Audion - Kleinsuperhet
Ein Nostalgieradio der Extra-Klasse
Von Helmut Schweitzer, Funkschau, Heft 22/1988

Teil a) Einleitung

In der Ära der Mikrocomputergesteuerten Synthesizer-Tuner wollen wir keinesfalls das Rad der Zeit zurückdrehen. Das Audion hat aber fast drei Jahrzehnte lang Elektronik-Geschichte geschrieben, die man nun in dem folgenden Artikel praktisch nachvollziehen kann, denn Probieren geht über Studieren!
Aus dem einkreisigen Rückkopplungsaudion der 20er Jahre entwickelte sich eine breite Palette ein- und mehrkreisiger Geradeausempfänger, allen voran der sogenannte "Volksempfänger". Die Liebe der Konstrukteure - so nannten sie sich damals - galt aber dem 1928 wiederentdeckten Superheterodynempfänger, um in Anbetracht der Senderdichte komfortablen Mittelwellen- und vor allem Langwellenempfang zu bieten.
Zwischen den beiden Klassen Geradeausempfänger und Großsuperhets bildete sich ein weiterer Empfängertyp: der Kleinsuperhet. Typisches Merkmal des Kleinsuperhets war, daß er nur einen ZF-Bandfilter enthielt, der zwangsläufig zwischen Mischstufe und Demodulatorstufe eingefügt war. Der Kleinsuperhet war - zwecks Empfindlichkeit und Trennschärfe - mit einem rückkoppelbaren Audiondemodulator ausgestattet. Man kannte sich seitens der Geradeausempfänger mit der Rückkopplung bestens aus.
Die Kategorie der Kleinsuperhets offerierte zwei Wege der Realisierung. Der eine beinhaltete je Wellenbereich abstimmbare Antennen-Eingangskreise, die mit der Oszillatorvariation gekuppelt waren. Abstimmelement war fast immer ein Doppel-Luftdrehkondensator. Der andere Weg war eine Idee, die man in England und in Deutschland fast gleichzeitig vorstellte: der Einbereichssuperhet.
Der Vorzug des Einbereichsprinzips war, daß man den Oszillator für MW und LW durchgehend, also ohne Bereichsumschaltung, abstimmte und der Mischröhrenvorkreis aus einem fest dimensionierten Breitbandfilter für 150 bis 1500 kHz bestand. Die Zwischenfrequenz betrug 1600 kHz oder 1800 kHz. Das ersparte dem Radiobastler Gleichlaufprobleme. Diese Konstellation bestach damals eine große Schar von Funkschau-Lesern, ohne den Schwachstellen dieses Prinzips, nämlich große Kreuzmodulationsgefahr, geringe ZF-Durchschlagssicherheit, mangelhafte Weitabselektion, zunächst Beachtung zu schenken.
Die Enttäuschungen ließen nicht lange auf sich warten: In umfangreichen Diskussionen mit den Funkschau-Lesern, die sich mit eher unbrauchbaren Verbesserungsvorschlägen äußerten, versuchte man, die Unebenheiten auszubügeln. Hinzu kam Ärger mit der damaligen Reichsrundfunkkammer, die der Funkschau die Weiterverwendung des Namens "Volkssuper" verbot, und mit Telefunken wegen Verletzung von Schutzrechten (allein - Breitband-Eingangsfilter!). Doch der Einbereichssuper ließ sich nicht kleinkriegen, was die mehr als 50 Zeitschriftenbeiträge zu diesem Thema bis Anfang der 50er Jahre unterstreichen.
Dem solideren Prinzip, nämlich dem des Kleinsuperhets mit Vorkreisabstimmung und umschaltbaren Wellenbereichen, gab auch die Funkschau Raum. Wer historische Schaltungen nachbaut, erwartet natürlich einen Erfolg, sonst macht die ganze Nostalgie keinen Spaß. Die Wiederbelebung des Einbereichsprinzips aber wäre zum Scheitern verurteilt, wogegen sich der Kleinsuperhet mit Vorkreisabstimmung auch heute noch sehen lassen kann.
Auch in der Antennenfrage kann man die damaligen Verhältnisse nicht nachempfinden. Nach dem Motto "die Antenne ist der beste Hochfrequenzverstärker", war es der Stolz der Radiobesitzer, sich einer oft über Gebäudehöhe gespannten 20 bis 30 m langen Drahtantenne bedienen zu können. Um empfindlichkeitsmindernde Verstimmungen der Eingangskreise infolge hoher Antennenkapazitäten zu umgehen, waren die Empfängereingänge entweder mit schwenkbaren oder mehrfach angezapften Antennenspulen ausgestattet. Die im Laufe der Zeit empfindlicher werdenden Empfänger kamen mit kürzeren Antennen aus, so daß die Industrie zwecks Bedienungsvereinfachung hochinduktive oder hochkapazitive Antennenankopplungen erfand, bei denen sich die manuelle Bedienung des Ankoppelgrades erübrigte. Ob kurz oder lang, Drahtantennen nehmen elektrische Feldkomponenten auf, also auch die heute stark ausgedehnten Störfelder, die einen MW- und LW-Empfang zur Qual machen können. Die in den 50er Jahren eingeführte und bis heute bevorzugte Ferritantenne, die gegen elektrische Störfelder weitgehend unempfindlich ist, gewährleistet trotz geringerer Empfindlichkeit zufriedenstellende Empfangsergebnisse.

