Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender

Je leest het goed. Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender is mogelijk zonder dat je aan de zender hoeft te sleutelen.

Zelfs zonder aan je zender te sleutelen?

Ja, en hoe dat kan, ga er even voor zitten en lees mee.

Om de materie goed te begrijpen staan we even stil bij Amplitude Modulatie zoals we dat bijvoorbeeld op de Oude bekende Middengolf toepassen.

Natuurlijk gaat het dan over buizen techniek maar de vermogens verdubbeling techniek kun je ook eenvoudig realiseren bij een zender opgebouwd met solid-state apparatuur (transistor en IC techniek).

Weliswaar is onder Radio Amateurs het enthousiasme voor FM en SSB groot. Maar onder zelfbouwers is amplitude modulatie nog steeds actueel. En de mogelijkheid die er nu is om zelf een lokale Midden Golf Zender (is AM) te exploiteren versterkt die actualiteit.

Amplitude Modulatie leeft.

Bovendien, de techniek die we gaan toepassen is ook bij SSB zenders bruikbaar.

Vanuit een aantal vragen die collega radio amateurs mij voorleggen is het duidelijk dat Amplitude modulatie in Class C vaak niet honderd procent wordt begrepen. Daarom hierbij een praktische toelichting.

Voor begrip van de oplossing voor een groter bereik met je LPAM zender is die praktische toelichting van belang.

AM Modulatie Class A en Class C

In principe komen we twee modulatie technieken tegen. Class A modulatie of low power modulatie moduleert de draaggolf volgens de linkse grafiek in figuur A. Het voordeel van Class A modulatie is dat bij deze techniek relatief weinig audio vermogen nodig is. Het nadeel is dat er wel veel RF vermogen nodig is.

Je ziet dat het audio signaal het hoogfrequent RF signaal in amplitude moduleert naar de vorm van het audio signaal.

Een nadeel is ook dat je minder rendement uit je eindbuis haalt (zie figuur A).

Bij class C modulatie wordt de radio golf, de draaggolf, ook door het audio signaal gemoduleerd maar je ziet dat het radio frequente signaal nu niet alleen wordt gemoduleerd met het audio signaal. Het RF signaal wordt nu ook versterkt.

Het voordeel hiervan is dat je nu meer rendement uit je eindbuis haalt en dat er een sterker signaal in je antenne terecht komt. Maar daarvoor is wel een veel sterker audio signaal naar de modulator nodig. Overigens is dit fenomeen algemeen bekend en niet het oogmerk van dit artikel.

Wat je in beide grafieken ziet is een antennesignaal dat 100% gemoduleerd wordt. Dat wil zeggen dat het radio signaal dat de antenne bereikt heen en weer gaat tussen nul spanning en de maximale (piek) spanning.

In de praktijk is dat geen reële voorstelling van zaken.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Waarom niet?

Eenvoudig omdat het geluid dat wij produceren met onze stem of met muziekinstrumenten een sterk wisselende amplitude kent. Zelfs als we eentonig op ogenschijnlijk hetzelfde niveau spreken vinden er sterke wisselingen van amplitude in het audio signaal plaats.

Hier een afbeelding van geluidsgolven en hun grafische weergave (figuur B).

Je ziet dat dat als je dit audio signaal op een draaggolf projecteert de modulatiediepte fors wisselt. Onderstaande afbeelding, figuur C, geeft dat weer.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Je ziet dat het audio signaal zo sterk is dat op de pieken van dat signaal 100% modulatie wordt bereikt of daar op enkele momenten zelfs overheen gaat.

Wat je ook ziet is dat de gemiddelde modulatiediepte nauwelijks boven de 50% uit komt!

Hou dat beeld even vast.

Als je het volume van de audio boven 100% modulatie opvoert gaan pieken van de audio ver boven de 100% uitkomen. Dat veroorzaakt sterke vervorming. Het volgende plaatje maakt dat vereenvoudigd zichtbaar (figuur D).

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Het eenvoudige principe van AM modulatie in Class C

Er zijn verschillende manieren om AM modulatie in Class C te realiseren. De eenvoudigste en de methode met het meeste rendement is Anode Modulatie. Figuur 1 toont een eenvoudig schema.

