Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
Hallo zusammen,
ich repariere seit Jahren Radios, habe jedoch Wissenslücken von dem Aufbau eines Supers. Mein Verständnis des Aufbaus: (Erstmal am Beispiel des Mono UKW Empfängers)
Es gibt 2 Oszillatoren, einen im UKW Mischer der vom Benutzer geändert werden kann und den für die ZF der fest ist und so gut wie immer auf den 10,7MHz arbeitet. Der UKW Mischer passt die Antenne an für maximalen Gewinn und begrenzt zusätzlich die Bandbreite. (Spiegelfrequenzunterdrückung, kenne ich von der Digitaltechnik) Der ZF-Mischer kommt nach dem UKW Mischer und "mixt" das Signal mit den 10,7MHz, die ZF Stufen danach sind Bandpässe die die 10,7MHz ZF +- 1/2 Audio Bandbreite (15kHz bei Mono) passieren lassen, alles andere unterdrücken. Die Röhren (oder Transistoren) in der ZF sind dafür gedacht den Pegelverlust durch die passiven Filter auszugleichen und das Signal bis zur Übersteuerung zu verstärken. Im Demodulator wird das NF-Signal von der 10,7MHz ZF getrennt, übrig bleibt die NF. Die Bandfilterbandbreite bestimmt die höchste und niedrigste zu übertagende Frequenz, wären die Bandfilter auf 100kHz ausgelegt könnte man 100kHz NF übertragen. (Was natürlich keinen Sinn macht)
Soweit richtig?
Dabei kommen bei mir allerdings einige Fragen auf:
1) Wenn die ZF Stufen übersteuert werden, was ja dann passieren sollte wenn die Spannung am Ratiodetektor ihren höchsten Wert erreicht, (Bei Röhren: MA ganz geschlossen) sollten doch weitere Frequenzen entstehen welche unerwünscht sind und nicht zur NF gehören. Ähnlich eines Übersteuerten Audio Verstärkers. Warum stört das nicht? 2) Wenn die Stufen sowieso in die Übersteuerung getrieben werden, warum kann ich dann nicht beliebig viele ZF Stufen aufbauen für unendliche Trennschärfe? Selbst tolle Trennscharfe Geräte haben selten mehr als 15 Kreise, ich kenne keines über 20 Kreisen. 3) Die meisten AM Radios benutzen die ZF-Stufen und den UKW Demodulator mit, an welcher Stelle wird aus AM FM? 4) Die ZF für AM ist anders als die für FM, trotzdem scheinen die Geräte die 10,7MHz Bandfilter mit zu verwenden. Nach meinem Verständnis müssten die Schaltungen bis zum Demodulator getrennt sein. Sind sie aus irgend einem Grund aber nicht. 5) Warum ist das Rauschen der ersten Stufe im UKW Mischer wichtig, ich habe gelesen das sich deren Rauschen auf den Ausgang überträgt. Da die Information in der FM steckt verstehe ich das nicht, für mein Verständnis begrenzt rauschen in der ersten Stufe "nur" die Empfindlichkeit und hat nichts mit dem Rauschen am NF Ausgang zu tun.
Der Abgleich nach dem UKW Mischer müsste damit immer gleich und sehr einfach sein. 10,7Mhz am Oszillator genau einstellen, FM Messender an den Eingang mit minimal kleinem Signal. ZF Schwingkreise solange verstellen bis der Pegel am Ausgang oder die Spannung am Ratiokondensator am höchsten ist. Wenn ein Radio das MA nicht mehr schließt ist entweder einer der ZF-Bandfilter oder eine Röhre im ZF-Verstärker der erste Punkt zu prüfen. Die Symmetrie im Demodulator ist verantwortlich für niedrige Verzerrungen, für perfekte Ergebnisse muss man den Klirrfaktor prüfen und danach abgleichen. Passt das?
