Neutralisation bei Empfängern mit Röhren
Neutralisation bei Empfängern mit Röhren
Neutrodyne-Schaltungen
Bei den ersten Empfängern mit Röhren hatte man zur Verstärkung des HF-Signals nur Trioden zur Verfügung. HF Verstärkung war notwendig, wenn man auch ferne Sender empfangen wollte, die mit einem Einkreiser (mit Audion) nicht mehr zu hören waren. Trioden haben relativ große Kapazitäten zwischen Gitter und Anode, die dazu führen, daß ein HF Verstärker instabil wird und schwingt, wenn seine Verstärkung "zu groß" wird.
In den USA hat Hazeltine 1923 dafür eine technische Lösung gefunden. Diese bestand
- zum einen aus der Anordnung der Schwingkreis-Spulen unter einem gegenseitigen speziellen Winkel (Hazeltine Winkel 54.7356°: "magischer Winkel")
- und zum anderen darin, daß mit Hilfe von "Neutrodons" die ansonsten zu Instabilität der HF Verstärker führenden (restlichen) "Verkopplungen" der HF Stufen "neutralisiert" wurden.
In der zeitgenössischen Darstellung eines solchen Geradeaus-Empfängers sah dies z.B. wie folgt aus.
Man sieht die 3 Schwingkreise (Zylinder-Spule und dahinter befindlicher Drehko) und erkennt auch im Drehwinkel der Spulen den "Hazeltine-Winkel". Durch diesen Winkel sind die Spulen in der Praxis weitestgehend gegenseitig entkoppelt. Trotzdem ist zur kompletten gegenseitigen Entkopplung noch ein Abgleich mit Hilfe von "Neutodons" erforderlich.
Hazeltine's Neutrodons sind zylinderförmige (variable) Kondensatoren von nur wenigen pF Kapazität, die durch Verschieben des äußeren Röhrchens in ihrem Wert verändert werden konnten.
Im Diehr Katalog 1928/29 [1] wird ein "Hazeltine" Neutrodon-Kondensator für Bastlerzwecke für RM 2,00 angeboten.(22/5) Im "Schnorr" Katalog von 1930 wird ein gleichartiges Neutroden als "Budich"-Neutrodon für RM 1,60 gezeigt.
Insgesamt bietet Diehr in diesem Katalog 28 (!) verschiedene Ausführungsformen von Neutrodons an, die meisten in der Art kleiner Drehkos.
Lehmann (erste Auflage von 1930) [2] zeigt ein Neutroden in Form eines "Quetschers" in Abb. 387, wie er später (zum Abgleich) häufig Verwendung fand. Im "Schnorr" Katalog von 1930 wird das Neutrodon der Abb. 387 als "Saba-Ausgleich- und Neutralisierungs-Kondensator" für RM 0,90 angeboten. In der Schaltung Abb. 386 ist "N" das Neutodon.
Banneitz [3] zeigt das Schaltbild eines "Fünfröhren-Neutrodyne-Empfängers" , Abb. 981.
Es handelt sich um einen Drei-Kreiser (2 HF Stufen & Audion). Die erste und die zweite HF Verstärkerstufe wird jeweils mit einem Neutrodon stabilisiert. (Die Schaltsymbole für Neutrodons sind nicht einheitlich bei unterschiedlichen Quellen.)
Banneitz hat das Schaltbild Abb. 981 von dem AEG Gerät "B" aus dem Jahr 1925 übernommen, wie ein Schaltungsvergleich zeigt. Die Neutrodone haben die Nummer 31. (AEG Hilfsbuch 1935) [4]
Weitere Informationen zum Neutrodynempfänger "B" bzw. "Bg" findet man unter "Bg: Neutrodyn". Hier findet man auch Bilder von der Spulen-Anordnung gemäß dem "magischen Winkel" nach Hazeltine.
In Blake [5] wird ein weiteres zeitgenössisches Schaltbild eines Neutrodyne-Empfängers gezeigt, Fig. 168.
In diesem Schaltbild werden die Neutrodons mit "N" bzw. "N1" bezeichnet.
Neutralisations-Schaltungen sind nicht immer leicht zu durchblicken, wie das Beispiel des Siemens RFE22 zeigt.
Eine Analyse des Siemens Neutrodyn Empfängers 51W gibt auch interssante Einblicke in die damalige Technik.
Verschiedene Beispiele zur Neutralisation sind im Thread "Neutralisation" aufgeführt.
In der zweiten Auflage von 1932 des Lehmann [6] werden bereits Alternativen der Neutrodyne Schaltung vorgestellt, Abb. 406 & 407.