Het stuurrooster van de buis staat ingesteld met een negatieve spanning van 2 tot 4 maal de afknijpspanning van de buis. (Afknijp spanning is de spanning op het rooster waarbij in de buis geen stroom meer loopt).  Die negatieve spanning kan verkregen worden uit een externe voedingsbron. In dit eenvoudige schema maakt de buis zelf die negatieve spanning.

De positieve pieken in het RF signaal die het rooster bereiken veroorzaken dat de kathode elektronen naar dit rooster stuurt. Die elektronen worden via de weerstand R1 weer afgevoerd naar massa (aarde). Over die weerstand blijft nu een spanning staan die ten opzichte van de kathode negatief is aan de roosterkant. Condensator C1 houdt die spanning vast.

De hoogte van die negatieve spanning is afhankelijk van de RF spanning die de voorgaande buffertrap aanreikt. Die buffertrap moet dus zorgen voor voldoende RF spanning naar het rooster van de zendbuis zodat deze op het niveau van bijvoorbeeld 3 maal de afknijpspanning kan komen.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Audio toevoegen, moduleren

Je ziet in figuur 1 dat het audiosignaal in serie is geschakeld met de gelijkstroom hoogspanning en de Rf spoel die met de anode is verbonden.

Die audio transformator zal dus afwisselend de beschikbare spanning voor de anode ophogen of verlagen. Je ziet dat uitgebeeld in figuur 2.

Kortom, als het audiosignaal van voldoende spanning (amplitude) aanbiedt kan de anodespanning dus gaan wisselen tussen nul Volt en tweemaal de gelijkspanning (HS, hoogspanning).

Als deze conditie wordt gerealiseerd is er sprake van 100% modulatie van de draaggolf, het RF signaal). Met andere woorden, de piekspanning die de audio transformator aan de hoogspanning aanbiedt is gelijk aan die hoogspanning.

Wat we hier in figuur 2 waarnemen is nog geen draaggolf zoals we die aan de antenne waarnemen. Om van het signaal in figuur 2 een gemoduleerde draaggolf te maken, een signaal dat we de antenne in kunnen sturen is eerst nog een afstemkring of PI filter nodig.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

In figuur 3 zie je een sterke uitvergrote weergave van de ongemoduleerde RF piekspanningen die aan de anode optreden.   

De golfvorm van figuur 4 is wat je in de antenne kunt zien. Die Golfvorm ontstaat door resonanties (het heen en weer slingeren van de stroom) die de piekspanningen afkomstig van de anode in de afstemkring of het PI filter opwekken (figuur 4).

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Nu hebben we gezien dat je voor 100% modulatie een audio spanning nodig hebt waarvan de pieken gelijk zijn aan de HS, de anode gelijkspanning, de voedingsspanning.

Maar hoeveel Audio vermogen heb je nu nodig? Daar wordt op Internet heel verschillende waardes voor gegeven van 1/3 tot 1/2 tot 1/1 deel van het RF vermogen.  Wat is waar?

Hoe veel Audio vermogen nodig voor 100% modulatie

We zagen in figuur 1 dat er een stroommeter, een ampèremeter in het anode circuit zit. Laten we nu eens aannemen dat de hoogspanning 310V is en dat de stroommeter zonder modulatie 50 mA aangeeft. De RF frequentie is 1 MHz.

Het voedingsvermogen is dan 0,050A * 310V = 15,5 Watt.

Stel nu dat de anodespanning boven de audio trafo 300V is dan is de anode spanning ook 300V aangezien de RF smoorspoel voor gelijkstroom een zeer lage weerstand bezit.

Die HF smoorspoel wordt nu geconfronteerd met 1000 stroompieken per 1000 µSec (1 miljoen per seconde).

Nu hebben we aan de anode een RF vermogen beschikbaar van 50 mA * 300V is 15 Watt.

De ampère meter in het circuit kan die hoge frequentie niet volgen en de meting zal er uit zien alsof er een constante stroom door het circuit loopt van 50 mA.

De audio transformator zou normaliter een zeer hoge weerstand voor deze hoogfrequente stroom bezitten. Maar condensator C2 in figuur 1 maakt van deze pulserende stroom een constante gelijkstroom.

