Mittelwellen-Audion (Rückkopplungs-Empfänger, 0-V-1, Einkreiser) mit einer PCL84 oder einer ähnlichen Elektronenröhre optimieren
Die PCL84 schlummert in vielen Bastelkisten ungenutzt ihr Dasein. In großen Stückzahlen hergestellt, wurde sie speziell für Fernsehempfänger entwickelt und findet für den Bastler keinen rechten Einsatzweck. Ihr Triodensystem wurde für die Schwundregelung und Synchronisierstufe eingesetzt. Das Pentodensystem wurde als Videoverstärker eingesetzt. Laut dem Datenblatt von Telefunken ist sie für NF-Anwendungen ausdrücklich nicht geeignet. Trotzdem lässt sich mit der PCL84 ein brauchbarer Rückkopplungs-Empfänger bauen. Mit dem daraus Gelernten und den nachfolgenden Tipps lässt sich fast jedes Trioden-Pentoden-System anpassen.
Ursprünglich wurde die nachfolgend vorgestellte Schaltung mit einer PCL86 realisiert. Bei dem Versuch eine PCL86 einzusetzen, ist im Wumpus-Gollum-Forum eine sehr interessante Diskussion über die Konstruktion von Audionen entstanden, welche ich nachfolgend zusammenfassen möchte und viel Aufschluss über die Konstruktion von Audionen liefert. Die zur Diskussion vorgestellte Schaltung wurde in einem selbstgebauten Holzgehäuse eingebaut, um einen betriebssicheren Empfänger zu erhalten.
Die PCL84 während des Betriebs. Sie besteht aus einer Triode und einer Pentode (Daten der PCL84 hier).
Warnhinweise: Die Schaltung arbeitet mit fast 100 Volt Anodenspannung, welche unter ungünstigen Umständen tödlich sein können. Die Kondensatoren des Netzteils können noch nach Tagen mit gefährlich hohen Spannungen geladen sein. Das Experimentieren geschieht auf eigene Gefahr und setzt Kenntnisse über den Umgang mit hohen Spannungen voraus.
Die Schaltung: Das Triodensystem arbeitet als Audion in der Hartley-Schaltung (induktiver Dreipunktschaltung) und kommt dadurch mit einer Spule mit Anzapfung aus. Die Pentode verstärkt die Niederfrequenz für den Lautsprecherbetrieb. Das Netzteil wird von einem zweckentfremdeten Netztransformator gespeist. Er liefert 13 Veff Wechselspannung bei 300 mA für den Heizfaden, der eigentlich für 15 V konzipiert ist. Trotzdem ist die Spannung ausreichend. Für die Anodenspannung wird eine Wicklung mit etwa 35 Veff verwendet. Über eine Spannungsverdoppler-Schaltung werden daraus etwa 90 bis 100 Volt bei 30 mA erzeugt. Dies reicht für eine Anodenspannung aus, welche eine angenehme Zimmerlautstärke ermöglicht.
Die gesamte Schaltung kommt mit wenigen Bauteilen aus und liefert dennoch Zimmerlautstärke.
Die vorläufige Schaltung des PCL84-Audions für Mittelwelle (Großansicht hier).
Beschreibung der Einzelheiten und Besonderheiten: Nachfolgend hilfreiche Tipps zu Optimierung eines Audions in Hartley-Schaltung.
Entbrummkondensatoren: Parallel zu den Gleichrichterdioden befinden sich Entbrummkondensatoren. Sie verhindern einen verbrummten Empfang. Hochfrequenz, die über das Lichtnetz einstreut, wird an den scharfen Kennlinienknicks der Siliziumdioden mit anderen Frequenzen und der Empfangsfrequenz zu unerwünschten Mischprodukten multiplikativ gemischt, was zu einem verbrummten Empfang auf Lang- bis Kurzwelle führt. Früher wurden Selengleichrichter eingesetzt, welche nicht diesen scharfen Kennlinienknick besitzen, wodurch dieses Problem nicht bestand. Bei 100 Volt Anodenspannung sollten die Entbrummkondensatoren zur Sicherheit mindestens 200 Volt Spannungsfestigkeit besitzen. Die Kapazität der Entbrummkondensatoren ist unkritisch und darf sich zwischen 10 und 100 nF bewegen.
