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Einrichtung zur Verstärkllng elektrischer Ströme.
Die Erfindung betrifft ein Verstärkungssystem für schwacl e elektrische Ströme, insbesondere ein System, bei welchem thermionische Ventile oder sogenannte Audionröhren zur Verstärkung verwendet werden. Bei der vordem üblichen Verstärkung dieser Ströme hat man Vorsorge getroffen, die Verstärkung so verzerrungslos wie möglich durchzuführen, insbesondere dadurch, dass ein nennenswerter Stromfluss im Gitterkreis verhindert wurde, wodurch auch ein Mindestaufwand an Energie von dem aufgegebenen Zeichen oder der sonstigen zu verstärkenden Kraftquelle sichergestellt wurde.
Diese im wesentlichen verzerrungslose Verstärkung geschah dadurch, dass man das Gitter einer Verstärkungsröhre auf ein Potential brachte, welches dauernd negativer ist als das ihrer Kathode, oder indem man dem Gitter eine negative Vorspannung erteilte. Die Grösse dieser Vorspannung oder des negativen Potentials hängt von der Gitterspannungs-Anodenstrom-Charakteristik der jeweils verwendeten Röhre ab, wobei die Grösse des Gitterstromes vernachlässigt werden kann, solange nicht die Spannung im Eingangskreis einen so grossen Wert erreicht, dass das Gitter das Fadenpotential erreicht oder es überschreitet.
Es fliesst hiebei nennenswerter Gitterstrom, welcher eine Nebenschlussbelastung des Eingangskreises darstellt und bei dem gewöhnlichen bekannten Verstärkungskreis eine Verzerrung der Wellenform der eingeführten Zeichen bewirkt, welche im Verstärkerkreis entsprechend vergrössert wird. Würde ma, n jedoch das Ventil ohne Anordnung der erwähnten Gittervorspannung betreiben, so würden die gesamten positiven Schwingungen des Zeichens dieser Nebenbelastung und die negativen Schwingungen praktisch keiner Belastung unterliegen und die Verzerrung würde deshalb besonders stark sein.
Man war deshalb bestrebt, Röhren zu bauen, deren Charakteristikkurve auf der negativen Seite der Gitterpotentialnullinie einen möglichst grossen nutzbaren Teil zeigt, damit ein Höchstwert von unverzerrter Leistung abgegeben werden kann. In der Tat besitzen manche der gebräuchlichen Röhren auf der positiven Seite keinen Nutzteil. Dies bringt jedoch einen Verlust an Verstärkungskraft der Röhre, d. h. an der Grösse der Anodenstromänderung bei gegebener Änderung mit sich und infolgedessen einen weniger steilen Gradienten.
Wenn es möglich wäre, die Röhren ohne diese Verzerrung zu betreiben, indem man Röhren verwenden würde, deren Charakteristikkurve einen viel steileren Gradienten aufweist, wobei nutzbare Teile im wesentlichen gleichmässig auf beiden Seiten der Gitterpotentialnullinie vorhanden wären, so würde man mit einer viel kleineren Spannung im Eingangskreis das Auslangen finden, um die gleiche Ausgangsleistung wie bei einer mit Vorspannung betriebenen Röhre zu erzielen oder es könnte ein viel grösseres Verstärkungsverhältnis erreicht werden.
Die Erfindung betrifft nun ein neues Verstärkungssystem, durch welches dieses vergrösserte Verstärkungsverhältnis erreicht und es ermöglicht wird, eine Röhre unter im wesentlichen verzerrungs- loser Verstärkung zu betreiben, wobei dem Gitter der Röhre dauernd keinerlei oder höchstens eine positive Spannung aufgedrückt ist. Dies wird durch ein neues Ausgleiehssystem oder-verfahren erreicht, nach welchem positive Gitterströme in Phase mit der an den Eingangskreis der Röhre angelegten oszillierenden Spannung aufgebaut werden und ihre Verzerrungswirkung dadurch vernachlässigbar gemacht wird.
Dies bringt kein Opfer am Verstärkungsverhältnis mit sich. obgleich die Gitterkreise bei ihrem
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dass er über die Gitterfadenbahn der andern Röhre nach seinem Faden zurückkehrt. Die entstandenen schwingenden Gitterströme jedoch können durch die Kapazität hindurchgehen.
