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Funkempfänger & Funkempfängertechnik

Rückkopplung (Radio)

Bei der Rückkopplung in Rückkopplungsempfängern wird ein Teil der Hochfrequenz vom Ausgang der Hochfrequenzstufe phasenrichtig auf den Eingang so zurückgeführt, dass zwar eine Verstärkung, aber noch kein Schwingeinsatz (also keine Selbsterregung) erfolgt, die Kreisverstärkung also noch kleiner als Eins bleibt. Durch die Rückkopplung wird der Schwingkreis entdämpft und die Trennschärfe erhöht, gleichzeitig wird die Bandbreite des Eingangskreises verringert. Die Art des Empfängers (Röhrenempfänger oder Transistorempfänger) spielt dabei keine Rolle.

Mit der Rückkopplung wurde in frühen analogen Radioempfängern mit geringem technischen Aufwand (wenige Elektronenröhren) eine Empfangsqualität erreicht, die hinsichtlich der Trennschärfe und Empfindlichkeit dem Überlagerungsempfänger fast gleichwertig ist. „Lange Jahre war das Rückkopplungsaudion in seinen mannigfaltigen Formen der wichtigste Baustein der Funkempfangstechnik“, schreibt Walter Conrad. „Ein sorgfältig aufgebautes, mit stabilen Spannungen gespeistes und richtig bedientes Rückkopplungsaudion ist hinsichtlich der Trennschärfe und Empfindlichkeit dem Überlagerungsempfänger fast gleichwertig.“^[1]

Der Bedienknopf für die Einstellung der Rückkopplung ist ein typisches Merkmal fast aller Rundfunkempfänger, die keine Überlagerungsempfänger (Super) sind. Die Rückkopplung der Hochfrequenz (Trägerfrequenz) ermöglicht theoretisch eine unendliche Verstärkung und eine unendliche Güte.^[2]

Das Schaltungsprinzip „Rückkopplung der Hochfrequenz“ verdrängte weitgehend das Prinzip des „negativen dynamischen Widerstandes“, das in sogenannten Funkensendern angewendet wurde.^[3] Deshalb ist die Entwicklung der Funktechnik einschließlich der Überlagerungsempfänger ohne das Konzept der Rückkopplung fast nicht vorstellbar.^[4][5]

Wegen der Einbeziehung eines Schwingkreises in den Rückkopplungskreis ist eine vereinfachte Sicht auf die Stabilitätsbedingungen möglich. ^[6]

Rückkopplung zur Erzeugung von Schwingungen wird in Rundfunkempfängern in Oszillatorschaltungen genutzt. Die Anwendung reicht dabei vom Oszillatorkreis in Superhetschaltungen bis zu analogen Stereodekodern.

[Bearbeiten] Rückkopplung im HF-Verstärker

Typische Röhrenkennlinie mit Arbeitspunkten und Aussteuerungsbereichen

Die typische Lösung war das Röhrenaudion mit Rückkopplung, bei dem die Röhre als weitgehend linearer Verstärker sowohl für das hochfrequente als auch für das niederfrequente Signal arbeitet. Zunächst wird jedoch der etwas einfachere Fall eines Hochfrequenzverstärkers betrachtet.

Auf dem nebenstehenden Bild ist die Abhängigkeit des Anodenstroms einer Röhre^[7] von der auf die Kathode bezogenen Spannung am Gitter dargestellt (schwarz).

Die rote Linie zeigt die Spannung, die an einem Widerstand von 40 Ohm in der Kathodenleitung bei dem jeweiligen Anodenstrom abfallen würde. Diese Spannung ist bei der sogenannten „automatischen Gittervorspannungserzeugung“ die den Arbeitspunkt bestimmende Gittervorspannung. Der Schnittpunkt mit der Kennlinie ist der Arbeitspunkt, der sich bei diesem Kathodenwiderstand einstellt. Der Widerstand ist für die Hochfrequenz durch einen Kondensator überbrückt und braucht nicht weiter betrachtet zu werden.

