UKW-Radio basierend auf UTC TDA7088

Die Herausforderung

Von unserem Amateurfunk-Ortsverband bieten wir des Öfteren Elektronik-Bastelaktionen für Kinder und Jugendliche auf dem hiesigen Stadtfest sowie auf anderen Veranstaltungen,
wie dem Familien- und Burgentag in Lüdinghausen an.
Auch mit anderen Jugendgruppen habe ich schon Elektronik-Bastelaktionen durchgeführt.
Da man selbst das LED-Blingbling der üblichen Bausätze irgendwann nicht mehr sehen kann und man auch viele Kinder damit nicht mehr begeistern kann, habe ich überlegt, ob man nicht einen Elektronikbausatz für ein Radio vorbereiten kann.
Da die Mittelwelle in unseren Breiten Geschichte ist, bleibt nur UKW.
Ich gebe zu, für eine halbe Stunde Basteln auf dem Stadtfest ist der im Folgenden beschriebene Bausatz wahrscheinlich zu komplex, aber für einen extra anberaumten Bastelnachmittag sicherlich eine gute Sache.


Abbildung 1: Gesamtansicht des Radios

Die integrierte Schaltung

Ein diskreter Aufbau wird zu komplex. Deshalb habe ich mich umgesehen, welche ICs es gibt.
Weiterhin zu bedenken war, dass der Bausatz auch bezahlbar bleiben muss und weitestgehend in THT (engl.: Through Hole Technology, dt.: Durchsteckmontage) aufzubauen sein sollte.
Auf der einen Seite gibt es scheinbar eine schier unendliche Auswahl solcher ICs, auf der anderen Seite sollten sie verfügbar, billig und in vertretbaren Aufwand analog (ohne Steuerung durch einen Mikrocontroller) zu verschalten sein.

Von Franzis gibt es ein „UKW-Retroradio zum Selberbauen“ (ISBN 978-3-645-65040-3, Autor: Burkhard Kainka) für 29,95 [1]. Bei Conrad gibt es dieses für 22,49 Euro. Dort ist auch die Anleitung mit Schaltplan veröffentlicht [2]. Ein Blick in diese Quelle verrät, dass dort das IC TDA7088 verwendet wird. Im Datenblatt [4] wird das IC wie folgt beschrieben „The UTC TDA7088 is a bipolar integrated circuit for use in mono portable and pocket radios. It is used when a minimum of peripheral components […] is important. The circuit contains a frequency-locked-loop (FLL) system with an Intermediate Frequency (IF) of about 70 kHz.“
Mit Hilfe einer Varaktordiode ist ein elektrisches Tuning möglich.
Man kann mit einem band-up-Taster bandaufwärts von einem Sender zum nächsten tunen.
Mit einem Reset-Taster kann man zum Bandanfang springen.
Natürlich kann man die Spannung an der Varaktordiode auch über ein Poti einstellen.
Leider kommt das IC im SOP-16 Gehäuse daher, also SMD und nicht THT.
Dies bedeutet für mein Vorhaben, dass das IC auf der Kupferseite und nicht der Bestückungsseite aufgelötet werden muss. Das IC wird typischerweise an 3V betrieben, so dass zwei Mignon-Zellen für den Betrieb ausreichen. Bei dem Audiosignal handelt es sich um mono. Ich bezweifele, dass das Signal qualitativ und in seiner Bandbreite ausreichen würde, um einen Stereodecoder nachzuschalten. Das IC UTC TDA7088 gibt es bei Kessler electronic [5] zu Staffelpreisen zwischen 1,19€ und 1,34€.

Die Schaltung

Die Franzis-Schaltung orientiert sich weitestgehend an der Application Note „Fig. 1 Block diagram and application circuit for search tuning“ in [4].
Ich habe verschiedene Einzelheiten sowohl aus der Application Note als auch aus der Franzis-Schaltung übernommen. Die NF-Endstufe habe ich aus der Franzis-Schaltung übernommen.