Der NF-Übertrager: NF-Übertrager für Lautsprecherempfang sind schwer zu beschaffen und teuer. Für diesen Fall geht aber zur Not ein Netztransformator 220 Volt / 6 Volt oder noch besser 4 Volt. Ideal ist es die Lösung nicht, da der Anodenstrom durch den Transformatorkern in seine magnetische Sättigung führen kann. Audio-Übertrager besitzen deshalb einen Luftspalt, der bei Netztrafos fehlt. Wegen des Problems de Sättigung sollte deshalb mit größeren Netztrafos experimentiert werden. Kurzschlussfeste Netztrafos mit Widerstanswicklungen sind ebenfalls zu meiden. Netztrafos sind eine Notlösung, wenn es nicht auf eine besonders gute Klangqualität ankommt.
Auswahl eines brauchbaren Röhrenexemplars: Ich besitze eine Reihe von Exemplaren der PCL84, die aus alten Fernsehern ausgeschlachtet wurden. Ohne Röhrenprüfgerät lässt sich dasjenige Exemplar mit dem geringsten Verschleiß ermitteln. Dazu wird der Gleichspannungsabfall am Kathodenwiderstand R5 (270 Ohm) gemessen. Gute Exemplare liefern bis zu 3 Volt, bei den schlechten liegt der Wert knapp über 2 Volt. Der Unterschied ist in der Empfängerempfindlichkeit hörbar.
Konstruktiver Aufbau in einem selbstgebauten Holzgehäuse, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit und die Möglichkeit zu Schaltungsänderungen vereint.
Wilde UKW-Schwingungen der Pentode verhindern: Das Pentodensystem der PCL84 wurde als Videoendverstärker entwickelt und arbeitet problemlos bis 5,5 MHz. Entsprechend ausgeprägt ist ihre Neigung zu wilden HF-Schwingungen. R3 am Gitter der Pentode habe ich deshalb zur Sicherheit eingebaut. Er soll eventuelle wilde UKW-Schwingungen unterbinden. Solche Widerstände werden "grid stopper" genannt und kommen in den meisten NF-Endstufen zum Einsatz. Ich hatte mal ein geregeltes Netzgerät mit einem MOS-FET als Längsregler aufgebaut. Die Schaltung fing an auf UKW zu schwingen. Es liegt dasselbe Problem vor. Auch in diesem Falle hatte ein Widerstand in die Leitung zum Gate (was ja dem Steuergitter entspricht) Abhilfe geleistet.
Ein FET oder eine Elektronenröhre besitzt eine kleine Kapazität zwischen dem Steuergitter bzw. dem Gate und den anderen Elektroden. Dadurch fließt bei UKW ein Wechselstrom durch das Gate bzw. Gitter. Dieser Strom wird durch den Vorwiderstand begrenzt, wodurch das System hoffentlich nicht mehr schwingen kann. In anderen Worten: Der Vorwiderstand bildet zusammen mit der Eingangskapazität einen Tiefpass, wodurch die Verstärkung für eine UKW-Oszillation nicht mehr ausreicht. Bei schlechter Masseführung kann trotzdem Schwingneigung auftreten. Eine Drossel in der Zuleitung der Kathode kann dann Abhilfe leisten.
Der NF-Koppelkondensator: C12 habe ich auf 1 nF herabgesetzt. Dies ergab weniger Bässe und eine bessere Sprachverständlichkeit des Lautsprechers, welcher in einem Holzgehäuse eingebaut wurde. Der Wert ist durch Versuche zu ermitteln. 10 nF reichen im Normalfall aus.
Einspeisung der Antenne: Für eine 30 m lange Drahtantenne hat sich eine lose Einspeisung über eine getrennte Wicklung als geeignet erwiesen. Trotzdem können in den Abendstunden starke Nachbarstationen durchschlagen. Dies verhindert ein Potenziometer als Vorwiderstand. Bei zu starker Ankopplung wird der Schwingkreis zudem so stark bedämpft, dass es nicht zur Rückkopplung kommt. Es wird dann nur "Wellensalat" empfangen. Dann hilft dieses Potenziometer ebenfalls bei einer optimalen Einstellung.
