Sonnen-Beobachtung mittels
Längstwellen-Empfang

Wie kommt man bloß auf sowas?

Vom schlechten Wetter im Jahr 2004 und den damit einhergehenden miesen Beobachtungsbedingungen zunehmend frustriert, erinnerte ich mich an einen Artikel, der Ende der sechziger Jahre in dem damals von mir abonnierten „Sky & Telescope“ erschienen war und in dem der Bau eines "Radios" zum Empfang von Längstwellen beschrieben wurde.
Deren Ausbreitungsbedingungen sind ja eng an die Verhältnisse im irdischen Magnetfeld und der Ionosphäre geknüpft, sodaß solare Strahlungsausbrüche sich in typischen Pegeländerungen des natürlichen (Blitzentladungen) oder künstlichen (militärische Navigations- oder Funkfernschreibsender) Signals zeigen und aufzeichnen lassen. Da ich die Hefte nicht weggeschmissen habe, fand ich im April-Heft 69 auf der „Observers page“ den erinnerten Beitrag „observing solar flares by radio“, S.254ff.

In dem Beitrag wird anschaulich der Bau eines recht einfachen Empfängers mit Vorverstärker, Integrator und recorder-Einheit für ~ 27 khz beschrieben. 27 khz entsprechen einer Wellenlänge von etwas über 11km; das liegt weit unter dem Langwellen-Rundfunkbereich, der bei einer Wellenlänge von etwa 2 km beginnt.

Indessen bereitete mir der Nachbau des beschriebenen Empfängers schließlich unüberwindliche Schwierigkeiten, da zu den frequenzbestimmenden Spulen keine Wicklungs-oder Induktivitätsangaben geliefert waren, sondern lediglich die über 35 Jahre alten Bestellnummern US-amerikanischer Sortimenter...  Außerdem war klar, daß die Beschaffung einiger Niederfrequenztransformatoren heutzutage nicht mehr einfach sein würde.

Also machte ich mich auf die Suche im Internet und fand alsbald, daß sich dort seit Mitte der 90-er Jahre eine „natural-radio-listener“-Gemeinde etabliert hat, deren Bestreben es ist, mit selbstgebauten Empfängern im elektromagnetischen Niederfrequenzbereich vlf (very low frequency) zwischen 2 und 22 khz - das entspricht Wellenlängen zwischen 150 und 15 Kilometern! - die Signale von Gewittern und vom Sonnenwind angefachten Magnetfeldstürmen zu verfolgen.

Hier einige der einschlägigen links:

http://www.da4e.nl/elfspecial.html

http://www.auroralchorus.com/bbb4rx3.htm

Da fand ich nachvollziehbare Bauanleitungen, die auf Anhieb guten Erfolg bringen und mit handelsüblichen Bauteilen von einem einigermaßen elektronikbastlerisch versierten Menschen mit recht geringem Aufwand nachgebaut - und den eigenen Bedürfnissen angepaßt werden können.

Letzteres war mir wichtig - weil mein Bestreben ja nicht dahin geht, sozusagen den „Walgesängen“ des Planeten zu lauschen, sondern mir eine Möglichkeit zur fortlaufenden Überwachung der Sonnenaktivität auf dem Umweg über deren Einfluß auf die Übertragungsbedingungen von Längstwellen zu verschaffen.

Hinzu kommt bei mir speziell folgendes:

Der größte Feind jeden Längstwellen-Empfangs sind die Störungen, die laufend von der elektrischen Netzstrom-Versorgung ausgehen. Die im Internet vorgestellten Projekte sind daher auch für „Expeditionsbetrieb“ fern von allen  Nachteilen öffentlicher Stromnetzversorgung ausgelegt bzw. mit aufwendigen aktiven Bandpaßfilter-Bestückungen zur Unterdrückung dieser unerwünschten und starken Störungen versehen. Da ich ja in meiner Hütte an den Segnungen der öffentlichen Stromversorgung nicht teilhabe, versprach ich mir gute Ausgangsbedingungen für mein Vorhaben.