Abbildung 2: Schaltplan

S2

Damit man sowohl die Version mit einem „Tuner-Poti“ als auch mit den „band-up“ und „Reset“-Tastern verwenden kann, habe ich Schalter S2 vorgesehen (Max-Variante).
Mit diesem Schalter kann man das Tuner-Poti R3 von der Varaktordiode D1 trennen.
Wenn man nur die Taster einsetzen will, lässt man S2 einfach weg (Min-Variante). Wenn man nur die „Tuner-Poti“-Variante verwenden will, kann man an dieser Stelle eine Brücke einlöten.

D1

Die Varaktordiode (Kapazitätsdiode) 1SV101 ist schwieriger, als alle anderen Bauteile, zu besorgen. Ich habe sie als 10er Pack für 2,55€ über ebay aus Fernost bestellt.
Sie kam ohne Versandkosten und funktionierte sogar.

Varaktordioden werden gewöhnlich im Sperrbetrieb eingesetzt, so auch in diesem Fall.
Die spannungsabhängig veränderbare Sperrschichtkapazität ist funktionsbestimmend.
Laut Datenblatt [6] weist die vorliegende Varaktordiode 1SV101 eine Kapazität zwischen 50pF bei UR=0V und 30pF bei UR=3V Sperrspannung auf.

Die Sperrspannung UR ergibt sich in der Schaltung als Differenz der an der Kathode anliegenden Spannung, die bei knapp 3V liegen dürfte und der durch R3 einstellbaren an der Anode anliegenden Spannung.

Dreht man das Poti R3 im Uhrzeigersinn, so sinkt die Spannung an seinem Abgriff.
Sinkt die Spannung an der Anode der Varaktordiode, so steigt die Sperrspannung UR an der Varaktordiode. Steigt die Sperrspannung UR an der Varaktordiode, so sinkt die Kapazität der Varaktordiode.
Die Varaktordiode D1 liegt in Reihe zu C5. C5 hat mit 680pF einen wesentlich größeren Kapazitätswert als D1. Prinzipiell ist bei einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren die Gesamtkapazität kleiner, als die kleinste Einzelkapazität.
Sinkt die Kapazität der Varaktordiode sinkt auch die Gesamtkapazität (Cges=28pF bei CD1=30pF / Cges=46pF bei CD1=50pF).

Sinkt die Kapazität im Schwingkreis, so steigt die Frequenz!

Luftspulen L1 und L2

Die beiden zylindrischen Luftspulen werden aus Schaltdraht gewickelt.
Die Bemessung der Luftspulen wurde aus der Franzis-Schaltung adaptiert.
Ich habe einen 5mm-Bohrer als Wickeldorn für den Innendurchmesser verwendet.
Es werden N=3 Windungen gewickelt, die anschließend so auseinandergezogen werden,
dass die Länge l der Zylinderform 7mm beträgt.

Der Durchmesser des Drahtes selbst bemisst sich auf 0,6mm (Radius 0,3mm).
Der Durchmesser der Isolierung beträgt 1,1mm (Radius 0,55mm)
Der Durchmesser d der Querschnittsfläche beträgt 5mm + 2 x 0,55mm = 6,1mm
(Radius r = 3,05mm).
Die Querschnittsfläche beträgt A = r2 ∙ π = (3,05mm)2 ∙ π = 29,22 mm2
Die magnetische Feldkonstante µ0 beträgt 4 ∙π ∙10-7 H/m.

Nach der Näherungsformel [7] für sehr kurze Luftspulen, bei denen aber noch gilt l>0,8 ∙r, was hier der Fall ist, komme ich auf 34nH:

Hiermit käme L2 zusammen mit den 28pF bzw. 46pF des kapazitiven Anteils am Schwingkreis auf eine Resonanzfrequenz von 163 MHz bzw. 127 MHz, was nicht passt.