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Re: Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
Hi Jan,
so richtig hast du die Funktionen für UKW FM-Empfang noch nicht verstanden.
Es gibt nur den Oszillator im UKW-Tuner, der (meist) genau um die ZF-Frequenz höher schwingt als die Empfangsfrequenz. Beim Mischen entstehen die Differenz- und Summenfrequenzen, wobei eine dann das Differenzsignal genau die ZF-Frequenz ist und über ein ZF-Bandfilter selektiv rausgefiltert werden kann. Da es es ein frequenzmoduliertes Signal ist, ist der eigentliche Signalpegel ohne Information, nur der Frequenzhub enthält die NF-Information. Deshalb kann man das ZF-Signal bis zur Begrenzung verstärken, weil der Frequenzhub davon nicht beeinflusst wird. Die notwendige ZF-Bandbreite bei FM richtet sich nach dem Frequenzspektrum durch den mit der NF sich ändernden Frequenzhub. Dafür gilt in erster Näherung die Carson-Regel und für Mono-Empfang ergibt das dann eine notwendige Bandbreite von ca. 180kHz, bei Stereo dann „nur“ ca. 246kHz, obwohl bei Mono die höchste NF-Frequenz nur 15kHz beträgt, aber bei Stereo bis 53kHz (höchste Frequenz des Stereo-Multiplexsignals von 38kHz Differenzton-Trägerfrequenz plus 15kHz höchste NF-Frequenz) übertragen wird.
Dass die erste UKW-Stufe ein möglichst geringes Rauschen haben soll, liegt daran, dass oberhalb von ca. 20MHz Empfangsfrequenz das allgemeine Rauschspektrum, was man immer mitempfängt, stark abnimmt und das Rauschen der ersten Empfangerstufe dominierend wird. Mit einer rauscharmen Stufe kann man also niedrigere Empfangssignale noch empfangen wollen.
Dass für AM und FM die selben ZF-Verstärkerstufen einfach so verwendbar sind, liegt an den vollkommen verschiedenen ZF-Frequenzen 460kHz/10,7MHz. Die ZF-Filter für die verschiedenen Frequenzen kann man so einfach jeweils in Reihe geschaltet verwenden. Bei AM-Empfang wirkt die relativ niedrige Induktivität der 10,7MHz FM-Filter als Kurzschluss für die 460kHz AM-ZF und bei FM-Empfang wirkt die relativ hohe Schwingkreis-Kapazität des 460kHz AM-Filters für die 10,7MHz FM-ZF als Kurzschluss.
AM wird nicht vom FM-Demodulator demoduliert, dafür gibt es einen eigenen Demodulator (außer bei einem FM-Flankendemodulator ganz früher UKW-Radios).
Re: Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
Danke für Eure Erklärungen!
Das mit den zwei Oszillatoren dachte ich deshalb weil bei den meisten Radios der 50er das Signal aus dem UKW Mischer auf der EC(H)81 (oder ähnliche Röhre) landet, nur arbeitet die Stufe halt nur bei AM als Mischer. Bei FM ist der Oszillator um die Triode ausgeschaltet, habe das selber schon an einem Radio gemessen und eigentlich hätte ich das wissen sollen.
Kalle, du redest von Begrenzung, in meinem Kopf war Übersteuerung. Die ZF Stufen werden garnicht übersteuert sondern nur maximal ausgesteuert je nach Eingangspegel oder? Das erklärt mir warum in der ZF keine zusätzlichen Frequenzen "erzeugt" werden.
Denke auch das Prinzip des Mischers teilweise falsch verstanden zu haben, ich werde in den Links nachlesen.
Ich schaue auch mal ob ich einen Schaltplan von einem Nur UKW Radio finden kann, da entfallen die ganzen Schalter was dem Verständnis hilft.
