Schaltungstechnik der FM-Demodulation
Schaltungstechnik der FM-Demodulation
In der Anlage ist ein gut verständlicher Aufsatz aus den Heften 19 / 20 des Jahrgangs 1962 der FUNKSCHAU zu den Grundlagen der Frequenzmodulation und den verschiedenen Arten der Demodulatorschaltungen hinterlegt.
Folgend wird ein Aufsatz zur Schaltungstechnik des Ratiodetektors aus dem Telefunken-Laborbuch (Band 1) wiedergegeben:
Ratiodetektor (Verhältnisgleichrichter) mit Röhrendioden
Grundschaltung
Sie umfaßt Umwandelfilter und Gleichrichterteil. Ihr geht (Bild 1) dieTreiberröhre voraus. (z.B. EF 41, EAF 42, EF 89; bei steileren Röhren kann die Anode auf das Gitter zurückwirken).
Beide Umwandelfilter-Kreise sind miteinander lose gekoppelt und auf die Frequenz (meist 10,7 MHz) der zu demodul-ierenden Spannung abgeglichen. L2 hat einen Mittelabgriff. Über ihn wird eine der Primärspannung U1 proportionale Spannung U3 eingekoppelt. Die beiden Spulenhälften wickelt man — zwecks fester Kopplung — „bifilar" (Bild 2). Eine einfache Spule (L2) ergibt sich, wenn man den Mittelabgriff (statt an der Spule) an der Kapazität vornimmt.
Wirkungsweise
An 1 und 2 (Bild 1) liegen gegen Masse zwei Hf-Wechselspannungen. Damit treten an den Ladekondensatoren die Gleichspannungen — UD1+UD2 auf. Diese sind etwa gleich den Scheitelwerten der beiden Hf-Wechselspannungen. Punkt D hat gegen Masse die „Nullspannung" UD= (UD2 - UD1) / 2.
Abhängig von der Frequenz ändern sich UD1, UD 2 und UD gemäß Bild 3. Die dort für UD geltende „Umwandlerkennlinie" verläuft nahe der Resonanzfrequenz (Delta f = 0) fast geradlinig. Hierfür folgt — aus der frequenzmodulierten Hf-Spannung — UD als Nf-Spannung.
Wirkung des Elkos Ce
Ohne Ce (2 bis 10 µF) sind die Einzel-Richtspannungen UD1 und UD2, sowie damit auch die Summen-Richtspannung UD1+ UD2 und die Nullspannung UD proportional dem Wert der Hf-Spannung (Bild4) — z. B. dem der Steuergitterwechselspannung der Treiberröhre (Bild 1).
Der Elko Ce lädt sich auf UD1 + UD2 auf. Damit bedämpft er das Umwandelfilter für Zunahme der Hf-Spannung stärker und für Abnahme schwächer als für Gleichbleiben dieser Spannung.
Ce gleicht so — im Zusammenwirken mit einem bestimmten Gesamtwiderstand (Gleichrichter-Innenwiderstände, wozu auch R3 beiträgt, mit RS1 und RS2) — kurzzeitige Amplitudenschwankungen aus. Die Gleichrichter-Innenwiderstände sind spannungsabhängig. Daher läßt sich ein Ausgleich der Amplitudenschwankungen der Hf-Spannung nur für einen Wert dieser Spannung erreichen. Die Treiberröhre wirkt mit steigender Hf-Spannung mehr und mehr als Begrenzer. Demgemäß bemißt man RS1, RS2 und R3 für Amplitudenunabhängigkeit bei geringerem Wert der Hf-Spannung.
Durch Ce werden lediglich solche Schwankungen ausgeglichen, deren Dauer klein gegen die Zeitkonstante 2 RCe bleibt. Man macht diese etwa gleich 80 ms. Ce wirkt sich nur aus, falls die Hf-Spannung den Wert Umin nicht unterschreitet. Unter diesem Wert setzt schließlich die Gleichrichtung aus. Dafür wird UD zu Null. Umin wird kleiner, wenn man den Resonanzwiderstand des Sekundärkreises erhöht.
Der „Bereich" der Unterdrückung der Amplitudenschwankungen wird in Bruchteilen (Ua - Umin) / Ua ausgedrückt. Ua gehört zum „Arbeitspunkt" des Gleichrichters (Bild 4). Der Bereich wächst mit dem Verhältnis des Sekundärkreis-Resonanzwiderstandes zum Lastwiderstand 2 R.
Maß für die Unterdrückung der Amplitudenschwankungen
Dieses Maß — „AM-Unterdrückung" genannt — ist das Verhältnis der NF-Ausgangsspannung des Gleichrichters bei einem bestimmten Prozentsatz des Frequenzhubes von 75 kHz zur Nf-Ausgangsspannung bei dem gleichen Prozentsatz der Amplitudenmodulation. Übliche Werte sind: 22,5 kHz und 30% (Modulationsfrequenzen 50 Hz und 800 Hz).
Da die AM-Unterdrückung von der Verstimmung abhängt, mißt man sie einmal für die Resonanzfrequenz und einmal als Mittelwert. Zu letzterem wird mit 75 kHz-Hub gewobbelt und proportional umgerechnet.
