Four Circuit Tuner - Analyse
Ich mache hier eine Beschreibung, obwohl der "Four Circuit Receiver" in den leztzten Jahrzehnten einige Male nachgebaut wurde, und schon sehr viel über ihn berichtet und geschrieben wurde, meist kam er dabei nicht besonders gut weg.
Unter dem Suchbegriff "Four Circuit Receiver" sind diese Forendiskussionen und Berichte, sowie auch Youtube- Videos leicht zu finden.
Es sind zu viele, darum erwähne ich es hier so.
Warum also noch mein Beitrag ?
Ich denke, daß das Prinzip nicht wirklich verstanden wurde.
Es liegt mit Sicherheit auch an den sehr knappen und merkwürdig formulierten Beschreibungen des Erfinders.
Das mag vielleicht, wie auch ein Mitleser bemerkte, daran liegen, daß Cockaday bestehende Patente umgehen wollte.
102 Jahre später... kann man das bewundern, verurteilen kaum.
Ich möchte versuchen, die Texte von Cockaday verständlicher wiederzugeben.'
Tuner oder Receiver ?
Ich beschreibe hier den Tuner, die eigentliche Audion- Empfangsstufe, die NF- Verstärker sind kaum Thema für eine Diskussion.
Der "Four Circuit Tuner" verwendet die "Ultra- Audion- Schaltung" von deForest.
Kennzeichen ist der Schwingkreis F zwischen Gitter und Anode, gleichstrommäßig getrennt durch de Gitterkondensator G.
Es ist eine sehr schwingfreudige Schaltung- mehr Oszillator als Audion.
In der Anfangszeit der Rundfunktechnik war die Schaltung möglich, weil die Röhren nur sehr geringe Verstärkungen lieferten, so daß man sie zum Nicht- Schwingen bringen konnte, der Punkt um dieses war dann der Arbeitspunkt des Audions.
Dann sieht man einen "in der Luft hängenden Schwingkreis" E, der offensichtlich mit dem Abstimm- Schwingkreis induktiv gekoppelt ist, aber keine elektrische Verbindung zur Schaltungsumgebung hat.
Die Schwingkreisspule hat die halbe Induktivität, sein Resonanzbereich ist also etwa beim doppelten Frequenzbereich des Hauptschwingkreises.
Ausgerechnet auf diesen Schwingkreis koppelt ein Teil der Antennenspule, eine einzige Windung A, die in Reihe mit der schaltbaren Antennenspule a liegt.
Die Antennenspule a ist im 90°- WInkel zu den anderen Spulen angeordnet, dies scheint Cockaday wichtig gewesen zu sein, es ist im Schaltplan auch so gezeichnet.
Der "Stabilisator" ("Stabilizer")- Kreis
An diesem Schwingkreis E scheiden sich die Geister.
Cockaday beschreibt die Funktion in der Popular Radio 2023-05, S.369/370, von mir sinngemäß übersetzt, Hervorhebung von mir:
Drittens haben wir uns daher für eine einfachere Methode zur Einstellung der Rückkopplung entschieden.
Sie besteht aus einem induktiv gekoppelten "Stabilisator"- Schwingkreis, dessen Funktion es ist, den effektiven Wechselstromwiderstand des Gitterkreises unseres Tuners zu beeinflussen.
Diese Schaltung ist von allen anderen Schaltungselementen im Empfänger elektrisch isoliert, befindet sich jedoch direkt im Magnetfeld der Gitterspule. Sie besteht aus einer niederohmigen Spule, die von einem Drehkondensator überbrückt wird.
Durch Drehen des Kondensators wird die Wechselwirkung zwischen dem Gitterkreis und seinem eigenen Kreis variiert.
Es ist bekannt, dass die Vakuumröhre in einer Rückkopplungsschaltung anhaltende Schwingungen erzeugt, wenn der negative Widerstand des Systems dem positiven Widerstand des Systems entspricht.
Die Standard- Rückkopplungsschaltung erreicht dies, indem sie den negativen Widerstand nach oben auf den richtigen Wert variiert.
Diese neue Schaltung, die wir entwickelt haben, erreicht das Ergebnis jedoch durch die Variation des positiven Widerstands nach unten auf den richtigen Wert.
Bei der neuen Methode sind keine Variometer, Variokoppler, Rückkopplungsspulen oder Anodenschwingkreise erforderlich.
Es sind keine Rückkopplungsnachstellungen erforderlich, die Rückkopplung kann eingestellt werden und bleibt über den gesamten Wellenlängenbereich konstant.
Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, dass die Werte des Antennensystems auf die Schaltung kaum oder gar keinen Einfluss haben.