Wenn der neue Verstärkerkreis gemäss Fig. 4 mit einer Vakuumröhre, z. B. der Röhre 30, gekoppelt werden soll, so muss diese eine ziemlich niedrige Impedanz aufweisen. die Kopplung selbst kann auf jede gebräuchliche Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann man gemäss Fig. 4 eine Impedanz 31 in Brücke zu dem Anodenkreis der Röhre schalten, um den Gleichstrom abzuführen, während ein Konden- sator 32 in die Zuleitung 33 geschaltet wird. so dass die an den Gitterkreis der Röhre angelegten Wechselspannungen sich nach dem Verstärkungsteil fortsetzen können, welcher von den beiden, wie oben ange- geben, miteinander verbundenen Röhren 34 und 35 gebildet wird.
In Fig. 5 ist eine Widerstandskopplung angedeutet, deren Widerstandselement 36 in Brücke zu dem Anodenkreis der Röhre 37 geschaltet ist. In Fig. 6 ist eine typische Transformatorkopplung dargestellt, bei welcher die Primärwicklung in Brücke zu dem Anodenkreis der Röhre 39 geschaltet und auf deren Anodenimpedanz abgestimmt ist, während zwecks Erzielung des höchsten Wirkungsgrades die Sekundärwicklung auf die Gitterimpedanz des Gitterkreises abgestimmt ist. Die Abstimmung ist für die gewünschte Frequenz von beispielsweise 800 Hertz gewählt.
Man sieht, dass bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen keine Gitterableitungen vorhesehen sind, da sie nicht erforderlich sind, weil sich ein Gitterkreis der einen Röhre frei durch den
Gitterkreis der andern Röhre des Verstärkerröhrenpaares entladen kann.
Gemäss Fig. 7 kann dieser Ausgleich oder diese Kompensation auch dadurch erreicht werden, dass man den Anodenkreis der einen Röhre, z. B. der Röhre 40, vollständig abschaltet oder eine anodenlose Röhre verwendet und in die Gitterleitung 42 des Gitters der andern Röhre 43 ein veränderliches Widerstandselement 41 einschaltet. Dieser Widerstand muss so eingestellt werden, dass eine gleiche Gitterstrom-Gitterspannungskurve wie in der Hauptverstärkerröhre 43 entsteht. Man kann auch eine Zweielementenröhre oder deren Äquivalent, z. B. einen Kristall oder eine andere nicht dargestellte einseitig leitende Vorrichtung, deren Spannungstromkurve so eingestellt werden kann, dass sie mehr oder weniger genau der Spannungsstromkurve der Verstärkerröhre gleich ist, für diesen Zweck verwenden.
Es können Mittel vorgesehen werden, um den Gitterstrom herabzusetzen, beispielsweise, indem man gemäss Fig. 8 in Serie mit den Gitterkreisen zwei oder mehrere mit einer Röhre 48 kombinierte
Röhren 46 und 47 schaltet, wobei die Kompensation wie zuvor mit dem veränderlichen Widerstandselement 49 und der anodenlosen Röhre 48 erfolgt.
Die Heizfäden oder Kathoden können auch von einer Wechselstromquelle gespeist werden. Beispielsweise werden gemäss Fig. 9 die Kathoden der Röhren 50 und 51 über einen Transformator 53 von einer Wechselstromquelle 52 gespeist. Die Rückleitung 54 des einen Gitters 55 braucht nicht zwecks Herabsetzung des Summens auf ein Mindestmass zum elektrischen Mittelpunkt der andern Röhre zurückzugehen, so dass die Notwendigkeit der Anordnung von Mittelpunktanzapfungen in der Transformatorwicklung vermieden wird. Dies ergibt sich aus der Rückführung zu der entsprechenden Seite der Wicklungen (wobei die Phasenbeziehung zu berücksichtigen ist) des einen Gitters, welches eine positive Pulsation empfängt, während das andere Gitter die Neutralisierung mit einer negativen Pulsation bewirkt.
Die Gitterkreise von geringer Impedanz machen die Kreise ausserdem weniger empfänglich für die Aufnahme des Summens.
