Verbesserungen am Mittelwellen Superhet mit Quarzfilter Drucken E-Mail
Samstag, den 02. November 2013 um 08:20 Uhr

Verbesserungen am Mittelwellen-Superhet mit Quarzfilter

Vor etwa einem Jahr hatte ich angefangen einen einfachen Mittelwellenempfänger mit einem Filter aus drei alten Quarzen aus alten Farbfernsehern (PAL-Quarze, 3,34 MHz) zu entwickeln. Nach längerer Pause habe ich mich wieder diesem Projekt angenommen und Verbesserungen vorgenommen. Allerdings ist der Empfänger noch lange nicht fertig.

Sinn und Zweck des Projektes ist es neben der Freude an einem selbst gebauten, alltagstauglichen Mittelwellenrundfunkempfänger auch die Möglichkeit zu bieten sich in die Technik des Superhet-Prinzips einzuarbeiten. Ein einfacher Nachbau mit leicht beschaffbaren Bauteilen ist eines der wesentlichen Ziele.

Das alte Projekt ist unter AM-Superhet mit Quarzfilter zu finden. Das Designziel ist und war es, dass kein Wickeln von Spulen notwendig ist, um den Nachbau zu vereinfachen.

Das Konzept: Das Konzept ist gleich geblieben. Die Empfangsfrequenz wird nach dem Passieren eines einstellbaren Dämpfunggliedes (gewöhnliches Potentiometer) und einem Tiefpass zur Spiegelfrequenzunterdrückung dem im Amateurfunkselbstbau beliebten Mischer- und Oszillator-IC SA612 (austauschbar mit SA602, NE602, NE612) zugeführt, welcher mit Hilfe eines freischwingenden Oszillators auf die ZF von 4,43 MHz hochmischt. Als ZF-Filter dient ein Quarz-Ladder-Filter aus 3 PAL-Fernsehquarzen. Andere Zwischenfrequenzen sind natürlich denkbar. Durch die hohe Spiegelfrequenz (Empfangsfrequenz plus (2 mal die ZF-Frequenz)) ist eine mitlaufende Selektion als Vorkreis nicht notwendig, was den Nachbau weiterhin vereinfacht. Der SA612 reagiert mit unerwünschten Mischproduktion bei zu hohen Pegeln empfindlich. Deshalb ist ein Dämpfungsglied und ein Tiefpass zu Beginn des Signalzuges zwingend notwendig. Horst, DJ6EV, hat unter http://afu.boards.net/post/856 in einer PDF-Datei interessante Anmerkung zum Großsignalverhalten des SA612 zusammengestellt.


Am alten Konzept hat sich grundsätzlich nichts geändert.


Der überarbeitete ZF-Verstärker.


ZF-Filterkurve, aufgenommen mit dem FA-NWT, dessen Eingangssignal lose über die Antenne eingekoppelt war. Entscheidend ist die Flankensteilheit und Weitabselektion des Filters. Eine Welligkeit von weniger als 3 dB im Durchlassbereich ist hingegen nebensächlich und nicht hörbar. Es ist besser eine höhere Bandbreite einzustellen und dafür etwas mehr Welligkeit hinzunehmen.


Die Weitabselektion, aufgenommen mit meinem FA-NWT, welcher nicht weniger als -80 dB anzeigen kann. Der Weitabselektion ist wahrscheinlich besser als dargestellt. Der rechte Peak stammt von der ZF.

Was sich geändert hat und noch verbessert werden muss:

1. Dämpfungsglied: Es besteht aus einem Poti von etwa 2,5 kOhm. Andere Werte können ausprobiert werden. Der Schleifer wird mit dem Filter verbunden. Die übrigen Anschlüsse werden mit der Masse und der Antenne verbunden.

2. Eingangsfilter: Es wurde neu aufgebaut und bietet eine bessere Unterdrückung der Spiegelfrequenz von mindestens 40 dB. Leider hat es noch eine zu hohe Dämpfung im Bereich von 500 bis 700 kHz. Deshalb ist dieses Filter noch nicht die endgültige Lösung.


Das Tiefpassfilter am Eingang, wie es mit AADE-Filterdesign berechnet wurde. Es ist allerdings immer noch nicht zufriedenstellend. Die Dämpfung ist im unteren Mittelwellenbereich bei kurzen Antennen von wenigen Metern Draht zu hoch.


Schaltung des Eingangsfilter mit der Quelle (50 Ohm und VAC) und der Last (R2; 1500) für die Simulation mit PSpice.


Mit dem FA-NWT aufgenommene Durchlasskurve.


