Mittelwellen-Modulator
Vorwort
Mittelwelle - dabei handelt es sich um das Band mit einem Frequenzbereich von 531...1611Khz. In diesem Frequenzbereich sind zum Zeitpunkt des Erstellens dieses Beitrags noch einige Mittelwellensender zu finden. Allerdings wurden in der Vergangenheit einige Sender abgeschaltet, und es scheint auch in der Zukunft so weiterzugehen, das immer mehr und mehr Mittelwellensender abgeschaltet werden. Mittelwelle hierfür finden sich sehr viele Radioschaltungen, nicht nur, weil diese Technologie zur frühen Anfangstechnologie der Radioübertragungen gehört, sondern, weil diese doch recht tiefen Frequenzen mit sehr einfachen Mitteln empfangen werden können, und der übertragene Inhalt ebenfalls leicht wieder zurückgewonnen werden kann. Schaltungen, bei denen es sich um einen Mittelwellenradio handelt, können schon aus sehr wenigen Komponenten bestehen, und sind ausserdem sehr nachbausicher. Daher ist es nicht verwunderlich, das vor allem in Elektronikbaukästen der bevorzugte, und oft vorhandene Radioempfänger dann ein Mittelwellenradio ist. Auch gibt es einige Radiobausätze, welche dann das Mittelwellenband empfangen können. Kurz gesagt: Für Elektronikeinsteiger ist der Bau eines Mittelwellenempfängers ein gutes Projekt, um erste Erfahrungen mit dem Thema Hochfrequenz zu machen. Von einigen Sammlern von Radiogeräten wird außerdem der Klang der durch die Amplitudenmodulation, welche auf den Mittelwellenfrequenzen zum Einsatz kommt, entsteht sehr gemocht.
Miniatur Mittelwellensender für Zuhause
Wie im Vorwort schon erwähnt, scheint die Anzahl der vorhandenen Mittelwellenstationen langsam, aber stetig abzunehmen. So kann es oft vorkommen, das man einen Mittelwellenempfänger gebaut hat, dieser aber (tagsüber) keinen Sender empfängt, da entweder kein Sender in Reichweite ist, oder der Sender welcher auch tagsüber empfangbar ist, einen so schwachen Pegel am Empfangsstandort hat, das er mit einem einfachen Empfänger nichtmehr wahrgenommen wird. Außerdem ist das Programm der vor allem Abends einfallenden Stationen zwar vielfältig - jedoch gibt es viele unterschiedliche Geschmäcker, und es ist nicht zwangsläufig für Jeden etwas dabei. Hinzu kommt oft noch, das ein Großteil der zu empfangenden Stationen in ausländischer Sprache senden - da es sich um Radiostationen aus dem Ausland handelt, wessen Signal durch Reflexionen Abends dann empfangbar ist. Durch die Verwendung eines kleinen und schwachen Mittelwellensenders kann dann das eigene Radioprogramm übertragen - und vom selbergebauten Empfänger - wieder empfangen werden. Ausserdem bietet ein eigener miniatur Mittelewellensender in der Funktion als Prüfsender den Vorteil, die Feldstärken selber zu bestimmen, und so den Empfänger selber abzugleichen. Desweiteren ist diese Schaltung sehr attraktiv für Sammler alter oder neuer Radiogeräte. Der Sender kann aufgestellt werden - Radios, welche in der Sendereichweite von 2-20cm um den Sender platziert werden, empfangen dann (sofern darauf eingestellt) das ganz eigene, individuelle Radioprogramm. Die Sendereichweite wurde bewusst so gering gewählt, um den gesetzlichen Feldstärken Vorgaben zu entsprechen. In den meisten vom Author getesteten Anwendungsfällen war die Signalstärke des minatur Mittelwellensenders mehr als ausreichend, um einen Radio welcher über eine Ferritantenne verfügt, induktiv mit dem Signal zu versorgen. Diverse Radios wurden dabei testweise in 5-10cm Distanz zum miniatur Mittelwellen Sender platziert, und jedes der Geräte lieferte ein einwandfreies, starkes Signal.
Rechtliche Seite
Leider gibt es (nach dem Wissen des Authors) hierzulande selbst in der "heutigen, modernen Zeit" und zum Datum der Erstellung dieses Beitrages noch keine offizielle Freigabe für das Mittelwellenband - für Mittelwellen Minisender - die vergleichbar mit den mittlerweile zugelassenen 50nW UKW Sendern währen. Allerdings gibt es nach der Verfügung Vfg 1/2010 welche auf der Seite der Bundesnetzagentur aufgerufen werden kann eine Freigabe für die Frequenzen von Langwelle bis Kurzwelle. Diese Verfügung bezieht sich auf Signale, welche induktiv abgestrahlt werden. Es ist hier nach der oben erwähnten Verfügung erlaubt, unter Einhaltung gewisser Feldstärken, ein Signal induktiv im Mittelwellenband auszustrahlen. Das heist, es ist also durch diese Verfügung möglich, einen kleinen Mittelwellensender zu betreiben, der das Signal induktiv in einen Radioempfänger einkoppelt - solange die entsprechenden Grenzwerte unterschritten bzw. eingehalten werden.
Miniatur Mittelwellensender - mit dem CD4093
Aufgrund dieser Verfügung, und der Interpretation des Authors dieser Verfügung, soll nun das folgende Projekt vorgestellt werden. Es handelt sich um einen miniatur Mittelwellensender, der mit dem Schmitt-Trigger IC CD4093 aufgebaut ist.
