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Verfahren und Vorrichtung zur Hervorbringung unverzerrter Verstärkungen in elektrischen Ver- stärkungssystemen.
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und Sprechfilmapparaten zu verstärken.
Bei den Niederfrequenzverstärkern wird der der Verstärkerröhre Strom zuführende Stromkreis mit einem Transformator verbunden, der einen Eisenkern besitzt und dem ein Signalstrom von einer passenden Stromquelle zugeführt wird. Die Sekundärwicklung dieses Transformators besteht notwendigerweise aus einer grossen Zahl Windungen feinen Drahtes und bildet einen hohen Widerstand, der dem Gitter vorgeschaltet ist. Fliesst Strom im Gitterstromkreis, so ist ein Potentialabfall an der Sekundärwicklung des Transformators vorhanden. Ist das Gitter der Vakuumröhre negativ, so fliesst kein Strom im Gitterstromkreis. Wenn jedoch das Gitter der Vakuumröhre positiv ist, so wird ein Teil der von der Kathode ausgesendeten Elektronen aufgenommen und es fliesst Strom.
Wenn kein Strom im Gitterstromkreis fliesst, so werden die Potentialändenmgen am Gitter den Spannungsänderungen, die der Sekundärwick- lung des Transformators aufgedruckt werden, genau proportional sein. Fliesst dagegen Strom im Gitter-
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kreis aufgedrückt werden, weil der Widerstand der Sekundärwicklung des Transformators einen Potentialabfall zwischen dem Gitter und der Kathode bewirkt. Da das Gitter gewöhnlich auf dem Potential Null gehalten wird, wird die einlangende Signalwelle zuerst ein Schwingen des Gitterpotentials nach negativen und dann nach positiven Werten verursachen. Das Gitter wird den negativen Teil der Welle genau aufnehmen und im Anodenkreis der Röhre eine unverzelTte Verstärkung hervorrufen.
Der positive Teil der Welle wird einen Strom zwischen dem Gitter und der Kathode hervorrufen. Der Spannungsabfall in der Sekundärwicklung des Transformators wird eine Übereinstimmung der Potentialänderungen mit den einlangenden Signalen jedoch verhindern. Dadurch entsteht eine Verzerrung des verstärkten Stromes ; der halbe Teil der Welle wird genau übertragen und der andere halbe Teil verzerrt, so dass die hervorgerufenen Signale verschwommen und undeutlich werden, obwohl die Grösse der Röhre genügt, um unter
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Um diesen Nachteil der Verstärkeranlage zu überwinden, wurde eine negative Vorspannung am Gitter der Vakuumröhre angebracht.
Diese Vorspannung wurde genügend gross gewählt, um das Gitter immer negativ zu halten und die positiven Wellen des einlangenden Signales daran zu hindern, das Gitterpotential über den Nullpunkt hinauszuschwingen. Der Gebrauch einer Gittervorspannung verhindert Ver- zerrung, hat aber einen andern grossen Nachteil. Es wird nämlich die Stärke des von der Röhre abgehenden Stromes so begrenzt, dass nicht nur die Röhre an der Hervorbringung einer möglichst grossen Verstärkung gehindert wird, sondern dass auch Verzerrung eintritt, wenn eine Schwingung aussergewöhn- lich grosser Amplitude dem Einführungsstromkreis aufgedruckt wird, wenn z.
B. ein sehr lauter oder hoher Ton am Mikrophon oder an einer andern Aufnahmevorrichtung, die die Quelle der Signale bildet, auftritt. Dies wird in der folgenden Besehreibung des näheren erläutert.
Gemäss der Erfindung ist in dem Gitterstromkreis einer Vakuumröhre, in dem sich die sekundäre Wicklung eines Eingangstransformators befindet, ein Parallelweg veränderlichen Widerstandes zu der Wicklung vorgesehen, durch den eine Verzerrung des verstärkten stromes, wenn die Gitterspannung
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positiv ist, verhindert wird. Der Widerstand des Parallelweges im Einführungsstromkreis wird durch und genau proportional mit dem einlangenden Strom geändert. Als Parallelweg ist die Kathoden-Anoden-
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angeordnet. Die Sekundärwicklung des Transformators ist mit dem Gitter dieser zweiten Röhre leitend verbunden. Die Gitterkathodenstreeken der beiden Vakuumröhren sind in Serie geschaltet.