Girardy [7] erklärt die Rückwirkung des Trioden-Verstärkers mit der Anoden-Gitter-Kapazität, Fig. 3-5.
Neben der "berühmten" Neutrodyne-Schaltung (Fig. 3-6) empfiehlt er die Einfügung eines "Losser Resistor" (Dämpfungs-Widerstand) in der Gitter-Leitung (Fig. 3-7).
Neutrodyne-Schaltung ist eine Brücken-Schaltung
Im AEG Hilfsbuch für den Funkhändler von 1935 [4] wird gezeigt, daß es sich bei der Neutrodyne-Schaltung um eine Brückenschaltung handelt. War das aber 10 Jahre zuvor auch schon allgemein bekannt, speziell in Bastler-Kreisen? In den zeitgenössischen Veröffentlichungen sind keine Hinweise darauf zu finden.
Vorläufiges Ende der Triode als HF-Verstärker in Radios
Mit der Entwicklung und Verfügbarkeit der HF-Tetrode RENS1204 ab 1927 konnte die Anoden-Rückwirkung der HF-Röhren (für die damals üblichen LW und MW Bänder) so weit herabgedrückt werden, daß keine Neutralisierung mit Hilfe von Neutrodons in Brückenschaltungen mehr erfordrlich waren. Die mit Schirmgitter-Röhren nunmehr erreichbare größere Verstärkung führte auch auf eine Reduktion der Anzahl der bisher notwendigen HF-Verstärkerstufen. Es dauerte allerdings noch eine geraume Zeit (bis ca. 1929/30), bis sich die HF- bzw. ZF-Verstärkung mit Tetroden bzw. Penthoden bei Radio-Empfängern allgemein durchsetzen konnte.
Bei Radios änderte sich dieses Bild erst wieder mit der Einführung der UKW Technik. UKW Technik arbeitete zunächst mit AM als Modulations-Art und später mit der dafür besser geeigneten FM.
Neutralisation in der Sendertechnik
Die frühen AM-Sender hatten eine selbstschwingende HF-Stufe und eine Modulations-Stufe.
Der erste Berliner Rundfunksender - hier als Beispiel seine Schaltung [8] - hatte genau 2 gleiche Röhren und arbeitete in einer Schaltung mit "Heising"-Modulation. "M" war die Modulations-Stufe und "S" die selbst erregte Sende-Stufe.
Es gab zahlreiche Einstellmöglichkeiten, die sich meist auch noch gegenseitig beeinflußten.
Selbstschwingende Senderstufen waren daher erstens nicht Frequenz-stabil und sie konnten zweitens nur eine relativ geringe HF-Leistung (wenige 100W) erzeugen.
Abhilfe schafften zum Einen Quarz-stabilisierte Steuersender und zum Anderen HF-Verstärker-Stufen (meist in Kombination mit Frequenzvervielfachung). HF-Verstärker-Stufen in Röhrentechnik arbeiteten meist mit Trioden im "C" Betrieb.
- HF-Verstärkerstufen (mit Trioden) müssen aber neutralisiert werden, um stabil zu arbeiten.
Daher waren in der Sendertechnik auch nach der Erfindung der Tetrode bzw. Penthode Neutralisierungen erforderlich.
(Man darf nicht vergessen, daß in der Sendertechnik große Leistungen umgesetzt wurden. Im Unterschied zur Empfängertechnik würde hier eine Instabilität zu Zerstörungen z.B. der Röhren führen.)
Vilbig [9] zitiert einige dieser Beispiele für Neutralisierungen, die insbesondere von Buschbeck [10] angegeben wurden. Hierbei wird die Neutralisations-Brücken-Schaltung gezeigt.
Die drei Beispiele Abb. 238 - Abb. 240 könnten genau gleich auch bei der Neutralisation von Empfängern vorkommen.
Jedoch genügen diese vergleichsweise "einfachen" Neutralisierungen bei Sendern meist nicht mehr, weil bei diesen auch noch "Streu"-Kapazitäten und -Induktivitäten kompensiert werden müssen.
Durch die Notwendigkeit der Berücksichtigung von "Streu"-Kapazitäten und -Induktivitäten werden die Neutralisations-Brücken in der Sendertechnik ziemlich kompliziert, Abb. 242 & 243.
Bei AM-Sendern (Rundfunk bzw. Fernsehen) mußten früher in den Endstufen zwei Röhren (in Gegentakt) verwendet werden, um die gewünschte Sendeleistung zu erreichen. Das ergab eine weitere Verkomplizierung der notwendigen Neutralisierung, Abb. 131 & 132. (Buschbeck in [10])
Röhren-Sender waren "Individuen". Keiner war identisch mit einem anderen. Jeder wurde individuell und optimal neutralisiert. Die Neutralisierungs-Schaltungen waren demzufolge aufwändig und kompliziert.