Funktionen des Senders
Der miniatur Mittelwellensender überträgt ein beliebiges Audiosignal drahtlos - induktiv - auf einen Mittelwellenradio. Zum Abgleich des Senders kann ein intern erzeugtes Testton Signal mit einer Frequenz von ca. 800Hz aufmoduliert werden. Somit kann der Sender z.B: auch als Prüfsender zum Abgleich von Radios verwendet werden. Da der Sender mit dem ca. 800Hz Testton, welcher intern vom Sender erzeugt wird, moduliert werden kann, ist eine externe Tonquelle im Falle der Verwendung des miniatur Mittelwellensenders als Prüfsenders dann nicht umbedingt erforderlich, was den Sender zusammen mit einer Batterie sehr kompakt, und dadurch portabel macht. Der geplante Hauptverwendungszweck ist jedoch die drahtlose Übertragung von Musik einer Tonquelle auf einen Radio. Die effektive Sendereichweite beträgt hierbei in der Praxis 2...20cm von der Antenne des Senders zur Antenne des Radios. Um Störungen durch anderen Radiostationen aus dem Weg zu gehen, ist die Sendefrequenz dieses Senders weiterhin in einem kleinen Bereich von ca. 720...830Khz einstellbar. So ist man nicht auf eine feste Übertragungsfrequenz angewiesen, wie sie z.B: von quarzgesteuerten Sendern bekannt ist. Die Frequenzstabilität, welche dieser Sender trotz des Fehlens einer frequenzstabilisierenden Schaltung oder eines frequenzstabilisierendem Bauelemts wie einem Quarz besitzt, ist im Normalfall absolut ausreichend für eine stabiele Übertragung. Der Sender wird mit einer 9V Batterie oder einer vergleichbaren Spannungsquelle betrieben. Aufgrund der geringen Stromaufnahme ist auch im Falle von Batteriebetrieb eine recht lange Betriebszeit möglich.
Praktischer Aufbau des miniatur Mittelwellensenders
Die Schaltung wird idealerweise auf einer Platine aufgebaut. Hier ist die Bauteilliste. Auch ein Aufbau auf dem Steckboard ist möglich - jedoch sollte auf HF gerechte Aufbautechnik geachtet werden um die Schaltung zuverlässig betreiben zu können. Nachdem die Schaltung aufgebaut wurde, und auf Fehler sowie Kurzschlüsse überprüft wurde, wird der Schleiffer des Potis P1 so eingestellt, das der Schleiffer zu R3,C5 zeigt. Desweiteren ist der Jumper "JMP1", welcher die Signalquelle wählt, so zu stecken, das der ca. 800Hz Testtongenerator mit dem Audioeingang des Senders verbunden ist. Anschliessend ist der Jumper "JMP2" einzustecken, um so den ca.800Hz Testtongenerator zu aktivieren. Nun wird der Sender mit der 9V Spannungsquelle verbunden und der Jumper "JMP3" eingesteckt. Auch wenn der Sender wegen seiner geringen Stromaufnahme mit einer 9V Batterie betrieben werden kann, empfiehlt es sich aus Stabilitätsgründen ein stabilisiertes Stecknetzteil für den Betrieb des Senders zu verwenden. Nachdem der Sender in Betrieb genommen wurde, ist die Sendefrequenz im Radio zu suchen. Dabei wird der Radio in ca. 5cm Abstand zum Sender - zur Spule L1 platziert. Bei Radios mit Ferritantenne sollte diese parallel zur Spule L1 ausgerichtet werden. Nun wird mit dem Abstimmknopf des Radios die Sendefrequenz des Senders gesucht. Sie befindet sich vermutlich irgendwo zwischen 715... 834Khz. Der Empfänger kann auch auf z.B. 750Khz eingestellt werden, und die Frequenz am Sender durch drehen am Trimmkondensator Cv1 "gesucht" werden. Das Signal des Senders macht sich dadurch im Radio bemerkbar, das das Rauschen leiser wird, und bei ideal abgeglichenem Sender oder Radio ganz verschwindet oder wenigstens sehr leise im Verhältnis zu kein Empfang wird. Bei Geräten wie dem "Retro Radio" Bausatz, oder diversen Empfängerschaltungen aus den Kosmos X und XN - Kästen, macht sich der Sender durch ein sich vom sehr leisen Grundrauschen abhebendes Geräusch bemerkbar. Ist diese Stelle gefunden, wird mit einem Schraubendreher vorsichtig, und vor allem langsam am Potentiometer P1 der Schleiffer wieder zurückgedreht bis der ca. 800Hz Testton aus dem Radio zu hören ist. Die Einstellung ist für beste Qualität zu optimieren, auch die Frequenz am Empfänger ggf nachstellen, und etwas mit dem Abstand von Empfänger - Sender experimentieren. Ist die Justage erfolgt, wird der Sender durch herausziehen des Jumpers "JMP3" wieder ausgeschalten. Nun wird der Jumper "JMP2", welcher den Testtongenerator aktiviert, rausgezogen um den Testtongenerator zu deaktivieren. Weiterhin wird der Jumper "JMP1", der für die Wahl der Audioquelle zuständig ist, wieder so umgesteckt, das die externe Audioquelle mit dem Sender Eingang verbunden ist. Jetzt wird der Jumper "JMP3" wieder eingesteckt, um so den Sender wieder zu aktivieren. Nun kann an der Tonquelle die Wiedergabe der Audiodatei / Aufzeichnung gestartet werden - beginnen Sie hier mit einer geringen Lautstärke, und erhöhen Sie diese langsam, bis die Wiedergabe klar aus dem Empfänger zu hören ist. Beachten Sie bitte, das die Modulation des Senders aus schaltungstechnischen Gründen etwas leiser ist, als die einer einer offizielle Radiostation. Auch am Potentiometer P1 kann vermutlich noch etwas rumgedreht werden, bis die beste Wiedergabequalität vorhanden ist. Ist alles so weit abgeglichen, ist der Sender fertig abgeglichen, und kann betrieben werden.
Nun zur Theorie - wie funktioniert dieser 1 IC Sender?
Hier nun der miniatur Mittelwellensender mit dem Schmit Trigger IC CD4093. Da es sich bei dem IC CD4093 um ein digitales IC handelt, und für den Radio natürlich aufgrund technischer Vorgaben ein quasi analoges Signal gefordert wird, musste eine recht kreative Schaltung entwickelt werden. Die Entwicklung der Schaltung soll in den folgenden Schritten beschrieben werden.
