Detektoren | Audion
In einer Ära, in der digitale Technologien und Satellitenkommunikation dominieren, kann es schwer vorstellbar sein, dass es einmal eine Zeit gab, in der der Rundfunk in seinen Anfängen stand und die Technologie dahinter noch in den Kinderschuhen steckte. Doch genau in dieser Zeit des Aufbruchs und der Entdeckung spielte der Detektorenempfänger eine zentrale Rolle. Bevor die Ära der Superheterodynempfänger und modernen Transistoren begann, waren es die Detektorenempfänger, die den Menschen die Magie der drahtlosen Kommunikation näherbrachten. Diese Dokumentation taucht ein in die faszinierende Geschichte und Technologie der Detektorenempfänger im Rundfunk. Sie beleuchtet ihre bescheidene Entstehung, ihre revolutionäre Wirkung auf die Gesellschaft und die technischen Prinzipien, die sie antreiben. Begleiten Sie uns auf eine Reise zurück in die Zeit, in der das Radio die Welt veränderte und der Detektorenempfänger das Fenster zu dieser aufregenden neuen Welt war.
Audion [1]
Inhaltsverzeichnis:
1. Funktionsweise und Sinn
2. Aufbau
3. Kristall-Detektor (Demodulation)
4. Moderne Detektoren
5. Wichtigsten Bauteile
1. Funktionsweise und Sinn
Wir sind ständig von elektromagnetischen Wellen wie Radiowellen umgeben. Treffen diese auf einen Detektorempfänger, erzeugen sie Wechselströme durch schwingende Elektronen. Ohne Filterung hörten wir einen Mix aller Radiosignale. Ein Schwingkreis filtert spezifische Frequenzen, ist aber nicht perfekt. Ein direkt angeschlossener Kopfhörer würde Stille wiedergeben, da die Signale symmetrisch sind. Ein Gleichrichter, oft eine Diode, eliminiert diese Symmetrie, indem er nur eine Halbwelle durchlässt. Ist ein Radiosender nah, sollte die Spannung im Schwingkreis zwischen 200 mV und 600 mV liegen. Unter 200 mV aktiviert der Gleichrichter nicht. Ein idealer hätte keine Schwellenspannung, in der Realität benötigt man dafür jedoch einen Hüllkurvendemodulator mit zusätzlicher Energie. Das demodulierte Signal enthält die gewünschten Infos, aber manchmal noch Hochfrequenzen, die ein Kondensator glätten kann.
Abbildung eines historischen Detektorempfängers von Heliogen aus dem Jahr 1935 in Deutschland. Angebracht sind: oben links eine Schwingkreisspule und ein Kristall-Detektor, während unten links ein Sperrkreis zu sehen ist. [2]
Bilder aus der Sammlung von Klaus Burosch [3]
Das Audion fungiert als zentrales Element in der Radioempfangstechnik. Es ist dafür zuständig, amplitudenmodulierte Signale zu demodulieren und diese dann zu verstärken. Ein durch die Antenne empfangenes Signal wird im Audion demoduliert, wobei es sowohl in der Lage ist, Niederfrequenzen als auch Hochfrequenzen zu verstärken. Eine zusätzliche Besonderheit ist die extern justierbare Rückkopplung, die dazu verwendet wird, die Trennschärfe zu verbessern und somit eine präzisere Frequenzauswahl zu ermöglichen. In der Geschichte der Radioröhrentechnik wurden verschiedene Varianten des Audions entwickelt. Das Gitteraudion stellt eine solche Version dar und ist besonders wirksam bei kleinen Eingangsspannungen. In seiner Schaltung wird die Demodulation und Verstärkung kombiniert, was in der Frühzeit des Radios zu einer effizienteren Nutzung der damals teuren Verstärker-Bauelemente führte. Das Steilaudion, auch als Anodengleichrichter bezeichnet, eignet sich hingegen besser für höhere Eingangsspannungen. Es demoduliert Signale mit minimaler Verzerrung, benötigt jedoch eine negative Gittervorspannung für seinen Betrieb. Eine andere Variante, das Bremsaudion, verwendet unterschiedliche Kennlinien für seine Demodulation, was es von den anderen Schaltungsformen unterscheidet.