Zu diesem Zwecke ist das Gitter der ersten Röhre mit der Kathode der zweiten Röhre verbunden, so dass die Endimpedanz der zweiten Röhre zwischen ihrer Kathode und der negativen Klemme der Anodenbatterie liegt und die Eingangsimpedanz der ersten Röhre einen Teil der Endimpedanz der zweiten Röhre bildet.
Die Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens besteht aus einem Gitter, einer mit diesem Gitter verbundenen Kathode, einem zweiten Gitter, das die Aussendung von Elektronen von der Kathode beeinflusst, einer zweiten Kathode nahe dem ersten Gitter, wobei die Elektronenaussendung von der zweiten Kathode durch das Gitter beeinflusst wird, und einer Anode zur Aufnahme der von beidenKathoden ausgesendeten Elektronen. Die Verbindung zwischen der ersten Kathode und dem ersten Gitter befindet sieh innerhalb der Röhre. Beide Gitter und beide Kathoden sind zweckmässig in einer einzigen Vakuumröhre angeordnet. Der Heizfaden kann zur indirekten Beheizung durch Bohrungen der Kathoden geführt werden.
In der Zeichnung ist Fig. 1 eine Schaltskizze, die den Grundgedanken der Erfindung zeigt, Fig. 2 eine graphische Darstellung der Anodenstromcharaktenstik einer VerstarKerröhre, Je ig. 3 eine Schaltskizze, in welcher die verschiedenen Teile in einer einzigen Röhre angeordnet sind, Fig. 4 ein senkrechter Schnitt durch eine gemäss der Erfindung hergestellte Röhre, Fig. 5 eine Draufsicht auf die in Fig. 4 gezeigte
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sicht auf eine noch andere AusfÜhrungsform der Röhre, Fig. 9 eine Skizze einer andern Schaltung und Fig. 10 und 11 Skizzen einer Röhre, die vier Kontaktstifte besitzt.
In Fig. 1 ist ein Transformator 10, der den Signalstrom aufnimmt, gezeigt. Er besitzt eine Primärwicklung 11, die mit der Signalquelle verbunden ist, und eine Sekundärwicklung 22. Hinter den Röhren ist ein Ausgangstransformator 13 angeordnet, der eine Primärwicklung 14 und eine Sekundärwicklung 15 besitzt. Diese Transformatoren sind von bekannter Ausführung, wie sie in Verstärkungssystemen nr- wendet werden. Die Primärwicklung 14 des Transformators 13 ist an einem Ende direkt mit der Anode 16 einer Verstärkungsröhre 17 verbunden, während das andere Ende der Primärwicklung. M an die positive Seite der Batterie 18 angeschlossen ist.
Die negative Seite dieser Batterie ist durch eine Leitung 19 in Reihe mit der Kathode 20 der Röhre 17 verbunden. Auch diese Anordnung weicht von den bei Verstärkungs- röhren üblichen Schaltungen nicht ab. Um ein Schwingen des Gitterpotentials der Vakuumrühre 17
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Röhre 17 angeordnet. Diese Ausgleichsröhre 22 kann dieselbe Konstruktion wie die Verstärkerröhre 17 besitzen. Sie enthält ein Gitter 23, welches mit der Sekundärwicklung 12 des Transformators 10 verbunden ist. Die Sekundärspule ist auf der andern Seite an die Leitung 19 angeschlossen und dadurch auch an die Kathode 20 der Verstärkerröhre 17 und an die negative Seite der Batterie 18.
