Ringmodulator

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Ein Ringmodulator, auch als Ringmischer, Produktmodulator oder Balance-Modulator bekannt, ist eine elektronische Schaltung, die als symmetrischer Mischer in Überlagerungsempfängern und zur Amplitudenmodulation verwendet wird. Zwei eingehende Wechselspannungen ux und uy werden miteinander multipliziert und man erhält am Ausgang die Spannung ua:

Ringmodulator mit Bandpass am Ausgang
u_\mathrm {a} = u_\mathrm {x} \cdot u_\mathrm{y}

Vier möglichst ähnliche Halbleiter- oder Röhrendioden sind als Diodenquartett in einem Ring angeordnet (siehe Schaltbild). Im Unterschied zur Gleichrichterbrückenschaltung sind alle Dioden in gleichem Umlaufsinn orientiert.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Signale am Ringmodulator bei Ansteuerung mit Rechteckspannung

Wenn für das Signal uy ein Rechteck mit großer Amplitude gegenüber ux gewählt wird, ergibt sich eine deutlich einfachere Betrachtung. Die Spannung von uy legt fest, welche Dioden leiten. Hierbei gilt im Normalbetrieb, dass {\hat u}_\mathrm{y} \gg {\hat u}_\mathrm{x} > {\hat u}_\mathrm{a}.

Bei einem Übertrager mit Mittelanzapfung und einem Übertragungsverhältnis von 1:1 (d.h. L1=L2a+2b und L4=L3a+3b) gilt hierbei:

Bedingung Ergebnis
U_\mathrm {y} \ge {2 \cdot U_F} V1 und V2 leiten
{-2 \cdot U_\mathrm{F}} < U_\mathrm{y} < {2 \cdot U_\mathrm{F}} keine Diode leitet
U_\mathrm{y} < {-2 \cdot U_\mathrm{F}} V3 und V4 leiten

Wobei UF die Durchlassspannung (englisch: forward-voltage) der Dioden ist. Da Schottky-Dioden im Gegensatz zu pn-Dioden eine mit U_\mathrm{F} \approx 0{,}3 \, {\rm V} geringere Durchlassspannung besitzen, werden immer Schottky-Dioden verwendet.

Ströme im Ringmodulator
Innerer Aufbau des Ringmodulators ADE-1.

Weisen die Spannung uy und der Strom iy einen positiven Wert auf, fließt über die Mittelanzapfung von T1/2 zugleichen Teilen ein Strom über die Wicklungen L2a und L2b, so dass die Dioden V1 und V2 leiten. Danach gelangt der Strom zu T3/4, bei er über die Mittelanzapfung gegen Masse abfließt. Sowohl bei T1/2 als auch bei T3/4 wird keine Spannung induziert, da die Ströme in entgegengesetzte Richtung fließen und die damit verbundenen Magnetfelder sich neutralisieren.

i_{L\mathrm{3a}} = i_{L\mathrm{2a}} = -\frac{1}{2} \, i_y
i_{L\mathrm{3b}} = i_{L\mathrm{2b}} = \frac{1}{2} \, i_y
i_{L\mathrm{3a}} = - i_{L\mathrm{3b}}\,

Nun wird über die Wicklung L1 von T1/2 ein Strom ix eingespeist. Damit gilt:

i_{L\mathrm{3a}} =  i_{L\mathrm{2a}} = \frac{1}{2} \, i_y + i_\mathrm{x}
i_{L\mathrm{3b}} =  i_{L\mathrm{2b}} = -\frac{1}{2} \, i_y + i_\mathrm{x}

Durch Gegenüberstellung der Ströme ergibt sich neben dem Gegentaktsignal auch ein Gleichtaktanteil (GL).

i_{L\mathrm{3GL}} = \frac{i_{L\mathrm{3a}} + i_{L\mathrm{3b}}}{2} = i_\mathrm{x}

Da die Überlagerung der Ströme in den beiden Wicklungshälften von T3/4 eine Wert ungleich null ergibt, fließt auf der Ausgangsseite L4 ebenfalls Strom ia und eine Spannung wird induziert.

i_\mathrm{a} = i_\mathrm{x}\,
Funktionsschaltbild eines Ringmodulators mit Bandpass am Ausgang

Nun wechselt die Rechteckspannung uy ihre Polarität (iy ebenfalls), dann leiten die Dioden V3 und V4. Nach den Rechenschritten analog der vorangegangenen Analyse ergibt sich:

i_\mathrm{a} = - \, i_\mathrm{x}

Somit findet bei Rechteckspannung eine einfache Form der Multiplikation statt:

i_\mathrm{a} = \sgn {\left(u_\mathrm{y} \right)} \, i_\mathrm{x}

Man unterscheidet bei Mischern grundsätzlich zwischen Aufwärts- und Abwärtsmischern. Beim Aufwärtsmischer wird am Eingang ein ZF-Signal sZF zugeführt und mit dem Lokaloszillatorsignal sLO multipliziert. Beim Abwärtsmischer wird am Eingang ein HF-Signal sHF und mit dem Lokaloszillatorsignal sLO multipliziert.