Erste Schritte :

Übers Internet holte ich mir zu allererst alles Mögliche an Schaltplänen herein – um alsbald festzustellen, daß die Schaltungen überwiegend mehr oder weniger abgewandelte Versionen des von P. McGreevy vorgestellten BBB4 („Bare-bone-basics“) Empfängers sind: Es handelt sich um einen hochempfindlichen Empfänger mit breitbandigem und hochohmigen FET-Eingang, an dessen Ausgang ein unterschiedlich dimensionierter Tiefpaß liegt, über den das Signal dann einer nachgeschalteten Stufe mit einem Transistor oder IC zugeführt, integriert und soweit verstärkt wird, daß es den Eingang eines möglichst digitalen Aufnahmegeräts aussteuern kann.

Ich habe mir dann erstmal so einen Empfänger gebastelt. An Meßgerätschaften stehen mir nur ein Funktionsgenerator FG 200 vom CONRAD ( 1Hz - 200 kHz), ein digitales Vielfachmeßgerät und ein L/C-Meßgerät zur Verfügung. Außerordentlich nützlich ist eine selbst zusammengefummelte NF-Brückenschaltung, die mir anzeigt, wo ein angelegter Schwingkreis Resonanz mit der aus dem Funktionsgenerator zugeführten Frequenz hat. Wobei ich anfügen muß, daß (mir jedenfalls) nur die Messung in Serienschaltung eindeutige und brauchbare Ergebnisse liefert. Was aber egal ist, da der Serienkreis wie der Parallelkreis bei gleicher L/C-Konfiguration bei nämlicher Frequenz Resonanz haben. Der Serienkreis hat halt keinen Wechselstromwiderstand, der Parallelkreis einen sehr hohen... Also teste ich meine L/C Konfigurationen immer in Serie, auch wenn ich die Komponenten dann parallel schalte und einbaue.

Hier ein Foto meines "Meßplatzes" und das Schema der Meßbrücke - es hat sich erwiesen, daß dieser „Gerätepark“ ausreichend ist. Inzwischen ist noch ein einfacher Oszillograph aus dem Wertstoff-Container (was die Leute so alles wegwerfen..!) dazugekommen. Der ist nützlich, aber nicht unbedingt nötig.

Weiter bin ich über ein mächtiges und preiswertes Hilfsmittel gestolpert – nämlich „gram103“. Es handelt sich dabei um ein Programm, das in verschiedenen Darstellungsmodi die Spektralanalyse niederfrequenter elektrischer Schwingungen im Bereich von 0 bis 24 khz erlaubt. Das Programm wurde wohl als Hilfsmittel für Musiker und Niederfrequenztechniker entwickelt und steht  als download gegen eine Registrierungsgebühr von 45 US $ zur Verfügung. Die Adresse:                    

http://www.visualizationsoftware.com/gram/gramdl.html

Da es dem Programm ziemlich egal ist, ob es sich bei den hereinkommenden Signalen um Klassik, Rock´n Roll oder eben Atmosphärenknistern handelt, steht dem vlf-Bastler ein Instrument zur Verfügung, mit dem er nicht nur Intensität und spektrale Verteilung der Signalpegel untersuchen, sondern auch Schaltungsmodifikationen und ihre Wirkungsweise vergleichen und optimieren kann.

Realisierung - nach und nach...

Die ersten mit FETs bestückten Empfänger habe ich dann im Spätsommer 2004 ausprobiert und recht brauchbar gefunden. So weit, so gut – allerdings will ich ja keine „Sphärenmusik“ aufzeichnen, sondern ein möglichst quantifizierbares Bild von der Auswirkung solarer Einflüsse auf die Ionosphäre gewinnen.

Auf der Suche nach weiteren Schaltungen bin ich dann auf Renato Romeros Website

 http://www.vlf.it

gestoßen - die Seite ist DIE Fundgrube für ernsthafte Beschäftigung mit dem Thema.

Die Versuche mit den selbstgebauten Empfängern zeigten, daß für die -von den vlf-listenern gerade gewünschte- Breitbandigkeit der Empfänger mir einen erheblichen Nachteil bedeutet: Denn der Anteil künstlicher Signale, insbesondere solcher, die von elektrischen Maschinen oder auch weit entfernten Stromleitungen herrühren, ist erheblich und in seiner Stärke auch laufend schwankend. So daß im Ergebnis die Aufzeichnung des Signalpegels im gesamten Bereich über 0 - 22 kHz nur wenig über den spezifischen Einfluß der solaren Strahlungsaktivität aussagt.

