Neutralisierung im ZF-Teil von UKW-Empfängern
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ID: 138094
Neutralisierung im ZF-Teil von UKW-Empfängern
07.Apr.07 19:32
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1. Die Problemstellung:
Schon zu Zeiten des AM-Rundfunks waren die Probleme der Rückwirkungen in ZF-Stufen durchaus bekannt, aber mit dem Aufkommen des UKW-Rundfunks und den damit verbundenen viel höheren Frequenzen und Bandbreiten nahmen die Probleme stark zu. Die Verdrahtungen mußten jetzt besonders sorgfältig ausgeführt werden, um sowohl induktive als auch kapazitive Verkopplungen von Ausgangs- und Eingangs-Schwingkreis zu minimieren. Als aktive Bauelemente wurden Pentoden mit besonders niedrigen Zuleitungsinduktivitäten und Rückwirkungskapazitäten entwickelt. Am kritischsten ist die Rückwirkungskapazität vom Anoden- zum Gitterkreis. Und das, obwohl dieses Cga bei einer Pentode mit unter 0,01 pf schon deutlich unter dem einer Triode liegt (typ. 2 pF)! Hinzu kommen noch die unvermeidbaren Verdrahtungskapazitäten, die durchaus in der gleichen Größenordung liegen können.
Dieses Cga bewirkt bei Mittenfrequenz (10,7 MHz) durch Gegenkopplung einen merklichen Verstärkungsverlust. Etwas unterhalb der Mittenfrequenz (etwa bei der -3dB-Eckfrequenz) schlägt diese Gegenkopplung aber in eine Mitkopplung um und entdämpft die Kreise: die Stufe wird instabil und neigt zur Selbsterregung. Oberhalb der Mittenfrequenz dagegen werden die Kreise noch mehr als bei Mittenfrequenz gedämpft. Den sich ergebenden Frequenzgang einer typischen einzelnen ZF-Stufe zeigt Bild 1:
Bild 1 (aus [1]): Gemessene Selektionskurven einer ZF-Stufe mit Eingangs- und Ausgangskreis
a) ohne Rückkopplung
b) bei Rückkopplung über Cga
c) bei Überneutralisation
Wie man sieht, verstimmt sich scheinbar die Mittenfrequenz, und die Durchlaßkurve verformt sich stark. Die Pegelunterschiede zwischen unterer und oberer Eckfrequenz können bei üblichen Dimensionierungen durchaus 3:1 betragen! Je größer die Stufenverstärkung ist, desto größer wird die Unsymmetrie. Ein kompletter ZF-Verstärker, der aus mehreren solchen Stufen hoher Verstärkung besteht und Bandfilterkopplung aufweist, wird also mit Sicherheit eine unbrauchbare Durchlaßkurve aufweisen.
Selbst wenn es im Einzelfall gelingen sollte, die Unsymmetrie durch gezielten Abgleich mit dem Wobbler einigermaßen in den Griff zu bekommen, dann bleibt immer noch die Instabilität der Stufe und die Empfindlichkeit gegenüber Kapazitätsänderungen z.B. beim Regeln oder beim Röhrenwechsel. Eine andere Gegenmaßnahme wäre die, einfach die Verstärkung zu reduzieren, z.B. durch Anzapfen der Schwingkreise. Damit reduziert man auch die Rückkopplung. Besonders bei Spitzengeräten kann man aber wegen der erzielten hochwertigen Begrenzungseigenschaften nicht auf Verstärkung verzichten und muß deshalb das Cga mit einer Brückenschaltung neutralisieren.
2. Die Anodenneutralisation:
Bild 2 (aus [1]): Anodenneutralisation
a) HF-Ersatzschaltung
b) Brückenschaltung
Der HF-Abblockkondensator im Anodenkreis wird nur so groß gewählt, daß an ihm noch eine kleine HF-Spannung entsteht, die dem Gitterkreis über Cn zugeführt wird. Aufgrund der kapazitiven Spannungsteilung zwischen C1 (das ist ein Teil des Schwingkreiskondensators und Cak) und C2 (der Abblockkondensator) ist die rückgeführte Spannung in Gegenphase zur Spannung an der Anode, wirkt also entdämpfend. Cga ist neutralisiert, wenn die Brücke abgeglichen ist, wenn also gilt: Cga:Cn = C1:C2.
