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Reichweite und Funktionsweise von Funkwanduhren

Die Reichweite von Funkwanduhren via DCF77-Signal

 Übersicht der Reichweite von Funkwanduhren (Karte)

Im Allgemeinen erreicht das von der Sendeantenne in Mainflingen ausgestrahlte Signal DFC77 den Empfänger auf zwei Wegen: Einerseits gelangt es in Form von Bodenwellen entlang der Erdoberfläche und andererseits in Form von Raumwellen nach einer Reflexion an der D-Schicht der Ionosphäre zum Empfänger. Dabei wird die maximale Reichweite des DCF77-Signals (Raumwelle) genau dann erreicht, wenn das Signal den Sendeort tangential zu Oberfläche der Erde verlässt und beim Empfänger ebenfalls tangential einfällt. Ist dies der Fall, wird am Tag eine Reichweite von circa 1900 Kilometern und in der Nacht von circa 2100 Kilometern erreicht. Befindet sich der Empfänger an einem Ort, der außerhalb dieser Reichweite liegt, dann ist das DCF77-Signal in der Regel nur dann zu empfangen, wenn es zu mehreren Reflexionen - und zwar sowohl an der Erdoberfläche als auch an der D-Schicht der Ionosphäre - kommt, woraus jedoch eine enorme Abnahme der Feldstärke resultiert.

Grundsätzlich ist in Europa ein zuverlässiger Empfang des DCF77-Signals in einem Radius von circa 2000 Kilometern rund um Mainflingen bei Frankfurt/Main gewährleistet. Zwar kann es in Einzelfällen auch zu einem Empfang des Signals darüber hinaus kommen, gesichert ist dies jedoch nicht.

Insgesamt lassen sich für die Raum- und Bodenwelle des DCF77-Signals folgende Eigenschaften festhalten:

(1) Die Bodenwelle ist nicht nur sehr stabil, sondern verfügt auch über eine hohe Reichweite. Dabei ist die Empfangsfeldstärke der Bodenwelle bei Entfernungen von bis zu einigen hundert Kilometern deutlich höher, als diejenige der Raumwelle. Zudem ist - bis zu Entfernungen von 100 Kilometern vom Sender - mit Feldstärken der Bodenwelle von über 1 mV/m zu rechnen.

(2) Befindet sich der Empfänger - sprich die Funkuhr - in einem Entfernungsbereich von 600 bis 1100 Kilometern vom Sender, sind die Reichweiten der Raum- und die Bodenwelle zeitweise gleich hoch. Dies kann bei Gegenphase jedoch zu deren gegenseitiger Auslöschung, dem sogenannten Fading, führen. Im Gegensatz dazu ist bei gleicher Phase ein enormer Anstieg der Feldstärke möglich. Befindet sich der Empfänger beispielsweise in Braunschweig, d.h. lediglich 273 Kilometer vom Sender in Mainflingen entfernt, können diese beiden Phänomene bereits beobachtet werden. Anzumerken ist diesbezüglich jedoch, dass die sogenannte Schwebung zwischen Raum- und Bodenwelle langsam, d.h. 15 Minuten und länger, abläuft, sodass eine Funkwanduhr ausreichend Zeit zur Synchronisation mit dem DFC77-Signal hat.

(3) Befindet sich der Empfänger in mehr als 1100 Kilometern Entfernung vom Sender, nimmt der Bodenwellenanteil immer stärker ab, sodass die Raumwelle überwiegt, deren Ausbreitung vor allem am Tag und bei großen Entfernungen konstant ist. Dabei können bei Entfernungen zwischen 1100 und 2000 Kilometern Feldstärken der Raumwelle zwischen mehreren hundert und circa 100 µV/m erwartet werden.
 

Die Funktionsweise von Funkwanduhren

Nahezu jeder Mensch kennt Funkuhren, viele Menschen haben schon einmal eine Funkuhr in ihren Händen gehalten, aber nur die wenigsten von ihnen wissen, wie eine Funkuhr eigentlich funktioniert.

Sie möchten sich über die generelle Funktionsweise von Funkwanduhren eingehender informieren? Dann sind Sie hier richtig, denn wir haben für Sie recherchiert und möchten Ihnen so einfach und zugleich so genau wie möglich erklären, wie Funkwanduhren eigentlich funktionieren.

Auf den ersten Blick scheint das Prinzip von Funkwanduhren relativ simpel; dies zumindest dann, wenn die folgenden drei Komponenten vorhanden sind:

(1) ein extrem genauer und dazu konstanter Zeitmesser, zum Beispiel eine Atomuhr
(2) ein Langwellensender, der dazu dient, das Zeitsignal über elektromagnetische Wellen zu verteilen; zum Beispiel der DCF77-Sender
(3) und ein Empfänger; zum Beispiel eine Funkwanduhr

Etwas diffiziler wird die Erklärung sogleich, wenn nicht nur die Funktionsweise dieser einzelnen Komponenten, sondern auch deren - metaphorisch formuliert - Zusammenarbeit genauer erläutert werden soll.

