Einfache Erweiterung von Röhrenradios auf Bluetooth Empfang

Allgemeines
Viele alte Röhrenradios haben – je nach Größe – einen beeindruckenden Klang. Diesen Klang wieder zum Leben zu erwecken, ist auch heute noch eine lohnende Aufgabe – vor allem bei älteren Geräten noch ohne UKW.
Die Idee, dafür die moderne Funktechnik „Bluetooth“ zu nutzen, ist bekannt; jedoch ist der Aufwand der Nachrüstung-Vorschläge oftmals nicht unerheblich. Das Hauptproblem ist die Stromversorgung von ca. 5V. Gleichspannungen diese Größenordnung sind in einem Röhrenradio mit seinen hohen Anodenspannungen nicht unmittelbar verfügbar.
Es gibt im Prinzip 3 bevorzugte Schaltungsanordnungen:
-    Zusätzliches Niedervolt (Stecker-)Netzteil
-    Aufwendigere Speisung aus dem Heizkreis
-    Unaufwendige Kathodenspeisung aus der Endröhre im A-Betrieb
Hier soll die Kathodenspeisung verfolgt werden.

Speisung aus der Kathode der Endröhre
Die Erweiterung des Röhrenradios auf Bluetooth erfolgt unter Verwendung eines fertigen Bluetooth-Moduls 4.1. aus China (siehe Bild unten).  Die Stromversorgung des Moduls erfolgt aus dem Kathodenstrom der Lautsprecher-Endröhre, indem der Kathodenwiderstand durch eine Widerstand-Z-Dioden-Reihen-Schaltung ersetzt wird. Das Audiosignal wird in den TA-Eingang des Röhrenradios eingespeist oder in das „heiße“ Ende des Lautstärkepotis – z.B. bei Allstromradios.        

Vorteile
-    Sehr einfacher Austausch des Kathodenwiderstandes der Endröhre im Röhrenradio (max. 3 Bauteile) 
-    Start des Moduls mit Hochlauf der Kathodenspannung der Endröhre. Dadurch ist die Ausgabe der Status-Töne oder der Satus-Texte (Ready, Pairing, Connected) beim Start des Bluetooth-Moduls mit der Lautsprecherausgabe synchronisiert. 
-    Diese Speisung funktioniert unverändert auch in Allstrom-Radios

Nachteile
-    Modulstrom je nach Endröhre etwas kritisch:
Übliche (Eintakt)-A-Schaltung erforderlich, bei der der Kathodenstrom (Ia + Ig2) der Endröhre größer als der Modulstrom sein muss. Dies ist nicht bei allen möglichen Kombinationen von Endstufen-Röhren und Bluetooth-Modulen gegeben.
Beispiel:
Das vorgeschlagene Modul benötigt nach Hochlauf weniger als 25mA.
EL84 (A-Betrieb): Uk=7,3V, Ia=48mA (250V), Ig2=4,5mA (250V) – Daten aus RMorg.
Da der Kathodenstrom > Modulstrom ist, ist die Lösung okay. 
-    Eine kurze, deutlich erhöhte Stromaufnahme des Bluetooth-Moduls in seiner Hochlaufphase kann aus einem Elko gepuffert werden (≥ 2200µF), der problemlos in der Hochheizphase der Endröhre geladen wird.

                                                                          
Nebenbei: 
Diese „Kathodenspeisung“ (Z-Diode: 3,3 … 6,2V) kann bei Bedarf zur Speisung verschiedener elektronischer Halbleiter Bauelemente im Röhrenradio genutzt werden.
Leuchtdioden (als Skalenlampenersatz), Op-Verstärker, CMOS, … 

Die Schaltung ist durch ihre Einfachheit (max. 3 Bauelemente) in vielen Fällen der Speisung aus dem Heizkreis überlegen. Dazu trägt auch bei, dass die Speisespannung ohne weitere Aufwände gegen Masse verfügbar ist.

Einbautipps
Das Modul kann auf Grund der geringen Masse „fliegend“ eingebaut werden. Bei kurzen Anschlussdrähten der beiden 10k-Widerstände kann deren gemeinsamer Punkt direkt auf das heiße Ende der Eingangsbuchse des TA-Eingangs des Röhrenradios gelötet werden. Er kann so meist als ein mechanischer Trägerpunkt des Moduls genutzt werden.
Als zweiter Trägerpunkt kann eine stabile Masseleitung (dickerer Schaltdraht) dienen, die möglichst kurz an der Massebuchse des TA-Eingangs angelötet wird. Dadurch erhält man Stabilität und benötigt keine abgeschirmte Leitung.
Der Ersatz des Kathodenwiderstandes durch die Z-Dioden-Schaltung kann meist auch fliegend erfolgen. Eine längere 5V-Leitung zum Modul ist hier meist unkritisch. 

