Pendelrückkopplungs-Empfänger in einer modernen Schaltung (Siehe auch unter Grundlagenwissen für den Radiobastler - Superhet-Pendelaudion)

Die nachstehend beschriebene Schaltung weist bei einer Röhrenbestückung von nur einer Doppeltriode (6 J 6) und einer Endröhre (6 J 6, beide Systeme parallelgeschaltet) eine Empfindlichkeit von etwa 15 V für 50 mW Ausgangsleistung bei einem Rauschabstand von 26 dB auf (Frequenzhub 30 kHz. Antenneneingang 300 Ohm). Diese Leistung ist bemerkenswert, wenn man berücksichtigt, daß ein moderner 4-Röhren-Superhet (ECH 81, EF 85, EABC 80, EL 84) für 50 mW eine Eingangsspannung von 4 V oder ein 6-Röhren-Superhet mit Kaskode-Eingangsstufe (EC 92, EC 92, ECH 81, EF 85, EABC 80, EL 84) etwa 1,5 V benötigt.
Durch eine Gitterbasis-Vorstufe läßt sich die neue Schaltung so verbessern, daß sie einem Superhet ebenbürtig wird. Mit zwei Doppeltrioden kann man ein Gerät mit 3...4 V Empfindlichkeit bei FM und 1...2 V bei AM aufbauen.
Die Pendelrückkopplung stellt einen ungehobenen Schatz der HF-Technik dar, weil mit den damals verwendeten Schaltungen nicht annähernd das erreicht wurde, was sie leisten kann.
Der Pionier in der Behandlung theoretischer Röhrenfragen, Professor Dr, H. Barkhausen, sagte einmal über die Pendelrückkopplung : "Mit der Pendelrückkopplung lassen sich ganz überraschend große Verstärkungen herstellen; man kann nämlich mit einer beliebig kleinen Eingangsspannung, deren Amplitude nur über dem Störpegel liegen muß, unmittelbar die volle Ausgangsleistung einer beliebig großen Röhre steuern."
Da die nutzbaren Eingangsspannungen von Röhren in der Größenordnung von V liegen können, aber auch in der Empfängertechnik die Röhren Ausgangsspannungen von 10 V und mehr haben, bedeutet das, daß man mit einer einzigen Röhre Verstärkungen in der Größenordnung von 106 erreichen könnte.
Diese Möglichkeit ist auch heute noch von Interesse. Wenn sich die Pendelrückkopplung nicht hat durchsetzen können heute nicht mehr angewandt wird, dann beruht das auf folgenden Umständen:

1. Die mit den bisher angewandten Schaltungen erreichbare Verstärkung war im allgemeinen nur 1000fach.
2. Die Einstellung des Senders und des Punktes höchster Empfindlichkeit war sehr kritisch und deshalb für einen Laien nicht bedienbar.
3. Die Verstärkung war stark abhängig von Schwankungen der Betriebsspannungen.
4. Die Schaltung neigte zu starken Verzerrungen.
5. Die Schaltung zeigte meistens starke Störausstrahlungen welches zu Störungen benachbarter Empfangsgeräte führte.
Die folgenden Überlegungen sollen zeigen, wie man die genannten Nachteile vermeiden und außerdem noch wesentlich höhere Verstärkungen von 105 ... 106 mit einer einzigen Röhre erhalten kann. In der Tabelle sind die Eigenschaften dieser neuartigen Schaltung stichwortartig dem bisher Erreichten gegenübergestellt. Die neue Schaltung benötigt aber für die Verstärkung, die sich im allgemeinen mit einem dreistufigen Verstärker ergibt, nur eine einzige Röhre.


Der grundsätzliche Fehler bei den bisher gebräuchlichen Pendelrückkopplungsempfängern bestand darin, daß man versuchte, höchste Verstärkung und höchste Trennschärfe gleichzeitig zu erreichen. Das ist aber nicht möglich.
Die nachstehend beschriebene Schaltung vermeidet diesen Fehler und ist ausschließlich auf hohe Verstärkung dimensioniert. Trotzdem hat sie eine ebensogute Trennschärfe wie die früher üblichen Pendelrückkopplungsempfänger. Der Grund dafür wird später noch kurz erläutert werden.