Somit ist das Spulenwickeln nach vorheriger Berechnung nicht so trivial, wie es scheinen mag.
Tatsächlich mit einer RLC-Messbrücke ausgemessen, habe ich knapp 80nH ausgemessen.

Damit kommt man mit den 28pF bzw. 46pF auf 106,3 MHz bzw. 83 MHz, was ziemlich genau für den UKW-Rundfunkbereich von 87,5 MHz bis 108 MHz passt.

Das Layout

Für das Layout habe ich zwei Versuche mit eagle benötigt.
Im ersten Anlauf habe ich zu wenig Massefläche vorgesehen.
Der Empfang war sehr instabil und das Abstimmen eines Senders schwierig.
Im zweiten Anlauf wurde insbesondere um die HF-relevanten Komponenten ausreichend Massefläche gelayoutet.

Das Layouten habe ich damals in meiner Ausbildung immer verabscheut, weil ich es als sehr anstrengend empfand, die passenden Komponenten aus dem Katalog herauszusuchen.
Ein wertvoller Hinweis hierzu kam von einem befreundeten OM, der dazu riet, sich eine eigene eagle-Bibliothek anzulegen, in die man sich die benötigten Komponenten hinein kopiert.
So ist es bei wiederkehrenden Bauteilen leichter möglich, stets den gleichen Footprint zu verwenden. Einige Footprints mussten auch selber angelegt bzw. bearbeitet werden.

Auf eine Veröffentlichung eines druckfähigen Layouts an dieser  Stelle wird bewusst verzichtet.
Bitte senden Sie mir eine e-Mail, falls sie das Layout zu privaten Zwecken einsetzen möchten.
Abbildung 3: Layout

Das Ätzen der Leiterplatte

Das Ätzen der Leiterplatte ist eine mittelschwere Sauerei, funktioniert aber mittlerweile recht prozesssicher. Siehe hierzu auch [8].

Das Bohren der Löcher

Das Bohren der Löcher ist eine ähnliche Fleißarbeit, wie das Ätzen der Leiterplatte.
Hierzu sollte man einen 0,8mm-Bohrer verwenden, da Löcher, die mit einem 1mm-Bohrer gebohrt werden, zu groß sind und die Lötflächen beschädigt werden.
Für die Taster, Potis und Schalter wurden größere Löcher gebohrt, deren Durchmesser jeweils vorher mit dem Messschieber bestimmt wurden.

Das Bestücken der Leiterplatte


Abbildung 4: Bestückungsplan


Abbildung 5. Stückliste

Als erstes wird das IC auf der Kupferseite der Leiterplatte aufgelötet.
Obwohl es sich um ein SMD-Bauteil im SOP-16 Gehäuse handelt, lässt es sich bequem manuell mit dem Lötkolben auflöten. Wenn der Bausatz von unerfahrenen Personen bestückt werden soll,
sollte diese Arbeit zuvor einer erfahrenen Person überlassen werden.
Der geneigte Elektroniker weiß, dass mit der Bestückung der flachsten Bauteile begonnen und dann mit den jeweils höheren Bauteilen fortgefahren wird.
Nicht vergessen werden dürfen die vier Brücken, die man am besten als erstes einlötet.
Bei den Widerständen ist die Polarität grundsätzlich egal, schön ist aber, wenn man die Farbcodierung von links nach rechts lesen kann. Bei den Kondensatoren ist lediglich bei dem Elektrolytkondensator C17 auf eine korrekte Polung zu achten.
Falls das Rastermaß der Kondensatoren mal nicht passen sollte, sind die Beinchen anzupassen.
Bei den Transistoren T1 und T2 sowie der Varaktordiode ist ebenfalls auf die korrekte Polarität zu achten.
Generell sollte beim Biegen der Bauteilanschlüsse darauf geachtet werden, dass die Bauteilanschlüsse nicht mit der Zange am Bauteil gebogen werden, um Schäden im Bauteil zu vermeiden.
Der Bauteilanschluss wird mit der Zange nahe am Bauteil gegriffen und dann auf der bauteilabgewandten Seite der Zange mit der Hand umgebogen.
Als hilfreich hat sich herausgestellt, die bereits bestückten Bauteile in der Stückliste abzuhaken.
Für das Löten im privaten Bereich empfehle ich bleihaltiges Lot, da es für unerfahrene Personen leichter zu löten und auch günstiger als bleifreies Lot (ca. 3% Silberanteil) zu erhalten ist.
Nach der Arbeit wird empfohlen sich einmal die Hände mit Seife zu waschen.