Eine kurze Antenne von 7 m Länge, die im Keller verspannt wurde, konnte direkt an das heiße Ende der Spule angeschlossen werden und ermöglicht in den Abendstunden den Empfang vieler ausländischer Mittelwellensender.
Die Spule und der Schwingkreis: Für den Kern der Spule wurde ein Stück Ferritmaterial von 10 cm Länge und 1 cm Durchmesser verwendet. Die Wickeldaten sind dem Schaltbild zu entnehmen und dienen als Orientierungshilfe. Die Spule hat 200 uH für einen 400pF-Drehkondensator, dem ein 30pF-Kondensator parallelgeschaltet wurde, um das Mittelwellenrundfunkband recht genau abzudecken. Dies alles kann über die Thomsonsche Schwingungsgleichung ermittelt werden.
Die Spule für den Experimentiereinsatz soll keine Dauerlösung sein.
Für eine hohe Trennschärfe ist eine hohe Güte der Spule anzustreben. Dazu sollte ein großer Durchmesser und HF-Litze gewählt werden. Ein Spulenkern ist nicht notwendig. Die Spule aus Ferritmaterial stellt nicht das Optimum dar, liefert aber gute Ergebnisse.
Optimierung des Arbeitspunkts des Audions: Dazu müssen in langwieriger Kleinarbeit verschiedene Faktoren in Einklang gebracht werden. Da die Triode der PCL84 sehr steil ist, setzt die Rückkopplung hart ein. Für einen weicheren Einsatz kann die Anzapfung der Spule weiter Richtung Masse verlegt werden und ein Widerstand in die Kathodenzuleitung der Triode eingesetzt werden. Um die Verstärkung zu erhöhen, kann in Serie zu R2, dem Anodenwiderstand der Triode, eine Drossel eingesetzt werden. Außerdem hat der Gitterableitwiderstand R1 Einfluss auf den Arbeitspunkt und kann größer als 100 kOhm gewählt werden. Eine Veränderung von R2 brachte zwischen 30 und 100 kOhm gehörmäßig keine Empfangsverbesserung. Deshalb habe ich 100 kOhm gewählt, um einen möglichst kleinen Anodenstrom zu erzielen.
Hörprobe des noch nicht optimierten Audions mit der PCL84. Das Radio klingt schon ganz gut.
Die Schaltungsvariante mit der PCL86. Das Mittelwellenband ist in den Abendstunden voll belegt und Nachbarstationen schlagen durch. Würde ich den Antennenpegel herunterdrehen, wäre das Übersprechen und Pfeifen weitgend verschwunden. Aber dann wäre der Ton zu leise. Man müsste also zum Ausgleich mit einer NF-Vorröhre arbeiten.
PCL84 oder PCL86? Wer einen Ortsender in der Nähe hat oder lange Antennen besitzt, scheint nach meiner Erfahrung mit der PCL86, welche für NF-Anwendungen konzipiert wurde, besser bedient zu sein. Allerdings ist die PCL84 auf Grund ihrer größeren Steilheit empfindlicher und scheint sich besser für kurze Innenantennen zu eignen.
Optimierungsversuch von R1 (Kathodenwiderstand und R2 (Anodenwiderstand) an einem PCL86-Audion: Ich habe nun versucht an der Audionröhre den Gitterwiderstand R1 und den Anodenwiderstand R2 zu optimieren. Dazu wurde R1 durch ein 2MegOhm-Trimmpoti und R2 durch ein 500kOhm-Trimmpoti ersetzt. Um ein konstantes Eingangssignal zu erhalten, wurde ein Prüfsender auf etwa 1 MHz gestellt und mit geringstem Pegel über einen Vorwiderstand lose mit der Antennen- und Erdbuchse verbunden. Die Lautstärke wurde mit einem mV-Meter am Lautsprecher geprüft (NF-Modulation 1000 Hz). Anschließend wurde der Empfänger unter realen Bedingungen in den Abendstunden an einer 7 m langen Innenantenne und einer 30 m langen Außenantenne getestet.
