DÜŞÜK GÜÇLÜ VERİCİLERDE EKRAN MODÜLASYONUNUN UYGULANMASI VE ANOD MODÜLASYONU İLE EKONOMİK MUKAYESESİ

UDK : 621.396.019

Düşük Güçlü Vericilerde Ekran Moiasyonunun Uygulanması ve Anod Modiilasyonu ile Ekonomik Mukayesesi

Kullanılan Semboller :

Wnn Modülasyon frekansı wc Taşıyıcı frekans ** Doğru akım Ani i akım Frekans f Gerilim Verim E.V Anod dlssipasyonu

Çıkış taşıyıcı gücü Modüle edilmiş çıkış gücü Ateşleme açısı Batarya gücü Modülasyon periyodu Taşıyıcı periyodu Bırlenik kondüktans Tank devresi direnci dc, Ekran devresi D.C gücü P m modülatör anod kaybı

Ppc

RF çıkış katı anod kaybı

(Ekran modülasyonlu sistemde)

= Ajıod modülasyonlu sistemde

Ppm •= Modülatör anod kaybı P •= RF çıkış katı anod kaybı

GÎBlŞ

Radyo vericilerinde en büyük problemlerden birisi modülasyon problemidir. Çıinkü vericinin gücü arttıkça, modülasyon, sistemin güç bakımından çözülmesi gereken çok önemli bir konusudur. Genel olarak, düşük veya yüksek güçteki (0,5 kW'a kadar ve 10 kVV'dan fazla) vericilerde plâka modülasyonu uygulanmaktadır. En yaygın olan bu tip Tnodülasyon için gerekli ses yükseltme cihazının, yani modülatörün fıatı, % 100 modülasyon seviyesinde, radyo frekans çıkış katının fiatına eşit veya daha fazla olmaktadır. Bu sebeple bu tip modülasyon sistemlerini uygulamak daha masraflı olmaktadır. Yüksek güçteki RF (Radyo frekansı) güç lambaları genel olarak tri-

Yazanlar :

Dr. Mustafa N. PARLAR (*) Altunkan HIZAL (**)

od olduğundan (10 kW'lık tetrod lambalar vardır) ızgara veya plâka modülasyonundan başka bir tip modülasyon şekil kullanmak imkânsız görünmektedir. Bu çalışmada, RF çıkış ıkatında tetrod lambalar kullanılması suretiyle modülasyon problemlerinin ekran modülasyon sistemi kullanılarak mevcut problemin başarılı bir şekilde ve kolayca çözülebileceğini ve bu şekil uygulama ile verici sistemin maliyetinin ortalama olarak % 50 azalacağını göstermek mümkün olmuştur.

Geliştirilen sistem O.D.T.Ü. Radyosu olarak tesis edilmiş ve yayınlara başlamıştır.

EKRANDAN MODÜLE EDÎLMÎŞ C SINIFI BiR RF YÜKSELTİCİNİN ANALiZi:

Ekran modülasyonlu C sınıfı bir RF yükseltici Şekil : l de gösterilmiştir. Şekil : l deki anod şekil l — Ekran modülasyonlu C sınıfı bir RF yükseltici akımının ekran gerilimine göre değişimi Şekil: 2 de gösterilmiştir. Şekil : l de gösterilen devrenin çalışması aşağıdaki kabulleri yaparak gösterilen metodla incelenebilir.

(*) O.D.T.Ü. Mühendislik Fakültesi Dekanı. (**) O.D.T.Ü. Elektrik Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi.

Elektrik Mfthenflisliğl 126

Şekil 2 — ŞeMl l'deki yükseltici adımının

IbCVS )

PDCm modülatöre verilen toplam DC gücü göstermektedir. P ise modülatörün ses çıkış gücüm dür.

PDCm=pm

+

p m

dlr.

dolayısı

ile

P =(

1) P

pm

(7) elde edilir.

RF çıkış katı anod devresine verilen

ortalama DC güç aşağıdaki gibi bulunur.

ekran gerilimine göre değişimi

Modülasyon karakteristiğinin belli bir modülasyon seviyesine kadar lineer olduğunu kabul edelim, bu takdirde ekran geriliminin değişimi aşağıdaki gibi yazılabilir.

Vs = E5 (l + mCoswmt)

(1)

burada e = E Coş w t modülatörün çıkışıdır.

m = em/Es

(2)

modülasyon seviyesini göstermektedir. Aynı şekilde

IS = IS (1 + mCos wmt)

(3)

ya)zıla£>ilir. 1^ ekran akımını göstermektedir. Ekran devresine verilen toplam DC güç aşağıda gösterilen ifade yardımıyla hesaplanır:

'f I d (w t) =

ss

2jr

f Es (l + mCos wmt) I5 (l + mCos wmt) O d (wmt) (4a) Bu ıntegral kolayca alınabilir.

l

PDCS = E.1, -l -------

(4b)

Yukarıdaki ifadede E I = P.

(5)

ıs

batı

ekran bataryası tarafından verilen güçtür.

Meselâ m = 0,7 için (% 70 modülasyon)

l P =--------

(6)

Modülatörün anod verimi „ ise anod kaybı, yani anod da harcanan güç Ppml PDCm -Pm = PDCm — ^mPDCm=d— ^m)PDCm olur. Bu ifadede

burada : Ib (t) = gm,V5 (t) .. yerme konursa

^ b 5or:P -= ---------t ^(tjdt W (8) Vs (t) ... (l). ifadeden

J l fm DCp •"•m O (9) ve ıntegral alınırsa, pDCP =Ebb£m2Es= Ebb:b • • • <10) bulunur. Gorüluyorkı anod devresine verilen ortalama DC güç bir modülasyon periyodu süresince sabittir. Tabii bu husus düz bir modülasyon eğrisi için doğrudur. Yanı g 0 sabit ise varılan sonuç ve belirtilen husus gerçekleşebilir.

Çıkış tank devresinin giriş empedansı üzerindeki RF gücü modülasyonla artar. RF çıkış gücü ağaşıda gösterilen ifade yardımı ile bulunabilir :

R«I2p

dt

burada;

o

P r. = I RF akımın birinci harmoniğinln efektif

değeridir Dolayısı ile I , Ifa ye bağlıdır. Ip = g'n,2 (l + mCoswmt) ............................... (11)

g'm2 = kgm2 ...................................... (12) yazılabilir

k, RF kompleks sinyalinin Fourler açılımında Ib ile Ip arasındaki katsayıdır. O halde;

Pc=

f R, (I Cosw.t)-dt ... (13) veya

T

PC = — J

Coş* wct dt .......................................

(14)

R(, tank devresinin giriş empedansı olup lamba tarafından görülen empedansa eşittir. (14). ifadede wc wm dir, bunun için ıntegral kolayca alınabilir C (l + mV2) ..,. (15)

P=

Yukarıdaki ifadede görüldüğü gibi mbdüleU çıtag gücü, modüle olmamıg çıkıg gücünden fazladır. Anod verimi ,, ile gösterilirse :

(16) veya

d + mV2)=7j(.o (l+m=/2) (17)

bb 2E

buradan ifade (17) de ,jco modüle edilmemig RF ' katının verimidir. Anod güç kaybı ise P e dir.

Ppc = Pdcp

Pc = Pdcp

PPc = EbbSm2Es El-,»

c Pdcp = t1

(l+mV2)] ......... d»)

Bulunan ifade (18) de görüldüğü gibi modülasyon arttıkça anod kaybı azalmaktadır. Anod akımının ekran gerilimine göre değişimi evvelce kabul edildiği gibi tamamen lineer değildir. Bu sebeple, karakteristiğin lineer kısmını kullanabilmek için normal ekran gerilimini aşağı yukarı yansına kadar dügürmek gerekmektedir. Bu durum ise modülasyonsuz RF çıkıg gücünün düğmesine sebep olmaktadır. Bu şartlar altında ise anod kaybı dolayısı ile artar. Çünkü anod devresi DC gücü (Ebhlfa) sabittir. Bu sebeple, çıkış RF takat katı için tatminkâr bir çalışma ancak modülasyon seviyesini çok yüksek tutmakla mümkün olabilir.

