Radio-und Detektortechnik

Der folgende Artikel ist ein Ausschnitt aus dem Buch "Werkbuch für Jungen", erschienen im Otto-Maier-Verlag, Ravensburg. Author ist (der mittlerweile leider verstorbene) Rudolf Wollmann.
Ich habe von seiner Erbengemeinschaft, hier Frau Jutta Delpy, die freundliche Erlaubnis bekommen aus dem Buch ihres verstorbenen Stiefvaters veröffentlichen zu dürfen. Dafür möchte ich mich hier nochmals ganz herzlich bedanken.

Ein Einfachdetektor
Der Begriff "Detektor" ist nicht immer ganz eindeutig. Früher bezeichnete man damit nur den Gleichrichter, heute dagegen meist die gesamte Empfangsschaltung.
Das Besondere an allen Detektorschaltungen ohne Verstärker ist, daß man keine zusätzliche Energiequelle (Batterie) braucht. Die elektrische Energie, die im Hörer in Schall umgesetzt wird, stammt ausschließlich vom Sender und ist empfangene Energie. Bild 350.1 zeigt die einfachst mögliche Empfängerschaltung. Sie benötigt keinen besonderen Aufbau, man kann sie mit Prüfkabeln zusammenklemmen.


Für diesen Empfänger, der den starken Ortssender der MW empfängt, benötigen wir eine möglichst lange Antenne und dazu eine gute Erdung.
Die Ideal-Länge der Antenne werden wir angesichts der heutigen Wohnverhältnisse nicht spannen können; aber vielleicht können wir etwa 10 m Draht für diesen Versuch irgendwo unterbringen oder aus dem Fenster hängen lassen. Auch das Drahtgeflecht einer Bettstelle ist eine wirksame Antenne. Als Erdung genügt es meist, einen blanken Draht (am besten versilberten Kupferdraht mit 1 mm Æ) stramm um eine blanke Stelle der Zentralheizung (z.B. am Ventil) zu drillen. Der Sender induziert in der Antenne einen Wechselstrom mit seiner hohen Frequenz; der fließt in der Antennen-Erdleitung hin und her. Wenn wir in diese Leitung einen Hörer einschalten, fließt der HF-Strom auch über den Hörer - aber wahrnehmen können wir trotzdem nichts; der Hörer kann aufgrund seiner mechanischen Trägheit keine HF verarbeiten. Wir brauchen ein Mittel, die NF aus dem HF-Strom herauszulösen. Dies geschieht im Detektor (lat. "Enthüller"; der Detektor gewinnt die Hüllkurve aus dem modulierten HF-Signal zurück.


Ein solcher Detektor bestand früher aus zwei verschiedenen Mineralien, z.B. Rotzinkerz und Tellur oder aus Bleiglanz und einem federnd dagegendrückenden Draht, die bei loser Berührung die Eigenschaft haben, durchfließende Wechselströme gleichzurichten. Heute verwendet man eine Germaniumdiode. Dieser in den HF-Stromkreis eingefügte Gleichrichter läßt also von der modulierten Hochfrequenzwelle nur die negative Halbwelle durchfließen (Bild 2b). Sie wird gewissermaßen am Hörer vorbei kurzgeschlossen. Für den Hörer bleiben nur die positiven Halbwellen übrig.
Nun kann aber die Hörermembrane gegen ihrer Trägheit den einzelnen Stromstößen nicht folgen. Da sich aber diese rasch aufeinanderfolgenden Stromstöße in ihrer Wirkung unterstützen, wirken sie auf die Membrane doch wenigstens so ein, als ob der Gleichstrom die in der gestrichelten Linie (auf den Spitzen der Halbwellen, eben die "Hüllkurve") angedeuteten Schwankungen aufweisen würde. Das ist es aber gerade, was wir erreichen wollen. Denn diese Stromkurve ist nichts anderes als die Tonfrequenz, mit ursprünglich die Trägerwelle moduliert wurde. Wir haben also AM durch Gleichrichtung demoduliert.
Beim Gleichrichten spielt die Schwellenspannung der Diode eine bedeutende Rolle, denn über die Diode fließt ja auch in Durchlaßrichtung nur dann ein Strom, wenn die angelegte Spannung die Schwellenspannung der Diode überschreitet. Daher ist für diese Gleichrichtung eine Germaniumdiode (AA ... oder OA ..., z.B. AA 112) mit ihrer niedrigen Schwellenspannung erforderlich. Wir können den Versuch auch mit einer Siliziumdiode versuchen, werden aber wesentlich schlechtere Ergebnisse erzielen.
Der Hörer sollte hochohmig sein. Ein alter Kopfhörer mit 2 mal 2000 W ist ausgezeichnet. Als unterste Impedanz sind 250 W anzusehen (Telefon-Hörkapsel). Auch ein keramischer Ohrhörer ist geeignet. Ihm ist ein hochohmiger Widerstand (ca. 47 bis 100 kW) parallelzuschalten, damit der Gleichstromkreis geschlossen ist.

