Audion

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Als Audion (genauer Audionschaltung) bezeichnet man eine Schaltung eines Empfangsgerätes, meist ist dies ein Rundfunkempfänger, bei der ein einziges aktives Bauelement wie eine Elektronenröhre, oder später auch ein Bipolartransistor, mehrere Funktionen zum Empfang zugleich übernimmt.

Der Begriff Audion geht auf die von Lee De Forest eingeführte Bezeichnung für die vom ihm erfundene Triode zurück, die auch in Audionschaltungen verwendet wird. In ^[1] heißt es: "Audion: Röhrentypen nach de Forrest und Flemming. Hauptmerkmal ist die zweite Elektrode, die die Anordnung zugleich zu einem Gleichrichter und Verstärker macht." ^[2] Diese Begriffsdefinition umfasst also den Röhrentyp, besonders aber die Funktion des Steuergitters (second plate) zur Gleichrichtung und Verstärkung.

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktion 3 Audion mit Rückkopplung 4 Audionversuchserlaubnis 5 Transistoraudion 5.1 Aufbau mit Bipolartransistoren 5.2 Reflexaudion 6 Weblinks 7 Literatur 8 Quellen

[Bearbeiten] Allgemeines

Die Funktionen, welches das aktive Bauelement in der Empfangsstufe übernimmt, sind folgende:

• die Demodulation der durch die Antenne empfangenen amplitudenmodulierten Hochfrequenz im aktiven Bauelements, zum Beispiel an der gekrümmten Kennlinie der Steuerelektrode.
• eine NF-Verstärkung des demodulierten Signals.
• meist auch eine Hochfrequenz-Verstärkung der Empfangsfrequenz zum Zweck einer justierbaren Rückkopplung. Diese verbessert bei geeigneter Justierung die Trennschärfe durch Entdämpfung des zur Frequenz-Selektion enthaltenen, abstimmbaren Schwingkreises.

Das Audion ist ein Geradeausempfänger bzw. eine Stufe in einem Geradeausempfänger.

Der Zweck der Mehrfachnutzung war die Einsparung einiger der damals teuren Verstärker-Bauelemente (Röhre, Transistor) in einem Empfänger.

Zunächst waren die Audionstufen mit Röhren bestückt. Später wurden auch nach dem Prinzip des Audions arbeitende Empfangsschaltungen mit Bipolartransistoren entwickelt, welche auch als Transistoraudion bezeichnet werden, die jedoch keine größere kommerzielle Bedeutung erlangten ^[3][4]. Audionschaltungen wurden oft in Geradeausempfängern, dabei besonders in Einkreisern eingesetzt.

In Einzelfällen wurden in der Literatur auch Schaltungen als „Audion“ bezeichnet, bei denen eine separate Diode zur Amplitudendemodulation dient.

[Bearbeiten] Funktion

Das Prinzip ist die Demodulation eines amplitudenmodulierten Signals mit einem Hüllkurvendetektor.

Zur Blütezeit der Radioröhren wurde hauptsächlich unterschieden zwischen Bremsaudion, Gitteraudion und Steilaudion^[5][6].

Beim Gitteraudion diente die Gitter-Kathode-Strecke zur Gleichrichtung und die demodulierte NF lag gleich zur Steuerung am Steuergitter an. Die Zeitkonstante von Rg + Cg wurde gerade so groß gewählt, dass die Spannung der NF-Änderung noch folgen konnte. Nachteilig war die große Verzerrung der NF.

Beim Steilaudion erfolgte die Demodulation an der gekrümmten Übertragungskennlinie ohne Gitterstrom und damit theoretisch leistungslos (siehe Abbildungen), dadurch waren auch größere Amplituden verzerrungsarm gleichrichtbar. Diese Art der Demodulation nennt man auch „Anodengleichrichtung“.

Die in der Röhre erfolgende gleichzeitige Verstärkung der gleichgerichteten Spannung war in den Anfangstagen des Rundfunks ein erheblicher Vorteil gegenüber getrennter Gleichrichtung (Diode) und Verstärkung, da die Röhre und Diode teure Bauteile waren.