3. Die Gitterneutralisation:
Bild 3 (aus [1]): Gitterneutralisation
Hier wird die Phasendrehung nicht im Anoden- sondern im Gitterkreis vorgenommen. Die Ausgangs-HF wird dem Gitterkreis über Cn zugeführt.
4. Die Schirmgitterneutralisation:
Bild 4 (aus [1]): Schirmgitterneutralisation
a) HF-Ersatzschaltung
b) Brückenschaltung
Die Phasendrehung erfolgt genau wie bei der Anodenneutralisation im Ausgangskreis. Nur wird die Rückkopplung hier nicht zum Steuer- sondern zum Schirmgitter geführt. Dabei ist Cg2k der Abblockkondensator der Schirmgitterversorgung. Cga ist neutralisiert, wenn die Brücke abgeglichen ist, wenn also gilt: Cga:Cg2g1 = Cak:Cg2k.
Diese Schaltungsart ist weit verbreitet, denn sie kommt ohne zusätzliche Bauelemente aus. Außerdem hat sie den Vorteil gegenüber der Anodenneutralisation, daß es kein kritisches Cn gibt, das wegen des recht niedrigen Cga meistens nur um 2pF groß sein darf.
Ein praktisches Beispiel zeigt Bild 5:
Bild 5: Schaltungsauszug Grundig 5040W/3D
Bei der ersten ZF-Stufe bildet C79 den Cg2k, bei der zweiten ist es C85. Die Schwingkreiskapazitäten sind C68 bzw. C72. Die Anodenkreise sind über C80 bzw. C59 abgeblockt, und zwar nicht gegen Masse, sondern gegen das Schirmgitter! Daran kann man die Schirmgitterneutralisation auf den ersten Blick erkennen! Diese Kondensatoren erscheinen nicht in den HF-Ersatzschaltbildern, denn die daran abfallende HF interessiert in diesem Zusammenhang nicht.
5. Rechenbeipiele für die Schirmgitterneutralisation:
Der Einfluß von Cga ist bei abgeglichener Brücke neutralisiert, wenn also gilt: Cga:Cg1g2 = Cak:Cg2k. Das Problem ist dabei die genaue Bestimmung von Cga, Cg2g1 und Cak sowie der hinzukommenden Schaltkapazitäten, um das erforderliche Cg2k zu errechnen. In Röhrendatenbüchern fehlen oft die Angaben von Cg2g1 und Cak. Dann geht Probieren über Studieren, sprich: erst die unbekannten C-Werte messen, dann rechnen, Wert einbauen und wieder das Ergebnis nachmessen, usw.! Die folgenden Beispiele können daher nur als grobe Anhaltspunkte für die auftretenden Größenordnungen dienen:
Beispiel 1:
Es sei gegeben: ZF-Stufe mit der älteren EF14.
Gegeben: Cga=0,01pF, Cg2g1=ca.5pF, Cak=10pF(incl. Cg3k)
=> Erforderlicher Schirmgitterkondensator: Cg2k=ca.5nF
Beispiel 2:
Es sei gegeben die erste ZF-Stufe des Grundig 5040W/3D mit EF89. Das Cga der Röhre alleine liegt bei unter 0,002pF, aber der Wert wird sich wegen der Verdrahtungskapazitäten wohl kaum halten lassen. Nehmen wir also sicherheitshalber den doppelten Wert an und bestimmen den Wert von Cak anhand des verwendeten Cg2k:
Gegeben: Cga=ca.0,004pF, Cg2k=C79=10nF, Cg2g1=ca.2,5pF(?)
=> Cak=ca.16pF
Beispiel 3:
Bei der zweiten ZF-Stufe des Grundig 5040W/3D ist Cg2k nur 2nF:
Gegeben: Cga=ca.0,004pF, Cg2k=C85=2nF, Cg2g1=ca.2,5pF(?)
