Linearer AM Modulator mit EF80

Dieses Projekt habe ich im Jahr 2016 realisiert. Inspriert hatte mich das von Joe Sousa hier vorgestellte Projekt Hi-Fi AM Transmitter mit der 6AS6.

Davor kannte ich die Möglichkeit der Modulation über das G3 einer Pentode in dieser Form nicht. Fasziniert hat mich die Möglichkeit eine 100% Modulation mit guter Linearität zu erzielen. Nur hatte ich leider keine 6AS6 zur Hand als ich mit meinem Projekt begann. Deshalb habe ich Röhren wie EF80, EF85, EF89 und EF184 untersucht und deren Verhalten bei Anwendung der G3 Modulation gemessen. Bevor ich die Messergebnisse von meinem µTracer zeige etwas zur Funktionsweise dieses Modulationsprinzips.

Bei einer Pentode ist ja bekanntlich das G3 (Bremsgitter) auf Kathodenpotential. Damit verhindert es, dass langsame Elektronen die als Sekundäremission durch die schnellen aus Richtung G2 kommenden Elektronen aus der Anode "geschlagen" werden zurück zum Gitter G2 fliegen und so den Anodenstrom verringern. Ohne diese Maßnahme würde der Anodenstrom trotz steigender Anodenspannung in einem bestimmten Kernlinienbereich der UA/IA Kennlinie abnehmen. Das führt zum sogenannten "Tetroden-Knick" in der UA/IA Kennlinie einer Tetrode. Bei einer Pentode tritt dieser Knick dank des G3 schwächer bis gar nicht auf.

Für die schnelleren von der Kathode kommenden Elektronen die durch G2 beschleunigt wurden ist das G3 jedoch normalerweise "durchlässig". Wird nun das G3 weiter negativ gemacht, werden auch Elektronen die aus Richtung Kathode kommen am Erreichen der Anode gehindert. Sie werden dann vom G2 absorbiert und erhöhen den G2 Strom. Bei sehr negativem G3 und niedriger Anodenspannung kann der Anodenstrom fast komplett zugunsten eines höheren G2 Stroms verschwinden. Das folgende Bild zeigt eine EF80 bei 90V Anoden- und G2 Spannung. Auf der X-Achse ist das Potential von G3 (nicht G1!) gezeigt. G1 liegt bei dieser Messung fest auf 0V:

Wie das Bild zeigt geht der Anodenstrom mit negativer werdendem G3 zurück während der Strom von G2 proportional steigt. Bei gleicher Skalierung der G2- und Anodenströme ist im Bereich wo sich die zwei Kennlinien kreuzen der Anoden- und G2-Strom gleich. Oder anders ausgedrückt deren Differenz=0.

Meine Messungen mit dem µTracer haben ergeben, dass der Effekt bei ca. 90V an G2 und Anode recht gut nutzbar ist, da hier größere lineare Bereiche links neben dem Kreuzungspunkt zu finden sind die eine lineare Modulation ermöglichen. Meine Versuche haben ergeben, dass der Bereich in dem der G2-Strom höher als der Anodenstrom ist meist bessere Linearität aufwies. Bei kleineren Spannungen als 90V verringert sich der nutzbare Lineare Teil der Kurven. Eine höhere Spannung ergibt flachere Kurven was eine höhere Ansteuerspannung am G3 erfordert.

Im Anhang zeige ich einige meiner Messergebnisse mit verschiedenen Röhren.

Der Effekt kann dazu benutzt werden um eine Trägerschwingung bei der AM Modulation zu 100% zu unterdrücken. Es muss nur mittels eines Übertragers die Differenz aus dem Anoden- und dem G2 Strom gebildet werden. Hier die prinzipielle Schaltung dazu:

In der von mir verwendeten Schaltung wird eine EF80 bei ca. -13V G3 Spannung betrieben. Hier überwiegt der G2 Strom wie oben zu erkennen ist. Gleichzeitig moduliert die NF das G3. Die G3 Spannung schwankt um +/- 2-3V um die -13V Marke dadurch erhöht sich bei den positiven NF Spitzen der G2 Strom weiter und bei den negativen wird der G2 Strom gleich dem Anodenstrom. Ein Träger der am G1 zugeführt wird macht diese Schwankungen ebenfalls mit. Wenn der Anoden- und G2 Strom gleich sind wird dadurch der Träger im Übertrager ausgelöscht, da dann die Differenz der Ströme=0 ist. Eine weitere Erhöhung des Modulierenden NF Pegels ergibt bei Durchschreiten des Nullpunktes einen erneuten Anstieg der Trägeramplitude, da dann der Anodenstrom höher als der G2 Strom im Übertrager ist. Die folgenden Bilder zeigen das Modulationstrapez für nahe 100% Modulation und bei einer "Übermodulation" von 110%. Hier ist deutlich rechts die wieder ansteigende Trägeramplitude zu erkennen.

100% Modulation der EF80 Schaltung mit Differenzbildung G2/Anode

ca. 110% Modulation unter gleichen Bedingungen.

