nach dem Stereo-Enkoder folgt nun der passende Dekoder, um UKW-Stereo-Programme stilecht mit Röhren zu empfangen. Die Endstufe in Form einer NF10 von Grundig ist schon seit längerem im Einsatz, und der Nordmende Rigoletto als Empfänger ebenfalls, es fehlt nur noch der Dekoder. Mit einem IC ist das ja keine Hexerei, aber halbleiterfrei mit vertretbarem Aufwand gibt doch noch etwas zu tun mit den Schaltungsoptimierungen. Das Ziel ist, mit drei Röhren (EF94, ECC91 und ECC81) auszukommen. Da ich noch viele Miniatur-Röhrenfassungen rumliegen habe, aber fast keine Novalfassungen, fiel die Wahl auf die beiden Miniaturröhren, von denen ich noch ein paar auf Lager habe. Man kann hier aber ebensogut Novalröhren, z.B. die EF89 und die ECC81 oder ECC85, verwenden.
Hier mal die nicht mehr ganz aktuelle Schaltplanskizze, ein sauberer Schaltplan folgt, sobald alles fertig dimensioniert ist:
Die EF94 verstärkt das Multiplex-Signal und filtert mit dem Schwingkreis den 19kHz-Pilotton heraus. Hier steckt die grösste Herausforderung, denn der Pilotton hat nur etwa 10% der Signalamplitude, und Reste der Modulation auf dem ausgefilterten Pilotton stören die Dekodierung. Hier ist vermutlich noch ein zweites Filter am Eingang notwendig. Die ECC91 arbeitet als Frequenzverdoppler, um aus dem Pilotton wieder den 38kHz-Hilfsträger zur Demodulation des Differenzsignals zu erzeugen. Die Funktion ist im Prinzip eine Vollwellengleichrichtung mit Verstärkung, ähnlich wie beim Audion, aber doppelt. Die Steuerspannung ist so hoch, dass die Trioden während der negativen Halbwellen vollständig sperren. Somit leitet durch die gegenphasige Ansteuerung bei jeder Halbwelle des 19kHz-Signals eine der beiden Trioden, so dass der Anodenstrom eine Frequenz von 38kHz hat, welche durch den Schwingkreis ausgefiltert wird. Auf der Sekundärseite des Ausgangstrafos wird dem 38kHz-Träger das Multiplexsignal über die Mittelanzapfung hinzugefügt. Dadurch entsteht ein amplitudenmoduliertes Signal, bei dem die eine Hüllkurve dem linken und die andere dem rechten Audiosignal entspricht. Durch die symmetrische Sekundärwicklung hat man zwei gegenphasige Signale, so dass man für beide Audiokanäle die positive Hüllkurve demodulieren kann. Die Demodulation übernimmt die ECC81. Der Arbeitspunkt ist so gelegt, dass die Röhre ohne Ansteierung gesperrt ist. Die positiven Halbwellen steuern die Röhre auf und liefern so an der Anode das NF-Signal, während die negativen gesperrt bleiben. Am Ausgang folgt noch ein aufwendiges LC-Filter, das die Frequenzen über 20kHz (38kHz-Schaltfrequenz samt Seitenbänder) unterdrückt. Damit die Verzerrungen klein bleiben, müssen die Amplituden der Signale und der Arbeitspunkt passen, hier bin ich noch am Optimieren. Die negative Gitterspannung beziehe ich mittlerweile von den Gittern der ECC91. Diese Spannung ist nur bei einem Stereosignal vorhanden, so dass bei Mono-Empfang die ECC81 ohne negative Gitterspannung im normalen A-Betrieb das Eingangssignal verstärkt. Erste Messungen zeigten eine Kanaltrennung von 30..40dB und ein Klirrfaktor kleiner als 1%, was gar nicht so schlecht ist. Hier noch die Bilder des Aufbaus:
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es gibt Neuigkeiten... Nach Tests mit dem Enkoder habe ich den Dekoder mal an meinen Nordmende Rigoletto angeschlossen, was mit Aufwand verbunden war. Eigentlich wollte ich nur einen stereo-tauglichen NF-Anschluss direkt am Ratio-Detektor machen, dabei stiess ich auf diverse ERO-Papierkondensatoren der Kategorie 'schrottreif'. Um da nicht Rauchzeichen und Schäden zu provozieren, habe ich die heiklen Kondensatoren ersetzt, damit war der halbe Tag dann auch vorüber Nachdem ich dann das NF-Signal und auch gleich die Anodenspannung für den Dekoder rausgezogen hatte, funktionierte das Ganze nach Pegelanpassung schon ganz ordentlich, aber die Kanaltrennung war recht bescheiden. Der Spektrum Analyser zeigte dann das Problem: auch vor dem Deephasis-Netzwerk gibt es einen Abfall von über 10dB bei 38kHz, und damit bleibt vom Differenzsignal nicht mehr viel übrig. Ein zweiter Blick in den Schaltplan zeigte dann, dass im ZF-Bandfilter bereits ein RC-Glied integriert ist, das wohl eine zu tiefe Eckfrequenz hat. Auf die Schnelle habe ich einen RC-Hochpass in die Zuleitung geschlauft, was dank mehr als genug NF-Pegel ging. So war die Kanaltrennung ganz ordentlich, wenn auch nicht perfekt.