Eines der bemerkenswertesten Audion-Designs ist das Rückkopplungsaudion, das in der Vergangenheit auch als Regenerativ-Empfänger bekannt war. In Zeiten, in denen Radiogeräte vorwiegend aus wenigen Trioden bestanden, bot das Rückkopplungsaudion durch seine Rückkopplungsfähigkeit eine erhebliche Verstärkungssteigerung. Dies machte es zu einer bevorzugten Wahl für frühe Radiotechniker. Allerdings hatte es seine Tücken: Eine zu starke Rückkopplung konnte dazu führen, dass das Gerät Funkwellen aussendet und so den Empfang in der näheren Umgebung stört. Obwohl das Rückkopplungsaudion aufgrund seiner hohen Verstärkungs- und Trennleistung anfangs sehr beliebt war, wurde es schließlich durch den Überlagerungsempfänger ersetzt. Die Hauptgründe dafür waren die komplizierte Bedienung des Rückkopplungsaudions und die potenziellen Störungen, die es verursachen konnte. Der Überlagerungsempfänger bot eine bessere Benutzerfreundlichkeit, genauere Frequenzskalen und ein insgesamt zuverlässigeres Hörerlebnis.
2. Aufbau
In der Rundfunk-Frühzeit war der Detektorempfänger zentral für die drahtlose Kommunikation, obwohl er im Vergleich zu heute groß und unhandlich war. Er bestand aus Eingängen für Antenne und Erde, Schwingkreisen zur Abstimmung, einem Gleichrichter als Hüllkurvendemodulator zur Signalumwandlung und einem Ausgang für Kopfhörer. Frühe Modelle, wie ein schwedisches Detektorradio, verwendeten Bananenbuchsen für Verbindungen und erlaubten das Auswechseln von Komponenten wie dem Detektor und Spulen zur Anpassung an verschiedene Wellenlängen.
Vereinfachter Schaltung [4]
Ein Resonanzkreis, bestehend aus Spule und Kondensator, benötigt eine hochwertige Ausführung für optimale Trennschärfe. Fortschritte bei der Spulengestaltung wurden durch Hochfrequenzlitzen und spezielle Wickelmethoden erreicht, um die Eigenkapazität niedrig zu halten, z.B. Wabenspulen. Um auf eine Senderfrequenz abzustimmen, muss der Resonanzkreis angepasst werden, wodurch andere Frequenzen zur Erde abgeleitet werden. Die Anpassung erfolgt durch Modifizierung von Kapazität oder Induktivität, wofür Drehkondensatoren oder variable Spulen eingesetzt werden. Manchmal werden handgefertigte Schiebekontakte oder ein verstellbarer Pulverkern in der Spule verwendet. Es gibt verschiedene Spulenbauweisen, die unerwünschte Kapazitäten zwischen den Windungen minimieren und die Güte erhöhen, z.B. Wabenwickel. Hochfrequenzlitze, bestehend aus vielen dünnen Adern, wird zur Wicklung verwendet, um den Skineffekt zu reduzieren. Im Selbstbau sind variable Kondensatoren nicht ideal; hochwertige Festkondensatoren können jedoch aus Aluminiumfolie und dünner Folie hergestellt werden.
Der Name Audion bezieht sich auf die von Lee De Forest festgelegte Benennung seiner kreierten mit Gas gefüllten Dreielektrode, welche in einem akustischen Kreislauf genutzt wird. Bei den ursprünglichen Akustikrohren befand sich die direkt beheizte Kathode – bestehend aus einem Wolfram-Erhitzungsdraht – zentral, das Regelgitter links und der Sammelbereich rechts. Die sequenzielle Platzierung von Erhitzungsdraht, Regelgitter und Sammelbereich bot eine höhere Intensivierung. Im "Doppelklang-Akustikrohr" wurde diese Intensivierung weiter optimiert. Auf beiden Seiten des Erhitzungsdrahts war ein Regelgitter und dahinter ein Sammelbereich positioniert. Beide Regelgitter waren verbunden, ebenso die beiden Sammelbereiche. Ursprünglich stand der Begriff "Akustikrohr" nur für die gasgefüllte Dreielektrode nach de Forest's Konzept. Mit der Zeit bezog sich die Bezeichnung auch auf Hochvakuum-Elektronenröhren, die in einem akustischen Kreislauf verwendet wurden.