Ein "schmalbandiger" Empfänger mußte also her. Es entspann sich dazu eine ebenso fruchtbare wie freundliche Korrespondenz mit Renato. Zu meinem Anliegen erhielt ich von meinem Mentor den Bescheid, das solle ich mir sparen und die vom Empfänger gelieferten Breitband-Signale lieber im PC digital aufbereiten und filtern, statt den umständlichen und voraussichtlich wenig erfolgversprechenden Weg über analoge Bandfilter im Empfänger zu gehen.
Natürlich hat Renato recht - nur bei mir funktionierte das nicht: weil mein PC a) betagt war und b) Solarstrom zumal im Winter oder bei schlechtem Wetter Mangelware ist.

Nun bin ich auch noch ein analoger altmodischer Mensch und hatte an einem auf Renato Romeros Website von zwei italienischen Funkamateuren vorgestellten VLF-Röhrenempfänger einen Narren gefressen- zumal ich mit Röhren groß geworden bin. Der arbeitet mit einer NF-Doppeltriode ECC 82, die kurioserweise schon mit 12V Anodenspannung "funktioniert" - obschon sie lt. Datenblatt zwischen 100 und 200 V Anodenspannung benötigt. Inzwischen weiß -siehe weiter unten -, daß das auch bei anderen Röhren funktioniert.

Außerdem haben Röhren neben den Nachteilen, daß sie nicht so klein und vielseitig sind wie Transistoren oder gar ICs und ziemlich Heizstrom fressen, auch einige nicht zu unterschätzende Vorteile:
Die Dinger sind vor allem robust - gegen Statik und Verpolung unempfindlich. Verpolung passiert bei der Bastelei gelegentlich, ein IC ist schnell gegrillt. Und jede Niederschlagsfront mit Schneefall bringt hier jede Menge statische Aufladung, die Halbleiter-Elemente schnell überfordert oder ruiniert. Von Gewittern gar nicht zu reden...

Hier zuerst mal das mich inspirierende Schaltbild, Urheber: Giuseppe "Pino" Accardi IW 0 BZD und Alan Scremin

Quelle:
www.vlf.it

Diesen Röhren-vlf-rx habe ich nachgebaut und später dann mehrfach modifiziert und früher hier auch vorgestellt. Indessen stellte mich das Gerät nicht ganz zufrieden, insbesondere die doch sehr geringen Ausgangsspannungen im Bereich um 30mV störten mich. An sich ist das kein Wunder und man kann von dem ECC-82 Gerät nicht viel mehr erwarten, denn es ist ja eigentlich nur als hochohmige Eingangsstufe / Impedanzwandler mit geringer Stromverstärkung konzipiert, auf den dann eine soundcard mit ihren vielfältigen Verstärkungs-Optionen folgt.

Ich habe mich dann daran gemacht, einen kleinen Empfänger zu bauen, der mit Niederspannungsröhren arbeitet. Das sind E-Röhren aus den 60er Jahren, die für den Einsatz in Autoradios gedacht waren, weil es seinerzeit noch keine geeigneten Transistoren für HF-Zwecke gab. Diese Röhren arbeiten mit 12V Anodenspannung - und sind einer größeren Gemeinde von Radiobastlern aus den "KOSMOS-Radiomann" Baukästen bekannt - so auch dem Schreiber dieser Zeilen...

Also habe ich mir eine HF-Doppeltriode ECC86 und die mit zwei Diodensystemen bestückte Pentode EBF83 besorgt und damit eine Weile rumgebastelt, bis ich schließlich nach zahlreichen und lehrreichen Fehlschlägen folgendes Gerät zuwege gebracht habe: Es ist ein Geradeaus-Festfrequenz-Empfänger mit Bandfiltern, an dessen letztem Ausgang wird die HF Spannung gleichgerichtet und regelt dann die Pentode, analog der Regelspannungserzeugung zur Schwundregelung in Rundfunkempfängern. Über eine Brückenschaltung gelangt der Pegel ans 50uA-Drehspulgerät, damit man die Dinge im Auge hat, während der Ausgang über einen hochohmigen Spannungsteiler erfolgt, an dem dann zwischen 1,7 und 2,3 V abgegriffen und dem Datenlogger zugeführt werden. Natürlich läßt sich das auch mit Halbleiter-Dioden machen, aber ich wollte nun mal "alles in Röhre" haben... A propos Röhre: Man kann sich -jedenfalls für diese Anwendung- den Erwerb der (übrigens preiswerten) EBF83 sparen: Genauso tut es die normale "Hochvolt"-Schwester EBF 89, die sich ja "ausschlachten" läßt. Ich habe beide Röhren probiert und gemessen: Keine Unterschiede! Was nebenbei wieder mal die häufig geäußerte Vermutung bestätigt, die Niedervolt-Röhren seien teils nur selektierte Exemplare aus Normalfertigung.