Die Schwachstelle ist vorerst das niederfrequente Rauschen bei Stereoempfang. Dieses kommt vom nicht ganz sauberen, restaurierten 38kHz-Träger. Hier muss ich wohl noch besser filtern und das Signal begrenzen, damit die Amplitude stabil und rauschfrei wird. Ich habe mir auch schon eine PLL als Alternative gedacht. Das gibt zwar mehr Aufwand, aber dafür ist dann der Träger perfekt sauber.
Als nächstes werde ich mal das Bandfilter zerlegen und das störende RC-Glied anpassen, um zu einem korrekten Multiplex-Signal zu kommen. Danach geht es weiter mit der Träger-Restauration, Fortsetzung folgt...
der Rigoletto ist nun NF-mässig 'frisiert' und hat jetzt eine Bandbreite von über 70kHz mit weniger als 3dB Welligkeit. Nicht schlecht für ein Gerät mit Jahrgang 1959, noch vor der Einführung von UKW Stereo. Den Dekoder habe ich jetzt eingangsseitig noch mit einem 19kHz-Filter ergänzt, damit das störende Rest-Audiosignal besser gedämpft wird. Bei gutem Empfang liefert der Dekoder jetzt ein erstklassiges Signal mit sehr guter Kanaltrennung. Dabei habe ich festgestellt, dass die Verstärkung noch etwas knapp ist. Eine höhere Verstärkung treibt den Frequenzverdoppler weiter in die Sättigung, was Rest-Amplitundenmodulation wirkungsvoll unterdrückt, analog zur Begrenzung des ZF-Signals beim FM-Empfang. Hier muss ich vermutlich die Windungszahl beim Trafo anpassen. Glücklicherweise lassen sich diese einfach zerlegen.
Hier noch zwei Frequenzspektren von realen NF-Signalen, einmal reine Sprache und einmal Musik. Das Sprachsignal (Nachrichten) ist ein reines Monosignal, deshalb existiert vom 38kHz-Differenzsignal nichts, während das Musiksignal ein echtes Stereosignal ist und daher auch ein ausgeprägtes Differenzsignal vorhanden ist. Weiter sieht man eindrücklich, wie breitbandig Sprache ist und wie scharf bei 15kHz senderseitig abgeschnitten wird (5kHz/Div).
damit es niemandem über Weihnachten langweilig wird, folgt hier im Anhang der momentan aktuelle Schaltplan des Stereodekoders sowie eine Schaltungsbeschreibung. Die Abgleichanleitung sowie Tipps für den Anschluss an ein (Röhren-) Radio folgen später, wenn ich weitere Erkenntnisse habe. Das Ziel ist, den Abgleich mit möglichst wenig Messgeräten zu schaffen. Ein Oszilloskop der 10MHz-Klasse ist aber schon nötig...
