Preselektor - Mit wenig Aufwand viel erreichen!

Markus Tillmann, 03/2008

Wesentliche Merkmale zu Preselektoren sind schon im Beitrag des VFO-Magazin „Dimensionierung eines Pi-Filters" beschrieben worden. Ein Pi-Filter sorgt für die Anpassung der Antenne und einer gewissen Selektivität, die gleichzeitig zur Entlastung der Empfängereingangsstufe beiträgt. Letzteres lässt vor Allem den zur Verfügung stehenden Dynamikumfang des Empfängers besser ausschöpfen. Die Frequenzselektion bewirkt, dass weniger des breitbandigen aber ungenutzten Signalangebotes der Antenne zu verarbeiten ist. Dieses übersteuert nämlich oft die Empfangsstufen des Empfängers und führt zu Desensibilisierung, weil die Halbleiter im gesättigten Zustand arbeiten. Mit dem Preselektor sinkt daher trotz der besseren Antennenanpassung (höhere Signalleistung auf der gewünschten Frequenz) die insgesamt zu verarbeitende Signalleistung. Im Ergebnis bietet er einen ruhigeren, störungsärmeren Empfang und dabei eine Steigerung der Empfängerempfindlichkeit. Dieser Effekt macht sich umso bemerkbarer, je geringer der Dynamikumfang des Empfängers ist. Ganz profan gesagt: Der Einsatz eines Preselektors bewirkt umso mehr, je schlechter der Empfänger ist.

Die in o.g. Beitrag umgesetzte Lösung des Pi-Filters demonstrierte die Theorie eindruckvoll. Dennoch wuchs in mir der Wunsch nach mehr. Erstens: Die Baugröße sollte noch kompakter werden. Die große Luftspule des Pi-Filters in Verbindung mit ZWEI Drehkondensatoren lassen kaum eine Miniaturisierung zu, wenn man nicht gerade die hochwertigen Luftdrehkos durch Foliendrehkos ersetzen mag. Zweitens: Die Luftspule stellt in dieser Baugröße kein Optimum hinsichtlich des Gütefaktors dar. Grund sind u.a. die sich gegenseitig beeinflussenden und zudem nicht wenigen Windungen. Wird ein Frequenzbereich über die entsprechende Anzapfungen eingestellt, wirkt der kurzgeschlossene Spulenanteil durch kapazitive und induktive Kopplung dennoch etwas weiter, was den geschalteten und gewünschten Spulenteil bedämpft und so die Kreisgüte reduziert. Und drittens: Die Bedienung über drei Bedienungselemente ist umständlicher als über zwei.

Den Realisierungsmöglichkeiten von Preselektoren sind kaum Grenzen gesetzt: Passive Preselektoren mit Breitbandübertrager an Ein- und Ausgang oder aktive Preselektoren mit Anpassung über einen FET-Transistor, aufwändig einzeln abgeschirmt aufgebaute Bandfilter und und und! Hier stellt sich die Frage, ab welchem Aufwand man von „Preselektor" zu reden bereit ist. Ich möchte dies von dem Moment an tun, ab dem Selektion im Spiel ist – gleich wie wirksam.

Für mich galt es, die oben genannten drei Punkte zu verbessern. Die Unabhängigkeit von einer Stromversorgung führt zwangsläufig zu einer passiven Ausführung. Es sollte aber keine Diplomarbeit entstehen. Ziel war ein geringer Bauaufwand sowie eine hohe Nachbausicherheit. Gerade in der Hochfrequenztechnik reduziert sich diese mit jedem Bauteil um soviel, wie Bauempfehlungen an Wert verlieren. Bei aufwändigen Schaltungen steigt der Aufwand für die Einhaltung von Bauvorschriften und Abgleich enorm, was dazu führt, dass Bauempfehlungen schnell zu den Akten gelegt werden. Dies soll keinesfalls gegen aufwändige Schaltungen sprechen. Aber ich „Bastler" habe Grenzen hinsichtlich handwerklicher und finanzieller Vorraussetzungen und denke, die Bauempfehlung meines einfachen Preselektors ist wertvoll für viele Bastler wie mich. Wer gänzlich den bequemen Weg gehen will, dem empfehle ich kommerzielle Produkte, die man statt mit 15 Euro Materialaufwand und einem Samstag Freizeit für den zehnfachen Geldbetrag, dafür aber je nach Hersteller mit Bandfiltern und spezifizierten Leistungsdaten erwerben kann.