Bild 1 zeigt die Schaltung und Bild 2 die Meßwerte eines Mustergerätes, das für eine Empfangsfrequenz im UKW - Rundfunkband ausgelegt ist. Zur besseren Vermeidung von Störausstrahlungen wurde die Verstärkung auf eine Zwischenfrequenz von 3 MHz gelegt. Um die Wirkungsweise dieser Schaltung zu verstehen, muß man sich von der Vorstellung freimachen (durch die häufig in Büchern und Beschreibungen die Arbeitsweise des Pendelrückkopplungsempfängers erklärt wird [1]), daß durch die Pendelfrequenz der Arbeitspunkt der Röhre jeweils kurzzeitig in daß Gebiet des Schwingungseinsatzes verlegt werde und dadurch eine viel weitgehendere Entdämpfung zu erreichen sei als mit einer gewöhnlichen Rückkopplung.
Auf diese Weise ergibt sich zwar eine etwa um den Faktor 10 erhöhte Empfindlichkeit gegenüber der gewöhnlichen Entdämpfung durch Rückkopplung und dadurch in einer Röhre eine etwa 1000fache Verstärkung. Die Einstellung der Schaltung ist aber sehr schwierig und für einen Laien nicht bedienbar. Der letzte Vertreter dieser Schaltungstechnik war das Gerät von H. H e w e l [2], das den Wettbewerb des Nordwestdeutschen Rundfunks für UKW-Vorsatzgeräte im Jahre 1949 gewann.
In der Praxis hat es sich aber genausowenig durchsetzen können wie frühere Pendelrückkopplungsempfänger.



Die neue Schaltung nutzt nicht die Entdämpfung, sondern das Hochschwingen einer stark rückgekoppelten Röhre zur Verstärkung aus. Das Prinzip dieser Verstärkungsart wurde bereits von Barkhausen beschrieben [3]. Die Röhre ist für die Hochfrequenz von 3 MHz wie ein selbsterregter Sender geschaltet und wird von der Pendelfrequenz immer kurzzeitig ein- und ausgeschaltet. Während jeder Periode der Selbsterregung liefert die Röhre dabei Endamplituden, die nur wenig kleiner sind als die Maximalamplitude, die von der Röhre erzeugt werden kann. Man muß also mehrere Arbeitsphasen der Röhre unterscheiden [4, 5, 6], und zwar erstens das Hochschwingen der Röhre während der Zeit hoher Steilheit und zweitens das Abklingen der Schwingung während der Zeit geringer Steilheit beziehungsweise der Steilheit Null, falls die Röhre zeitweise völlig gesperrt ist.
Da aber das Öffnen und Sperren der Röhre nicht plötzlich erfolgt, hat man nicht nur die beiden geschilderten Zustände zu berücksichtigen. Zwischen beiden Vorgängen liegt jeweils eine Zeit, während der die Steilheit allmählich anwächst beziehungsweise abfällt und die Röhre noch eine gewisse Verstärkung aufweist. Die Zeit des eigentlichen selbsterregten Schwingens und die Zeit des freien Abklingens der entstandenen Schwingung kann man daher nur zu je etwa 1/4 der Periodendauer der Pendelfrequenz ansetzen. Bei der verwendeten Pendelfrequenz von rund 25 kHz stehen also für das Abklingen des hochfrequenten Schwingkreises nur 12 s zur Verfügung. Geht man zum Beispiel davon aus, daß die Endamplitude nach dem Hochschwingen 1 V erreicht hat und daß das Eigenrauschen am Gitter einige V ist, dann muß die Wechselspannung von 1 V auf mindestens 1 V abgeklungen sein, damit sie im Rauschen verschwindet. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, dann wird die nächste sich entwickelnde Schwingung nicht vom Nutzsignal oder vom Eigenrauschen, sondern von der Restamplitude des vorangegangenen Schwingungszuges bestimmt, und es treten Pfeiftöne und mehrfaches An- und Abschwellen des Empfanges bei Abstimmung über die zu empfangende Station auf.
In 12 s muß also die Amplitude von 1 V auf 1 V, d. h. um 6 Zehnerpotenzen, abgeklungen sein. Das bedeutet für die benutzte Frequenz von 3 MHz, daß die Amplitude nach 6 Perioden nur noch 10 % ihres ursprünglichen Wertes haben darf. Ein so stark gedämpfter Schwingkreis hat ein Dämpfungsdekrement von 0,33 oder eine Güte von etwa 10 !
Nur diese starke Dämpfung gewährleistet, daß der Wellenzug der vorhergehenden Periode bei Beginn der nächsten Anschwingperiode vollständig unter das Wärmerauschen der Röhre abgeklungen ist [7]. Dann aber wird die Amplitude des neuanklingenden Wellenzuges durch die Fremderregung des Nutzsignals bestimmt, wenn diese nur über dem Rauschen liegt. Ist dieser Zustand erreicht, dann wird auch die Einstellung einer Station wie bei einem normalen Empfänger erfolgen, d. h., wenn man über die Station hinwegdreht, so nimmt die Lautstärke allmählich zu und dann wieder ab, jedoch ohne mehrfaches An- und Abschwellen oder zischende Geräusche, wie es bisher bei Pendelrückkopplungsempfängern üblich war. Das Vorhandensein mehrfachen An- und Abschwellens bei der Abstimmung ist geradezu ein sicheres Kriterium dafür, daß die Pendelrückkopplung nicht einwandfrei arbeitet.
Derart schlechte Schwingkreise mit einem Dämpfungsdekrement von 0,33 gibt es heute praktisch nicht mehr. Deshalb muß die Dämpfung durch künstliche Bedämpfung mit einem ohmschen Widerstand hergestellt werden. Das hervorstechendste Merkmal der neuartigen Schaltung ist deshalb der dem Zwischenfrequenzschwingkreis parallelgeschaltete Regelwiderstand von 3 kOhm, der im praktischen Betrieb auf etwa 700... 1000 Ohm eingestellt ist und die Verstärkungsregelung bewirkt, die gleichzeitig eine Lautstärkeregelung darstellt.