Viel Erfolg!

Hans-Jürgen Neuhaus
(Halbleiter Admin)

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Hallo Herr Jürgen.

Ich finde ihre Lösung interessant und nachahmenswert. Meistens möchte man jedoch das Modul nur im TA (Phono) - Betrieb einschalten sodass das Radio auch noch als gewöhnlicher Empfänger funktioniert. Ihre Lösung kann natürlich noch entsprechend erweitert werden.

Um die Lautstärke etwa gleich dem Normalzustand zu gewährleisten, ist unter Umständen auch noch ein NF Verstärker erforderlich, der das schwache Signal vom Modul etwa faktor 5 - 10 verstärkt.

Ich habe es bevorzugt, die Speisung aus der Heizspannung zu erzeugen. Der Aufwand ist in etwa gleich wie bei der vorliegenden Lösung.

Links zu verschiedenen Vorschlägen:

Bluetooth

Bluetooth Allstrom - Radio

Gruss

Beat Sager

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Die Idee von Herrn Neuhaus finde ich im Prinzip gut, nein, sogar sehr gut. Und vermutlich klappt das in der Praxis auch ganz ordentlich. Bitte aber nicht böse sein, wenn ich trotzdem Folgendes zu bedenken gebe:

1. Die recht starke DC-Kathodengegenkopplung der Originalschaltung trägt entscheidend zur Arbeitspunkt-Stabilisierung bei: Kennlinienstreuungen und auch Gitterfehlströme wirken sich dann kaum noch aus. Ersetzt man aber den ursprünglichen Kathodenwiderstand zum großen Teil durch eine Z-Diode, dann bleibt nur noch ein kleiner Rest übrig: In obigem Beispiel werden so aus ca. 135 Ω (in der Praxis eher sogar 180 Ω) nur noch etwa 47 Ω zzgl. dem differenziellen (Innen-)Widerstand der Z-Diode. Letzterer beträgt bei einer ZPD4,7 etwa 60 Ω, bei einer ZPY4,7 sogar nur ca. 3 Ω. Kurzum: Der Arbeitspunkt wird ein ganzes Stück instabiler.
2. Insbesondere nach längerer Betriebsdauer oder nach Überlastungen steigen die Fehlströme am Steuergitter einer Röhre nennenswert an, so dass in Röhrentabellen mitunter diese Ströme als Kriterium für die Brauchbarkeit einer Röhre herangezogen werden. Leider sorgen diese Ströme für einen positiven Spannungsabfall am Gitterableitwiderstand und damit für eine Erhöhung des Kathodenstroms. Diese wiederum erhöht die Anoden- und Schirmgitterverlustleistung und damit die Röhrentemperatur. Und: Der Gitterfehlstrom ist alles andere als stabil, sondern steigt auch noch mit der Temperatur an, manchmal sogar lawinenartig! Das Ende vom Lied: Die Röhre bekommt glühende Backen und "geht durch"; im schlimmsten Fall schmilzt das Glas. Alles schon vorgefallen bei einer ganz normalen EL84-Endstufe! Um so etwas zu verhindern, gibt es Grenzwerte für den Gitterableitwiderstand. Bei der EL84 1 MΩ für die vollautomatische Gittervorspannungserzeugung mittels Kathodenwiderstands, aber nur 0,3 MΩ bei fester Gittervorspanungserzeugung, also bei einem Kathodenwiderstand gegen Null. Bei der Schaltungsidee von Herrn Neuhaus haben wir diesen Grenzfall schon fast erreicht, und der Gitterwiderstand wäre mit den üblichen 1 MΩ schon deutlich zu hoch und damit gefährlich.
3. Schaltungen mit fester Gittervorspannungserzeugung haben immer eine Möglichkeit, die Vorspannung einzustellen, um Röhrentoleranzen auszugleichen und so den Arbeitspunkt einzujustieren. Diese Möglichkeit gibt es bei der Schaltung von Herrn Neuhaus aber nicht. Also muss man dort die EL84 so selektieren, dass sich der richtige Anodenstrom ergibt (und hoffen, dass er langfristig so bleibt).
4. Der Kathodenelko hebt die Gegenkopplung für Wechselspannungen auf. Entscheided für die Grenzfrequenz ist (neben der Röhrensteilheit) das Produkt aus Kathoden-Widerstand und -Elko. Verringert man den Widerstand, dann müsste man die Kapazität des Elkos entsprechend vergrößern, um die tiefen Tonfrequenzen nicht zu benachteiligen.