Ganz einfach! Es handelt sich um einen gegen Masse geschalteten LC-Parallelkreis, bei dem je nach Frequenzbereich verschiedene Induktivitäten gewählt und mit EINEM Drehkondensator abgestimmt werden. Bekanntlich wirkt ein in den Signalweg eingefügter Parallelkreis bei Resonanz sperrend für die Resonanzfrequenz, gegen Masse geschaltet hingegen leitend, während jenseits der Resonanzfrequenz Dämpfung auftritt. Dies ist der gewünschte Effekt. Richtige Bandfilter sind mehrkreisig ausgeführt und damit zunehmend steilflankiger, was ihren Aufwand rechtfertigen kann. Allerdings bedarf es gewissen Aufwandes (mehr als nur zwei Parallelkreise), um dafür zu sorgen, dass zwischen den Flanken die Dämpfung nicht wieder ansteigt.

Im Gegensatz dazu sollen die hier favorisierten, einfachen LC-Parallelkreise wenigstens bauteilbedingt keine Schwächen aufweisen, um eine hohe Güte zu erreichen. Ein Koppelkondensator kleiner Kapazität in Reihe zum Eingang vervollständigen die Schaltung. Er ist nicht zwingend, dient aber dem Schutz vor Störungen und im Extremfall dem Schutz vor Zerstörung der Empfängereingangsstufe.

Und für alle Zweifler: Grübelt nicht über Anpassung an konkrete Empfängerimpedanzen von 50 Ohm, 300 Ohm oder 600 Ohm. Die Empfindlich wirklich aller modernen Empfänger ist höher, als dass ein Mangel an Anpassung mehr Verlust bedeuten würde als der Gewinn an Empfangsdynamik.

Ein Luftdrehkondensator ist daher Pflicht Nummer 1. Mir stand ein Drehko mit zwei Paketen von je 330 pF und 400 pF aus einer entsorgten Hifi-Anlage zur Verfügung. Es war zu überlegen, welches Paket zweckmäßig zu verwenden war. Warum nicht gleich beide? Das erweitert den Abstimmbereich je Band. Seine Getriebeuntersetzung sorgte für traumhafte drei vollständige Umdrehungen von Anschlag zu Anschlag und so konnte ich mir die Parallelschaltung der beiden Pakete leisten, ohne dass die Abstimmung zu „spitz" ausfallen konnte (Wie sich noch zeigen sollte, hätte ein Folienkondensator mit nur einer halben Umdrehung die Bedienung auf Grund der guten Kreisresonanz unbedienbar gemacht).

Dimensionierungsgrundlage ist die Formel:

f= 1 / (2 * Pi * wurzel(L * C))

mit der Frequenz f in Hz, Induktivität L in H und der Kapazität C in F. Die Frequenzbereiche - fünf sollten es sein - sollen von Langwelle bis etwa 30 MHz reichen und sich deutlich überlappen, sodass der Nachbau sicher wird. Um sie mit einer variablen Kapazität von 22pF – 730pF abzudecken, errechnen sich danach zum Beispiel folgende Induktivitäten L1 bis L5 (gerundet):

Besonderer Wert sollte auf die Spulen gelegt werden, da sie maßgeblich die Güte des LC-Kreises bestimmen. Wichtig sind Form und Material. Erste Wahl sind Ringkerne mit der Form eines Toroides. Ihr unbestreitbarer Vorteil ist, dass die Magnetfeldlinien im Kreis „gefangen" sind und deshalb nicht aus der Spule austreten. Dies bedeutet sehr geringe Verluste und hohe Güte. Gleichzeitig ist dadurch die gegenseitige Beeinflussung der Spulen, also ganz im Gegensatz zur Luftspule mit Anzapfungen, sehr gering. Die Spulen können deshalb sehr nah nebeneinander bestückt werden. Die Kerne bestehen aus Eisenpulver oder Ferrit. Im Gegensatz zu Ferritkernen besitzen die Eisenpulvertypen nur geringe Permeabilität µ, d.h., es lassen sich pro Windung keine so hohe Induktivität erreichen, aber sie sind dafür sehr resistent gegen magnetische Sättigung. Und dies ist in HF-Kreisen gewünscht. Ferritkerne hingegen werden zur Breitbandübertragung oder als Drossel genutzt.

