Schwund-Regelung; Fading-Regulierung

Zur Funkausbreitung in den AM-Bereichen

Hochfrequente Signale in den LW, MW, KW Rundfunk-Bereichen breiten sich - abhängig von der Frequenz - als Boden-Wellen und/oder als Raumwellen aus. Wenn am Empfangs-Ort Radio-Wellen eintreffen, die sich auf unterschiedlichen Wegen ausgebreitet haben, ergeben sich Überlagerungen derselben. Da die Phasenlagen der sich überlagernden Wellen schwanken, ergeben sich dadurch zeitlich wechsende Verstärkungen und Schwächungen des Empfangssignals. Im demodulierten AM-Signal resultieren daraus Lautstärkeschwankungen und nichtlineare Verzerrungen. Die Schwund-Regelung soll die Lautstärkeschwankungen minimieren.

In der Lufthülle der Erde werden durch die Einstrahlung der Sonne die Moleküle der Gase (i.w. O₂, N₂) ionisiert, wodurch sich leitfähige Schichten bilden (D, E, F₁, F₂), an denen die Rundfunk-Wellen reflektiert werden.[1]

Man darf sich diese Schichten allerdings nicht als homogen vorstellen, wie es Bild 10.8 suggeriert. Vielmehr sind diese Schichten in ständiger Bewegung (Winde) und sie bilden teilweise auch Ladungs-Wolken.

Daher gibt es kurzzeitige, tägliche und jahreszeitliche Schwankungen, die sich auf die Funkausbreitung auswirken.

Bei Längst- und Lang-Wellen ist der Abstand zwischen Erdoberfläche und reflektierender Schicht der Ionosphäre - aufgrund der Wellenlängen dieser Wellen - so, daß sich diese darin ausbreiten, wie Mikro-Wellen in einem Hohlleiter bzw. wie Licht in einer Glasfaser. Daher gibt es in diesen Wellenbereichen (zumeist) eine relativ dämpfungsarme Ausbreitung ohne Fading.   

Mittel- und Kurz-Wellen haben kleinere Wellenlängen, so daß sich bei diesen Frequenzen mehrere Moden ausbreiten können, was dann zu den Fadings Anlaß gibt.

 

Bild 10.11 zeigt die prinzipielle Ausbreitung der Mittel-Wellen bei Tag, während Bild 10.12 deren Ausbreitung bei Nacht darstellt.[1]

Aufgrund der Sonneneinstrahlung ist die Ionosphäre für Mitttel-Wellen tagsüber wie eine Schicht, die alle Strahlen absorbiert. Zur Tagausbreitung trägt bei MW also nur die Bodenwelle bei.

Bei Nacht wirkt die Ionosphäre dagegen wie ein "Spiegel". Allerdings ist dieser Spiegel eher vergleichbar mit der Reflexion von Licht mit Hilfe von zerknülltem Stanniol-Papier: Außer einer diffusen Helligkeit ist nichts erkennbar.

In einer Zone direkt um den Sender herum treffen noch keine reflektierten Raumwellen ein. Da hat man auch in der Nacht (stabilen) Nahempfang.

In einem weiteren Bereich der Nahempfangs-Zone (bei Tag) treffen nun Raumwellen ein, so daß sich hier Überlagerungen mit der Bodenwelle ergeben. Da sich die eintreffenden Raumwellen (aufgrund der schwankenden Reflexions-Eigenschaften der Ionosphäre) stark ändern, ergeben sich starke Lautstärke-Schwankungen (Flatter-Zone) und entsprechend kräftige nichtlineare Verzerrungen des Empfangs-Signals. In größerer Entfernung vom Sender überlagern sich "nur" noch reflektierte Raumwellen. Die sich dabei ergebenden Lautstärke-Schwankungen sind i.a. geringer, ebenso die nichtlinearen Verzerrungen, weil sich hier kaum noch "tiefe" Fadings ereignen.

Bei Kurzwellen ist die Bodenwelle meist so stark gedämpft, daß sie keine Rolle mehr spielt. Es gibt nur noch Raumwellen, die sich aber Tages- und Jahres-zeitlich stark ändern. Die Fadings können ziemich stark sein.

Der Schwundausgleich im AM-Empfänger

Unterschiedlich starke Empfangs-Signale (im AM Bereich) führen - ohne Schwundausgleich - zu unterschiedlich lauten NF Signalen nach der Demodulation. Gründe für unterschiedlich starke Empfangs-Signale sind:

• Unterschiedliche Sende-Leistungen
• Unterschiedliche Entfernungen zu den Sendern
• Fadings auf dem Übertragungs-Weg

Zu Begin der Radio-Übertragung hatten die Sender eine geringe Sende-Leistung. Man konnte mit den damaligen einfachen Empfangsgeräten kaum außerhalb der "Nahempfangszone" überhaupt noch empfangen. Da war dann auch kein Schwundausgleich erforderlich. Erst zu Begin der 1930er Jahre waren die Radios so empfindlich geworden, daß auch der "normale" Rundfunkhörer Fernempfang betreiben konnte.
[Gut, manche technisch versierten Hören konnten auch schon mit einem einfachen rückgekoppelten Audion-Empfänger ferne Sender empfangen, aber nicht durchgehend. Die Hörerzeitschriften brachten damals dann "Suchmeldungen": "Habe gegen halb 9 abends so etwa auf Welle 305m ein Schallplatten-Konzert gehört. Welchen Sender habe ich da gehört?"]

Es gab auch schon gegen Ende der 1920er Jahre (noch recht unvollkommene) Fading-Regulierungen, die ohne Gleichrichter-Diode auskamen. Das waren Fading-Regulierungen ohne Diode, die teilweise recht komplizierte  Schaltungen erforderten, weil zur Steuerung der Regel-Röhren eine negative Spannung erforderlich ist, die aus dem Netzteil zur Verfügung gestellt werden mußte.

Da die Demodulation der AM-Schwingung mit Hilfe eines Gleichrichters erfolgt, ist folglich die demodulierte Hüllkurve proportional zur Amplitude der empfangenen AM-Schwingung. Und die gleichgerichtete Spannung ist negativ und hat damit die richtige Polarität, um eine Regel-Röhre zu steuern. Als Kennlinie aufgetragen, ergibt sich folglich eine Ursprungs-Gerade (Characteristic without A.V.C.: automatic volume control). Die AVC wird mit auch AGC (automatic gain control) bezeichnet. [2],[3]

 

Unverzögerte AGC

Die "simple AVC" wird auch als "unverzögerte AGC" bezeichnet. Abb. 272 zeigt eine Prinzipschaltung dazu.[4]

Bei einer unverzögerten Schwundregelung gibt es nur einen Empfangs-Gleichrichter. Dieser liefert sowohl das NF-Signal, als auch (hinter dem Tiefpaß "Siebkreis für die Modulation") die negative Gitter-Vorspannung zur Steuerung für die Misch- und ZF-Röhre. Da bereits sehr schwache Empfangs-Signale eine Regelspannung erzeugen, wird die Verstärkung des Empfängers "sofort" (unverzögert) proportional zum Empfangs-Signal herunter geregelt. Das führt dann zu dem flachen Verlauf ("b" bzw. "B") der Regelkennlinie des Empfängers.

Die "Regelungs-Güte" ist ein Maß dafür, wie stark die Amplitude des demodulierten Signals (noch) zunimmt, wenn sich die Stärke des Empfangs-Signals (um 10dB) erhöht. "Ideal" ist die Regelung dann (Kennlinien "a" [oder fast ideal: "e"] bzw. "E"), wenn (ab dem Knickpunkt der Kennlinie) keine Erhöhung mehr stattfindet: Regelungs-Güte → ∞.

Verzögerte AGC

"Verzögert" (delayed) bedeutet hier nicht "zeitlich verzögert", sondern daß die AGC erst ab einer gewissen Schwelle der Größe der gleichgerichteten HF Spannung einsetzt. (Verläufe "c" & "d" bzw. "C" & "D")

Zwei-Dioden-Schaltung

Die Verzögerung wird mit Hilfe einer zweiten Diode realisiert, Abb. 273.[4] Diese "Diode für die automatische Lautstärke-Regelung" benötigt eine (positive) Hilfsspannung an ihrer Kathode, mit deren Größe die Schwelle festgelegt wird, ab welcher eine Regelspannung entsteht. (In Abb. 273 als Batterie dargestellt.) Bild 2.4-2 zeigt eine praktische Schaltung dazu. Die erforderliche Hilfs-Spannung für die "Regel-Diode" wird dadurch erzeugt, daß diese mit einer negativen Spannung vorgespannt wird, die aus dem Netzteil gewonnen wird.[5]

 

Im Unterschied zu den Regel-Röhren, wird das Magische Auge mit der "unverzögerten" Gleichspannung aus der "Signal-Diode" versorgt, so daß dieses auch schon bei schwachen Sendern etwas anzeigen kann.