Vorher standen nur passive Empfänger, sog. Fritter oder Kohärer und Detektor-Empfänger mit Kristall-Detektoren, zur Verfügung. Kristalldetektoren arbeiteten ohne eigene Stromversorgung.

Durch die hohe Betriebstemperatur der Wolframkathoden der ersten Röhren waren diese ca. 7x unempfindlicher als Transistoraudions und ca. 2x unempfindlicher als Röhren mit modernen Oxidkathoden. Dies ist bei der Leistungsbeurteilung mit heutigen Nachbauten in das Gedächtnis zurückzurufen. Eingesetzt wurde die Audionschaltung sowohl als eigenständiger Rundfunkempfänger (Audionempfänger) und im Eingangskreis von Empfängern (z. B. 0-V-1) als auch als Demodulator nach Hochfrequenzverstärkern^[7] oder ZF-Verstärkern^[8].

Durch Erweiterungen des Audion entstanden verschiedenste Empfängerkonzepte, z. B. rückgekoppelte Schaltungen mit gleichzeitiger HF-Verstärkung (Reflexempfänger), Demodulation und NF-Verstärkung in ein und derselben Röhre^[9].

[Bearbeiten] Audion mit Rückkopplung

Eine enorme Steigerung der Empfindlichkeit und Trennschärfe der Audionschaltung kann erreicht werden, indem ein Teil der verstärkten Hochfrequenz mit gleicher Phasenlage auf den Eingangsschwingkreis rückgekoppelt wird, wodurch die Schwingkreisverluste teilweise kompensiert werden (Entdämpfung). Die Rückkopplung musste von Hand mit einem kleinen Drehkondensator so eingestellt werden, dass gerade noch keine Selbsterregung auftritt, andernfalls wurde das Gerät zum Oszillator und sendete selbst Funkwellen aus (siehe Audionversuchserlaubnis). Bei geeigneter Justage der Rückkopplung konnten auch weit entfernte Sender wesentlich besser empfangen werden. Das Schaltungskonzept des Audionempfängers mit Rückkopplung war bis in die 1940er Jahre weit verbreitet für Rundfunkgeräte des unteren Preissegments (z. B. Volksempfänger) und fand bedingt durch Materialmangel in der Nachkriegszeit einen kurzzeitigen neuen Aufschwung. Mit Beginn der 1950er Jahre wurde das Audion nicht mehr industriell hergestellt (Ausnahme: Bausätze - diese werden bis in die Gegenwart hergestellt).

Der Audionempfänger (ein Geradeausempfänger) wurde in den meisten Bereichen vom sogenannten Superheterodyn-Prinzip (Überlagerungsempfänger) verdrängt. Die Gründe dafür waren u. a. die diffizile Bedienung des Audions (2-Knopf-Bedienung), die ungenaue Frequenzeinstellung, die Abhängigkeit von der Antenne, die Verzerrungen (Klirrfaktor) bei starken Sendern, die fehlende Schwundautomatik, die relativ geringe Trennschärfe und schlechter bzw. rückkopplungsabhängiger Frequenzgang sowie die Gefahr der unerwünschten und verbotenen Abstrahlung von Schwingungen bei zu stark eingestellter Rückkopplung (die zum Rückkopplungspfeifen führen). Genau diese Rückkopplung ermöglichte es, auch Morsecode und Einseitenband-Telefonie (SSB) zu empfangen.^[10](sog. Regenerativ-Empfänger^[11][12]). Edwin Howard Armstrong hatte maßgeblich Anteil an der Entwicklung des Regenerativempfängers.

Durch das selbstständige Schwingen bei zu starker Rückkopplung wird der Audionempfänger zum Störsender, wodurch der Empfang in der Nachbarschaft gestört oder sogar unmöglich wird. Dies kann man durch geeignete Schaltungsmaßnahmen (Entkopplung mit Trennstufe bzw. Hochfrequenzvorverstärker, Abschirmung und andere Maßnahmen) aber weitgehend verhindern. Das „Rückkopplungspfeifen“ wird durch die Differenz der Eigenschwingfrequenz und der Frequenz eines benachbarten Senders hervorgerufen. Wenn beide Frequenzen übereinstimmen, ist die Differenzfrequenz Null und es ist kein Ton mehr zu hören. Das wurde von einigen Hörern als Abstimmhilfe verwendet („Einpfeifen“), führte aber auch zu den bereits genannten Störungen für die Nachbarschaft. Die Frequenz der Eigenschwingung ist bei einfachen Geräten (besonders bei Einkreisern ohne Vorstufe und bei Geräten ohne Abschirmung) sehr von der Umgebung abhängig, so dass sich die Tonhöhe selbst schon bei Bewegung verändert. Das Grundprinzip wurde für eines der ersten elektronischen Musikinstrumente, das Theremin, ausgenutzt.