Re: Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
Hallo Jan,
Übersteuerung ist hier das Mittel zum Zweck der Begrenzung der FM-ZF, denn wenn der Verstärker ordentlich übersteuert wird, kommt unabhängig vom Eingangspegel immer gleich viel raus. Allerdings wird mit mehr oder weniger Aufwand darauf geachtet, dass die Begrenzung möglichst symmetrisch wird, also die positive und negative Halbwelle auf den gleichen Wert begrenzt wird, dann ist der Zweck der Störunterdrückung maximal. Noch zur Anzahl ZF-Stufen für FM: Du hast recht, möglichst viel wäre ideal, sowohl für eine ideale Begrenzung als auch für die Trennschärfe. Der Grund, warum man das meistens nicht macht, ist rein wirtschaftlicher Natur, eine Röhrenstufe kostet Geld, und ein Bandfilter kostet ebenfalls. Die ZF-ICs dagegen haben sehr viele Verstärkerstufen integriert, dort kommt es auf die Anzahl Transistoren nicht an, daher begrenzen die unabhängig vom Signalpegel. Für die Filterung wird in diesem Fall vor das IC ein Keramik- oder Quarzfilter geschaltet, das für die Trennschärfe verantwortlich ist. Bei kommerziellen Röhrenempfängern wurde aber Aufwand getrieben, z.B. im EK149/UK2 von Telefunken gibt es 5 ZF-Stufen und entsprechend 6 zweikreisige, quarzgekoppelte Bandfilter, und das in Röhrentechnik.
Re: Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
hallo HB9,
ich bin ein großer Freund von ZF Stufen die ihre Eigenverstärkung abhängig vom Ausgangspegel anpassen. Das gilt auch für FM-ZF. Deswegen denk ich grad es wär angebracht mal ein par Worte dazu beizutragen.
Das Übersteuern einer ZF-Stufe ist unschädlich, stimmt. Wenn wir uns aber mal betrachten was die so angeliefert bekommt dann wirds schon interessanter, das eingehende Signal hat bekanntlich ein Grundrauschen, also einen Rauschanteil den es überlagert. Wenn ich die Verstärkung meiner ZF Kette maßlos überhöhe, weil Übersteuerung schadet ja nicht, hebe ich selbstverständlich auch das Grundrauschen mit an und höre es ggf. im Radio. Daher finde ich es richtiger wenn die ZF ihre Eigenverstärkung abregelt, das kann gern so eingestellt sein daß in der letzten Stufe schon eine mäßige Übersteuerung vorliegt. Aber eben mäßig, nicht maßlos. Bei Röhrenradios ist das eh schon der Fall da die ja ihre AM ZF mitverwenden die selbstverständlich mit einer Regelspannung ausgestattet ist. Es geht jetzt also um das Nur-UKW-Radio, da würde ich es auch so machen. Also die erste Röhre darf gern noch eine sharp cuttoff sein (EF80, EF95), ab der zweiten dann geregelt, und dafür Röhren die sowas richtig gernhaben (EF85, EF93)
Eine FM ZF ohne Selbstregelung würde ich nicht in Betracht ziehen.
Re: Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
Hi Martin und alle anderen,
die FM-ZF Verstärkung ins „unermessliche“ zu vergrößern bringt in der Tat nichts, sobald sie wenigstens so hoch ist, dass im Rauschen noch wahrnehmbare Signale demodulierbar sind. Weitere Vergrößerung der Verstärkung verbessert ja nicht mehr das Signal-/Rauschsignal-Verhältnis. Wenn man zur FM-Demodulation einen Ratio-Detektor, der selber eine AM-Unterdrückung bewirkt, verwendet, kann man sogar ganz ohne Begrenzung im ZF-Verstärker arbeiten. Ansonsten soll nur die letzte ZF-Stufe vor dem FM-Demodulator das Signal begrenzen und um das bei vielstufigen ZF-Verstärkern zu erreichen, werden (meist) durch die Ratio-Spannung geregelte ZF-Vorstufen verwendet. Zusätzlich findet man auch noch in der begrenzenden letzten ZF-Stufe oft eine Pentode mit getrennt herausgeführtem Bremsgitter G3,was auch noch von der Ratio-Spannung angesteuert wird, was die Verstärkung und Signalbegrenzung im verträglichen Rahmen hält.
