DCF 77 Empfänger mit Röhren

Die Idee einen DCF 77 Empfänger mit Röhren zu bauen bekam ich durch einen Leserbrief auf der Internetseite "Jogis Roehrenbude". Dort wurde eine Funkuhr vorgestellt, die von einem DCF 77 Empfänger mit Röhren angetrieben wird. Die Schaltung besteht ferner aus einem astabilen Multivibrator, der von den Impulsen am Ablenksteg der EM 84 synchronisiert wird, und einem Flip-Flop mit Röhren. Damit wird der Schrittmotor eines mechanischen Uhrwerks angetrieben. Eine Dekodierung der Zeitinformation findet nicht statt. Ist der Empfanng gestört, bleiben die Impulse aus. Die Uhr bleibt stehen und geht falsch, wenn der Empfang wiederkehrt.
Nun wollte ich den Empfänger nachbauen und als zusätzliche Herausforderung, die Impulse extrahieren und so aufbereiten, dass Sie als TTL Signal zur Verfügung stehen. Damit könnte dann eine Mikrocontrollerschaltung die Zeitinformation dekodieren. Also eine echte Funkuhr mit Röhrenempfänger.

Zuerst musste der Empfänger nachgebaut werden. Dazu habe ich erst die Spulen gewickelt. 120 Windungen auf einem Papierrohr für die Ferritantenne. Die Induktivität wurde mit einem LCR Meßgerät gemessen und beträgt etwa 2 mH. Nach der Schwingkreisformel ergibt sich ein Schwingkreiskondensator von 2,109 nF um eine Resonanzfrequenz von 77,5 kHz zu erreichen. 2,2 nF wurden gewählt. Durch verschieben der Spule lässt sich die Antenne abgleichen.
Die beiden anderen Spulen wurden auf abstimmbare Schalenkerne gewickelt. Diese haben einen AL Wert von 315. Damit ergeben sich etwa 80 Windungen für die Spule mit 2 mH und 56 Windungen für die Spule mit 1 mH. Ob die gewickelten Spulen die richtige Induktivität haben wurde mit dem LCR Meßgerät nachgemessen. Die Schwinkreiskondensatoren im original Schaltplan stimmten nicht mit den berechneten Werten überein. Solten die parasitären Kapazitäten so groß sein? Ich habe aber erst mal mit den berechneten Werten gearbeitet. Dazu mussten mehrere Kondensatoren mit Standartwerten parallelgeschaltet werden, um den benötigten Wert zu erhalten.

Hier sieht man den Entwurf der gedruckten Schaltung direkt mit Edding auf die Platine gezeichnet bevor Diese in Eisen III Clorid Lösung zum Ätzen gebadet wurde.

Hier sieht man den originalen Schaltplan und die Röhrensockelbelegungen auf dem PC Monitor. Statt der russischen Penthode für die erste Verstärkerstufe habe ich eine EF 89 genommen. Die zweite Verstärkerstufe und die Dioden, zur Demodulation des Empfangssignals, ist eine EBF 89. Als Abstimmnzeige wird eine EM 84 verwendet. Die Anzeige folgt hier nicht, wie bei der herkömmlichen Abstimmanzeige, träge dem demodulierten Signal wie die Regelspannung, sondern flink. Dadurch sieht man nicht nur die Feldstärke des Signals, sondern auch die Amplitudenabsenkungen im Sekundenrythmus. Zittert die Anzeige stark, besonders während der Amplitudenabsenkungen und sind Diese nicht richtig zu erkennen, ist das Signal gestört. Man hat damit eine optische Anzeige der Qualität des Empfangssignals.

Das nächste Bild zeigt die bestückte Platine ohne die Schwingkreiskondensatoren.

Hier ist der erste Inbetriebnahmeversuch zu erkennen. Das zweite Bild zeigt die Platine von der Lötseite. Leider war das Ergebnis gemäß der Elektronikerweissheit "Oszillatoren schwingen nie, Versärker immer!". Der Empfänger zeigte starke Schwingneigung, sobald die Schwinkkreise auf Resonanz abgestimmt wurden. Waren die Schwingkreise der beiden Verstärkerstufen zu dicht zusammen? Auf dem Bild des originalen Empfängers ließ sich schwer die Entfernung abschätzen. Die Schwingkreise waren beim Original auch ohne Abschirmgehäuse. Es folgten viele erfolglose Versuche mit Abblockkondensatoren in der Anodenspannungsleitung, Umpolen einer Schwingkreisspule etc.. Mit Hilfe einer Gleichpannung, die über ein Poti zur Regelspannung dazuaddiert wurde, konnte ich die Verstärkung kontinuierlich herunterregeln. Das führte auch zu einem Empfang ohne Schwingen, aber war doch unbefriedigend.

