quadratischen Kennlinie
des Gleichrichters ergeben sich bei dem hohen Modulationsgrad m der jetzigen Sender (m = 70 % und mehr gegenüber
m = 20 bis 30 % seinerzeit) beträchtliche Verzerrungen. Kristalldioden sind Kristalldetektoren in verbesserter Form:
Man vergießt die sorgfältig eingestellte Berührungsstelle mit Wachs, z. B. Wolframspitze auf Germaniumkristall.
Ein solches Element verändert seine Einstellung nicht einmal nach einer Fallprobe mit ~ 75 cm Höhe oder nach grober
äußerer Krafteinwirkung; auch der Einfluss der Luftfeuchtigkeit ist ausgeschaltet. Eigenkapazität etwa 0,1 pF.
Infolge der dünnen wirksamen Schicht ist die Laufzeit der Elektronen in der Gleichrichterstrecke sehr klein, es
können auch höchste Frequenzen, z. Bsp. Mikrowellen, d. h. Wellenlängen von Bruchteilen eines Millimeters gleichgerichtet
werden. Kristalldioden haben etwa die Größe von 0,5-Watt-Widerständen.
An Stelle der Kristalldetektoren hat man auch fest eingestellte Kupferoxydulgleichrichter kleiner Kapazität eingeführt
(Sirutor, Westektor). Verhältnis Durchlasswiderstand zu Sperrwiderstand ca. 1 kOhm zu 100 kOhm. Bis zu etwa 1 V
Eingangsspannung verläuft die Gleichrichterkennlinie des Sirutors parabelförmig (quadratische Gleichrichtung),
darüber hinaus nahezu geradlinig (lineare Gleichrichtung). Sirutoren sind viel unempfindlicher als Kristalldetektoren.
Wegen der merklichen Eigenkapazität sind sie nur bis etwa 100 kHz brauchbar. Sirutoren verwendet man zur Gleichrichtung
ausreichend verstärkter HFSchwingungen. Schwingkreis, Gleichrichter und Nutzwiderstand sind in Reihe geschaltet.
Der Überbrückungskondensator C2 ermöglicht den Zufluss der HF-Schwingung J-HF vom Eingangskreis zum Gleichrichter.
Kondensator C2 darf nicht so groß sein, dass er für die Tonfrequenz J~, welche am Arbeitswiderstand R abgenommen wird,
eine schädliche Überbrückung bildet. Die Tonfrequenzschwingung wird über C3 an die nächste Verstärkerstufe geleitet.
Die Gleichspannung wird durch Regelleitung ALR abgenommen und an die zu regelnden Röhren geleitet.
Anodengleichrichter
Verlegt man den Arbeitspunkt A einer Verstärkerröhre in den gekrümmten unteren Teil der Kennlinie, so dass der Anodenruhestrom
klein ist, und führt man dem Steuergitter eine modulierte HF-Spannung zu, so fließt bei schwach negativen Gitterspannungswerten
Anodenstrom, wogegen bei stark negativen Gitterspannungswerten der Anodenstrom ganz oder zumindest stark unterdrückt wird. Neben
der Verstärkerwirkung tritt demnach eine Gleichrichterwirkung auf (Richtverstärkung). Auch bei Einstellung auf den mittleren
Kennlinienteil ist immer ein kleiner Gleichrichtereffekt vorhanden, da ein wirklich gerades Kennlinienstück nicht vorkommt.
Ein Anodengleichrichter dämpft den Eingangskreis nicht, da infolge der negativen Gittervorspannung kein Gitterstrom fließt.
Daher auch Anwendung zur Wechselspannungsmessung ohne Leistungsverbrauch.
Rückkopplung bei Anodengleichrichtern
Bei einem Empfänger wird die Rückkopplung nicht so fest eingestellt, dass Selbsterregung einsetzt, sondern so lose, dass der
Eingangskreis einschließlich der angeschlossenen Schaltelemente (z. B. der Antenne) nur entdämpft wird. Die im Anodenkreis des
Anodengleichrichters auftretende Hochfrequenz J-HF kann zur Rückkopplung auf den Eingangskreis verwendet werden. Durch eine Erhöhung
der Wechselspannung im Gitterkreis steigt jedoch beim Anodengleichrichter der mittlere Anodenstrom, die Verstärkung erfolgt dann
an einer Stelle größerer Kennliniensteilheit, so dass dann die Selbsterregungsbedingung erfüllt sein kann (unstabiles Verhalten).
