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Einrichtung zur Vermeidung von niehtlinearen Verzerrungen.
Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, die bezwecken, die Ausgangsamplitude einer Röhrenschaltung (z. B. eines Verstärkers) in lineare Abhängigkeit von der Eingangsamplitude zu bringen. Dieses Ziel wird in bekannten Anordnungen durch Hinzufügung gewisser Schaltmittel (Rüekkopplungskreis, zusätzliche nichtlineare Schaltelemente) erreicht, wobei letzten Endes eine Linearisierung der verwendeten Röhre erstrebt wird.
Eine solche Linearisierung ist stets mit Leistungsverlust verbunden, und kann niemals vollständig sein, da hiebei der durch die Inkonstanz des Durehgriffes bedingte Anteil des Klirrfaktors nicht miterfasst wird.
Gemäss der Erfindung werden bei einer Einrichtung zur Vermeidung von nichtlinearen Verzerrungen bei Schaltungen mit Elektronenröhren oder andern Elementen mit niehtlinearer Amplitudenabhängigkeit mittels Kompensation Entladungsgefässe verwandt, die eine derart fallende Durehgriffs-Gitterspannungscharakteristik aufweisen, dass für ein bestimmtes Anpassungsverhältnis die durch die Krümmung der Arbeitskennlinien der Röhren oder auf andere Weise entstehenden Oberschwingungen durch solche kompensiert werden, die auf der fallenden Durchgriffs-Gitterspannungscharakteristik einer oder mehrerer Röhren beruhen.
Diese Art der Kompensation kann naturgemäss stets nur für ein bestimmtes Anpassungsverhältnis realisiert werden, da ja die Arbeitseharakteristik und ihre Krümmung belastungsabhängig ist, während die Durehgriffscharakteristik konstant bleibt.
Die Röhren mit normaler Elektrodenanordnung zeigen innerhalb eines grossen Gitterspannungsbereiches einen steigenden Druchgriffverlauf, wenn der Arbeitspunkt entsprechend den übrigen an die Röhre zu stellenden Anforderungen gewählt wird. Nur an wenigen, verhältnismässig schmalen Stellen zeigt die Durehgriffskennlinie eine fallende Tendenz. Es bereitet Schwierigkeiten und führt zu einer Verringerung der Verstärkung bzw. Leistungsabgabe, wenn der Arbeitspunkt so gewählt wird, dass die Stellen fallender Durchgriffskennlinien ausgenutzt werden.
Wegen der verhältnismässig schmalen Bereiche fallenden Durehgriffes würde der Aussteuerungsbereich ebenfalls sehr klein werden, so dass die Verwirk- lichung des Erfindungsgedankens mit Röhren der normalen Elektrodenanordnung nur bei kleiner Aus- steuerung möglich ist.
'Gemäss einem weiteren Gedanken der Erfindung werden diese Schwierigkeiten durch die Anwendung einer sogenannten Gegensteuerröhre vermieden. Bei diesen Röhren befindet sich die Steuerelektrode zu mindesten teilweise auf der entgegengesetzten Seite der Kathode wie die Anode. Versuche haben ergeben, dass der Durchgriffsverlauf dieser Röhren für Kompensationszwecke wesentlich besser geeignet ist als bei den Röhren mit normaler Elektrodenanordnung. Bei Gegensteuerröhren zeigt der Durchgriff über einen grossen Gitterspannungsbereich eine fallende Tendenz. Derartige Röhren sind an sich als sogenannte Plattenröhren bekannt.
Um eine ausreichende Kompensationswirkung durch die Gegensteuerröhren zu erlangen, ist ein steiler Abfall der Durchgriffs-Gitterspannungskennlinie erforderlieh. Gemäss einem weiteren Gedanken
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der Erfindung wird zu diesem Zweck die Steuerelektrode konvex gegenüber der Kathode bzw. den einzelnen Windungen des Kathodendrahtes ausgebildet. Derselbe Effekt lässt sich auch durch die Verwendung eines flachen Bandes von geeignetem Querschnitt (elliptisch, rechteckig od. dgl. ) als Kathode erzielen, wenn die längere Querschnittsseite des Kathodenbandes der Steuerelektrode zugekehrt ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht erforderlich, dass die Gegensteuerröhren in der bisher üblichen Weise mit plattenförmigen Elektroden ausgebildet sind, sondern es kann auch der bei den Röhren mit normaler Elektrodenanordnung übliche konzentrische'Aufbau angewendet werden. Selbstverständlich lassen sich auch zur Erzielung besonderer Eigenschaften weitere Gitter innerhalb des Elektrodensystems anordnen.
