Verslagen Radiocafé

Verslag 7 februari 2012: Ringmodulatoren

Ondanks de nog besneeuwde wegen en ijzige koude toch een redelijk druk bezet café. Dit keer een niet al te gemakkelijk onderwerp om een lezing over te houden in één avond. Het verslag geeft dan ook in hoofdlijnen aan wat er deze avond is besproken. De dubbel gebalanceerde mengtrap uitgevoerd met dioden is bekend onder de naam ringmodulator.

Gewoonlijk wordt bij grote gemoduleerde hoogfrequente ingangssignalen van preselectie gebruik gemaakt om spiegelfrequenties te onder drukken.  Met de ringmodulator is het mogelijk deze spiegelfrequentie en ook de geduchte halve spiegelfrequentie en verdere ongewenste signalen grotendeels kwijt te raken. T1 en T2 zijn hoogfrequent koppeltransformatoren 1 : 1 gewikkeld op een ferrietkern. Om een goede balans te verkrijgen zijn de drie draden getwist en heel nauwkeurig gelijk om de ringkern gewikkeld. Waarvan twee draden het begin en eind zijn verbonden en een middenaftakking vormen.

De dioden zijn bij voorkeur germanium dioden die volkomen gelijk aan elkaar moeten zijn. Er wordt zoveel oscillatorspanning aangelegd aan de middenaftakkingen dat steeds twee dioden in geleiding zijn en de twee anderen sperren. In het ritme van de frequentie worden de trafo’s telkens omgepoold met elkaar verbonden. Het effect ervan is, dat zowel van de signaal- als van de oscillatorfrequentie alleen eventuele oneven harmonischen nog bijdragen tot het verkrijgen van ongewenste mengproducten en dat die, welke worden gevormd worden door de even harmonischen sterk worden onderdrukt. De grootte van de oscillatorspanning is kritisch. Bij te lage spanning wordt het conversieverlies te groot en bij te grote spanning wordt de signaal-ruisverhouding voor zwakkere stations slechter.

Echter in deze lezing gaat het voornamelijk om het moduleren van laagfrequent signalen op een draaggolf, ook wel carrier genoemd. Deze amplitudemodulatie bij de draaggolftelefonie wordt in het algemeen door middel van schakelingen met spercellen verkregen. Gebruikelijk zijn de ringmodulatorschakeling en de brugmodulatorschakeling, ook wel de cowan-modulator of knipoog-modulator genoemd. Beide schakelingen zijn zo uitgevoerd dat de draafgolffrequentie zelf aan de uitgang van de modulator slechts zeer zwak voorkomt. Het bij de ringmodulator telkens ompolen van de trafoverbindingen door de draaggolffrequentie kan vergeleken worden met een mechanische schakelinrichting.

Men noemt de ringmodulator dan ook wel de ‘schakelaarmodulator’. Wanneer de te moduleren frequentie f < F is en de draaggolfspanning zo groot is dat het schakelproces in werking komt, dan ontstaan aan de uitgang zijbanden met het gemoduleerde signaal. De draaggolf blijkt niet aan de uitgang voor te komen, dat blijkt ook uit de schakeling welke voor de draaggolfspanning theoretisch volkomen symmetrisch is. Waardoor deze twee spanningen tegen elkaar wegvallen. Echter in de praktijk is dat moeilijk te verwezenlijken daar de gebruikte dioden nooit precies aan elkaar gelijk zijn en er draaggolflek ontstaat.

Het signaal wat uiteindelijk aan de uitgang ontstaat kan wiskundig voorgesteld worden door:
( 4 Am : π ) sin 2 π f t ( sin Ω t + ⅓ sin 3 Ω t +……….
Waarbij Ω = 2π F t.
Aan de uitgang krijgen we de volgende frequenties:
F + f en F – f, 3F + f en 3F – f en 5F +f en 5F – f ………………………..
We krijgen zoals bovenstaande aangeeft dus aan de uitgang twee zijbanden zonder de draaggolf F, in elke zijband komt zowel FM als AM voor zodat het slechts nodig is om een zijband te behouden. Daarom worden er filters toegepast om de ongewenste zijbanden tegen te houden.

De vraag ‘waarom altijd oneven’ is niet eenvoudig te beantwoorden, het is als bij een blokgolf. Dat is een oneven functie die slechts door sinussen benaderd kan worden.

Een mooi voorbeeld is misschien wel dat het verschil tussen twee opvolgende kwadraten gelijk is aan de optelling van hun grondgetallen.
Voorbeeld; 12 x 12 = 144 en 13 x 13 = 169  het verschil is 12 +13 = 25. Deze optelling wordt altijd gevormd door een even en oneven getal en heeft dus altijd een oneven uitkomst.
Handig als je wil weten hoeveel 24 x 24 is. Weet je dat 25 x 25 = 625 dan is 24 x 24 dus 625 – ( 24 + 25 ) = 576.  Begrijpelijk is 26 x 26 dan 625 + 25 +26 = 676.

Het gaat natuurlijk alleen bij opvolgende kwadraten.

Een eenvoudiger systeem is de Brugmodulator. Bij de positieve halve perioden van de carrierfrequentie F worden alle cellen doorlatend, waardoor de spanning A nagenoeg kortgesloten wordt en praktisch niet aan de uitgang voorkomt. Dat roept bij enkele aanwezigen de vraag op hoe dat kan. Een diode is te vergelijken met een klapdeur waarbij je slechts van een kant er door kan lopen. Kom je vanaf de andere zijde dan druk je de deur dicht. Maar als er een hele rij mensen vanaf de goede richting er door heen loopt staat de deur open en kan je vanaf de andere kant er stiekem doorheen glippen.

Bij de negatieve halve perioden wordt de stroom van de carrier geblokkeerd door de cellen die in die richting geen stroom doorlaten, zodat de spanning A ongehinderd de uitgang bereikt. Theoretisch zou ook hier mechanisch hetzelfde verkregen kunnen worden, zodat ook deze brugmodulator tot het type van de schakelaar modulator behoort. Bij dit systeem is de gemoduleerde spanning slechts de helft vergeleken met die van de ringmodulator. De afgegeven energie is dus daarbij vergeleken slechts 25%. Door het ontbreken van transformatoren is de brugmodulator echter goedkoper.

Als we het gemoduleerde signaal nogmaals aan eenzelfde brugmodulator toevoeren en weer laten schakelen met dezelfde draaggolffrequentie F dan ontstaat weer de oorspronkelijke toegevoerde laagfrequent. De brug werkt dan als demodulator (detector).

Het is Dr. D.G.Tucker die in 1948 in Electronic Enginering dit beschreef als een geheel nieuw detectiesysteem. De geluidskwaliteit was veel beter en overtrof vele malen de gewoonlijk de voor een versterker geschakelde kristalontvanger. Het laagfrequent signaal kan immers zonder hindernissen de versterker bereiken. Dit in tegenstelling met het gebruik van germanium of silicium dioden waarbij de doorgang vergeleken kan worden met een tocht over de Pyreneeën, waarbij de elektronen zich over bergruggen en door grimmige donkere holen moeten worstelen en dan maar hopen op redelijke geluidskwaliteit!! De schakeling is in oktober 1953 beschreven in Radio Elektronica.

De kwaliteit was inderdaad bijzonder goed, echter de afregeling die met veel gefluit gepaard gaat, te vergelijken met terugkoppeling, is natuurlijk minder plezierig. Om de oscillator volledige gelijkloop te geven met de binnenkomende draaggolf moet deze worden gesynchroniseerd met de ontvangen draaggolf. Ook dat moet erg precies gebeuren om vervorming van het signaal te voorkomen. Eenmaal goed afgesteld is het audiosignaal dan ook van een hoge kwaliteit. Het toestel kreeg de naam Synchrodyne.

Ter demonstratie is het al eerder in ons café besproken apparaat meegebracht (radiocafé 30 juni en 14 juli 2009)...

en aangesloten op de ook al eerder besproken miniatuur versterker met als eindbuis een PF86  met dubbelroostersturing, 0,3 watt nuttig eindvermogen met een zeer lage vervorming (radiocafé 14 december 2010).

Het geheel aangestuurd met een Belgische raamantenneversterker met een EF80 als HF versterker.

Na enig draaien aan diverse regelorganen klonk dan ook heel verfrissend en zonder enige vervorming de muziek van een ontvangen radiostation.

Het is een detector die zelf een bepaalde frequentie oppakt, uit de willekeurige frequenties die breedbandig aangeboden worden. Vanwege de moeilijke  bediening om juist en goed af te kunnen stemmen op een gewenst station is het apparaat in de vergetelheid geraakt. Toch leuk voor hobbyisten om daar mee te experimenteren.

In 1938 kreeg ik van mijn oom Hein, die secretaris was van Forzandon een accordeonvereniging, mijn eerste lessen in het lezen van geschreven muziek. Daar leerde ik over hele noten, halve noten, kwart en achtste noten enzovoort. Op de lagere school in de tweede klas waren wij nog bezig met de tafels van 1 tot 10 en thuis was ik al met breuken bezig. Het werden gitaarlessen en jaren later in 1962 als ik op het Thorbeckeplein in Amsterdam in het trio speel van Karel de Vries, als gitarist, gebruikte ik een 14 watt versterkertje. Als extra zat daar een inschakelbare tremolo ingebouwd (variatie in amplitude van het signaal).

Dat was al heel bijzonder. Later kwamen er allerlei effectpedalen die in serie met de gitaar worden geschakeld om bepaalde effecten te krijgen. Zo’n pedaal is een klein kastje met aan de bovenkant een voetpedaal of drukschakelaar. Met het indrukken met je voet schakelt het geluid van clean naar het effectgeluid . Er zijn diverse soorten van effecten zoals, Wah-Wah, Chorus, Flanger, distorsion, Fuzz, enzovoort. Met al die kastjes op de grond sta je bijna het hele optreden op een been. Een hoop snoeren, gezeur met voedingen en batterijen. Ook de ringmodulator kwam toen in beeld.

Als men zowel de ingang f en de carrier F ingang van een brugmodulator met de zelfde frequentie instuurt, bijvoorbeeld 440 hertz. Dan ontstaat aan de uitgang het verschil 0 hertz en 880 hertz.

Dat is een octaaf hoger. Je kunt dus op deze wijze de melodie een octaaf hoger laten meespelen op een tweede ingang van je versterker. Er zijn natuurlijk meerdere variaties mogelijk. Sturen we bij f een signaal van 440 hertz = A en bij ingang F als carrier 660 hertz = E dat is een verschil van een reine kwint.

Dan krijgen we aan de uitgang 1100 hertz = C en 220 hertz = A dat is dan een grote terts en een octaaf.

We hebben het tot nu toe gehad over sinusvormige signalen, wanneer we echter meer complexe golfvormen toevoeren zoals blok en driehoeksgolven krijgen we aan de uitgang de meest wonderlijke geluiden. Als een der signalen pulsvormig is of bijvoorbeeld beide, dan krijgen we geluiden die te vergelijken zijn met slaginstrumenten zoals cimbalen en gongs. De ringmodulator is dan ook meer geschikt voor een synthesizer dan voor een gitaar. Bij het ontstaan van de elektronische muziek zo rond 1950, werd de ringmodulator een standaardcomponent van de studio’s voor elektronische muziek. Later werd er ook gebruik van gemaakt bij de patchmogelijkheden van de instrumenten zoals Korg en Moog synthesizers.

Op de vraag wat is nu een kwint en een terts? Dat zijn toonafstanden. Een toonladder in C dat zijn de witte toetsen, hebben onderling de volgende afstanden (majeur) 1,1, ½, 1,1,1, ½  cc=prime, cd = grote secunde, ce = grote terts, cf = kwart, cg = kwint, ca = grote sext, cb = grote septiem, cc = octaaf. In mineur zijn de afstanden 1, ½ ,1,1, ½ ,1,1. Wil je alleen de witte toetsen in mineur spelen dan met de A beginnen. De derde toon is dan de C een kleine terts hoger dan de grondtoon A. In plaats van mineur zegt men dan ook wel kleine terts.

De oorspronkelijke ringmodulator welke in het begin werd opgebouwd met transformatoren en spercellen werd later vervangen door moderne analoge ontwerpen met ter beschikking staande chips. Zoals de Philips LM 1496 of de AD633.

In deze schakeling wordt een dubbele opamp gebruikt de TL 072 voor de f-ingang en de carrier-ingang. De ingangsniveaus kunnen hiermee optimaal worden aangepast. De signalen op de ingangen van de AD633 mogen niet met de maximum topspanning boven de 10 volt uitstijgen om beschadiging te voorkomen. Met de lage voedingsspanning van 15 volt is dat begrijpelijk.
De uitgangsspanning is ten opzichte van de ingangsspanning kwadratisch.
Raadzaam om aan de uitgang een limiter te gebruiken voor een juiste uitgangsspanning.

Nog even een onderonsje voor het bord met Chris over de gulden regel en de stelling van Pythagoras. Zou deze geleerde geweten hebben dat 1000 jaar eerder in Babylon een wijsgeer op een kleitablet schreef dat van een gelijkbenige driehoek met een der hoeken van 90 graden. De schuine zijde gedeeld door een aanliggende rechte zijde wortel twee is?

Literatuur:
Radio Elektronica, oktober 1953.
Electronica Engineering, 1947.
VERON Electron, augustus 2008.
Wireless World, augustus 1948.

P.J van Schagen