Grundaufbau eines einfachen Mittelwellensenders
Betrachten wir nun die einzelnen Elemtente eines einfachen MW Senders:
Der Oszillator
Der Oszillator hat die Aufgabe, die Trägerfrequenz zu erzeugen. Diese wird entweder quarzgesteuert oder durch einen Schwinkgreis (bestehend aus Spule und Kondensator oder Kondensator und Widerstand) bestimmt. Natürlich gibt es noch viel mehr Methoden, eine Frequenz zu erzeugen, aber dies sind bei einem einfachen MW Sender die üblicherweise verwendeten Methoden. Wichtig für einen Oszillator ist eine gute Frequenzstabilität. Die Ausgangsleistung des Oszillators muss hierbei nicht allzuhoch sein. Der Oszillator erzeugt also z.B. eine Frequenz von 750Khz. Mit einem Radio kann der Oszillator dann empfangen werden - allerdings - wird er nur als "Leerträger" wahrgenommen. Das bedeutet, stellt man den Radio auf die Frequenz des Oszillators ein so ist an dieser Stelle nur Stille aus dem Lautsprecher zu hören, das Rauschen verschwindet.
Der Buffer
Bei Mittelwellensendern wird die sogenannten "Amplituden Modulation" verwendet. Das bedeutet, das die Sendeleistung des Senders im Takt zur Modulation (Musik, Sprache...) variiert. Bei nicht quarzgesteuerten Sendern, welche nur durch einen Schwingkreis ihrer Frequenz gesteuert werden - man spricht hier von einem freischwingendem Oszillator - wird normalerweise ein Buffer benötigt. Ohne diesen Buffer kann es vorkommen, das die folgenden Teile der Schaltung auf den Oszillator rückwirken. Dadurch entsteht oftmals ein auf Mittelwelle unerwünschter FM Anteil. FM steht für Frequenzmodulation. Wird der Oszillator also unerwünscht in seiner Frequenz moduliert, sorgt dies im Radio für (je nach Intensität der unerwünschten Frequenzmodulation) zu leicht bis stark reduzierter Klangqualität. Bei starker Frequenzmodulation ist es dann so, das der Radio, wenn er genau auf die Sendefrequenz eingestellt wird, garkeine oder nur sehr leise und verzerrte Tonwiedergabe besitzt. Stellt man den Radio dann neben die Frequenz des Senders, ist die Wiedergabe wieder vorhanden allerdings oft jedoch von einem Zischen oder ähnlichem wegen der falschen Frequenzeinstellung begleitet. Hierfür wird also der Buffer Verstärker benötigt. Er trennt den Oszillator vom Rest der Schaltung, und verhindert Rückwirkungen vom Rest der Schaltung auf den Oszillator. Dadurch wird der unerwünschte FM-Anteil entfernt.
Die Endstufe
Nun haben wir bereits den Oszillator, sowie den Buffer Verstärker kennengelernt. Das Signal unseres Oszillators soll nun so weit verstärkt werden, das es auf eine Sendeantenne gegeben werden kann. Hierfür wird die Endstufe herangezogen. Die Endstufe kann man im Prinzip so sehen wie den Buffer Verstärker, nur, das die Bauteile so dimensioniert werden, das am Ausgang der Endstufe ein Signal mit genügend Sendeleistung anliegt, um es sinnvoll über eine Antenne abzustrahlen.
Der Modulator
Nun haben wir bereits einen Signalgenerator gebaut, welcher mit dem Oszillator ein Signal erzeugt, und dieses dann über den Buffer zur Endstufe weiterleitet, welche das Signal auf einen viel höheren Pegel als dem des Oszillators verstärkt. Allerdings - würde man das Signal jetzt wieder mit einem Radio abhören - würde man genau das gleiche Ergebniss bekommen wie schon beim Oszillator. Man würde nur Stille aus dem Lautsprecher des Radios hören - wenngleich mit einer viel höheren Sendereichweite als die, die der Oszillator alleine bereitstellen würde. Hier kommt jetzt der Modulator zum Einsatz. Dieser ist, wie im Schaubild oben zu sehen ist, "über" der Endstufe gezeichnet. Dies hat den Grund, das hier dargestellt werden soll, das der Modulator die Endstufe beeinflusst, jedoch nicht die anderen Teile des Senders. Wie weiter oben schon erwähnt, muss von der Senderseite her ein Trägersignal erzeugt werden (Beispiel 750Khz) - und - dieses Signal muss dann in Abhängigkeit von der Modulationsquelle in seiner Amplitude = Leistung variiert werden. Genau das macht der Modulator. Der Modulator lässt etwas Leistung zur Endstufe fließen sodass, diese eine gewisse Grundleistung an die Antenne abgibt. Nun wird dem Modulator noch ein Tonsignal zugeführt - der Modulator ändert nun in Abhängigkeit vom zugeführten Tonsignal die Leistung, welche zur Endstufe fliesst. Dadurch erhält man am Senderausgang das gewünschte Signal. Ein (Beispiel 750Khz) in seiner "Amplitude moduliertes" Signal. Es besteht auch die Möglichkeit den Modulator vor die Endstufe zu schalten. Dies ist jedoch bei einfachen Mittelwellensendern nicht üblich, da das Signal dann sehr aufwändig verstärkt werden muss wenn höhere Sendeleistungen gefordert sind.
Der Oberwellenfilter
In diesem Schaubild sind die Oberwellen unseres miniatur Senders dargestellt. In diesem Beispiel wurde der Sender auf eine Frequenz von 750Khz abgeglichen. Im oberen Bild wurde jetzt einfach eine Antenne am Ausgang des Senders angeschlossen - ohne jegliche Filterung. Wenn wir das Diagramm betrachten, erkennen wir deutlich, das neben den geplanten 750Khz auch 1500, 2250 und sogar 3000Khz über unsere Antenne abgestrahlt werden. Dies ist mit den gleich großen Balken, die in Relation Frequenz/Sendeleistung stehen, dargestellt. Die Abstrahlung der Oberwellen, die oftmals noch viel zahlreicher vorhanden sind, als im gezeigten Beispiel, soll nun unterdrückt werden - sodass das Signal, das von unserem miniatur Sender über die Antenne abgestrahlt wird, sich so verhält wie im unteren Bild des Schaubildes. Dort wurde ein Oberwellenfilter installiert. Wie deutlich zu sehen ist wird die Grundwelle, welche in unserem Beispiel 750Khz beträgt, nach wie vor sehr stark vom Sender abgestrahlt. Die Oberwellen werden pro Faktor schwächer. Alleine schon die 1. Oberwelle ist im Verhältniss zur Grundwelle sehr schwach - die 4. Oberwelle bei 3000Khz besitzt nurnoch einen verschwindend geringen Bruchteil der Sendeleistung der Grundwelle. Somit werden unerwünschte Störungen anderer Stationen durch unseren minatur Sender effektiv vermieden.
