Schaltungswettbewerb 2012: DCF77-Empfänger      

 
von Martin Müller               
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Bei verschiedenen Elektronikversandhändlern kann man im Preissegment von ca. 5 bis 15 € Empfangsmodule für den Zeitzeichensender DCF 77 in Mainflingen bei Frankfurt/M bekommen. Dieser sendet auf 77,5 kHz ein Trägersignal, das im Sekundentakt für 100 oder 200 ms (je nach Codierung) abgesenkt wird. Zwischen Sekunde 59 und 0 entfällt die Signalabsenkung. Für Bastel- und Experimetierzwecke, kann man sich einen Zeitzeichenempfänger auch selber bauen, und das mit nur einem 4007.
 
Die Schaltung ist als Geradeausempfänger konzipiert. Wichtig ist dabei die Ausrichtung der Ferritantenne in Richtung Mainflingen und ein möglichst optimal abgeglichener Eingangskreis. Aus der Bastelkiste wurde ein Ferritstab mit 6 mm Durchmesser verwendet, der mit gefühlt 150 bis 200 Windungen 0,2 mm CuL-Draht zweilagig bewickelt wurde. Das komplette Bekleben des Stabes mit doppelseitigem Klebeband zu Beginn und im Verlauf zwischen den Lagen, gestaltet das Spulenwickeln einigermaßen erträglich. Nach Fertigstellung wurde die Antennenspule noch mit normalen Klebeband umwickelt. Eine Induktivitätsmessung ergab einen Wert von 2,2 mH. Daraus resultiert, dass der erforderliche Kondensator, um den Schwingkreis bei 77,5 kHz in Resonanz zu bringen, theoretisch eine Kapazität von ca. 1,9 nF besitzen muss. Durch Ausprobieren wurde für C3 die Parallelschaltung zweier Kondensatoren mit nominal 1,8 nF und 330 pF als beste Lösung ermittelt. Der Trimmkondensator C2 (130 pF) dient dem Feinabgleich.

Die Schaltung wird mit 5 V Gleichspannung versorgt. Der Widerstand R6 (100) und C7 (10 µF) sorgen für eine zusätzliche Glättung der Versorgungsspannung und sind nur dann erforderlich, wenn der Empfänger zur Signaldekodierung an einem  Mikrocontroller betrieben wird.
Das  vom FET-Pärchen P2/N2 verstärkte Eingangssignal gelangt über C5 (330 pF) zu P1/N1. Diese beiden FETs sind als Inverter geschaltet. Die Ausgangsspannung an Pin 8 und Pin 13 wechselt von 5 V nach 0 V, wenn die Gatespannung von ca. < 2,75 V nach > 2,9 V steigt. Die Gatespannung wird über das Trimmpoti R2 (100 k) und R3 (100 k) in diesen Bereich gebracht. Zum leichteren Abgleich wird empfohlen für R2 einen Spindeltrimmer zu verwenden. Ordentlich abgeglichen erhält man so an Pin 8 und 13 das nochmals verstärkte und mit einem Gleichspannungsanteil versehene Signal des DCF 77 (rote Kurve im Oszillogramm).
 
 
 
 
Nachdem das Signal durch D1 (BAT 46) gleichgerichtet wurde (die Diode muss keine Schottky-Diode sein, hatte sie nur gerade zufällig verfügbar), erhält man an den Gates des nächsten FET-Pärchens  (P3/N3) das im oberen Bild gelb und im unteren  Bild dann rot dargestellte Signal. Es „überstreicht“ den Umschaltspannungsbereich des Inverters, der aus den genannten Transistoren gebildet wird. Somit erhält man das im unteren Bild gelb dargestellte Ausgangssignal, das über R5 (10 k) eine Low-Current-LED ansteuern kann.
 
Hier zur besseren Übersicht ein Schaltplan, der die Verdrahtung des 14-poligen DIL Gehäuses zeigt.



Die Amplitude des Gatesignals an P2/N2 beträgt bei dieser Schaltung nur etwa 0,5 V. Das ist ausreichend um den Inverter sicher umzuschalten. Diese Signalpegel kommen zustande, ohne dass eine externe Antenne angeschlossen wurde. Allerdings bleibt zu erwähnen, dass der Geburtsort dieser Schaltung nur ca. 20 km Luftlinie von Mainflingen entfernt liegt. Grund genug sich also Gedanken zu machen, wie man den DCF 77 auch in größerer Entfernung empfangen kann. Naheliegend ist, das ankommende Signal noch mehr zu verstärken. Der beste HF-Verstärker ist nach wie vor die Antenne. Also wird diese über C1 (100 pF) direkt an den Schwingkreis angekoppelt. Dabei kann alles mögliche als Antenne dienen. Im einfachsten Fall bringen ca. 2 m Schaltdraht schon eine deutliche Verbesserung. Sollte man auf dem Dach noch aus alten Tagen eine Rundfunkantenne installiert haben, lohnt es sich ebenfalls diese auszuprobieren. Im vorliegenden Fall wurde eine Groundplane für 2 m und 70 cm benutzt. Damit sehen die nochmals gemessenen Signale folgendermaßen aus:





Mit dem Trimmpoti R2 (100 k) kann man die Gatespannung für P1/N1 so einstellen, dass am Ausgang fast nur der „positive“ Anteil des Empfangssignals mit einer Amplitude von ca. 4,5V erscheint. Hinter D1 (BAT46) hat das Triggersignal für den letzten  Inverter nun eine Amplitude von etwa 4V.
 


Zunächst wurde der Zeitzeichenempfänger auf einem Steckbrett aufgebaut, auf dem er problemlos funktionierte. Über die Krokoklemme links im Bild wird das Antennensignal eingespeist. Erwähnen möchte ich noch, dass wegen der Hochohmigkeit des Schaltkreises die Messungen mit dem Oszilloskop (obwohl das auch hochohmig ist) nicht ganz trivial sind. Auch ist es erforderlich die Schaltung nach Veränderungen (z.B. Zufügen von R6 (100) und C7 (10 µF)) am Spindeltrimmer R2 (100 k) neu abzugleichen.
 
Wer möchte, kann man sich noch ein kleines Video anschauen, in dem der Empfänger in Aktion zu sehen ist. Das aufbereitete Signal wird von einem Tiny 24 mittels eines Bascom-Programms decodiert und auf einem LCD angezeigt. Youtube-Video: http://youtu.be/xiqTLdg7ZgA
 


Nachdem die Schaltung auf dem Steckbrett tagelang ohne Beanstandungen ihren Dienst versehen hatte, habe ich sie auf einer Punktrasterplatine aufgebaut. Widerstände und Kondensatoren wurden dabei in SMD-Ausführung gewählt und auf der Kupferseite aufgelötet.


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