Ringmodulator als Aufwärtsmischer[Bearbeiten]

Ein Ringmodulator als Aufwärtsmischer

Die rechts dargestellte Schaltung erzeugt an der Sekundärwicklung von TZF ein sogenanntes Doppel-Seitenband-Signal UZF, das beide Seitenbänder des modulierten Trägers enthält, jedoch nicht diesen selbst. Daraus lässt sich mit Hilfe eines trennscharfen Filters ein SSB-Signal herstellen.

Ringmodulator als Abwärtsmischer[Bearbeiten]

Beim Abwärtsmischer (englisch: downconverter) wird das Eingangssignal UHF mit der Frequenz fHF mit Hilfe der Lokaloszillatorspannung ULO mit der Frequenz fLO auf die Spannung UZF mit der sog. Zwischenfrequenz fZF gewandelt. Hierbei gilt:

f_\mathrm{ZF} = \left| f_\mathrm{HF} - f_\mathrm{LO} \right|

Das Ausgangssignal wird mit Hilfe eines RLC-Bandpasses am Ausgang von unerwünschten Frequenzanteilen befreit, die bei der Umwandlung entstehen.

Anwendungen[Bearbeiten]

Innenschaltung einer Gilbertzelle als Ersatz eines Ringmischers

In früheren Jahrzehnten wurden Ringmodulatoren auch gelegentlich dazu verwendet, um eine Gleichspannung in eine ihr proportionale Wechselspannung umzuwandeln, die man besser mit exakt definiertem Faktor verstärken kann, weil Wechselstromverstärker keine Nullpunktsdrift haben (siehe Chopper-Verstärker). Eine solche Anordnung kam zum Beispiel bei der Steuerung der Fernrakete V2 zum Einsatz.

Für die meisten Anwendungszwecke ist die Ringmodulatorschaltung seit langem obsolet, da man mit integrierten Schaltungen schon seit etwa 1960 hervorragende analoge Multiplizierer oder Mischer mit niedriger Verzerrung und guter Unterdrückung der Eingangssignale herstellen kann. Obwohl also meist kein Diodenring und auch keine Transformatoren mehr verwendet werden, wird an der alten Bezeichnung festgehalten. Ringmodulatoren sind wichtige Werkzeuge der Elektronischen Musik. Im Gegensatz zu den anderen Anwendungen liegen dabei Träger und Modulator im selben Frequenzbereich, so dass beim unteren Seitenband negative Frequenzen auftreten können. "Ringmodulatoren" werden später oft in elektronischen Musikinstrumenten, besonders in Synthesizern, eingesetzt. Aufgrund der nichtharmonischen Obertoncharakteristik kann man aus einfachen Signalen durch Ringmodulation beispielsweise glockenähnliche Klänge erzeugen.

Schottkydioden-Ringmischer SBL-1 und ADE-1 für einen Oszillatorpegel von +7 dBm und fin=1-500 MHz beziehungsweise 0,5-500 Mhz mit maximal 50 mW.

Im Amateurfunk werden heute noch Ringmodulatoren als sogenannte High-Level-Mischer mit LO-Pegeln von +7 dBm (1,41 Vss) bis +23 dBm (8,91 Vss) in großsignalfesten Empfängern und Transceivern eingesetzt. Bekannte Beispiele von High-Level-Mischern sind die Typen SBL-1(H), IE-500 oder TUF-1(H).

Ansonsten finden Ringmodulatoren nur noch selten Einsatz in der Funktechnik und wurden durch andere Schaltungen verdrängt. Im Besonderen sei dabei die Gilbertzelle erwähnt, der einen kostengünstigeren und dennoch hochwertigen Mischer darstellt. Als direkter Nachfolger kann der passive FET-Mischer verstanden werden, der durch bessere Kenndaten[1] überzeugt.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Skript zum Thema Mischer (PDF)

Weblinks[Bearbeiten]

Datenblatt SBL-1 (PDF; 280 kB)

 Commons: Ring modulation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Commons: Ring modulator (effect unit) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien