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Einrichtung zur Verstärkung von Wellenströmen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verstärkung von Strömen eines weiten Frequenzbereiches und bezweckt, erstens einen Verstärker konstanter Impedanz für die auf seine Eintrittsklemmen aufgedruckten Wellen von stark verschiedenen Frequenzen zu schaffen, zweitens bezweckt die Erfindung, die Eintrittsimpedanz von Verstärkern für einen weiten Bereich aufgedrückter Frequenzen konstant zu machen, um einen erhöhten Verstärkungsgrad zu erzielen.
Dies wird dadurch erreicht, dass über die Eintrittselektroden der Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird, die bezüglich Amplituden und Phase eine solche Beziehung zu der aus der zu verstärkenden
Quelle abgeleiteten Spannung hat, dass die mit der Frequenz vor sieh gehende Änderung dieser Impedanz neutralisiert wird.
Gemäss dieser Erfindung ist zwischen dem Abgabe-und Eintrittsstromkreis eines Verstärkers eine Rückkopplung vorgesehen, die ein oder mehrere Impedanzelemente bestimmter Bemessung enthält, so dass die ganze oder ein vorherbestimmter Teil der Eintrittsenergie aus dem Abgabestromkreis des Verstärkers geliefert wird.
Es ist bekannt, dass die Impedanz zwischen den Eintrittsklemmen eines Röhrenverstärkers mit der Frequenz der ihm zugeführten Welle in gleicher Weise wie eine kapazitive Reaktanz (d. h. ein Kondensator oder eine Kombination eines Kondensators mit einem Ohmschen Widerstand) abnimmt. Es ist
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Sekundären verbundenen Eintrittsklemmen aufgedrückt wird, da aber nach bekannten Grundsätzen das mit einem Transformator erzielbare Mass der Spannungserhöhung abhängig ist von der relativen Grösse der mit der Sekundären verbundenen Impedanz und der Impedanz der mit der Primären verbundenen Quelle, so setzt die Abnahme der Impedanz zwischen den Elektroden mit der Frequenz der erzielbaren Spannungsverstärkung eine Grenze.
Sobald die Frequenz abnimmt, so kann die Wirkung derart sein, dass mittels eines Transformators eher eine Verkleinerung als eine Erhöhung bewirkt wird und diese Verkleinerung so stark ist, dass sogar statt der Verstärkerwirkung der Entladevorrichtung eine
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Zur getreue Wiedergabe von durch Telephonströme libermittelter Musik ist es notwendig, alle Frequenzen zwischen 100 und 5000 Perioden (also im Verhältnis 1 : 50) pro Sekunde mit gleicher Wirksamkeit zu übertragen, oder bei Mehrfachübertragern ist es notwendig, Ströme aller Frequenzen zwischen 3000 und 30. 000 Perioden pro Sekunde gleich bzw. gleichförmig zu verstärken.
Um diesen Erfordernissen zu entsprechen, ist es im allgemeinen notwendig gewesen, Transformatoren mit einem niedrigen Transformationsverhältnis zu verwenden, das für die wirksame Übertragung von Frequenzen nahe der höheren Grenze passend ist, aus welchem Grunde auf die Verstärkung der niedrigeren Frequenzen Verzicht geleistet werden musste.
Ein anderer Nachteil aus der Variation der Eintrittsimpedanz eines Verstärkers tritt ein, wenn Wählstromkreise wie Filter oder Dämpfungsausgleicher in dem Eintrittsstromkreis des Verstärkers eingeschaltet sind. Stromkreise dieser Art müssen in konstanten, nicht reaktiven Widerständen endigen, damit ihre Wähleigenschaft mit grösster Genauigkeit ausgenutzt wird. Wenn kein Eintnttstransformator benutzt wird, kann die Wirkung der Eintrittsimpedanz der Entladeröhre vernachlässigbar klein sein, wenn aber ein Aufwärtstransformator benutzt wird, wird die Wirkung grösser und steigt in dem Masse als das Aufwärtstransformationsverhältnis grösser wird.
Der Erfindung gemäss werden diese Übelstände dadurch beseitigt, dass der durch die Eintrittsimpedanz des Verstärkers notwendig gemachte Strom vom verstärkten Abgabestrom geliefert wird.