Die Antenne
Nun soll das Signal aber übertragen werden - dafür wird eine Antenne benötigt. In unserem Fall soll das Signal aufgrund der gesetzlichen Vorgaben induktiv abgestrahlt werden. Also bietet sich eine Spule mit Kern an. Wenn wir diese Spule an unserem miniatur Sender Ausgang anschliesen, wird das Signal unseres Minisenders in der Nähe der Spule als elektromagnetisches Feld abgestrahlt Diese Feld kann dann wieder von Radios mit einer Ferritantenne empfangen werden. Somit ist die induktive Übertragung des Signals unseres Senders auf ein Radio unter Berücksichtigung der gesetzlichen Vorgaben gewährleistet.
So viel zur Theorie eines AM Senders, nun aber Details zum AM Miniatur Sender mit dem CD4093.
Als erstes benötigen wir, wie im Schaubild oben dargestellt wurde einen Oszillator.
Hierfür bietet sich die Standardschaltung eines Oszillators mit dem Schmitt Trigger an.
Funktion des Oszillators: Nach dem Einschalten der 9V Versorgungsspannung ist der Ausgang des 1. Schmitt Triggers des CD4093 auf "1" geschalten. Nun lädt sich über den Widerstand R1 der Kondensator C3 sowie Cv1 auf. Ist C3 sowie Cv1 auf genügend Spannung aufgeladen, schaltet der 1. Schmitt Trigger den Ausgang von "1" auf "0". Dadurch entlädt sich der Kondensator wieder über den Widerstand R1, und den Ausgang des 1. Schmitt Triggers wodurch der 1. Schmitt Trigger nach erreichen des zum auf "1" schaltenden Spannungswertes wieder auf "1" schaltet. Dann beginnt das ganze wieder von vorne. Der Kondensator C3 und Cv1 sowie der Widerstand R1 bestimmen hierbei die Geschwindigkeit dieses Vorgangs. Die Werte wurden so gewählt, das sich dadurch eine Frequenz im Mittelwellenband ergibt. Am Kondensator C4 kann das erzeugte Hochfrequenzsignal abgegriffen werden. Die Kondensatoren C1,C2 dienen hierbei übrigens zur Stabilisierung der Schaltung.
Nun haben wir den Oszillator mit dem CD4093 gebaut. Dieser reagiert jedoch relativ empfindlich - mit Änderung der Frequenz - auf Belastung durch den Abgriff des Signals am Kondensator C4. Als nächstes wird also ein Buffer gebaut.
Als Buffer wird der 2. Schmit Trigger des CD4093 verwendet. Dieser arbeitet im sogenannten "Klasse C" Betrieb. Der Kondensator C4 lädt und entlädt sich ständig mit der vom Oszillator vorgegebenen Frequenz über den Widerstand R2 und den Ausgang des 1. Schmitt Triggers. Dadurch wechselt der Ausgang des 2. Schmitt Triggers ebenfalls mit der vom Oszillator vorgegebenen Frequenz andauernd zwischen "0" und "1". Das Signal am Ausgang des 2. Schmitt Triggers kann nun niederohmig abgegriffen werden, da der Ausgang des 2. Schmitt Triggers hier keine Rückwirkung auf den Ausgang des 1. Schmitt Triggers besitzt. Wird der Ausgang des 2. Schmitt Triggers nun belastet, ändert sich die Frequenz des Oszillators kaum.
Nun aber zum schweren Teil - erzeugung einer Amplitudenmodulation mit Schmitt Trigger
Bei dieser Lösung ist Kreativität gefragt. Natürlich könnte man das Signal jetzt am Ausgang des 2. Schmitt Triggers abgreifen und über eine Diode oder 1-2 Transistoren dann, wie im Mittelwellenband gefordert, in seiner Amplitude modulieren. Allerdings soll der miniatur Mittelwellensender nur mit dem IC CD4093 aufgebaut werden. Dieses IC besitzt jedoch nur "0" und "1" Ausgänge, und keine analogen Ausgänge, wie sie bei einem Operationsverstärker vorhanden währen, und mit welchen sich ein einfacher Modulator realisieren lassen würde. Man kann so gesehen die Leistung, welche von der Endstufe auf die Antenne geleitet wird, mit diesem IC nur voll einschalten "1" oder voll ausschalten "0". Jetzt die kreative Idee - um die Leistung in Relation zur Modulation zu regeln wird nun ähnlich wie bei einem Schaltnetzteil die sogenannte Pulsweitenmodulation angewandt.
Hierzu ein kleines Schaubild zum Thema Pulsweite und Leistungsregelung:
Für die folgende Beschreibung nennen wir die Punkte "Elektronen". Dies ist zwar unter Umständen physikalisch nicht korrekt - soll aber für unsere Erklärung zum besseren Verständniss herangezogen werden.
In den linken Bildern des Schaubildes ist die Leistungsreduzierung mit einem Widerstand - also linear - dargestellt.
1.Bild Die Elektronen (Punkte) fließen von der Stromquelle in den Widerstand. In diesem Fall ist es ein großer Widerstand. Die Elektronen fließen also nun über den Widerstand zur Lampe - da der Widerstand aber groß ist, entsteht am Widerstand Verlustleistung. Diese ist durch die Punkte die als "Wärme" gekennzeichnet sind dargestellt. Die Stromquelle würde sehr viel Leistung liefern - die Lampe währe direkt an der Stromquelle also sehr hell. Der Widerstand wandelt aber einen großen Teil der Energie, die von der Stromquelle kommt, in Wärme um. Die Lampe leuchtet nur etwas.
