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 TM- Röhre 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 ZF- Ausgangsfilter 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 NF- Vorstufe, 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 Vakuum- Gleichrichtern. 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.