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in gleicher Phase wie die auf die Eintrittsklemmen der Entladeröhre aufgedrückte E. M. K. erzeugt wird und in welchem die Stärke des Stromes durch eine Impedanz von vorher bestimmtem Wert geregelt wird. Wenn die Impedanz des Rückkopplungskreises auf den richtigen Wert eingestellt wird, so wird von der zu verstärkenden Stromquelle kein Strom fliessen.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung schematisch veranschaulicht.
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bei welcher noch grössere Freiheit für die Bemessung des Rückkopplungsstromes statthaft ist. Fig. 4 und 5 zeigen weitere Methoden für die Stromzufuhr in die Eintrittsstromkreise. Fig. 6 und 7 stellen eine Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf Gegentaktverstärker dar und Fig. 8 ist ein theoretisches
Diagramm zur Veranschaulichung der angewendeten Prinzipien.
Zur leichteren Erklärung der übrigen Figuren soll der Stromkreis nach Fig. 8 zuerst besprochen werden. In dieser Figur werden bloss die wichtigen Impedanzen und E.-M.-K.-Quellen eines die Erfindung enthaltenden Systems in passender Form veranschaulicht.
Aus einer Stromquelle G mit der E. M. K. E werden durch eine Impedanzleitung Z, Wellen auf eine Impedanz Z4 übertragen. Parallel zur Impedanz Z4 liegt eine Impedanz Zg, deren Wirkung auf die von C herrührenden Wellen neutralisiert werden soll. Zu diesem Zweck ist die Stromquelle F, welche die E. Bl. K. E, liefert, sowie eine Impedanz Z, an die Memmen der Impedanz Z, geschaltet. Die E. M. K. Ez der Stromquelle E kann die gleiche Frequenz und Phase wie die E. M. K. der Stromquelle G besitzen, derart, dass die Ströme beider Stromquellen in dem zwischen den Punkten C und D liegenden Leitung- abschnitt einander entgegenwirken.
Die Bedingung, dass die Impedanz Z3 keinen Strom aus der Strom- quelle G bezieht, ist dieselbe wie die Bedingung, dass der Strom 1 in dem Zweige C D, ungeachtet der Werte der beiden E. M. K. Null wird. Diese Bedingung kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden :
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worin Z5 die innere Impedanz der Stromquelle und Et jener Teil von Eo ist, der den Klemmen von Z 4 zugeführt wird. Da die beiden E. M. K. gleiche Frequenz und Phase besitzen, so ist der Multiplikationsfaktor von Z3 auf der rechten Seite der Gleichung (2) eine einfache Zahl. Wenn bewirkt wird, dass die
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dass die Summe aus der Impedanz Z2 und aus der Impedanz Z5 für alle Frequenzen ein einfaches Vielfaches der Impedanz Z3 ist.
Da die Impedanz Z5 im allgemeinen durch andere Bedingungen festgelegt ist, so ist es in gewissen Fällen unmöglich, die Impedanz Z2 derart zu konstruieren, dass dieselbe diese Bedingung strenge erfüllt.
Z3 kann beispielsweise die Eigenschaft einer reinen Kapazität aufweisen lind Z5 ein Widerstand sein, in welchem Falle es für Z2 keine bekannte Konstruktion gibt, die bei allen Frequenzen ein einfaches numerisches Verhältnis der Impedanz Z2 + Z5 zur Impedanz Z3 vorsieht. Wenn Z3 hingegen gross ist und E2 zumindest doppelt so gross ist als E1 so kann die Impedanz Z5 als sehr kleine Grösse im allgemeinen vernachlässigt werden.
Es muss erwähnt werden, dass die Impedanz Z3 kein einfaches Impedanzelement zu sein braucht, wofern die Impedanz Z2 ähnlich konstruiert ist, wobei die einzelnen Impedanzelemente zu den entsprechenden Elementen von Z3 in einem konstanten Grössenverhältnis stehen.
In einem Verstärkungssystem mit Elektronenröhren nach vorliegender Erfindung entspricht die dem Ruckkopplungskreis aufgedrückte E. M. K. E2, lmd da dieselbe von der Energie der Verstärker-
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betrachtet werden, deren innere Impedanz'hauptsächlich jene der normalen Belastung und der Entladungsstrecke des Verstärkers ist, wobei beide parallel geschaltet sind.