Die Kanaltrennung liegt bei gutem Abgleich bei über 40dB, was im Rahmen der üblichen Dekoder-ICs liegt. Viel mehr liegt systembedingt gar nicht drin. Die Tonqualität ist rein gehörmässig klar besser als vom MC1310.
mittlerweile habe ich einige Erfahrungen mit dem Dekoder gesammelt und auch einiges gemessen. Dabei habe ich folgende Feststellungen gemacht:
1. Der exakte Frequenzgang des Empfängers ist extrem wichtig (ist aus der Theorie eigentlich klar). 2. Der Dekoder sollte möglichst kurz am Empfänger angeschlossen werden, die Kabelkapazität stört nicht unerheblich. 3. Man muss auf jeden Fall das NF-Signal direkt am Ratio-Detektor abgreifen. 4. Auch der Frequenzgang eines Mess-Senders ist beim Abgleich entscheidend.
Ein Abgleich ohne Stereo-Testsignal ist grundsätzlich möglich, aber nicht gerade optimal und braucht Geduld. Ideal ist ein Stereo-Testsignal, wo ein Kanal still ist und auf dem anderen ein Sinussignal von ca. 1kHz gesendet wird, so kann man die Signalform auf dem Oszilloskop sehr einfach beurteilen. Nachdem der Dekoder möglichst genau an den Frequenzgang meines Rigolettos angepasst war, konnte eine Kanaltrennung von 40dB erreicht werden, bei direktem Anschluss des Funktionsgenerators an den Dekoder ergibt sich eine Kanaltrennung über 45dB. Eine genaue Abgleichanleitung folgt noch, vorerst sammle ich weitere Erfahrungen.
Hier mal noch ein paar Messungen, damit man sich ein Bild machen kann.
Das Stereo-Testsignal, so wie es aus dem Signalgenerator kommt: linker Kanal Sinus 1kHz, rechter Kanal stumm. Durch den überlagerten 19kHz-Pilotton ist immer abwechslungsweise eine 38kHz-Spitze höher oder tiefer.
Dasselbe Signal, so wie es aus dem Empfänger kommt: für eine Dekodierung absolut unbrauchbar, Kanaltrennung weniger als 6dB. Statt dem 38kHz-Signal mit den Sinus-Halbwellen als eine und der Geraden als andere Hüllkurve hat man das 1kHz-Summensignal mit überlagertem 19kHz-Pilotton, das 38kHz-Differenzsignal ist nur noch ansatzweise vorhanden. Durch einen sorgfältig dimensionierten und sauber abgeglichenen RC-Hochpass kann dieses Problem beseitigt werden, dieser ist bereits in der Schaltung vom Dekoder enthalten und muss an den Empfänger angepasst werden.
Hier das schmalbandige Spektrum beim Empfang eines Stereo-Signals, links 1kHz und rechts 800Hz (links: gelb, rechts: hellblau, Skalierung 500Hz/Div und 10dB/Div). Beim rechten Kanal sieht man die Kanaltrennung von 40dB, beim linken sind es fast 50dB und das Restsignal ist nur noch als kleine Spitze über dem Rauschteppich erkennbar. Weiter sieht man die erste Oberwelle, die stammt vom Demodulator und ist somit ein Problem des Empfängers bei hohen NF-Pegeln. Die Spitze bei 100Hz ist der Netzbrumm vom Prüfsender und somit ein Messproblem. Weiter sieht man, wie bei tiefen Frequenzen der Rauschpegel höher ist als bei höheren Frequenzen, da das niederfrequente Restrauschen des regenerierten Trägers bei der Dekodierung "heruntergemischt" wird. Der Rauschabstand ist aber auch hier 40dB und damit ausreichend, da tieffrequentes Rauschen wesentlich weniger stört als hochfrequentes. Eine Verbesserung wäre mit einer PLL für die Träger-Rückgewinnung oder noch mehr Filteraufwand möglich.
