AM-Demodulator - Aussteuerungsgrenzen

Mit dem Ende der AM Sender auf Lang- und Mittelwelle, zumindest in Zentral-Europa, besteht zunehmend der Wunsch bei Radiosammlern, einen entsprechenden Mini-Modulator zum (gelegentlichen) Betrieb der gesammelten Radios zu kaufen oder selbst zu bauen.

Dieser Mini-Modulator braucht zwar nur wenige Nano-Watt HF-Leistung zu liefern, gerade dafür ausreichend, daß ein wenige Meter davon entferntes Radio damit spielt. Aber welche sonstigen Qualitätsmerkmale soll er haben?

Der Frequenzgang des Modulationssignals sollte den Eigenschaften des Frequenzgangs eines AM-Radios entsprechen, also i.w. ca. 100 Hz bis max. 7 KHz. HiFi (30 Hz bis 15 KHz) gab es im AM-Bereich nie.

Ein weiterer Punkt, den es zu beachten gilt, ist der maximale Modulationsgrad, der erreicht werden darf. Idealerweise könnte man annehmen, daß ein Modulationsgrad von 100% anzustreben sei. In der Praxis ist das jedoch zu viel und führt zu nichtlinearen Verzerrungen (Klirren) nach der Demodulation. Der Grund dafür liegt an den Kompromissen, die man schaltungstechnisch beim Demodulator des Empfängers machen mußte. Es gibt daher einen maximalen Modulationsgrad, der gerade noch ohne allzu große Verzerrungen verarbeitet werden kann.

Zur Erklärung des Sachverhaltes wird ein Dioden-Gleichrichter betrachtet, wie er in Supern üblich ist.

Gezeigt sind zwei Beispiele, wobei in Abb. 377 die Diode in Serie liegt und in Abb. 378 die Diode parallel geschaltetist, was sich entsprechend auf die Belastung des Schwingkreises auswirkt.

Eine solche Gleichrichter-Schaltung benötigt immer einen geschlossenen Kreis für den Gleichstrom, hier realisiert durch R₁. Infolge der Ankopplung der NF, aber auch durch die Gewinnung der Regelspannung wird der Gleichrichter auch NF mäßig (zusätzlich) belastet. Das führt resultierend zu einem niedrigeren Lastwiderstand.

In Bild 101 a) sind die Widerstands-Geraden in das "Richt-Kennlinien-Feld" der Diode für R_a = 500kΩ (für den Gleich-Anteil) und für (Fraktur) R_a = 150kΩ (für den resultierenden Gesamt-Widerstand) eingetragen. Der kleinere Widerstand ergibt die steilere Gerade.

In Bild 101 b) sind auf der x-Achse nun die hochfrequenten Wechselspannungen aufgetragen. (Fraktur) U_h ist die Amplitude der Trägerschwingung. (Fraktur) m_maxU_h ist die maximal erreichbare Amplitude der Hüllkurve der Amplituden-modulierten Schwingung. Wie man leicht erkennt, ist die Grenze hierbei dadurch gegeben, daß die steilere Arbeitsgerade für (Fraktur) R_a = 150kΩ nicht unter den Wert 0 gehen kann, weil aus dem Gleichrichter eben nur eine Stromrichtung möglich ist.

Wenn man die Arbeitsgerade für (Fraktur) R_a = 150kΩ genauer betrachtet, ist zu erkennen, daß zwischen den Punkten P₁ und P₂ eine Krümmung existiert, die sich durch Bild 101 a) sofort erklären läßt. Aber diese Krümmung füht bei Ausschöpfung des maximal möglichen Modulationsgrades zu nichtlinearen Verzerrungen, die sich als Klirrfaktor bemerkbar machen.

Das Problem mit den unterschiedlichen Arbeitsgeraden für Gleich- und Wechselstrom besteht auch bei Audion-Gleichrichtung (Bild 238)  und bei Anoden-Gleichrichtung (Bild 180).

Will man gerade ältere AM-Radios korrekt "versorgen", so sollte der Modulationsgrad nicht höher gewählt werden, als das bei früheren AM-Sendern auch üblich war. Hier war ein mittlerer Modulationsgrad von ca. 35% üblich. (Wenn NF-Signale durch weißes Rauschen modelliert werden, ergibt sich dann in der Spitze und kurzzeitig trotzdem ein max. Modulationdgrad von 100%. )

Lit:

Kammerloher, J.: "Hochfrequenztechnik 3, Gleichrichter, 4.A., Winter, 1957"

Pitsch, H.:"Lehrbuch der Funkempfangstechnik, 1.A. VAG, 1948"

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

Gemäß den Ausführungen in Post #1 könnte man zu der Erkenntnis gelangen, daß zwar der maximale Modulationsgrad < 100% sein muß, aber ansonsten unabhängig von der Frequenz des Modulationssignals ist. Auch die folgende Darstellung in Bild 86 könnte diesen Eindruck bestätigen.

Hier sieht man, wie die Demodulation als "Spiegelung" an der Demodulator-Kennlinie veranschaulicht werden kann. Auch sehr deutlich geht daraus hervor, daß die Krümmung dieser Kennlinie den zulässigen Modulationsgrad begrenzt, wenn unzulässig große nichtlineare Verzerrungen vermieden werden sollen.

Hier zunächst in Fig. 29 ein prinzipielles Schaltbild eines AM-Demodulators. Das zu demodulierende AM-Signal ist als a(t)cos ωt dargestellt. Auch hier fehlt nicht der Hinweis auf die "Versteilerung" der Demodulator-Kennlinie durch die Belastung (R_g) infolge der nachfolgenden Schaltung.

Nun ist aber die zur Demodulation benötigte Dioden-Strecke (Diode bzw. Gitter-Kathoden-Strecke) ein nichtlineares Bauelement. Der für die Demodulation notwendige "Glättungs-Kondensator" C bewirkt, daß die HF-Spannung am Ausgang (weitestgehend) unterdrückt wird. Aber andererseits darf er nicht zu groß gewählt werden, weil ansonsten auch das (gewünschte) demodulierte Ausgangssignal unterdrückt würde.  Der Kondensator C wird zwar über den (relativ kleinen) Innenwiderstand der Diode aufgeladen, kann aber nur über den Widerstand R_L wieder entladen werden. Daher muß die Zeitkonstante C•R_L so gewählt werden, daß die Entladung der Ausgangsspannung folgen kann. Nun ist aber die (maximale) Steilheit der Ausgangsspannung sowohl abhängig von der maximalen Frequenz des NF-Signals als auch von der Amplitude des NF-Signals mit der maximalen Frequenz.

Nun war es früher nicht üblich, die hohen NF-Frequenzen so stark anzuheben, wie es heute teilweise "modern" ist. Daher hatten hohe Frequenzkomponenten im NF-Signal immer einen geringeren Modulationsgrad als tiefere NF-Frequenzen. Die Zeitkonstanten der AM-Demodultoren sind folglich entsprechend dimensioniert.

Wird jedoch für hohe NF-Frequenzen ein zu großer Modulationsgrad gewählt, erfolgt bei der Demodulation ein "diagonales Clipping", was zu entsprechenden nichtlinearen Verzerrungen führt.

Weitere Informationen zur AM-Demodulation finden sich in "AM Demodulation".

(Ein zum "Diagonal Clipping" ähnliches Problem findet sich auch bei Operations-Verstärkern wieder, wenn diese Signale mit großer Amplitude und hoher Frequenz verarbeiten sollen. Hier ist es dann als "Slew Rate Grenze" bekannt.)

Lit:

Kammerloher, J.: "Hochfrequenztechnik 3, Gleichrichter, 4.A., Winter, 1957"

Arguimbeau, L.B., Adler, R.B.: "Vacuum-Tube Circuits and Transistors, Wiley, 1956"

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.