Kristall‑ und Transistorradio‑Schaltungen: Vom einfachen Detektor zum integrierten AM/FM‑Empfänger

Der Kern eines Kristallradios besteht aus Antenne, Erdanschluss, Schwingkreis (C1 und L1), Spitzenwert‑Detektor und Kopfhörern. Die Antenne fängt Sendesignale (b) auf, die durch den Schaltkreis zur Erde fließen. Der Schwingkreis, ein resonantes LC‑Paar, wählt einen einzelnen Sender aus dem Spektrum aus; C1 ist variabel, um Abstimmung zu ermöglichen. Eine Germanium‑Diode gleichrichtet die Hochfrequenz (HF), indem sie nur die positiven Halbwellen passieren lässt und so die HF‑Hüllkurve (c) erzeugt. Der Filterkondensator C2 entfernt die verbleibende HF‑Komponente, sodass nur die Audiofrequenz (d) übrig bleibt, die die Kopfhörer antreibt.

Kristallradios arbeiten ohne externe Spannungsversorgung. Eine Germanium‑Diode wird Silizium vorgezogen, da ihre niedrigere Vorwärtsspannung (~0,2 V) höhere Empfindlichkeit bietet, besonders bei schwachen Signalen. Wird eine Silizium‑Diode verwendet, funktioniert die Schaltung dennoch, allerdings mit reduzierter Leistung.

Während der Schaltplan 2000 Ω magnetische Kopfhörer zeigt, bietet ein keramisches „Kristall“‑Ohrhörer höhere Empfindlichkeit und ist für die meisten Signale die bevorzugte Wahl. Magnetische Kopfhörer können durch Low‑Impedanz‑Ohrstöpsel ersetzt werden, wenn sie mit einem passenden Audio‑Transformator kombiniert werden.

Unten sehen Sie eine stärkere Variante, die den Kristalldetektor durch einen Transistor ersetzt. Der Germanium‑PNP‑Transistor ist so vorgespannt, dass er nur während der positiven Halbwellen des HF‑Eingangs leitet und somit als Detektor mit integrierter Verstärkung fungiert. Diese Konfiguration erzeugt einen lauteren Ausgang, der 2000 Ω Kopfhörer direkt antreiben kann. Ein Silizium‑NPN‑Transistor funktioniert ebenfalls, wenn der Basis‑Vorspannungs‑Widerstand entsprechend angepasst wird.

Moderne Low‑Impedanz‑Ohrstöpsel können die ursprünglichen 2000 Ω Kopfhörer ersetzen, sofern sie mit einem Audio‑Transformator oder geeignetem Verstärker angepasst werden.

Das folgende Schema fügt dem Kristalldetektor eine Audio‑Verstärkerstufe hinzu, um die Lautstärke weiter zu erhöhen. Das Originaldesign nutzt eine Germanium‑Diode und einen Transistor; eine Schottky‑Diode kann die Germanium‑Diode ersetzen, und ein Silizium‑Transistor kann verwendet werden, wenn der Basis‑Vorspannungs‑Widerstand gemäß der beiliegenden Tabelle modifiziert wird.

Für einen breiteren Blick auf Kristallradio‑Designs, einfache Ein‑Transistor‑Radios und fortgeschrittene Low‑Transistor‑Konfigurationen siehe die Beispiele unten.

Der integrierte‑Schaltkreis (IC) AM‑Radio fasst alle aktiven HF‑Komponenten in einem einzelnen IC zusammen, mit nur wenigen externen Kondensatoren, Spulen und Widerständen. Ein 370 pF variabler Kondensator stimmt den HF‑Eingang ab, während ein 320 pF Kondensator den lokalen Oszillator 455 kHz über dem HF einstellt. Die Mischung erfolgt an Pin 15, wobei Summen‑ und Differenzfrequenzen entstehen; ein 455 kHz Keramikfilter wählt die gewünschte Differenz. Der Großteil der Verstärkung findet in der Zwischenfrequenz‑Stufe (IF) zwischen Pin 12 und 7 statt, mit einer Diode an Pin 7 zur Audio‑Rückgewinnung. Automatische Gewinn‑Kontrolle (AGC) wird von Pin 9 abgeleitet.