Zum Schluss noch das NF-Spektrum über eine Breite von 50kHz (5kHz/Div und 20dB/Div). Hier sieht man die Wirkung des Ausgangsfilters, das ab etwa 22kHz mit 40dB dämpft und so den systembedingt sehr starken 38kHz-Hilfsträger kräftig dämpft, so dass er etwa 40dB unter der NF-Amplitude ist und damit keine Probleme mehr bereiten sollte. Der 19kHz-Pilotton wird nicht weggefiltert, da sonst die Eckfrequenz tiefer sein müsste, was den NF-Frequenzgang stört. Da der Pilotton gemäss Norm nur 10% der maximalen NF-Amplitude hat (und damit nur 1% der Leistung), sollte damit jeder Hochtöner klarkommen, der bekommt so bei einer Spitzenleistung von 100W gerade mal 1W vorgesetzt. Die Welligkeit zwischen 15kHz und 20kHz kommt vom Filter, denn für diese Steilheit muss sowohl im Durchlassbereich als auch im Sperrbereich eine Welligkeit in Kauf genommen werden. Da das NF-Signal senderseitig bei 15kHz abgeschnitten wird, stört diese Welligkeit nicht gross, durch den leichten Anstieg gegen 15kHz wird der Ton etwas heller. Durch einen nachgeschalteten RC-Tiefpass kann das noch korrigiert werden.
nun folgt noch die versprochene Abgleichanleitung. Somit steht dem Stereo-UKW-Röhren-Genuss nichts mehr im Weg. Hier noch das Bild meiner halbleiterfreien Gerätschaft (wenn man die Selengleichrichter nicht betrachtet). Links der Stereo-Dekoder, in der Mitte das Chassis des Nordmende Rigoletto (da mache ich noch ein paar Wartungsarbeiten, daher ist er ausgebaut) und rechts der Grundig Stereo-Verstärker NF10, der auch die Heiz- und Anodenspannung für den Stereo-Dekoder liefert.
Zuerst noch zur Stromversorgung des Stereo-Dekoders: Die Anodenspannung kann zwischen 180V und 250V (warm) liegen und muss brummfrei sein. Zweigt man die Spannung vom Radio ab, sollte man mit einem Widerstand von 2.2kOhm und einem Elko von 47uF oder mehr die Spannung glätten. Der Stromverbrauch beträgt ca. 15..20mA, was kein Problem ist, wenn man die nicht mehr benötigte Endröhre im Gerät rauszieht. Die Heizung braucht etwa 1A bei 6.3V, was je nach Auslegung des Trafos etwas viel ist. Hier ist es sicherer, einen Zusatztrafo 6V/10VA zu spendieren. Ein Pol der Heizung muss in diesem Fall an genau einem Punkt mit Masse verbunden werden, sonst brummt es.
Im Empfänger muss das NF-Signal direkt beim Ratio-Detektor vor dem Deemphasis-Tiefpass abgenommen werden. Als Beispiel hier der Schaltplanauszug (Anhang 'Ratiodetektor.pdf') vom Rigoletto, andere Geräte mit der EABC80 sind ähnlich aufgebaut, auch die meisten mit Halbleiter-Detektor. Das NF-Signal entsteht an der Mittelanzapfung des Ratiodetektor-Schwingkreises (das ist der, der an die beiden Dioden angeschlossen ist), hier also L102/C101. Über das RC-Glied R103/C105, das die ZF abblockt, kommt das Signal zum Deemphasis-Tiefpass R134/C135. Somit muss das NF-Signal für den Stereo-Dekoder am Punkt R103/C105 abgenommen werden, wobei die Eckfrequenz von R103/C105 mindestens 100kHz sein muss. Der NF-Pegel bei gutem Empfang sollte eine Amplitude von mindestens 1V haben.