Beim Pendelempfänger (auch „Pendelaudion“ genannt, englisch: superregenerative-receiver) wurde aus der Not eine Tugend gemacht, indem eine sogenannte Pendelfrequenz von etwa 30 kHz dafür sorgt, dass die rückgekoppelte Verstärkerstufe zyklisch den Arbeitspunkt der höchsten Empfindlichkeit durchläuft. Diese Schaltung bekommt dadurch völlig neue Eigenschaften und darf nicht mit dem Audion verwechselt werden. Spezielle Schaltungen sind dabei auch zum Empfang und zur Demodulation frequenzmodulierter Signale geeignet.

Bis in die 1970er Jahre wurde die Audion-Schaltung trotz einiger negativer Eigenschaften relativ oft in Eigenbau-Projekten (Elektronikbasteln) verwendet. Sie bietet die Möglichkeit, mit minimalem Aufwand relativ leistungsfähige Radios zu bauen. Maßgeblich waren auch Schulzwecke und z. B. der Amateurfunk. In Elektronik-Baukästen für Kinder und Jugendliche sind entsprechende Schaltungen noch heute zu finden. Parallel dazu wurde die Elektronenröhre des Audions durch die aufkommenden, einfacher zu betreibenden Bipolartransistoren ersetzt.

[Bearbeiten] Audionversuchserlaubnis

Auf Grund der Neigung zu Eigenschwingungen und den dadurch verursachten Störungen war in den Anfangstagen des Radioempfangs (4. April 1924 bis 1. September 1925) vor dem Erwerb eines Audionempfängers bzw. der Inbetriebnahme von Eigenbauten bei der Reichspost eine Audionversuchserlaubnis für 60,- RM pro Jahr zu erwerben. Diese konnten nur Vereinsmitglieder im Funkkartell erhalten, die eine Prüfung abgelegt hatten.

[Bearbeiten] Transistoraudion

Das Transistoraudion wurde dem Röhrenaudion zu einer Zeit nachempfunden, als das Röhrenaudion bereits stark vom Röhren-Überlagerungsempfänger (Superheterodyn) abgelöst war. Es wurde nicht kommerziell als Fertiggerät gefertigt, wohl aber bis heute als Bastelsatz besonders für Schüler zum Kennenlernen der Rundfunktechnik.

[Bearbeiten] Aufbau mit Bipolartransistoren

Die meisten Transistoraudion-Schaltungen wurden mit den ab Mitte des 20. Jahrhunderts verfügbaren Bipolartransistoren realisiert. Auch Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) sind für die Audionschaltung geeignet, allerdings bestand ab dem Zeitpunkt, als Feldeffekttransistoren allgemein verfügbar waren, wegen der günstigen Bauelementkosten kaum noch das Bedürfnis, Transistoraudions neu zu entwickeln und zu bauen.

Die Umsetzung des Prinzips der Gittergleichrichtung mit einem Bipolartransistor nutzt die Dioden-Eingenschaft dessen Basis-Emitter-Strecke. Die Polung der Diode hängt davon ab, ob es sich um einen npn- oder einen pnp-Transistor handelt. Die Demodulation ist mit der Differentiation des modulierenden Signals verbunden, das niederfrequente Signal steigt mit dessen steigender Frequenz an. Gleichrichtung am Sperrpunkt ist ebenfalls möglich ^[13]. Diese Schaltung entspricht dem sogenannten Steilaudion.

Oft ist der Arbeitspunkt einstellbar, um auch mit den gegenüber Röhren steileren Kennlinien der Transistoren ein akzeptables Ergebnis zu erreichen. Durch eine Verschiebung des Arbeitspunktes wird jedoch auch die Größe der verstärkten Hochfrequenz und somit die Rückkopplung verändert. Solche Schaltungen sind daher noch schwieriger zu justieren als es die Röhrenaudions ohnehin waren.