2.Bild Die Elektronen (Punkte) fließen wieder von der Stromquelle über den Widerstand zur Lampe. Hier ist jedoch ein geringer Widerstand vorhanden. Dadurch können mehr Elektronen zur Lampe fließen - sie leuchtet heller. Ausserdem entsteht am Widerstand aufgrund seiner geringen Größe kaum Verlustleistung = Wärme.
Nun zu den Schaubildern auf der rechten Seite:
1. Bild Bei der sogenannten PWM-Regelung wird die Leistung über die Einschaltdauer gesteuert. Das heist, es gibt keinen Widerstand, sondern nur einen Schalter. Dieser hat die Zustände "1" voll leitend (alle Elektronen können passieren) oder "0" nicht leitend - keine Elektronen können passieren. Die Einschaltdauer des Schalters bestimmt hierbei die Anzahl der Elektronen, die zum Verbraucher fließen, und somit die Leistung welche im Verbraucher umgesetzt wird. Wie bei "Impulsdauer" zu sehen ist, ist der Schalter immer nur kurz eingeschalten. Es können also nur wenige Elektronen passieren. Die Lampe leuchtet wie beim großen Widerstand nicht besonders stark. Allerdings entsteht hier, anders als bei der linearen Regelung mit dem Widerstand, keine Wärme bzw. Verlustleistung. Dies liegt daran, das die Elektronen nur über den Schalter passieren können, und dieser ja nur zwischen "garkein Widerstand" und "unendlich viel Widerstand" hin und her schaltet.
2. Bild Im 2.Bild ist der Schalter länger eingeschaltet. Dadurch können mehr Elektronen passieren und es wird mehr Leistung im Verbraucher umgesetzt -> die Lampe leuchtet stärker. Auch hier entsteht keine Verlustleistung, da der Schalter immer nur zwischen "ein und aus" hin und herwechselt.
In der Realität gibt es dennoch geringe Verlustleistungen da die Bauelemente, welche zum Schalten verwendet werden, auch im eingeschalteten Zustand einen verschwindend geringen, aber dennoch vorhandenen, Widerstand besitzen.
Basierend auf diesem Wissen kann nun sehr einfach mit dem IC CD4093 ein kleiner Mittelwellensender aufgebaut werden. Es muss nur die Einschaltdauer der Impulse, welche im späteren Verlauf zur Antenne fließen, variiert werden. Dadurch erhalten wir eine in ihrer Leistung variable Sendeleistung.
Nun aber nach dem kurzen Ausflug in das Thema der Netzteil Techniken wieder zurück zu unserem ursprünglichen Projekt, dem miniatur Mittelwellensender mit dem CD4093 IC.
Anders als bei der Grundschaltung eines einfachen Mittelwellensenders, welche in einem Schaubild weiter oben zu sehen ist, ist bei der Schaltung des miniatur Mittelwellensenders mit dem IC CD4093 der Modulator vor die Endstufe geschalten. Bei niedrigen Sendeleistungen, wie sie von unserem miniatur Mittelwellensender generiert werden, ist diese Methode noch mit geringem Aufwand realisierbar.
PWM Modulator mit dem 3. Schmitt Trigger des CD4093:
Einstellen der Pulsbreite für den Modulator. Vom Kondensator C5 kommt das vom Oszillator entbufferte HF Signal. Ein Teil der HF Energie fliesst nun über den 47k Widerstand R3 nach Masse, während ein anderer Teil der HF Energie zum Potentiometer P1 weitergeleitet wird. Ein weiterer Teil des HF Signals fliesst dann über das Potentiometer P1 und C6 wieder nach Masse ab. Die verbleibende HF Energie liegt dann am Schleifferkontakt des Potis P1 an. Der 47k Widerstand R6 liefert zudem etwas Gleichspannung, auf C6 und P1 um die Schaltung zu stabilisieren. Der Schleifer des Potentiometers P1 ist - wenn man sich an die Aufbauanleitung hält - so eingestellt, das er zu C5 /R3 zeigt. Dadurch bekommt der 3. Schmitt Trigger des IC´s ein ausreichend starkes Rechtecksignal, um mit der vorgegebenen Frequenz des Oszillators den Ausgang andauernd zwischen 0/1 hin und her zuschalten. Nun drehen wir jedoch den Schleiffer langsam zurück - Richtung C6. Die HF Spannung, welche am Eingang des 3. Schmitt Triggers anliegt (Pin 8) wird immer geringer. Weiterhin werden die Signale, die an Pin8 ankommen immer mehr Dreieckförmig (dafür sorgt C6). Ab einem gewissen Punkt (Stellung des Schleiffers) ist dann eine Schwelle erreicht, an der der 3. Schmitt Trigger durch die Hochfrequenz und durch die von R6 kommende Gleichspannung verzögert ein - und ausschaltet. Dadurch entstehen am Ausgang des 3. Schmit Triggers schmalere Impulse (kürzere Einschaltdauer) als die, die am Ausgang des 2. Schmitt Triggers anliegen. Daduch ist die Gesamtleistung, welche nach C7 abgegriffen werden kann, bereits deutlich kleiner, als die Leistung welche an C5 abgegriffen werden kann.
Doch wie entsteht jetzt die Amplitudenmodulation?.
Hierfür betrachten wir das Bild
Auf diesem Schaubild ist die Erzeugung der PWM-Modulation symbolhaft anhand eines nicht invertierenden Schmitt Triggers dargestellt. Auf der linken Seite sehen wir die Signalformen, so wie man sie auf einem Oszilloskop betrachten kann. Im ersten Bild ist das Ausgangssignal ohne Modulation dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, ist die Pulsbreite bzw. die Länge und die Abstände zwischen den einzelnen Impulsen immer gleich. Nun wird, wie im Bild darunter gezeigt wird, ein Sinussignal als Modulation eingespeist. Dadurch ändert sich nun in Abhängigkeit des Signals die Pulsbreite des Ausganssignals, was letzendlich eine Änderung (in Abhängigkeit zum für die Modulation eingespeistem Signal) der Pulsbreiten erzeugt. Dieser Vorgang ist im letzten Bild auf der linken Seite ist dann deutlich zu erkennen. Die Rechteckimpulse sind nun nichtmehr gleich lang, sondern variieren in ihrer Einschaltdauer. Liegt am Eingang eine negative Spannung an (bezogen auf Masse) werden die Impulse kürzer. Liegt eine positive Spannung am Eingang an (bezogen auf Masse) werden die Impulse länger. Egal ob die Spannung, welche am Modulationseingang eingespeist wird, gerade negativ oder postiv ist - bezogen auf Masse - die Länge der Impulse ist von dieser Spannung abhängig. Dies ist auch im letzten Bild auf der linken Seite des Schaubildes zu erkennen. Dort sieht man deutlich, das die Signale ihre Maximalwerte dann erreichen, wenn auch die Sinuswelle ihre Maximalwerte erreicht.