=> Cak=ca.3,2pF
Dieser Wert ist sehr niedrig. Offensichtlich fällt hier die zusätzliche Lastkapazität an der Anode extrem gering aus, oder aber die Stufe ist bewußt überneutralisiert worden.
6. Die Praxis:
Einige Worte müssen noch zur praktischen Bauteiledimensionierung gesagt werden: An sich ist ein Cg2k kein problematisches Bauteil. Bei der Schirmgitterneutralisation aber doch! Man mag jede Brückenschaltung noch so genau berechnen können: Wie wir unter Punkt 5. gesehen haben, wird man angesichts der sehr kleinen Rückwirkungskapazitäten und des großen Einflusses der Verdrahtungskapazitäten aber nie um praktische Versuche herumkommen, schon gar nicht in der Großserienfertigung. In der Praxis hat man den richtigen Wert für Cg2k und auch seinen Massepunkt denn auch meistens experimentell ermittelt, oftmals als Kompromiß zwischen den Betriebsarten eines kombinierten AM- und FM-ZF-Verstärkers.
Als Cg2k wird i.a. ein möglichst induktionsarmer Kondensator mit bestimmten Zuleitungslängen und damit definierter Serieninduktivität verwendet. Deshalb ist bei Reparaturen besonders darauf zu achten, daß man die Verdrahtung möglichst nicht verbiegt, und daß man sich bemüht, einen hinsichtlich Gesamt-Serien-Induktivität möglichst vergleichbaren Cg2k zu verwenden. Ein nicht ganz leichtes Unterfangen, das mitunter einen tiefen Griff in die Ersatzteilkiste erfordert...
Literatur:
[1] H. Rothe (Hrsg.): Die (Telefunken-)Röhre im UKW-Empfänger, Franzis-Verlag, Band III, 1952.
Die ganze Buchreihe empfiehlt sich bestens für technisch Interessierte, die sich mit Details rund um den UKW-Rundfunk genauer beschäftigen wollen.
Edit 07.04.07: Rechenbeispiele ergänzt.
Schon zu Zeiten des AM-Rundfunks waren die Probleme der Rückwirkungen in ZF-Stufen durchaus bekannt, aber mit dem Aufkommen des UKW-Rundfunks und den damit verbundenen viel höheren Frequenzen und Bandbreiten nahmen die Probleme stark zu. Die Verdrahtungen mußten jetzt besonders sorgfältig ausgeführt werden, um sowohl induktive als auch kapazitive Verkopplungen von Ausgangs- und Eingangs-Schwingkreis zu minimieren. Als aktive Bauelemente wurden Pentoden mit besonders niedrigen Zuleitungsinduktivitäten und Rückwirkungskapazitäten entwickelt. Am kritischsten ist die Rückwirkungskapazität vom Anoden- zum Gitterkreis. Und das, obwohl dieses Cga bei einer Pentode mit unter 0,01 pf schon deutlich unter dem einer Triode liegt (typ. 2 pF)! Hinzu kommen noch die unvermeidbaren Verdrahtungskapazitäten, die durchaus in der gleichen Größenordung liegen können.
Dieses Cga bewirkt bei Mittenfrequenz (10,7 MHz) durch Gegenkopplung einen merklichen Verstärkungsverlust. Etwas unterhalb der Mittenfrequenz (etwa bei der -3dB-Eckfrequenz) schlägt diese Gegenkopplung aber in eine Mitkopplung um und entdämpft die Kreise: die Stufe wird instabil und neigt zur Selbsterregung. Oberhalb der Mittenfrequenz dagegen werden die Kreise noch mehr als bei Mittenfrequenz gedämpft. Den sich ergebenden Frequenzgang einer typischen einzelnen ZF-Stufe zeigt Bild 1:
Bild 1 (aus [1]): Gemessene Selektionskurven einer ZF-Stufe mit Eingangs- und Ausgangskreis
a) ohne Rückkopplung
b) bei Rückkopplung über Cga
c) bei Überneutralisation
Wie man sieht, verstimmt sich scheinbar die Mittenfrequenz, und die Durchlaßkurve verformt sich stark. Die Pegelunterschiede zwischen unterer und oberer Eckfrequenz können bei üblichen Dimensionierungen durchaus 3:1 betragen! Je größer die Stufenverstärkung ist, desto größer wird die Unsymmetrie. Ein kompletter ZF-Verstärker, der aus mehreren solchen Stufen hoher Verstärkung besteht und Bandfilterkopplung aufweist, wird also mit Sicherheit eine unbrauchbare Durchlaßkurve aufweisen.