Der Widerstand der neuen Gitterkreise ist wesentlich kleiner als bei mit negativer Vorspannung versehenen Verstärkerkreisen. Es tritt infolgedessen ein gewisser Verlust ein, der indessen durch sorgfältige Wahl der Heiz-und Anodenspannungen auf ein Mindestmass herabgesetzt werden kann.
Bevor zur Erläuterung der Wirkungsweise der vorliegenden Einrichtung übergegangen wird, sei über die bei Verstärkerröhren in Betracht kommenden Verhältnisse unter Bezugnahme auf Fig. 10 und 11 folgendes vorausgeschickt.
Die Schaulinien Fig. 10 und 11 zeigen eine typische Charakteristik der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Röhren. Die Schaulinien Fig. 10 zeigen die Charakteristik einer gebräuchlichen.
Röhrentype der Bezeichnung 250 im Vergleich mit der Charakteristik einer mit 530 bezeichneten Röhre, die bei der Erfindung benutzt ist. Die beiden Röhren haben gleiche Grösse, und der hauptsächliche Unterschied zwischen beiden ist der, dass die Röhre 530 ein feineres Gitter und demnach eine grössere Verstärkungskonstante besitzt. Die Verschiebung der Charakteristik der Röhre 530 nach der positiven Seite deutet diese grössere Konstante an, welche in der Tat 19 beträgt, während die der Röhre 250 bloss 3'8 ist.
Bei Verwendung zweier 5, 30er Röhren bei der Erfindung und wenn die Fg-Ig-Charakteristiken' derselben ausgeglichen sind, werden gleiche positive und nagetive Halbwellen des Zeichens, gleiche Ströme in jedem Gitterkreis hervorrufen und die reflektierte Belastung der Zeiehenquelle wird für die positive Halbwelle gleich sein jener für die negative Halbwelle ; die positiven und negativen Halbwellen des Zeichens sind demnach gleichen Bedingungen unterworfen.
Wäre die JBy--g-Charakteristik jeder Röhre eine von ausgehende Gerade, so würden die zwei kombinierten Gitterstromkreise wie ein reiner Widerstand wirken. Es würden, mit andern Worten,
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auch eine lineare Beziehung zwischen der Amplitude der Zeichenspannung und des durch sie erzeugten Gitterstromes bestehen.
Bei den Röhren für dieses System war es daher nötig, eine Gitterspannungs-Gitterstromcharakteri- stik zu erzielen, die möglichst nahe geradlinig ist.
Die baulichen Konstanten der Röhre, wie der Abstand der Anode vom Gitter, der Abstand des Gitters vom Faden, die Grösse der Gitteroberfläche, das Gittermaterial beeinflussen die Gestalt dieser Kurve infolge ihrer Wirkung auf die Sekundäremission des Gitters. Tritt Sekundäremission ein, so werden Sekundärelektronen vom Gitter ausgesandt, u. zw. infolge der vom Glühfaden kommenden Primärelektronen. Ist die Geschwindigkeit der Aussendung hinreichend gross, um die Elektronen in. den Bereich zu befördern, wo das elektrostatische Feld der Anode stärker ist als das des Gitters, so verstärken diese Elektronen den in die Anode eintretenden Elektronenstrom.
Der Nettogitterstrom wird unter diesen Umständen dargestellt durch die Differenz zwischen den primären in das Gitter eintretenden Elektronen und den Sekundärelektronen, welche sich mit dem zur Platte gehenden Strom vereinen.
Infolgedessen beeinflusst die Sekundäraussendung den Gitterstrom beträchtlich und ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Gestalt der Gitterspannungs-Gitterstromkurve. Eine übermässige Sekundäremission kann die Kurve A im Schaubild Fig. 11 hervorrufen, welche einen Punkt zeigt, von dem ab die Vermehrung der Sekundärelektronen zur Folge hat, dass der Gitterstrom beim Wachsen der Spannung sinkt und schliesslich der Sekundärelektronenstrom dem Primärelektronenstrom gleichkommt oder ihn übertrifft, wodurch die Richtung des Nettostromes umgekehrt wird. Die Schaulinie B stellt die Verhältnisse für eine normale 530er Röhre dar. Man bemerkt, dass die Schaulinie, abgesehen von einer leichten Ausbiegung, einer Geraden ziemlich nahe kommt.
