Radio-difuzni UKV FM odašiljač ELCOM

Danas je nabavljen set uređaja za radio-difuzni FM odašiljač hrvatskog proizvođača ELCOM Electronic iz 1970/80-tih godina:

• UKV FM predajnik snage 15 W – ORFM 15 (1978. godina)
• Stereo koder SC 100 (1988. godina)
• VF UKV pojačalo 100 W
• tri antene, savijeni dipol, SIGMA SDH 100

Za navedene uređaje kao ni proizvođača nemamo nikakvih podataka pa možemo jedino pogledati od čega se sastoje.

Stereo koder SC 100

Stereo audio signal sadrži dva zasebna audio kanala (lijevi i desni), a FM predajnikom ne možemo istovremeno odašiljati dva kanala na istoj frekvenciji. Stoga je ta dva audio kanala stereo signala potrebno međusobno kodirati (multipleksirati, stopiti) u jedan audio kanal koji će i dalje sadržavati potpune informacije oba kanala, tako da se u FM prijemniku takav kompozitni kodirani (enkodirani) signal može ponovno dekodirati u dva originalna nezavisna audio kanala.

Postoje dva osnovna načina kodiranja stereo kanala, gdje se jedan bazira na frekvencijskom, a drugi na vremenskom multipleksiranju. Kod stereo kodera SC 100 sasvim sigurno se koristi vremenski multipleks jer nalazimo integrirani krug 4066 (MC14066B) koji u sebi sadrži četiri analogne sklopke. Naime metoda vremenskog multipleksa sastoji se u naizmjeničnom otipkavanju ili prekapčanju desnog i lijevog kanala određenom frekvencijom.

Signali lijevog i desnog audio kanala prvo prolaze kroz filtre gdje se zbog ograničene širine modulacije frekvencijski opseg ograničava na 15 kHz te se dodatno uzdižu visoke tonske frekvencije (preemphasis 50 µs za poboljšanje odnosa signal-šum kod FM odašiljanja). Ovi filtri smješteni su na pločici smještenoj u liniji sa mjernim instrumentom i jasno se uočavaju dvije identične grupe filtra za lijevi i desni kanal. Ulazni kanali su električki izolirani (i impedancijski prilagođeni) audio transformatorima za svaki kanal. Izvedba filtra je klasična sa pasivnim RLC elementima gdje se za audio opseg frekvencija traže zavojnice relativno velikog induktiviteta pa se redovito smještaju u feritne lončiće. Danas se u audio filtrima uglavnom više ne koriste zavojnice, nego zamjenski krug sa operacijskim pojačalom i RC elementima (gyrator) koji električki gledano simulira veliki induktivitet.

Na pločici u sredini nalaze se tri integrirana kruga:

• 4027 (MC14027B) – dvostruki flip-flop
• 4066 (MC14066B) – četverostruka analogna elektronička sklopka
• 4060 (CD4060BCN) – frekvencijski brojač/djelitelj

Na osnovu ovih integriranih krugova nacrtali smo principijelnu blok shemu stereo kodera koja se sasvim sigurno ne razlikuje puno od stvarne blok sheme našeg kodera SC 100. Stereo koder koji radi na principu vremenskog multipleksa mora imati stabilan generator dvije frekvencije: 38 kHz za naizmjenično upravljanje dvjema elektroničkim sklopkama (svaka za jedan stereo kanal) i 19 kHz za frekvenciju pilota stereo signala. Ove frekvencije se u našem slučaju dobivaju preko binarnog djelitelja 4060 čiji takt je kontroliran vanjskim kristalnim oscilatorom na 4864 kHz. Tako se lako dobiju frekvencije od 38 kHz (4864 kHz / 128) i 19 kHz (4864 kHz / 256). Međutim, u našem slučaju koristi se samo pin-4 integriranog kruga 4060 gdje dobivamo dijeljenje sa 64, odnosno frekvenciju od 76 kHz, a ona se kasnije u flip-flopovima 4027 dijeli sa 2 i sa 4.