Audionschaltung (Triode) [2]
Im Patent von 1907 von De-Forest wurde die Audion-Schaltung präsentiert, die später als Gitteraudion bekannt wurde. Bei Fehlen eines Eingangssignals liegt der Gitterbetriebspunkt der Röhre zwischen Anlauf- und Raumladungsbereich bei etwa 0 V. Es gibt mehrere Gründe für die Hüllkurvendemodulation. Gitterstrom tritt nur bei positiver Gitterspannung auf, siehe Kennlinie der RE064. Bei negativen Gitterspannungen ist das Gitter resistenter als bei positiven, und die Beziehung zwischen Gitter- und Anodenstrom ist nicht linear. Stärkere Gitterspannungen werden effektiver verstärkt. Die Audion-Einheit verstärkt positive und negative Wellen unterschiedlich. Verstärkte Hochfrequenzen werden im rückgekoppelten Audion zurück an den Eingang geschickt. Ein am Ausgang befindlicher Tiefpass erzeugt eine Spannung, die der Hochfrequenz-Hüllkurve gleicht.
Die vorgestellte Audion-Schaltung mit Dreielektrode nutzt eine Gitteranordnung. Diese ermöglicht eine geringfügig negative Spannung am Gitter, in Anlehnung an das Anlaufstromgesetz. Diese Vorspannung führt zu einem Betriebspunkt, der den Oszillator weniger beeinflusst. Bei hohen Eingangsspannungen hat die Gitteranordnung einen zusätzlichen Effekt. Die Diode zwischen Gitter und Kathode bildet mit einem Glättungskondensator und einem Lastwiderstand einen Gleichrichter. Ein Teil des Kondensators weist eine negative Spannung auf, die mit zunehmender HF-Eingangsspannung negativer wird und zu einer Arbeitspunktverlagerung führt. Die Gitteranordnung ist nicht zwingend für die Audion-Funktion. Laut De-Forest erhöht sie die Sensitivität, aber das hängt von der Kennlinie und der Schaltung ab.
Im dargestellten Schema bilden der Innenwiderstand zwischen Anode und Kathode der Röhre und ein weiterer Kondensator einen Tiefpass für Niederfrequenz. Der Anodenwiderstand mit 4000 Ω ist hier ein Kopfhörer, der die durch Amplitudenmodulation verursachten Anodenstromschwankungen hörbar macht. Ein Niederfrequenzverstärker ist über einen Kondensator mit dem Anodenwiderstand der Audion-Einheit verbunden. Diese Kopplung wird bei einer Fünfelektrode als Audionröhre verwendet. Bei einer Dreielektrode wurde zuerst eine Transformator-Kopplung verwendet. Der Übertrager hatte ein Übersetzungsverhältnis von 1:4 und passte den Widerstand der Dreielektrode an die Niederfrequenzröhre an. Wegen des hohen Preises und des eingeschränkten Frequenzgangs des Übertragers wurde später auch bei Dreielektroden die Kondensatorkopplung bevorzugt.
Loewe-Audion OE 333 [2]
Ein Audion ist ein Empfänger, der eine Audion-Einheit oder -Circuit verwendet. Oft werden diese durch einen HF-Verstärker vor der Audion-Einheit und einen NF-Verstärker danach erweitert, um eine höhere Lautstärke zu erreichen. Eine geläufige Bezeichnung hierfür ist 0-V-2, was für null HF-Verstärkungsstufen, eine Audion-Einheit und zwei NF-Verstärkungsstufen steht. Das dargestellte Schaltbild des Loewe-OE333 zeigt drei Dreielektroden-Systeme. Diese, inklusive der Widerstände und Verbindungskondensatoren C2, C3 und R1 bis R4, waren in einer einzigen Glasröhre vereint (Mehrfachröhre 3NFB). Die linke Dreielektrode dient als Audion-Einheit (Gittermodulation), die mittlere als NF-Vorverstärker und die rechte als NF-Hauptverstärker. Die 3NFB wurde auch im rückgekoppelten Audion RO433 verwendet, bei dem vor dem ersten Gitter eine Kombination aus Widerstand und Kondensator und ein Eingangskreis für korrekte Phasenrückkopplung eingesetzt wurde. Hierbei diente die erste Dreielektrode als kombinierte Einheit für HF-Verstärkung, Modulation und NF-Verstärkung. Die Loewe-Röhre 3NF von 1926 kann als Vorläufer der heutigen „integrierten Schaltungen“ betrachtet werden. Die raffinierte Bauweise integrierte alle Bauelemente, die in solch einem System vorkommen. Da die Widerstände nicht für Hochvakuum geeignet waren, wurden sie in Glas eingeschlossen.
