Detektorempfänger (von ; auch Detektorradio, Diodenempfänger) waren in den Anfangstagen des Rundfunks die einfachsten Geräte zum Empfang von Hörfunksendungen, die zum Beispiel vom Kurzwellenrundfunk, Mittelwellenrundfunk oder Langwellenrundfunk amplitudenmoduliert ausgestrahlt wurden.Friedrich Benz: Einführung in die Funktechnik. Springer-Verlag, Wien 1937. Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg waren solche einfachen Geräte angesichts der schlechten Wirtschaftslage wieder stärker verbreitet. Auch die Firma Siemens baute festabgestimmte Detektorempfänger, wie den sogenannten „Berlin-Stecker“ zum Empfang eines starken lokalen Radiosenders.
Detektorempfänger bestehen aus nur wenigen Bauteilen und arbeiten ohne eigene Stromversorgung; es fehlen also Batterien oder Netzteile. Die gesamte für den Betrieb nötige Energie entstammt den von einer Sendeanlage verbreiteten elektromagnetischen Wellen. Die Wellen werden mithilfe eines Kristalls, den die Spitze eines dünnen Drahts berührt, gleichgerichtet. Die Senderauswahl geschieht über eine Spule.
Die einfache Technik macht ihn auch heute noch zu einem beliebten Objekt für Bastler und für Ausbildungszwecke.
Aufbau und Schaltung mini|Ein Selbstbau-Detektorempfänger mit Diode (rechts unten) als Gleichrichter: Die drei Bauelemente Spule (links unten), Folien-Drehkondensator (Mitte) und Diode sind gut erkennbar Der Detektorempfänger ist die einfachste Version eines Geradeausempfängers. Der grundsätzliche Aufbau besteht aus den Eingängen für Antenne und Erde, einem oder mehreren Schwingkreisen zur Abstimmung auf einen bestimmten Sender, dem Hüllkurvendemodulator in Form eines Gleichrichters und dem Ausgang, an dem typischerweise ein hochohmiger Kopfhörer angeschlossen wird.
Obwohl der Schaltplan nur sehr wenige Bauteile aufweist, war der Aufbau früher teilweise sehr voluminös, weil man damals mehr Wert auf die mechanische Ausführung mancher Komponenten legte und Miniaturisierung noch kein Thema war.
mini|Detektorradio von 1922 aus Schweden mit Bananenbuchsenanschlüssen
mini|Kristalldetektor des Detektorradios: Eine Metallspitze aus Wolfram drückt auf einen Bleiglanz-Kristall. Die Kombination aus Wolfram und Bleiglanz wirkt als Spitzendiode
Ein Empfänger bestand oft aus einem Gehäuse, das mit Bananenbuchsen ausgestattet war, um die Eingänge (Antenne, Erde) und Ausgänge (Kopfhörer) anschließen zu können. Oft gab es noch weitere Bananenbuchsen für extern wechselbare Komponenten, wie vor allem den Detektor selbst (s. u.) und manchmal auch Spulen mit unterschiedlichen Induktivitäten (s. u.), um den Frequenz- beziehungsweise Wellenlängenbereich zu wechseln.
Detektorempfänger müssen allerdings nicht immer klobig sein, Miniaturisierung gab es auch schon in den 1920er Jahren. In der Schatzkammer des Museums für Kommunikation in Berlin und im Thüringer Museum für Elektrotechnik Erfurt findet man eine historische Radio-Postkarte. Sie hat eine Dicke von etwa vier bis fünf Millimetern und das Format einer normalen Postkarte. Es gab noch weitere ähnliche Geräte.Bild einer Radiopostkarte.
Funktion mini|Oben: NiederfrequenzMitte: unmodulierte HochfrequenzUnten: amplitudenmodulierte HF Durch die Vielzahl der elektromagnetischen Wellen (Radiowellen) in unserer Umgebung werden Elektronen im Antennendraht in Schwingungen versetzt, es fließen schwache Wechselströme. Diese sind ein Gemisch aus Strömen sehr unterschiedlicher Frequenz und Amplitude. Würde man diesen Gesamtstrom demodulieren, könnte man ein Gemisch der Sendungen aller nahegelegenen Rundfunksender hören.
Ein Schwingkreis ermöglicht das Herausfiltern einer gewünschten Frequenz. In der hier gezeigten Anordnung (Sperrkreis) stellt er für die eingestellte Frequenz einen großen Widerstand dar, womit diese eine entsprechende Spannung am Diodenkreis erzeugt. Andere Frequenzen werden dagegen mehr oder weniger kurzgeschlossen. Ein einziger Schwingkreis arbeitet dabei aber noch unvollkommen.