Laten we nu aannemen dat de audio ingang een toon van 1000Hz op de trafo brengt en dat de secundaire wisselspanning op die trafo nu 300V is.  

Figuur 5 geeft die situatie van het gemoduleerde signaal nog eens in detail weer.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Vermogens ontwikkeling

Tot nu toe hebben we gekeken naar spanningen en de tijdlijn. Late we eens kijken naar de vermogens ontwikkeling in een class C eindtrap. Figuur 6 helpt daarbij.

Wat we zien is dat de piek van het uitgangsvermogen door de modulatie is verviervoudigt!

Figuur 6 laat zien dat het piekvermogen vier keer het ongemoduleerde vermogen is. Dit konden we natuurlijk weten. Als de anode spanning verdubbelt mogen we er van uit gaan dat de stroom ook verdubbelt. Spanning 2 * en stroom 2* = vermogen 2*2 is 4 maal zo hoog.

Maar,

Wat opvalt in figuur 7 is dat de energie die de audio bron levert slechts in ongeveer 50% van de tijd beschikbaar hoeft te zijn.  De blauw gearceerde ruimte en de ruimte binnen de sinusvorm hebben even veel oppervlakte. Met andere woorden, de sinusvorm levert maar 50% van de tijd energie.

Dit gegeven leidt bij veel amateurs tot de conclusie dat slechts 50% van de RF energie als audio energie toegevoegd moet worden. Met andere woorden bij 15 Watt RF vermogen moet 7,5 Watt audio toegevoegd worden.

IN de praktijk hebben audio signalen niet zo’n fraaie sinusvorm. Audio signalen zijn in de praktijk vaak smaller en puntiger. Dat maakt de blauw gearceerde zone groter wordt en de te leveren audio energie kan daardoor nog minder zijn dan 50%.

Helaas,

In de praktijk valt dat laatste tegen.

Dat het gemoduleerde signaal een 4 maal groter vermogen dan de basis draaggolf levert is een flinterdunne theorie. Je ziet dat die draaggolf een compacte energie levert. Dat gemoduleerde piek signaal is maar voor en heel kort moment aanwezig.

Het grootste deel van de tijd is het geleverde vermogen een stuk lager! In een effectieve zender is ook minder dan 50% modulatie audio vermogen niet reëel. We gaan zien hoe dat komt.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Het audio signaal nader bekeken

Bijgaande afbeelding demonstreert nog eens hoe audio energie op de pieken slechts spaarzaam beschikbaar is.

Als je 100% modulatie daarom om vervorming te voorkomen moet afstemmen op die spaarzame signaal pieken levert dat slechts een laf signaal in je antenne op.

Een laf signaal wat bedoelen we daarmee?

Voor het antwoord op die vraag gaan we naar de zijbanden kijken.

Een gemoduleerd modulatiesignaal is in werkelijkheid complexer dan we in bovenstaande afbeeldingen lieten zien. Uit een modulator circuit komt namelijk een mix van signalen.

Laten we als voorbeeld nemen een draaggolf van 1 MHz en een audio signaal van 3000Hz worden gemoduleerd.

De mix van signalen die uit de modulator komt bestaat uit:

1. De draaggolf.

2. Een signaal met de frequentie van de draaggolf plus het audio signaal. Hier nu 1,003 MHz.

3. Een signaal met de frequentie van de draaggolf min het audio signaal: Hier nu 0,997 MHz.

Een milliseconde later is die draaggolf nog steeds 1 MHz. Dat blijf die draaggolf constant. Maar het audio signaal is dan bijvoorbeeld 400Hz.

Het spectrum wordt dan 1,0004 MHz plus 1 MHz plus 0,9996 MHz.

Als de audio zou bestaan uit een gelijktijdig signaal van 400, 1100 Hz en 3000 Hz, dan is het resultaat een mix van frequenties van 1MHz, 1,0004MHz, 1,0011MHz en 1,003MHz plus het spiegelbeeld van die laatste drie signalen in de onderband.

Het signaal met de frequentie van de draaggolf plus de audio noemen we de ‘boven zijband’ en het signaal met frequentie va de draaggolf min de audio noemen we de ‘onder zijband’.

Op de middengolf is de afspraak dat de zijbanden niet meer af mogen wijken van de draaggolf dan 4500 Hz (4,5kHz. In Amerika is dat 5kHz). Op de korte golf amateur banden hanteren we meestal 3 kHz.

Hierbij een afbeelding van dat AM modulatie spectrum. Merk op dat we tot nu toe in tekeningen een horizontale tijdlijn gebruikten. Nu gebruiken we een horizontale frequentielijn.

De afbeelding (figuur 8) laat ook zien dat het vermogen dat in de draaggolf zit aanzienlijk groter is dan het vermogen in de zijbanden.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Het vermogen van AM Radio Zenders en Peak Envelope Power

Het vermogen van AM Radio Zenders wordt meestal uitgedrukt met de term Peak Envelope Power.

Nu is die term enigszins verwarrend omdat er wordt gesproken over piek vermogen (Peak Power). En hiervoor zagen we dat bij Class C modulatie en 100% modulatiediepte er een piek vermogen ontstaat dat 4 maal zo hoog is als het vermogen van alleen maar de draaggolf.

Je zou denken dat dit vermogen de Peak Envelope Power is en veel amateurs denken dat ook. Op Internet kom je die misvatting veelvuldig tegen.

Maar bij zenders wordt net als overal in de elektriciteitsleer wisselstroom vermogen uitgedrukt in het effectieve vermogen, het vermogen dat gelijk is aan het vermogen dat een gelijkspanning van die waarde kan genereren.

Zo spreken we over onze netspanning van 220 of 230 Volt terwijl de piekspanningen hier 325Volt bedraagt.

Laten we voor een praktische toelichting ons kleine Middengolf Zendertje met EL84 als voorbeeld nemen.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Peak Envelope Power (PEP) in de Middengolf Zender met EL84

In een Class C gemoduleerd zendertje en in alle eenvoud is dit hier aan de orde, mag je er van uitgaan dat de draaggolf piek spanningen 100% overeenkomen met de aangelegde anode spanning.

Hier is de anode spanning 250V, de effectieve draaggolfspanning is dan 0,707 * 250 = 176V.

Het draaggolf vermogen is dus (P=U²/R) = 176 * 176 / 5000 (de load is 5000 ohm) = 6,2 Watt.

In dit zendertje is 100% modulatie praktisch onmogelijk. Waarschijnlijk is 50% haalbaar. Laten we beide opties even doorrekenen dan kunnen we zien wat de effecten zijn.

Honderd procent modulatie

Honderd procent modulatie betekent RF spanning plus Audio spanning zijn aan elkaar gelijk. Kortom de gemoduleerde piek komt uit op 176V RF plus 176V Audio is 352 Volt.

Het vermogen van de zender berekenen we met Pt_(otaal) = Pd_(raaggolf) (1 + (M_{(modulatie diepte)} *M)/2).  Meestal worden in deze formules de Amerikaanse termen gebruikt. Dus draaggolf is C_(arrier). Modulatie diepte bij 100% is 1. Modulatiediepte bij 50% is 0,5.

De formule is dus Pt= Pc(1+M²/2)    Pt= 6,2 (1+1²/2)     6,2 * 1,5 = 9,3 Watt PEP.

Vijftig procent modulatie

Pt = 6,2(1 + 0,5²/2)         6,2 * 1,125 = 6,975 Watt PEP.

Het resultaat in PEP vermogen is wat minder bij 50% modulatie maar valt niet eens erg tegen. Laten we eens kijken wat er in de zijbanden gebeurt want daar zit de Audio informatie die we in radio ontvangers willen krijgen.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

De informatie in de Zijbanden van dit Zendertje

We starten weer met een modulatie diepte van 1 (=100% modulatie)

Het vermogen in de zijbanden Ps_{(ide bands)} vinden we door het vermogen in de draaggolf (Pc) af te trekken van het totale vermogen (Pt)

Dus: Ps = Pt – Pc    9,3-6,2 =3,1 Watt.

We hebben twee zijbanden (upper en lower side band). Kortom het vermogen in één zijband is

3,1 / 2 = 1,55 Watt.