Detektor mit Schwingkreis
Wenn in unserem Wohngebiet mehrere MW-Sender sehr stark einfallen, hören wir sie alle durcheinander. Abhilfe schafft ein Schwingkreis.


Er siebt aus allen in der Antenne induzierten Wechselströmen den mit seiner Resonanzfrequenz heraus. Wenn wir die Induktivität L seiner Spule und / oder die Kapazität C seines Kondensators veränderlich machen, können wir den Schwingkreis auf beliebige Frequenzen einstellen (s. Thomsonsche Schwingungsgleichung).
Wie kommt man in dem oben genannten Beispiel gerade auf eine (angenommene) Kapazität von 200 pF? Zur Dimensionierung von Empfängerschwingkreisen für die verschiedenen Frequenzbereiche gibt es Erfahrungswerte, die sich als günstig herausgestellt haben:

LW:  500...1000 pF
MW:   50 ... 500 pF
KW: 5MHz:   ca.100 pF
       10MHz: ca. 50 pF
       20MHz: ca. 30 pF
       25MHz: ca. 25 pF
UKW 90 - 100 MHz: ca. 15 pF.

Wenn wir mit einem Drehkondensator 50 - 500 pF den gesamten MW-Bereich überstreichen wollen, benötigen wir eine Schwingkreisinduktivität von L = 180 uH.
Das vorige Bild zeigt die komplette Detektorschaltung. Antenne und Schwingkreis bilden zusammen einen Spannungsteiler. Für alle Frequenzen ungleich seiner Resonanzfrequenz ist der Schwingkreis niederohmig, er schließt sie praktisch kurz; für die HF seiner Resonanzfrequenz ist der Schwingkreis hochohmig; an seinem oberen Ende (dem "heißen" Ende) steht deswegen eine verhältnismäßig hohe HF-Spannung.
Die HF-Spannung, die gleichgerichtet werden soll, wird einer Anzapfung entnommen. Wir wissen bereits, daß der Verbraucherwiderstand nicht kleiner sein sollte als der Innenwiderstand der Quelle. Der Parallelschwingkreis ist aber eine sehr hochohmige Quelle, im Vergleich dazu sind auch ein hochohmiger Kopfhörer und die in Reihe geschaltete Diode niederohmig. Wir suchen daher am Schwingkreis eine Stelle, an der er etwa den gleichen Innenwiderstand hat wie unsere Gleichrichter-Kopfhörer-Kombination, denn eine Quelle gibt dann die größte Leistung ab, wenn ihr Innenwiderstand und der Verbraucherwiderstand gleich groß sind. Dieser Kunstgriff heißt "Leistungsanpassung". Die richtige Anpassung von Bauelementen an ihre Quellen spielt in der Elektronik eine große Rolle, denn sie ermöglicht es, aus einer Schaltung das Beste herauszuholen.