Auf der rechten Seite des Schaubildes ist der Modulationsvorgang auf eine Spannung bezogen dargestellt. Im ersten Bild wird keine Modulation eingespeist, das ist dadurch gekennzeichnet, das an beiden Eingängen symbolisch "0V" anliegen. Dadurch sind die Pulse am Ausgang des Modulators immer gleich lang. Nun wird wieder ein Sinussignal eingespeist. Im ersten Moment erscheint die negative Halbwelle des Signals. Dadurch liegen von der Eingangsseite des Modulators - zum Kondensator - bezogen auf Masse in unserem Beispiel "-1V" an. Der Buffer liefert jedoch bezogen auf Masse eine postive Spannung. Nun "arbeitet" das -1V Signal von unsererem Sinussignal gegen das Signal des Buffers. Dadurch wird der Kondensator erst zu einem späteren Zeitpunkt so weit aufgeladen, das der Schmitt Trigger seinen Ausgangszustand ändert. Weiterhin wird der Kondensator durch die -1V von der negativen Halbwelle unseres Sinussignals schneller wieder entladen - wodurch - der Schmitt Trigger seinen Ausgangszustand schneller wieder auf den vorherigen zurückändert. Dies hat zur Folge, das am Ausgang des Modulators kürzere Impulse anliegen - was weniger Leistung bedeutet. Nun erreicht das Sinussignal wieder einen positiven Zustand. Bezogen auf Masse liegen an unseren Eingang nun beispielhafte +1V an. Dadurch wird der Kondensator schneller durch den Ausgang des Buffers und das Signal am Eingang geladen. Dadurch ändert der Schmitt Trigger seinen Ausgangszustand schneller. Nun entlädt sich der Kondensator wieder. Dies geschieht jedoch langsamer, da die beispielhaften +1V vom Eingang den Entladevorgang des Kondensators verlangsamen. Dadurch dauert es länger, bis der Kondensator den Spannungswert erreicht, der vom Schmitt Trigger benötigt wird, dass dieser seinen Ausgangszustand wieder ändert. Durch dieses Zusammenspiel entstehen am Ausgang wieder längere Pulse, was mehr Leistung bedeutet. So entsteht dann die gewohnte Amplitudenmodulation. Da das IC CD4093 jedoch invertierte Ausgänge besitzt ist dieser Vorgang bei diesem Schmitt Trigger genau andersrum.
Konkret funktioniert die Generierung der Amplitudenmodulation in unserem miniatur Sender wie folgt:
Für die Erzeugung einer Amplitudenmodulation sind nun hauptsächlich C8,C6,C9 sowie R4, R5 zuständig. Wir haben den Schleiffer des Potis P1 nun so eingestellt, das an C7 Rechteckimpulse - mit relativ kurzer Einschaltdauer vorhanden sind. Der Kondensator C9 besitzt hier die Aufgabe, die über R4 kommende Hochfrequenz von der Tonquelle abzuschirmen, in dem C9 sie gegen Masse kurzschliesst. Nun wird über C8 und R5 ein Tonsignal eingespeist. Ein Tonsignal besteht aus Wechselspannung, also einer Spannung, die (bezogen auf Masse) sowohl eine positve, als auch negative Halbwelle besitzt. Liegt gerade eine positive Halbwelle an (welche dann über R4,R5 sowie C8 zum Schleifferkontakt des Potentiometers P1 weitergeleitet wird) unterstützt diese Halbwelle die "Ladegeschwindigkeit" des Kondensators C6 - dieser is somit schneller auf die Spannung geladen, welche notwendig ist, um den 3. Schmitt Trigger zu triggern. Dadurch verringert sich die Einschaltdauer des 3. Schmitt Triggers und am Ausgang entstehen kürzere Impulse - welche weniger Leistung bedeuten. Andersrum ist es genau das selbe. Liegt eine negative Halbwelle am Toneingang an arbeitet diese sozusagen entgegen der "Ladespannung" des Kondensators C6. Dadurch schaltet der 3. Schmitt Trigger erst später aus, und früher wieder ein - wodurch längere Impulse entstehen welche wiederrum mehr Leistung bedeuten. Durch die Veränderung der Impulslängen entsteht also ein Signal mit Amplitudenmodulation, welches im Radio wie ein normaler Radiosender empfangen und wiedergegeben werden kann.
Anschluss einer Antenne an den Sender
Nun soll das Signal unseres Senders aber auch drahtlos auf einen Radio gesendet werden. Hierfür wird - um die gesetzlichen Vorgaben einzuhalten - keine Drahtantenne verwendet, welche das Signal kappazitiv ausstrahlt, sondern, eine induktive Antenne. Die für die Abstrahlung der Sendeenergie zuständige Antenne besteht also aus der Spule L1 - einer Festinduktivität. Da der 3. Schmitt Trigger an seinem Ausgang ein Rechtecksignal liefert, und dieses sehr oberwellenbehaftet ist, müssen wir vor unsere Antenne noch einen Oberwellenfilter schalten.
Entwicklung des Oberwellenfilters für den miniatur Sender
Wie im weiter oben bereits gezeigtem Schaltplan erkennbar ist, besteht unsere Antenne aus der Spule L1. Parallel zu unserer Antenne ist jedoch der Kondensator C10. Hier wurde ein Schaltungsprinzip gleich doppelt ausgenutzt. Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen Schwingkreis, welcher umgefähr (genau genug) so abgeglichen wurde, das er auf unserer Wunschfrequenz nahe der Resonanz ist.
