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Geradeausempfang mit geregeltem OpAmp
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Dieses Projekt ist experimentell. Ich bin nicht sicher, ob und wie es funktioniert. Die Software dafür ist noch in Arbeit. Nachbau auf eigene Gefahr!

4 DCF77 Geradeausempfänger mit geregeltem Operationsverstärker

Geradeaus-Empfänger für DCF77 benötigen eine Verstärkungsregelung. Die Gründe dafür sind:
  1. die Information im DCF77-Signal ist in der Amplitudenhöhe kodiert, die Verstärkung darf also nicht so hoch werden, dass die Amplitudenbegrenzung einsetzt (Clipping),
  2. zu hohe Verstärkung führt zur Oszillation, weil das Ausgangssignal in den Eingang zurückgeführt wird und die Schaltung schwingt. Da man für den Empfang Verstärkungen von 5.000 und mehr benötigt, lösen schon sehr geringe Rückstrahlungen Schwingungen aus.
Bei dem Konzept hier werden folgende Komponenten verwendet:

4.0 Index

  1. Schaltbild der Hardware
  2. Wie der Empfangskreis funktioniert
  3. Wie die Frequenzregelung funktioniert
  4. Wie der geregelte OpAmp-Verstärker arbeitet

4.1 Hardware des regulierten OpAmp-Empfängers

Schaltbild des regulierten OpAmp-Empfaengers Hier wird die Hardware des Empfängers ausführlich beschrieben und erläutert.

Das ist schon alles, was es für den reinen Empfänger braucht. Die Controller-Hardware kommt noch extra hinzu und ist hier gesondert beschrieben.

CA3240 Wer die Schaltung noch kompakter bauen will, nimmt statt der zwei CA3140 einen CA3240 (Beschaltung rechts). Das sind zwei dieser OpAmps in einem einzigen kleinen achtpoligen Gehäuse.

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4.2 Wie der Eingangskreis funktioniert

1 mH Ferritspule Die 1 mH-Ferritspule wurde aus einem 10 cm langen Ferritstab gebaut. Dieser wurde mit zwei bis drei Lagen Isolierband bewickelt und darauf eine Spule mit 0,25-mm-Kupferlackdraht angebracht. Um zu ermitteln, wieviele Windingen für 1 mH nötig sind, habe ich die Induktivität nach 100, 130 und 160 Windungen gemessen. Aus diesen Messungen habe ich den AL-Wert pro Windung2 bestimmt.

WindungenInduktivität [mH]AL [nH per w2]
1000,4039,72
1300,7544,56
1601,0540,88


Der AL-Wert ist demnach ungefähr 41 nH/Windung2. Für eine 2 mH-Spule wären daher 220 Windungen nötig gewesen.

Der Ohm'sche Widerstand der 160 Windungen beträgt 5.6 Ω, die induktive Reaktanz bei 77,5 kHz liegt bei 510 Ω. Die erforderliche Kapazität C für 77,5 kHz Resonanzfrequenz liegt bei 4,03 nF. Da es entsprechende Styroflexkondensatoren nicht zu kaufen gibt, habe ich einen Kondensator mit 3,3 nF und einen mit 330 pF kombiniert. Den Rest zum Sollwert verteilt sich auf die drei Kapazitätsdioden.

Der Parallelresonanz-Widerstand von L und C liegt bei 50 kΩ und höher. Daher kommen Transistorstufen niedriger Eingangsimpedanz oder transistorisierte Operationsverstärker wie der 741 nicht infrage, es muss schon ein FET-OpAmp sein.

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4.3 Wie die Frequenzregelung funktioniert

Varaktorspannung Dies hier zeigt, wie die AFC-Regelspannung von +1 bis +5 V die Frequenz des LC-Eingangskreises variiert. Da es sich hier um ein relativ niedriges L handelt, sind die drei Varaktordioden parallel geschaltet, um genügend Regel-C zu kriegen.

Wer statt diesem L eine Kreuzantenne verwendet, braucht wegen des größeren L deutlich weniger C und es reicht, zwei Kapazitätsdioden antiparallel zu schalten, um den gleichen Regelbereich zu haben wie in diesem Fall.

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4.4 Wie der regulierte Operationsverstärker funktioniert

Operationsverstärker mit fester Verstärkung Operationsverstärker mit variabler Verstärkung In dem ursprünglichen Konzept sollte der Widerstand R1 einer linearen Verstärkerstufe durch einen FET ersetzt werden. Dessen Gate-Spannung variiert zwischen Null und -4,6 V. Das hätte den Widerstandswert zwischen den Drain- und Source-Pins des FET zwischen einigen 100 Ω und mehr als 1 MΩ variiert.