• Bei der 2-Dioden-Schaltung bewirkt die "Verzögerung", daß erst ab der vorgegebenen Schwellspannung eine (von 0V verschiedene) Regelspannung entsteht. (Spannungs-Kompensation)

Das Verfahren mit der Schwelle hat den Nachteil, daß die Belastung des letzten ZF-Kreises von der Größe der ZF-Spannung abhängt, Abb. 593.[6] Die Belastung - und damit die Dämpfung - des letzten ZF-Kreises wird in der Praxis mit Hilfe einer angezapften Sekundärspule reduziert, Bild 2.4-2 & Abb. 594.

• Ist die (maximale) Amplitude der ZF-Spannung kleiner als die Schwellspannung, fließt kein Stom durch die Regel-Diode. Folglich keine Belastung durch die Regel-Diode. (oben in Abb. 593)
• Ist der Mittelwert der ZF-Spannung gleich der Schwell-Spannung, fließt nur zu den Zeiten ein Strom, wo die Hüllkurve der ZF-Spannung die Schwellspannung übersteigt. (mitte in Abb. 593)
  Damit wird aber der letzte ZF-Kreis mal mehr, mal weniger belastet. Bei größerer Belastung sinkt aber die Höhe der ZF-Spannung. So wird aber nur der positive Teil der Hüllkurve erniedrigt, nicht jedoch der negative. Die sich daraus ergebende Verformung der Hüllkurve bewirkt eine nichtlineare Verzerrung (Klirrfakor) der NF-Spannung.
• Ist die ZF-Spannung so groß, daß die Hüllkurve die Schwelle nicht mehr unterschreitet, ergibt sich nur eine konstante Belastung, die aber keinen extra Klirrfaktor erzeugt.
  Ob die Schwelle (tatsächlich noch) unterschritten wird, hängt vom Modulations-Grad ab. Die Dimensionierung der AM Röhren-Radios setzt einen Modulationsgrad von 30% voraus. (unten in Abb. 593)
• Abhilfe schafft eine hochohmige Dimensionierung der Schaltung der Regel-Diode gegenüber der Schaltung der Signal-Diode, wie in den Beispielen Abb. 594 & 595.

In der Schaltung Abb. 594 wird die Schwellspannung von der Kathode der nachfolgenden NF-Röhre abgenommen.[6]

Die Signal-Diode hat einen Arbeits-Widerstand von 200 kΩ, während die Regel-Diode 2 MΩ hat, also deutlich hochohmiger beschaltet ist. Die Belastung durch die Regel-Diode ist somit nur noch ca. 10% und damit praktisch ohne Auswirkung.

 

Manchmal sind die beiden Dioden Teil einer Lautsprecher-Röhre (EBL...), deren (gemeinsame) Kathode an Masse liegt. Die Vorspannung für die Schwelle wird dann von einer negativen Spannung abgegriffen, Abb. 595. (Entsprechend auch die Gitter-Vorspannug für das L-System.)[6]

Da der Kopplungs-Kondensator C₂ für die Regel-Diode hierbei in Serie zu dem NF Tiefpaß R₁||50pF liegt, muß der Wert für C₂ kleiner gewählt werden, damit die Rückwirkung von der Regel-Diode gering bleibt.

 

Drei-Dioden-Schaltung

• Bei der 3-Dioden-Schaltung wird die Regel-Spannung nicht verzögert. Aber man macht ihre Wirkung durch Strom-Kompensation bis zur Erreichung der Schwelle unwirksam. Dazu wird eine (dritte) Diode als "Kurzschluß-Diode" benötigt.

Im Unterschied zur (vorherigen) 2-Dioden-Schaltung, arbeitet die Regel-Diode D2 jetzt ohne Vorspannung, so daß die Probleme mit unterschiedlicher Belastung nicht mehr auftreten können.