Der Empfänger hat zwei identische Bandfilter zwischen den Stufen bestehend je aus:

- einem 1:1 Übertrager mit 2 x 14mH aus PC-Netzteil
- und je identischen parallelen Folienkondensatoren, von deren Bemessung hängt die Kreisfrequenz ab.

Beim Aufbau des Bandfilters kommt man ums Rechnen nicht herum. Wichtig ist die Beherrschung der Formel zur L/C-Resonanz:

f= 1/2pi x -/ (LxC)  f in Hertz, L in Henry und C in Farad....

oder viel praktischer:
f = 5033
  -/ (LxC)

wobei die Frequenz in Kilohertz rauskommt, wenn L in mH und C in pF eingesetzt werden.

Die Anwendung der Formel und ihrer Auflösung nach L oder C hin ergibt sehr praxisnahe Werte. Es empfiehlt sich, die Kapazitäten der zu verwendenden Kondensatoren fürs Bandfilter einzeln auszumessen und passende Exemplare auszuwählen. Die Streuung der Werte aus Serienfertigung ist erheblich.
Außerdem gilt, für die Kondensatoren im Signalweg nur Folie oder Propylen zu nehmen; keramische Cs können für Entkopplungszwecke verwendet werden.

Zu den Übertragern ist anzumerken, daß deren Induktivität mit der Frequenz nicht linear zunimmt. So hat mein L/C-Meter den von mir aktuell verwendeten Übertrager mit 7mH angegeben - bei einer Meßfrequenz von 900 Hz. Ich habe mich dann erst mal sehr gewundert, daß die Kreisfrequenz des Bandfilters nicht mit dem berechneten Wert übereinstimmte, ja nicht mal innerhalb halbwegs akzeptabler Fehlertoleranzen lag. Des Rätsels Lösung ergab sich, als ich die progressive Zunahme der Induktivität des Kerns in Betracht zog und sich danach ein Wert von 14mH bei ~ 20 khz ergab...

Der Eingang enthält einen abgestimmten Vorkreis, der erheblich zur Steigerung der Selektivität beiträgt. Die Spule dafür stammt aus einem alten GRUNDIG-Tonbandgerät, wo sie als "Saugkreisspule" bezeichnet wurde. Jedenfalls ist sie abgeschirmt und zwischen 80 und 120 mH durchstimmbar.

Nachdem ich merkte, daß die aus meiner 12V-Solarbatterie bezogene Heizspannung zwischen 11,7 und 14 Volt pendelt - und das zu deutlichen Schwankungen der Emission und Verstärkung führt, werden die Röhren nicht über Vorwiderstand, sondern mit konstant 6,3 V über eine Stabi-Schaltung mit LM 317 beheizt. Ein dicker Kühlkörper am IC ist unabweislich!

Bis ich Frequenzen gefunden habe, die zur Aufzeichnung solarer Effekte geeignet sind, hat es eine erhebliche Weile gebraucht:

Das Aufzeichnen des Pegels militärischer Fernschreibsender im 20kHz-Bereich hatte zunächst den Nachteil, daß die Aufzeichnung öfter "springt", weil der Träger oder Nachbarträger öfter an - oder abschalten. Jetzt habe ich meine Kiste mit den beschriebenen Modifikationen so trennscharf hingekriegt, daß ich die kontinuierlichen Signale der englischen Station GBZ auf 19,6 kHz aufzeichnen kann, ohne daß das Verhalten der nur um einige 100 Hz versetzten Nachbarträger signifikant durchschlägt.