Auszug RDSon aus dem Datenblatt des BF245 Dieser Auszug aus dem Datenblatt zeigt die Variation von RDSon der drei Typen an BF245. Die Kurven beginnen bei ungefähr 200 Ω (bei einem BF245A) oder weniger und reichen bis 100 kΩ. Der BF245C benötigt für das gleiche RDSon höhere negative Gate-Spannungen als die A- oder B-Typen.

RDSon und erreichbare Verstärkung beim FET BF256B Das gleiche Diagramm ist für den Typen BF246B nicht erhältlich. Normalerweise ist im Datenblatt nur IDSS aufgelistet, das ist der Drain-Source-Strom bei Null Volt Gate-Spannung, und das auch nur für eine einzige Drain-Spannung. Das ist zwar ausreichend, um daraus den RDSon bei 0 V Gatespannung zu berechnen, aber liefert keine Kurve der Steilheit wie beim BF245-Datenblatt.

Ich habe daher einen BF246B ausgemessen, indem ich an seinen Drain einen Widerstand von 100 kΩ gegen 5V angeschlossen habe und die Drain-Spannung bei verschiedenen Gatespannungen gemessen habe. Das Diagramm zeigt die Ergebnisse für das errechnete RDSon und die daraus berechnete Verstärkung der Gesamtschaltung. Die Verstärkung bewegt sich zwischen knapp über 10 und 1.000, also ein 100-facher Unterschied. Das sollte als Regelungsbereich ausreichen.

Geregelter OpAmp-Verstärker Unglücklichweise hat sich herausgestellt, dass der CA3140 in dieser Schaltung nur dann funktioniert, wenn man mit den beiden Offset-Pins 1 und 5 die Mittenverstellung des CA3140 ziemlich weit auf eine Seite verschiebt (4k7-Trimmer an Pin 1 und 5, Mitte an Minus). Der Einstellbereich, in dem der CA3140 dann verstärkt, ist recht eng. Beim Verlassen des Einstellbereichs erfolgt übermäßiges Schwingen. Auch ist diese Mittenverstellung sehr stark verstärkungsabhängig und reagiert sogar auf die Verstellung des LC-Kreises mit den Varaktordioden, den ich direkt an den positiven Eingang des CA3140 angekoppelt hatte. Jedenfalls ist das alles nix Zuverlässiges, was sich auch für den Nachbau eignet.

Es musste daher ein anderes Regelkonzept her. Nach etlichen misslungenen Versuchen hat sich die im Schaltbild gezeigte Lösung als geeignet und ausreichend robust erwiesen. Lösungen, bei denen die Koppelkondensatoren kleiner ausgelegt waren (z. B. 1 nF), haben allesamt zu viel Noise und Instabilität gebracht, was bei der hohen Verstärkung von 100.000 auch zu erwarten ist, denn 10µV Rauschen oder Störsignal machen, mit 100.000 multipliziert, schon ganze 1 V aus. Dafür hat der hochempfindliche, weil der separat FET-entkoppelte LC-Eingangskreis nicht mal auf meine Energiesparlampe reagiert, die sonst alle handelsüblichen DCF77-Empfänger sicher zum Entgleisen bringt.

Eine Verstärkung von 100.000 bedeutet, dass 10 µV HF auf 1 V am Ausgang verstärkt werden. Die Verstärkung reicht daher sowohl für den Empfang im Nahbereich als auch in einiger Entfernung zu Mainflingen und DCF77.

Wie man an der Verstärkung sieht, verläuft die Regelkurve im Mittenbereich ziemlich steil, das heißt: schon geringe Änderungen der Regelspannung bewirken einen steilen Anstieg oder Abfall der Verstärkung, sodass die AD-Wandler-Mimik immer wieder nachregeln muss. Das kann man vermeiden, indem man die Verstärkungen der beiden OpAmp-Stufen so anpasst, dass die Regelspannung relativ niedrig bleibt. In diesem Bereich ist die Kurve dann weniger steil und bleibt über weite Strecken relativ stabil. Die Verstärkungen beider Stufen können mit den Widerständen vom negativen Eingang zu Minus relativ bequem verstellt werden. Braucht man viel Verstärkung (im Fernfeld), macht man beide Widerstände z. B. 1 oder 10 kΩ, darf es ein bisschen weniger sein, kann es auch ein 100 kΩ sein. Da die beiden Verstärkerstufen nicht invertieren, bleiben sie auch bei einer Verstärkung von 1.000 noch stabil.

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