Um das Prinzip der Resonanz besser zu verstehen, betrachten wir folgendes Bild:
In diesem Schaubild ist das Prinzip der Resonanz beschrieben. In Abbildung 1 ist der Schwingkreis abgebildet, so wie er bei unserem miniatur Mittelwellensender zu finden ist. Die Resonanzfrequenz liegt hier in etwa zwischen 700 und 750Khz. Wie man aus dem Diagramm und der Grafik Feldstärke/Frequenz entnehmen kann, ist bei der Resonanzfrequenz der höchste Pegel erreicht. Dadurch besitzt der Schwingkreis auf der Resonanzfrequenz einen hohen Widerstand, und somit entsteht am Schwingkreis eine hohe Spannung - was in unserem Fall zu erhöhter Feldstärke in Spulennähe führt. Auf anderen Frequenzen ist dieser Schwingkreis bestehend aus L1 und C10 nicht auf Resonanz, und besitzt somit für die anderen Frequenzen einen niedrigen Widerstand. Dadurch entsteht keine hohe Spannung, und somit auch keine hohe Feldstärke. Durch dieses Wissen wird dieser Schwingkreis doppelt ausgenutzt. Zum einen entsteht durch den Betrieb nahe der Resonanzfrequenz ein relativ starkes (...verältnissmäsig) elektrisches Feld in der Nähe der Spule L1 - und weiterhin - werden durch dieses Schaltungsverfahren die unerwünschten Oberwellen herausgefiltert.
In den Abbildungen 2 und 3 ist noch dargestellt, das durch verändern des Wertes des Kondensators (alternativ auch der Spule) die Resonanzfrequenz geändert werden kann. Wird der Kondensator vergrößert, bei gleichbleibendem Wert der Spule, sinkt die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Andersrum ist es das gleiche. Eine Reduzierung der Kapazität des Schwingkreiskondensators bei gleichbleibender Induktivität der Spule verschiebt die Resonanzfrequenz des Schwingkreises nach oben. Der 2,2pF Kondensator C7, der das HF Signal vom Ausgang des 3. Schmitt Triggers auf unseren Schwingkreis (L1, C10) koppelt, stellt für die tiefen Mittelwellen Frequenzen einen sehr hohen Widerstand dar. Der Kondensator wurde bewusst so gewählt - so wird die Sendeleistung gering gehalten und der Schwingkreis besitzt bessere Filtereigenschaften, da er nur ein sehr schwaches HF-Signal über den 2,2pF Kondensator C7 erhält. Dadurch wirkt der Resonanz Effekt viel stärker, und die Oberwellen sind besser unterdrückt.
Testtongenerator mit dem 4. Schmitt Trigger des CD4093 und Komplettierung der Schaltung
Nachdem nun alle Aufgaben verteilt sind, bleibt noch ein Schmitt Trigger des CD4093 IC´s unbenutzt. Man könnte diesen jetzt als Ausgangsverstärker benutzen, dadurch könnte man größere Sendeleistungen entnehmen und die Reichweite des Senders deutlich steigern. Da die erlaubte, abgestrahlte Leistung aber nur sehr gering sein darf, ist dies mit dem Hintergedanken, den Sender lizenzfrei zu betreiben jedoch keine gute Idee. Also wurde hier ein einfacher Tongenerator gebaut. Dieser funktioniert wie der Oszillator, welcher bereits oben beschrieben wurde. Allerdings hatte der Author bei dem Sender das Problem, das der ca. 800Hz Testton auch leise aus dem Radio zu hören war, wenn der Ausgang des Tongenerators nicht mit dem NF Eingang des Modulators verbunden war. Deshalb wurde ein "Jumper" "JMP2" eingebaut, um den Tongenerator erst bei Bedarf einzuschalten. Der Eingang des 4. Schmitt Triggers, von welchem der 100nF Kondensator auf Masse geht, wurde desweiteren über einen 1Mega-Ohm Widerstand auf Masse gelegt, sodass der 4. Schmitt Trigger auch im nicht als Tongenerator verwendetem Zustand einen definierten Zustand hat. Der Tongenerator erzeugt aufgrund seiner Schaltung ein Rechtecksignal. Um den Klang dieses Signals weicher zu machen, wurde ein Tiefpass bestehend aus R8 und C12 dazugebaut. Am Ausgang dieses Tiefpassess liegt dann ein weich klingender ca. 800Hz Testton an, der durch die entsprechende Jumperstellung des Jumpers " JMP1" als Testton auf die vom Sender erzeugte Trägerfrequenz aufmoduliert werden kann.
Weiterhin wurde noch der Kondensator C11 sowie die beiden 10k Widerstände R10 und R11 hinzugefügt. Da der Eingang des Senders recht hochohmig ist, und somit vor allem tiefe Frequenzen sehr stark übertragen werden, wurde der Kondensator C11 eingebaut. Dieser hat durch seine geringe Kapazität den Effekt, in Zusammenarbeit mit dem relativ hochohmigem Eingang des Modulators, ein relativ neutrales Klangbild zu generieren. Die beiden Widerstände R10 + R11 legen das Stereosignal der Audioquelle zusammen. Dadurch entsteht aus dem Stereosignal ein Monosignal, und im Radio sind dann beide Audiokanäle - zusammengelegt - zu hören. Man sieht jetzt im oben gezeigten Schaltplan auch die Jumper "JMP1, JMP2, JMP3" mit welchen die verschiedenen Funktionen des Senders umgeschalten werden können.
Anmerkungen und Kommentare des Authors zur Entwicklung und Verwendung des Senders
Der Sender wurde in mehreren Schritten entwickelt. Die Entwicklung des Senders fand unter Beachtung HF technischer Kriterien auf dem Steckboard statt. Zuerst wurde der Oszillator entwickelt, und so abgeglichen, das er im unteren Mittelwellenband schwingt. Anschliessend wurde der Buffer entworfen und auf seine korrekte Funktion getestet. Beim PWM Modulator wurde das Konzept der PWM Modulation geplant, und in mehreren Entwicklungsschritten entwickelt und stetig verbessert. Die Signalformen, die im Artikel beschrieben werden, wurden mit dem Oszilloskop überprüft. Die Reichweite wurde mit einem besseren Weltempfänger ermittelt.