Die 3. Diode ist in Abb. 597 mit "Gleichrichter" G bezeichnet.[6] Und tatsächlich kann man hierfür auch einen einfachen Gleichrichter, z.B. Selen, dafür verwenden, da dieser nur als Schalter arbeitet und nicht als HF-Gleichrichter. [Es geht auch jede beliebige andere Diode dafür zu verwenden.]

Bei kleiner Regelspannung liegt die positive Spannung U über R₂ + R₃ an der Anode von G und macht diesen leitend und damit niederohmig. Erst dann, wenn die (durch D₂ gleichgerichtete) negative Regelspannung so groß wird, daß das Potential an Punkt "P" negativ wird, sperrt G und gibt die Regelspannung "frei".

Die Schaltung Abb. 598 ist geeignet für eine Dreifach-Diode, deren Kathode auf Masse liegt.[6]

Da es zu der Zeit (1938/39), als diese Schaltung beim Philips Aachen Super D57 angewendet wurde, keine Dreifach-Diode gab, wurde ersatzweise eine ABC1 dafür verwendet, bei welcher das C-System als 3. Diode benutzt wurde. Hierfür werden dann das Gitter und die Anode parallel geschaltet und diese fungieren dann als Dioden-Anode.

 

Der Punkt "P₁" in Abb. 598 erhält über 10 MΩ eine "+" Vorspannung aus der Anodenspannung. Über R₃ wird die negative Schwellen-Spannung zugeführt. So lange das Potential an P₁ positiv ist, leitet die 3. Diode "G" und legt damit P₁ (vergleichsweise) niederohmig auf Masse. Erst dann, wenn das Potential an P₁ negativ wird, sperrt G und die Regelspannung erreicht die HF/ZF Röhren.

Links ist ein Ausschnitt aus der ART-Schaltung des D57. Die AF3 arbeitet ohne Regelung, hat also ihre maximale Verstärkung, wodurch die Regel-Steilheit vergrößert wird. Bei der ABC1 sind die "drei Dioden" markiert. Das Anzeigesystem der AM2 wird von Diode D₁ gesteuert. Die AF7 als NF Vorröhre ist als Triode geschaltet. Die Markierung der Widerstände R₂ & R₃ entspricht den Bezeichnungen in Abb. 598.

 

Die Abb. 599 zeigt eine weitere Variante der Drei-Dioden-Schaltung.[6] Hiermit läßt sich eine (minimale) negative Vorspannung - und damit für den Arbeitspunkt - für die HF/ZF Röhren vorgeben.

Man kann damit die Kathoden-Kombination R||C für diese Röhren einsparen.

 

Deket [4] gibt in Abb. 278 eine Schaltung an, bei der als die 3. Diode das Bremsgitter der ZF Röhre EF9 verwendet wird.

Ein AM Radio, bei welchem dies so realisiert wurde, ist nicht bekannt.

 

Verbesserung der Regel-Güte

Der Verlauf der Kennlinien für die AGC Regelung ist dann (fast) ideal (a, e bzw. E), wenn diese ab der Schwellen-Spannung horizontal verlaufen. Es sollte also keine "Regelabweichung" vom horizontalen Verlauf mehr vorkommen. Da aber die AGC Regelung als Proportional-Regelung (P-Regelung) realisiert ist, wird grundsätzlich immer eine Regelabweichung sein. [Verschwinden würde diese nur bei einer integralen Regelung (I-Regelung).]

Vorwärts- und Rückwärts-Regelung

Die verbleibende (geringe) Regelabweichung direkt nach der Demodulation kann für das Wiedergabe-Signal im Lautsprecher durch eine "Vorwärts-Regelung" der NF-Vorstufe kompensiert werden.

Abb. 428 zeigt ein entsprechendes Beispiel, bei dem die NF-Vorstufe (EFM11) durch das Regel-Signal in ihrer Verstärkung gesteuert wird. [7] (In Vorwärts-Richtung ist es keine Regelung, sondern eine Steuerung.)

Durch geeignete Dimensionierung läßt sich so erreichen, daß gehörmäßig empfundene Lautstärke der Wiedergabe praktisch konstant ist.

 

In Abb. 581 ist (im oberen Diagramm) die mit einer vorwärts "geregelten" (also gesteuerten) EFM11 erreichbare Regel-Kennlinie dargestellt.

