1 Das Hydradio-Projekt

1 Das Hydradio-Projekt
Das Hydradio ist ein Röhren-Radio, das drei Aspekte besitzen soll: Es soll (1) technisch
funktionieren, (2) einen gewissen künstlerischen Anspruch erfüllen und (3) möglichst viele
technische Details enthalten, die normalerweise so in einem kommerziellen Radio nie zum
Einsatz kommen würden. Alles in allem soll es also in mehrfacher Hinsicht ‚crazy’ sein.
Spezielle Merkmale sind
(1) Es werden möglichst alte, vorzugsweise vor dem 2. Weltkrieg gebaute Röhren
verwendet.
(2) Es kommen möglichst kurios aussehende bzw. optisch besonders ansprechende
Röhren zum Einsatz.
(3) Die Schwingkreise und Abstimmelemente sind möglichst als ‚Sicht’-Bauteile
realisiert, tragen also zum optischen Gesamteindruck maßgeblich bei.
Das Radio ist in seiner bisherigen Ausführung als Mittelwellen-Superhet realisiert. Vorweg
zeigt Abb. 1 ein Photo des derzeit bestehenden Systems mit Angabe der Funktion einzelner
Röhren-Stufen.
Abb. 1: Gesamtansicht mit Bezeichnung der wichtigen Funktionseinheiten
Im folgenden werden nun die einzelnen Blöcke und ihre ‚Crazyness’ detailliert beschrieben.
1.1
Hf-Teil
Der Hf-Teil ist auf der obersten Plattform aufgebaut und umfasst Eingangs-, Misch und
Oszillatorstufe (siehe Abb. 2).
Abb. 2: Hf-Teil
Als ‚Krone’ der ganzen Anordnung sind hier auch die hervorstechendsten Kuriositäten
realisiert:
Der Abstimmkreis enthält gleich vier Kuriositäten:
(1) Eingangs- und Oszillatorspule sind als ‚Schirmchen’ gewickelt, wobei die alte
Wickeltechnik für einlagige Korbspulen (siehe den Artikel über Korbspulen-Wickeln
http://www.jogis-roehrenbude.de/Spulenwickeln.htm) angewandt wurde, nur dass die
Wickel-Stifte nicht gerade sondern geeignet gekrümmt waren (Abb. 3). Als
Wickeldraht wurde ungewöhnlich dicker CuL-Draht (Durchmesser 0.8mm)
verwendet, um schöne große Schirme zu erhalten. Die Rückkopplungsspule des
Oszillator-Transformators ist ebenfalls als Korb gewickelt, und drehbar in der
Anodenkreiswicklung gelagert, um den Koppelgrad einstellen zu können. Eine
Flachspule bringt aufgrund zu schlechter Kopplung mit der Gitterspule bei der sehr
geringen Steilheit der Oszillatorröhre nicht die gewünschte Rückkopplung.
Abb. 3: Schwingkreisspulen und Abstimmkondensator
(2) Der Doppel-Abstimmkondensator ist kein Drehkondensator. Die variable Kapazität
wird hier in etwas außergewöhnlicher Weise durch Veränderung des Dielektrikums
erreicht. Im konkreten Fall wird als Dielektrikum doppelt destilliertes Wasser (Aqua
bidest) verwendet, dessen Niveau in einem kleinen Aquarium zwischen den
Kondensatorplatten verändert werden kann. Die Form der Kondensatorplatten (Abb. 3
und 4) ist dabei so berechnet, dass einerseits die Frequenz linear mit der
Füllstandshöhe abnimmt (daher konstante Frequenzdifferenz zwischen Oszillator und
Eingangskreis) und andererseits ein gewisser optischer Reiz durch die geschwungene
Form entsteht.
Abb. 4: Mit Wasser abgestimmter Doppel-Kondensator.
(3) Die Mischröhre (TUBE 3, Abb. 5) ist eine Sendetetrode der Type 860 (RCA) mit einer
besonders hübschen Kugelform.
Abb. 5: Mischröhre 860
in
Betrieb.
Im
Vordergrund ist auch
die Vorstufenpenthode
erkennbar.
(4) Die Oszillatorröhre (TUBE2) ist ein Nachbau der legendären R-Röhre von TM, die
aus
der
Werkstatt
von
Dr.