Physikalische Grundlagen
Bevor wir in die Geheimnisse des Audions weiter eindringen, hier ein Abstecher zur Elektronenröhrenphysik. Um die Glühkatode der Elektronenröhre herum bildet sich eine Raumladung, die vom Elektronenaustritt herrührt. Legt man an Anode und Kathode einer Zweipolröhre (Diode) eine positive Gleichspannung, so steuert diese die Dichte der Raumladung, was sich extern durch den Anodenstrom äußert. Das geschieht nach dem Raumladungsgesetz
I = K U3/2,
das von etwa U = 0 V aufwärts gilt (den Sättigungsfall lassen wir außer Betracht, weil er bei Bariumkathoden keine praktische Bedeutung hat). Bei negativer Anodenspannung wird aber der Stromkreis nicht stromlos, weil sich ein Bruchteil der Elektronen gegen negative Anodenspannungen durchsetzt. Diesen Effekt erfaßt das Anlaufstromgesetz
I = I0 e U/ER
(I0 ist Strom bei -U/E t = 0, Et ist bei Bariumkatoden ca. 0,1 V). Im Gebiet von etwa -0,3 bis +0.3 V überlappen sich die Beziehungen von Anlaufstrom und Raumladestrom mehr oder weniger.
Dieses Verhalten gilt grundsätzlich für alle Elektronensysteme, also auch für Ein- und Mehrgitterröhren. Das Diagramm veranschaulicht das für die NF-Pentode EF 86.


Liegt im Stromkreis ein Widerstand, so fällt an ihm eine Spannung ab. Im Fall des Anlaufstroms im Gitterkreis bildet sich eine negative Gittervorspannung, die den ruhenden Arbeitspunkt der Röhre bestimmt. Beim EF 86-Audion erzeugt der Anlaufstrom eine Gittervorspannung von -0,5 V, die in den Diagrammen den Ruhepunkt A0 markiert.
Verzerrungsarme Demodulation setzt Proportionalität von NF-Spannung und Hüllkurvenspannung des HF-Trägers voraus. Die zum Einsatz kommende C-Gleichrichtung (RC-Last) muß also linear arbeiten. Da Gleichrichter - auch die Siliziumdioden - mit mehr oder weniger ausgeprägten Übergangsknicken behaftet sind, ist eine Demodulation im Nahbereich solcher Übergänge mit nichtlinearen Verzerrungen verbunden. Beim EF 86-Audion ist der Nahbereich relativ schmal, so daß verzerrungsarme Demodulation von HF-Signalen (einschl. Rückkopplung) bis zu 20 mV herab stattfindet.
Wie die IA/UG1-Kennlinie (folgende Grafik) ausdrückt, ist der eingangsseitige Aussteuerungsbereich auf etwa -2 V begrenzt. Dabei ist zu beachten, daß hier HF- und NF-Spannung gemeinsam auftreten. Sie erscheinen an der EF 86-Anode in Abhängigkeit ihrer unterschiedlichen Außenwiderstände spannungsverstärkt.


Ein Beispiel für die Eingangssteuerung mit der davon abhängigen Ausgangsspannung.