Bei knapp vor den Schwingungseinsatz eingestellter Rückkopplung besteht daher beim Anodengleichrichter die Gefahr, dass der Empfänger
beim Eintreffen einer Störspannung, z. B. beim Einschalten einer Glühlampe zu heulen beginnt. Eine Richtverstärkerschaltung kann mit
einer Triode oder auch mit einer Pentode ausgeführt werden. Bei Pentoden tritt die erwähnte Schwierigkeit bei Einstellung der
Rückkopplung in erhöhtem Maße auf. Anodengleichrichter können Eingangsspannungen bis etwa 10V eff. verarbeiten. Bei höheren Spannungen
setzt Gitterstrom ein, es überlagert sich dann eine Audiongleichrichtung (vgl. nächsten Abschnitt), die der Anodengleichrichtung
entgegenwirkt. Die Aussteuerbarkeit nimmt mit höherer Anodenspannung zu. Der für die Gleichrichterwirkung erforderliche scharfe
Knick der Arbeitskennlinie wird durch jeden Widerstand im Anodenstromkreis abgeflacht. Am besten verzichtet man auf Rückkopplung
und schließt die Anode über einen Kondensator Co an Masse an. Als Außenwiderstand Ra wird manchmal statt eines Widerstandes eine
Anodendrossel (Spule mit Selbstinduktion L - 200 bis 300 H) verwendet.
Gittergleichrichtung (Audion)
Betreibt man eine Verstärkerröhre ohne negative Gittervorspannung, so liegt der Arbeitspunkt A im Schnitt der Anodenstromkennlinie
mit der senkrechten Achse. Der Anodenruhestrom hat die Größe OA. Liegt am Gitter eine Wechselspannung, so tritt bei jeder positiven
Halbwelle Gitterstrom Jg auf (Punkt P). Die zusätzliche negative Ladung des Gitters durch die auftreffenden Elektronen ist um so größer,
je weiter die Schwingung in den positiven Bereich kommt, je größer also die HF-Amplitude ist. Riegelt man das Gitter durch einen
Gitterkondensator Cl gegen Gleichstrom ab, so können die am Gitter freiwerdenden Elektronen nicht abfließen. Das Gitter wird so stark
negativ, dass kein Anodenstrom fließen kann (Gitterblockierung); die Röhre ist praktisch "taub". Um dies zu verhüten, lässt man die
Ladung über einen hohen Gitterwiderstand Rg = 1 bis 2 MOhm abfließen. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein: je höher die
HF-Amplitude, desto größer wird die Elektronenstauung am Gitter. Die negative Gittervorspannung verschiebt sich im Takt der
Modulationsspitzen, so dass auch die positiven Impulse nur wenig in den positiven Spannungsbereich der Kennlinien hineinragen
(Bild rechts). Der mittlere Anodenstrom ist bei Anlegen einer Gitterwechselspannung kleiner als der Anodenruhestrom. Der
Mittelwert des Anodenstroms Ja schwankt im Takt der Modulation, d. h. im Takt der Tonfrequenz (gestrichelte Kurve NF). Man nennt
diese Schaltung ein Audion (audio = ich höre). Wenn Rg « 0,1 MOhm, ist die Empfindlichkeit des Audions kleiner, die Wiedergabe
bei großer Lautstärke aber besser. Der Gitterstrom dämpft den Schwingkreis (Leistungsverbrauch). Beim Audion liegt die
Richtspannung (zum Unterschied vom Anodengleichrichter) am Gitter. Im Anodenkreis tritt also die verstärkte Tonfrequenz auf,
daher die hohe Empfindlichkeit der Schaltung. Die überlagerten HF-Schwingungen im Anodenkreis können zur Rückkopplung auf den
Eingangskreis verwendet werden. Dadurch wird die Dämpfung, welche infolge des Gitterstrombetriebs entsteht, einschließlich der
