Hellschreiber

Hellschreiben war ein, nach seinem Erfinder Rudolf Hell benanntes Verfahren zur Übertragung von Nachrichten, per Kabel oder auch per Funk. Die zu sendenden Zeichen wurden in eine Art Morsecode konvertiert. Die Zeicht wurden in einzelne Pixel aufgelöst, übertragen und auf der Empfängerseite im Klartext auf ein Papierband aufgezeichnet. Ähnlich wie bei Hörempfang von Morsezeichen erfolgt die eigentliche Signalverarbeitung somit im Gehirn der die Zeichen hörenden b.z.w. lesende Person. Somit können Übertragungfehler erkannt und ausgeglichen werden da fehlende Pixel ersetzt b.z.w. Pixel am falschen Platz erkannt werden können. Hellschreiben ist somit ein Verfahren welches auch bei Störungen zuverlässig arbeiten kann.

Das Zeichen wird in eine 7 x 7 Matrix gepixelt und sequentiel übertragen. Beim hier besprochenem Feld-Hell-Verfahren bedeutet ein schwarzes Pixel Signal ein, ein weißes Signal aus. Rechts im Bild, die Ansicht wie auf dem Papierband, durch den Druckvorgang etwas verrundet.


Auch bei vereinzelt gestörten Pixel kann die Nachricht noch gelesen werden.

Ziemlich trickreich ist der Schreibkopf des Hellschreibers. Er besteht im wesentlichen aus einer rotierenden Spirale und einer Schreibkante. Die Spirale wird durch eine rotierende Walze mit Farbe belegt. Drückt nun die Schreibkante den Papierstreifen kurz gegen die Spindel wird das Papier an der Berührungsstelle eingefärbt. Da die Spirale rotiert kann je nach Zeitpunkt des Berühren ein beliebieger Punkt über die Breite des Streifens gedruckt werden. Durch Papiervorschub werden die einzelnen Spalten angewählt.Auf dem rechten Bild ist der Aufbau zu sehen.
Da die Spirale zwei Gänge über die Breite des Bandes hat werden die Zeichen zweimal gedruckt. Das hat seinen Grund. Eine Zeile wird nur dann wagrecht auf das Band geschrieben wenn Sender und Empfänger im Gleichlauf arbeiten. Gibt's Abweichungen laufen die Zeilen schräg nach oben oder unten. Bei zwei Zeilen ist gesichert das mindestens ein Zeichen vollständig sichtbar ist auch wenn die Synchronisation nicht perfekt ist

Man kann die Größen der Übertragung beim Feldhell-Verfahren z.B. aus der Wortrate von 2,5 Baud herleiten. Da für ein Wort 7x7 Pixel übertragen werden müssen beträgt die Pixelrate 122,5 Baud. Eine Spalte enthält 7 Pixel, deshalb beträgt die Spaltenrate 17,5 Baud, etwa 57 ms.	Spaltenrate	122,5 Baud, ca. 8ms /bit
	Spaltenrate	17,5 Baud, ca. 57 ms /Spalte
	Spirale, Umdrehungen	1050 RPM
	Wortrate	2,5 Baud
	Vorschub	~0,5 m/s
Während der Übertragung einer Spalte muss sich die Spirale einmal drehen, das ergibt eine Drehzahl von 1050 RPM. Der Papiervorschub wird so gewählt das die Zeichen ein vernüftiges Aspektverhältniss haben. Der genaue Wert ist aber nicht wesentlich. Das heißt die Spindeldrehzahl und die Drehzahl der Transportrolle sollte zwar ein konstantes Verhätniss haben, der genaue Wert kann aber in Grenzen gewählt werden.

Aufbau:
Für den Aufbau wurden für Spindel und Vorschub zwei Synchronmotore ausgewählt. Der Synchronmotor unten im Bild links, zum Spindelantrieb hat eine Drehtahl von 1500 RPM und muss deshalb mit einem Riemengetriebe untersetzt werden. Zum Ausgleich kleiner Ungenauigkeiten wurde noch ein stufenloses Kegelgetriebe von 1,4 bis 0,7 (rechtes Bild) eingebaut.
Auf der rechten Seite ist der Motor, ein Synchronmotor mit Getriebe, zum Papiertransport zu sehen. Der Motor hat 2,5 RPM und muss deshalb übersetzt werden damit die Transportrolle nicht zu groß wird um die Umfanggeschwindigkeit von 0,5 m/s zu erreichen. Bei einem Durchmesser der Walze von 21 mm beträgt der Umfang 66 mm und die Drehzahl für 0,5 m/min 7,5 RPM, somit braucht man eine 1:3 Übersetzung.