Übertreten gitterseitig die HF-Amplituden den gekrümmten Fußbereich, so rufen sie anodenseitig eine Anodengleichrichtung hervor, die der Gittergleichrichtung entgegenwirkt. Ein scharfes Abschneiden der Modulationsspannung findet dadurch nicht statt, weil die stets höheren HF-Amplituden in den Aussteuerbereich rücksteuern. Aber die Modulationsspannung stagniert auf einer bestimmten Höhe bei gleichzeitig starkem Anwachsen des Klirrfaktors.
Aus dieser zugegebenermaßen komplizierten Arbeitsweise des Rückkopplungs-Audions schälen sich die Grenzen seiner Funktionstüchtigkeit heraus. Sie lauten für verzerrungsarme Demodulation und vorzugsweisen Modulationsgrad von m = 0,3 Audion-Eingangsspannungen (Mittelwert) im Bereich von 20 mV bis etwa 1 V. Daraus resultiert eine Modulationsspannung von maximal 0,3 Vs, die am Audionausgang (EF 86-Anode) einen NF-Hub von 13,5 Vs zum Angebot bringt. Da die Endröhre EL 84 zu ihrer Vollaussteuerung 7 V beansprucht, bedeutet das Aussteuerreserve.
Die optimalen Eingangsspannungen des Audions sind zu klein, um davon eine automatische Rückwärtsregelung (AGC) ableiten zu können. In den 30er Jahren versuchte man das mit Kunstschaltungen, die aber nur bescheidene Erfolge brachten. Heute wäre eine hochwirksame Regelung mit Hilfe eines Operationsverstärkers leicht zu lösen, was jedoch ein Stilbruch wäre.


Der Klirrfaktorverlauf beim EF 86-Audion

Damals war es selbstverständlich, daß dem Gerätebediener die Rückkopplungseinstellung zugänglich war. Das führte oft zu unerträglichen Störungen in Apparaten der Nachbarschaft. Bei Geradeausempfängern war die Rückkopplungsbedienung unumgänglich, weil sich der kritische Punkt, die Selbsterregung der Audionstufe, mit der Bereichsabstimmung änderte. Bei der ZF-Rückkopplung ist das nicht der Fall, so daß eine feste Einstellung ausreicht, was auch im Sinne der Störstrahlvorschriften ist. Der Innenschirm der EF 86 und ein allseitig geschlossenes Chassis verhindern praktisch den Strahlungsaustritt beim Probieren.

Teil b) Schaltung

Nostalgisches Klangerlebnis
Röhrenradio nach historischem Vorbild
Von Helmut Schweizer

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Die Schaltung


Es besteht kein Zweifel, die Röhrentechnik erlebt eine ungewöhnliche Renaissance bei Hobby-Elektronikern. Die folgende Bauanleitung eines Audions ist sicher der passende Anlaß, so einen Nostalgieempfänger selbst aufzubauen. Die physikalischen Grundlagen wurden im vorherigen Teil beschrieben.
Der Audion-Kleinsuperhet erfreute sich in den 30er Jahren bei den "Radiobastlern" größter Beliebtheit. Speziell für Röhrenfans hat die Funkschau das historische Schaltungsprinzip neu überarbeitet.
Das Schaltbild zeigt drei Röhren, nämlich ECH 81, EF 86 und EL 84. Diese Typen gehörten einmal zu den am häufigsten eingesetzten der Noval-Reihe, diese Röhren sind heute noch relativ leicht zu beschaffen. Wie der erste Buchstabe der Typenbezeichnungen besagt, sind die Röhrenfäden mit 6,3 V zu heizen. Der gesamte Heizstrom beträgt 1,2 A, die Betriebsgleichspannung liegt bei etwa + 235 V. Zur manuellen Einstellung der Mischröhren-Gittervorspannung wird eine negative Spannung von maximal 30 V benötigt, die von derselben Trafowicklung abgeleitet ist, die der Erzeugung der positiven Betriebsgleichspannung dient.