Röhren ohne Sekundäraussendung vom Gitter zeigen die Neigung zu gekrümmten Charakteristiken, so etwa zwischen dem klassischen Gesetz nach der 3/2ten und der 2 Potenz. Dagegen dient eine sorgfältig geregelte Sekundäremission des Gitters zum Geradestrecken der Charakteristik.
Selbstverständlich kann diese geradlinige Charakteristik vom idealen Verlauf etwas abweichen, aber bei Speisung von einer Zeichenstromquelle von geringerer Impedanz können diese Abweichungen vernachlässigbar klein werden.
Die Fg-Ig-Kurve hängt auch etwas von der Anodenspannung ab und daher hat die Anodenbelastung auch einigen Einfluss auf die dynamische Eg-Ig-Charakteristik. Somit wird die Wahl der
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Eg-Ip-Kurve für verschiedene Belastungen beeinflusst und ferner durch die Bedachtnahme auf den geradlinigen Verlauf der dynamischen Eg-Ig-Kurve. Indessen genügt eine, der Impedanz der Röhre angepasste Anodenbelastung beiden Bedingungen sehr gut.
Man sieht, dass der nützliche gerade verlaufende Teil der Eg-Ip-Charakteristik weit in die positive Zone reicht und, wenn auch die negative Halbwelle eine hinreichend grosse Amplitude erreicht, um in der einen Röhre unterdrückt zu werden, so braucht doch im selben Augenblick dieselbe Halbwelle noch nicht die Grenze des geradlinigen Teiles auf der positiven Seite der andern Röhre überschritten zu haben.
Das ermöglicht eine Art verringerter Verzerrung für aussergewöhnliche Zeichen, welche über die zu- lässige verzerrungsfreie Leistung hinausgehen.
Die neue Verstärkereinrichtung arbeitet im wesentlichen wie folgt :
Aus Fig. 1 ist klar ersichtlich, dass der Gitterstrom jeder Röhre 13 und 20 über den Eingangskreis ohne Vorspannung nach seinem Heizfaden zurückkehrt. Sofern der Eingangskreis gemäss Fig. 3 einen Kondensator in Serie aufweist, kann man den Gitterstrom jeder Röhre als über den Weg GitterHeizfaden der ändern und zugeordneten Röhre zurückkehrend betrachten.
Wenn ein Zeichen zur Wirkung gelangt, so fliesst in dem durch die Leitungen 11, 16 dargestellten Eingangskreis-wobei das Gitter 12 beispielsweise mit Bezug auf die Leitung 16 positiv ist-ein Elektronenstrom : in der Röhre YJ von ihrem Heizfaden oder der Kathode 15 nach dem Gitter 12 und über die Leitungen 11, 16 des Eingangskreises zurück zum Faden. In diesem Augenblick ist das Gitter 21 der Röhre 20 mit Bezug auf deren Heizfaden 23 negativ, und es kann von diesem Heizfaden kein Strom zum Gitter 21 fliessen.
Wenn umgekehrt die Leitung 16 und das mit ihr verbundene Gitter 21 mit Bezug auf das Gitter 12 und die mit diesem verbundene Leitung 11 des Eingangslaeises positiv sind, fliesst Strom von dem Heizfaden 23 nach seinem Gitter, aber es kann in der Röhre 13 zwischen dem Heizfaden 15 und dem Gitter 12, die in diesem Augenblick beide negativ sind, kein Strom fliessen.
Eine an diesen Eingangskreis angelegte oszillierende Spannung erzeugt daher in dem wechselseitig verbundenen Gitterheizfadenkreis der beiden Röhren in Phase mit der angelegten oszillierenden Spannung oszillierende Ströme. Dieser Kreis wirkt dann als ein gewöhnlicher Ohmscher Widerstand über den Eingangskreis 11, 16 und ändert positive und negative Teile des zur Wirkung gebrachten Zeichens auf gleiche Weise, da die Röhren 18 und 20 übereinstimmend beschaffen sind.