Rüdiger
Walz
(http://www.jogisroehrenbude.de/Leserbriefe/Ruediger-Walz-Seite.htm) stammt. Diese Röhre ist
optisch sehr ansprechend und auch von hervorragender technischer Qualität.
Der Schaltplan des Hf-Teils ist in Abb. 6 gegeben. Die Beschaltung der Hf-Vorstufe (TUBE1)
ist nichts Außergewöhnliches und wird daher nicht extra diskutiert, sie sollte für jeden
einigermaßen mit Röhrenschaltungen Vertrauten selbsterklärend sein.
Der Oszillator ist im Prinzip auch eine Standardschaltung, allerdings musste das
Rückkopplungsnetzwerk speziell optimiert werden, weil einerseits Wasser als Dielektrikum
des Abstimmkondensators trotz der hohen Reinheit relativ verlustbehaftet ist und die TMRöhre leider eine sehr geringe Steilheit hat. So musste die Sekundärseite des
Oszillatortransformators von der Form her sehr ähnlich gebaut werden wie der primärseitige
Korb, um durch die Geometrie einen einigermaßen hohen Kopplungsgrad zu ermöglichen.
Weiters musste für die Abnahme des Oszillatorsignals die Gitterspule in der Mitte angezapft
werden, um die Belastungsimpedanz für den Schwingkreis hinaufzutransformieren. Eine
detaillierte Berechnung zeigt, dass dieser Oszillator eine mit der Frequenz zunehmende
Amplitude aufweist, und bei hohen Frequenzen zu unerwünschten Pendelungen der
Schwingung (sogenanntes ‚Überschwingen’, siehe Meinke/Gundlach, Taschenbuch der
Hochfrequenztechnik, Springer, 1962, S. 1202) führen kann. Zum einen muss man daher die
Gitterkombination R4/C5 geeignet dimensionieren (möglichst kleine Zeitkonstante), zum
anderen erweist sich eine frequenzabhängige Last aus R5 und C6 als hilfreich, indem sie für
eine über den Abstimmbereich gleichmäßigere Amplitude sorgt.
Auch die Mischröhren-Beschaltung verdient eine kurze Erläuterung:
Üblicherweise
verwendet man für multiplikative Mischung, wie sie hier vorliegt, Mischhexoden oder –
heptoden, die sehr hohe Mischsteilheiten erlauben. Bei Verwendung von Tetroden liegen die
Verhältnisse wesentlich ungünstiger, da man kein eigenes Raumladegitter zur Verfügung hat,
und das erste Gitter quasi als Raumlade- und Steuergitter herhalten muss. Im vorliegenden
Fall wird der Arbeitspunkt der beiden Gitter so eingestellt, dass die Röhre möglichst gut im
Below’schen Stromverteilungsgebiet arbeitet, wo sie maximale Mischverstärkung erreicht.
Dabei muss das Gitter 2 etwas negativer sein als das Gitter 1. Dieser Arbeitspunkt unterliegt
einer gewissen Streuung, sodass die Potentiometer R6 und R7 vorgesehen sind, um bei
Röhrenwechsel nachtrimmen zu können. Da beide Gitter positiv vorgespannt sind, ist die
Steuerung natürlich nicht leistungslos, sondern bedingt eine Belastung für den speisenden
Kreis, i. e. den Oszillator und die Eingangsstufe.
Abb. 6: Hf- und Mischteil des Hydradio.
1.2
ZF-Teil, Audion und Abstimmanzeige
Der ZF-Teil (Abb. 7) ist ganz konventionell aufgebaut, wobei gewöhnliche, aus einem alten
AM-Empfänger ausgebaute 460 kHz-Filter eingesetzt wurden. Mit Ausblick auf eine
Erweiterung auf UKW-Empfang sind diese auch schon mit 10.7 MHz-Kreisen ausgestattet,
die allerdings hier im Schaltplan nicht dargestellt sind. Der ZF-Verstärker ist eine
amerikanische Tetrode vom Typ 124, wobei als optischer Aufputz die hübsche blaue Variante
von Arcturus zum Einsatz kommt. Als Demodulator fungiert die dem zweiten ZF-Kreis
folgende und als Audion geschaltete Röhre vom Typ 36. Die Röhren-Beschaltung (Abb. 9) ist
konventionell und bedarf wiederum keines speziellen Kommentars.