Für den Abgleich schliesst man ein möglichst genaues 19kHz-Sinussignal am Dekoder-Eingang an (Funktionsgenerator oder PC-Soundkarte, Genauigkeit +/- wenige Hz), Zur Not geht auch ein einwandfrei empfangener Stereosender. Mit dem Oszilloskop wird am Gitter von V1 die Spannung gemessen und mit L1 auf Maximum bei 19kHz abgeglichen. Danach Oszilloskop an einem Gitter von V2 anschliessen und L2 auf Maximum bei 19kHz abgleichen, dabei die Spannung vom Generator so weit reduzieren, dass die Amplitude nicht über 1V geht. Nun Oszilloskop an einem Gitter von V3 anschliessen und L3 auf Maximum bei 38kHz abgleichen. Nun wird die Begrenzung geprüft: Bei einer Eingangsspannung ab etwa 200mV sollte die Spannung an den Anoden von V2 40..60Vss betragen (je nach Betriebsspannung) und bei steigender Eingangsspannung kaum mehr ansteigen. Falls wesentlich mehr Spannung notwendig ist, wird R2 entsprechend angepasst. Ist bis hier alles gut, wird die korrekte Phasenlage des 38kHz-Trägers eingestellt. Dazu wird der eine Kanal vom Oszilloskop am Dekodereingang und der andere am Steuergitter von V3a angeschlossen. Mit L1 wird die Phasenlage so geschoben, dass die Nulldurchgänge des Eingangssignals mit den Nulldurchgängen der steigenden Flanken des Ausgangssignals zusammenfallen. Falls sie mit den fallenden Flanken zusammenfallen, ist der linke mit dem rechten Kanal vertauscht (passiert, wenn der Wickelsinn nicht einheitlich ist und stört weiter nicht). Im Bild ist die gelbe Kurve das Eingangssignal mit 19kHz und die hellblaue Kurve das Ausgangssignal am Gitter von V3a. Hier ist wichtig, dass die Frequenz exakt (+/-5 Hz) stimmt.
Nun folgt noch die Einstellung der Frequenzgangkompensation für beste Kanaltrennung, dazu braucht man ein Stereo-Testsignal mit 1kHz auf dem linken Kanal und Stille auf dem rechten. Das Oszilloskop wird am Gitter von V3a angeschlossen. Nun wird mit R1 die untere Hüllkurve so gerade wie möglich eingestellt (so dass vom 1kHz-Signal nichts mehr sichtbar ist), eventuell auch noch mit L1 die Phase etwas nachstellen. Gelingt das nicht gut, muss C1 angepasst werden. Am Schluss kann noch gehörmässig eine Feineinstellung auf minimale Lautstärke erfolgen. Hat man kein Testsignal, gleicht man gehörmässig auf besten Stereo-Effekt ab. Mit elektronischer Musik geht das am besten, dort gibt es extreme Unterschiede zwischen links und rechts.
Zum Schluss noch ein paar Oszillogramme für den Fall der Fehlersuche. Das Eingangssignal ist dabei ein 19kHz-Sinus mit 150mV Amplitude.
Steuergitter V1
Anode V1
Gitter V2
Anode V2
Gitter V3
Kathode V3: Hier muss die Spannung mindestens die Hälfte der Periode Null sein.
spannend! Ich lese mit großem Interesse mit. Ein Röhrendecoder zu bauen hat mich auch immer schon gereizt. Deine Schaltung macht einen guten Eindruck. Meine erste Frage: Wie hast du die Spulen gebaut? Sie sind ja das Schwierigste am Ganzen. Auch was das Empfängerchassis angeht, stellt sich mir so manche Frage...
im Anhang noch eine kurze Kostprobe eines Audiosignals mit viel Stereo-Effekt und Dynamik.
Für eine manuelle Umschaltung auf Mono bei schlechtem Empfang kann man einen Schalter in die Kathodenleitung von V1 einfügen (sinnvollerweise am masseseitigen Ende von R4), mit dem die Kathode abgehängt und somit die Röhre stillgelegt werden kann. So ist kein 38kHz-Träger mehr vorhanden und die Schaltung arbeitet als normaler Verstärker für das Eingangssignal. Die Spannung über dem Schalter beträgt ca. 20..30V je nach Röhre.
Zu Stefans Fragen:
Die Spulen sind RM6-Spulenbausätze. Diese bestehen aus einem Kunststoff-Spulenkörper mit einer oder 2 Wickelkammern und Anschluss-Pins, den beiden Ferrit-Kernhälften (mit oder ohne Luftspalt), welche über den Spulenkörper gestülpt werden, zwei Metallklammern, welche das Ganze zusammenhalten sowie einer Kunststoffscheibe, welche den Spulenkörper im Ferritkern festhält, damit er sich nicht bewegt. Optional gibt es noch einen Abgleichstift, der in das Loch geschraubt wird. Wenn du nach RM6 Spulenkörper gurgelst, wirst du bei den diversen Anbietern fündig. Mein Kern hat ein AL von 400, Luftspalt ist zwingend, damit die Spule abgleichbar wird, und der Abgleichstift hat ein AL von 160. Statt RM6 kann man auch eine grössere Version nehmen, dann kann man mit dickerem Draht wickeln, bei RM6 braucht es 0.1mm-Draht, damit alle Windungen Platz haben. Bei den RM-Spulenbausätzen ist zu beachten, dass man meistens alle Einzelteile separat bestellen muss, also Spulenkörper, zwei Ferritkappen (eine mit Gewinde für Abgleichstift), Variante mit Luftspalt und AL=400, zwei Haltebügel, Isolierscheibe für Spulenkörper und Abgleichstift.