Das Audion hat's in sich
Dreh- und Angelpunkt der Schaltung ist das rückkoppelbare ZF-Audion, hier mit der NF-Pentode EF 86. Die Betriebsweisen der vorgeschalteten Misch- und Oszillatorröhre ECH 81 und der nachgeschalteten NF-Leistungspentode EL 84 sind den Eigenheiten des Audiondemodulators angepaßt. Aus diesem Grund ist die besondere Arbeitsweise des Röhrenaudions der Ausgangspunkt unserer Schaltungsbeschreibung.
Die sprichwörtlich hohe Demodulationsempfindlichkeit des Röhrenaudions rührt daher, daß die Demodulation und die NF-Verstärkung in einem Röhrensystem - Triode oder Pentode - bewerkstelligt werden, dessen ruhender Arbeitspunkt bei 0 V Gittervorspannung bereits auf sehr kleine HF-Signale anspricht. In Verbindung mit einer hochfrequenten Rückkopplung (im heutigen Sprachgebrauch: Mitkopplung) läßt sich die Empfindlichkeit bis zum 10-fachen steigern. Diesen Vorteilen stehen aber Einschränkungen gegenüber, die das Audion aus dem Bewußtsein der Schaltungsentwickler verdrängten.
Der Gitterkreis für sich betrachtet arbeitet wie ein Diodendemodulator, wobei die Rolle der Anode vom Steuergitter wahrgenommen wird. Man spricht daher auch von Gittergleichrichtung. An dem dem Steuergitter vorgeschalteten RC-Glied (R10/C19) bildet sich die niederfrequente Modulationsspannung des amplitudenmodulierten HF-Trägers. Diese steuert die Audionröhre nicht direkt, sondern über die Sekundärwicklung des ZF-Bandfilters (L7, C18), so daß modulierte HF-Spannung und NF-Spannung den Anodenstrom der Audionröhre additiv steuern.
An der EF 86-Anode erscheinen HF- und NF-Spannung in Abhängigkeit ihrer unterschiedlichen Außenwiderstände spannungsverstärkt.
Die um 180 gedrehte HF-Komponente wird zum Rückkoppeln benötigt, wozu wenige Volt ausreichen. Als HF-Außenwiderstand wirken dabei der Rückkopplungsweg aus C20 und L8 sowie der Parallelkondensator C21. Für die NF-Komponente wirkt der Widerstand R12 und über R14 und C26 parallel dazu der Potentiometerwiderstand R15. Das ergibt einen Effektivwert von rund 51 kW. Die niederfrequente Spannungsverstärkung ist damit etwa 45.
Die Röhre ECH 81 enthält ein Heptodensystem, über deren Gitter 1 die hochfrequente Spannung der Ferritantenne und über deren Gitter 3 die Oszillatorspannung steuern. Es findet also eine Doppelsteuerung des Anodenstroms statt, die sich auch multiplikative Mischung nennt. Das im selben Glaskolben befindliche Triodensystem aktiviert den Mischoszillator, der bei Langwelle als Colpittskreis geschaltet ist und bei Mittelwelle eine Kombination von Colpitts- und Meißner-Rückkopplung darstellt.