Die Kathode 24 der Ausgleiehsröhre wird direkt mit dem Gitter 21 der Verstärkerröhre 17 durch eine Leitung 24'verbunden, während die Anode 25 mit einem Punkt positiven Potentiales der Batterie 18 in Verbindung steht. Ein Kondensator 26 ist über die Enden der Batterie 18 in Nebenschluss geschaltet und ein zweiter Nebensehlusskondensator 27 kann, wenn gewünscht, zwischen der negativen Seite der Batterie und dem Verbindungsdraht mit der Anode 25 der Röhre 22 angeordnet werden. Diese Kondensatoren dienen denselben Zwecken wie in den bekannten Verstärkerröhren.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende. Die dem Transformator 10 mitgeteilten Signale rufen eine Veränderung des Potentiales des Gitters 2. 3 der Ausgleichsröhre 22 hervor. Die Potential- änderung am Gitter der Ausgleichsröhre verursacht eine Änderung im Elektronenstrom zwischen der Kathode 24 dieser Röhre und der Anode 25. Da die Kathode 24 direkt mit dem Gitter 21 der Verstärker- röhre 17 verbunden ist, tritt eine Potentialänderung am Gitter 21 dieser Rohre auf, welche den Elektronenstrom zwischen der Kathode 20 und der Anode 16 und deshalb den die Anlage verlassenden Strom steuert.
Es werden deshalb die Potentialänderungen, die dem Gitter 23 der Ausgleiehsrohre 22 mitgeteilt werden, in der Röhre 17 verstärkt, wodurch der die Anlage verlassende Strom ebenfalls verstärkt wird.
Wenn das Gitter 21 der Verstärkerröhre 17 durch einlangende Signale negativ wird, werden keine Elektronen zwischen der Kathode 20 und dem Gitter 2. ! fliessen und es wird kein Strom in der Leitung 24' entstehen. Der Anodenstrom der Röhre 17 zwischen Kathode 20 und Anode 16 wird durch das Gitter 21 gesteuert, wobei die Verstärkung unverzerrt ist, solange infolge des negativen Gitters 21 kein Gitterstrom fliesst. Wenn jedoch das Gitter 21 infolge der dem Gitter 2 mitgeteilten Impulse positiv wird. fliesst ein Elektronenstrom zwischen der Kathode 20 und dem Gitter 21 und in der Leitung 24'. Es gehen Elektronen zwischen der Kathode 24 und der Anode 25 der Ausgleichsröhre 22 entsprechend der Potentialdifferenz zwischen diesen beiden über.
Dieser Elektronenstrom fliesst über die Leitung 24', über die Anode 25 zur Batterie 18, durch die Leitung 19 und zurück zur Kathode 20, auf diese Weise einen vollständigen Gitterstromkreis bildend. Da der Elektronenstrom zwischen der Kathode 24 und der Anode 25 in der Röhre 22 in Übereinstimmung mit dem Gitterpotential sich ändert, wirkt der Elektronenstrom
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als veränderlicher Widerstand im Einfühfungsstromkreis für den zwischen Gitter 21 und Kathode fliessenden Strom. Die Verstärkung des positiven Teiles der Welle mit Hilfe der Röhre 17 ist genau proportional und so unverzerrt wie die des negativen Teils der Welle. Tatsächlich wurde gefunden, dass das
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Kathode und der Anode der Ausgleichsröhre.
Mag dies auch keine genaue Erklärung der Theorie der Wirkungsweise der Erfindung sein, so bestätigen die Ergebnisse der Versuche, dass das System auf diese Weise arbeitet. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 der Zeichnung veranschaulicht. Die Figur zeigt die charakteristische Kurve für den Anodenstrom einer Vakuumröhre, in welcher auf der horizontalen Linie die Gitterspannung aufgetragen ist und der Anodenstrom auf der senkrechten Linie in Milliampere. Bis jetzt war es üblich, einen Punkt A auf der charakteristischen Kurve so zu wählen, dass die Gitterspannung negativ bleibt, um zu verhindern, dass die einlangende Signalwelle die Gitterspannung über den Nullpunkt und auf die positive Seite der Kurve bringt.