Vuistregels hierbij:

1. Vermogen in side bands is ½ van het draaggolf vermogen.
2. Vermogen van één zijband is ¼ van het draaggolf vermogen.
3. Van het totale vermogen (Pt) gaat 2/3 deel naar de draaggolf (pc) en 1/3 deel naar de zijbanden (Ps). Eén zijband krijgt dus 1/6 deel van het Pt

Modulatie diepte 0,5 (50%)

Bij 50 procent modulatie is het vermogen in de zijbanden slechts ¼ is 25 procent!

Ps = Pt-Pc        6.975 - 6,2 = 0,775 Watt

Eén zijband krijgt dus maar 0,775/2 = 0,3875 Watt vermogen.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

We zagen eerder al dat een gemiddelde modulatiediepte van 50% een heel reëel gegeven is. Bovenstaande afbeelding laat dit nog eens zien.

We weten nu dat bij 50% modulatie het vermogen in de zijbanden slechts ¼ is (25%) van het vermogen dat bij 100 % modulatie beschikbaar is!

Voor een duidelijk geluid uit onze ontvanger zijn die zijbanden van vitaal belang. Nu je weet hoe zwak die zijbanden zijn bij 50% modulatiediepte begrijp je ook wat ik eerder bedoelde met “een laf signaal”.

Pep en Side Band Vermogens bij Modulatie van 80%

Laten we de situatie in ons mini middengolf zendertje nog eens doorrekenen bij een modulatie van 80%.

Het totale vermogen wordt dan Pt= Pc(1+M²/2)

Pt= 6,2 (1+0,8²/2)          6,2 * 1,32 = 8,2 Watt PEP.

Het vermogen in een zijband wordt dan volgens de vuistregel 1/6*8,2 = 1,36 watt.

Bij 80% modulatie hebben we ruim 3 keer zoveel vermogen

in de zijbanden als bij 50% modulatie!

Tijd voor actie.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Hoe bereiken we gemiddeld 80% modulatie in onze LPAM zender?

Uit wat we tot nu toe gezien hebben is duidelijk dat voor het Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender niet het vermogen van je zender hoeft te verdubbelen. Slechts het vermogen in de zijbanden moet omhoog.

Hoe kunnen we eenvoudig de modulatiediepte te verbeteren zonder dat er sterke vervorming gaat optreden.

Het tover woord is compressie

Audio geluid zoals wij dat waarnemen bestaat in hoofdzaak uit twee componenten. De frequentie van geluiden en de dynamiek van geluiden.

De dynamiek is het spel van geluidsfragmenten die harder en zachter tot ons komen. Nu is al lang geleden vastgesteld dat we die dynamiek kunnen verminderen en dat daarmee ons gehoor het geluid nog steeds goed onderkent.

Zelfs is vastgesteld dat met minder dynamiek we makkelijker horen. Ons gehoor hoeft dan minder hard te werken. In TV en radio reclames wordt dit gebruikt door de dynamiek minimaal te maken. We nemen het geluid dan makkelijker op (en het lijkt alsof het geluid ‘harder’ is gezet).

Met compressie kunnen we de modulatiediepte verbeteren. Een plaatje maakt weer makkelijker zichtbaar hoe dit werkt (zie figuur E).

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

 In figuur F zie je hoe je met een gecomprimeerd signaal de modulatiediepte kunt verbeteren.

- Eenvoudig het Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender -

Hoe kun je een kwalitatieve compressie realiseren voor je LPAM zender?

Een optie hiervoor is de compressor na te bouwen die hier staat beschreven. Dit is een vereenvoudigde versie van de beroemde met buizen uitgeruste Fairchild compressor die door tal van beroemde bands, waaronder de Beatles in studio’s werd gebruikt.

Je hebt nu gezien dat het bereik je LPAM zender enorm kunt verbeteren zonder aan de zender te sleutelen. Het antennevermogen van de zijbanden met het audio signaal zelfs kan verdrievoudigen door de modulatiediepte te verbeteren. Het vervolg is aan jou.

Succes met die compressor en het toegenomen bereik van je zender 😆.
-
Koos Overbeeke

Terug van Effectieve Antenne Vermogen Verdubbelen in je LPAM Zender naar De Radio amateur LPAM