Ausgeführte Schaltungen
In der Schaltung nach Bild 1 stört, daß beide Elko-Pole Spannung gegen Masse
haben. Verlegt man die Masseverbindung von Punkt 0 nach Punkt D, so kann man an Punkt F (Bild 5) die halbe Elko-Spannung als Regel- oder Anzeigespannung abgreifen. Die Verbindung von L3 nach Masse wird hier für Hf durch den Kondensator C3 (300 pF) erzielt. Verbindet man (Bild 5) E statt D mit Masse, so ist an F die volle Elkospannung verfügbar. Bei HF-Gleichrichtern mit einer Kathode an Masse schaltet man nach Bild 6. Hier sind CL2 und RS2 verlegt!
Bild 7 ist gegen Bild 6 durch Kapazitäts-Mittelabgriff abgewandelt. RN (>=100k) verhindert Hf-Kurzschluß über den Nf-Ausgang.
Dimensionierung
Folgende Forderungen sind nach Möglichkeit zu erfüllen:
1. Abweichungen der Umwandlerkennlinie von einer Geraden im Bereich von ± 75 kHz höchstens einige %.
2. Große Empfindlichkeit bezogen auf Elkospannung, hohe Nf-Spannung bezogen auf Frequenzhub und Elkospannung, gute „mittlere AM-Unterdrückung".
3. Ausgleich großer Amplitudenschwankungen, wie sie durch Zündfunken verursacht werden.
4. Für Elko-Spannung — abhängig von der Frequenz — nur ein Maximum, damit magisches Auge als Abstimmhilfe dienen kann.
5. Stark verminderte Einflüsse der Streuungen der Röhren, der Schaltelemente und des Umwandelfilters.
Forderung 1 bedingt einen „Spitzenabstand" der Umwandlerkennlinie von mindestens ±120 = 240 kHz. Dieser wird durch die Kopplung L1/L2 eingestellt. Festere Kopplung vergrößert den gradlinigen Bereich, verringert aber die Empfindlichkeit.
Forderung 2 erfüllt man mit geringer Leerlaufdämpfung des Sekundärkreises. Erreichbar sind — je nach Aufwand — 0,8 bis 1%.
Die Dämpfung durch 2 R soll wenigstens gleich der Leerlaufdämpfung sein. Größere Lastdämpfung verbessert den Bereich der AM-Unterdrückung, verringert aber die Empfindlichkeit.
L1 wird — zwecks hoher Empfindlichkeit — groß gewählt (Grenzfall: Resonanz mit Ausgangskapazität der Treiberröhre). Geringes Verstimmen dieses Kreises bei Röhren. wechsel ist unkritisch.
Wegen Forderung 3 soll die Streuinduktivität zu L3 klein, also die Kopplung L1 / L3 fest sein. Hoher Empfindlichkeit zuliebe macht man das Windungszahl-Verhältnis L1 : L3 gleich 6 : 1 bis 9 : 1. L1 und L3 sind im gleichen Wickelsinn und mit ihren kalten Enden übereinanderzuwickeln, wodurch gegenseitiges kapazitives Beeinflussen vermindert wird. Wegen Forderung 4 ist weiter R3 mit 50 bis 100 Ω nötig. (Bei zu starker Krümmung der in Bild 4 waagerechten Kennlinienteile muß R3 größer gewählt werden. Das aber vermindert die Empfindlichkeit.)
Bei einer Steuerwechselspannung der Treiberröhre, etwa eine Größenordnung unter dem Einsatz der Pentodenbegrenzung, ändert man RS1 und RS2, bis die „mittlere AM- Unterdrückung" ihr Optimum hat.
Ist nun Forderung 4 nicht erfüllt, so vermindert man R. Notfalls ändert man L3. Letzteres beeinflußt die übrige Dimensionierung. Auf alle Fälle sinkt hierbei die Empfindlichkeit.
Nun handelt es sich noch um die Forderung 5:
C2 wählt man wegen Streuung der Röhren- und Schaltkapazitäten ungern kleiner als 30 pF, lieber 50 pF. Leider ergibt höheres C2 geringere Empfindlichkeit. Aus C2 und Betriebsfrequenz folgt L2. Deren Mittelabgriff soll so genau gelegt sein, daß die Unterschiede zwischen beiden Teilen höchstens 2% erreichen.
Bild 8 gibt ein Dimen-sionierungs-Beispiel. Hier sind die RS1 und RS2 gleich Null. Bild 9 zeigt den Aufbau des Umwandelfilters. Alle Spulen haben gleichen Wicklungssinn und Ferrit-Abgleichkerne mit 6 mm Durchmesser. Material und Aufbau der Spule müssen so gewählt werden, daß im Laufe der Betriebszeit keine Abmessungsänderungen eintreten können.
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TELEFUNKEN Laborbuch Band 1
5. Ausgabe 1962 – TELEFUNKEN GMBH, Ulm/Donau
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Anlagen:
- FM-Demodulatoren (1208 KB)
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