Wie schon ausgeführt wurde, ist die Kompensation nichtlinearer Verzerrungen gemäss der Erfindung nur für ein bestimmtes Anpassungsverhältnis bzw. für einen bestimmten Bereich realisierbar.
In den Fällen, wo der Bdastungswiderstand Änderungen unterworfen ist, beispielsweise eine starke Frequenzabhängigkeit zeigt, sieht die Erfindung vor, die Abhängigkeit der Kompensationswirkung von dem Anpassungsverhältnis dadurch zu verringern, dass die beschriebene Einrichtung zur Kompensation mit andern bekannten Linearisierungsschaltungen kombiniert wird. Die bekannten Linearisierungsschal- tungen, z. B. negative Rückkopplungen, haben allein angewendet den Nachteil, dass die Verstärkung um so mehr abnimmt, je besser die linearisierende Wirkung der Schaltung wird. Bei einigen Schaltungen der bekannten Art tritt das theoretische Optimum der Entzerrung erst bei dem Verstärkungsfaktor 1 ein.
Werden diese bekannten Schaltungen jedoch zusammen mit einer Einrichtung gemäss dem Grundgedanken der Erfindung angewendet, so wird dadurch das Minimum der nichtlinearen Verzerrung (Klirrfaktorminimum) bezüglich des Anpassungsverhältnisses verbreitert, ohne dass es dabei erforderlich wäre, die bekannten Linearisierungsschaltungen derart zu bemessen, dass eine starke Herabsetzung des Verstärkung- grades stattfindet.
Wird die Kombination gemäss der Erfindung in Schaltungen angewendet, bei denen hinter dem zu linearisierenden Verstärker Filter vorgesehen sind, die nur einen bestimmten Frequenzbereich durchlassen, so kann das Klirrfaktorminimum um die oberste Oktave des zu übertragenden Frequenzbereiches schmaler als dieser gewählt werden. Die durch unzulässig hohen Klirrfaktor entstehenden Oberwellen der obersten
Oktave werden durch die erwähnten Filter sowieso abgeschnitten, so dass ihre Entstehung nicht durch andere Mittel verhindert zu werden braucht.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, die zur Erzielung einer linearisierenden Wirkung, beispielsweise einer negativen Rückkopplung, erforderlichen Schaltelemente (Ohmsche Widerstände) in den Röhren- körper einzubauen. Auf diese Weise ergibt sich eine Röhreneinheit, die für einen grossen Anpassungsbereich vollkommen linear arbeitet.
Im folgenden seien einige wichtige Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäss der Erfindung angeführt. Durch die Anwendung der Gegensteuerröhre kann die Kennlinienform von Übertragungs- systemen, insbesondere Verstärkern, mit einfachen Mitteln linearisiert werden. Die Erfindung ist daher überall da mit Vorteil anzuwenden, wo nicht lineare Verzerrungen besonders störend sind. Die wichtigsten Ausführungsformen der Erfindung sind Verstärker bei Trägerfrequenzmehrfachsystemen jeder Art wie Übertragungssysteme für Hochfrequenztelephonie, EW-Telephonie, Weehselstromtelegraphie, Überlagerungstelegraphie, Fernmessen usw. Durch die Linearisierung wird bei diesen Systemen eine gegenseitige Modulation der einzelnen Frequenzbänder vermieden.
Das Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen und Leitungen wird eingeschränkt und eine weitere Zusammendrängung der Frequenzkanäle ermöglicht.
Im Interesse der Verminderung des Übersprechens ist die Erfindung ebenfalls anwendbar für Telephonieverstärker in vieladrigen Kabeln.
Bei Musikverstärkern, insbesondere für Rundfunk und Tonfilmzwecke, kann durch die Anwendung der Erfindung eine Beseitigung der Obertöne und damit eine wesentliche Verbesserung des Klangbildes herbeigeführt werden.
Die Erfindung ist ferner wichtig für Geheimhaltungssysteme mit Inversion oder Transposition des Sprachbandes. Störtöne in der entschlüsselten Sprache können vermieden werden.
Als weitere Ausftihrungsbeispiele des Erfindungsgedankens kommen Verstärker für Messgeräte (Spannungszeiger, Pegelmesser, Messverstärker usw.) in Frage. Die Messfehler können auf diese Weise verringert und die zur Beseitigung der Oberschwingungen bisher erforderlichen Siebmittel vereinfacht bzw. entbehrlich gemacht werden.