Im unteren Diagramm ist zu sehen, welche Regel-kennlinien sich ergeben, abhängig von der Anzahl der geregelten HF/ZF Stufen.

 

Versteilerung der Regelspannung

Beim Blaupunkt 5W95 gibt es eine extra Verstärkung für die ZF Spannung (durch die NF Vorstufe) bevor diese zur Gewinnung der Regel-Spannung gleichgerichtet wird. Damit ergibt sich eine größere Regelungs-Güte und der Kurvenverlauf der Regelkennlinie wird flacher.

Die NF Spannung wird in der linken Diode der AB2 demoduliert und gelangt über den grün gezeichneten Weg über ein Doppel-Poti (L), verstärkt in der AF7 zur Endstufe AL1.

Die ZF Spannung wird am unteren Ende des letzten ZF-Kreises, der nur über 20 pF "geerdet" ist, abgegriffen, in der AF7 verstärkt. Über einen weiteren ZF-Kreis gelangt sie dann zur rechten Diode der AB2 und wird dort gleichgerichtet, wodurch die AGC entsteht. Über einen Tiefpaß 300 kΩ & 500 pF wird diese dann geglättet und gelangt dann zu beiden Steuergitteren des ZF Verstärkers AH1 und zum Steuergitter des Mischers AH1. (Wege sind magenta gezeichnet.) Siehe auch: Blaupunkt 1935/36: Versteilerung der Regelspannung.

Die Verstärkung der ZF Schwingung mit anschließender Gleichrichtung ist günstiger als die Verstärkung der (gleichgerichteten) Regel-Spannung, weil eine Drift des Arbeitspunktes so ausgeschlossen ist.

Signal-zu-Geräusch-Abstand

Der Signal-zu-Geräusch-Abstand ist um so schlechter, je weiter links im Kurvenverlauf der Regel-Kennline der Empfang stattfindet, also bei schwachen Eingangs-Signalen. Diese Problematik wurde speziell bei AM Radios in Halbleiter- bzw. IC-Technik genauer berücksichtigt. Sie spielt aber auch bei Röhren-Radios eine Rolle. Siehe Hierzu: Signal- zu Geräusch-Kurven von Empfangs-ICs.

---

Ergänzung 14.05.20

AM/FM-Radios mit Standard Röhrensatz

Mit Einführung des UKW Rundfunks gab es ab Anfang der '50er Jahre AM/FM-Radios mit einer Standard Röhren-Bestückung z.B. ECC85, ECH81, EF89, EABC80, EL84. Typisch für diese Gerät ist, daß zur AM Demodulation und zur Gewinnung der Regelspannung nur eine Diode aus der EABC80 zur Verfügung stand.

• Mit einer einzigen Diode ist keine verzögerte Regelung möglich, sondern nur eine unverzögerte AGC.

Die Beschreibung der EABC80 aus der Funkschau.

• Der AM-Empfang spielte ganz augenscheinlich nun eine viel geringere Rolle als der UKW-Empfang. 

AM/FM-Radio mit verzögerter AGC

Es gab allerdings zunächst auch noch "bessere" Radios, die trotz EABC80 eine verzögerte AGC im AM-Bereich hatten. Hierfür war dann aber eine weitere Diode erforderlich, wofür z.B. eine EBF80 oder eine EBF89 in der ZF zum Einsatz kamen (statt einer EF89).

Als Beispiel hierzu ein Schaltungs-Ausschnitt aus dem Grundig Musikschrank M72, das die Gewinnung einer verzögerten AGC zeigt.

 

---

Literatur:

[1] Bahr, H.: Philips Lehrbriefe, Elektrotechnik und Elektronik, Bd. 1; 8.A., Philips, 1975

[2] Terman, F. E.: Radio Engineering, 2nd. ed., McGraw-Hill, 1937

[3] Henney, K.: Radio Engineering Handbook, 5th. ed., McGraw-Hill, 1959

[4] Deketh, J.: Grundlagen der Röhrentechnik, 3.A., Philips, 1946

[5] Renardy, A.: Radio-Service Handbuch, 4.A., Franzis, 1967

[6] Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangstechnik, 1.A., AVG, 1948

[7] Vilbig, F.: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Bd. 2., 4.A., AVG, 1945

---

Dank an Hans Knoll für Informationen zum Grundig M72

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.