Ich war kurz davor aufzugeben, dann folgte noch ein letzter Versuch. Ich habe einen Abschirmbecher aus Messing angefertigt und über den Schwingkreis der zweiten Versärkerstufe angebracht. Das war der Durchbruch! Die Schwingneigung war auch bei maximaler Verstärkung nicht mehr vorhanden. Das habe ich dann so belassen. Ich hätte zwar noch einen zweiten Abschirmbecher für den Schwingkreis der ersten Verstärkerstufe anfertigen können, aber gemäß dem Motto: "never change a running system" doch nicht gemacht.
Jetzt waren die Aplitudenabsenkungen deutlich zu sehen. Während der Amplitudenabsenkung geht die Steuerstegspannung der EM 84 von ca. 70-80 Volt auf 20 Volt zurück. Das ist eine gute Vorraussetzung zum extrahieren der Sekundenimpulse.

Im folgenden waren einige Überlegungen nötig, um eine Impulsauswertungsschaltung zu bauen. Ich wollte die Schaltung des Komparators mit schwimmender Komparatorschwelle, die bei älteren DCF 77 Empfängern mit IC's oder Transistoren oft verwendet wurde, nutzen. Das Probem war, dass die demodulierte Hochfrequenzspannung, am Steuergitter der EM 84, negativ ist. Ich hatte keine Idee, wie die Komperatorschaltungen für negative Spannungen umgebaut werden kann. Es wäre noch die Möglichkeit gegeben mit einem Feldeffekttransistor die Steuergitterspannung zu invertieren. Dann kam mir der Einfall, die Steuerstegspannung der EM 84 zu nehmen. Die Triode in der EM 84 invertiert ja die Steuergitterspannung, damit das Anzeigesystem der Röhre angesteuert werden kann. Die Steuerstegspannung kann sich aber von ca. 150 Volt, bis auf einige Volt ändern. Diese Spannung ist für den Eingang eines Operationsverstärkers, mit dem der Komparator aufgebaut ist, zu hoch. Dieses Problem wurde mit einem hochohmigen Spannungsteiler gelöst. Mit einem Poti lässt sich die Ausgangsspannung einstellen, so dass diese bei sehr gutem Empfang maximal 4-5 Volt beträgt. Das funktionierte dann so einigermaßen, dass die Leuchtdiode im Takt der Sekundenimpulse blinkt. Die Spannung am Ausgang des Spannungsteilers bricht aber durch die Belastung des Eingangs des Komparators etwas zusammen. Abhilfe hat hier ein weiterer Transistor, der als Emitterfolger geschaltet ist, geschaffen. Dieser stellt einen Impedanzwandler da. Damit funktoniert die Schaltung zufriedenstellend, wie es auf den folgenden Bildern zu sehen ist. Die Komparatorschaltung wurde auf einem Experimentierboard aufgebaut. Auf dem ersten Bild sieht man, dass der Ausgang des Komparators an den Inpulseingang der Ein-Röhre Nixieuhr mit GR-411, statt des modernen Empfängers, angeschlossen ist. Die Zeitinformation wird zuverlässig dekodiert und die Uhr synchronisiert sich.

Das folgende Bild ist eine Nahaufnahme der Röhren des Empfängers, wo das Glühen der Kathoden deutlich zu sehen ist.

Nach den erfolgreichen versuchen mit der Komparatorschaltung musste diese auch auf einer Platine aufgebaut werden. Auf dem Zweiten Bild sieht man die fertige Schaltung. Stilgerecht wurde die Leuchtdiode durch eine Glimlampe ersetzt. Dazu waren zwei weitere Transistoren notwendig. Ein MPSA 42 steuert die Glimmlampe vom Typ IN-3 an.
Nun noch etwas zur Funktionsweise und den Vorteilen der Umwandlung der Amplitudenabsenkungen des Empfangssignals in Impulse, mittels der Komparatorschaltung:
Das demodulierte Empfangssignal, dessen Spannung von der Empfangsfeldstärke abhängt, wird auf zwei RC Glieder gegeben. Ein RC Glied hat eine hohe Zeitkonstante. Der Ausgang des RC Glieds wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gegeben (Siehe Schaltplan weiter unten). Das zweite RC Glied, dessen Ausgang auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gegeben wird, hat eine niedrige Zeitkonstante. Die Widerstände sind so gewählt, dass die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsvertärkers, bei 100 % Amplitude, etwas höher ist, als die am invertierenden Eingang. Dadurch kippt der Ausgang des Operationsverstärkers auf + 5 Volt. Während der Amplitudenabsenkung ist die Spannung am nicht invertierenden Eingang niedriger, als am invertierenden Eingang. Der Ausgang des Operationsverstärkers kippt für die Dauer der Amplitudenabsenkung auf 0 Volt. Die Spannung am invertierenden Eingang bleibt, bedingt durch die hohe Zeitkonstante, während der Amplitudenabsenkung genau so hoch wie bei voller Amplitude. Diese Spannung gibt die Komparatorschwelle vor. Da die Spannung langsam der Empfangsfeldstärke folgt, ist die Komparatorschwelle immer optimal an die Spannung des demodulierten Signals, am nicht invertierenden Eingang, angepasst. Man spricht hier von einer "schwimmenden Komparatorschwelle", die dafür sorgt, dass die Sekundenimpulse auch bei großen Feldstärkeschwankungen zuverlässig ausgewertet werden.