3. Kristall-Detektor (Demodulation)
Der Kristalldetektor diente zur Extraktion von Informationen aus amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignalen und war im Wesentlichen eine Art Schottky-Diode. Hergestellt aus natürlichen Halbleitern wie Bleiglanz oder künstlich produzierten Schwefelverbindungen, war er in Zeiten von Unsicherheit besonders wertvoll. Der Kristall, in etwa 5 mm Größe, wurde in eine Metallfassung eingespannt, während ein Metallstift beweglich darauf positioniert wurde, um einen Schottky-Kontakt herzustellen. Die korrekte Positionierung benötigte Fingerspitzengefühl, da der Stift über den Kristall geführt werden musste, um die geeignete Gleichrichtungsstelle zu finden. Kommerzielle Modelle waren in Glasröhrchen untergebracht, und ein kleiner Metallstab ermöglichte die Positionierung des Stifts auf dem Kristall. Fortgeschrittene Modelle hatten Mechanismen für vielfältige Kontaktstellen. Im Vergleich zum Fritter war der Kristalldetektor fortschrittlicher und essentiell für die Demodulation. Für DIY-Projekte konnte z.B. ein rostiges Blech und ein Graphit-Bleistift als einfacher Schottky-Kontakt verwendet werden.
4. Moderne Detektoren
Detektorempfänger, obwohl ein einfacher und älterer Radiotechnologie-Typ, sind Zeugen der Anfänge des Radios und sind auch heute noch Gegenstand von Interesse und Studium. Ihre Schlichtheit hat es ermöglicht, dass sie auch in der modernen Ära von technologischem Fortschritt und Digitalisierung weiterleben. Die vorgenommenen Verbesserungen und Optimierungen, die Sie beschrieben haben, sind Beispiele dafür, wie Grundlagen der Technik mit modernen Technologien kombiniert werden können. Der Feldeffekttransistor (FET) wie BF244 bietet eine hohe Eingangsimpedanz, die den Schwingkreis weniger belastet und so die Selektivität und Lautstärke des Empfängers verbessert. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber der ursprünglichen Konstruktion des Detektorempfängers, bei dem die Belastung des Schwingkreises durch den Kopfhörer ein Problem darstellte. Die Verwendung von Spannungsverdopplern und speziellen Dioden kann ebenfalls dazu beitragen, das Empfangssignal zu verbessern, indem es die nutzbare Spannung für den Kopfhörer erhöht und so eine lautere Ausgabe ermöglicht.Das Interesse an Detektorempfängern und die Tatsache, dass es immer noch Wettbewerbe für ihre Konstruktion und ihren Einsatz gibt, zeigt die anhaltende Faszination und das Engagement vieler Radioenthusiasten. Diese Wettbewerbe sind nicht nur ein Test von Fähigkeiten und Kenntnissen, sondern auch eine Hommage an die Geschichte des Radios und die Ingenieurskunst.
Moderne Schaltung [2]
Das beschriebene Transistoraudion und das Rückkopplungsaudion mit JFET sind fundamentale Schaltungen, die in der Elektronik und insbesondere im Radioempfang eingesetzt werden. In den beschriebenen Designs repräsentieren sie den Übergang von der Vakuumröhrentechnik zur Transistortechnologie. Der Gebrauch von Transistoren bot zahlreiche Vorteile gegenüber Vakuumröhren, wie z.B.:
1. Größe und Gewicht: Transistoren sind viel kleiner und leichter als Vakuumröhren, was zu kompakteren und tragbareren Gerätedesigns führt.
2. Energieverbrauch: Transistoren verbrauchen deutlich weniger Strom als Vakuumröhren.
3.Langlebigkeit:T ransistoren sind robust und haben im Allgemeinen eine längere Lebensdauer als Vakuumröhren.
