10. – 13. Schuljahr

Stefan Richtberg

Woher wissen Funkuhren, wie spät es ist?

Funkübertragung von Zeitsignalen als Anwendung des offenen Schwingkreises

Funkuhren sind zuverlässige Zeitanzeiger und nach wie vor weit verbreitet. Ihr Funktions- und Emp-fangsprinzip kann in der gymnasialen Oberstufe oder in technisch ausgerichteten Oberschulen besonders gut als einfache Anwendung eines offenen Schwingkreises im Rahmen des Themas „elektromagnetische Schwingungen und Wellen behandelt werden. Bei den im Folgenden beschriebenen Experimenten lernen die Schülerinnen und Schüler zudem ein Funktionsprinzip der digitalen Datenübertragung sowie eine tech-nische Anwendung von Transitorschaltungen kennen. Die Versuchsaufbauten sind dabei stets einfach gestaltet und ermöglichen anschauliche Ergebnisse.
Das Zeitsignal DCF77
Funkuhren erhalten ihre Informationen zur aktuellen Uhrzeit vom Zeitzeichensender DCF77, der in Mainflingen bei Frankfurt am Main steht. Dieser sendet auf der Frequenz von 77,5 kHz, also im Langwellenbereich. Seine Zeitinformationen erhält der Sender von drei Atomuhren, die mit den primären Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig synchronisiert sind.
Der DCF77 sendet die Zeitinformationen codiert durch einfache Amplitudenmodulation in Form einer Absenkung der Sendeleistung. Dabei wird i.d.R. das Signal in jeder Sekunde einmal abgesenkt. Eine Absenkung für 100 ms steht dabei für den Wert 0, eine Absenkung für 200 ms für den Wert 1. So können in einer Minute 59 Bits (eine Sekunde dient als Synchronisationsmarke) übertragen werden. Dies reicht aus, um Datum, Uhrzeit und weitere Informationen zu übertragen. Welche Informationen in welchen Bits übertragen werden und weitere Informationen zur Sendetechnik liefert die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (s. [1]).
Funkuhren synchronisieren sich aus Energiespargründen jedoch nicht ständig mit dem Zeitsignal, sondern meist nur einmal täglich (meist nachts zwischen 1:00 und 4:00 Uhr). Dies ist ausreichend, um den Gangfehler z.B. von Quarzuhren auszugleichen. Ist kein Empfang des Zeitsignals möglich, so laufen entsprechende Uhren weiter wie klassische Uhren.
Ein Schwingkreis als einfacher Empfänger
Empfangen werden kann das Zeitsignal mithilfe von einfachen Modulen (s. Abb. 1), die bei Elektronikhändlern für 6 – 13 € erhältlich sind. Diese Module bestehen alle aus einer Ferritantenne, die teilweise mit einer Spule umwickelt ist. Hierzu parallel ist ein Kondensator geschaltet. Die Spule um den Ferritkern und der Kondensator bilden somit einen offenen Schwingkreis. Die Bauteile sind dabei so abgestimmt, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises im Bereich der Sendefrequenz 77,5 kHz liegt.
Die Antenne ist mit einer Platine verbunden, die sich im Detail bei den verschiedenen Modulen unterscheidet. Grundsätzlich verstärken hier Operationsverstärker das Empfangssignal, und Signalfilter sorgen für eine geringere Störanfälligkeit.
Experimente zur Visualisierung des Zeitsignals
In den hier vorgestellten Experimenten wird das Empfangsmodul von Conrad genutzt (s. Abb. 1 ), da die Schraubanschlüsse ein einfaches Aufbauen der Schaltungen für Schülerinnen und Schüler ermöglichen. Die Experimente können aber auch mit allen anderen Platinen entsprechend durchgeführt werden.
Als Gleichspannungsversorgung für das Empfängermodul kann der 3,3-V- oder 5-V-Ausgang des Arduinos genutzt werden, aber auch ein entsprechendes Netzteil oder Batterien. Dabei wird der Minuspol auf Ground gelegt.
Visualisierung des Signals mithilfe einer LED
Schaltet man nun wie in Abbildung 2 zwischen den Anschluss des Signalausgangs, der ein offener Kollektor eines Transistors ist, und den Pluspol eine Low-Current-LED mit Vorwiderstand (der Open-Collector-Signalausgang ist nur bis 1 mA belastbar), so leuchtet die LED bei gutem Empfang und nach einer kurzen Einschwing-zeit im Rhythmus des DCF77-Signals. Die LED geht also einmal pro Sekunde kurz aus.
Schon in...

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