Neutralisation bei der UKW Empfangs-Technik
Die Notwendigkeit einer Neutralisation in der Empfangs-Technik ergab sich erst wieder, als sich mit UKW FM sowohl die Empfangs-Frequenzen, als auch die ZF-Frequenzen erhöhten - und wieder Trioden in HF-Stufen verwendet werden mußten.
Aus der Sender-Technik waren mittlerweile die dafür erforderlichen Neutralisierungs-Brückenschaltungen bei den Fachleuten und aus der Literatur bekannt. Diese mußten jetzt "nur noch" für die Verhältnisse in den Empfängern angepaßt werden. Empfänger sind - im Unterschied zu Sendern - "Massen-Ware". Eine individuelle optimale Neutralisation verbietet sich da aus Kostengründen. Man kann folglich die Neutralisation nur so weit treiben, daß der Empfänger stabil arbeitet und die festgelegten Mindestanforderungen erfüllt werden.
Zu Neutralisierungs-Schaltungen in der UKW Schaltungstechnik (HF-Vorstufe, Mischer, ZF-Stufe) sind in der Literatur zahlreiche Beispiele zu finden, die prinzipiell die gleichen Schaltungen zeigen. [11, 12, 13, 14]
Man kann sie also gemäß der Übersichtlichkeit der Schaltbilder aussuchen. Hierfür ist z.B. Limann/Hassel [11] geeignet, wenngleich die Quellenangaben da ziemlich pauschal und daher unpräzise sind.
Neutralisations-Brücken sind bei Empfängern stets "einfache" Brücken, im Unterschied zu den Sendern.
Die Spannungen in den Brücken-Diagonalen (U1 ; U2) sind von einander (total) "entkoppelt", wenn die bei Bild 409 a/b angegebenen Bedingungen erfüllt sind. In der Praxis muß dafür (mindestens) ein Kondensator abgleichbar sein. Man erreicht damit dann in der Praxis zwar oft nicht die vollständige Entkopplung, aber eine hinreichend große, die dann für Empfänger ausreicht, um stabil zu arbeiten.
Gitter-Neutralisation
Trioden haben eine relativ große Kapazität Cga zwischen Steuergitter und Anode. Deren Einfluß wird mit Hilfe der (abgleichbaren) Kapazität CN "neutralisiert". Aus der Ersatz-Schaltung Bild 411 sieht man die Brücken-Schaltung, die damit so abgeglichen wird, so daß die Anoden-(Wechsel)-Spannung U2 keine Rückwirkung auf die Spannung am Gitter hat.
Trioden wurden für UKW als Vorstufen oder als Mischer ("Tropadyn"-Mischer) verwendet. Hierbei wird meist die Gitter-Neutralisation angewendet.
Prestin [21] beschreibt eine Gitter-Neutralisation mit Hilfe einer "Neutralisierungs-Induktivität" LN bei einer UKW-Vorstufe. Verglichen mit der sonst in der UKW Empfänger-Technik üblichen Neutralisations-Kapazität CN ist das eine "seltenere" Lösungsmöglichkeit, ist aber ein Beispiel für die Vielfalt der Lösungen, die es gibt.
Bild 46 zeigt die Schaltung des gesamten UKW-Tuners. Die Neutralisierungs-Spule L4 ist farbig hervorgehoben.
Die Bilder 51 & 52 sind jeweils Ersatz-Schaltbilder der UKW-Vorstufe. Hieraus ist zu entnehmen, daß die Neutralisations-Induktivität Ln=L4 so zu wählen ist, daß diese zusammen mit der Gitter-Anoden-Kapazität Cga (in Bandmitte des UKW-Bandes; damals 89,9 MHz - 100 MHz) in Resonanz kommt.
Bei Resonanz stellt dieser "Schwingkreis" dann ersatzweise einen Widerstand Rres dar, Bild 52
Vereinzelt wurden aber auch Trioden in FM-ZF Verstärkern in Gitter-Neutralisation verwendet. Ein Beispiel dazu ist der Blaupunkt Barcelona 2340, ein Export Modell, s. Schaltungsausschnitt links.
Im Körting Royal Syntektor 55W wird im FM-ZF Pfad ebenfalls eine EC92 in der ZF als Verstärker eingesetzt. In der Analyse dieses Gerätes von Hermann Freudenberg ist Näheres dazu zu finden.