Vergrößert man R1, treten folgende Effekte wie teilweise zu erwarten, ein:
Höhere Empfindlichkeit des Empfängers. Ab >1MOhm keine nennenswerte Empfindlichkeitssteigerung.
Höhere Brummempfindlichkeit.
Hellerer Klang des Tons (der C parallel zu R1 müsste zum Ausgleich ebenfalls vergrößert werden).
Rückopplung setzt härter ein (zum Ausgleich muss die Spulenanzapfung Richtung Masse wandern).
Keine Erhöhung der Lautstärke.
Schließlich ist zu bedenken, dass vermutlich die Nachbausicherheit mit höherem R1 sinkt, da bei ungünstiger Masseführung die Neigung zu wilden Schwingungen steigt.
Schaltbild des optimierten Audions mit der PCL86 (Großansicht hier).
Verändert man R2, stellt man ein sehr breites und schwach ausgeprägtes Optimum der Lautstärke zwischen etwa 100 und 300 kOhm ein. Will man eine günstige Einstellung von R1 und R2 finden, muss dazu die Rückkopplung und die Resonanzfrequenz immer leicht korrigiert werden. Insgesamt konnte aber keine höhere Lautstärke erreicht werden. Dies hat auch das mV-Meter am Lautsprecher bestätigt. Zudem hatte ich noch eine Spule (22 mH) in Serie zu R2 geschaltet. Dies brachte keine Steigerung der Lautstärke. Deshalb habe ich sie wieder entfernt.
Folgende Werte verwende ich derzeit für die PCL86:
Gitterwiderstand R1 = 700 kOhm
Anodenwiderstand R2 = 140 kOhm
Abgesehen von einer etwas besseren Empfindlichkeit bei schwachen Signalen an einer kurzen Antenne (7 m Draht im Keller), kann ich in den Abendstunden an der 30 m langen Antenne keine Verbesserung der Empfangsqualität feststellen. Deshalb bin ich neugierig, wie sich der Empfänger am Tage verhält. Da die Antenne durch die Empfindlichkeitssteigerung loser angekoppelt werden kann, erwarte ich eine geringere Dämpfung des Schwingkreis und somit eine bessere Trennschärfe.
Meine Gedanken dazu: Die Ia/Ug-Kennlinie ist doch so relativ gerade, dass es kein scharfes Optimum gibt. Oder ich habe an der falschen Stelle gesucht, was ich aber eher unwahrscheinlich finde. Wollte man rechnerisch ein Optimum finden, könnte man mit nichtlinearen Gleichungsystemen im komplexen Bereich eine Lösung finden, was nach meiner Vermutung nur in einem vernünftigen Zeitrahmen durch Iterationverfahren mit dem Computer geht. Einen Computer hatten die Entwickler des Volksempfängers aber noch nicht zur Verfügung. Wenn die damaligen Entwickler keine schlaue Rechen-Methode zur Vereinfachung einsetzten, die ich nicht kenne, haben sie auch durch Herumschrauben und Langzeittests einen Kompromiss finden müssen. Eventuelle Berechnungen wurden bei den hohen Stückzahlen auf jeden Fall durch Probieren und Praxistests bestätigt. Schließlich gab es damals schon sehr viele Radiobastler, die mit Hartnäckigkeit die optimale Einstellung suchten und fanden. Erfahrungswerte waren also bereits vorhanden.
Selbstverständlich war damals die Theorie des Audions bekannt und die Einzelaspekte wie Gleichrichtung, HF-Verstärkung, NF-Verstärkung, Antennenanpassung, Arbeitspunktbestimmungen, Schwingungseinsatz und so weiter konnten mathematisch genau beschrieben werden. Dennoch muss es ohne Computer mathematisch schwierig gewesen sein eine optimale Einstellung zu berechnen, da oft ein Vorteil der einen Eigenschaft mit einem anderen Nachteil erkauft wird.