Lijevi i desni audio signal nakon filtriranja (i pojačanja) dovode se svaki na po jednu elektroničku sklopku (4066) koje su protufazno upravljanje frekvencijom 38 kHz. Na izlazu iz sklopki dobivaju se uzorci lijevog i desnog audio kanala uzetih protufazno i u ritmu frekvencije 38 kHz. Istovremeno preko drugog flip-flopa dobivamo pilot frekvenciju od 19 kHz koja se zatim filtrira pojasnim kako bi se dobio čist signal bez harmonika. Od velike važnosti je da pilot frekvencija i frekvencija multipleksiranih audio kanala budu u fazi kako bi se kasnije kod dekodiranja postiglo što bolje razdvajanje dva audio kanala. Stoga se pilot frekvenciji dodaje filtar za mogućnost promjene (reguliranja) faze. Tako se u stupnju za zbrajanje (audio mikser) međusobno spajaju dva naizmjenično propuštana signala lijevog i desnog audio kanala sa pilot frekvencijom u fazi. Na taj način dobiven multipleksirani signal propušta se kroz niskopropusni filtar kojim se uklanjanju frekvencije više od 53 kHz nastale zbog prekapčanja te je isti spreman za modulaciju FM predajnika.

Na pločici našeg stereo kodera osim navedenih komponenti nalazimo i jednu komponentu u okruglom metalnom TO-5 kućištu sa oznakama SR1-12, IEVT-85. Na sličnu komponentu (SR1-12, IEVT-83) naišli smo u objavi VHF primopredajnici RIZ i ELTING 2000, 4000, 8000 gdje smo zaključili kako se radi o minijaturnom releju ili pin-diodama. Ovdje bi ovakva komponenta mogla služiti za preklapanje audio kanala na mono ili stereo, pa sve upućuje da se radi o minijaturnom releju.

UKV FM predajnik snage 15 W – ORFM 15

ORFM 15 sastavljen je od pet sekcija međusobno izoliranih metalnim oklopima:

• mrežni transformator i napajanje
• limiter/modulator
• PLL-om upravljani VCO, mješač ili umnoživač frekvencije i pobudni VF stupanj
• VF pojačalo
• antenski filtar harmonika

Bez električne sheme teško ćemo dokučiti blok shemu ovog predajnika glede frekvencija PLL-a, VCO-a i eventualnih kasnijih stupnjeva miješanja ili umnožavanja frekvencija prije nego se VF signal 88-108 MHz dovede na izlazno pojačalo. No bez obzira na to dovoljno je već što imamo priliku zaviriti u domaću tehnologiju izrade jednog radio-difuznog predajnika iz 1970/80-tih godina sa ranim primjerom PLL kontrole frekvencije.

VF UKV pojačalo 100 W

VF pojačalo snage bazira se na jednom tranzistoru BLX 15. Prema tvorničkim podacima ovaj tranzistor može se koristiti za čitavo HF i VHF frekvencijsko područje (KV i UKV valno područje), te može isporučiti maksimalnu snagu od 150 W. Naravno, ova maksimalna snaga može se dobiti samo pod određenim uvjetima rada koji ovise o radnoj frekvenciji, podešenoj klasi rada pojačala i vrsti VF signala (modulacije) koja se pojačava.

Idealna pojačala su pojačala koja rade u A-klasi ili AB-klasi jer pojačavaju čitav signal i ne izobličavaju ga ni po amplitudi ni po frekvenciji, no ova pojačala imaju i najmanju korisnost (veliku potrošnju). Kod AM i FM pojačala za VF radio signale dovoljno je prenijeti samo informaciju o amplitudi ili frekvenciji signala u uskom području pa pojačani signal može biti i donekle izobličen. B-klasa pojačala pojačava samo jednu poluperiodu ulaznog izmjeničnog signala, pa takav izlazni signal nije cjelovit no i dalje sadrži informaciju o amplitudi i frekvenciji. S obzirom da pojačalo radi samo tijekom jedne poluperiode korisnost je puno veća od pojačala u klasi A ili AB. Pojačalo u C-klasi pak pojačava samo dio jedne poluperiode ulaznog izmjeničnog signala iznad određene vrijednosti amplitude, pa radi u još kraćim vremenskim intervalima čime mu je korisnost još veća. Signal iz pojačala u C-klasi je vrlo izobličen po amplitudi no i dalje sadrži informaciju o promjeni frekvencije. S obzirom da pojačala u B i C klasi imaju veliku korisnost pogodna su za VF pojačala snage gdje je efikasnost ili iskoristivost istog (često) jako bitna zbog što manje potrošnje struje i što manje disipacije topline na aktivnim elementima pojačala (tranzistori). No, s obzirom da pojačala u B i C klasi pojačavaju samo jednu poluperiodu signala, drugu poluperiodu je potrebno na neki način rekonstruirati iz te jedne pojačane poluperiode. To se postiže rezonantnim titrajnim krugom na izlazu iz pojačala koji uskladišti energiju tijekom prisutnosti pojačane poluperiode i zatim je otpusti tijekom trajanja nedostajuće poluperiode. No s obzirom da titrajni krug može biti rezonantan samo na jednoj frekvenciji time se i rekonstrukcija signala najbolje vrši na toj jednoj frekvenciji. To kod radijskog AM i FM prijenosa nije problem jer se ionako radi samo sa jednom fiksnom nosećom frekvencijom s minimalnom devijacijom kod FM prijenosa. Zato se pojačala klase B i C koriste isključivo za VF radio pojačala, odnosno čista B-klasa vrlo rijetko jer se C-klasom postiže veća korisnost. B-klase pojačala se najčešće koriste u paru, tako da jedno pojačalo pojačava jednu poluperiodu, a drugo pojačalo drugu poluperiodu, nakon čega se ta dva signala ponovno spoje u cjelovit izmjenični signal (tzv. protufazno ili push-pull pojačalo).