Es ist sinnlos, unmittelbar am Schwingkreis einen Kopfhörer anzuschließen, weil die Niederfrequenz symmetrisch auf die Hochfrequenz aufmoduliert ist, siehe Abbildung. Der Hörer würde den Durchschnittswert ausgeben, die Nulllinie, also nichts. Die Diode beseitigt durch Gleichrichtung (Demodulation) diese Symmetrie.
Demodulation wird durch Abschneiden entweder der positiven oder der negativen Halbwelle der empfangenen Wechselspannung am Schwingkreis erzielt. Das ist Aufgabe des Gleichrichterbauteils, beispielsweise Kristall-Detektor oder Diode. Sie lässt nur eine Halbwelle durch und macht aus der Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung. Deren Einhüllende (im unteren Bild blau gezeichnet) ist die gewünschte Niederfrequenz. Der Kopfhörer vermag den einzelnen Stromstößen nicht zu folgen und bewegt sich nach dem Durchschnittswert, also in etwa der besagten Hüllkurve, was aber der gewünschten Niederfrequenz entspricht.
Wenn der Sender nicht zu weit entfernt ist, zeigt ein Oszilloskop zwischen dem oberen und unteren Ende des Schwingkreises typischerweise ein Bild wie das untere an, mit einer Spitzenspannung von mindestens 200 mV, 600 mV ist noch besser. Wenn dieser Wert nicht überschritten wird, kann durch die Germaniumdiode niemals Strom fließen, weil ihre Schwellenspannung nicht erreicht wird. Dann hört man nichts, obwohl ein Signal vorhanden ist. Silizium-Dioden sind ungeeignet, da ihre Schwellenspannung bei 600 mV liegt. Ein elektronisches Bauelement mit der Schwellenspannung Null wäre wünschenswert, existiert aber nur in Form eines Spitzenspannungsgleichrichters (siehe Hüllkurvendemodulator). Dieser benötigt allerdings elektrische Energie zum Betrieb des Komparators,Datasheet LT1016, (PDF; 983 kB), abgerufen am 16. September 2016. der schneller als ein Operationsverstärker bis zu einer Maximalfrequenz von etwa 10 MHz arbeitet.
Die Einhüllende der pulsierenden Gleichspannung ist bei Amplitudenmodulation die übertragene Information – Musik oder Sprache. Die noch enthaltenen Hochfrequenzanteile kann man nicht hören, man kann sie aber durch einen kleinen Kondensator von etwa 1 nF, der parallel zum Kopfhörer gelegt wird, glätten (im Stil eines Ladekondensators), also beseitigen. Das kann notwendig sein, um einen nachgeschalteten Verstärker nicht durch zu starke Hochfrequenzanteile zu stören.
Antenne und Erdung als Eingänge Da die gesamte Energie lediglich der empfangenen Hochfrequenzstrahlung entnommen wird, ist eine gute Antenne essentiell für die Funktion des Detektorempfängers. Für Mittelwelle ist das Optimum eine mehrere Meter lange Freidrahtantenne. Im Freien muss aber die Blitzschlaggefahr beachtet werden, was zusätzlichen Aufwand bedeutet, daher die freundliche Ermahnung jedes damaligen Rundfunksprechers abends beim Sendeschluss: „Und vergessen Sie bitte nicht, Ihre Antenne zu erden“, d. h. Antenne und Erdleitung wurden mittels eines Schalters direkt verbunden, wodurch die Blitzenergie an der Elektronik vorbeigeleitet wurde. Wenn eine Außenantenne nicht möglich ist, sind auch ein paar Meter Draht auf dem Dachboden oder sonst wo nahe der Außenwand innerhalb eines Hauses einen Versuch wert.
Als Erdung können z. B. die Rohre einer Zentralheizung oder ein Dachrinnenabfluss geeignet sein. Ursprünglich wurde eine spezielle Elektrode in der Erde verankert und mit dem Detektor verbunden.
In der Praxis eignet sich die Heizung aber überraschenderweise manchmal ebenfalls als gute Antenne. Die Erfahrung jahrzehntelanger Experimente zeigt, dass dabei je nach örtlichen Verhältnissen ggf. eine Erdung gar nicht notwendig ist und alles auch so einwandfrei funktioniert. Im Zuge der didaktischen Beschäftigung mit der Materie sind eigene Experimente gerade hier instruktiv.
Der Antennendraht muss übrigens nicht blank sein, da elektromagnetische Wellen Isolationsmaterialien gut durchdringen. Wegen der schlechten Leitfähigkeit ist Stahldraht eher weniger geeignet. Wegen der guten Leitfähigkeit wird Kupfer am häufigsten verwendet.