Das rote Dreieck charakterisiert die Verstärkung. Dabei ist es für die Betrachtung unerheblich, dass die Gitterspannungsänderung eine Anodenstromänderung hervorruft.

Die blaue Linie entspricht einem größeren Kathodenwiderstand (fast 200 Ohm), und das blaue Dreieck zeigt, dass die Verstärkung bei diesem Arbeitspunkt kleiner ist. Das große grüne Dreieck zeigt, dass die Verstärkung bei demselben Arbeitspunkt mit steigender Aussteuerung (6 V) – also bei größerem Signal – sinkt.

Diese Nichtlinearität ist für die Rückkopplung wesentlich, weil die durch die Rückkopplung gewonnene Vergrößerung des Signals bei einer Einstellung knapp unterhalb der Selbsterregung dazu führt, dass die Verstärkung sinkt und so der Abstand zum kritischen Punkt „automatisch“ wieder größer wird. Bei einer Rückkopplung mit dieser Eigenschaft spricht man von einem „weichen“ Schwingeinsatz.

[Bearbeiten] Rückkopplung bei der Anodengleichrichtung

Bei der Anodengleichrichtung ist eine automatische Erzeugung der Gittervorspannung nicht sinnvoll. Bei der gezeigten Kennlinie müsste der Arbeitspunkt bei - 10 V liegen, aber bei diesem Arbeitspunkt würde kein Anodenstrom fließen. Das hellbraune Dreieck zeigt, dass die für eine Halbschwingung gezeigte Verstärkung bei diesem Arbeitspunkt gering ist. Die Rückkopplung führt hier zu einer Vergrößerung der Verstärkung, und das bedeutet, dass sich die Einstellung nicht „automatisch stabilisiert“. Deshalb ist eine Rückkopplung bei der Anodengleichrichtung zwar möglich, aber schlecht bedienbar. Man spricht von einem „harten“ Rückkopplungseinsatz.^[8] Praktisch bedeutet das, dass die Annäherung an den kritischen Punkt nicht ausgenutzt werden kann, die erreichbare Gesamtverstärkung ist deshalb deutlich geringer als bei der HF-Verstärkerstufe.

Ein weiterer negativer Aspekt liegt in der Abhängigkeit der in den Halbschwingungen enthaltenen Komponente der HF (Fourieranalyse) von der Genauigkeit des Arbeitspunktes (Schwellwert).

[Bearbeiten] Rückkopplung bei der Gittergleichrichtung

Bei der Gittergleichrichtung liegt der Arbeitspunkt stets so, dass die positiven Halbschwingungen den Gitterstromeinsatzpunkt leicht überschreiten. Der Arbeitspunkt liegt also im steilen Teil der Kennlinie und wird nach unten verschoben, wenn das Signal durch die Wirkung der Rückkopplung größer wird. Auch bei der Gittergleichrichtung ergibt sich ein „weicher“ Rückkopplungseinsatz.

Bei der Gittergleichrichtung ist der Gitterstrom während des Stromflusswinkels von der aktuellen Änderung des Wertes des NF-Signals abhängig. Auch dieser Gitterstrom führt zu einer Veränderung des Anodenstromes und enthält eine signalabhängige Komponente der Hochfrequenz. Diese Komponente ist in der Regel unter einem Prozent und ergibt um den kritischen Punkt herum einen unsicheren Bereich. Dieser führt dazu, dass die Annäherung an den kritischen Punkt schlechter als im HF-Verstärker ausgenutzt werden kann. Diesem Nachteil stehen jedoch die Vorteile der gleichzeitigen NF-Verstärkung^[9] und der Einsparung einer Röhre für die Gleichrichtung gegenüber.

Diese Schaltungsanordnung wurde als Audion bezeichnet und bestimmte das Konzept der Empfängerschaltungen der Volksempfänger bzw. nach dem zweiten Weltkrieg der Einkreisempfänger, bis es vom Überlagerungskonzept abgelöst wurde.