Re: Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
Hallo zusammen,
das "Hochschrauben" der ZF-Verstärkung, wie es bei IC-Verstärkern (z.B. CA3089) gemacht wird, dient nicht zur Verbesserung des Signal-/Rauschabstands (der ist durch die HF-Eingangsstufe gegeben), sondern zur AM-Unterdrückung und auch für eine signalunabhängige Lautstärke. Das Einzige, das man beim Übersteuern beachten muss ist, dass das ZF-Signal ausreichend gut gefiltert ist, da die Begrenzung zu Intermodulationen führt. Aus diesem Grund haben richtig hochwertige Empfänger ein hochselektives Filter möglichst direkt nach dem Mischer und bei "Selektion auf Raten", also jeweils ein Bandfilter zwischen zwei Verstärkerstufen, sorgt man dafür, dass die mischernahen Filter eine hohe Selektivität haben.
Die ZF-Stufen von (Röhren-) Radios werden bei FM übrigens so gut wie nie geregelt, die für AM-Empfang vorhandene Regelspannung wird bei FM abgeschaltet, häufig gibt es dazu einen separaten Schaltkontakt bei UKW. Bei separaten ZF-Verstärkern für FM oder reinen UKW-Empfängern werden keine Regelröhren verwendet, da Regelröhren eine geringere Steilheit und damit Verstärkung haben. Üblich sind hier die EF80 und EF184, wie sie z.B. im Biennophone "Celerina" verbaut sind (3*EF184 für UKW-ZF).
Die Regelung über das Bremsgitter der letzten ZF-Stufe dient vor allem der Angleichung der Lautstärke bei verschiedenen Empfangspegel, da die üblichen zweistufigen FM-ZF-Verstärker zu wenig Verstärkung für eine richtig "satte" Begrenzung haben. Die Regelung über das Bremsgitter bewirkt, dass die Steilheit und damit die Verstärkung (und damit die Begrenzerwirkung) nicht reduziert wird, sondern einfach mehr Anodenstrom (und damit Signalamplitude) auf das Schirmgitter "umgeleitet" wird und so nicht zur Anode kommt.
Die UKW-HF-Vorstufe dagegen wird bei einigen Empfängern geregelt, aber aus einem anderen Grund, nämlich wegen der selbstschwingenden Mischstufen. Der Oszillator eines solchen Mischers hat nämlich die Eigenschaft, dass er sich auf ein HF-Signal in der Nähe der Oszillatorfrequenz synchronisiert. Gibt es also auf der Oszillatorfrequenz einen starken UKW-Sender, wird der Oszillator mit diesem Signal frequenzmoduliert, was sehr unerwünscht ist. Durch die Regelung der HF-Vorstufe wird erreicht, dass der HF-Pegel am Mischer nicht höher als nötig für den Empfang des gewünschten Senders ist und so das Problem entschärft. Bei einem schwachen Nutzsignal nützt es aber nichts, deshalb haben richtig gute UKW-Empfänger teilweise einen separaten Oszillator, wie z.B. der Biennophone "Celerina" oder so gut wie alle Kommunikationsempfänger.
Re: Grundsätzliche Fragen zum Superhet, speziell ZF Stufen
Hallo zusammen,
zu starke Begrenzung verschechtert meiner Ansicht nach die Selektion. Denn das Nutzsignal wird begrenzt, während daneben liegende Träger verstärkt werden. Die wirksame Bandbreite des ZF-Verstärkers würde bei zu starker Begrenzung verringert. Das würde eher für eine Regelung sprechen, die ruhig träge sein darf, sofern die Regelung Begrenzung an sich nicht verhindert.
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