Die Aufzeichnungen erledigte der Ausgangsvorschlag in „sky & telescope“ von 4/69 mit einem kleinen Papier-Streifenschreiber; sowas gibts heute garnicht mehr, jedenfalls nicht unter 12V-Solarstrom-Bedingungen...
Das habe ich dann aber doch recht elegant lösen können: Astronomen-Kollege und Amateurfunker Günter Runtsch, dem ich meinen Kummer klagte, fragte mich daraufhin: "Warum nehmen Sie keinen Datenlogger?" Ehrlich gestanden wußte ich bis dahin garnicht, was das ist... Nachdem er mich zusätzlich mit dem Tip, mir den PCD300 von ELV anzusehen, versorgt hatte, habe ich mir so einen Bausatz kommen lassen - das Ding ist preiswert, programmierbar, speichert in einen USB-Stick - und funktionierte auf Anhieb! Allerdings - und darauf muß man zur Vermeidung von Enttäuschungen achten: der USB-Stick muß im einfachen FAT-Modus formatiert sein und es dauert nach demAbschalten eine gewisse Zeit - so an die 20 Sekunden für ein 60 kB-file (so die Größe einer 8-Stunden-Aufzeichnung), bis der interne Speicher ausgelesen und in den Stick geschrieben ist. Ich lasse den Datenlogger alle 15 Sekunden den Pegel abfragen - das reicht.

Aufnahmen

Im Juni 2011 dann was ganz Neues:

Bei meinen gelegentlichen Besuchen bei Hartnagel-Electronic in München, Schillerstraße waren mir seit einiger Zeit offenbar in Spanien ausgemusterte „selektive Pegelmesser SPM3“ des Herstellers „Wandel & Goltermann“ aus Reutlingen ins Auge gestochen. Das sind eichbare Meßgeräte, die die Dämpfung von Übertragungsleitungen über einen Frequenzbereich von 2 – 612 khz messen sollten. Jedenfalls keine „Radios“. Es handelt sich um sehr schmalbandige (120Hz) Doppel-Superhet Geräte mit einer 2. ZF von 1,5 khz – und ohne Regelung, vielmehr mit einer vielstufig möglichen manuellen Verstärkungseinstellung zwischen +20 und -80 db, wobei der Eingang zwischen 5k und 50 Ohm Z und zwischen 0 db = 0,775 oder 0,387 oder 0,274V gewählt werden kann. Alles gute alte transistorisierte Analog-Ware in grundsolider Ausführung… Die Stromversorgung erfolgt über 15 eingebaute (von mir ausgetauschte) NiMH Akkus. Ein Ladegerät ist integriert.

Ich habe mir zwei solcher Geräte –mit deutlichen Gebrauchsspuren – besorgt und daraus ein brauchbares Gerät wieder zusammengesetzt. Erste Versuche an der Langdraht zeigten, daß die Empfindlichkeit des frei durchstimmbaren Empfängers nicht voll befriedigte, sodaß ich ihm einen kleinen Vorverstärker spendiert habe. Natürlich ein Röhrengerät – mit einer an 12V betriebenen E88CC, deren erste Abteilung „normal“ in Kathodenbasisschaltung mit vorgesetztem R/C Bandpaß läuft und der dann die 2. Hälfte der Doppeltriode als Kathodenfolger nachgesetzt ist. Ich habe diese Variante gewählt, weil der Eingang des SPM 3 nicht sehr hochohmig ist und der Kathodenfolger ja einen brauchbaren und einigermaßen linear arbeitenden Impedanzwandler zu niedrigeren Gefilden hin liefert.
Die 1k-Widerstände vor den Triodengittern sollen der Neigung zu wildem Schwingen der E88CC begegnen.

Hier das einfache Schaltbild; die Heizung kommt wie immer mit 6,3 V über Stabi LM 317.

Zunächst kann ich dank des durchstimmbaren Empfängers jetzt auch andere Längstwellensender als GBZ auf 19,6 empfangen, etwa Grindavik auf 37,5 khz. Außerdem liefert der nach meinen bisherigen Erfahrungen auch hinreichend frequenzstabile Empfänger eine sehr gute Nachbarkanalselektion ab.

Als bisher einzigen Eingriff ins SPM3 habe ich eine Änderung am Ausgang vorgenommen. Und zwar habe ich die über eine integrierende R/C Kombination mit 27 u/ 5,8 k sehr knapp gehaltene Regelzeitkonstante auf 100u/20k erweitert, sodaß ich jetzt eine recht ruhige und nicht von jedem kleinen Impuls aufgestörte Aufzeichnung auslesen kann.

Hier ein Bild der so konzipierten „Empfangsstelle“:

Oben rechts der Preamp, darunter in der Mitte der Datenlogger. Die 12V Batterie neben dem SPM3 versorgt den Preamp mit Anodenspannung, wobei der für die Anode nur 0,23 mA zieht. So halte ich die Schwankungen des solargespeisten Hausnetzes von ihm fern…




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