In dem System nach Fig. 1 werden Wellenströme aus der Stromquelle G durch eine Leitung oder ein anderes Impedanznetzwerk 1 auf das die Spannung regulierende Potentiometer 2 und auf den Eintritts-
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des Verstärkers werden die Wellen im Transformator 8, aus dessen sekundärer Wicklung 9 sie auf die Belastungsimpedanz 10 abgegeben werden, umgeformt und in ihrer Phase umgekehrt. Die umgekehrte E. M. K., welche durch die Umkehrung in gleiche Phase mit der aufgedrückten E. M. K. gebracht wurde, wird von der Klemme D der sekundären Wicklung 9 durch einen Kondensator 11 geringer Kapazität zur Klemme B der Gitterelektrode zurÜckgeleitet, um den durch die Eintrittsimpedanz des Verstärkers benötigten Strom zu liefern.
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Die Eintrittsimpedanz eines Elektronem'ohrenverstärkers wird beeinflusst durch die Zwischenelektrodenkapazitäten und den wirksamen Verstärkungsfaktor. Dazu kommen die äusseren Kapazitäten zwischen den Eintrittsklemmen, z. B. jene der Leitungsverbindung, sowie die Eigenkapazität der Ein- trittstransformatorwicklung.
Die Eintrittskapazitäten werden bei 12 und 13 strichliert veranschaulicht, u. zw. stellt 12 die Kapazität zwischen dem Gitter und der Anode und 13 die Kapazität zwischen den Eintrittsklemmen dar. Die Theorie (siehe das Werk The Thermionic Vacuum Tube"von H. J. Van der Bijl, 1920, S. 261) ergibt, dass die wirksame Eintrittskapazität den durch folgende Gleichung gegebenen Wert Ce besitzt.
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wobei c12 und c13 die Werte der Kapazitäten 12 und 13 und p. e die wirksame Verstärkung darstellt, die durch das Verhältnis der Spannung des Wellenstromes an den Abgabeklemmen des Verstärkers zur Spannung an den Eintrittsklemmen Bund C gemessen wird.
Da die Eintrittsimpedanzen Kapazitäten sind, so ist klar, dass eine Kapazität wie der Kondensator 11 erforderlich ist, um dieselben auszngleichen. Die Kenntnis der verschiedenen oben besprochenen Faktoren ermöglicht es, den geeigneten Wert rasch zu bestimmen. Für einen Röhrenverstärker bekannter Art ist die Kapazität 13, z. B. 12-5 Mikro-Mikrofarad und der von dem äusseren Leitungssystem herrührende Teil ist im allgemeinen ungefähr 50 Mikro-Mikrofarad in Systemen, die bei Frequenzen bis zu 50. 000 Perioden pro Sekunde wirksam sind. Die Kapazität 12 hat einen Wert von 6 Mikro-Mikrofarad. Die Verstärkungskonstante beträgt 6 und die Röhre hat einen wirksamen Widerstand von 5000 Ohm.
Es wird angenommen, dass der Transformator P das Transformationsverhältnis 1 : 1 besitzt und dass die Impedanzl0 einen ebenso grossen Widerstand wie jener der Entladungsstrecke, also 5000 Ohm, besitzt. Da die inneren und äusseren Teile der Abgabestromkreisimpedanz gleich gross sind, so ist die wirksame Verstärkung der halben Verstärkungskonstante gleich. Die Einsetzung dieser Werte in
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erzeugt wird, und die Belastungsimpedanz 10, wobei der Transformator 9, wie man annimmt, ausser dem Einheitsverhältnis Wicklungen von sehr hoher Impedanz besitzt, die so gut gekuppelt sind, dass der Strom in der Primären zu jenem in der Sekundären genau ausser Phase ist, weshalb die Wirkung seiner Impedanz vernachlässigt werden kann.
In dem gewählten Beispiel ist die Zs der Gleichung (1) entsprechende Impedanz jene dieser beiden Zweige in Parallelanordnung, und da Impedanz 10 gleich ist der Impedanz des Entladeweges, d. h. gleich ist 5000 Ohm, so ist Z oder die Impedanz beider Zweige in Parallelanordnung gleich 2500 Ohm. Da die effektive Verstärkung, wie oben angegeben, die Hälfte
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Kapazität 11 muss einen halb so grossen Wert wie C*e oder ungefähr E. M. K. = 43 besitzen. In Fig. 2, die eine andere Ausführungsform der Impedanz, also des Teiles oberhalb der Schnittlinie A. A' (Fig. 1) darstellt, wird eine Induktanz 14 parallel zur Kapazität veranschaulicht.
Der Eintrittstransformator ist in Wirklichkeit eine zur Verstärkerkapazität parallel geschaltete Induktanz, und die von ihr abgenommene Komponente des Eintrittsstromes wird daher über die Induktanz 14 parallel mit der Kapazität, die die Verstärkerkapazität kompensiert, geliefert.
