Gitterdemodulation

Die Gittergleichrichtung, die auch als Audiongleichrichtung oder als Gitterdemodulation bezeichnet wird, ist ein Demodulator für amplitudenmoduliertere (AM) Signale bei der eine Elektronenröhre mit drei Elektroden, welche als Triode bezeichnet wird, eingesetzt wird ^[1]. Sie wurde vor allem Mitte des 20. Jahrhunderts bei kostengünstigen Rundfunkempfangsgeräten wie dem Audion eingesetzt und besitzt heute als Röhrenschaltung kaum noch nennenswerte Anwendungsbereiche.

Die Gittergleichrichtung ist funktionell als Demodulator mit dem Hüllkurvendetektor verwandt. Die Gittergleichrichtung ist allerdings schaltungstechnisch unterschiedlich aufgebaut.

Funktionsbeschreibung

Schaltung der Gittergleichrichtung mit einer Triode.

Nebenstehende Schaltskizze zeigt eine Gittergleichrichtung mit einer Triode. Das amlitudenmodulierte Empfangsignal wird links über einen RC-Kombination dem Gitter der Triode zugeführt. Das demodulierte und verstärkte Basisbandsignal liegt am Widerstand R_a an, welcher beispielsweise ein Lautsprecher oder den Eingang einer weiteren Verstärkerstufe darstellen kann.

Die Besonderheit dieser Schaltung liegt darin, dass die Triode zwei Funktionen übernimmt:

1. Sie dient als Verstärker und verstärkt das schwache Signal vom Eingang auf ein Niveau, dass es beispielsweise über einen Lautsprecher wiedergegeben werden kann. Dabei wird die Eigenschaft der Elektronenröhre ausgenützt, dass das Gitter den Strom zwischen Kathode und Anode der Röhre steuert.
2. Das Steuergitter verhält sich zur beheizten Kathode der Röhre wie eine Röhrendiode. Dabei können sehr leicht negative Ladungsträger (Elektronen) von der Kathode zum Gitter gelangen, hingegen nicht in umkehrter Richtung. Dadurch tritt eine gleichrichtende Wirkung auf, welche zur Demodulation des amplitudenmodulierten Signals verwendet wird.

Ersatzschaltungen

Parallelgleichrichtung zur AM-Demodulation, Ersatzschaltung der Gittergleichrichtung

Seriengleichrichtung zur AM-Demodulation

Grundsätzlich kann die nicht kohärente AM-Demodulation bei nicht unterdrückten Träger schaltungstechnisch mit geringen Aufwand durch eine Gleichrichtung und anschließende Tiefpassfilterung erreicht werden. Die Gleichrichtung des empfangenen Eingangssignals kann auf zwei Arten erfolgen: ^[2]

1. Als Parallelgleichrichtung, wie bei der Gittergleichrichtung, und wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Das AM-Eingangsignal wird links zugeführt, das demodulierte Nutzsignal kann rechts abgegriffen werden. Die Wirkungsweise besteht in einer Klemmung des Eingangssignalverlaufes mit nicht passender Polarität, während Signalanteile mit umgekehrter Polarität fast ungehindert an den rechten Ausgang gelangen können. Die Diode stellt dabei den Gitter- und den Kathodenanschluss der Triode als funktionell vereinfachte Ersatzschaltung dar um die Funktion zu verdeutlichen.
2. Als Seriengleichrichtung, wie bei dem Hüllkurvendetektor, und in nebenstehender zweiter Abbildung dargestellt. Dabei werden Eingangssignale nicht passender Palarität blockiert und nicht an den Ausgang durchgeleitet.

Bei beiden Schaltungen dient eine Kombination aus einem Widerstand R und Kondensator C dazu, einen Tiefpass 1. Ordnung mit der 3 dB Grenzfrequenz von f = (2πRC)^-1 darzustellen, und hochfrequente Trägeranteile am Ausgang zu unterdrücken. Dieser Tiefpass wird bei der Gittergleichrichtung auch als Gitterkombination bezeichnet und die Dimensionierung der beiden Bauelemente richtet sich nach der zu übertragenen Basisbandbreite, mit der maximalen Frequenzkomponente f_max, und den verwendeten Modulationsgrad m. In Praxis wird das Produkt aus R und C etwas kleiner als:

$RC=\tau < \frac{1}{2 \pi m f_{max}}$

gewählt. So darf τ beispielsweise bei AM-Rundfunkübertragungen mit f_max = 4 kHz und m = 50 % den Wert von 80 us nicht überschreiten, was bei einem Widerstandswert von R = 100 kΩ einen Kondensator von rund C = 0,8 nF bedingt.

Signalverlauf

Amplitudenmoduliertes Signal (schwarzer Verlauf) und Hüllkurve (roter Verlauf)

Trägersignal (blau) und demoduliertes Signal mit Restwelligkeit

Nebenstehendes Bild zeigt den Signalverlauf des amplitudenmodulierten Signals vom Eingang der Schaltung und das demodulierte, niederfrequente Signal in Rot am Ausgang nach der Tiefpassfilterung. Das niederfrequente Signal entspricht der Einhüllenden.

Zur Dimensionierung des Tiefpassfilters muss dieses so dimensioniert werden, dass einerseits der verbleibende hochfrequente Anteil, Welligkeit, wie in zweiter Abbildung nicht zu gross ist. Bei zu tiefer Grenzfrequenz kann das demodulierte Signal nicht mehr der Einhüllenden folgen und es kommt zu zusätzlichen nichtlinearen Signalverzerrungen, welche durch den Klirrfaktor ausgedrückt werden. Bei der Amplitudendemodulation mittels Gleichrichtung für Rundfunkzwecke liegt die Welligkeit bei etwa einem Prozent.

Anwendung

Die Gittergleichrichtung wurde insbesondere vor 1945 in den Volksempfängern und nach 1945 in den industriell hergestellten Einkreisempfängern, aber auch in Superheterodynempfängern angewendet. Die entsprechende Funktionsgruppe des Empfängers heißt Audion. Für die Wiedergabe über einen Lautsprecher genügte eine weitere Röhre als NF-Verstärker. Die beiden Röhrensysteme wurden auch zu Verbundröhren zusammengefasst.

Weblinks

• Gittergleichrichtung bei einem Überlagerungsempfänger für AM

Quellen

1. ↑ Walter Conrad: Grundschaltungen der Funktechnik. 4. Auflage Auflage. Fachbuchverlag Leipzig, Leipzig 1958. 
2. ↑ Otto Zinke, Heinrich Brunswig: Hochfrequenztechnik, Band 2. 4. Auflage. Springer Verlag, 1993, ISBN 3-540-55084-4, S. 503-506.