Die Funktionsweise der Atomuhr

In Anbetracht des aktuellen Stands der Technik sind Atomuhren die exaktesten Zeitmesser der Welt, weshalb sie auch als Primäruhren bezeichnet werden. Entsprechend weisen Atomuhren kaum eine Abweichung von der Idealzeit auf: Theoretisch irren sich Atomuhren in einem Zeitraum von einer Million Jahren lediglich um eine Sekunde. Im Vergleich mit einer Quarzuhr, die sich bereits in einem Monat um einige Sekunden irrt, ein außerordentliches Ergebnis.
Dabei messen Atomuhren die Uhrzeit mithilfe charakteristischer Frequenzen von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome und nehmen selbige als Taktgeber für eine Referenzuhr. Zieht man abermals den Vergleich zur Quarzuhr wird deutlich: Was der Oszillator bei einer Quarzuhr bewirkt, bewirken die Elektronen freier Atome sowie die Frequenz von deren Strahlungsübergängen bei einer Funkuhr.
Während die internationale Atomzeit von einem Kollektiv mehrerer hundert Atomuhren weltweit bestimmt wird, legt die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig die gesetzliche Uhrzeit in Deutschland fest. Für die Verbreitung dieser Zeit wurde die Installation des Normalfrequenz- und Zeitsignalsenders DCF77 notwendig.

Die Funktionsweise des Langwellensenders DCF77

Das von der PTB mithilfe von Atomuhren erzeugte DCF77 Zeitsignal wird in Mainflingen bei Frankfurt/Main produziert und von dort auch ausgestrahlt. Dabei handelt es sich um ein elektronisch codiertes und mithilfe eines Langwellensenders kontinuierlich ausgestrahltes Sekundensignal und die Sendezeit beträgt - mit kleineren Ausnahmen wie beispielsweise während der Dauer eines Gewitters - 24 Stunden täglich. Der Name dieses Zeitsignalsenders entstand durch internationale Übereinkünfte und leitet sich aus den Buchstaben D für Deutschland, C als Kennzeichnungsbuchstabe für Langwellensender und F aufgrund der Lage von Mainflingen in der Nähe von Frankfurt/Main ab. Ergänzt wird diese Buchstabenzusammensetzung durch die Angabe der verwendeten Sendefrequenz, nämlich der 77.

Die Funktionsweise des Funkwanduhr-Empfängers

Je nachdem, um was für einen Empfänger es sich handelt, wird das Zeitsignal des Langwellensenders DCF77 jede Minute, jede Stunde oder jeden Tag abgerufen. Dabei variiert der Abruftakt beispielsweise zwischen Funkwanduhren und Funkarmbanduhren aufgrund der verarbeiteten Batterien: Während Funkwanduhren in der Regel mit leistungsstarken Batterien versehen sind, erfolgt eine häufigere Synchronisierung des Zeitsignals und der Uhrzeit als zum Beispiel bei einer mit einer herkömmlichen Knopfzelle versehenen Funkarmbanduhr. Wird das Zeitsignal abgerufen synchronisieren sich Funkuhren automatisch und laufen selbständig bis zum nächsten Abruf des Zeitsignals weiter, und zwar auch dann, wenn in Deutschland die Umstellung von Sommer- auf Winterzeit und vice versa erfolgt. Aufgrund dieser Arbeitsweise kann die enorm hohe Genauigkeit von Funkuhren gewährleistet werden. In Abhängigkeit davon, welcher Empfänger in einer Funkuhr verbaut wurde, berechnet dieser sogar eine Signalverzögerung bei der Zeitsynchronisation mit ein, sodass große Zeitabweichungen infolge langer Sendedistanzen minimiert werden.

Wodurch kann der Empfang des DCF77-Signals gestört werden?

Im Allgemeinen ist der Empfang des DCF77-Signals innerhalb von Gebäuden möglich, allerdings können metallische Gegenstände - wozu beispielsweise auch Stahlbetonwände zählen - zu einer Abschirmung des Signals und damit für einen schlechteren Empfang verantwortlich sein. Sinnvoll ist es deshalb, die Antenne außerhalb eines Gebäudes anzubringen.

In der Regel ist überhaupt kein störungsfreier DCF77-Empfang in Schalträumen, Trafostationen, Schaltschränken sowie im Kellerbereich möglich. Da alle elektrischen Geräte (wie beispielsweise PCs und Monitore, Frequenzumrichter regelbarer Antriebe oder Vorschaltgeräte für Leuchtstoffröhren) Strahlung aussenden, wodurch der Empfang des DCF77-Signals verschlechtert wird, sollte eine Funkuhr einen Mindestabstand von 10 Metern zu anderen elektrischen Geräten aufweisen. Beachtet werden sollte des Weiteren, dass Funkwanduhren nicht an geerdeten Gebäudeteilen angebracht werden sollten, damit ein guter DCF77-Empfang gewährleistet ist.

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