Gewöhnlich schwingt in einer Röhre das Gitterpotential zwischen den Punkten B und C, wie auf der Kurve dargestellt ist. Jede Schwingung des Gitterpotentiales über dem Punkt 0, verursacht durch eine grosse Veränderung des einlangenden Stromes, brachte bisher eine Verzerrung des verstärkten Stromes hervor.
Die charakteristische Kurve ist eine Gerade, auch über den Nullpunkt der Gitterspannung hinaus, so dass die Wirkung der Vakuumröhre beträchtlich grösser ist bezüglich des das System verlassenden Stromes, als es bis jetzt innerhalb der Grenzen Bund 0 möglich war, Durch die Erfindung ist es möglich, den Mittelpunkt der Gitterpotentialschwingung anstatt bei A im Nullpunkt der Gitterspannung oder auf der positiven Seite, z. B. bei A', anzunehmen. Dies ist möglich durch die Wirkung der Ausgleichsröhre.
Die Schwingung der Gitterspannung ist jetzt nicht auf die negative Seite der Kurve allein beschränkt, sondern sie kann frei nach beiden Seiten schwingen und dabei die Signale unverzerrt verstärken, wenn die Gitterspannung zwischen den Punkten B auf der negativen Seite und C'auf der positiven Seite der Kurve schwingt.
Aus der Betrachtung der Kurve ist ersichtlich, dass die Stärke des das System verlassenden Stromes der Röhre bedeutend gesteigert werden kann. Ebenso ist ersichtlich, dass jeder Potentialabfall im Gitterstromkreis der Verstärkungsröhre, wenn das Gitter positivist, sieh mit den Veränderungen des einlangenden Stromes ändert, so dass keine Verzerrung in dem das System verlassenden Stromkreis der Röhre eintritt.
Das positive Potential der Anode der Ausgleiehsröhre wurde als geringer angegeben als das Potential der Anode der Verstärkungsröhre. Es wurde indes gefunden, dass dieses Potential selbst über das Potential der Verstärkungsröhre gesteigert werden kann mit einer gleichzeitigen Steigerung der Verstärkung des das System verlassenden Stromes.
In Fig. 3 der Zeichnung ist nur eine Röhre 28 mit dem an sich bekannten Gitter 29, der Anode 30,
Kathode 31, der Hilfskathode J2 und einem Hjüsgitter J < ? gezeigt. Das Hltlfsgitter Jj ist direkt mit der ID1fskathode. 32 verbunden und überwacht die Elektronenaussendul1g von der Kathode 31 zur Anode 30.
Ein Heizfaden., ist zur Heizung der Kathode 32 vorgesehen und ebenso ein Heizfaden 35 zum Heizen der Kathode-M. Diese Heizfäden können parallel oder in Serien angeordnet werden, ebenso kann ein einziger Heizfaden für beide Kathoden verwendet werden.
Zwei Drähte. 36 fuhren aus der Röhre vom Faden und sind mit der Sekundärwicklung. 7 eines Transformators 38 verbunden. Die Primärwicklung 39 desselben ist mit einer Wechselstromquelle verbunden. Das Gitter 29 ist durch einen Draht 40 mit der Sekundärwicklung des den Strom einfÜhrenden Transformators 42 auf übliche Weise verbunden. Die Anode 30 ist durch einen Draht mit der Primärwicklung 44 des Ausgangstransformators 45 verbunden. Das zweite Ende der Sekundärwicklung 41 des Transformators 42 ist über einen Draht 41 mit der negativen Seite der Batterie 46 in Verbindung, während die positive Seite der Batterie mit dem zweiten Ende der Primärwicklung 44 des Transformators 45 verbunden ist.
Ein weiterer Draht 47 verbindet die Kathode 31 mit dem Draht 41 a, der zur negativen Seite der Batterie 46 führt, und den Kondensator 48, der über die Batterie auf bekannte Weise geschaltet ist.
Die Wirkung der Vorrichtung ist die gleiche wie bei der Anordnung in Fig. 1, so dass, wenn das Gitter 29 negativ ist, kein Strom im zum System führenden Stromkreis fliesst, und wenn das Gitter 29 positiv ist, kein Strom infolge der Wirkung der ID1fskathode. 32 und des Gitters 33 fliesst. Auf diese Weise verstärkt die Röhre ohne Verzerrung, wenn die Gitterspannung zwischen positiven und negativen Werten schwingt.