Die Mischstufe ist dem Audion angepaßt
Bei Gittervorspannung von -0,8 V (G 1) und bei gleichzeitiger Oszillatorbeaufschlagung des Gitters 3 beträgt die Mischsteilheit 0,9 mA/V. Das Produkt von Mischsteilheit und Außenwiderstand des ZF-Bandfilters ist die Mischverstärkung. Dabei wirken die Resonanzwiderstände der ZF-Kreise, der Kopplungsgrad, die Belastung durch Audiongleichrichtung und der Entdämpfungsgrad infolge Rückkopplung zusammen. Eine Messung des Spannungsverhältnisses zwischen Audioneingang und Mischstufeneingang ergab den Maximalwert von 450.
Die Gittervorspannung des Mischsystems läßt sich durch das Potentiometer R5 bis auf -28 V herunterstellen, welche die Mischverstärkung um den Faktor 90, also auf 5 reduziert. Diese Vorregulierung ist notwendig, um bei Empfang von starken Sendern (Ortssender) die Übersteuerung des Audions zu vermeiden.
Eichung und Abgleich von Oszillator und Vorkreis laufen nach den bekannten Serviceregeln ab. Die Endwerte des Luftdrehkondensators C4 A/B sollen je 510 pF bis 540 pF betragen. Die Empfangsbereiche des Mustergeräts sind 150...320 kHz und 515... 1610 kHz. Der Mittelwellen-Oszillator hat die Eichmittel L3 und C10, der Mittelwellen-Vorkreis die Abgleichmittel L1 und C2. Der Langwellenbereich besitzt nur einen Eichpunkt, nämlich L5 für 150 kHz, und zwei Abgleichpunkte, L2 und C3. Nach Einstellung der durch die 455-kHz-Zwischenfrequenz versetzten Oszillatorgrenzwerte sind die Trimmer C2 und C3 bei etwa 60 und die Induktivitäten L1 und L2 der Ferritantenne FA bei 165 des 180 umfassenden Kondensatordrehwinkels abzugleichen. Bei der Ferritantenne geschieht das durch Verschieben der Spulen auf dem Ferritstab.
Zur festen Einstellung der ZF-Rückkopplung sehe man etwa 30 des Trimmerdrehwinkels (C20) zum kritischen Punkt (Schwingeinsatz) vor. Die ZF-Kreise L6, C16 und L7, C18 sind über den Koppelkondensator C17 kritisch gekoppelt. Früher dominierten rein induktiv koppelnde ZF-Bandfilter, doch sind entsprechende Bausätze nicht mehr greifbar.
Der über die Primärwicklung des Ausgangstransformators AT fließende EL-84-Anodenstrom bleibt bei NF-Beaufschlagung als Mittelwert erhalten (Klasse-A-Verstärkung). Kerngröße und Wicklung müssen der Gleichstromvormagnetisierung Rechnung tragen. Um den Eintritt in die Kernsättigung und die damit verbundenen nichtlinearen Verzerrungen zu vermeiden, ist in den magnetischen Weg des Kerns ein Luftspalt von 0,1 mm eingefügt, der den Permeabilitätsverlauf bis in die Spitzen der NF-Spannung linearisiert. Allerdings bringt der Luftspalt eine merkliche Permeabilitätseinbuße, die durch Erhöhung der Windungszahl wettgemacht werden muß, wenn eine bestimmte untere Grenzfrequenz erhalten bleiben soll. Der in der Stückliste empfohlene Transformator hat einen EI 60 - Kern, eine Primärimpedanz von 6 kW und eine untere Grenzfrequenz von 70 Hz. Der Gleichstromwiderstand (Kupferwiderstand) beträgt etwa 400 W.
Wegen der ZF-Bandbreite von 8 kHz kann die obere Grenzfrequenz des Transformators von 16 kHz allerdings nicht genutzt werden. Der vorgesehene Arbeitspunkt der Endröhre EL 84 läßt eine maximale Ausgangsleistung von 2,8 W bei einem Klirrfaktor von 7% zu. Bei Zimmerlautstärke von 50 mW ist ein Klirrfaktor von <1% zu erwarten. Als Lautsprecher empfiehlt sich ein Einsystem-Breitband-Typ.
Da Mehrwegesysteme nicht frei von Blindkomponenten sind, würde es infolge der NF-Stromeinprägung zu starken Übersteuerungen kommen. Aus demselben Grund ist es sehr wichtig, das Gerät nie ohne angeschalteten Lautsprecher zu betreiben.
Von der Erzeugung der Mischröhrenvorspannung abgesehen, zeigt das Netzteil keine Besonderheiten. Da in den 30er Jahren Hochvolt-Elektrolytkondensatoren nur bis zu einer Kapazität von 16 uF hergestellt werden konnten, gelang die Beseitigung des Gleichrichter-"Brumms" nur durch Einfügen einer Siebdrossel. Sie ist hier durch den Widerstand R20 ersetzt. Wer keine Erfahrungen mit Gleichspannungen um die 250 V hat, der sollte mit äußerster Vorsicht und überlegt hantieren!
Der Netztransformator NT ist ein MD-55-Typ, aus der bekannteren M-Reihe paßt der Kern M 65/27. Die Netzstromaufnahme des Mustergeräts beträgt 105 mA.

Aufbau





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Der Löt-Aufbau

Es gibt geteilte Meinungen darüber, röhrenbestückte Schaltungen auf Printplatten unterzubringen. Serviceleute, die in den 60er Jahren mit den gemischt bestückten Leiterplatten in Fernsehgeräten zu tun hatten, werden sich an die negativen Erfahrungen erinnern. Kühlung und Berührungssicherheiten waren stets schlecht gelöst. Um aber auch den Vorbildern der 30er Jahre nahezu kommen, ist der Audion-Kleinsuperhet in ein Chassis eingebaut und konventionell verdrahtet. Beim Verdrahten der Röhrenfassungen soll in diesen ein Stiftphantom stecken, da mit sich die Kontaktfedern - meist sind es Gabelfedern - in eine günstige Lage justieren. Notfalls reicht dafür eine defekte Röhre aus.

Wer Lust hat, kann das betriebsfertige Gerät in ein Plexiglasgehäuse einbauen, um die alte Technik "transparent" zu machen.
Zum Hörgenuß a la 1935 benötigt man ja nur (noch) eine Netzsteckdose damals waren Hochantenne und Erdanschluß obligatorisch.

Stückliste

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Die Stückliste