Ich habe eine SINNGEMÄßE Übersetzung vorgenommen- der amerikanische Originaltext, wörtlich übersetzt, ist m. E. äußerst unklar.
Mit den grün hervorgehobenen Sätzen ist die beabsichtigte Schaltungsfunktion recht gut erklärt.
Doch genau das wurde oft überlesen.
Dafür wurde um die Anordnung der Spulen ausgiebigst diskutiert, und es wurden der Schaltung spezielle Funktionen zugeschrieben, etwa der 1- Windungsspule eine Kompensations- Funktion zugeschrieben.
Was tut der "Stabilisator"- Kreis nun `?
Einfach ausgedrückt: Der "Stabilisator- Kreis" bewirkt eine Beeinflussung des Haupt- Abstimmkreises, bei Schwingen durch Bedämpfung, bei Nicht- Schwingen durch Zurücknahme der Bedämpfung, was den Punkt um den Schwingeinsatz stabilisieren soll, dieser sollte über einen größeren oder den gesamten Wellenbereich bei Abstimmung auf einen anderen Sender nicht mehr nachgestellt werden müssen.
Ist die Kopplung relevant ?
Cockaday beschreibt die Funktion in der Popular Radio 2023-05, S.366, von mir sinngemäß übersetzt:
Daher haben wir uns zunächst für eine sehr lose Kopplung durch Spule A entschieden, um eine gute Trennschärfe zu erreichen; die Kopplung ist sogar noch geringer als bei jedem anderen Empfängertyp.
Das Übersetzungsverhältnis des Empfangstransformators beträgt 65:1. Dies gewährleistet eine hohe Spannung am Gitter auch bei schwachen Signalen.
Ich habe eine SINNGEMÄßE Übersetzung vorgenommen- der amerikanische Originaltext, wörtlich übersetzt, ist m. E. äußerst unklar.
Auch hier ist die Erklärung also recht einfach.
Cockaday nimmt hier eine einfache Spannungsübersetzung vor.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß die 1- Windungs- Koppelspule ein geringer Teil der Antennenspule ist, aber die Gesamt- Antennenspule mit der Kapazität der Antenne einen Schwingkreis bildet, dessen Resonanzüberhöhung bei günstiger Abstimmung an derAntennenspule, und damit auch an deren kürzeren Teil, der Koppelspule, deutlich mehr Empfangsenergie zur Kopplung auf die Sekundärkreise liefert.
Resonanz ?
Es ist zu beachten, daß die Geräte der ersten Jahrzehnte mit beachtlich langen Langdraht- Antennen betrieben wurden, oft mit mehreren parallen Leitern, das ergibt eine beachtliche Antennenkapazität !
In einigen Zeitschriften werden Kapazitäten um 400 pF angegeben, meist mehr.
Der später übliche Antennen- Ersatz, der zu einem Standard- Antennenersatz ("Kunstantenne") für Messungen führte, berücksichtigt hingegen Antennen bis etwa 300 pF !
Sowohl beim Testen, Messen und auch im Betrieb sollte also eine solche Antennenkapazität da sein.
Im günstigsten Falle hat man also zwei wirksame Kreise.
Dennoch ist der "Four Circuit Tuner" eine Einkreis- Schaltung,
keine Zweikreis- oder Dreikreis- Schaltung !
Auch wenn da mehrere fvrequenzabhängige Komponenten wirken- für die Kreiszahl- Einstufung zählen nur Schwingkreise, die real als Bauteile vorhanden, abstimmbar, und auf die Empfangsfrequenz oder den Konvertierungen dieser Frequenz sind, dazu zählen auch Frequenz- umgesetzte Kreise, wie beim "Octamonic" oder beim Superhet (die ZF- Kreise).
Der "Antennenkreis" ist nicht festgelegt, die Antennenkapazität ist nicht exakt festgelegt, jede Antenne hat ihre eigene Kapazität, abhängig von ihrer Konstruktion und der realen Umgebung, und für den Benutzer ist dies auch kaum meßbar. Die "Abstimmöglichkeit" ist durch eine sehr grobe Stufung gegeben, eine exakte Resonanz auf der Empfangsfrequenz wäre Zufall..
Die Bemerkungen zur Schaltung sollen aber nicht abwertend gesehen werden- ein Einkreisempfänger kann mit hochwertigen Bauteilen und mit einer überlegten Schaltungskonfiguration sehr empfindlich und sehr trennscharf ausgeführt werden !
Wie ist das mit der Ausführung des Spulensatzes ?
Cockaday gab eine Konstruktion vor, welche etwas außergewöhnlich aussieht- wie relevant ist dies ?