Da die Gitterstrom-Gitterspannungskurve beim praktischen Betrieb des Kreises innerhalb derArbeits- grenzen im wesentlichen eine gerade Linie ist, ergeben gleiche Spannungszunahmen im wesentlichen gleiche Zunahmen des Gitterstromes, d. i. der Gitterstrom ist der Gitterspannung praktisch proportional.
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Bei Anwendung eines Verstärliungssvstems mit einer oder mehreren Verstärkungsstufen können die vorhergehenden Stufen bei einem System der hier beschriebenen Art mit positivem oder Nullpotenthl betrieben werden. und es hat sich im allgemeinen als vorteilhaft erwiesen, eine oder mehrere der ersten Stufen mit einer bestimmten positiven Vorspannung zu betreiben. Da die veränderliche Gitterimpedanz der Faktor ist, welcher gewöhnlich bei Verstärkungseinrichtungen die Verzerrung erzeugt, wird bei vorliegender Ausführungsform ein Punkt in der Gitterspannungs-Gitterstromkurve gewählt, an welchem diese Gitterimpedanz zwar klein, aber konstant ist.
Diese Kurve ist im wesentlichen eine gerade Linie über einen bestimmten positiven Teil, und der gewählte Vorspannungspunkt muss im wesentlichen in der Mitte zwischen der Nullspannungslage und dem Punkt liegen, wo die Kurve von der Geraden abzuweichen beginnt. Hiedurch wird ermöglicht, dass eine Röhre ziemlieh grosse Spannungsänderungen ohne Verzerrung zu bewältigen vermag. Wenn aber die kompensierte Anordnung wie bei grösseren Verstärkungen als Srhluss- oder Kraftstufe eines Systems vorgesehen werden soll, muss das Gitter im wesentlichen mit der Spannung Null betrieben werden, wobei die vereinigten Gitterimpedanzen beider Röhren nur der Impedanz einer Röhre gleich sind.
Beim Betrieb an einem Punkt der Kurve, nämlich bei einer bestimmten positiven Vorspannung, wird eine darüber hinausgehend positive und eins negative Schwankung der Zeichenspannung in gleicher Weise beeinflusst, so dass sich keine ernstlichen Verzerrungswirkungen ergeben. Bei dem kompensierten Betriebssystem besteht deshalb ein Stromfluss in dem Gitterkreis unter statisehen Bedingungen, bei dem die Stärke des Stromes mit dem Eingangszeichen zu-und abnimmt ; die positive Vorspannung kommt dabei einer niedrigeren Betriebsanodenimpedanz der Röhre zustatten. Im Falle einer positiven
Vorspannung ergibt sich eine niedrigere Betriebsanodenimpedanz der Röhre, wodurch diese vorzüglich geeignet wird, einer kompensierten Verstärkerstufe vorherzugehen.
Wenn zwischen einzelnen Stufen ein Kopplungstransformator verwendet wird, steigert der Gleichstromfluss in dessen Anodenwindung die Sättigung des Transformatorkernes. Wenn aber eine Verbindung mit einer eine positive Vorspannung aufweisenden Röhre der hier beschriebenen Art vorliegt, so kann der durch das Gitter fliessende Gleichstrom in einer solchen Richtung angelegt werden, dass er der Wirkung des Anodenstromes einer Röhre einer vorhergehenden Verstärkungsstufe entgegenwirkt, die Sättigung verhindert und so einen Transformatorkern von grossem Volumen entbehrlich macht.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Verstärkung schwacher elektrischer Ströme, bei welcher die Anode und Kathode eines thermionischen Ventils in einem Ausgangskreis liegen und das Steuerelement und die Kathode mit einem Eingangskreis verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine einseitige Vorrichtung in dem Eingangskreis liegt, so dass gleiche zur Einwirkung auf den Eingangskreis gebrachte positive und negative Spannungen wesentlich gleiche Stromflüsse zwischen der Kathode und dem Steuerelement und durch die einseitige Vorrichtung veranlassen und das thermionische Ventil und die einseitige Vorri htung derart gewählt und eingestellt sind, dass der Strom des Gitterkreises der mit dem Ventil kombinierten einseitigen Vorrichtung der angelegten Spannung tunliehst genau proportional ist.