Meine Versuche beziehen sich auf ein Audion nach der Hartley-Schaltung. Bei Audionen nach der Meißnerschaltung verläuft die Optimierung etwas anders und sie ist unter Funktechnik – Einkreiser von Dieter Rauschenberger, DF4NX beschrieben worden.
Versuchsaufbau mit Prüfsender zur Optimierung der des Kathoden- und Anodenwiderstands am Audion.
Zum Einsatz kommt eine gebrauchte PCL86 mit noch guten Werten, welche in Fernsehempfängern als NF-Endstufen- und NF-Vorröhre diente. Die braunen Ausblühungen oder Schlieren auf der Glasinnenseite der Röhre haben ihre Ursache in der Glaselektrolyse durch Elekronenbeschuss des Glaskolbens. Diese braunen Schlieren sind ein Zeichen dafür, dass die Röhre gebraucht ist. Eine Aussage über den Verschleiß kann jedoch nicht dadurch getroffen werden.
Der Kathodenwiderstand wurde durch ein 2,2 MegOhm-Trimmpoti ersetzt, der Anodenwiderstand durch ein 500 kOhm-Trimmpoti.
Zeitreise in die Vergangenheit: Bis jetzt habe ich alle Bauteilewerte der gesamten Empfängerschaltung großzügig nach unten und oben verändert. Dennoch funktionierte die Schaltung immer noch, wenn auch nicht immer optimal. Selbst die frequenzbestimmende Spule muss nicht genau gewickelt werden. Die Folge ist nur, dass man das Mittelwellenband nicht genau abdeckt. Ein wild verdrahteter Versuchsaufbau funktionierte auch sehr gut. Berücksichtig man die damaligen sehr bescheidenen Messmittel, welche den Radiobastlern der 20er bis 40er Jahre zur Verfügung standen, wurde viel im Trüben gefischt. Trotzdem stellte sich der Erfolg ein.
Für den Bau eines Audions reicht ein Vielfachmessgerät aus, wenn es eine Anleitung für das Wickeln der Spule gibt oder der AL-Wert des Spulenkörpers bekannt ist. In den damaligen Radiozeitschriften gab es zudem genaue Bauanleitungen mit detaillierten Zeichnungen, die das Lesen und Verstehen eines Schaltbildes nicht voraussetzten. Wer mechanisch geschickt war, konnte sich ein Radio zusammenbauen und hatte die Welt am Ohr. Gleichzeitig waren Selbstbaugeräte kostengünstiger als gleichwertige Fertiggeräte. Das alles war natürlich faszinierend und motivierend. Für mich ist es eher der Versuch einer Zeitreise in die Vergangenheit aus dem Interesse an der Technikgeschichte.
Potenziometer für die Anpassung der Antenne: Das 20k-Ohm-Poti für die Antennenanpassung habe ich nun auf die Frontseite versetzt. Dadurch werden Übersteuerungen vermieden. Durch eine lose Ankopplung wird bei stark einfallenden Sendern der Schwingkreis nicht so stark durch die Antenne bedämpft und die Trennschärfe steigt. Antennenanpassung, eingestellte Frequenz und Rückkopplung beeinflussen sich gegenseitig. Als Antenne dient bei mir ein 30 m langer Draht, der ins Freie zu einem 10 m hohen Befestigungspunkt führt.
Auf der Frontseite prangt nun ein dritter Drehknopf für die Antennenanpassung.
Rechts das Poti für die Antennenankopplung, welches nachträglich eingebaut wurde.
Nachtrag vom 5. Januar 2012: Wer nicht gerade für Mittelwelle einen 30 m langen oder noch längeren Draht als Außenantenne besitzt, wird sich vielleicht über eine zu leise Lautstärke auf Mittelwelle beklagen. Laut des dankenswerten Hinweises eines Lesers und Nachbauers lässt sich die Lautstärke erhöhen, wenn der Kondensator C4 (330pF) entfernt wird. C4 bildet ja zusammen mit C12 einen kapazitiven Spannungsteiler für die NF. Bei mir hat C4 allerdings nur 220pF. Diesen Kondensator entfernte ich zur Probe und der Empfang wurde schlechter!