Auf der Frontplatte ist der Bandlauf aufgebaut.
Links unten der Bandtransport, Das Papierband wird mit einer Feder-belasteten Führungsrolle auf die Transportrolle gedrückt. Für den Grip sorgen zwei O-Ringe auf der Transportrolle.
Darüber der Zugmagnet der im Betrieb die Farbrolle auf die Spirale presst. Die Farbrolle besteht aus Filzscheiben die mit Stempelfarbe getränkt sind. Die Filzscheiben sind Polierscheiben für eine Handschleifmaschine (Dremel).
Darunter die Schreibspirale, sie besteht aus einer überdehnten Schraubenfeder welche auf eine Messingachse gezogen wurde.
Unter dem Papierband ist das Drucksystem zu sehen. Hierzu wurde ein modifiziertes Kammrelais verwendet. Der Kontaktsatz wurde entfernt und auf den Anker die Schreibkante aus Messingblech gelötet.
Ganz links unten auf der Platte ist eine Vorrichtung zu sehen die das Papierband straff hält. Dazu wird das Papier mit einer gefederten Platte mit leichtem Druck auf eine rotierende Walze gepresst.
Darüber der Einstellknopf für das Kegelgetriebe und ganz oben die Vorratsrolle für das Papierband.

Papierbänder in der gewünschten Ausführung sind nicht ganz leicht zu bekommen. Hier wurden Luftschlangen im XL-Format verwendet. Deren Breite beträgt ca. 14 mm. Leider ist die Länge auf 10m begrenzt, aber das ergibt noch eine Betriebszeit von 20 Minuten. Beschrieben wird im Netz auch die Verwendung von Kassenrollen die mit einer Vorrichtung in einzelne Rollen zersägt oder geschnitten werden.

Die Elektronik ist an der Rück- und an einer Seitenwand aufgebaut. Sie besteht aus einem Netzteil (300V DC, 24V DC und 6,3V AC), der Relaissteuerug für die Motore und den Farbandruckmagnet. Die Ansteuerung des Druckmagnet erfolgt mit einem Verstärker. Das Eingangssignal von 2V mit einer Frequenz von ca. 1 kHz wird mit einer EF42 Pentode verstärkt und über einen abgestimmten Trafo auf den Gleichrichter (EB41) gegeben. Die so gewonnen DC-Impulse steuern über die Taströhre EL41 den Schreibmagnet. Ein Kopfhörerausgang nach dem Eingangsverstärker erlaubt die akustische Kontrolle des Signals und eine Glimmlampe parallel zum Druckmagnet zeigt das Signal optisch an. Da kein Hell-Sender zur Verfügung stand wurden die Signale erstmal mit einem Arduino erzeugt der einen eingespeicherten Text ausgibt. Das Oszillogram zeigt das Signal am Eingang des Gleichrichters, rosa Kurve, und ´die Spannung am Druckmagnet, grüne Kurve. Auffallig ist der mit 50V große 50Hz Ripple. Ob sich das auf das Druckergebnis negativ auswirkt ist noch nicht klar. Sonst müßte noch die Siebung im Netzteil verbessert werden. Später stellte sich heraus das das Ripple von der negativen G1-Vorspannung stammten. Eine von der Relais-Versorgung abgekoppelte G1-Bias löste das Problem.
>Schaltplan im PDF-Format<

Resultate:
Das Ergebniss eines ersten Test ist rechts zu sehen. Zumindest einige Zeichen der Nachricht sind ganz gut zu erkennen. Allerdings ist die vertikale Auflösung ziemlich schlecht. Das könnte daran liegen das der Druckmagnet zu langsam ist oder auch die Schreibkante nachfedert. Die Pixellänge beträgt nur 8 ms, entsprechend 125 Hz. Für solche Frequenzen sind diese Relais eigentlich nicht konzipiert.

Durch verschiedene Maßnahmen wie eine stabile G1-Biasspannung und eine deutliche Vergrößerung des Vorwiderstandes des Druckmagnet und eine Änderung der Zeitkonstante des Signalgleichrichters konnte das Schriftbild deutlich verbessert werden. Abgesehen vom 'Q' sind nun alle Zeichen eindeutig zu bestimmen

Möglicherweise könnte ein anderes Papier auf dem die Farbe weniger verläuft eine Verbesserung bringen und auch die Vorschubgeschwindigkeit sollte erhöht werden damit die Zeichen etwas breiter werden.

Für den Schaubetrieb wurde ein >80m Sende-Empfänger< und ein >Arduino Hellsender< verwendet. Zum einfacherem Betrieb wurde die Schaltung um eine Automatik ergänzt. Diese Automatik setzt den Hellschreiber in Betrieb sobald ein Zeichen empfangen wird.