Die Bedämpfung eines Zwischenfrequenz-Schwingkreises, der gleichzeitig eine hohe Verstärkung der Röhre gewährleisten soll, scheint widersinnig zu sein und steht zum Beispiel auch im krassen Widerspruch zu der Empfehlung im Lehrbuch der Hochfrequenz-
technik von V i l b i g [1): "Um eine gute Arbeitsweise des Pendelrückkopplungsempfängers zu erzielen, muß von vornherein der Widerstand RS des Schwingungskreises möglichst gering, der Schwinguagskreis also möglichst schwach gedämpft sein." Entgegen dieser Auffassung stellt die künstlich erhöhte Dämpfung des Schwingkreises das Kernstück der Schaltung dar, durch das erst eine Verstärkung in der Größenordnung von 105 ... 106 erreicht werden kann. Die starke Dämpfung des Kreises bedingt jedoch eine erheblich festere Rückkopplung, als man es sonst gewohnt ist. Die Rückkopplungsspule hat deshalb die doppelte Windungszahl der eigentlichem Schwingkreisspule.
Das zweite Merkmal der Schaltung ist die Überbrückung der Pendelfrequenz-Rückkopplungsspule mit einem Gleichrichter [8], der die Pendelfrequenzamplitude begrenzt und dadurch die Übersteuerung der Röhrenkennlinie verhindert. Bei den bisherigen Schaltungen für Pendelrückkopplungsempfang wiesen die Schaltungen mit getrennter Pendelröhre bessere Leistungen auf, da man auf diese Weise die günstigste Amplitude der Pendelfrequenz für die Pendelverstärkerröhre einstellen konnte [6, 9, 10]. Wird jedoch die Pendelfrequenz in der schwingenden Röhre selbst erzeugt, dann schwingt sie sich stets auf so große Amplituden hoch, bis die Schwingungen durch Übersteuerung der Kennlinie die mittlere Steilheit der Röhre herabsetzen und dadurch einen Endzustand der Amplitude herstellen [3]. Es ist klar, daß dann große Verzerrungen auftreten müssen.
Dieser Nachteil der bisherigen Schaltungen bewirkte auch, daß man die Röhre nicht mit den zulässigen Spannungen und daher nicht mit ihrer vollen Leistung betreiben konnte. Es zeigte sich vielmehr, daß man bei sehr niedrigen Gleichspannungen von etwa 30 V die geringsten Verzerrungen und die größten Verstärkungen erhielt. Die Leistung der Röhre wurde dabei aber keineswegs voll ausgenutzt.
Die beschriebene Schaltung vermeidet diese Nachteile. Durch die Anwendung eines begrenzenden Elements (Gleichrichter, Diode usw.) geeigneter Dimensionierung und Vorspannung wird die Amplitude der entstehenden Pendelfrequenz auf einen Wert begrenzt, der niedriger ist als bei Begrenzung durch Übersteuerung der Röhrenkennlinie, und es entstehen daher keine Verzerrungen. Dadurch wiederum läßt sich die Röhre mit ihren vollen Spannungen betreiben, so daß man die guten Eigenschaften der Röhre wirklich ausnutzen kann.