Nech Meinung etlicher Betrachter ist die absolut exakte Ausführung des Spulensatzes, der auch von einigen Firmen als "Präzisions- Spulensatz" angeboten wurde, außerordentlich wichtig, und so entstanden nahezu exakte Kopien des Spulensatzes.
Dabei hat Cockaday selbst Änderungen der Positionierungen vorgenommen.
Spulensatz Ur- Version und "Inproved"- Version, Antennenspule im 90^- Winkel über der Abstimmkreis- Spule montiert.
Diese Konstruktion wurde als Komplett- Spulensatz angeboten.
1923-05 Popular Radio 1923-05, S367
Spulensatz seitlich
1926-03 Popular Radio, S225
Antennenspule vorn, Koppelspule etwa zwischen Stabilisierkreis- und Abstimmkreis- Spule,
Wireless Weekly 1927-03, S17
Kein "Four Circuit Tuner", aber ein späteres Gerät von Cockaday, hier hat die Koppelspule 3 Windungen, und ist in etwa 2 Zoll Abstand zu montieren, die genaue Position soll durch Test festgelegt werden.
Die Antennenspule mit den Abgriffen ist so weit wie möglich an der Seite zu plazieren.
Damit ist sie aus der Kopplung komplett heraus.
1927-10 Australian Wireless Weekly, S17.jpg
Die Spulenanordnung "ist nicht in Stein gemeißelt", sie kann also abweichen, wichtig ist die Kopplung der Spulen untereinander, damit die beabsichtigten Wechselwirkungen gewährleistet sind.
Für Nachbauer: Idealerweise sollten die Positionen der Spulen veränderbar sein, von "dicht an dicht" = feste Kopplung, als auch angemessen voneinander entfernt = lose Kopplung.
Gab es Messungen/ Untersuchungen des Spulensatzes ?
In der englischsprachigen Abhandlung "The Cockaday- Audion" von Prof. D. Rudolph † wurde die Positionierung des Original- Spulensatzes mit der Simulatorsoftware LTSpice analysiert, und an einem Nachbau mit einen Spektrum- Analysator (im Wobbler- Modus) untersucht- tatsächlich hatte die Positionierung der aufsitzenden Antennenspule laut SImulationsergebnis UND im realen Aufbau einen deutlichen Einfluß:
Bei einer bestimmten Position, bei der die aufsitzende Antennenspule auf den "Stabilisator- Kreis" und auf den Haupt- Abstimmkreis koppelt, hat die Verstellung des "Stabilisator- Kreises" keinen Einfluß auf die Resonanzkurve des Haupt- Abstimmkreises, der "Stabilisator- Kreis" bewirkt damit nur die gewünschte, einstellbare Bedämpfung des Hauptkreises.
Diese Position zu finden, war aber "Fummelei".
Für den Original- Spulensatz gilt also:
Ist die bestmögliche Position der Antennenspule gefunden und fixiert, hat die Einstellung des "Stabilisator- Kreises" auf die eingestellte Empfangsfrequenz keinen Einfluß; seine Bedämpfung des Abstimmkreises bewirkt die gewünschte, einstellbare Bedämpfung des Abstimmkreises, in der besten Einstellung die Stabilisierung der Rückkopplungspunktes.
Was war das Ergebnis ?
In der Abhandlung wurde die Wirkungsweise benannt, die Beeinflussung des Haupt- Abstimmkreises durch den "Stabilisator- Kreis", genauer: durch "Transformation seiner Reaktanzkomponente", also des Blindwiderstands.
Zur Erinnerung: Man kann nicht nur Spannungen, sondern auch Stromstärken und Impedanzen transformieren- Stichwort Resonanztransformator..
Die von Cockaday angedachte Funktion wurde also bestätigt.
Welchen Einfluß hat die Röhre ?
Die Untersuchung berücksichte, wie Prof. Rudolf betonte, NICHT den Einfluß der Röhre.
Es wurde jedoch mit einer vorhandenen UX-200, einer Argongas- gefüllten Triode, getestet, diese Röhren galten damals als höchstempfindlich, allerdings nicht sehr stabil.
Eine höchstempfindliche Audionröhre dürfe bei der losen Kopplung ein Muß gewesen sein.
Wie ist das mit Verlusten ?
Auffällig ist schon die Bauteile- Auswahl.
Für die Spulen gab Cockaday Baumwoll- umsponnenen Draht vor, keine Litzendrähte !
Eigentlich sollten für ein hochwertiges Gerät doch Verluste schon mal minimiert werden.
Andererseits ist ein dickerer Volldraht als Alternative zur Litze durchaus ok.