Yukarıdaki mülahazadan görülüyorki lineer modülasyon elde etmek için ekran geriliminin düşürülmesi lyl bir çözüm yolu değildir. Makbul çözüm yolu öyle olmalıdırkl, bununla RF çıkış gücünde fazla bir düğme olmasın ve oldukça yüksek bir seviyeye kadar lineer modülasyon yapılabilsin. Şekil 3 ün yardımı ile çıkış lambalarının modüle edilmişken çalışma durumu irdelenebilir. Şekil 3 te Q anod akımının akma süresinin radyan olarak karşılığıdır. Sabit ekran gerilimi eğrileri ve ızgara sürücü RF sinyali ile modülasyona göre #c nln değigimi gösterilmiştir. Qc, O ile * arasında değişmektedir. Ekran gerilimi yarıya yakın bir değere indirildiği takdirde lineer modülasyonun mümkün olacağı, fakat buna mukabil ortalama $c değerinin de düşmesinden dolayı RF çıkıg katının önemli miktarda düşeceği kolayca görülebilir. O halde, lambanın C tipi çalışma modu değiştirilmelidir. Eğer, ızgara gerilimi ve ekran gerilimi beraberce azaltılırsa ekran geriliminin düşmesinden dolayı lineer modülasyon, ızgara geriliminin düşmesinden dolayı yüksek bir ğe ortalama değeri elde edilir. Bu demektirki ekran geriliminin düşürülmesi ile kaybedilen çıkış gücü, ızgara geriliminin düşürülmesi ile (daha az negatif yapılması ile) kısmen giderilebilir. Lamba, ekran modülasyonunda C-B modunda çalıgtırılmalıdır. Izgara geriliminin düşürülmesi, anod kaybı bakımından §u şekilde tesir eder: En fazla anod verimi C modunda elde edilir. Çalışma modu B'ye yaklaştığı için modülesiz anod verimi % 80 ila % 70 ten |% 60 ila % 50 ye kadar iner. (17) ifadeden görüleceği gibi modüle edllmlg çıkış katının anod verimi ,, (l+m2/2) fonksiyonuna göre artar. Ekran ve ızgara gerilimlerinin ne miktar artacağı deneysel olarak bulunacağı gibi grafiksel olarak da bulunabilir. Bu iği yaparken, göz önünde bulundurulacak husus gu olmalıdır. Ortalama #c değeri öyle ayarlanmalıdırki, modüle edilmemiş lambanın anod verimi maksimum olsun ve oldukça yüksek bir seviyeye kadar lineer modülasyon elde edilsin.

Yukarıda izah edildiği şekilde ayarlanan ekrandan modüle edilmig bir RF katı tatminkar bir çalışma özelliği gösterir.

Ekran modülasyonunun dügük güçlü vericilerde uygulanabilme durumunun aragtınlması esas olarak ekonomik sebeplere dayanmaktadır. Bu hususun matematik izahı çalıgmanın 3. kısmında yapılmıştır.

ANOD VE EKRAN MODULASYONLU VERtCtLERÎN EKONOMiK MUKAYESESİ:

Ekran modülasyonu uygulanmıg bir vericinin modülatörünün anod kaybının, RF çıkıg katının anod kaybına oranı xs ile gösterilecektir. Anod modülasyonu bir vericide aynı oran \ ile gösterilecektir. X, ve \ 'nin sayı olarak mukayesesi, yukarıda zikredilen iki tip modülasyonlu vericilerin çıkış, katlarının flat olarak mukayesesinde esas alınacaktır. (7) ve (18) ifadeleri kullanılarak x, in hesaplanması için gereken ifade elde edilebilir.

ŞeTcıl : 3.

U/,,,,,-1) J-

veya (20) 2.m (l — yj yukardaki ifadede :

(21)

AV

(22)

2.m(l — -J

baıp

(22). ifadede « (17). denklemde verilmiştir. \p aşağıdaki şekilde hesaplanır. Lineer bir modülasyon kabul edersek

ib = Iba (l + m Coswmt) .................................... (23)

................... (24) eb = Ebo U + m Coswmt)

2ıc

•;«. •dcp'

; 2V ö (l + mCoswmt) 2d (wmt)

.....

.

l P . = E.. I H --------- m2E

(26)

bb Da

(25). ve (26). ifadelerde l

'P =

(27)

Ppc = Anod kaybı = Pdcp - PC = Pdcp (l - ,,e) do-layısı ile Ppc = (l + mV2) Ebblb> (l — ^ (28)

Modülatörün anod kaybı :

P = (!/„ —1) P olur. Burada v, modülapm

'im

'/m

torun anod verimidir. Pm (28). ifadeden yerine konursa: ppm = U/,,,,-1) J?! P*, .- (29) .bulunur. O halde :

+ mV2)

mxp=

im l — «

veya)

(30)

X, ve .xp nin (1) l k W gücünde bir verici için karşılaştırılması misal olarak aşağıda yapılmıştır.