[Bearbeiten] Rückkopplung im Überlagerungsempfänger

Der Überlagerungsempfänger enthält eine Oszillatorschaltung, die fast immer eine Rückkopplung enthält^[10] und die Empfangsfrequenz bestimmt. Die im vorliegenden Artikel dargestellten Aspekte sind für die Eigenschaften des Oszillators jedoch nur dann relevant, wenn besonderer Wert auf einen geringen Anteil der Oberschwingungen gelegt wird.

Es gab Überlagerungsempfänger, in denen ein Audion mit fest eingestellter Rückkopplung zur Gleichrichtung benutzt wurde. Weil bei diesem Audion die Annäherung an den kritischen Punkt nicht angestrebt wurde, liegt seine Betrachtung ebenfalls neben dem Thema. Beim Tropadyne wird der Arbeitspunkt analog zur Gittergleichrichtung eingestellt.

[Bearbeiten] Die Trennschärfe

Die Wirkung der Rückkopplung auf den im Rückkopplungskreis vorhandenen Schwingkreis wird als Entdämpfung beschrieben. Plausibel ist jedoch auch die folgende, einfache Erklärung: Der kritische Punkt der Kreisverstärkung darf nur bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises angenähert werden. Abseits dieser Frequenz ist die Kreisverstärkung geringer. Damit ist auch die Wirkung der Rückkopplung geringer. Der unmittelbare Bereich um die Resonanzfrequenz wird stärker angehoben, womit sich die Trennschärfe verbessert.

Die Verbesserung der Trennschärfe entspricht einer geringeren Bandbreite im NF-Bereich. Einige Einkreisempfänger enthielten eine sogenannte Tonblende, mit der die hohen Frequenzen zusätzlich unterdrückt werden konnten. Pfeifgeräusche, die von Sendern verursacht wurden, die den Frequenzabstand zu den Nachbarsendern nicht einhielten, konnten so zusätzlich unterdrückt werden.

Im Rückkopplungskreis darf sich nur ein Schwingkreis befinden, weil die Instabilität eines weiteren Kreises zu einer Instabilität der Verstärkung führen würde. Umgekehrt gilt: Wenn sich ein Schwingkreis innerhalb eines Rückkopplungskreises nahe der kritischen Einstellung befindet, dann bestimmt dieser Schwingkreis fast ausschließlich den Sender und die Trennschärfe.

Das Konzept eines Empfängers mit Rückkopplung unterscheidet sich also wesentlich von dem eines Überlagerungsempfängers, weil bei letzterem alle Schwingkreise mehr oder weniger gleichmäßig zu der erreichten Trennschärfe beitragen.

Im Mehrkreisempfänger dienen die zusätzlichen Kreise vorrangig der Vermeidung von Kreuzmodulation und werden oft erst nach der eigentlichen Senderwahl mit Hilfe von Zusatzhebeln so nachgestellt, dass sich die maximale Lautstärke ergibt.

[Bearbeiten] Oszillatoren

Rückkopplung mit Selbsterregung wird in Empfängerschaltungen oft in Oszillatorschaltungen angewendet. Bei ihnen ist die Kreisverstärkung gleich Eins und es tritt Selbsterregung auf. Sie werden zum Beispiel in Superhetempfängern verwendet, aber auch um unmodulierte Hochfrequenzsignale durch Schwebung hörbar zu machen.

[Bearbeiten] Weitere Hinweise

Im mathematischen Sinn ist die Verstärkung bei einem gegebenen Arbeitspunkt die Ableitung der Übertragungskennlinie. In der Röhrentechnik wird diese Ableitung als Steilheit bezeichnet. Der „harte“ und der „weiche“ Schwingeinsatz unterscheiden sich darin, ob diese Ableitung an dem betrachteten Arbeitspunkt das Ergebnis einer Grenzwertbildung „von oben“ oder „von unten“ ist. Der Extremfall eines Stufenpunktes (als diesen könnte man den Kennlinienverlauf bei der Anodengleichrichtung betrachten) führt zu einem besonders „harten“ Schwingungseinsatz.