natürlichen Kreisdämpfung aufgehoben. Das rückgekoppelte Audion ist Gleichrichter, Hochfrequenz- und Tonfrequenzverstärker
zugleich. Bei Erhöhung der Gitterwechselspannung fällt beim Audion der mittlere Anodenstrom, der Arbeitspunkt wandert an eine
Stelle kleinerer Kennliniensteilheit. Eine ungewollte Aufschaukelung von Schwingungen tritt deshalb nicht auf, die Rückkopplung
ist "stabil". Der Nachteil des Audions ist seine leichte Übersteuerbarheit. Das Audion kann nur Eingangsspannungen bis etwa
1,5 V gut verarbeiten. Für eine ausreichende Audionwirkung ist steiler Gitterstromeinsatz im positiven Kennliniengebiet erforderlich,
was eine kleine Anodenspannung voraussetzt. Da das Audion auch als Tonfrequenzverstärker arbeitet, soll die Anodenspannung nicht
zu klein sein, damit der Arbeitspunkt an einer möglichst steilen Stelle der Kennlinie liegt. In der Praxis wählt man eine Anodenspannung
von etwa 60 V. Beide Bedingungen, steiler Gitterstromeinsatz und trotzdem hohe Anodenspannung, kann man dadurch erfüllen, dass
man in den Anodenkreis des Audions eine HF-Drosselspule großer Selbstinduktion legt. Als Audion kann sowohl eine Triode, als
auch eine Pentode verwendet werden. Bei einer Pentode ist die Tonfrequenzverstärkung höher. Verzichtet man bei der Pentode auf
Rückkopplung, so hat man den Vorteil, dass der Scheinwiderstand des Anodenkreises den Eingangskreis weder dämpft noch
verstimmt. Bei Anwendung von Rückkopplung fällt zwar diese Rückwirkungsfreiheit weg, doch bleibt der Vorteil der guten
NF-Verstärkung bestehen. Man darf bei Anwendung einer Pentode die folgende Verstärkerstufe allerdings nicht mittels Übertrager
ankoppeln, sondern nur mittels Widerstandskopplung. Mit einem Übertrager ließe sich praktisch keine Anpassung an den hohen
Innenwiderstand der Röhre erreichen und es entstünde deshalb ein zu großer Verstärkungsabfall bei tiefen Frequenzen.
Die Schirmgitterspannung wird beim Audion über einen Vorwiderstand zugeführt. Dadurch steigt die Aussteuerbarkeit.
In diesem Falle sinken bei starken Signalen Anoden- und Schirmgitterstrom, die Schirmgitterspannung gleitet hoch und
gleicht den Abfall des Anodenstroms aus.
Diodengleichrichtung
Anodengleichrichter und Audion haben etwa parabelförmige Gleichrichterkennlinien. Unter dieser Voraussetzung kann man nur
bei kleinem Modulationsgrad des Senders (bis 20 %) verzerrungsfrei empfangen. Da man von hochwertigen Empfängern auch die
einwandfreie Wiedergabe der Fortissimostellen (höchste Lautstärke) verlangt, bevorzugt man bei neuzeitlichen Geräten
Diodengleichrichtung. Dioden haben eine fast bis zum Ausgangspunkt gerade Kennlinie und ermöglichen daher eine lineare
Gleichrichtung. Eine Halbwelle der HF-Schwingung wird vollkommen unterdrückt, die zweite Halbwelle unverzerrt durchgelassen.
Die zugeführte HF-Spannung muss verhältnismäßig hoch sein (0,3 bis 200 V). Vor einer Diode ist deshalb HF-Verstärkung erforderlich.
Die HF-Schwingung kann in Reihen- oder Parallelspeisung zugeführt werden. Im ersten Falle liegen Arbeitswiderstand R und Diode
in Reihe, im zweiten Falle parallel. Das Bild links zeigt die zur Erzeugung der Tonfrequenz übliche Reihenspeisung. Jede zweite
Halbwelle der HF-Schwingung wird über die Diode an Kondensator Cl geleitet, der sich auf den Höchstwert der HF-Spannung auflädt.