\ : m,-nm, tjc için şu değerler kabul edilebilir -.

m = % 60

1m=%50

= % 75

(30). ifadeden,

= 0,153

m?+ 2

1 — 0,5 l Ap = (0,153)

1 — 0,75 0,5

Xp = 0,615

: m = 0,6 , Tjm = 0,5 , i]cs = 0,6

•. I = • - x60 mA = 15 W

P. , = E,. I. = 3000 x 500 mA = 1,5 kW

D3lp

nb b

(0,36) (1 — 0,5) 15 (22). ifadeden \ — ---------------------------

2 (0,5) (1 — 0,6) 1500

= 4,5x10-3

X, ve A nln birbirine oranı alınırsa,

• = 7,3 X10-3

4,5x10-3

Bu oran aynı vericide iki tip modülasyon uygulandığı zaman gerekli ekran ve anod modülatörlerinin anod kayıplarının oranı 7,3 x 10-s veya yaklaşık olarak % l dir. Bu sebeple, ekran modülatörünün anod modülatöründen % 99 daha ucuza mal edileceği ortaya çıkar. Bu fiat mukayesesi, en pahalı kat olan çıkış katlan arasında yapılmıştır. Anod modülasyonunda, genellikle modülatörün ve RF çıkış katının güç lambaları aynıdır. Dolayısı ile modülatör için yüksek gerilim DC güç kaynağının kapasitesi % 100 modülasyon için m.2 (l H----------) = 1,5 misli fazla olmalıdır. Bu da

2 ayrı bir fıat artışına sebep olur. Halbuki ekran modülasyonunda % 70 modülasyon gerektiğine göre sadece Pm = 0,245 PbBt (6), PbaB = 15W veya Pm> = 0,245 x 15 = 4 W, bu güç içinde ayrı bir yüksek gerilim kaynağına ihtiyaç yoktur, m = 0,70 için Pmı = 4 W Pmp = 1/2 mV^ (27)

pb«P=ı.«kw p;P = °>245 x 15°° pmp=4°° w-

Oranlar alınırsa; Pm/Pmp = 4/400 = 1/100 = % l Görülüyorki, ^/Xp ^pm/pmp Avnl vericide kullanılan iki tip modülasyon şeklinde xa ve \ nm sayı olarak mukayesesi Tablo : l de değişik .modülasyon değerleri (seviyeleri) için yapılmıştır.

(1) Bu misalde ve ekonomik mukayese tablosunda O.D.T.U. de yapılan ekran modülasyonlu l kW'lık kısa dalga vericisinin değerleri kullanılmıştır.

TABLO: l

MP

m.

Ap

A,

A/Ap

0,445

0,32xlO-2

0,45x10-2

0,78

0,97

0,90

1,15

0,70x10-2

1.0

0,70xlO-2

1,0

0,8x10-2

Bu tablo incelenirse, görülürki x,/A S°k düşük bir orandır; % l gibi. O halde eğer anod modülasyonlu vericinin fiatım 2 birim alırsak ekran modülasyonlu vericinin fiatı l birim olur.

SONUÇ :

Yukarıda ekran ve anod modülasyonlu bir vericinin ekonomik mukayesesi yapılmıştır; ve neticede ekran modülasyonlu vericinin % 50 daha ucuza mal olabileceği görülmüştür. Düşük güçlü vericilerde ekran modülasyonunun başarı ile uygulanabileceği bu yazının ikinci kısmında gösterilmiştir.

O halde, memleketimizin taşra şehirleri içinson derece ucuza mal olabilecek düşük güçlü bir verici imâl etmek mümkündür. Ekran modülasyonu bu yazıda izah edildiği gibi kullanılırsa normal ve tatminkâr bir çalışma elde edilir. Orta Doğu Teknik Üniversitesinde bu meyanda bir çahşma yapılmıştır, l kW gücünde bir verici imâl

0,7x10-3

0,73x10-8

0,78x10-3

0,63x10-"

0,60xlO-«

0,53x10-3

0,60x10-3 edilnıijş ve ekran modtilasyonu kullanılmıştır. Elde edilen netice, bir çok taşra şehirleri için aynı tip vericilerin kolaylıkla ve çok ucuz olarak imâl edilebileceğini göstermesi bakımından ümit vericidir. Bu çalışmanın yapılması için gerekli mali desteği sağlayan O.D.T.Ü. Rektörü Sayın Kemal Kurdaş'a ve anten .bağlantı ve ayar problemlerimizde yardımlarda bulunan O.D.T.Ü. Elektrik Bölümü öğretim Üyesi Dr. Elek. Yük. Müh. Canan Toker'e teşekkürlerimizi belirtmek isteriz.

KAYNAKLAR:

1) Electronics and Radio Engineering Terman. Mc. Graw Hill book Comp Inc 1955.

2) Applied Electronics MİT John Wiley and Sons. Inc. 1944.

3) Telecommunications I and n parti by Metin Akgün published in the Electrical Engine ering Department in Middle East Technical Üniversity.

Elektrik Mühendisliği 123