Die Herstellung der Detektorspule
Wir wickeln die Detektorspule auf eine Papprolle, z. B. auf den Kern einer Toilettenpapier-Rolle mit 5 cm Æ. Die Spule erhält 60 Windungen aus Kupferlackdraht von 0,4 mm Stärke (CuL 0,4). Wenn wir schön ordentlich Windung neben Windung wickeln, wird die Spule ca. 2,8 cm lang - etwas Luft wird immer zwischen den Windungen bleiben.
Warum muß die Spule gerade 60 Windungen haben? Bei zylindrischen Luftspulen berechnet sich die Induktivität L nach der Formel:



L: Induktivität in ÁH
N: Windungszahl
d: Durchmesser der Spule in cm
I: Länge der Spule in cm
Wenn man die Formel zur Berechnung der Windungszahl umformt, erhält man



Unsere Spule von 5 cm 0 und 2,8 cm Länge mit einer gewünschten Induktivität von 180 ÁH benötigt 60 Windungen:



Diese Rechnerei ist durchaus nicht überflüssig. Einer Spule kann man die Größe ihrer Induktivität nicht ohne weiteres ansehen, und ein Induktivitätsmeßgerät wird in der Regel nicht zugänglich sein. Wir wollen ja nicht ganz blind experimentieren, und daher müssen wir die Induktivität der Spule wenigstens ungefähr kennen; mit Zentimetermaß und Taschenrechner kommen wir der Induktivität einer selbstgewickelten Luftspule schon recht nahe. Mit dieser Induktivitätsberechnung können wir unseren Detektor auf beliebige Empfangsfrequenzen umdimensionieren. Gerade auf KW gibt es viel zu hören.
Die Spule soll möglichst viele Anzapfungen haben, damit wir ausgiebig mit ihr experimentieren und den wirklich günstigsten Anzapfpunkt für die Diode herausfinden können. Ein geduldig optimierter Detektor ist erstaunlich leistungsfähig! Im Idealfall müßte die Spule an jeder Windung eine Anzapfung haben, aber das ist kaum zu bewerkstelligen; an jeder 5. Windung eine Anzapfung ist auch schon recht gut; dabei können wir am "heißen" Ende gut 15 Windungen ohne Anzapfung lassen, denn hier liegt der günstigste Speisungspunkt für die Diode bestimmt nicht.
Die Anzapfungen stellen wir dadurch her, daß wir jede 5. Windung mit Hilfe eines Schaschlikspießes hervorheben.




An den hervorgehobenen Stellen können wir den Lack abkratzen und die Ableitungsdrähte anlöten.
Wir wickeln die Spule zunächst auf eine etwa 10 cm lange Rolle, z.B. den ganzen Kern einer Toilettenpapier-Rolle. Wir b rauchen das längere Stück, um Rolle und Windungen beim Wickeln sicher halten zu können. Zuerst stechen wir mit einer Stopfnadel ca. 4 cm vom rechten Rand entfernt zwei Löcher im Abstand von 0,5 cm; dann fädeln wir den Anfang des Wickeldrahtes durch das Loch a von außen nach innen und durch das Loch b von innen wieder nach außen. Der Drahtanfang sollte etwa 10 cm aus b herausragen. Dann ziehen wir den Draht stramm, so daß der Drahtanfang in den beiden Löchern festsitzt; der Pfeil gibt die Wickelrichtung an.


Nun setzen wir mit einem Verpackungsgummi den Schaschlikspieß am linken Rand der Rolle fest (stumpfes Ende zum Wickelraum) und wickeln die ersten 4 Windungen. Beim Wickeln fassen wir mit dem Daumen der linken Hand in die Rolle, so daß wir die Windungen mit Zeige- und Mittelfinger sicher festhalten können.
Wir dürfen nicht zu stark drücken; die Rolle hält das schon aus, aber wenn wir die Hand verkrampfen, springt uns die Spule mit Sicherheit kurz vor ihrer Fertigstellung auf. Diese Arbeit erfordert - wie alle in diesem Kapitel beschriebenen - Lockerheit und Geduld. Mit Schnelligkeit ist hier kein Erfolg zu erwarten.
Nach der 4. Windung schieben wir den Schaschlikspieß so weit vor, daß er etwa 0,5 bis längstens 1 mm über die 4. Windung hinausragt. Dann wickeln wir die 5. Windung stramm darüber. Wir wickeln 4 weitere Windungen auf die Papprolle, schieben den Schaschlikspieß vorsichtig wieder über die letzte Windung, wickeln die 10. Windung wieder über den Spieß, und so fahren wir fort, bis wir 9 Anzapfstellen über dem Spieß haben. Beim Vorwärtsschieben werden wir den Spieß etwas hin und herdrehen müssen, damit wir die darüber gespannten Windungen nicht zerren. Nach der 9. Anzapfstelle wickeln wir noch 15 Windungen auf
die Papprolle; dann stechen wir wieder zwei Löcher hintereinander durch die Pappe und ziehen das Drahtende wie den Anfang durch. Zuletzt sichern wir Wicklung und Spieß mit etwas Alleskleber.
Erst wenn der Kleber gut gehärtet ist, kann man das überstehende Ende des Schaschlikspießes mit einem scharfen Seitenschneider kappen, die Papprolle mit einem Abbrechklingenmesser kürzen und die Anzapfdrähte anlöten. Beim Anlöten verzinnen wir erst die hervorgehobene Stelle, dann das Ende des Anschlußdrahtes (verzinnte Stelle auf ca. 2 mm kürzen), und wenn wir jetzt die Verbindungsstelle mit dem Lötkolben anwärmen und den Anschlußdraht daranhalten, fließt das Zinn ineinander, und so erreichen wir eine sehr kleine Lötstelle mit wenig Zinn.