Bekannter Hersteller von Kernen ist die Fa. Amidon. Sie haben ein breites Angebot von Kernen verschiedenster Größen und Materialien, die sich im Falle der Eisenpulvertypen bereits an der farblichen Kennzeichnung unterscheiden lassen. Die Bezeichnung T-50-2 bedeutet z.B.: T = Eisenpulver, 50 = Außendurchmesser in Zoll/100, 2 = Materialtyp. Für Kurzwellenfrequenzen geeignet sind die Materialien 2 (rote Kennzeichnung, 1 – 30 MHz, µ = 10) und 6 (gelbe Kennzeichnung, 2 – 50 MHz, µ = 8). Zu jedem Durchmesser wird ein AL-Wert in µH/100 Wdg. angegeben, mit dem sich im Voraus abschätzen lässt, wie viele Windungen zu welchem Induktivitätswert führen. Für die Größen 50 und 68 (d = 12,7 cm, d = 17,5 cm) sind

Mit der Windungszahl N und der Induktivität L in µH ist

L= AL * (N / 100)^2

N= 100 * wurzel(L / AL)

Für Frequenzen oberhalb 10 MHz sollte das Material 6, darunter Material 2 Verwendung finden. Da bei Empfangsantennen i.d.R. keine hohen Leistungen verarbeitet werden, genügt zur Wicklung Kupferlackdraht CuL von 0,4 mm oder weniger. Damit habe ich eine Übersicht über die Windungszahlen. Wenn man den guten Rat beherzigt und die Windungen auf etwa 270° des Ringes verteilt, passen nicht mehr als etwa 30 Windungen des Drahtes auf einen Ring der Größe 50. Für L3 errechnen sich damit aber rund 70 Windungen. Deshalb sollte die Größe 68, besser sogar die Größe 80 gewählt werden. Es ergeben sich folgende Spulendaten:

L4 und L5 benötigen Induktivitätswerte, die nur noch mit Ferriten erreicht werden. Als sechste Bereichswahl sei noch die Stellung „Pass" eingerichtet, die schlicht und einfach unbelegt ist.

Es war Mittwoch. Unbedingt wollte ich das Ergebnis auf dem Fieldday am Samstag präsentieren. Meine Überlegungen zur Dimensionierung und die Materialbeschaffung ließ auch den Donnerstag vorübergehen. Nur soviel kann ich zu meiner Verteidigung vorbringen: –Ich weiß, dass man so etwas auch schöner bauen kann.

Aber mir ging es um das Wesentliche. Der Einbau der Schaltung erfolgte in ein Metallgehäuse. Veränderungen des Signalpegels durch die Annäherung der Hand (Handkapazität) ist deshalb nicht zu verzeichnen. Trotz meiner Vorgabe zur Miniaturisierung und der Verwendung von Ringkernen sollten die Spulen wenigstens mit ihrem Ringdurchmesser voneinander entfernt sein. Sie sind auf einer Rasterplatine montiert und recht kräftig durch Kabelbinder fixiert, damit Vibrationen möglichst wenig Einfluss auf das Empfangsergebnis haben.

Aus gleichem Grunde sollten Leitungen, wenn es mit ihrer Verlegung nicht zu kompliziert wird, in starrer Ausführung erfolgen. Dies hat hier sogar einen weiteren Vorteil: Die fünf Verbindungen von der Spulenplatine zum Schalter sowie zwei Verbindungen zu den Massekontakten an den PL-Buchsen mit starrem Draht von 1,5 mm² Querschnitt ersparten mit ihrer dreidimensionalen Anordnung sogar die extra Montage der Spulenplatine. Sie sitzt wie festgeschraubt.

Ansonsten ist zum Aufbau nicht viel zu sagen, aber hier noch ein paar Tips zu den Spulen. Der CuL-Draht ist stramm zu wickeln. Nach dem Wickeln fixierte ich die Windungen durch Aufträufeln von Kerzenwachs. Die Spule erhält damit ausreichend Stabilität zur weiteren Handhabung, lässt aber jederzeit durch Hinzufügen oder Entfernen von Windungen eine Korrektur zu.

Die errechneten Windungszahlen erwiesen sich als etwas zu gering. Nach dem Aufträufeln des Wachses und dem Einbau misst man anschließend bis zu 10% geringere Werte. Die Kapazität der Leiterbahnen auf der Platine und des Gehäuses mögen dabei die Ursache sein. Es ist zu empfehlen, zunächst etwas mehr zu Wickeln, denn eine anschließende Reduzierung der Windungszahl fällt leichter als ein Neuwickeln. Bei der großen Variationsbreite des Drehkos und den daraus resultierenden Überlappungen der Frequenzbereiche sind die hier gemessenen Abweichungen allerdings völlig unkritisch.