Tranzistor BLX 15 na HF frekvencijskom području (1,6-28 MHz) uz maksimalni napon napajanja 50 V i ulaznu pobudu od 25 W može ostvariti snagu od 150 W na maksimalnoj amplitudi SSB signala (PEP) kada radi u A ili AB-klasi. Što se tiče VHF područja, snagu od 150 W PEP moguće je dostići samo u B-klasi na jednoj frekvenciji bez modulacije (CW), dok će za FM rad (108 MHz) u C-klasi maksimalna snaga biti oko 100 W.

Za stabilan rad i maksimalnu snagu tranzistoru BLX 15 potrebno je osigurati stabilan izvor napajanja barem 50V/6,5A. Samo pojačalo smješteno je na velik srebrni aluminijski hladnjak dok je gotovo sve ostalo sklopovlje izvor napajanja, odnosno mrežni transformator, ispravljač, filtar i stabilizator napona. Od ostalih sklopova ugrađena je samo pločica sa tiskanim usmjernim sprežnikom, odnosno senzorom za mjerenje direktne i reflektirane snage iz pojačala, te pločica sa izlaznim filtrom harmonika.

U tranzistorskom serijskom regulatoru napona koriste se dva paralelno spojena tranzistora 2N3055 svaki na svojem hladnjaku (driver je 2N3054) tako bi uvažavajući i veličinu transformatora iz ovakvog ispravljača mogli dobiti stabilnu struju do 10 A. Regulator napona vjerojatno sadrži i sklopove za regulaciju visine izlaznog napona i za ograničenje struje.

Antene

Naš predajnik bio je spojen na antenski sistem kojeg su činila dva ili tri savijena dipola oznake SDH 100, irskog proizvođača SIGMA. Ove antene dizajnirane su za uporabu na frekvencijskom opsegu 88-110 MHz (VSWR max 1,5) i za snage predajnika do 400 W. Dužina dipola je 1,42 m (1/2 λ). Ukoliko se na isti stup postavlja više vertikalnih dipola onda najmanji razmak između njih mora biti 1,1 m, odnosno 2,4 m između poprečnih nosača koji su dužine 1,1 m. Dipol antene SIGMA SDH 100 izrađen je od aluminijske cijevi debljine 19 mm, a poprečni nosač od cijevi debljine 38 mm te može izdržati vjetar jačine 200 km/h.

Savijeni dipoli mogu se postavljati (polarizirati) vertikalno ili horizontalno te se više njih može kombinirati i napajati na različite načine kako bi se dobio željeni dijagram zračenja ili pojačanje. Za radio difuzne predajnike obično je cilj dobiti što više kružni dijagram zračenja u horizontalnoj ravnini i dovoljno uzak dijagram u vertikalnom presjeku kako bi pojačanje (domet) u horizontalnim smjerovima bilo što veće. Stoga se dipoli za radio difuzni FM postavljaju vertikalno kako bi se dobio horizontalni dijagram zračenja vrlo blizu kružnom (jedan vertikalni dipol ima dijagram zračenja bubrežastog oblika). Postavljanjem više dipola vertikalno jedan iznad drugog može se dobiti veće pojačanje ili bolja kružna karakteristika zračenja, ovisno o tome da li se isti na noseći stup postavljaju točno jedan iznad drugog ili su zakrenuti na osi nosećeg stupa (180° za dva dipola, 120° za tri dipola itd.). Kod antenskih sistema sa više antena svaki fizički element svojim dimenzijama i razmakom od drugih elemenata utječe na dijagram zračenja i pojačanje (od dimenzija samog dipola, do dimenzija nosača, stupa i kabela za napajanje) pa je kod projektiranja takvih sustava treba voditi računa o svim ovim elementima.