Der Zusammenbau des Detektors
Als Grundplatte dient uns - wie in der Anfangszeit der Rundfunktechnik - eine Holzplatte. Ein Stück Span- oder Tischlerplatte ist ebenso geeignet.
Der Drehkondensator wird mit einem Stück PVC-Platte, z. B. dem Rest einer Gardinenleiste, an der Platte befestigt. Die Spule wird mit Alleskleber aufgeklebt.


Als Lötstützpunkte schlagen wir vermessingte Rundkopfstifte 1,2 x 13 mm halb in die Platte ein, je einen für jeden Spulenanschluß, je einen für Antenne und Erde, zwei für den Kopfhörer; an die beiden letztgenannten schließen wir auch die Diode und den Glättungskondensator an. Die Abmessungen der Platte spielen eine untergeordnete Rolle. Es ist jedoch folgendes zu beachten:
1. Die Enden der Spule werden mit den beiden Anschlüssen des Drehkondensators verbunden. Das erdseitige ("kalte") Ende muß mit dem drehbaren Plattenpaket, dem Rotor, verbunden werden.
2. Wir löten die Diode zuerst am Kopfhöreranschluß fest und suchen dann die Anzapfung, die uns den lautesten Empfang oder, wenn mehrere starke Sender einfallen, die beste Trennschärfe bringt.
3. Auch mit dem Koppelkondensator für die Antenne lohnt sich zu experimentieren. Je "loser" wir die Antenne ankoppeln - je kleiner die Kapazitat des Kondensators ist, desto besser wird die Trennschärfe.
4. Der Kopfhörer muß - wie beim Einfachdetektor - unbedingt hochohmig sein. Einem Kristallhörer müssen wir auch bei dieser Schaltung einen hochohmigen Widerstand parallelschalten.
Wenn schon ein niederohmiger Hörer vorhanden ist, kann man ihn auch benutzen, sofern man ihn über einen Transistorübertrager 10 : 1 anpaßt.


Diese Lösung bringt aber Energieverluste mit sich, denn der Übertrager liefert nicht die gesamte empfangene Energie an den Kopfhörer ab; in ihm entstehen Verluste, z.B. durch den Drahtwiderstand. In der Nähe starker Sender oder, wenn eine gute Antenne und Erdung vorhanden sind, machen sich die Verluste kaum bemerkbar. Unter günstigen Voraussetzungen (Sendernähe) kann mittels des Übertragers sogar bescheidener Lautsprecherempfang möglich sein.

Stückliste
1 Luftdrehkondensator 50 ... 500 pF
10 m Kupferlackdraht 0,4 mm
1 Kondensator zwischen 10 und 50 pF
1 keramischer Scheibenkondensator 1 nF
1 Germaniumdiode AA 112 o.ä.
1 hochohmiger Kopfhörer
1 Stück Span-oder Tischlerplatte ca. 10 x 10 cm
   vermessingte Rundkopfstifte 1,2 x 13 mm
1 Schaschlikspieß
1 Verpackungsgummi
1 Papprolle, ca. 5 cm Æ

Detektor mit NF-Verstärker
Das Bild zeigt die Kombination des Detektors mit dem Verstärker.