Praktische Ausführung, der Schaltplan befindet sich im Anhang:

Da ich viele P-Röhren habe die auf einen sinnvollen Einsatz warten habe ich eine Schaltung entworfen die neben der EF80, die den eigentlichen Modulator darstellt, eine PCF80 als NF Verstärker und Oszillator verwendet. Die Aussteuerung wird von einem Magischen Band PM84 angezeigt. Die zu dessen Ansteuerung notwendige Verstärkung des NF Signals und dessen Gleichrichtung habe ich mit einer PABC80 gelöst. Hier eine Schaltungsbeschreibung:

Die Triode der PCF80 V1A verstärkt das Audiosignal auf ca. 5Vss. Dieser Pegel ist notwendig um die EF80 am G3 genügend auszusteuern. Der 1k5 Widerstand im Kathodenzweig dient als Gegenkopplung um den Klirrfaktor gering zu halten. Die Pentode der PCF80 V2B läuft als Oszillator. Hier verwende ich als Frequenzbestimmendes Element wieder einen Keramikresonator mit nominal 1580kHz. Da die Exemplarstreuungen dieser Resonatoren groß sind habe ich einen benutzt der sich auf 1566kHz ziehen lässt eine Frequenz die ins 9kHz Raster fällt.

Die EF80 V3 ist der eigentliche Modulator und verwendet das Prinzip das ich oben erläutert habe. Das Trägersignal wird niederohmig am G1 der EF80 eingespeist. Der 330Ω Widerstand verhindert Schwingneigungen der EF80. Am 100Ω Widerstand im Kathodenkreis der EF80 fallen ca. 600mV ab. Bei einer mit R17 eingestellten Trägeramplitude von 500mVss liegt das Potential von G1 also immer im negativen Bereich.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich auch EF89 und EF85 als Modulatorröhren verwenden lassen dann ist aber der Kathodenwiderstand auf etwas 0,5-1kΩ zu erhöhen, um einen optimalen Arbeitspunkt zu erreichen. Meine Versuche haben ergeben, dass die steileren EF184/EF183 weniger geeignet sind. Deren Modulation ist nicht sehr linear und die Röhren neigen zum Schwingen.

Das Collins Filter C22/23/24 und L1 Am Ausgang bewirkt eine Anpassung an die 50Ω Lastimpedanz und unterdrückt Oberwellen.

Das Prinzip der G3 Modulation funktioniert am besten wenn die EF80 mit ca. 90V Anodenspannung betrieben wird. Auch sollte diese Stabil sein um eine konstante Modulationstiefe  zu erreichen. Der Glimmstabilisator V4 sorgt hier für stabile 85V für alle relevanten Stufen. Die für die G3 Modulation erforderliche negative Vorspannung wird aus der Heizspannung gewonnen. Auch diese wird mittels einer Z-Diode (D3) stabilisiert.

Die richtige Aussteuerung wird mit Hilfe einer PM84 angezeigt. Da diese ca. -15V für Maximalausschlag benötigt wurde das Audiosignal mit Hilfe einer PABC80 V5 nochmals verstärkt. Die in dieser Röhre enthaltenen Dioden werden als Gleichrichter in Spannungsverdopplerschaltung verwendet.

Das Netzteil ist relativ unkritisch. Nur R26 sollte so angepasst werden, dass der maximale Strom von 10mA durch den Glimmstabilisator nicht überschritten wird. Es ist ratsam große Siebelkos zu verwenden um Brummen zu vermeiden. Die Schaltung der Heizungen ist hier nur als Vorschlag zu verstehen. Wie die einzelnen Röhren geschaltet werden hängt letztendlich vom verwendeten Trafo ab. Ich hatte einen mit 12V und 6V Wicklungen. Dazu habe ich noch eine 4V Wicklung aufgebracht. Damit konnte ich alle Röhren durch Serien- und Parallelschaltung mit der richtigen Spannung versorgen. Bei P-Röhren ist hier halt etwas Experimentieren angesagt.

Der Trafo Ü1 ist trifliar auf einen FT50/77 Ringkern gewickelt

Die Windungszahl ist ca. 40 und relativ unkritisch, da der Übertrager nur die Summierung der Signale von G2 und Anode der EF80 bewerkstelligt.

Der Abgleich erfolgt wie Folgt:

Signalquelle von 1kHz Generator am Eingang anschließen und Pegel so einstellen, dass an der Anode von V1A 5Vss anliegen.

a) Mit R17 die Amplitude der Trägerschwingungn am G1 der EF80 auf ca. 500mVss einstellen.
b) Oszi am Ausgang anschließen und mit R19 die Modulationsstiefe so einstellen, dass der Träger in der "Tälern" der 1 kHz NF Schwingung gerade verschwindet.
c) Mit R21 die Anzeige der PM84 so einstellen, dass sich die zwei Balken gerade überlappen.

d) Die Frequenz kann mit Trimmer C7 fein eingestellt werden.

e) Mit Trimmer C23 das Ausgangsfilter auf maximale Ausgangsamplitude einstellen, dazu sollte am Ausgang X4 ein 50Ω "Dummy Load" Widerstand angeschlossen sein.

Die angegebenen Bauteilwerte des Collins Filters passen für Frequenzen um 1500 kHz. Bei abweichenden Frequenzen sollte dieses angepasst werden.
 

 

Anlagen:

• Schaltplan EF80 Modulator (54 KB)
• Messung EF89, 90V (6 KB)
• Messung EF89, 60V (6 KB)
• Messung EF89, 30V (5 KB)
• Messung EF85, 90V (5 KB)
• Messung EF85, 60V (5 KB)
• Messung EF85, 30V (5 KB)
• Messung EF184, 90V (5 KB)
• Messung EF184, 60V (5 KB)
• Messung EF184, 30V (5 KB)

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