Der Durchlassbereich zeigt sich bei der Messung als brauchbar. Das Filter sieht am Eingang die 50 Ohm des FA-NWT. Das entspricht jedoch nicht der Wirklichkeit. Eine Empfangsantenne aus 5 Meter Draht hat bei 500 kHz allerdings ein Ersatzschaltbild aus der Reihenschaltung von etwa 0,05 Ohm und 63 pF. Dadurch wird der untere Mittelwellenbereich stark bedämpft! Deshalb ist das Filter für eine endgültige Lösung noch nicht brauchbar. Eine geeigneter Filterentwurf, der einfach nachzubauen ist und ohne Abgleich auskommt, wird noch gesucht.


Der Aufbau des Filters führte zu überraschenden Erkenntnissen: Die Güte der Festinduktivitäten von etwa 50 bis 80 ist völlig ausreichend. Je schlechter die Güte, desto geringer ist sogar die Welligkeit und desto geringer ist allerdings die Flankensteilheit. Eine hohe Sperrdämpfung wird dadurch erreicht, dass die Bauteile mit kurzen Zuleitungen so dicht wie möglich an die Kupferfläche gedrückt werden, um die gegenseitige Beeinflussung durch elektrische Felder zu minimieren. Die hier angebrachten Abschirmbleche sind nicht unbedingt notwendig und leisten nur einen kleinen Beitrag zur Abschirmung. Ich habe Weißblech verwendet, weil es sich gut biegen und löten lässt. Mit Kupfer beschichtetes Leiterplattenmaterial ginge auch, weil nur die elektrischen Felder geschirmt werden müssen.

3. Verbesserte Weitabselektion: Nach dem SA612-Mischer erfolgt unmittelbar ein auf die ZF abgeglichener Parallelresonanzkreis. Er sorgt für die Weitabselektion die besser als 40 dB ist. Diese Stufe muss noch verbessert werden.

4. Quarzfilter: Der erste und dritte Quarz haben Kompensationsspulen von je 100 uH erhalten, die die Flankensteilheit und Symmetrie wesentlich verbessern. Die 3dB-Bandbreite des Filters ließ sich auf über 5 kHz treiben.

5. ZF-Verstärker empfindlicher: Nach dem Quarzfilter erfolgt mit einer einer einfachen Emitterschaltung die Verstärkung der ZF um etwa 20 dB. Mit ein paar Metern Draht als Antenne im Keller verspannt ist in den Abendstunden Fernempfang einwandfrei möglich. Bei 7 Meter Draht musste der Abschwächer fast vollständig zurückgedreht werden, um den Deutschlandfunk aus der Nähe von Hamburg (Entfernung über 800 km) klar und  deutlich aufnehmen zu können.

5. Stromversorgung: Ein Netzteil mit Festspannungsreglern versorgt den Empfänger mit 12 Volt. Die beiden SA612 werden mit 6 Volt betrieben. Die Betriebsspannung wurde für jede Stufe durch einen Tiefpass entkoppelt. Die Gleichrichter des Brückengleichrichters wurden durch Parallelschaltung von je einem 47nF-Kondensatoren entbrummt. Die beiden Zuleitungen zum externen Netzteil mussten zusätzlich mit Induktivitäten im mH-Bereich verdrosselt werden, um Intermodulationsbrumm beim Empfang stark einfallender Sender zu vermeiden.

6. Kompletter, modularer Aufbau: Bis auf den NF-Verstärker sind alle Module in der Manhattan-Style-Technik realisiert worden. Die einzelnen Module wurden auf einer großen Massefläche, welche aus Aluminiumfolie besteht, montiert. Die Masseverbindungen wurden verlötet. Dazu musste das Aluminium gelötet werden.


Versuchsaufbau: Die Alufolie sorgt für eine sehr gute HF-Masse und macht einen Versuchsaufbau unproblematisch, da man sich keine Gedanken mehr über eine optimale Masseführung machen muss. Es handelt es sich hier übrigens um dickere Aluminiumfolie einer Verpackung für Croissants (auf das Bild klicken für eine Großansicht).


Der erste Versuchsaufbau in der Manhattan-Style-Technik.



Beim ersten Test ohne Neuabgleich zeigt sich der Empfänger unter Einsatz des Dämpfungsgliedes etwas besser als ein Röhrensuper der Mittelklasse aus den 1950er Jahren. Durch das schmalbandige Filter von nur 5,2 kHz ist der Klang allerdings etwas dumpfer. Als Antenne dienten 7 Meter Draht, die im Keller verspannt waren. Der Empfangsort liegt 150 km südwestlich von Schweden. Hier können in den Abendstunden viele Stationen aus Frankreich, England und Deutschland empfangen werden. Der Empfänger wurde mit einer kleinen Lautsprecherbox betrieben. Der warme Klang erinnerte an ein Röhrenradio.