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dritten Wicklung 15 des Transformators 8 verbunden ist.
Der Grund dafür liegt darin, dass das für die Übertragung maximaler Energie auf die Belastung erforderliehe Transformatorverhältnis im allgemeinen nicht dasselbe ist wie das grösste Verhältnis der Rückkopplungsimpedanz. 16 zur inneren Impedanz der Rückspeisequelle. Um den besten Wert des zuletztgenannten Transformationsverhältnisses zu erhalten, nimmt man an, dass die Impedanz 16 so gross ist, dass dieselbe eine nicht merkliche Belastung für den Verstärker bildet.
Es sei der Widerstand des Entladeweges mit R und die transformierte Impedanz der Wicklung 10 von den Verstärkerabgabeklemmen aus gemessen mit MR bzeichnet. Wenn die Impedanz von 10 eine reaktive Komponente enthält, so ist M (Verhältnis zwischen der Impedanz von 10 und dem Widerstand R der Entladungsstreeke) eine komplexe Grösse. Ferner sei die Verstärkungs-
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Maximum wird. Dieser Wert von N ergibt sieh durch Differenzieren von Gleichung (5) zu
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Dieser Wert kann offenbar von dem für die grösste Energieübertragung zur Belastungsimpedanz erforderlichen Werte stark abweichen. Aus Gleichung (6) folgt, dass die E. M.
K. im Rüekkopplungsstromkreis doppelt so gross sein muss als die den Verstärkereintrittsklemmen aufgedruckte E. M. K.
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gleich sein muss.
Statt die richtige Grösse der Rückkopplungsimpedanz durch Berechnung aus den Koeffizienten der andern Elemente des Stromkreises vorherzubestimmen, kann der Wert durch Versuch bestimmt und eingestellt werden. Dieser Methode ist besonders für die Bestimmung der kleinen, für die Neutralisierung der Eintrittskapzität der Entladeröhre erforderlichen Kapazität vorteilhaft. Um die Einstellung zu ermöglichen, muss der Kondensator 11 veränderlich sein und müsste ein empfindlicher Strommesser in Reihe mit der sekundären Wicklung des Transformators 3 geschaltet sein.
Eine Welle, die vorteilhaft eine verhältnismässig hohe- Frequenz im Übertragungsbereiche des Verstärkers besitzt, wird aus der Quelle 1 auf den Eintrittsstromkreis gedrückt und erzeugt dadurch, in dem Rüekkopplungsstromkreis eine Gegen-E. M. K. Der Kondensator 11 wird hierauf so lange eingestellt, bis der durch den Stromanzeiger gemessene Eintrittsstrom einen kleinsten Wert besitzt, der im wesentlichen Null sein soll. Wenn man in die neutralisierte-Impedanz die Kapazität der Eintrittstransformatorwicklungen einzuschliessen wünscht, so muss die Einstellung mittels der mit der primären Transformatorwicklung direkt und in Reihe verbundenen Strommessvorrichtung wiederholt werden. Ferner soll die aufgedrückte Welle die höchste Frequenz besitzen, deren Übertragung erwünscht ist.
Um den Strom in diesem Zweige des Stromkreises auf einen Minimalwert zu reduzieren, ist es im allgemeinen notwendig, die Kapaziät des Kondensators 11 zu vergrössern. Der nach Einstellung erreichte Zustand ist jener, bei dem die Induktanz der sekundären Transformatorwieldung mit einer kleinen Rüekstandskapazität in Resonanz ist. Da die Transformatorresonanz in der Praxis gewöhnlich bei einer im Übertragungsbereiche ganz niedrigen Frequenz eintritt, lässt der als Resultat der Einstellung erreichte Zustand bloss einen äusserst kleinen Bruchteil an wirksamer Kapazität im Stromkreis zurück.
In dem System nach Fig. 4 wird die Umkehrung der Phase, die für die Rückkopplungs-E. M. E. notwendig ist, mittels eines Hilfsverstärkers statt eines Transformators bewirkt. Ein Teil der Wellenabgabeenergie aus dem Verstärker 4 wird über den Kondensator ! y übertragen und den Eintrittsklemmen des Verstärkers 18 aufgedrückt, wobei die Kapazität des Kondensators 17 genügend gross ist, um seine Impedanz vernachlässigbar klein zu gestalten. Die Abgabe des Verstärkers 18 wird einem veränderlichen Potentiometer 19 übermittelt, dessen einstellbarer Kontakt an die neutralisierende Kapazität 11 und von da an die Eintrittsklemme B des Verstärkes 4 geschaltet ist.