Die dritte Besonderheit der Schaltung besteht in der Verwendung einer Gitterkombination mit einer Zeitkonstante von etwa 0,1 s. Hierbei handelt es sich um eine Schaltung zur Demodulation [11], die noch Amplituden von einigen Volt verzerrungsfrei demodulieren kann. Die sonst üblicherweise bei Pendelrückkopplungsempfängern verwandte Audionschaltung wurde stets durch die großen Amplituden übersteuert und wies deshalb starke Verzerrungen auf. Wegen der großen Zeitkonstante dieses RC-Gliedes vermag die durch Gleichrichtung der Hochfrequenz entstehende Gleichspannung am Kondensator weder den Schwankungen der Hochfrequenz noch denen der Pendelfrequenz und der Niederfrequenz zu folgen. Bei zunehmender Eingangsspannung erhöht sich durch den einsetzenden Gitterstrom automatisch die Spannung am RC-Glied, und dadurch wird automatisch eine negative Vorspannung am Gitter der Pendelrückkopplungsröhre erzeugt, die eine Verringerung der Steilheit und der Pendelfrequenzamplitude bewirkt. Dadurch wiederum verringert sich die Steilheit beim Hochschwingen der Pendelrückopplungsröhre während ihrer Verstärkungsphase, so daß die Röhre nun nicht mehr innerhalb der zur Verfügung stehenden kurzen Zeit von 12 s um etwa 6 Zehnerpotenzen hochschwingen kann. Durch das RC-Glied ergibt sich daher gleichzeitig eine automatische Verstärkungsregelung (Bild 2).
Die Endröhre und die als erste Oszillatorröhre wirkende Triode sind konventionell geschaltet und bedürfen keiner Erläuterung. Die Pendelrückkopplungsröhre arbeitet in dieser Schaltung auch noch zeitweilig als Mischröhre [5]. Das ist ohne weiteres möglich, weil sie durch die Pendelfrequenz jeweils für eine gewisse Zeit in den unteren Knick der Kennlinie gesteuert wird, in dem der richtige Arbeitspunkt für den Mischvorgang gegeben ist.
Der Zeitpunkt, zu dem die Pendelrückkopplungsröhre als Mischröhre arbeitet, ist aber weder die Phase, in der die Röhre bei hoher Steilheit kräftig hochschwingt, noch die Phase, in der die Schwingung des Schwingkreises abklingt, sondern der Zeitraum dazwischen, wenn die Pendelfrequenz das Gitter der Pendelrückkopplungsröhre vom unteren Knick in das Gebiet größerer Steilheit steuert.
Die Röhre durchläuft dabei den Arbeitspunkt im unteren Knick, der für die Funktion als Mischröhre eingestellt werden muß. Die Röhre kann also in diesem Augenblick einwandfrei als Mischröhre arbeiten. In dieser Phase tritt aber noch ein weiterer Effekt auf, der bereits am Anfang erwähnt wurde: die Erhöhung der Selektivität durch vorübergehende Entdämpfung des Schwingkreises. Dadurch weist die Schaltung trotz der hohen Dämpfung des Schwingkreises eine relativ gute Trennschärfe auf. Dieser Zustand tritt dann ein, wenn die Röhre für kurze Zeit eine Steilheit aufweist, die zwar zur Selbsterregung noch nicht ausreicht, aber bereits die Entdämpfung des Schwingkreises und dadurch eine Erhöhung der Trennschärfe um etwa den Faktor 10 bewirkt (gegenüber der Trennschärfe, die sich durch die künstlich vorgenommene Dämpfung mit 1 kOhm ergeben müßte). Das ist aus der Trennschärfekurve Bild 3 ersichtlich, die auch zeigt, daß die Trennschärfe bei größeren Verstimmungen wesentlich stärker zunimmt, als es bei einem einzelnen Schwingkreis erwartet werden kann.
Diese Form der Resonanzkurve, die auch eine besonders wirkungsvolle Flankendemodulation für FM ergibt, hängt mit der Kurvenform der Pendelfrequenz zusammen und zeigt, daß die Entdämpfung verhältnismäßig lange wirksam ist [12].
Einer Erklärung bedarf auch der Widerstand von 2 kOhm über der Rückkopplungsspule. Er stellt sicher, daß die Röhre mit der gewünschten ZF von 3 MHz und nicht mit der Eigenfrequenz der Rückkopplungsspule schwingt, da eine rückgekoppelte Röhre sich immer in der Frequenz des Schwingkreises erregt, der die geringste Dämpfung aufweist.
Wegen der starken Dämpfung des Gitterkreises mit etwa 1 kOhm würde daher die Rückkopplungsspule mit den parallelliegenden Schaltkapazitäten den Schwingkreis mit der geringsten Dämpfung darstellen und die erzeugte Frequenz bestimmen. Das wäre aber nicht erwünscht, weil dann die höchste ZF-Spannung an der Rückkopplungsspule auftreten würde, während man die höchste Spannung am Gitter benötigt, wo die Demodulation erfolgt. Dieser unerwünschte Effekt wird durch die zusätzliche Dämpfung der Rückkopplungsspule verhindert.
Schließlich sei noch die Wirkungsweise der NF-Drossel in der Katodenleitung beschrieben. Als wesentliches Prinzip der neuen Schaltung war herausgestellt worden, daß sie mit sehr fester Rückkopplung bei starker Dämpfung des ZF-Kreises arbeitet. Es ist bekannt, daß beim festen Anziehen der Rückkopplung bei gewöhnlichen Rückkopplungsempfängern im allgemeinen starke Heultöne auftreten, da eine oder auch mehrere Röhren infolge Übersteuerung periodische Kippschwingungen ausführen. Zu derartigen Kippschwingungen neigen aber auch besonders Pendelrückkopplungsempfänger.Die Drossel in der Katodenleitung stellt eine Gegenkopplung für die NF dar und verhindert das Auftreten solcher unerwünschten NF-Störtöne. Durch die Gegenkopplung muß natürlich ein gewisser Verlust an NF-Verstärkung in Kauf genommen werden. Man kann daher die Niederfrequenz auch aus dem Kathodenkreis über einen Transformator entnehmen, dessen Primärseite dann an die Stelle von L 9 tritt. Wegen der Anpassungsverhältnisse läßt sich die Spannung im Verhältnis 1 : 5 und mehr hinauftransformieren.
Noch ein Wort zu der Art der Antennenkopplung: Die doppelte induktive Kopplung schwächt einerseits die Ausstrahlung der Zwischenfrequenz so stark, daß sie nicht mehr störend wirkt (die Störspannung an der Spule L 1 ist nur einige V und an dieser Spule, gegen Erde gemessen, etwa 50 V), andererseits verhindert sie aber das Eindringen von Störern, die auf der Zwischenfrequenz von 3 MHz arbeiten.