Zwischenbasis-Neutralisation
UKW Vorstufen (mit Trioden) wurden oft auch in Form einer Zwischenbasis-Schaltung realisiert. Diese mußten ebenfalls neutralisiert werden.
Um die (für den Abgleich notwendige) zweite Brücken-Diagonale zu erzeugen, kann man entweder das Schwingkreis-C in zwei Teilkapazitäten C1, C2 aufteilen (Bild 418), oder aber das Schwingkreis-L (Bild 420). Bei der Wahl des Aufteilungs-Verhältnisses gibt es noch gewisse Freiheiten.
Bremsgitter-Neutralisation
In FM-ZF-Stufen wurden Penthoden eingesetzt, die dafür ebenfalls neutralisiert werden mußten. Eine Mehtode dabei ist die Bremsgitter-Neutralisation.
Wie aus der Ersatzschaltung Bild 413 zu erkennen ist, liegen bei dieser Brücke infolge der Röhren-Kapazitäten bis auf den Neutralisations-Kondensator C1 alle Kapazitäts-Werte fest.
Anoden-Neutralisation
Da das "untere Ende" des Schwingkreises zwecks Neutralisation "frei" sein muß, wird die Spannung der Anode über eine (hier nicht gezeichnete) HF-Drossel zugeführt.
Statt des kapazitiven Teilers mit C1 , C2 kann man auch die Spule anzapfen, Fig. 21.[15].
Schirmgitter-Neutralisation
Bei Penthoden muß, damit diese als solche funktionieren, das Schirmgitter abgeblockt werden, hier mit C1. Die Schirmgitter-Neutralisation erfordet somit keinen Kondensator extra; man muß nur den Wert von C1 geeignet wählen, weil dadurch der Brücken-Abgleich erfolgt. Wichtig hierbei ist, daß der Abblock-Kondensator "C" am kalten Ende des Anoden-Schwingkreises nicht direkt auf Masse geht, sondern auf das Schirmgitter. Die genaue Größe von "C" erscheint dabei dann nicht in der Abgleichbedingung für die Brücke.
Nowak gibt eine Methode an, wie meßtechnisch ermittelt werden kann, ob der Neutralisations-Abgleich einer solchen ZF-Stufe ausreichend gut ist, Abb 8-9. Man speist hierzu die ZF-Spannung an der Anode der Röhre ein und mißt auch da mit einem Röhren-Volt-Meter.
Ist der Brücken-Abgleich gut, so ändert sich die Anzeige im RV-Meter praktisch nicht, wenn man den Schwingkreis am Gitter der Penthode verstimmt.
Die von Nowak (1950 in der 1. Auflage und 1955 in der 2. Auflage [16]) vorgestellte Schirmgitter-Neutralisierung wurde von Freeland [17] erstmalig angegeben. Nachdem diese sich in Fachkreisen "herum gesprochen" hatte, war es die bevorzugte Neutralisations-Methode in AM-FM ZF-Verstärkern mit Röhren.
Bei der von Nowak gezeigten Schirmgitter-Neutralisierung wird die Anode über das Schirmgitter abgeblockt. Bei einer modifizierten Art wird dagegen das Schirmgitter über die Anode abgeblockt. Renardy [18] gibt dazu ein Schaltbild an. Bild 2.3-2.B zeigt die dabei entstehende Neutralisations-Brücke.
Eine entsprechende Schaltung wird u.a. auch von Pitsch [19] angegeben, Abb. 941.
Auswirkung auf die ZF-Durchlaßkurve
Bei der Neutralisation von Sendern hat man das Ziel, diese optimal, also 100%ig zu neutralisieren. In einer Massenfertigung bei Radio-Empfängern läßt sich das aus Kostengrünen nicht erreichen.
Eine "nicht ganz optimale" Neutralisation wirkt sich auf die Form der ZF-Durchlaßkurve aus, wie Rothe [20] gezeigt hat, Bild 18.
Optimal neutralisiert ist der Verlauf der Selektionskurve im Fall (a).
Durch die Rückkopplung infolge der Gitter-Anoden-Kapazität Cga ergibt sich der Verlauf (b). Hier ist zunächst die Lage des Resonanz-Maximums (hier: Dämpfungs-Minimum) zu tieferen Frequenzen verschoben. Und zweitens wird das Minimum tiefer, also das Resonanz-Maximum höher, wodurch die ZF-Stufe instabil werden und schwingen kann.
Man kann jedoch auch die Neutralsations-Maß-nahmen zu weit treiben, "Überneutralisation" (c), wodurch wiederum Instabilität entstehen kann.