Savijeni dipol ima impedanciju oko 240-300 Ω, pa je potrebno na neki način napraviti prilagodbu na antenski vod impedancije 50 Ω. To se obično postiže transformatorima impedancije (tzv. Balun od engl. Balanced-Unbalanced) no kod simetričnih antena poput dipola ima i drugih načina prilagodbe. U našem slučaju koristi se tzv. “samo-balansirajući savijeni dipol sa integriranim balunom” gdje se radi o tehnički vrlo jednostavnom načinu prilagodbe kakav je patentirala također irska tvrtka Telecommunications Ltd. 1973. godine. Sastoji se u tome da se centralni dio gornjeg dijela dipola preko nosećeg stupa spoji sa jednim krajem završetka donjeg dijela dipola i taj spoj dolazi na oplet (masu) 50-omskog koaksijalnog kabla. Drugi završetak donjeg dijela dipola spaja se na vrući kraj koaksijalnog kabla.

Antena originalno dolazi sa 3 metra koaksijalnog kabla tipa URM67 sa montiranim N-konektorom na kraju. Spoj koaksijalnog kabela sa dipolom tvornički je zaliven u vodonepropusnu smjesu. Voda (kiša, snijeg, led) na vanjskim antenama može narušiti električne karakteristike, odnosno podešenost antene, a pogotovo može doći do velikih degradacija podešenosti ako voda dospije na spojeve ili u unutrašnjost cijevi antena. Stoga, osim što su spojevi hermetički zaliveni, na najnižoj točki vertikalno postavljenog dipola izbušena je rupica preko koje će istjecati voda (kondenzacija) ukoliko prodre u unutrašnjost cijevi. Stoga je kod montaže treba voditi računa da se taj kraj antene sa rupom postavi prema dolje.

Spomenuti koaksijalni vod URM67 pri frekvenciji od 100 MHz ima gušenje od 6,8 dB na svakih 100 metara dužine i na tim frekvencija može se prenijeti snaga od oko 900 W. U našem slučaju je ovaj vod produljen sa još 6 metara koaksijalnog kabla RG213 koji ima iste karakteristike kao i URM67. Dva koaksijalna kabla spojena su preko N-konektora, a na završetak produžetka montiran je 7/16 DIN antenski konektor kako bi odgovarao priključku na antenskom razdjelniku za dvije antene. Ovi razdjelnici (eng. dividers/spliters/combiners) obično se rade za paran broj antena kako bi se jednostavnije izjednačila ukupna impedancija svih antena u sustavu. Moguće da su se kod našeg sustava za odašiljanje koristile dvije dipol antene, a treća je bila u pričuvi ili spojena na kakav kontrolni/paralelni sustav.

Antena Sigma SDH 100 originalno dolazi sa 3 metra koaksijalnog kabla tipa URM67 sa montiranim N-konektorom na kraju. Prilagođena je na impedanciju 50 Ω posebnim spojem na samom dipolu čime se dobiva tzv. “samo-balansirajući savijeni dipol sa integriranim balunom”. Na jedan metar duljine kabla od antene uočava se zadebljanje (slika gore), a sigurno se radi o integriranom RF filtru (feritne jezgrice ili RF lonac) za sprječavanje CMC struja (common mode currents) koje se mogu pojaviti na površini koaksijalnog kabla te izazvati neželjena zračenja i EM smetnje.

Odašiljači ELCOM ORFM 15 široko su korišteni za mnoge manje lokalne FM radio postaje na prostorima bivše YU od 1970-tih do kraja 1990-tih godina kada su se polako počeli zamjenjivati modernijim rješenjima. Zagrebačka tvrtka ELCOM Electronic osim FM odašiljača, stereo kodera i pojačala proizvodila je i srednjevalne radio difuzne odašiljače te drugu studijsku opremu za radio postaje (audio miksere, tonske pultove i slično). Sasvim sigurno da proizvodi tvrtke ELCOM svojedobno nisu predstavljali top uređaje te vrste na svjetskoj (pa ni evropskoj) razini, no radilo se o (više ili manje) domaćoj pameti, domaćim dijelovima i kompletnoj domaćoj proizvodnji pa samim time, kao i uvažavajući domaće poslovno-političke standarde onog doba, ne trebamo biti previše kritični glede izgleda, dizajna i samih električnih karakteristika ovih uređaja. Iako pomalo podsjećaju na amatersku gradnju oni su svoj posao očito uspješno odradili, a sasvim je moguće da su još uvijek zadržani u upotrebi na kakvoj neprofitabilnoj manjoj lokalnoj radio postaji 🙂