In den Fig. 4 und 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Anbringung der verschiedenen Einzelteile in der Röhre gezeigt. Die Anode. 30 besteht aus einer flachen Röhre aus Niekelblech oder aus anderm Metall. In dieser Röhre befinden sieh die ändern Teile. Ein Gitter 29 besteht aus einem Molybdänoder einem andern geeigneten Draht, der schraubenförmig innerhalb der Anode angeordnet ist, sich in dieser Röhre der Länge nach erstreckt und von deren Wänden um geringes absteht. In dem Gitter 29 befindet sich die Kathode 32, die aus einem Nickelzy1inder oder ähnlichem geeignetem Metall hergestellt und mit Elektronen aussendende Stoff überzogen ist. Ein Draht 52 verbindet das zweite Gitter. 33 mit dieser Kathode.
Das Gitter''3. 3 ist parallel zum Gitter 29 angeordnet und besteht aus einem gleichen,
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schraubenförmig gewundenen Draht und ist in der Anode 30 angeordnet, wie die Fig. 4 und 5 zeigen.
Innerhalb des Gitters 33 befindet sich die Kathode 31 von gleicher Ausführung wie die Kathode 3. 8.
Die Kathoden 32 und 31 werden auf geeignete Weise geheizt. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Stäbchen 55, 56 aus Isoliermaterial innerhalb der Kathoden 32 bzw. 31 gezeigt. Jedes dieser Stäbehen besitzt eine Bohrung, die sich der Länge nach in der Mitte des Stäbchens erstreckt, durch welche der Faden 57 geführt ist. Ein Sockel 58 unterstützt die Teile der Röhre auf geeignete Weise. Die elektrischen Verbindungen können z. B. in den Sockel eingesiegelt werden. Die Anode 30 ist durch die Leitung 59, das Gitter 29 durch die Leitung 60, die Kathode 31 durch die Leitung 61 mit dem Sockel verbunden. Die
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so dass die Röhre an Stelle einer mit fünf Endkontakte versehenen Kontaktröhre gesetzt werden kann.
Die Wirkungsweise der Röhre ist die gleiche wie die in Fig. 3 gezeigte.
In Fig. 6 umgibt die zylindrische Anode 30 ein Paar schraubenförmig gewundene Gitter 29 und 33, die in der Gitterröhre hintereinander angeordnet sind, d. h. sie liegen in derselben Achse, sind aber räumlich voneinander getrennt. Das Gitter 29 ist mit dem Aussenstromkreis durch eine Leitung 65 verbunden.
Innerhalb der Gitter 29 und 33 befinden sich die Kathoden 32 bzw. 31, die ungefähr gleich lang sind wie die zugehörigen Gitter. Die Kathode 32 ist mit dem Gitter 33 durch eine Leitung 68, wie gezeigt, verbunden. Die Kathode 31 ist mit dem Aussenstromkreis durch den Draht 69 verbunden. Ebenso verbindet ein Draht 70 die Anode 30 mit dem Aussenstromkreis.
Um die Kathoden 32 und 31 zu heizen, ist ein Isolierstab 71, der durch die beiden Kathoden geht, längsweise angeordnet und besitzt ein Paar axiale Bohrungen. Ein haarnadelförmiger Faden 72, dessen Seitenteile sich durch je eine der zwei Bohrungen des Isolierstabes erstrecken, ist an den Enden jedes dieser Seitenteile mit dem Aussenstromkreis durch mehrere Leitungen 73 verbunden. Die Wirkungweise der Konstruktion ist die gleiche wie in Fig. 3.