7. NF-Frequenzgang: Der NF-Koppelkondensator unmittelbar nach dem AM-Demodulator wurde auf 470 nF verkleinert, um die Bässe abzusenken.

8. Low-Profile-Quarze: Das Quarzfilter ist mit über 30 Jahre alten TV-PAL-Quarzen, die schwer beschaffbar sind, aufgebaut. Heute sind Low-Profile-Quarze, welche ein etwas anderes Verhalten in Quarz-Ladder-Filtern aufweisen, kostengünstig zu erhalten. Es muss noch ausprobiert werden, ob ähnlich gute Filterwerte mit drei Low-Profil-Quarzen im Bereich zwischen 4 und 5 MHz zu erzielen sind.

Was noch fehlt: Was noch fehlt, ist die Schwundregelung! Daran wird derzeit noch gearbeitet. Der Drehkondensator soll durch eine Kapazitätsdiode ersetzt werden können. Als Kapazitätsdiode würde nach ersten Messungen die leicht beschaffbare Gleichrichterdiode 1N4007 dieser Aufgabe gerecht werden können. Sie schafft ein Kapazitätsveränderung von 1:3, was bei einer ZF von 4,43 MHz für das Überstreichen des Mittelwellenrundfunkbandes ausreichend ist.

Diskussionen in den Foren: 1. SM5ZBS-Forum, 2. Wumpus-Gollum-Forum. Für das Interesse, das Lob und nicht zuletzt für die sowohl kritischen als auch konstruktiven Diskussionsbeiträge möchte ich mich ausdrücklich bedanken. Fortsetzung folgt!

Hier das vorläufig endgültige Schaltbild des Mittelwellen-Empfängers (Stand 17. 11. 2013):


Die Schaltbilder im Einzelnen: Einige Bilder können angeklickt werden, um den realen Aufbau zu sehen.


Das Eingangsfilter für die Spiegelfrequenzunterdrückung. Das Poti am Antenneneingang ist zwingend notwendig, da der Mischer SA612 sonst bei starkten Antennenpegeln sehr leicht übersteuern kann.


Der Mischer und Oszillator. Beim Einsatz eines andferen Drehkos sind die C3 und C5 bis C10 durch Probieren entsprechend anzupassen. Der Einsatz von Trimmkondensatoren ist sinnvoll.


Das ZF-Filter mit ZF-Verstärkerstufen. Je nach den Quarzdaten kann die Gestaltung des Quarzfilters variieren. Die Quarzfilterbandbreite konnte auf etwa 6,5 kHz verbreitert werden.


Die nachfolgende ZF-Stufe mit einem NE592 und dem SA612 als AM-Demodulator.


Für die AGC (Schwundregelung) wird nur die NF geregelt. Dies erspart nichtlineare Bauteile vor dem SA612-Mischer und erhöht die Nachbausicherheit. Das Poti am Antenneneingang wäre auf jeden Fall sinnvoll. Das Trimmpoti R8 wird so eingestellt, dass der nachfolgende NF-Verstärker bei voller Lautstärke nicht übersteuert. Die Regelung setzt ab einer Eingangsspannung von 40 mVss ein. Die Ausgangsspannung kann mit dem Poti, für das ich 4,7 kOhm und nicht 10 kOhm wählte, von 0 Volt bis 3,5 Vss eingestellt werden.


Der NF-Verstärker mit einem TBA820M. Beschreibung hier.


Das Netzteil. Die Kondensatoren parallel zu den Brückengleichrichterdioden D1 bis D4 sind unverzichtbar. Ohne sie wäre der Empfang verbrummt.


November 2013, gegen 18:00 MEZ. Bandscan von etwa 1700 kHz bis 1422 kHz. Zu Beginn sind holländische Piratensender zu hören, die hier in Schweden zu empfangen sind. Ganz zum Schluss kommt RTL-Radio und das Video endet mit dem Empfang des Deutschlandfunks auf 1422 kHz. RTL-Radio hatte eine so starke Feldstärke, so dass das Radio verzerrte und die Antennenspannung zurückgedreht werden musste.


Bandscan über das Mittelwellenband am Abend des 2.11.2013 von unten nach oben. Zum Schluss sind holländische Piratensender zu hören. Antenne: 30 Meter langer Draht, Standort: 150 km südwestlich von Stockholm.


Zuletzt aktualisiert am Samstag, den 04. April 2015 um 16:34 Uhr
 
3. Februar 2017

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