Mögliche Verbesserungen zum Modulator
Der Schwingkreis L1, C10 ist über den Frequenzbereich des Senders den der Author messtechnisch auf ca. 720...830Khz definiert (bei dem vom Author gebauten Sender ergaben sich diese Werte) nicht immer genau auf Resonanz. Wer also die Reichweite und Oberwelleunterdrückung dieses Senders noch verbessern möchte, kann den 330pF Kondensator ausbauen, und durch einen Drehkondensator mit 50-500pF ersetzen. So kann der genaue Resonanzpunkt des Schwingkreises eingestellt werden, was nochmal zu einer Reichweitenverbesserung führt, und die Oberwellen wirklich gut rausfiltert. Allerdings befand der Author in mehreren Praxistests die Reichweite und die Oberwelleunterdrückung mit dem eingebauten 330pF Kondensator für absolut passabel.
Wer über eine entsprechende Amateurfunklizenz verfügt, kann durch umdimensionieren der Bauelemente den Sender auch als 160m Prüfsender verwenden. Die Ausgangsleistung dürfte im 1-stelligen mW Bereich liegen. Der Prüftongenerator kann dann auch entfernt werden, und der 4. Schmitt Trigger als Ausgangstreiber verwendet werden.
Verwendung des miniatur Mittelwellensenders an Elektronikbaukästen
Manche Elektronikbaukästen, in denen man einen Mittelwellenempfänger bauen kann, verfügen manchmal nicht über eine Ferrit Antenne. Hier wird oft an einem Schwingkreis eine Erdung und ein oft 6m langer Antennendraht angeschlossen. Da der miniatur Mittelwellensender das Signal, um den Vorschriften gerecht zu werden, induktiv abstrahlt, kann dieser nicht, oder nur sehr schlecht mit diesen Baukasten Empfängern empfangen werden. Hierfür gibt es eine leichte Lösung. Eine (fest-) Induktivität von 15µH wird parallel zu den Anschlüssen "Erde" und "Antenne" der Schwingkreisspule geschalten. Der miniatur Mittelwellensender wird dann in der Nähe der 15µH Spule platziert. Reichweiten von 1,5-2cm haben sich hier (je nach Empfängerschaltung - getestet wurde ein einfacher Detektorempfänger) als brauchbar erwiesen.
Messen der Feldstärken im Bezug auf lizenzfreie Benutzung des Senders
Die für das Mittelwellenband freigegebene magnetische Feldstärke beträgt -15dbµA/m in einer Distanz von 10m. Leider ist diese Feldstärke ohne entsprechendes, aufwändiges und teueres Messequippment nach Informationen des Authors nicht wirklich mit standard Messmitteln wie z.B. einem Oszilloskop ohne entsprechende Zusatzgeräte oder Sonden zu messen. Der Author orientierte sich bei dem Design des miniatur Mittelwellensenders an diversen elektronischen Geräten die eine Zulassung bzw. eine Zertifizierung bezüglich Funk/Störstrahlung besitzen, und welche über irgendeine Art von Schaltwandler/Schaltnetzteil verfügen. Anhand der Oberwellen, die die Geräte erzeugen, wurde dann mit dem gleichen Weltempfänger, welcher für den Empfang und den Abgleich der Sendereichweite verwendet wurde, ein Reichweitentest durchgeführt und getestet wie weit die Störstrahlung der Geräte im Mittelwellenband empfangbar war. In den meisten Fällen war die Reichweite der Störstrahlung der Geräte um ein vielfaches größer, als die Sendereichweite des miniatur Mittelwellensenders. Daher wurde der Sender auf die sehr geringe Reichweite von 2-20cm begrenzt - somit kann indirekt angenommen werden das die Sendeleistung des Senders garantiert unter die Maximalwerte der zugelassenen Feldstärken fällt.
(Hinweis der Redaktion: Wenn man eine Drahtschleife mit r = 1 m und einer Windung (also Durchmesser 2 m) verwendet und den HF-Strom auf 0,3 mA begrenzt, dann ist die magnetische Feldstärke im Abstand 10 m nicht größer als -15 dBµA/m. Je kleiner die Drahtschleife, desto schneller nimmt die Feldstärke in der Entfernung ab. Mit einer Festinduktivität wie im vorliegenden Beitrag ist man auf der sicheren Seite und hält die Grenzwerte leicht ein. Bereits im Abstand vom einem Meter ist das Signal in einem Radio nicht mehr zu hören.)
Bilder zu miniatur Mittelwellensender:
Platine des Modulators
Komplettfoto Modulatorplatine
Übertragung auf Kosmos Mittelwellenradio
Übertragung auf Kosmos Mittelwellenradio X1000
Übertragung auf Kosmos Mittelwellenradio XN1000
Bilder von Messungen mit dem Oszilloskop am Sender:
Die Signale haben wie man an der Spannungsanzeige lesen kann zum Teil sehr geringe Werte. Das liegt daran, das für die Messung - um die Testpunkte so wenig wie möglich zu belasten - der Tastkopf des Oszilloskopes bei manchen Messungen auf 1:10 geschalten wurde.
Signale an verschiedenen Punkten der Schaltung
Die Signale des Buffers / Oszillators wurden nicht fotographiert, da sie in etwa gleich aussehen (Rechtecksignal).
Signal am Kondensator "C6" gemessen gegen Masse
Signal am Tongenerator (Ausgang 4. Schmitt Trigger)
Signal am Ausgang des Tiefpasses R8 + C12
Pulsweitenmodulation
Signal am Ausgang des 3. Schmitt Triggers ohne Spannung am Modulatoreingang
Signal am Ausgang des 3. Schmitt Triggers mit positiver (im Bezug auf Masse) Spannung am Eingang des Modulators
Signal am Ausgang des 3. Schmitt Triggers mit negativer (im Bezug auf Masse) Spannung am Eingang