Ein Nachbauer, der auch testete, hielt eine nicht zu hohe Güte für Absicht, weil zu hohe Güte der Spulen der Funktion abträglich sein könnte.
Eigentlich nicht besonders sinnvoll- besser, erst mal mit wenig Verlusten so viel Empfangsenergie gewinnen, wie möglich, die zu verringern, ist immer noch möglich.
Das wird noch zu klären sein.
Was kommt aus dem Tuner raus ?
Wenn man die Kennlinie betrachtet, und aus der zuerwartenden Differenz der EIngangsspannung die Differez des Ausgangsstroms, und am Lastwiderstand (Übertrager) die Ausgangsspannung berechnet, wird schnell klar, daß man mit den Röhren von einst kaum "einen Hering vom Teller ziehen" kann.
Die Ausgangsspannungen am Übertrager liegen im Bereich einiger 1- bis 2- stelliger Millivolt, der Übertrage transformiert diese meist 1 : 4 hoch, das liegt dann vervierfacht am Gitter der nächsten Stufe- die mit den damaligen Röhren ebenfalls nur geringe Verstärkung besaß.
Das Cockaday- Audion lieferte geringe NF- Ausgangsspannungen.
Darum folgten dem Audion dann entsprechend 1 bis 4 Niederfrequenz- Verstärkerstufen, die das NF- Signal auf Lautstärke brachten, bei gutem Pegel durchaus auf Lautsprecher- Leistung, bestenfalls 1- stellige Watt, damals ausreichend.
Die hohe Verstärkung über mehrere Stufen verstärkte atmosphärische Störungen: Empfangs- Nebengeräusche, Rauschen, und es kamen auch Rauschen und Nebengeräusche der Gas- Triode und evtl. der nachfolgenden Stufen dazu.
Die Notwendigkeit hoher NF- Verstärkung nahm man hin, wichtig war Empfindlichkeit, man wollte ferne Sender hören.
Die Klangreinheit war bei guter Einstellung ausreichend bis gut. Die Verstärker konnten auch für Schallplatten- Wiedergabe genutzt werden, damals noch Schellack- Platten.
Mit heutigen Musik- Quellen, wie CD- oder MP3- Playern, kann man aber einigen Geräten auch eine erstaunlich saubere Wiedergabe attestieren.
Wie wird der Tuner abgestimmt ?
Cockaday beschreibt die Funktion in der Popular Radio 2023-05, S.376, von mir sinngemäß übersetzt:
Stellen Sie den Knopf C1 ("Stabilizer"- Kreis) auf 100 (Rückkopplung gerade unter dem Schwingeinsatz), und stimmen Sie mit dem Knopf B1 (Hauptabstimmkreis) ab, bis Sie ein Signal finden.
Drehen Sie dann den Kreisschalter Q (angezapfte Antennenspule), bis Sie die beste Einstellung gefunden haben (lautestes Signal). Drehen Sie den Heizsteller L auf, bis die Röhre zu schwingen beginnt, und drehen Sie ihn dann etwas unter diesen Wert herunter.
Alle weiteren Einstellungen sollten mit den beiden Knöpfen B1 und C1 vorgenommen werden. Je niedriger der Wert von C1 eingestellt ist, desto stärker schwingt das Gerät, sodass die Rückkopplung durch die kombinierte Wirkung der beiden Regler B1 und C1 leicht korrekt eingestellt werden kann.
Sie werden den Dreh schnell raushaben.
Amateur-CW-Signale sollten mit einem Einstellwert zwischen 0 und 80 eingestellt werden. Alle Telefonstationen werden mit einem Einstellwert zwischen 60 und 100 besser empfangen.
Auf der Skala B1 stellen Amateure einen Wert zwischen 0 und 15 und Rundfunkstationen zwischen 20 und 65 ein.
Die linken Antennenabgriffe eignen sich am besten für Amateurfunk, die mittleren oder rechten für Rundfunksender. Dies hängt von der Größe der Antenne ab, aber mit etwas Übung werden Sie schnell die besten Abgriffe finden.
Ich habe eine SINNGEMÄßE Übersetzung vorgenommen- der amerikanische Originaltext, wörtlich übersetzt, ist m. E. äußerst unklar.
Der Text beschreibt eine Einstellung beider Schwingkreise- nach Cockadays Versprechung soll die Einstellung der Rückkopplung, einmal vorgenommen, über das gesamte Band so bleiben.
Das ist hier leider nicht mehr nicht so zu lesen, wenn weitere Einstellungen immer mit beiden Kreisen durchgeführt werden sollen.
Das Gegenteil ist aber auch nicht zu lesen.
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