FM Stereo Radio mit TDA7021

Selbst-gebautes UKW Stereo Radio

Von Zeit zu Zeit beschäftige ich mich mit nostalgischem Radiobasteln – zur Entspannung und einfach, weil es Freude macht. Oft ist der Weg von der ursprünglichen Idee bis zum fertigen Gerät länger als gedacht. Aber wenn ich mir die Zeit lasse, dann ist es immer ein vergnüglicher Weg, der viele neue Erkenntnisse bringt.

Nach verschiedenen Experimenten mit MW- und KW-Radios war es an der Zeit, mich an einem FM-Radio zu probieren, das den UKW-Bereich abdeckt. Von Philips gibt es eine Familie von Radio-Chips basierend auf dem TDA7000, die den Hochfrequenz-Aufbau sehr vereinfachen. Auch wenn dieses Chips inzwischen sehr in die Jahre gekommen sind, so bieten sie guten UKW-Empfang bei einfachem Aufbau. Und wenn ich schon dabei war, sollte es doch auch möglich sein, mit dem entsprechenden Stereo-Dekoder ein “richtig brauchbares” Stereo-Radio zu bauen.

Dieses Projekt wurde angeregt durch Diskussionen und Ideen vom Elektronik-Labor von B. Kainka. Die Beschreibung des FM Stereo Radios wurde dort auch veröffentlicht.

Zielsetzung

Es sollte also ein praxistauglicher FM-Stereo-Empfänger werden. Und er sollte offen sein für neugierige Einblicke: Wie schon bei anderen Projekten wollte ich die Elektronik in einem Plexiglas-Gehäuse als freie Verdrahtung unterbringen. Bei dieser Bauweise kommt keine Platine zum Einsatz. Statt dessen wird die Schaltung so aufgebaut, dass die Bauteile über ihre Anschlussdrähte und Lötösen auf der durchsichtigen Grundplatte Halt finden. Das ist nun eigentlich gar nicht für Hochfrequenz geeignet. Aber zum Glück machen die Philips-Bausteine die Sache einfach, da die ICs die hohen Frequenzen weitgehend intern verarbeiten. Das sollte auch mit einem Drahtverhau funktionieren.

Die Bedienung für Senderwahl und Lautstärke sollte über Drehknöpfe erfolgen, so wie früher, als Elektronik noch nicht über Tipptasten oder Touchscreens kontrolliert wurde. Auch eine Frequenzskala mit beweglicher Markierung via Skalenseil wurde in das Pflichtenheft mit aufgenommen. Und schließlich sollte noch eine Leuchtbandanzeige (in Anlehnung an ein „magisches Auge“) die Empfangsstärke anzeigen und bei der Abstimmung Unterstützung leisten.

Schaltplan

Für die Schaltung kam der Empfänger TDA7021 zum Einsatz. Dieser Chip hat keine automatische Senderabstimmung, ist deshalb besser geeignet für eine manuelle Abstimmung mit Drehknopf. Außerdem stellt er an Pin 9 die Empfangs-Feldstärke als Spannungswert bereit. Als Stereo-Dekoder kam ein TDA7040 dazu, der sehr gut mit dem 7021 harmoniert.

Die Chips waren gar nicht so einfach zu bekommen. Aber es gibt nichts, das es im Internet nicht gibt. Ich wurde bei einem Internet-Auktionshaus fündig, so dass schließlich für wenige Euro ein kleiner Umschlag aus Hongkong mit den Philips-Bausteinen in meinem Briefkasten landete. Das ging ja einfacher, als ich gedacht hatte.

Schaltplan des FM Stereo Radios
Schaltplan des FM Stereo Radios

Aber der Reihe nach. Die Schaltung wird über eine 9-Volt-Batterie versorgt, was gut für den NF-Verstärker aber deutlich zu viel für die TDA-Chips ist. Deshalb sorgt ein 78L03 für stabile 3 Volt auf der HF-Seite. Die Schaltung folgt fast vollständig der Anwendung, die im Philips-Datenblatt gezeigt ist. Der frequenzbestimmende Oszillatorkreis besteht aus einer Spule (Luftspule aus 4 Windungen, 5 mm Durchmesser, etwa 10 mm Länge) und einer Kapazitätsdiode 1SV101. Die Abstimmung erfolgt über ein lineares 47 k-Potentiometer. Mit dem Spannungsbereich von 0 bis 3 Volt lässt sich das UKW-Band sehr gut überstreichen. Die Widerstände links und rechts vom Abstimm-Poti begrenzen den Empfangsbereich auf das nutzbare Radioband. Als Antenne wird ein Drahtstück von 1 m Länge am Eingangskreise angeschlossen. Die Induktivität L3 in der Stromversorgung des TDA7021 ist übrigens in der Philips-Applikation nicht zu finden. Bei meinem Aufbau eliminierte sie Zwitschergeräusche, die andernfalls ab und zu zu hören waren.

Der Stereo-Dekoder übernimmt das MPX-Signal und liefert die Niederfrequenz an das Stereo-Poti zu Lautstärke-Einstellung.