Der Grundgedanke der Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Der gesamte im Ausgangskreis einer z. B. mit dem äusseren Widerstand Null belasteten Röhre fliessende
Strom lässt sich ausdrücken durch die Reihe :
EMI2.1
in welcher I, den Gleiehstromanteil des Anodenstromes, Ug die Gittervorspannung und Py die Gitter- Weehselspannung darstellt. In dieser Gleichung der Arbeitseharakteristik stellt das zweite Glied die
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Grundwelle des abgehenden Wechselstromes und das dritte seine zweite Oberwelle dar. Der durch dieses dritte Glied bedingte Klirrfaktor Ä' ist a] so :
EMI3.1
er sei im folgenden mit Stromklirrfaktor"bezeichnet.
Die bekannte Tatsache, dass der Durchgriff einer Röhre nicht über grössere Bereiche konstant, sondern eine Funktion der Gittervorspannung Ug und der Anodenspannung U"ist, bedingt ebenfalls einen Klirrfaktor 7, der z. B. durch das dritte Glied der Gleichung
EMI3.2
gegeben ist. (U = Gesamtausgangsspannung, U = Anodengleiehspannung.) Er lässt sich in der Form
EMI3.3
schreiben und sei als Durchgriffsklirrfaktor"bezeichnet.
Die Amplituden der durch die besprochenen beiden Klirrfaktoren erzeugten zweiten Oberwellen addieren sich, wenn das dritte Glied auf der rechten Seite der Gleichung (3) ein positives Vorzeichen besitzt, also der Durchgriff der Röhre mit wachsender negativer Gittervorspannung steigt, und subtrahieren sich, wenn dieses Vorzeichen negativ ist (Durchgriffscharakteristik fallend). Dieser letzte Fall wird erfindungsgemäss zur Auslöschung bzw. Verminderung der Oberwellen benutzt, u. zw. wie schon erwähnt, in besondere vorteilhafter Weise mit Hilfe von Gegensteuerröhren.
Die Abhängigkeit eines nach der Erfindung kompensierten Klirrfaktors von dem Anpassung- verhältnis ist in der Fig. 2, Kurve 5, dargestellt, u. zw. ist die Kompensation so durchgeführt worden,
EMI3.4
EMI3.5
= 1'5 bis 2'5 der Klirrfaktor wesentlich geringer ist als bei der Nichtbeachtung der Kompensationsbedingungen. Kurve 5 würde also beispielsweise durch die in Kurve 4 der Fig. 1 dargestellte Durchgriffcharakteristik zu erzielen sein, während Kurve 7 durch eine Durehgriffseharakteristik nach Kurve 1 oder 2 in Fig. 1 bedingt wäre.
Das Verfahren lässt sich selbstverständlich auf Röhrenkaskaden ausdehnen, wobei gegebenenfalls eine oder mehrere Röhren mit fallender Durehgnffscharakteristik die Kompensation des Stromklirrfaktors sämtlicher Röhren übernehmen können.
EMI3.6
EMI3.7
wendung finden.
Nach der Erfindung ist es ferner möglich, auch nichtlineare Verzerrungen, die nicht durch Röhren, sondern durch andere Schaltelemente (z. B. Eisen) hervorgerufen werden, zu beseitigen, indem eine oder mehrere nach der Erfindung bemessene Röhren an beliebiger Stelle in das zu verbessernde übertragungsystem eingeführt werden.
Ob man Hochvakuumröhren oder gasgefüllte Röhren verwendet, hängt von dem speziellen Fall ab, desgleichen, ob Röhren mit direkt oder indirekt geheizter Glühkathode oder Gaskathode, d. h. mit einer an Stelle des Glühfadens als Elektronenquelle dienenden ionisierten Gasstrerke benutzt werden.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens sind in den Fig. 3 und 13 dargestellt. Die Fig. 3-7 zeigen den Elektrodenaufbau der Gegensteuerröhre, Fig. 8 dient zur Erläuterung der physikalischen Wirkung der besonderen Gittergestaltung. Die Fig. 10-13 zeigen die Kombination von Gegensteuerröhren mit bekannten Linearisierungsschaltungen, während in Fig. 11 die Wirkung dieser Schaltungen auf den Klirrfaktorverlauf veranschaulicht ist.
Gegensteuerröhren sind als sogenannte Plattenröhren bekannt. In Fig. 3 ist eine derartige Röhre beispielsweise dargestellt. Die Kathode K befindet sich zwischen der Anode A und der ebenso wie die Anode plattenförmig ausgebildeten Steuerelektrode G.
Wie schon in der Einleitung ausgeführt wurde, kann ein möglichst schneller Abfall des Durchgriffes mit zunehmender negativer Gittervorspannung durch geeignete Formgebung der Steuerelektroden und der Kathode herbeigeführt werden. In den Fig. 5-7 sind Ausführungsbeispiele für diese Elektroden-
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gestaltung dargestellt. Die Fig. 5 und 6 zeigen die konvexe Ausbildung der Steuerelektrode ss gegenüber der Kathode K, Fig. 7 veranschaulicht die Anwendung einer bandförmigen Kathode.