Ein zwischen den Eintrittsklemmen des Hilfsverstärkers geschalteter hoher Widerstand 20 dient als Ableitungsweg für Ladungen, die sich sonst auf der Kontrollelektrode ansammeln würden. Die Einstellung des Rückkopplungsstromkreises kann in diesem Falle durch Abänderung der Potentiometereinstellung bewirkt werden, wodurch die Rückspeisespannung auf den geeigneten Neutralisationswert eingestellt wird.
Die Systeme der Fig. 1, 3 und 4 veranschaulichen die Anwendung der Erfindung auf einen einfachen Verstärker, der einer Belastungsimpedanz Energie zuführt. In diesen Systemen ist es nach obenstehender Analysis klar, dass die Phase der Rückkopplungsspannung durch den Phasenwinkel der Belastungsimpedanz in einem gewissen Grade beeinflusst wird. Um die vollkommenste Neutralisation sicherzustellen, ist es daher wünschenswert, dass die Belastungsimpedanz nahezu nicht reaktiv oder im Vergleich zur Impedanz der Entladungsstrecke des Verstärkers gross sei.
In dem System der Fig. 5 werden die hintereinandergesehalteten Eintrittsimpedanzen der Verstärker neutralisiert, wobei die Phasenumkehr für die Rückkopplungs-E. M. K. durch Schaltung des Rückkopplungsstromkreises zwischen der Anode eines Verstärkers und der Gitterelektrode des vorher- gehenden Verstärkers gesichert wird. Die Kupplung zwischen den aufeinanderfolgenden Verstärkern
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umfasst Hochimpedanz, Drosselspulen 23 in dem die Entladestrecke enthaltenden Stromkreis, Kupplungkondensatoren 24 und Gitterstreuungswiderstände 25. Der Rückkopplungskreis aus der Anode des zweiten Verstärkers 21 zur Eintrittsklemme des ersten Verstärkers 4 enthält die neutralisierende Impedanz 16 und einen grossen Kondensator 17 zur Isolierung des Erregerpotentials des Verstärkers 21.
Der Rückkopplungsstromkreis zwischen den Verstärkern 22 und 21 hat ähnliche Gestalt. Die in diesem System zwischen den aufeinanderfolgenden Stufen verwendete Kupplungsart ist derart, dass die äussere Impedanz jedes Abgabestromkreises im Vergleich mit dem inneren Widerstand der Entladungsstrecke sehr gross ist und infolgedessen bloss eine geringe Wirkung auf die Phase der Rückkopplungs-E. M. K. ausübt.
Das System nach Fig. 6 umfasst zwei Röhren, deren Eintritts-und Abgabestromkreis in der eingangs beschriebenen und hier dargestellten Schaltung angeordnet sind. Sobald die Wellen aus der Quelle G auf die Eintrittsklemmen über den Dreispulentransformator 28 aufgedrückt werden, werden die beiden zu den Gittern der Röhren 26 und 27 führenden sekundären Wicklungen desselben genau ausgeglichen, um gleiche Spannungen zu erzeugen. Da die Abgabespannungen der beiden Verstärker einander entgegengesetzt wirken, so kann jede als eine Quelle von E. M. K. zur Neutralisierung der Eintrittsimpedanz der andern benützt werden. Es bestehen zwei Rückkopplungswege, von welchen sich jeder von der Anode der einen Röhre zum Gitter der andern Röhre erstreckt und die neutralisierende Impetanz 16 und den Isolationskondensator 17 enthält.
Das System nach Fig. 7 ist dem nach Fig. 6 ähnlich mit dem Unterschiede, dass die Rückkopplungs-
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veranschaulichten Systeme, und die Grenzen, welche diesbezüglich früher erörtert wurden, gelten auch für diese Systeme.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Verstärkung von Wellenströmen mittels einer Dreielektrodenentladeröhre, dadurch gekennzeichnet, dass über die Eintrittselektroden dieser Röhre eine Spannung gelegt wird, die bezüglich Amplitude und Phase zu jener über diese Eintrittselektroden gelegten Spannung, die von der zu verstärkenden Quelle abgenommen wird, eine solche Beziehung hat, dass die mit der Frequenz erfolgende Änderung der Impedanz zwischen diesen Eintrittselektroden neutralisiert wird.