[Bearbeiten] Reflexaudion

Reflexaudion ist eine nicht einheitliche Bezeichnung des Transistoraudions und anderer Funk-Empfangsschaltungen mit Transistoren, bei denen das Prinzip der Rückkopplung und mehrfache Ausnutzung des Verstärkers angewendet wird. Dies wird auch als „Reflexschaltung“ bezeichnet. Solche Empfangsschaltungen wurden nur von Elektronikbastlern eingesetzt und finden in heute üblichen Empfangsschaltungen keine Anwendung. Der Grund liegt darin, dass die Verstärkung im Rückkopplungskreis vom Signalpegel abhängig ist und daher kritisch zu justieren ist. Auch aufgrund sinkender Herstellungspreise für elektronische Bauelemente ist die Mehrfachnutzung eines Transistors wenig attraktiv.

Im Gegensatz zum Audion mit Elektronenröhren wird bei den als Reflexaudion bezeichneten Transistorschaltungen nicht nur die Hochfrequenz zurückgeführt (Rückkopplung), sondern auch die mit schaltungstechnisch getrennten Demodulator gewonnene Niederfrequenz. Die betreffenden Transistorschaltungen erfüllen nicht das Kriterium, dass die Demodulation im verstärkenden Bauelement erfolgt. Die Verwendung des Begriffes „Reflexaudion“ wird daher kontrovers diskutiert.

[Bearbeiten] Weblinks

• Eine alte Originalschaltung
• Ein Kohärer

[Bearbeiten] Literatur

• Friedrich Benz: Einführung in die Funktechnik. 3 Auflage. Springer Verlag, Wien 1944.

[Bearbeiten] Quellen

1. ↑ Practical Wireless Encyclopaedia, F.J.Camm, George Newnes Limited 7th Edition 1939, S. 52
2. ↑ ebenda: „Audion: The de Forrest and Flemming types of valve. The main feature is the second plate, which makes it a rectifier and amplifier.“.
3. ↑ Heinz Richter, Neues Bastelbuch für Radio + Elektronik, Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart 1957
4. ↑ Karl-Heinz Schubert, Amateurfunk, Militärverlag der Deutschen Demokratischen Republik, Berlin, 5. Auflage 1978
5. ↑ "Elektronen-Röhren 4. Band Gleichrichter und Empfänger ", H. Barkhausen, S. Hirzel Verlag 1937, S. 97 ff.,
6. ↑ Radio-Praktikum, I. Gold, Verlag Hallweg Berlin, 3. Auflage 1948, S.162/163
7. ↑ „Österreichischer Radio-Amateur“, Radiotechnische Monatszeitschrift, Folge 5/1927, S. 346
8. ↑ „Transistor-Praxis“, Heinz Richter, Franckh'sche Verlagsbuchhandlung 1959, S. 129,
9. ↑ "Österreichischer Radio-Amateur", Radiotechnische Monatszeitschrift, Folge 5/1927, S. 353-354
10. ↑ Drahtlose Telegraphie,Johannes Wiesent, Verlag von Ferdinand Enke 1919, S.28 Der Schwebungsempfang
11. ↑ ARRL HANDBOOK, Kirk A. Kleinschmidt, American Radio Relay League, 1990, S.12-7, ISBN 0-87259-167-0
12. ↑ Principles and Practice of Radio Servicing, H.J Hicks, M.S., McGraw-HILL BOOK COMPANY 1943 Second Edition, S.176
13. ↑ Heinz Richter, Neues Bastelbuch für Radio und Elektronik, Franckh'sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 1957, Seiten 23, 24 und 25
14. ↑ Schaltung nach: Hagen Jakubaschk „Radiobasteln - leicht gemacht“ 1964, Kinderbuchverlag der DDR, Seite 318 Abb.200 (Vom Autor wird diese Schaltung auf der Seite 319 als Reflexaudion und als Einkreiser bezeichnet)

Weiterhin:

• Funktechnik Jahressammelmappe 1948: Schaltungsbeschreibungen, Marktübersicht.