In Fig. 7 ist eine geänderte Ausführungsform gezeigt. Die Kathode 32 ist aus einer Nickelröhre hergestellt und von einem schraubenförmig gewundenen Gitter 29 umgeben. Um das Gitter herum ist die Anode 30 angeordnet, vorzugsweise in Form einer Röhre. Eine zweite Anode 77, die einen beträchtlich grösseren Durchmesser besitzt als die Anode 30, ist um die letztere herum angeordnet und elektrisch mit ihr durch die Leitung 78 verbunden. Dadurch werden die beiden zylindrischen Anoden 30 und 77 zu einer einzigen Anode gemacht. Zwischen den beiden Anoden befindet sieh eine Mehrzahl Kathoden 79, von denen jede von einem Gitter 80 umgeben ist. Diese Kathoden haben dieselbe Aufgabe wie die Kathode 31 der Fig. 3. Alle Gitter 80 sind mit der Kathode 32 durch Drähte 82 verbunden.
Um die Kathoden 32 und 79 zu heizen, sind Isolierröhren vorgesehen, durch welche sieh die haarnadelförmigen Fäden, wie in Besprechung der Fig. 6 erläutert, erstrecken. Diese Fäden sind parallel oder in Reihe geschaltet. Eine beliebige Anzahl Kathoden 79 und Gitter 80 kann verwendet werden.
In der Figur sind sechs als bevorzugte Anzahl gezeigt. Die Wirkungsweise der Röhre ist wieder die gleiche wie in den vorher besprochenen Ausführungsformen.
In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Eine zylindrische Kathode 83
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sendet, die dieselbe Wirkung hervorrufen, wie in den bereits beschriebenen Ausführungen. Die kombinierte Kathode und das Gitter 85 sind vorzugsweise mit einem bei niedrigerer Temperatur Elektronen aussendenden Material versehen, als es bis jetzt üblich war, da es von der Hitze der ersten Kathode 83 abhängig ist und deshalb auf einer niedrigeren Temperatur verbleibt als die Kathode 63. Da sie von einer Hülle umgeben ist, die bei niedrigeren Temperaturen aktiv ist, wird sie ähnlich wirken wie die Kathode 32 der Fig. 3. Als Material für die Hülle wird vorzugsweise Zäsium verwendet.
Das Netz des kombinierten Gitters und der Kathode ist vorzugsweise viel feiner als das Netz des äusseren Gitters, so dass die Verstärkungskonstante des äusseren Gitters geringer ist als die des inneren.
Eine positive Vorspannung am Einführungsgitter kann bei Röhren entsprechend der Erfindung von Vorteil sein. Da das Gitter im Einführungsstromkreis gewöhnlich negativ ist, wird die positive Vorspannung einen Teil der negativen Vorspannung, die sich schon dort befindet, entgegenarbeiten und das Gitter wirkt über den geraden Teil der Röhrencharakteristik. So eine Gittervorspannung kann mit Hilfe eines Widerstandes 89, wie in Fig. 9 dargestellt ist, erzeugt werden oder es kann eine Batterie in die
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bunden ist.
Die Röhre gemäss der Erfindung besitzt einen sehr starken Ausgangsstrom, weil die Impedanz des Ausgangsstromkreises sehr gering ist und eine sehr hohe Verstärkungskonstante kann, ohne die Impedanz wesentlich zu vergrössern, benutzt werden. Die Wirkung der Röhre ist durch die hohe Temperatur der Anode wegen des hohen Anodenstromes begrenzt. Dies kann jedoch durch Steigerung der Verstär-
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Die auf diese Weise hergestellte Elektronenröhre besitzt vier oder fünf Endkontakte, so dass sie an Stelle der bekannten Weehselstromröhren gesetzt werden kann. Da es nicht notwendig ist, die Schwingung des Gitterpotentiales im Einführungsstromkreis zu begrenzen, wird eine besonders grosse Verstärkung erzielt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Hervorbringung unverzerrter Verstärkungen in elektrischen Verstärkungssystemen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gitterstromkreis einer Vakuumröhre, in dem sich die sekundäre Wicklung eines Eingangstransformators befindet, ein Parallelweg veränderlichen Widerstandes zu der Wicklung vorgesehen ist, durch den eine Verzerrung des verstärkten Stromes, wenn die Gitterspannung positiv ist, verhindert wird.