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Git the Rhythm - die Modulation

Vorausgesetzt, wir haben einen Oszillator, dessen Frequenz eindeutig und stabil ist, dann soll diese Frequenz die Informationen unserer Radiosendung auch irgendwie transportieren. Dieses Aufsatteln der hörbaren Niederfrequenzen (NF) wird "Modulation" genannt. Beim UKW-Rundfunk wird dies mit Frequenzmodulation bewerkstelligt (daher auch FM für UKW). Die Hochfrequenz (HF) wird im Takt der NF in ihrer Höhe variiert.

Nachfolgendes Bild veranschaulicht dies:

Die Spannung der NF manipuliert die Frequenz des Trägersignals. Die maximale Frequenzänderung heißt "Frequenzhub" und beträgt bei UKW 20kHz. Dies entspricht auch der maximalen, übertragenen Tonhöhe der Niederfrequenz (das menschliche Ohr reicht bis ca. 16kHz).

Während unser Bestreben eben noch war, den Oszillator möglichst frequenstabil zu gestalten, wird er jetzt also gezielt wieder verbogen. Der Schwingkreis bestehend aus dem frequenzbestimmenden LC-Glied wird durch eine Kapazitätsdiode geändert. Diese Diode hat die Eigenschaft, daß sie (in Sperrichtung betrieben) ihre Kapazität mit der Spannung ändert.

Hier wird die typische Beschaltung eines Oszillator-Schwingkreises mit Kapazitätsdiode gezeigt. Im nebenstehenden Diagramm ist eine Diodenkennlinie angegeben. Die Diode benötigt eine Vorspannung in Sperrichtung (z.B. 4 Volt) um die herum die Niederfrequenz schwankt (z.B. von 3,8 bis 4,2 Volt). Prinzipiell läßt sich jede Kapazitätsdiode (unabhängig von der Typenbezeichnung) für die Frequenzmodulation verwenden.

Die oben vorgestellten Oszillatoren hatten solche Frequenzmodulationsschaltungen bereits integriert.


Schwingkreise auslegen

Frequenzbestimmende Glieder im Oszillator und im Übertragungsverhalten der Verstärker sind in der Regel LC-Schwingkreise. Für diese gibt es zwei Anordnungen: parallel und seriell.

Der Parallelkreis wird im Resonanzfall hochohmig, die Serienanordnung wird niederohmig. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises läßt sich mit der Formel fres=1/(2*Pi*SQR(L*C)) berechnen. (Dies entspricht der Frequenz, bei der die Blindwiderstände der Spule XL und des Kondensators XC gleich sind.)

Das Verhältnis von L und C wirken auf die Güte und damit auf die Schärfe des Schwingkreises. Man kann sich für die Dimensionierung jedoch an bestehenden Schaltungen orientieren: der Kondensator soll nicht mehr als 100pF haben, die Spule nicht mehr als 100nH.

Als Hochfrequenzkondensatoren sind keramische Bautypen zu wählen bzw. regelbare Drehkondensatoren. Beide können auch kombiniert werden, indem sie parallel (oder seriell) geschaltet werden:

Bei Parallelschaltung addieren sich die Kapazitäten, Cges=C1+C2. (Bei Serienschaltung addieren sich deren Kehrwerte, 1/Cges=1/C1+1/C2.)




Spulen herstellen

Die Spulen herzustellen ist ziemlich einfach, da weder Spulenkörper noch Ferritkerne nötig sind. Versilberter Kupferdraht (den gibt's im Zweifelsfall im Handarbeitsgeschäft) mit z.B. 1 mm Durchmesser wird um den Schaft eines Bohreinsatzes mit dem gewünschten Durchmesser gewickelt, die Enden werden rechtwinklig abgebogen.

Die Spule wird soweit auseinandergezogen, daß sich die Windungen nicht mehr berühren. Zum späteren Abgleich des Schwingkreises können die Spulen auseinandergezogen (Induktivität nimmt ab) oder zusammengedrückt werden (Induktivität nimmt zu). Beim Einlöten in die Platine ist zu beachten, daß die Spule nicht an der Leiterplatte anstößt und daß die Anschlüsse möglichst kurz gehalten werden (jedes Kabel bildet eine weitere Induktivität).

Zum Berechnen der Spulenabmessungen wird nachfolgend eine empirische Formel für einlagige Zylinderspulen angegeben, die ungefähr stimmt: L=(Pi*n*D)^2/(l+0,45*D) bzw. n=SQR((l+0,45*D)*L)/(Pi*D). L ist dabei die Induktivität in nH, n die Windungszahl, D der innere Durchmesser in cm und l die Länge der Spule (nicht des Drahts) in cm.

Ein Beispiel: Die Spule hat einen inneren Durchmesser von 1cm, eine Länge von 2cm und eine Windungszahl von 5 Windungen. Also hat sie ungefähr 100nH.

Amateurfunksender umbauen

Es bietet sich an, 2m-Amateurfunkschaltungen (ca. 145MHz), die es in Bibliotheken gibt, für den Rundfunkbereich (ca. 100 MHz) umzubauen. Dazu müssen oft nur die Spulen- oder die Kondensatorwerte geändert werden. Hierfür werden in der Schaltung die Schwinkreise ausfindig gemacht (die Spulen sind hier oft nur durch ihre Abmessungen charakterisiert) und neu bemessen. Ein Frequenzabgleich muß nachher auf alle Fälle noch stattfinden, denn oft wurden die internen Kapazitäten der Halbleiter (z.B. der Basis des Transistors) für die Bauteilbemessung mitverwendet. Aus der Formel für die Resonanfrequenz fres=1/(2*Pi*SQR(L*C)) kann man ableiten, daß entweder die Spulen- oder die Kondensatorwerte etwa verdoppelt werden müssen, um von 145 MHz auf 100 MHz zu kommen. Das kann praktischerweise durch Parallelschalten eines weiteren Kondensators der gleichen Kapazität oder durch Verdoppeln der Spulenwindungszahl erreicht werden.

Als weitere Umbaumaßnahme muß noch der Frequenzhub erhöht werden. Amateurfunksender arbeiten mit 5kHz FM-Hub, Rundfunksender mit 20kHz. Dazu muß das modulierende NF-Signal, das an die Kapazitätsdiode am Oszillator geführt wird, entsprechend stärker eingestellt werden (siehe Modulation).