Ich weiß, Probieren macht immer mehr Spaß als Studieren! Und die Praxis mag auch in diesem Fall zeigen, dass die Schaltungsidee von Herrn Neuhaus in aller Regel ganz ordentlich funktioniert, obwohl die Röhre eigentlich so nicht betrieben werden dürfte. Aber wenns tatsächlich mal nicht so richtig funktionieren sollte, dann könnte es ja evtl. an einem meiner obigen Punkte liegen...

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Guten Tag,
ich wollte bereits gestern einen ähnlichen Kommentar schreiben, aber Herr Steinmetz konnte das wesentlich besser als ich. Ein großes Dankeschön an dieser Stelle für seinen fachlich kompetenten Beitrag. Was bei meinem Selbstbau-Röhrenverstärker noch zu bedenken wäre, dass die Endröhren alle separate Katodenwiderstände bekommen haben. Wird also nur ein Zweig zur Versorgungsspannungsgewinnung "missbraucht", handele ich mir Probleme mit der Symmetrie ein. Das Schaltungskonzept von Herrn Neuhaus ist folglich nicht für jede erdenkliche Röhrenendstufenkombination gedacht.

Was noch nicht erwähnt wurde, ist das Rauschen von Zenerdioden. Das Rauschen der Endstufe wird also größer. Eventuell sind sogar eingekoppelte Störgeräusche vom Bluetooth-Prozessor hörbar.

Ich löse das Versorgungsspannungsproblem mit einem kleinen separaten Netztrafo und üblicher Längsreglerstabilisierung. Dann fallen auch die unter Umständen auftretenden Probleme mit der Wahl des passenden Masse-Verbindungspunktes weg.

Gruß
K.-H. B.

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Vielen Dank für alle Vorschläge und Anregungen!

@Andreas
Ich hoffe, ich habe das Problem richtig verstanden:
Durch die Z-Diode in der Kathodenleitung der Endröhre verschiebt man das Prinzip der automatischen Gittervorspannungs-Erzeugung in Richtung fester Gittervorspannungs-Erzeugung. Letztere erfordert einen geringeren Gitterableitwiderstand von < 300kΩ.
Dies erzeugt dann auch Stabilität - vor allem bei vorgeschädigten Endröhren. 
Frage:
Wäre das Problem durch eine Umdimensionierung des Gitterableit-Widerstandswertes von 1MΩ (üblich) in < 300kΩ erledigt!?
Natürlich verändert man geringfügig Pegel und Frequenzgang der Schaltung. Die Schaltung sollte man aber nur bei wirklichem Bedarf anfassen.

Nebenbei: Beat hat vorgeschlagen, bei Bedarf den NF-Ausgangspegel des Bluetooth-Moduls auf UKW-Level zu erhöhen, damit beim Umschalten eine ca. gleich große Lautstärke erzielt wird. Vorschläge für einen einstufigen Transistor-Verstärker  findet man dazu im
Bluetooth Thread - Antwort 9
In Grenzen kann der NF-Pegel aber auch im Bluetooth-Sender (z.B. Mobiltelefon) angehoben werden.

Hans-Jürgen

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Gruss an Alle.

Die Anregung die ich schreiben wollte ist falsch, ich möchte diese entfernen.

Beat Sager

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@ Hans-Jürgen:

Zuerst einmal bin ich beruhigt und dankbar, dass meine Anmerkungen nicht in den falschen Hals gekommen sind. Wir sollten froh und dankbar sein, wenn jemandem zu unseren alten Geräten etwas Neues, Nützliches einfällt, und ggf. gemeinsam an Verbesserungen arbeiten. Hier ein paar Antworten und Dinge, die mir dazu eingefallen sind:

1. Ja, die Probleme sind genau richtig erkannt! Eine Verringerung des Gitterableitwiderstands auf 300 kΩ würde die Endröhre wieder in zulässige Betriebsbereiche bringen. (Nebenbei: Feste Gittervorspannung würde man bei der hohen Ruhe-Verlustleistung einer A-Einstellung wahrscheinlich sowieso nicht favorisieren, wäre nach meiner Lesart der Datenblätter aber wohl legitim.) Dass man dabei Verstärkung und Frequenzgang wegen der RC-Kopplung zwischen Vor-und Endstufe leicht verändern würde, ist auch richtig geschlussfolgert, steht aber auf einem anderen Blatt.
2. Auch der Einfluss unterschiedlicher differenzieller (Innen-)Widerstände von Z-Dioden in dieser Schaltung ist eine interessante Sache, aber ich glaube, das führt jetzt zu weit.
3. Falls erforderlich, könnte man einen Teil des restlichen Kathodenwiderstands (im Beispiel 47 Ω) mit einem Trimmpoti variabel machen, um den Arbeitspunkt einstellen und so auf eine Selektion der EL84 verzichten zu können.
4. Ich denke, man könnte die ursprüngliche Arbeitspunkt-Stabilität wieder herstellen, wenn man statt des restlichen Kathodenwiderstands eine Konstantstromquelle verwendet. Die einfache Standardschaltung mit einem Transistor, 2 Dioden und zwei Widerständen wird wohl nicht funktionieren, weil sie zu temperatorabhängig ist. Aber wie wäre es mit einem als Konstantstromquelle beschalteten Dreibein-Spannungsregler? Der Aufwand bliebe im Rahmen, denn man bräuchte nur z.B. einen LM317, einen (einstellbaren) Widerstand und ggf. einen keramischen Entstörkondensator. Könnte klappen, aber leider habe ich weder Zeit noch Platz, um das mal auszuprobieren...

@ Herrn Bradtmöller:

Ihre Anmerkung mit der Rauschspannung einer Z-Diode ist sicherlich korrekt, aber ich glaube, in einer Endstufe tritt sie nicht störend in Erscheinung.
 

Viele Grüße an Alle!

Edit:
Habe gerade kein Zeichentool zur Hand, aber vielleicht wird auch so klar, wie ichs gemeint hatte: Eingang des LM317 an Kathode EL84, Masse des LM317 an Z-Diode 4,7V, und Ausgang des LM317 über (einstellbaren) Widerstand Rx an Masse des LM317. Der resultierende Strom ist dann etwa 1,2 V :Rx, zzgl. Eigenverbrauch des LM317 (ein paar mA). Beim EL84-Beispiel würde der Widerstand Rx dann im Bereich von etwa 22 ... 27 Ω liegen. Einen Versuch wäre es wert. Falls das doch nicht klappt, dann liegt es vmtl. daran, dass die Speisespannung für den LM317 mit ja nur etwa 2,5 V zu niedrig ist.

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Wertes Forum,

Danke an Herrn Neuhaus für seinen interessanten Vorschlag und die vielen Ergänzungen durch unsere Mitglieder.

Ich habe Herrn Neuhaus Vorschlag aufgenommen, was mir an diesem Modul sehr gut gefällt ist die Stereowiedergabe. Den Empfänger habe ich bei einem deutschen Zwischenhändler bestellt, mit zwei Tagen ist die Lieferzeit kurz und unabhängig vom Versand aus China.

Um die Spannungsversorgung unabhängig vom Radio zu machen, habe ich ein Steckernetzteil primär 100 - 230VAC, sekundär 5VDC, verwendet. Die 230V wurden hinter dem Netzsschalter aufgelegt. Die Fotos zeigen von links nach rechts das fertige Set bestehend aus DIN-Stecker, Bluetooth-Modul, USB-Stecker, Netzteil.

Zerlegter Netzstecker. Die Netzstifte sind abgenommen, durch die Löcher wird das Netzkabel geführt und aufgelegt.

Das fertige Set und die verwendeten Bauteile.

Meine Materialkosten liegen bei nur 12,00€. Die Kopplung zwischen Saba Freiburg 14 und dem Mobiltelefon ist einfach, das Netzteil ist berührungsicher und arbeitet störungsfrei.

Viele Grüsse

Heinz Lucas

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Andreas Steinmetz hat noch eine präzisere Berechnung des stabilisierenden, maximalen Gitterableitwiderstandes bei Z-Dioden Speisung aus der Kathode der Endröhre gegeben:

Rg ≤ (1MΩ - 0,3MΩ) • 47Ω/135Ω + 0,3MΩ = 544 kΩ ≈ 510kΩ

Dieser Widerstand Rg lässt sich einfach durch eine Parallelschaltung eines 1MΩ-Widerstandes zu dem vorhandenen, üblichen Gitterableitwiderstand von 1MΩ realisieren.
Mit diesem (hohen) Wert ist die Beeinflussung des NF-Signals (Pegel/Frequenzgang) vernachlässigbar.

