Loewe Opta ST22 Hi-Fi Steuergerät
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Abstimmung und Frequenzstabilisierung beim LOEWE — ST22
Von Werner Kassenbrock.
Dieser Beitrag wurde auch in gekürzter Form in der Funkgeschichte (GFGF) Heft 158 veröffentlicht.
Zur Verfügung gestellt für das RM – Bocket von Werner Kassenbrock.
Anfang der 70'er (1972) Jahre brachte LOEWE OPTA den HiFi-Stereo-Empfänger-Verstärker (Loewe nannte ihn so) ST 22 Sensotronic auf den Markt. Er war Bestandteil der Line 2001 und baugleich mit dem SD 2610. Es handelte sich um ein sogenanntes Designgerät in flacher Bauweise. Neben dem qualitativ hochwertigen Aufbau erscheinen mir zwei technische Details so bemerkenswert, dass diese hier näher beschrieben werden sollen. Sicher wird der ein oder andere Leser Kritik üben, wurden doch bislang überwiegend Oldtimer in der FG behandelt. Doch auch der ST 22 wird demnächst zu dieser Kategorie Radios gehören.
Was ist nun das Besondere an diesem Gerät? Die Oszillatoren für die AM-Bereiche und für UKW werden über einen Regelkreis frequenzstabilisiert (kein PLL!). Hierbei nutzt man die relativ konstante Laufzeit einer Ultraschallwelle durch einen Glaskörper aus. Der übliche L/C-Abgleich der Oszillatoren ist daher nicht möglich und auch nicht erforderlich. Die Arbeitsweise dieser Frequenzregelung soll in diesem Aufsatz beschrieben werden.
Eine weitere Besonderheit des Gerätes ist ein durchgängiger LW-MW-Bereich. Der Nicht-Rundfunkbereich wird beim Durchstimmen dabei automatisch stumm geschaltet.
Betrachten wir zunächst das Blockschaltbild (Bild 1) der Frequenzregelung.
Der eigentliche Oszillator ist als VCO (voltage controlled oscillator) ausgeführt und somit durch eine Gleichspannung in der Frequenz abstimmbar. Die erzeugte HF-Spannung (oberer Ausgang) wird der Mischstufe zugeführt. Gleichzeitig wird diese Wechselspannung auf den Eingang eines Frequenz-Spannungs-Wandlers (f/U-Wandler) geleitet. In diesem Wandler wird die Oszillatorfrequenz in eine frequenzproportionale Gleichspannung umgewandelt. Der Wandler arbeitet absolut linear. Diese Gleichspannung wird in einem Komparator mit einer zweiten Spannung verglichen. Dies ist die Gleichspannung vom Abstimmpoti symbolisch in Bild 1 durch die einstellbare Spannungsquelle dargestellt. Die Komparator-Ausgangsspannung regelt dann über einen Tiefpass TP die Oszillatorfrequenz. Wird die Spannung am Abstimmpoti verändert, ändert sich auch die Spannung am Ausgang des Tiefpasses und damit die Oszillatorfrequenz f. Die Frequenzstabilität der Schaltung hängt somit von der Stabilität der Gleichspannung am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (=Komparator), vom f/U-Wandler und vom Komparator ab. Das Stabilisieren von Gleichspannungen ist kein Problem; auch gibt es gute OPs auf dem Markt. Das Hauptaugenmerk der Entwickler lag wohl auf der Entwicklung eines stabilen f/U-Wandlers. Nachfolgend wird dieser mithilfe des Blockschaltbildes (Bild 2) beschrieben.
Bild 2: Prinzipschaltung des f/U-Wandlers
Die VOR-Ausgangsfrequenz wird zunächst mit einem Frequenzteiler durch den Faktor N (AM-Bereiche: N = 160; UKW: N = 1920) herunter geteilt. Das rechteckförmige Ausgangssignal f bzw. ω' setzt das RS-Flipflop am Ausgang Q auf logisch 1. Dieser Setzimpuls durchläuft aber auch die Verzögerungsleitung mit der konstanten Laufzeit t und setzt das Kippglied nach t ≈ 64 us zurück. Am Ausgang des Flipflops entsteht somit eine Rechteckspannung Uq, deren Tastverhältnis proportional der VCO-Frequenz ist. Diese Spannung wird mit dem Integrierglied R/C in eine Gleichspannung gewandelt und dem Komparator zugeführt. Ein für den Radiosammler ungewöhnliches Bauteil ist die Ultraschall-Verzögerungsleitung. Die hier benutzte Leitung ist für Laufzeit-Decoder-Schaltungen in Farbfernsehempfängern, die nach dem PAL-System arbeiten, bestimmt. Die Verzögerungszeit entspricht in etwa der Dauer einer Zeile, also ca. 64 µs. Das zu verzögernde elektrische Signal wird in dieser Leitung zunächst durch einen Wandler in ein Ultraschallsignal umgewandelt. Die Ultraschallwelle durchläuft eine Glasplatte und wird danach wieder in ein elektrisches Signal zurückgewandelt. Den typischen Signalverlauf am Flipflop zeigt Bild 3:
Bild 3: Signalverlauf am RS-Kippglied
Wenden wir uns der realen Schaltung (Bild 4) zu.
Bild 4: Der f/U -Wandler (Schaltplanausschnitt LOEWE OPTA ST22).