4. Kosten: Mit der Massenproduktion wurden Transistoren im Laufe der Zeit deutlich günstiger in der Herstellung als Vakuumröhren.
Transistoren, insbesondere Bipolartransistoren und JFETs (Feldeffekttransistoren mit Verbindungsgate), wurden in verschiedenen Radioempfängerdesigns eingesetzt, um die HF-Signale (Hochfrequenzsignale) zu demodulieren und die gewünschte NF (Niederfrequenz) zur weiteren Verstärkung und schließlich zur Audioausgabe zu extrahieren. Das beschriebene Audion mit Bipolartransistor und das Rückkopplungsaudion mit JFET repräsentieren spezifische Designs, die für spezifische Anwendungen optimiert sind. Das Bipolartransistor-Audion ist ein einfaches Design, das für grundlegende Radioempfängeranwendungen geeignet ist. Der JFET in einem Rückkopplungsaudion ermöglicht eine präzisere Kontrolle der Rückkopplung und bietet im Allgemeinen eine bessere Performance, insbesondere in Bezug auf Empfindlichkeit und Selektivität, im Vergleich zu einem Bipolartransistor.
5. Wichtigsten Bauteile
Detektorempfänger haben in der Radiogeschichte eine zentrale Rolle gespielt, insbesondere in den Anfangsjahren des Hörfunks. Die wichtigsten Bauteile und Aspekte solcher Detektoren sind:
Kristalldetektor-Empfänger: In den Frühjahren des Rundfunks wurden Detektorempfänger hauptsächlich mit Kristalldetektoren ausgerüstet. Diese nutzten spezifische Mineralien, um Radiosignale zu empfangen und in hörbare Töne umzuwandeln. Bekannte frühe Beispiele solcher Detektoren waren der Karborund-Detektor und Pickards Perikon.
Kristalldetektor eingekapselt [5]
Materialien: Mineralien wie Bleiglanz und Pyrit waren besonders beliebt in der Herstellung von Kristalldetektoren. In bestimmten Zeiten, insbesondere in Krisensituationen, wurden diese Materialien künstlich reproduziert und wurden zu wertvollen Handelsgütern.
Funktionsweise des Kristalldetektors: Ein kleiner Kristall wurde in einer Metallhalterung fixiert, die als einer der Pole der Diode fungierte. Ein Metallstift wurde gegen den Kristall gedrückt, wodurch ein Schottky-Kontakt entstand - im Wesentlichen eine spezifische Art von Diode. Dieser Kontakt musste präzise eingestellt werden, was Geschick und Geduld erforderte. Der Kristall musste an der richtigen Stelle berührt werden, um den gewünschten Gleichrichtereffekt zu erzeugen.
Diodenvergleich [2]
Industrielle Fortschritte: Mit der Zeit wurde der manuelle und heikle Kristalldetektor durch Halbleiterdioden ersetzt. Diese Dioden waren einfacher zu verwenden und boten eine zuverlässigere Leistung. In den 1940er Jahren kamen Spitzendioden auf den Markt und in den 1950er Jahren wurden Germaniumdioden populär. Diese Halbleiterdioden boten im Vergleich zu ihren kristallinen Vorgängern erhebliche Vorteile in Bezug auf Größe, Kosten und Handhabung.
Entwicklung von Halbleiterdioden: Während Germaniumdioden und andere Halbleiterdioden einfacher zu verwenden waren, mussten sie sorgfältig an den jeweiligen Schwingkreis und Kopfhörer angepasst werden. Einige moderne Versionen dieser Dioden hatten besonders hohe Innenwiderstände. Manchmal wurde ein sogenannter Vorstrom durch die Diode geleitet, um deren Leistung zu verbessern. Vakuumröhren: Vor der weiten Verbreitung von Halbleiterdioden wurden auch Vakuumröhren ausprobiert. Diese hatten jedoch einige wesentliche Nachteile gegenüber den später verfügbaren Halbleiteroptionen und fanden daher nur kurze Zeit Anwendung.
Quellen [14.10.2023]
[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Audion
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Detektorempf%C3%A4nger
[4] https://de.m.wikipedia.org/wiki/Datei:Circuit_diagram_of_a_crystal_radio_receiver-de.svg
[5] https://de.m.wikipedia.org/wiki/Datei:Kristalldetektor.png