Abb. 7: Zf-Teil.
Beim Design der Abstimmanzeige wurde wiederum Wert auf Kuriosität gelegt (Abb. 8).
Anstelle eines magischen Auges kam eine Oszilloskopröhre vom Typ 3RP1A zum Einsatz,
die im xy-Betrieb arbeitet. Sie wird mit ca 600V Ultorspannung (bzw. hier richtiger: mit 300V Kathodenspannung und +300 V Ultorspannung) versorgt, was nicht ganz ihrer
Spezifikation (ca. 800 V) entspricht. Diese Type lässt aber bereits bei Spannung ab 300 V
schon eine gute Strahlfokussierung zu. Als x-Signal wird die NF-Spannung nach der
Endstufen-Vorröhre 201 angelegt, als y-Spannung die verstärkte ZF-Spannung. Das bewirkt,
dass die Höhe des Leuchtfleckes die Senderstärke anzeigt, während die Breite im Takte der
NF schwankt und damit ein gewisser ‚Lichtorgel’-Effekt erzielt wird. Die Verstärkung der
ZF-Spannung erfolgt ganz konventionell über eine Röhre vom Typ 39/44, die direkt vom ZFAusgangsfilter angesteuert wird. Die Fokussierung und Helligkeitsregelung der
Oszilloskopröhre kann mit den Potis R25 und R26 vorgenommen werden.
1.3
Abb. 8: Abstimmanzeige, hier wenig ausgesteuert.
Abb. 9: Zf- und Audionteil sowie Abstimmanzeige
1.4
Lautstärkeregelung
Auch die Lautstärke sollte in diesem Radio nicht konventionell mit einem Potentiometer
geregelt werden, sondern eben ‚anders’. Das in Abb. 9 eingezeichnete Poti R28 ist also nur
ein Trimmer für die grobe Voreinstellung der Maximallautstärke. Für das eigentliche ‚Crazy
volume control’ wird auf die Tatsache zurückgegriffen, dass starke Magnetfelder normal zur
Flugbahn der Elektronen diese ablenken und im Grenzfall den Elektronenfluss sogar
vollkommen abschnüren können. Daher wurde ein starker Permanentmagnet der Firma
Neotexx (http://www.neotexx.de/, Quader 50x30x12 mm, Art-Nr. MQ-018000-40) drehbar so
angeordnet, dass durch Verändern der Stellung die Verstärkung der Audionröhre variiert wird.
Das ist natürlich technisch nicht optimal, denn besser wäre eine Anordnung in der NFVorstufe, aber leider eignet sich die dort verwendete Super-Airline 201 nicht für diese
Methode, da diese Röhre aufgrund ihrer Geometrie sehr schlecht auf Magnetfelder reagiert.
1.5
Endstufe
Die Endstufe ist in Gegentaktschaltung realisiert, wobei eine Super-Airline 201 (TUBE 8) in
ihrer goldfarbigen Ausführung als Vorstufe, zwei blaue Arcturus 37 Trioden (TUBES 9, 10)
als Treiberstufen und zwei russische UO186 (kyrillisch YO186, TUBES 11, 12) als
‚Arbeitstiere’ fungieren. Die Röhren wurden wiederum weniger aufgrund spezieller Daten als
vielmehr aus optischen Gründen ausgewählt Abb. 10). Allerdings ist die UO186 gleichzeitig
auch eine sehr gute Leistungstriode mit 15W maximaler Anodenverlustleistung. Sie benötigt
eine ordentliche negative Gittervorspannung, daher ist im Netzteil eine entsprechende
Klemme mit -25V vorgesehen. Sowohl die UO186 als auch die 201 sind direkt geheizt und
müssen zur Reduktion des Brumms symmetrisch gespeist werden. Der leider derzeit noch
entstehende Restbrumm stammt hauptsächlich von der Restwelligkeit der Anodenspannung
und könnte in weiteren Ausbaustufen durch geeignete Gegenkopplung im Augangsübertrager
noch weiter reduziert werden, stört mich jedoch beim AM-Radio in Anbetracht der ohnehin
schlechten Tonqualität nicht besonders.