Für die NF-Verstärkung konnte ich zwei LM386 zur Mitarbeit überreden, die sich in der Bastelkiste langweilten. Sie arbeiten hier mit niedriger Verstärkung und treiben zwei kleine Lautsprecher. Die Schaltung hat noch einige Elkos und 100 nF Blockkondensatoren zur Stabilisierung und Vermeidung von ungewollten Schwingungen.

Für die Feldstärke-Anzeige musste auch wieder die Bastelkiste herhalten. Die Messungen an Pin 9 des TDA7021 zeigten, dass ohne Sender etwa 2.7 Volt anlagen. Je stärker der Sender, desto geringer war die Spannung bis herunter auf minimal etwa 0.3 Volt. Das Signal hätte man mit Komparator, Inverter und LED-Treiber aufbereiten können. Ein Blick in meine Vorräte brachte mich aber auf eine andere Idee. Schon vor ein paar Wochen hatte ich einen Satz ATtiny44 bekommen, die auf eine Aufgabe warteten. Dieser AVR-Controller ist dem ATtiny13 sehr ähnlich, verfügt aber über wesentlich mehr Ausgänge. Das war ideal für meinen Zweck. Der ADC des Mikrocontrollers übernimmt den Spannungswert an PA7 und steuert die Leuchtdioden an PA0 bis PA6. Die Pegelanpassung wurde komplett per Software gemacht, was den Aufbau natürlich sehr vereinfachte. Die Anzahl von 7 LEDs erschien mir als guter Kompromiss zwischen Auflösung und Stromverbrauch. Tatsächlich arbeitetet die Anzeige mit einer Auflösung von 14 statt 7 Stufen. Bei allen ungeraden Werten wird die jeweils nächst höhere LED im Pulsweiten-Modus mit 25 % betrieben, was etwa die halbe Helligkeit ergibt. Dadurch erscheinen die Übergänge „weicher“, schon beinahe wie mit analoger Elektronik. Der Controller läuft mit dem internen 1 Mhz-Oszillator und hat nicht wirklich viel zu tun. Er darf deshalb den größten Teil der Zeit im Sleep-Modus entspannen.

Das Programm ist in C geschrieben und recht einfach. Die Details sind den Kommentaren im C-Programm zu entnehmen. Die Fuses am fabrikneuen Chip brauchen nicht verändert zu werden.

Experimente

Bevor ich mich an den Aufbau des Radios im Plexiglas-Gehäuse machen konnte, musste etwas Forschungsarbeit betrieben werden. Die erste Frage war: Wie bekomme ich SMD-Bausteine in eine frei-fliegende Verdrahtung? Ich habe einige Varianten probiert und bin dann mit der Montage auf einer IC-Fassung am Besten zurecht gekommen. Die SMD-Chips wurden mit einem kleine Stück Holz etwas erhöht auf die IC-Fassung geklebt und dann Pin für Pin verdrahtet. Ein spitzer Lötkolben, eine ruhige Hand (!) und eine kräftige Lesebrille machten es möglich. Die SMD-Chips mit 1,27 mm Pin-Abstand sind eigentlich recht gutmütig, und nach ein bisschen Übung geht das Löten zügig von der Hand. Die montierten ICs sind mechanisch sehr robust.

Montage des SMD-Chips auf einer IC-Fassung
Montage des SMD-Chips auf einer IC-Fassung

Der nächste Schritt war ein Probe-Aufbau auf einem Holzbrett. Ich hatte verschiedene Varianten der Anordnung ausprobiert, um Leitungslängen klein zu halten. Als Draht kam versilberter Kupferdraht mit 1 mm Durchmesser zum Einsatz, der einerseits gute, mechanische Stabilität bietet und andererseits hübsch anzuschauen ist. Die Schaltung war erstaunlich unproblematisch und robust.

Probe-Aufbau auf einem Holzbrett
Probe-Aufbau auf einem Holzbrett

Das dritte Experiment beschäftigte sich mit dem Skalentrieb. Das Seilrad am Abstimmpoti sollte einen Durchmesser von 5 cm Durchmesser bekommen. Das ergab bei einem nutzbaren Drehwinkel von 270 Grad eine Skalenlänge von etwa 11 cm. Dadurch waren dann auch die Gehäusemasse definierte. Aus Platzgründen wurde das Abstimmpoti um 90 Grad verdreht angeordnet. Das Seil ließ sich gut über Umlenkrollen führen. Als Gegenstück arbeitete ein kleines Seilrad mit 2 cm Durchmesser, das auf einer freien Achse (eine M6-Schraube) mit Drehknopf montiert war. Die Abstimmung hat also eine Untersetzung von 2 auf 5, ein guter Wert für feinfühligen Abstimmen. Das Seil kam übrigens von einer Nylon-Drachenschnur. Es wurde mit einer kleiner Feder gespannt.