Im technischen Sinn ist der „harte“ Schwingungseinsatz eine Hysterese der Kennlinie, die die Bedienung beschreibt und mit einer Situation vergleichbar, in der der Drehknopf nicht fest sitzt (Spiel hat).

Im Fall einer linearen Übertragungskennlinie vermindert sich die reale Verstärkung durch die Begrenzung des Signals an mindestens einer Grenze des Aussteuerbereichs. Aber auch in diesem Fall ist der Rückkopplungseinsatz für eine gute Bedienbarkeit nicht „weich“ genug. Deshalb sind Schaltungen mit bipolaren Transistoren selbst dann, wenn sie im linearen Bereich betrieben werden, nicht so gut bedienbar. Bei Transistorschaltungen, die an der Grenze des Aussteuerbereichs in Verbindung mit einem Ladekondensator betrieben werden, wird der während des Stromflusswinkels fließende, signalabhängige Ladestrom verstärkt, was zu dem bereits im Zusammenhang mit der Gittergleichrichtung erwähnten, unsicheren Bereich führt.

Die Darstellung im vorliegenden Artikel bezieht sich nur auf den Verlauf der Übertragungskennlinie und setzt dabei voraus, dass alle anderen Parameter, die Einfluss auf die Verstärkung haben, stabil sind. Beispiele für einen Parameter, mit dessen Hilfe die Verstärkung in manchen Schaltungen sogar gezielt verändert wird, sind die Anodenspannung oder auch die Schirmgitterspannung bei einer Pentode.^[11]

[Bearbeiten] Quellen und Anmerkungen

1. ↑ Walter Conrad: Grundschaltungen der Funktechnik. 4. Aufl. Leipzig: Fachbuchverlag Leipzig, 1958. S. 78.
2. ↑ Im Zusammenhang mit der Rückkopplung der Hochfrequenz ist es unüblich, von einer Mitkopplung zu sprechen (vergleiche Rückkopplung).
3. ↑ Eugen Mittelmann: „Der Detektor als Schwingungserzeuger“, Der Radio-Amateur, II. Jahrgang, 1924, Heft 36.
4. ↑ Das Prinzip des „negativen dynamischen Widerstandes“ wurde erst mit der Erfindung der Tunneldiode wieder aktuell.
5. ↑ Bei bestimmten Transistorschaltungen muss der negative dynamische Eingangswiderstand durch einen Widerstand vor der Basis kompensiert werden, um Schwingneigung zu vermeiden.
6. ↑ Wenn im hier betrachteten Zusammenhang von „stabil“ die Rede ist, dann sind andere Gesichtspunkte gemeint (siehe #Weitere Hinweise).
7. ↑ Die als Beispiel gewählte Röhre hat einen im Vergleich zu den üblicherweise im Empfänger verwendeten Röhren relativ großen Anodenstrom. Das hat auf die Betrachtungen keinen Einfluss.
8. ↑ Walter Conrad, Grundschaltungen der Funktechnik, Fachbuchverlag Leipzig, 4. Auflage, 1958, Seite 71, Zitat zur Anodengleichrichtung: „Eine Rückkopplung ist grundsätzlich möglich, jedoch hat das Arbeiten im unteren Teil der Kennlinie einen ‚harten‘ Rückkopplungseinsatz zur Folge.“
9. ↑ Die NF-Verstärkung kann als Verringerung des unsicheren Bereiches umgedeutet werden.
10. ↑ UHF-Konverter wurden auch mit einer Tunneldiode zur Schwingungserzeugung gebaut.
11. ↑ Walter Conrad, Grundschaltungen der Funktechnik, Fachbuchverlag Leipzig, 4. Auflage, 1958, Seiten 78 und 79