Verwendet man andere Spulensätze, muss die Windungszahl neu berechnet werden, wobei das Windungsverhältnis erhalten bleiben muss. Die Windungszahl berechnet sich wie folgt:
n = (L/AL), dabei L in nH und AL aus dem Datenblatt
Beim Wickeldaht ist noch anzumerken, dass zwischen der Primärspule von V1 und Masse die Betriebsspannung von 250V liegt und die NF-Spannung schnell mal 100V betragen kann, daher sollte man Wickeldraht mit einer Isolationsspannung von mindestens 500V verwenden. Ich habe solchen mit 1kV verwendet, der ist preiswert und ausreichend und erst noch lötbar.
Die Wicklerei selber ist nicht schwierig, und wenn man sich um ein paar Windungen verzählt hat, ist das auch nicht weiter schlimm, dann muss man einfach die Kondensatoren etwas anpassen, was wegen der Toleranzen sowieso erforderlich sein kann. Die beiden symmetrischen Wicklungen wickelt man von Vorteil mit zwei Drähten gleichzeitig, so sind sie garantiert symmetrisch, auch wenn man sich verzählt hat, und es geht schneller. Wichtig ist dann nur, dass man sie richtig verschaltet: der Anfang der einen Wicklung kommt auf das Ende der anderen. Bei falschem Anschluss heben sich die beiden Spulenspannungen auf, was man sehr schnell merkt
Das Chassis stellt keine besonderen Anforderungen, und da hier die Frequenzen tief sind, ist auch der Aufbau nicht weiter schwierig. Man sollte lediglich darauf achten, dass man pro Stufe einen definierten Massepunkt hat (z.B. eine Lötöse bei der Befestigung der Röhrenfassung), auf den alle Masseanschlüsse der zugehörigen Stufe kommen. Weiter sollen die drei Stufen hintereinander in einer Linie angeordnet sein, damit es keine Rückkopplungen und wilde Schwingungen gibt. Um Brummprobleme bei Wechselstromheizung zu vermeiden, empfiehlt es sich, die beiden Drähte für die Heizspannung für jede Röhre separat zu führen und miteinander zu verdrillen sowie mit etwas Distanz zu den anderen Leitungen zu verlegen. Der Heizstrom darf dabei auf keinen Fall durch das Chassisblech fliessen. Als Chassis eignet sich eine Messing- oder Alu-Platte ausreichender Dicke, die Seitenbleche bei meiner Ausführung sind nicht zwingend, ein ebenes Blech geht auch. Baut man den Dekoder in ein separates Gehäuse, muss für Luftzirkulation gesorgt werden, da die Röhren insgesamt doch mit etwa 10W heizen, was in einem geschlossenen Gehäuse für Hitzestau sorgt.
der Stereo-Dekoder hat jetzt noch eine standesgemässe Stereo-Anzeige bekommen:
Anzeige links für Stereo, rechts für Mono oder kein Signal
Die EM80 habe ich in meiner Röhrensammlung gefunden, hier macht sie sich gut, auch wenn sie nicht mehr die Hellste ist. Mit der EM80 ist jetzt auch noch eine Valvo-Röhre neben Ultron, Telefunken und Philips vertreten. Als Nächstes mache ich noch das Gehäuse fertig.
Ich bin beeindruckt, wenn auch um einiges davon entfernt, alles nachvollziehen oder -bauen zu können. Immer schön zu sehen, was Fachleute im Vergleich zu "Bastlern" schaffen!
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(L/AL), dabei L in nH und AL aus dem Datenblatt