Testaufbau des Skalen-Antriebs
Testaufbau des Skalen-Antriebs

Finaler Aufbau

Nachdem die Forschung erfolgreich abgeschlossen war, konnte es an den Zusammenbau gehen. Für das Gehäuse kamen Plexiglas und Aluminium zum Einsatz. Die Plexiglasplatten sind leider sehr empfindlich, wenn die Schutzfolie erst einmal entfernt ist. Deshalb hatte ich die Schaltung komplett auf einem Holzbrett aufgebaut und erst dann auf die fertig bearbeitete und gebohrte Plexiglasplatte transferiert. Die aufgebaute Schaltung war auch ohne Grundplatte einigermaßen stabil, so dass sie sich gut an ihren Arbeitsplatz transferieren ließ.

Die fertige Schaltung an ihrem Arbeitsplatz
Die fertige Schaltung an ihrem Arbeitsplatz

Der Abgleich war sehr einfach. Erster Punkt war das Auseinanderziehen oder Zusammendrücken der Oszillatorspule, bis der Frequenzbereich mit dem UKW-Band übereinstimmte. Das brauchte ein bisschen Geduld und Fingerspitzengefühl.

Zum Abgleich von P2 und P3 schweigt sich das Philips-Datenblatt leider aus. In der Praxis sind die Einstellungen aber unproblematisch. Das Radio läuft prima mit P2 und P3 ungefähr in Mittelstellung. Kollege Google hat ausführlichere Tipps, wenn ein Oszilloskop oder Frequenzzähler zur Verfügung stehen:

P3 ist für den PLL-Oszillator des Stereo-Dekoders zuständig. Zum Abgleich wird die Abstimmung in einen Bereich ohne Sender gedreht, so dass der Oszillator frei läuft. Jetzt den 100 nF-Kondensator an Pin 7 des TDA7040 lösen und Pin7 über einen 10 kOhm-Widerstand an die Spannungsversorgung (3 V) legen. Mit einem Oszilloskop oder Frequenzzähler die Frequenz des Oszillators abnehmen und möglichst exakt auf 19 kHz eingestellt. Damit hat der Oszillator die optimalen Voraussetzungen, auf das Pilot-Signal eines Senders einzurasten. Zum Schluss den Umbau rückgängig machen.

P2 an Pin 15 des TDA7021 wird so eingestellt, dass auch ein schwacher Sender mit deutlich erkennbarem Stereo-Sound übertragen wurde.

Zum Schluss kam noch, sozusagen als i-Tüpfelchen, die Frequenzskala. Um die Positionen der Frequenzen zu finden, habe ich mit Hilfe meines Reiseempfänger die Frequenzen des Oszillators am TDA7021 ermittelt. Das klappt prima, weil die Zwischenfrequenz mit 70 kHz quasi vernachlässigbar ist. Den Empfänger stellte ich mit eingeschobener Antenne direkt neben mein Radio. Die gesuchte Frequenz wurde am Reiseempfänger eingestellt, z.B. 90 MHz. Jetzt war der Oszillator beim Durchdrehen der Abstimmung einwandfrei im Reiseempfänger zu finden, so dass ich die 90 MHz-Position auf der Skala übernehmen konnte. Das wurde schrittweise für mehrere Frequenzen wiederholt, bis die Skala komplett war. Die Skala habe ich dann auf transparente Folie gedruckt und mit Tesafilm auf den durchsichtigen Skalenträger montiert. So, fertig.

Skala mit Zeiger
Skala mit Zeiger

Empfangspraxis

Und dann war es soweit: Das Radio konnte vorgeführt und ausprobiert werden. Die Empfindlichkeit hat mich von Anfang an überrascht. Der TDA7021 kommt auch mit schwachen Sender gut zurecht und ist sicherlich mit dem UKW-Band meines Reiseempfängers auf Augenhöhe. Beim Durchdrehen des Abstimmknopfes erscheinen die Sender dicht gepackt auf der Skala. Die LED-Anzeige ist flink und beim Abstimmen hilfreich. Es kommen schnell Assoziationen an Omas Röhrenradio mit Skala und magischem Auge. Auch die Klangqualität ist gut; und der Stereo-Effekt ist durch den relativ großen Abstand der beiden Lautsprecher im breiten Gehäuse schön zu hören. Der Empfang ist absolut klar, zumindest solange die Sender mit ausreichender Feldstärke hereinkommen. Wenn der Empfang schwächer ist (3 oder 4 LEDs), dann sind die Sender von ausgeprägtem Stereo-Rauschen begleitet. Aber das kann man der kleinen Schaltung nicht übel nehmen.

Detailansicht der frei-schwebenden Verdrahtung
Detailansicht der frei-schwebenden Verdrahtung

Das Radio steht nun schon seit ein paar Wochen in der Küche. Wir benutzen es oft und gerne und möchten es nicht mehr missen. Und das gut einsehbare Innenleben beschert interessante Einblicke, die auch oft Besucher in ihren Bann ziehen.

Eine Demonstration ist auf YouTube zu sehen.

C-Quellcode der Feldstärken-Anzeige: MagischesAuge

Schaltplan und Source-Code für das Magische Auge sind auch auf der Ressourcen-Seite abrufbar.

 

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