Abb. 10: Endstufe
Abb. 11: Endstufe des Hydradio. Lautsprecher können an den Ausgangsübertrager-Klemmen
A/B oder C/D angeschlossen werden.
1.6
Netzteil
Heizspannungen: Es werden folgende Versorgungsspannungen für die diversen Heizungen
benötigt:
2.5V AC: Quecksilberdampfgleichrichter sowie die 124 von Arcturus
4V AC: UO186, 201,
3.6V DC: TM-R-Replika
10V DC: 860
6.3V AC: 36, 39/44, Oszilloskopröhre
Die 860 wird mit DC-Spannung geheizt, um Brummodulationen zu vermeiden, die sehr
störend werden können, und aufgrund der nichtlinearen Mischcharakteristik leider auch noch
von der Stärke des Trägersignals abhängen.
Die AC-Spannungen werden ganz gewöhnlich von entsprechenden Heizwicklungen der
Trafos abgenommen, die DC-Spannung stellt jedoch ein gewisses Problem dar, da die
Heizung der 860 ca. 3 A benötigt, und das schafft man natürlich nicht mit VakuumGleichrichtern. Da andererseits keinesfalls Halbleiter-Gleichrichter zum Einsatz kommen
sollten, wurde ein Quecksilberdampfgleichrichter vom Typ E-M 15 (Electromatic) verwendet,
der für Batterieladezwecke entwickelt wurde und bis zu 6 A liefern kann (Abb. 12). Er wird
allerdings im Betrieb ordentlich heiß, daher ist etwas Vorsicht geboten. Die Röre wird mit 20
V AC gespeist und liefert dann bei einer Lichtbogenspannung von ca 10V etwa die
geforderten 10 V für die 860. Die genaue Spannung ist etwas schwer einzustellen, weil die
Bogenspannung von Quecksilberdampfgleichrichtern einer gewissen Streuung unterliegt. Das
ist sicher ein Schwachpunkt der Schaltung, da die 860 als Thoriumröhre weder unter- noch
überheizt werden sollte. Man könnte hier in einem Verbesserungsschritt evt. einen
Eisenwasserstoffwiderstand entsprechender Stromstärke (3 A) vorsehen. Eine gute Siebung
über eine Kondensatorbatterie von 4 x 16000 µF und eine Drossel ist jedenfalls notwendig,
um die Brummodulation in der 860 minimal zu halten.
Abb. 12: Quecksilberdampfgleichrichter
E-M 15 gezündet. Links oben ist auch die
Oszillatorröhre (TM ‚R’) ‚bei der Arbeit’
zu sehen.
Anodenspannung: Die Anodenspannung wird über zwei Quecksilberdampfgleichrichter
doppelweg-gleichgerichtet und dann über übliche RLC-Siebglieder geglättet. Die Type der
Hg-Gleichrichter ist nicht so wichtig, wenn sie nur für 2.5 V und 200mA spezifiziert ist. In
meinem Fall kommt die optisch recht schöne Type 249 bzw. die von Taylor gebaute
ballonförmige Variante der 866 zum Einsatz, die ein sehr großräumiges blaues Leuchten
garantiert. Dieses Leuchten kann noch auf interessante Art fokussiert und verzerrt werden,
wenn man einen starken Magneten richtig in der Nähe positioniert (siehe Abb. 13). Ich weiß
allerdings nicht, ob diese Betriebsart für die Röhre sehr ‚gesund’ ist, da damit natürlich die
Ionenströme nicht mehr gleichmäßig auf die Kathode verteilt werden, und evt. lokale
Überlastungen auftreten könnten.
Abb. 13: Verformung der blau leuchtenden
Gaszone
im
Taylor
249
Quecksilberdampfgleichrichter durch ein
Magnetfeld.