Mechanische Abstimmung des HF‑Tuners und lokalen Oszillators, wie in (a) gezeigt, kann durch elektronische Varicap‑Diode‑Abstimmung in (b) ersetzt werden. Der Einsatz einer Varicap‑Diode reduziert den Bauteileumfang; Erhöhung der Sperrspannung verringert die Kapazität und erhöht die Abstimmfrequenz. Die Bias‑Spannung kann durch ein Potentiometer erzeugt werden.

Eine weitere Reduzierung der Bauteilzahl wird erreicht, wenn der IF‑Bandpassfilter in den IC integriert wird, wodurch externe IF‑Transformatoren und Keramikfilter entfallen. Der HF‑Eingang und lokale Oszillator benötigen weiterhin LC‑Abstimmung, die wiederum durch Varicap‑Dioden ersetzt werden kann, falls gewünscht.

Für FM‑Empfang bietet ein TDA7021T IC von NXP Wireless eine Low‑Part‑Count‑Lösung. Externe IF‑Transformatoren werden durch RC‑Filter ersetzt; das IC liefert die nötigen Widerstände, während Kondensatoren extern bleiben. Der vereinfachte Abstimmkreis spiegelt Abbildung 5 im NXP‑Datenblatt wider, und ein aufwendigerer Tuner findet sich in Abbildung 8. Eine Stereo‑FM‑Version beinhaltet einen Audio‑Verstärker, der einen Lautsprecher antreiben kann.

Für Hobbyisten, die dieses FM‑Radio bauen: Die 56 nH Spule kann mit acht Windungen #22 AWG Blank‑ oder Lackdraht auf einem 0,125‑Zoll‑Dorn gewickelt und dann auf 0,6 Zoll gedehnt werden. Ein Miniatur‑Trimmkondensator dient als Abstimmelement.

Das folgende Schema demonstriert einen Common‑Base (CB) HF‑Verstärker. Da er kein Bias‑Netzwerk besitzt, arbeitet er als Klasse‑C‑Verstärker, der für weniger als 180° der Eingangswelle leitet. Die CB‑Konfiguration bietet bei hohen HF‑Frequenzen höhere Leistungsverstärkung als ein Common‑Emitter‑Design. Mit angepassten π‑Netzwerken an Ein‑ und Ausgang erreicht die Schaltung 50 Ω‑Abschluss und filtert Harmonische. Für moderne Strahlungs‑Emissions‑Standards können zusätzliche Filterabschnitte notwendig sein.

Ein noch höher‑verstärkender CB‑Verstärker ist unten gezeigt. Mit 1 kΩ–4 kΩ Spannungsteilern und 500 Ω Emitter‑Bias‑Widerständen arbeitet der Transistor in Klasse A. Die Konfiguration erreicht 38 dB Verstärkung bei 100 MHz mit 9 MHz Bandbreite.

Die Kombination einer Common‑Emitter‑Eingangsstufe mit einer Common‑Base‑Ausgangsstufe ergibt einen Cascode‑Verstärker, der sowohl hohe Bandbreite als auch moderaten Eingangswiderstand bietet. Das Bias‑Netzwerk, detailliert in Kapitel 4 des BJT‑Texts, ist unten illustriert.

Simulationen des Cascode‑Verstärkers finden sich im „Cascode“‑Abschnitt des BJT‑Kapitels. Für beste Hochfrequenz‑Performance RF‑ oder Mikrowellen‑Transistoren verwenden.

Die PIN‑Dioden bilden ein π‑Dämpfungsglied‑Netzwerk. Anti‑Serien‑Dioden reduzieren Harmonischen‑Verzerrung im Vergleich zu einer einzelnen Seriens‑Diode. Eine feste 1,25 V Versorgung vorspannt die Parallel‑Dioden in Vorwärtsrichtung, liefert DC‑Strom und HF‑Leitung durch ihre Sperrschicht‑Kapazitäten. Durch Variation der Steuerspannung (Vcontrol) lässt sich der Widerstand von 80 dB Dämpfung bei 10 MHz (Vcontrol = 0,5 V) auf 3 dB bei 5 V einstellen, mit flachem Frequenzgang bis 2 GHz.

ZUGEHÖRIGES ARBEITSBLATT:

• Grundlagen der Funkkommunikation Arbeitsblatt