Hier sieht man den Empfänger mit der Nixie Uhr, welcher provisorisch mit Stromversorgung auf einem alten Modemgehäuse montiert wurde.

Nachdem der Empfänger so weit fertig war stellte sich die Frage, wie zuverlässig der Empfänger ist. Auf der Internetseite dcf77logs.de wird ein nützliches Programm angeboten, mit dem man den Empfang des DCF 77 Signals dekodieren und loggen kann. Damit ist eine Beurteilung der Zuverlässigkeit eines DCF 77 Empfängers möglich. Um das Programm auf einem PC betreiben zu können musste noch ein Interface gebaut werden, welches die Impulse mit TTL Pegel in den PC überträgt. Dazu ist auf der Internetseite auch ein Schaltplan zum Bau des Interfaces vorhanden. Mit einigen diskreten Bauteilen wird der TTL Pegel der Impulse angepasst und Diese auf einen Steuereingang der seriellen Schnittstelle gegeben. Auf dem Bild sieht man das Interface, was ich nachgebaut habe. Die serielle Schnittstelle ist hier ein RS 232 zu USB Adapter.

Der Schaltplan des Interfaces lässt sich durch Anklicken vergrößern

Nach dem Start des Programms kann man die eingelesenen Bits der aktuellen Minute und die laufend eingelesenen Bits der nächsten Minute sehen. Die dekodierte Zeitinformation und die Statusinformationen werden auch angezeigt. Die PC Uhr kann von dem Programm gestellt werden. Selbst die Dauer der Sekundenimpulse wird angezeigt. Damit lässt sich erkennen, ob ein Empfänger nicht zu kurze, oder zu lange Impulse ausgibt. Zur Erinnerung: Ein Sekundenimpuls mit 100 ms Dauer entspricht logisch null, 200 ms entspricht logisch eins. 59 Sekundenimpulse werden gesendet (Sekunde 00 bis 58), die Sekunde 59 bleibt aus, um den Beginn der nächsten Minute anzukündigen.

Das Programm legt zusätzlich Logdateien an, wo die gesammten Informationen aller empfangenen Minuten abgelegt werden. So sieht man in welchen Zeiträumen der Empfang gestört war. Nun konnte ich also feststellen, ob der Empfänger über längere Zeit korrekt arbeitet. Das Ergebnis war zufriedenstellend. Es gibt über Stunden guten Empfang und auch Zeiten mir längeren Empfangsstörungen. Das ist bei der Menge der Störquellen in einem Wohngebiet nicht verwunderlich. Selbst die Inverterschaltung der Mikrowelle erzeugt ein Störsignal, welches den Empfang im Nachbarraum unmöglich macht.

Abschliessend ist zu sagen, dass das Projekt noch nicht abgeschlossen ist. Es fehlt noch eine stilgerechte Uhr zur Anzeige der Zeit und ein Gehäuse. Dann sollte der Empfänger auch durch diese Uhr nur einmal pro Tag oder einmal pro Stunde angeschaltet werden, um Diese zu synchronisieren. Der unbeaufsichtigte Dauerbetrieb eines Röhrengerätes ist ja immer mit Brandgefahr verbunden und die Röhren verbrauchen sich.

Kompletter Schaltplan des Empfängers mit der Schaltung zum Extrahieren der Sekundenimpulse

Der Schaltplan lässt sich durch Anklicken vergrößern

Zum Schluß noch ein Video in dem die Versionen vom Versuchsaufbau bis zum fertigen Empfänger zu sehen sind