Die integrierten Schaltungen I1100 (7493) und I 1101 (7490) bilden den Frequenzteiler durch N. Das Rechtecksignal am Ausgang des Teilers wird nun zunächst durch C 1101 (220 pF) und R 1105 (15 k) differenziert – also in nadelförmige Impulse umgewandelt. Die Diode D 1100 sperrt den positiven Impulsanteil. DL 50 ist die Verzögerungsleitung von VALVO. Das Flipflop wird durch zwei NAND-Gatter aus dem 7400 (I 1102) gebildet.
Bild 5 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus dem Schaltplan des ST 22. Deutlich erkennbar sind der f/U-Wandler (Block F), der Komparator I 1001 (im Plan Differenzverstärker genannt) sowie der AM und der FM-Oszillator. Farbige Darstellungsmöglichkeiten wären jetzt hilfreich.
Im unteren Teil des Schaltplanausschnitts erkennt man den sogenannten Schwellwertschalter MW/LW. Hier wird mit Transistoren der Nicht-Rundfunkbereich zwischen LW und MW stumm geschaltet – s.o.
Bild 5: Schaltplanausschnitt des LOEWE OPTA ST22: HF-Eingangsteil mit Mischer und Oszillatoren.
Der f/U-Wandler – mathematisch gesehen
Die Funktion des f/U-Wandlers lässt sich nur mithilfe der Mathematik exakt beschreiben. Die nachfolgenden Variablen beziehen sich auf die Bilder 2 und 3. Die Signalform der Spannungen Uo und Uv ist bei der mathematischen Beschreibung des Wandlers unbedeutend; allein ihre Phasendifferenz ist für die Funktion entscheidend. Um die mathematische Funktion hier zu vereinfachen, können Uo und Uv auch als sinusförmig angenommen werden. Für Uo wird somit willkürlich festgelegt:
Gleichung (1.6) ist auch dann gültig, wenn die Signalformen von Uo und Uv nicht sinusförmig sind, sondern eine periodische Impulsfolge darstellen, wie sie zum Setzen bzw. Rücksetzen des RS-Kippgliedes benötigt werden. Bild 3 zeigt den typischen Signalverlauf an diesem Flipflop. Hier erkennt man auch, dass am Q-Ausgang des FF eine rechteckförmige Impulsfolge entsteht, deren Tastverhältnis durch die Phasendifferenz zwischen Uo und Uv eindeutig festgelegt ist. Weiterhin ist ersichtlich, dass hierbei die Anzahl der ganzzahligen Vielfachen von 2π, die die Phasendifferenz Δφ enthält, keinen Einfluss hat. Entscheidend für das Tastverhältnis von Uq ist somit allein die um alle ganzzahligen Vielfachen von 2n verminderte Phasendifferenz Δφ, die hier mit Δφ’ bezeichnet wird und aus (1.6) wie folgt berechnet wird:
Aus dieser Darstellung geht hervor, dass ein und derselben Wandlerausgangsspannung theoretisch
unendlich viele Frequenzen zugeordnet sind, die untereinander einen konstanten Abstand
haben. Diese Mehrdeutigkeit kann jedoch besser diskutiert werden, wenn man (1.13) nach f auflöst:
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Wandlers von der Frequenz ist somit durch eine periodische, sägezahnförmige Funktion mit der Periode N/τ gegeben. Dies ist in Bild 6 dargestellt.
Wird ein solcher f/U-Wandler in einer Frequenzregelschleife nach Bild 1 eingesetzt, so muss dafür gesorgt werden, dass der VCO nur in dem jeweils gewünschten Bandsegment arbeitet, um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden.
Die Verzögerungsleitung.
Die hier verwendete Verzögerungsleitung gehört zur Gruppe der akustischen Verzögerungsleitungen. Hierbei wird das zu verzögernde elektrische Signal durch einen geeigneten Wandler in ein Ultraschallsignal umgewandelt. Dieses Signal durchläuft ein Verzögerungsmedium und wird anschließend in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.
In Bild 7 sind die Form des als Verzögerungsmedium dienenden Glaskörpers einer Ultraschall-Verzögerungsleitung sowie der Weg (gestrichelt) der Ultraschallwelle zu sehen.
Bild 7: die Wandler befinden sich an den abgeschrägten Seiten. Sie arbeiten nach dem piezoelektrischen Prinzip. Ein piezoelektrischer Wandler lässt sich näherungsweise durch das in Bild 8 beschriebene Ersatzschaltbild beschreiben.
Bild 8:
Dabei bedeuten:
C o : Kapazität des Wandlers weit außerhalb der Resonanzfrequenz abzüglich Cl
C 1 : Kapazität des mechanischen Kreises
R 1 : durch mechanische Verluste bedingter Widerstand
R L : Widerstand der Nutzlast, hervorgerufen durch abgestrahlte Energie
L 1 : Induktivität des mechanischen Kreises
Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an einen solchen Wandler entsteht eine elastische, reversible Materialverformung, welche eine Ultraschallwelle erzeugt. Es handelt sich hier um Transversalwellen mit einer Geschwindigkeit von ca. 2500 m/s. Auf dem Glaskörper ist beidseitig eine dämpfende Schicht aus Epoxy aufgebracht. Der Zweck dieser Massepunkte besteht darin, denjenigen Anteil der Ultraschallwellen zu absorbieren, der sich sonst außerhalb des vorgeschriebenen Weges durch das Glas fortpflanzen würde. Bei dem Verzögerungsmedium handelt es sich um Kalium-Bleiglas, das bei sorgfältiger Auswahl der Bestandteile eine nahezu temperaturunabhängige Verzögerungszeit garantiert.