Selbst wenn es im Einzelfall gelingen sollte, die Unsymmetrie durch gezielten Abgleich mit dem Wobbler einigermaßen in den Griff zu bekommen, dann bleibt immer noch die Instabilität der Stufe und die Empfindlichkeit gegenüber Kapazitätsänderungen z.B. beim Regeln oder beim Röhrenwechsel. Eine andere Gegenmaßnahme wäre die, einfach die Verstärkung zu reduzieren, z.B. durch Anzapfen der Schwingkreise. Damit reduziert man auch die Rückkopplung. Besonders bei Spitzengeräten kann man aber wegen der erzielten hochwertigen Begrenzungseigenschaften nicht auf Verstärkung verzichten und muß deshalb das Cga mit einer Brückenschaltung neutralisieren.
2. Die Anodenneutralisation:
Bild 2 (aus [1]): Anodenneutralisation
a) HF-Ersatzschaltung
b) Brückenschaltung
Der HF-Abblockkondensator im Anodenkreis wird nur so groß gewählt, daß an ihm noch eine kleine HF-Spannung entsteht, die dem Gitterkreis über Cn zugeführt wird. Aufgrund der kapazitiven Spannungsteilung zwischen C1 (das ist ein Teil des Schwingkreiskondensators und Cak) und C2 (der Abblockkondensator) ist die rückgeführte Spannung in Gegenphase zur Spannung an der Anode, wirkt also entdämpfend. Cga ist neutralisiert, wenn die Brücke abgeglichen ist, wenn also gilt: Cga:Cn = C1:C2.
3. Die Gitterneutralisation:
Bild 3 (aus [1]): Gitterneutralisation
Hier wird die Phasendrehung nicht im Anoden- sondern im Gitterkreis vorgenommen. Die Ausgangs-HF wird dem Gitterkreis über Cn zugeführt.
4. Die Schirmgitterneutralisation:
Bild 4 (aus [1]): Schirmgitterneutralisation
a) HF-Ersatzschaltung
b) Brückenschaltung
Die Phasendrehung erfolgt genau wie bei der Anodenneutralisation im Ausgangskreis. Nur wird die Rückkopplung hier nicht zum Steuer- sondern zum Schirmgitter geführt. Dabei ist Cg2k der Abblockkondensator der Schirmgitterversorgung. Cga ist neutralisiert, wenn die Brücke abgeglichen ist, wenn also gilt: Cga:Cg2g1 = Cak:Cg2k.
Diese Schaltungsart ist weit verbreitet, denn sie kommt ohne zusätzliche Bauelemente aus. Außerdem hat sie den Vorteil gegenüber der Anodenneutralisation, daß es kein kritisches Cn gibt, das wegen des recht niedrigen Cga meistens nur um 2pF groß sein darf.
Ein praktisches Beispiel zeigt Bild 5:
Bild 5: Schaltungsauszug Grundig 5040W/3D
Bei der ersten ZF-Stufe bildet C79 den Cg2k, bei der zweiten ist es C85. Die Schwingkreiskapazitäten sind C68 bzw. C72. Die Anodenkreise sind über C80 bzw. C59 abgeblockt, und zwar nicht gegen Masse, sondern gegen das Schirmgitter! Daran kann man die Schirmgitterneutralisation auf den ersten Blick erkennen! Diese Kondensatoren erscheinen nicht in den HF-Ersatzschaltbildern, denn die daran abfallende HF interessiert in diesem Zusammenhang nicht.