Der für den Abgleich der Neutralisation zuständige Kondensator in der "Neutralisations-Brücke" muß daher entweder als Trimmer ausgeführt sein, oder aber dieser wird eng toleriert ("krumme" Kapazitäts-Werte auf wenige % genau).
Das Telefunken Laborbuch [12] gibt dazu folgende "Daumen-Regel" für die Praxis an.
- Siehe hierzu auch den entsprechenden Teil aus dem Telefunken-Laborbuch:
ZF Verstärkerstufe für AM und FM Rundfunkempfänger (.pdf 181kB)
ZF-Neutralisation war bei steileren Röhren (EF89) aber auch schon für die AM-ZF (460 kHz) erforderlich und nicht nur für die FM-ZF (10,7 MHz), wie ein Beispiel der Schirmgitter-Neutralisation aus dem Telefunken Laborbuch [12] zeigt.
Beispiel: Grundig TS58
Abschließend als Beispiel ein Schaltungs-Auszug aus dem Grundig TS58, einer "Rundfunk-Tonband-Schatulle", bei dem in der ZF zwei unterschiedliche Neutralisations-Verfahren angewendet werden. Wie aus der Bemerkung im Schaltbild zu entnehmen ist, handelt es sich bei diesem Gerät um die erste Allein-Entwicklung von Hans Knoll, der dieses Schaltbild zur Verfügung stellte.
Außer den beiden unterschiedlichen Arten der Neutralisation (magenta) sind die Pegel-Regelungen (grün) für beide ZF-Stufen über das Bremsgitter bemerkenswert.
Bei der 2. ZF-Stufe (EF89II) wird die Kathoden-Neutralisation angewendet. Diese wird in Langford-Smith [22] beschrieben. Siehe hierzu "Weitere Neutralisations-Schaltungen" für weitere interessante Details. Aus diesem Post wird hier die Figur 26.20 zitert.
Die Figur 26.20 (2) zeigt die in der 2. ZF-Stufe des Grundig TS58 angewendete Neutralisations-Methode.
Hierzu eine Schaltskizze von Hans Knoll (links) und rechts die um das Schwingkreis C1, sowie die Gitter-Kathoden Kapazität Cgk ergänzte Schaltung aus Fig.26.20 (2).
Mit vielem Dank an Hans Knoll und an Harald Giese für wertvolle Tipps zum Thema.
MfG DR
Literatur:
[1] Radio-Diehr: Neuester illustrierter Radio-Katalog, 1928/1929
[2] Lehmann, W.: Die Rundfunktechnik, Killinger, 1930
[3] Banneitz, F.: Taschenbuch der drahtlosen Telegraphie und Telephonie, Springer, 1927
[4] AEG: Hilfsbuch für den Funkhändler, 1.A., 1935
[5] Blake, G.,G.: History of Radio Telegraphy and Telephony, Chapman & Hall, 1928
[6] Lehmann, W.: Die Rundfunk- und Tonfilmtechnik, Killinger, 1932
[7] Girardi, A.,A.: Receiver Circuitry and Opertion, Rinehart, 1955
[8] Rundfunk Jahrbuch 1930, DVA, 1930
[9] Vilbig, F.: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Bd. 2, VAG, 1945
[10] Schröter, F.: Fernsehen; Die neuere Entwicklung insbesondere der deutschen Fernehtechnik, Springer, 1937
[11] Limann, O.; Hassel, W.: Hilfsbuch für Hochfrequenztechniker, Bd. 2, Franzis, 1960
[12] Telefunken: Laborbuch, Bd. 1, 6.A., Ulm, 1964
[13] Telefunken: Röhren-Taschenbuch, 1957
[14] Rothe, H.; Kleen. W.: Elektronenröhren als Anfangsstufen-Verstärker, 2.A., VAG, 1944
[15] Hawker, J.,P.: Outline of Radio and Television, Newnes, 1966
[16] Nowak, A.; Schilling, F.: Empfangstechnik frequenzmodulierter Sendungen, Schütz, 1955
[17] Freeland, E.,C.: FM Receivers Designs Problems, Electronics, Feb. 1949
[18] Renardy, A.: Radio-Service-Handbuch, 4.A., Franzis, 1967
[19] Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangstechnik, Bd. 2, 4.A., VAG, 1964
[20] Rothe, H.: Die Telefunken-Röhre im UKW-Empfänger, Teil 3, TFK, 1953
[21] Prestin, U.: Standardschaltungen der Rundfunk- und Fernsehtechnik, 1.A., Franzis, 1968
[22] Langford-Smith, F.: Radio Designer's Handbook, 4th Ed., 4th Impression, Iliffe, 1957
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