Die Ladung von C1 schwankt so wie der Höchstwert (Modulation) der HF-Schwingung. Die Tonfrequenzspannung wird am
Arbeitswiderstand R abgegriffen, der gleichzeitig zur Einstellung der Lautstärke dient (Spannungsteiler). Die Amplitude
der Tonfrequenz N ist gleich Hochfrequenzamplitude H mal Modulationsgrad m
N=m*H
Als Empfindlichkeit der Diode bezeichnet man die Amplitude H einer Hochfrequenzschwingung, welche mit dem Ton f = 400 Hz bei
m = 30 % moduliert ist und am Empfängerausgang eine Sprechleistung von 50 mW (Milliwatt) ergibt. Dabei muss der Lautstärkeregler
voll aufgedreht sein. Der Arbeitswiderstand R der Diode soll nicht viel größer als der Scheinwiderstand RC des parallel liegenden
Kondensators Cl sein, weil sonst die Verstärkung bei hohen Frequenzen viel kleiner ist als bei mittleren Frequenzen. Im allgemeinen
ist R = 0,5 MOhm. Die Diode ist ein Wirkleistungsverbraucher; sie belastet den letzten Schwingkreis des HF-Verstärkers. Bei
Reihenspeisung wirkt die Diode wie ein zum Schwingkreis parallel liegender Dämpfungswiderstand Rv der Größe Rv=R:2; bei
Parallelspeisung ist der parallel liegende Dämpfungswiderstand Rv= R: 3 kleiner, der Energieentzug also größer. Bei HF-Amplituden
unterhalb 0,1 V beträgt der Dämpfungswiderstand wegen der Kennlinienkrümmung nur etwa Rv = R : 6. - Um den Einfluss der
Gleichrichterstrecke zu mildern, koppelt man den Schwingkreis meistens nur mit einem Teil der Windungen der Schwingkreisspule
an die Diodenstrecke.
Die Zusammenschaltung der Diode mit der folgenden Verstärkerstufe zeigt das Bild rechts. Die Reihenschaltung (R1 + R2)
entspricht dem Arbeitswiderstand R. Vom Abgriff des Lautstärkereglers R2 gelangt die Tonfrequenz über C2 an das Gitter
der Triode. Durch die Kopplung mittels C2 entsteht eine Frequenzabhängigkeit der Wiedergabe, die sich je nach der Stellung
des Lautstärkereglers R2 ändert. Hohe Töne werden hervorgehoben, denn Ströme hoher Frequenz fließen leichter über C2 als
niedere Frequenzen. Um den Einfluss der Reglerstellung zu mildern, benutzt man einen Teil R1 des Arbeitswiderstandes als
festen Vorwiderstand vor Regler. R2. Kondensator C3 dient zum Aussieben der Hochfrequenz, die sonst in den Tonfrequenzverstärker
käme und mitverstärkt würde. Hochfrequenz in den letzten Empfängerstufen könnte eine ungewollte Rückkopplung auf den
Empfängereingang ergeben. Die Reihenschaltung von Rg mit C2 liegt parallel zum Arbeitswiderstand der Diode. Der Wechselstromwert
des Arbeitswiderstandes R- ist daher kleiner als der Gleichstromwert R. Die Arbeitsgerade der Diode verläuft steiler als ohne
diese Parallelschaltung. Die Tonfrequenzspannung fällt dadurch kleiner aus, als man erwarten würde. Bei hohem Modulationsgrad,
also großer Lautstärke, entstehen sogar Verzerrungen der Tonfrequenz. Größter Modulationsgrad für verzerrungsfreie
Wiedergabe. Der Gitterwiderstand Rg der folgenden Verstärkerröhre soll daher nicht zu klein sein. Wenn man den Lautstärkeregler
nicht ganz aufdreht oder wenn man einen festen Vorwiderstand R1 vor dem Regler verwendet wie in dem Bild rechts, so macht sich
die Parallelschaltung nicht so störend bemerkbar. Der zulässige Modulationsgrad wird größer.
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