Die Trennschärfe lässt sich oft verbessern, wenn – vor allem bei sehr langen Antennendrähten – ein kleiner Kondensator von etwa 30 pF zwischen Antenne und Schwingkreis geschaltet wird (Reihenschaltung).
Alternativ sind als Antenne auch Rahmenantennen oder Ferritantennen einsetzbar. Sie bilden dabei auch gleichzeitig die Spule des Schwingkreises, s. u. Die, vom Bauvolumen her, kleinere Ferritantenne liefert, wie die gleichwertigeHans Heinrich Meinke, Friedrich-Wilhelm Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik – Band 2: Komponenten. Springer-Verlag, Berlin 1992. ISBN 3-540-54714-2. S. N16. Rahmenantenne, allerdings meistens zu wenig Empfangsenergie zum direkten Betrieb eines Kopfhörers, so dass sie nur in Detektor-Empfängern für den Ortsempfang sinnvoll ist und ein nachfolgender NF-Verstärker erforderlich sein kann, um überhaupt etwas zu hören.
Schwingkreis zur Abstimmung Der Schwingkreis muss immer besonders hochwertig (verlustarm) sein, um für genügend Trennschärfe zu sorgen. Ein Schwingkreis besteht immer aus einer Induktivität (Spule) und aus einer Kapazität (Kondensator). Besonders bei der Spule konnte man dabei durch besondere Materialwahl einiges erreichen. Wegen des Skin-Effekts verwendete man Hochfrequenzlitze. Man wickelte die Spule in einer Weise, dass ihre Eigenkapazität möglichst gering war (Wabenspulen, Korbbodenspulen).
Um einen Schwingkreis auf den gewünschten Sender abzustimmen, muss die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf dessen Frequenz eingestellt werden. Dann ist der Schwingkreis in Parallelresonanz (hoher Widerstand) mit der Sendefrequenz, während alle anderen Frequenzen zur Erde kurzgeschlossen werden.
Zur Abstimmung musste also entweder die Kapazität oder die Induktivität im Schwingkreis verändert werden. Dazu verwendete man entweder einen Drehkondensator (gebräuchlich waren Luft-Drehkondensatoren oder bei geringerer Güte auch preiswertere, folien-isolierte Typen) oder machte die Spule variabel. Letzteres war mit etwas handwerklichem Geschick über einen Schiebekontakt leicht selbst anzufertigen; eine andere Möglichkeit für die Veränderung der Induktivität ist ein verschiebbarer oder mit einem Gewinde verstellbarer Pulverkern (gebundenes Eisenpulver) in der Spule.
An Spulenkonstruktionen wurden meistens Luftspulen eingesetzt. Dabei wurden auch extrem aufwendige Waben- oder Kreuzwickel- oder Korbbodenspulen (siehe Bild ganz oben) oder ineinander zur Abstimmung verdrehbare Spulenpaare verwendet (siehe Beispiele unter den Weblinks unten). Solche Spulengeometrien verringern vor allem die parasitären Kapazitäten zwischen den Windungen und erhöhen so die Güte. Als Spulendraht wird dabei Hochfrequenzlitze verwendet, die aus besonders vielen, sehr dünnen Einzeladern besteht, um den Skineffekt bei hohen Frequenzen möglichst zu begrenzen.
Für den Selbstbau bieten sich variable Kondensatoren eher weniger an. Festwerte können jedoch aus Aluminiumfolie und dünner Folie (Klebeband, Frischhaltefolie) in hoher Güte gefertigt werden.
Eine einfache Spule, wie sie in Detektorempfängern Verwendung findet, besteht aus einem Papprohr, auf das etwa 100 Windungen eines isolierten (Schalt- oder Klingel-)Drahtes aufgewickelt sind. Die Induktivität kann auch variabel ausgeführt werden, indem die Windungen mit einigen Streifen aus Klebstoff parallel zur Rolle fixiert werden und anschließend zwischen zweien solcher Streifen durch Anschleifen oder Aufkratzen der blanke Draht freigelegt wird, auf dem dann ein Schleifer bewegt werden kann. Aber auch exotische Ansätze, wie eine Korbbodenspule auf Basis eines radial geschlitzten Bierdeckels, wurden schon realisiert.
Aber auch ein Schwingkreis allerbester Qualität kann durch einen zu niederohmigen Kopfhörer so stark gedämpft werden, dass Trennschärfe und Lautstärke sehr zu wünschen übrig lassen. Das wird durch einen NF-Übertrager als Impedanzwandler behoben. Aktive Impedanzwandler benötigen allerdings Energie aus einer Batterie.
Kristall-Detektor zur Demodulation