 Hans-Jürgen Neuhaus

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Nach vorübergehender Abwesenheit wieder am Platz, möchte ich für die Interessierten kurz ergänzen, was es mit der Formel in Post 9 auf sich hat: Letztlich handelt es sich um eine lineare Interpolation zwischen den Grenzfällen der vollautomatischen Vorspannungserzeugung (R_k = 135 Ω in diesem Beispiel) einerseits und der festen Vorspannungseinstellung (R_k = 0) andererseits, mit R_k als Variable.

Vor längerer Zeit hatte ich diese Interpolation in einem Röhrendatenblatt gesehen und mir inhaltlich gemerkt. Nur leider nicht, bei welchem Röhrendatenblatt das stand, so dass ich die Literaturstelle heute nicht mehr angeben kann... Aber etwas Rückenwind für diesen Ansatz habe ich jetzt doch noch in [1] gefunden, beim Thema R_{g max}. Dort interpoliert man zwar zwischen vollautomatischer und halbautomatischer Vorspannungserzeugung, mit dem Verhältnis I_k zu I_gesamt als Variable, aber letztlich ist das dahinterstehende Prinzip dasselbe wie in unserem Fall. Deshalb gehe ich davon aus, dass dieser Ansatz erstens auch auf unseren Fall, und zweitens trotz ihres Alters auch auf neuere Röhren anwendbar ist.

Wer mag, der könnte vielleicht mal einen Blick in den allgemeinen Teil der Valvo- oder Siemens-Taschenbücher bzw. Röhrendatenbücher werfen. Vielleicht hilft das noch weiter. Ich habe im Moment leider keinen Zugriff auf diese Bücher.

Literatur:

[1]: Ratheiser: Rundfunkröhren, Eigenschaften und Anwendung, Ergänzungsband 1939 zur 3. und 4. Auflage. 4. Auflage 1941. Union Deutsche Verlagsgesellschaft Berlin Roth & Co., Seite 114f..

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Hallo Herr Neuhaus,

danke für Ihren interessanten Beitrag. Ich verwende seit August 2021 einen DDS Generator mit AM- Modulator, der auch ein Bluetooth- Modul besitzt. Die Frequenz des DDS- Generator lässt sich von 1kHz bis 45,999MHz lückenlos einstellen und die HF- Ausgangsleistung ist so gering, dass dieser nur in geringer Entfernung empfangen werden kann. Ich sehe den Vorteil in diesem kleinen Gerät darin, dass ich damit keinen Eingriff in ein Rundfunkgerät vornehmen muss und es auch noch zusätzlich als Signalgenerator für einen Empfängerabgleich nutzen kann. Die AM- Modulation kann über eine Klinkenbuchse oder über Bluetooth dem DDS- Generator zugefügt werden. Ich habe dieses Teil damals als Bausatz für 65,00€ bei eBay gekauft. Man kann es auch heute noch im Internet bei  "Google" finden. Die genaue Typenbezeichnung lautet "DDS AM Modulator 0-45MHZ v3.0". Als kleinen Nachteil möchte ich noch erwähnen, dass bei meinem DDS- Generator die amplitudenmodulierte Hüllkurve des Ausgangssignals nicht ganz symetrisch ist.

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Hallo Herr Neuhaus,

zu meiner vorangegangenen Antwort in Bezug auf den "DDS AM Modulator 0-45MHz v3.0" möchte ich noch ein Bild hinzufügen.

Mit freundlichen Grüßen

Andreas Schultz

• DDS AM Modulator (580 KB)

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Hallo Herr Schulz,

vielen Dank für Ihre Anregung.

Ihr DDS-Generator mit Bluetooth Empfänger als NF-Quelle für die Modulation bezieht sich auf eine flexible Sendeanordnung kleiner Leistung. Eine solche wir hier im RMorg oft als "Heimsenderlein" betitelt. Es ist also ein AM-Sender bis 45MHz.

Mein Beitrag bezieht sich auf die einfache Niedervolt-Stromversorgung eines Bluetooth-Empfängermoduls in einem Röhrenradio. Dieses Empfängermodul ist Teil eines Bluetooth-Systems und arbeitet auf 2,4GHz. Als Sender (auch 2,4GHz) kann z.B. ein Mobiltelefon mit Bluetoothfunktion genutzt werden. 
Ich hoffe ich habe alles richtig verstanden.

HJN

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Hallo Herr Neuhaus,

vielen Dank für Ihre Antwort und dem Tipp zu den "Heimsenderlein". Nach einer Suche im RMorg habe ich nun einige Beiträge zu diesen "Heimsenderlein" gefunden und bemerkt, dass ich mit meinen beiden vorangegangenen Beiträgen etwas neben dem von Ihnen angesprochenen Thema lag.

Mit freundlichen Grüßen

Andreas Schultz

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