Meine Bedenken galten zunächst dem einfachen Schaltungskonzept. Es ist fast so alt wie die Erfindung der Elektrizität. Unzählige Empfänger wenden es an, unzählige Höramateure kamen schon vor mir auf die Idee, es nachzubauen und auch diverse, als KW-Booster oder Preselektor bezeichnete, käuflich erwerbbare Produkte bedienen sich dieses Prinzips. Und es gibt eben auch wesentlich kompliziertere Konzepte. Worum es mir geht? Ich möchte denjenigen zum Nachbau motivieren, der daran zweifelt, dass man etwas RICHTIG GUTES selbst bauen kann. Und demjenigen, der glaubt, dass ihm sein Weltempfänger die Grenzen seiner Möglichkeiten aufzeigt. Einzige Bedingung ist eine Bauteilauswahl und Bauausführung, die sich an o.g. Ansprüchen orientiert. Eine Kette ist nur so stark wie sein schwächstes Glied. Und so scheitern aufwändige Schaltungskonzepte oft an einer oder wenigen Schwächen vollständig. Hiesige Schaltung lässt dagegen nur wenig Fehler zu. Und der Erfolg ist riesig.

Alle Versuche fanden unter Verwendung eines 12 Meter langen, unangepassten Antennendrahtes statt. Auf Kurzwelle genügt der einfache Vergleich zwischen Betrieb mit und ohne Preselektor. Und der Unterschied ist geradezu überwältigend. Zwischen den extremen Empfangssituationen „Ortssenderqualität" und „kaum hörbar" lässt sich der Erfolg des Einsatzes des Preselektors vollständig beschreiben. An den Weltempfängern Siemens RK770 und Sony ICF-SW7600G äußerte sich der Effekt gleichermaßen: Ohne Preselektor gut hörbare Stationen zwischen dem 120-Meterband und dem 10-Meterband waren auch mit Preselektor gut hörbar, aber mit ihm einen Tick klarer und störärmer. Ohne Preselektor kaum hörbare Stationen waren mit demselben gut bis sehr gut hörbar. Und dabei keine Spur von Übersteuerung. Das entspricht genau der eingangs erwähnten Theorie, wonach die Eingangsstufen insgesamt entlastet werden. Stationen, die selbst mit Preselektor schwach hörbar waren, waren es ohne denselben gar nicht. Ich erspare mir die Auflistung einzelner Stationen und deren Hörbarkeit, weil sich der Effekt ausnahmslos und durchgängig bestätigt. Nur dieses eine Beispiel möge den Erfolg unterstreichen: Auf dem Fieldday am 12.1.2008 war die Station der DXpetion J5C (Bubaque Island, Guinea-Bissau) mit dem RK770 ohne Preselektor nicht zu hören. Mit dem Preselektor brachte er hingegen die gleiche Empfangsqualität wie ein Yaesu FT-897D, der an einer ebenso unangepassten Drahtantenne ähnlicher Länge betrieben wurde. Erstaunlich, auf welches Niveau ein „billiger" Kofferempfänger gehoben werden kann.

An einem AOR AR5000 stellen sich die Effekte geringer dar. Zum Teil zeigt sich eine leichte Verbesserung des Empfangs (meist durch Reduzierung des Störpegels), zum Teil ist objektiv keine Verbesserung erkennbar. Das steht nicht im Widerspruch zur Theorie und wertet den Preselektor in keiner Weise ab, denn die Vorselektion hochwertigerer Empfänger lässt weniger Spielraum zur Verbesserung des Empfangs.

Den Lang- und Mittelwellenbereich konnte ich nicht an o.g. Weltempfängern testen, da sie nämlich mit interner Ferritantenne arbeiten, mit dem Anstecken einer externen Antenne diese aber abschalten. Ein direkter Vergleich des Empfangs, d.h. mit und ohne Preselektor unter gleichen Bedingungen, war so nicht möglich. Hier musste der AR5000 noch einmal herhalten. Und es überraschte, dass es mit dem Preselektor auf Mittelwelle gelang, nicht nur das Ergebnis des Kurzwellentests zu bestätigen, sondern teilweise sogar noch Signalerhöhungen von bis zu 2 S-Stufen zu erreichen. Lediglich der Langwellenbetrieb enttäuschte. Dies laste ich aber nicht dem Prinzip, sondern der Materialwahl an. Ich griff für die Spulen L4 und L5 in meine Restesammlung und entschied mich mangels Auswahl kurzer Hand zu einem Ringkern, der den notwendigen Induktivitätswert mit wenigen Windungen erreichen ließ – ohne Kenntnis der sonstigen Materialeigenschaften. L4 war ein Glücksgriff, L5 nicht.

Abgesehen davon: Frappierend ist die Schärfe der Abstimmung, also des Resonanzeffektes der Kreise. Dies ist das Ergebnis der wenigen Regeln zur Ausführung der Bauteile. Ein Folienkondensator mit nur einer halben Umdrehung zwischen den Anschlägen wäre schlicht und einfach nicht nutzbar und eine Luftspule besitzt nicht die Güte eines Ringkernes.

Fazit: Das Verhältnis zwischen Aufwand zu Nutzen lässt sich kaum steigern.