5. Rechenbeipiele für die Schirmgitterneutralisation:
Der Einfluß von Cga ist bei abgeglichener Brücke neutralisiert, wenn also gilt: Cga:Cg1g2 = Cak:Cg2k. Das Problem ist dabei die genaue Bestimmung von Cga, Cg2g1 und Cak sowie der hinzukommenden Schaltkapazitäten, um das erforderliche Cg2k zu errechnen. In Röhrendatenbüchern fehlen oft die Angaben von Cg2g1 und Cak. Dann geht Probieren über Studieren, sprich: erst die unbekannten C-Werte messen, dann rechnen, Wert einbauen und wieder das Ergebnis nachmessen, usw.! Die folgenden Beispiele können daher nur als grobe Anhaltspunkte für die auftretenden Größenordnungen dienen:
Beispiel 1:
Es sei gegeben: ZF-Stufe mit der älteren EF14.
Gegeben: Cga=0,01pF, Cg2g1=ca.5pF, Cak=10pF(incl. Cg3k)
=> Erforderlicher Schirmgitterkondensator: Cg2k=ca.5nF
Beispiel 2:
Es sei gegeben die erste ZF-Stufe des Grundig 5040W/3D mit EF89. Das Cga der Röhre alleine liegt bei unter 0,002pF, aber der Wert wird sich wegen der Verdrahtungskapazitäten wohl kaum halten lassen. Nehmen wir also sicherheitshalber den doppelten Wert an und bestimmen den Wert von Cak anhand des verwendeten Cg2k:
Gegeben: Cga=ca.0,004pF, Cg2k=C79=10nF, Cg2g1=ca.2,5pF(?)
=> Cak=ca.16pF
Beispiel 3:
Bei der zweiten ZF-Stufe des Grundig 5040W/3D ist Cg2k nur 2nF:
Gegeben: Cga=ca.0,004pF, Cg2k=C85=2nF, Cg2g1=ca.2,5pF(?)
=> Cak=ca.3,2pF
Dieser Wert ist sehr niedrig. Offensichtlich fällt hier die zusätzliche Lastkapazität an der Anode extrem gering aus, oder aber die Stufe ist bewußt überneutralisiert worden.
6. Die Praxis:
Einige Worte müssen noch zur praktischen Bauteiledimensionierung gesagt werden: An sich ist ein Cg2k kein problematisches Bauteil. Bei der Schirmgitterneutralisation aber doch! Man mag jede Brückenschaltung noch so genau berechnen können: Wie wir unter Punkt 5. gesehen haben, wird man angesichts der sehr kleinen Rückwirkungskapazitäten und des großen Einflusses der Verdrahtungskapazitäten aber nie um praktische Versuche herumkommen, schon gar nicht in der Großserienfertigung. In der Praxis hat man den richtigen Wert für Cg2k und auch seinen Massepunkt denn auch meistens experimentell ermittelt, oftmals als Kompromiß zwischen den Betriebsarten eines kombinierten AM- und FM-ZF-Verstärkers.
Als Cg2k wird i.a. ein möglichst induktionsarmer Kondensator mit bestimmten Zuleitungslängen und damit definierter Serieninduktivität verwendet. Deshalb ist bei Reparaturen besonders darauf zu achten, daß man die Verdrahtung möglichst nicht verbiegt, und daß man sich bemüht, einen hinsichtlich Gesamt-Serien-Induktivität möglichst vergleichbaren Cg2k zu verwenden. Ein nicht ganz leichtes Unterfangen, das mitunter einen tiefen Griff in die Ersatzteilkiste erfordert...
Literatur:
[1] H. Rothe (Hrsg.): Die (Telefunken-)Röhre im UKW-Empfänger, Franzis-Verlag, Band III, 1952.
Die ganze Buchreihe empfiehlt sich bestens für technisch Interessierte, die sich mit Details rund um den UKW-Rundfunk genauer beschäftigen wollen.
Edit 07.04.07: Rechenbeispiele ergänzt.
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.
Prima!
07.Apr.07 22:09
Hallo Andreas,
Herzlichen Dank für diesen sehr interessanten Beitrag.
Fachlich kompetent und anschaulich erläutert!
So macht die Schaltungsanalyse Spaß!
Gruß Thomas
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.