Abbildung 6: Kupferseite der Leiterplatte mit bestücktem IC1


Abbildung 7: Bestückseite der Leiterplatte mit Max-Bestückung

Zum Schluss wurde die Leiterplatte auf ein Brettchen geschraubt (siehe Aufmacherbild).

Der Funktionstest

Wenn alles richtig bestückt wurde, sollte sich schon ein Sender einstellen lassen.
Bei allen Versuchen war zunächst das untere Bandende nicht zu empfangen.
Hier ist der Regionalsender „Radio Kiepenkerl“ auf 88,2 MHz und damit am unteren Bandende zu empfangen. Den wollte ich wenigstens mit im Empfangsbereich haben.
Für den Feinabgleich ist der „HQ-Stereo-UKW-Prüfgenerator SUP3 von ELV“ [9] eine gute Hilfe.
Damit kann man etwas senden, das man auf Anhieb erkennt und muss nicht auf die akustische Senderkennung warten, um zu erfahren, um welchen Sender es sich handelt.
Durch Stauchen der Spule L2 wird die Länge der Spule geringer, dadurch wird die Induktivität größer und die Frequenz niedriger.

Die Kosten

Grob kalkuliert, kann man das Projekt optimistisch gesehen für ca. 16,00 Euro Materialkosten hinbekommen. Darin enthalten sind jedoch nicht die Versandkosten, das Verbrauchsmaterial für das Ätzen sowie die Arbeit für das Layouten, Ätzen, Bohren und Bestücken.
Das Layouten hat sich bis zum endgültigen Stand ca. 9 Monate hingezogen,
weil mich nach dem ersten Versuch die Motivation verließ und man sich nach dem fertigen Layout auch wieder zum Ätzen aufraffen muss. Es war aber eine gute Übung und hat die Scheu davor genommen.
Generell ist jedem, dem es darum geht das Radio erfolgreich aufzubauen, der fertige Bausatz von Franzis [2] zu empfehlen, da er im Endeffekt auf jeden Fall günstiger und auch prozesssicherer aufzubauen ist. Hierbei sind die SMD-Komponenten allerdings schon vorbestückt. Es sind lediglich die THT-Komponenten zu ergänzen.

 

Quellen und Links:

[1]        FRANZIS – Das UKW-Retroradio zum Selberbauen
https://www.franzis.de/geschenke/das-ukw-retroradio-zum-selberbauen-bausatz?number=SW10446

[2]        CONRAD – FRANZIS UKW Retroradio
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/191301-as-01-de-FRANZIS_UKW_RETRORADIO.pdf

[3]        Burkhard Kainka – Das Franzis-FM-Radio, Aufbau
http://www.elektronik-labor.de/Lernpakete/UKWradio3.html

[4]        UTC TDA7088 – datasheet
http://media.internet11.de/PDF/528275.pdf

[5]        Kessler electronic
http://www.kessler-electronic.de/

[6]        1SV101 – datasheet
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/29853/TOSHIBA/1SV101.html

[7]        Wikipedia – Zylinderspule
https://de.wikipedia.org/wiki/Zylinderspule

[8]        juene-tronic.de – Leiterplatten selber herstellen
http://www.juene-tronic.de/leiterplatten/

[9]        ELV – HQ-Stereo-UKW-Prüfgenerator SUP3
https://www.elv.de/elv-hq-stereo-ukw-pruefgenerator-mit-oled-display-sup3-bausatz.html