Magnet
1.7
Diskussion
Der Einbau von Kuriositäten impliziert dass das Radio aus technischer Sicht nicht voll
optimiert ist. Es funktioniert zwar durchaus befriedigend, aber man muss sicher bei der
Audioqualität und dem Signal/Rausch-Verhältnis ein paar Abstriche machen. So ist die
Selektivität des Eingangskreises nicht gerade berauschend, weil die Verwendung von
destilliertem Wasser als Dielektrikum des Abstimmkondensators eine relativ geringe Güte der
Schwingkreise bedingt. Das ist dadurch bedingt, dass die Leitfähigkeit selbst doppelt
destillierten Wassers immer noch so merklich ist, dass je nach Frequenz ein
Verlustwiderstand zwischen 10 und 100 kΩ auftritt. Dummerweise sinkt die Güte mit
sinkender Frequenz, sodass die Performance auch noch frequenzabhängig ist. Hier könnte
man evt. mit frequenzabhängigen aktiven Entdämpfungsmaßnahmen noch einige
Verbesserungen vornehmen. Die Begrenzung der Güte durch das destillierte Wasser wirkt
sich im Oszillatorkreis natürlich noch schädlicher aus, weil sie besonders bei tiefen
Frequenzen bis zum Abreißen der Schwingung führen kann. Daher besteht seit einiger Zeit
auch die Überlegung, nach anderen polaren Medien zu suchen, die geringere Leitfähigkeiten
bei gleichzeitig ausreichend hohen Dielektrizitätszahlen aufweisen.
Die TM ‚R’ ist zwar optisch sehr hübsch, aber als Oszillatorröhre aufgrund ihrer kleinen
Steilheit (um 0.2 mS) auch nicht gerade das beste Bauelement. Die in diesem Fall für den
Schwingungseinsatz nötige Kopplung zwischen Schwingkreis- und Anodenspule ist relativ
hoch und bedingt daher eine vergleichsweise starke zusätzlichen Bedämpfung des Resonators
durch den Ausgangswiderstand der Röhre. Das bedingt einen höheren Phasenjitter als dies bei
steileren Röhren der Fall wäre. Auf Mittelwelle fällt das jedoch zum Glück praktisch nicht auf
und so konnte das erklärte Ziel, eben die ‚R’ als historisch interessantes Bauelement
einzusetzen, erreicht werden.
Gerade auf Mittelwelle wäre natürlich auch eine automatische Schwundregelung
wünschenswert. Ein ‚ausgeflipptes’ Konzept dafür wurde auch bereits getestet, aber noch
nicht endgültig implementiert. Dabei wird wiederum die Magnetfeld-Methode für die
Verstärkungsregelung verwendet, und zwar durch die automatische Verstellung der
Entfernung eines starken Magneten vom Elektrodensystem der Mischröhre. Der Magnet ist
zwar aufgrund der Form des Glaskolbens der 860 relativ weit vom Elektrodensystem entfernt,
allerdings genügen bei der hier gewählten Art der Mischung zum Glück bereits relativ kleine
Magnetfelder, da der Arbeitspunkt für optimale Mischverstärkung relativ kritisch ist. Der
Magnet wurde im Testaufbau reibungsarm auf einem gut ausbalancierten Dreharm befestigt,
der auf dem Lesekopfantrieb einer ausgeschlachteten Computerfestplatte gelagert ist. Damit
kann der Schwenkarm direkt über die Erregerspule des Lesekopfantriebs ausgelenkt werden,
und zwar genügen hier relativ geringe Ströme im Bereich einiger zig mA. Das sind Ströme,
die von einer steilen Leistungspentode ohne besondere Schaltungstricks geliefert werden
können. Jedenfalls sind geeignete Röhren im derzeitigen Radio bereits eingebaut, aber noch
nicht aktiviert (‚AGC’, ‚reserved’ in Abb. 1. Aus ‚künstlerischer’ Sicht möchte ich zu dem
Projekt nichts schreibenn, ich denke, hier sollte man einfach nur die Bilder sprechen lassen.
Abb. 14: ‚Romantic Hydradio’ im abgedunkelten Raum.
1.8
Danksagung:
Ich möchte mich an dieser Stelle herzlich bei meinen Arbeitskollegen Ing. Walter Gmeindl
und Ing. Wolfgang Wieser für die tatkräftige Hilfe bei der Herstellung verschiedenster
mechanischer Komponenten und beim optischen ‚Feintuning’ des Gerätes. Und last but not
least danke ich meiner Schwester Astrid herzlich für etliche kreative Ideen was das
künstlerische Design des Hydradios angeht.