Schrifttum
[1] V i l b i g, F.: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Bd. 2. 4. Aufl., Leipzig 1945, Akadem. Verlagsgesellsch. Geest & Portig
[2] H e w e l, H.: Kombinierter AM/FM-Rundfunkempfänger für Allstrom. FUNK-TECHNIK Bd. 5 (1950) Nr. 10, S. 304306
[3] Barkhausen, H.: Lehrbuch der Elektronenröhren und ihrer technischen Anwendungen, Bd. 3: Rückkopplung. 6. Aufl., Stuttgart 1951, Hirzel Verlag
[4] B r a d l e y , E.: Superregenerative delection theorie. ELectronics Bd. 21 (1948) Nr. 9, S. 96
bis 98
[5] Fremodyn - FM - Receivers. Electronics Bd. 21 (1947) Nr. 1, S. 8387
[6] N o w a k , A., Cantz, R., u. Engbert, W.: Die Röhre im UKW-Empfänger.
München 1952, Franzis-Verlag
[7) Deutsche Patentschrift Nr. 871 777
[8| Deutsche Patentschrift Nr. 873 569
[9] v. Ardenne, M.: Die physikalischen Grundlagen der Rundfunkanlagen. 1930
[10| The Radio Amateurs Handbook. 26. Aufl., Concord, New Hampshire, USA 1949, The Rumford Press
[11] Deutsche Patentschrift. Nr. 868 934
[12] Hazeltine, Richman u. L o u g h l i n : Superregenerator design. Electronics Bd. 21 01948) Nr. 9, S. 101

Link auf die Originalseite aus der "Funk-Technik" Ausgabe 2 / 1958 (2,6 MByte)

Es folgen einige Fotos, die die 6J6 (=ECC91) zeigen.



  

  


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