Wir können den Verstärkerbaustein direkt mit dem Detektor koppeln. Statt des Hörers setzen wir dann einen Widerstand ein, der den Gleichstromkreis schließt (R1).


Abb. 355.1b zeigt einen Bestückungsplan, auf dem der Detektor mit Ausnahme des Drehkondensators und des Verstärkers vereinigt sind. Damit man die Schaltung in einem kleinen Kästchen unterbringen kann, muß man die Spule klein wickeln. Wegen der kleineren Abmessungen werden viel mehr Windungen benötigt - dafür ist sie aber auch sehr leicht zu wickeln.


Wir wickeln die Spule L aus 0,2 mm seideisoliertem Cu-Draht auf ein Glas- oder Kunststoffröhrchen oder einen Bohrerschaft von etwa 15 mm Æ. Sie erhält insgesamt 200 Windungen und nach der 30., 60. und 90. Windung durch Herausführen je einer etwa 6 cm langen Schleife drei Anzapfungen. Damit die Spule nur etwa 10 mm breit wird, schieben wir in diesem Abstand zwei starke, mit einem genau passenden Loch versehene Pappscheiben auf (Abb. 355.2) und wickeln den Draht in diesen Hohlraum. Dann entfernen wir die Scheibchen, ziehen die Spule vorsichtig ab und binden sie mit einem dünnen Faden an vier bis sechs Stellen zusammen, damit sie einen Halt bekommt.
Wenn der seideisolierte Draht im örtlichen Einzelhandel nicht zu bekommen ist, besorgen wir uns "HF-Litze"; das ist eine Litze aus sehr vielen einzeln mit Lack und Seide isolierten haarfeinen Drähten. Nur wenn wir beides nicht bekommen können, nehmen wir einfachen Kupferlackdraht. Mit ihm sind die HF-Eigenschaften der Spule am schlechtesten.
Wir verzinnen die Drahtenden, indem wir sie in flüssiges Zinn auf der Lötkolbenspitze halten; auch HF-Litze ist auf diese Weise sicher zu verzinnen, man muß nur einige Sekunden warten, bis der Lötlack geschmolzen ist. Dann kleben wir die Spule auf die Leiterplatte und löten die Drahtenden an, von den Anzapfungen nur die, die den lautesten Empfang bringt. Die beiden anderen isolieren wir und legen sie mit einem Tropfen Kerzenwachs oder Alleskleber fest.
Mit dem NF-Verstärker erhöhen wir die Empfangsleistung des Detektors beträchtlich; das macht sich z.B. darin bemerkbar, daß wir keine Erdleitung und / oder eine kürzere Antenne zum Empfang des Ortssenders benötigen. Der Nachteil aber ist, daß wir eine zusätzliche Energiequelle (Batterie) und einen Ein / Aus-Schalter brauchen.
Beim Aufbau sind keine weiteren Besonderheiten zu beachten. C3 muß einen möglichst geringen Leckstrom haben, sollte daher ein Tantal-Eiko sein; viel besser - aber auch teurer - ist an dieser Stelle ein Folienkondensator geeignet. Zum Einbau ist jedes Kästchen recht, z.B. eines, das wir uns aus Sperrholz zimmern. Den Drehkondensator montieren wir direkt in die Gehäusewand.
Der Verstärker benötigt sehr wenig Strom. Eine Flachbatterie hält daher sehr lange Zeit. Wir kleben sie mit einem Stück Verlegeband (beidseitig klebendem Band) auf den Boden unseres Kästchens. Als Batterieklemmen kann man z. B. Briefklammern ("Büroklammern") aus Messingdraht verwenden, an die man weiche Litzen lötet. Als Ein / Aus-Schalter ist jeder beliebige Kipp- oder Schiebeschalter zu gebrauchen; man muß nur seiner Stellung ansehen können, ob der Strom ein- oder ausgeschaltet ist.

(Die Röhren-Gemeinde wird mir sicher verzeihen daß ich hier eine Transistorschaltung veröffentlichte.)

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