Die Zweckmässigkeit der beschriebenen Elektrodenausbildung kann folgendermassen erklärt werden.
Denkt man sich die Feldlinienverteilung zwischen einer Kathode K entsprechend Fig. 8 und einer plattenförmigen Steuerelektrode G von glatter Oberfläche aufgezeichnet, so ergibt sich, dass zwischen den einzelnen Windungen der Kathode eine geringere Feldliniendichte vorhanden ist. An diesen Stellen ist der Durchgriff wesentlich grösser als an den durch die von den Kathodenwindungen ausgehenden Feldlinien abgeschirmten Stellen. Die Durchgriffskennlinie einer Röhre wird einen um so stärkeren Abfall und damit die Röhre eine um so stärkere Kompensationswirkung zeigen, je grösser das Verhältnis zwischen den Flächen kleinen Durchgriffes und den Flächen grossen Durchgriffes längs der Oberfläche der Steuerelektrode ist. Dieses Verhältnis liesse sich durch Entfernung des Gitters von der Kathode vergrössern.
Jedoch würde damit gleichzeitig die Steilheit der Röhre abnehmen, da die Einwirkung des Gitterpotentials auf den Elektronenstrom naturgemäss mit zunehmendem Abstand des Gitters von der Kathode abnimmt. Bei den in den Fig. 5-6 dargestellten Ausführungen wird bei hoher Kompensationswirkung gleichzeitig eine grosse Steilheit'erreicht.
Die Erfindung sieht weiterhin ein Schirmgitter zwischen Anode und Steuerelektrode vor, um der Durchgriffskennlinie die gewünschte Form geben zu können, die erforderlich ist, um Verzerrungen,
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schon in der Einleitung erwähnt, mit andern bekannten Linearisierungsschaltungen kombiniert, so tritt eine erhebliche Verbreiterung des Minimums ein, wie aus Kurve B zu ersehen ist. Der Bereich, innerhalb dessen der Klirrfaktor klein ist, ist so gross, dass für die wichtigsten Anwendungsgebiete der Klirrfaktor im gesamten Übertragungsfrequenzbereich unterhalb sehr geringer Grenzwerte gehalten werden kann.
Weitere Einzelheiten der Kombination gemäss der Erfindung werden an Hand der in den Fig. 1215 dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
EMI4.6
kreis zugeführte Gesamtspannung setzt sich aus der Eingangsspannung B und dem am Widerstand Ri. entstehenden Spannungsabfall zusammen.
In Fig. 11 ist eine ähnliche Schaltung dargestellt, bei der jedoch die negative Rückkopplung von einem parallel zur Belastung Ra geschalteten Widerstand R,... abgegriffen wird. Während die linearisierende Wirkung beider Schaltungen annähernd dieselbe ist, unterscheiden sie sieh durch die Beeinflussung des inneren Widerstandes der Röhren. Bei der Schaltung nach Fig. 12 wird der innere Röhrenwiderstand
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lung das Klirrfaktorminimum in Abhängigkeit von dem Belastungswiderstand R" zu verschieben, da bei Veränderung von Ra durch entsprechende Änderung des Röhrenwiderstandes das Anpassungsverhältnis konstant gehalten werden kann.
In Fig. 12 ist eine Gegensteuerröhre dargestellt, deren Gitterlueis ausser der Eingangsspannung E eine Spannung zugeführt wird, die der Differenz zwischen der Eingangsspannung E und der am Belastungwiderstand Ra vorhandenen Ausgangsspannung V proportional ist. Die Differenzspannung wird durch den Übertrager T2 dem Gitterkreis zugeführt. Die Spannungen E und V sind in Gegenphase an die Enden der Primärwicklung P dieses Übertragers angeschlossen. Bei Spannungsgleichheit fliesst durch die Wicklung kein Strom, während bei Abweichung der Spannungen ein diesen Abweichungen proportionaler Strom und damit eine entsprechende Spannung an der im Gitterkreis liegenden Sekundärwicklung-S' des Transformators T2 auftritt.
Die Differenzspannung und die durch den Übertrager T\ übertragene Eingangsspannung liegen in Reihe am Gitter. Die Phasenbeziehungen sind bei dieser Schaltung so gewählt, dass die an der Wicklung/3 vorhandene Spannung den Unterschied zwischen den Spannungen E und T' verkleinert. Bei dem beschriebenen Aufbau der Schaltung ist der Verstärkungsfaktor gleich 1. Es kann jedoch auch ein anderer Wert eingestellt werden, wenn nicht die volle Ausgangsspannung V, sondern ein Bruchteil derselben rückgekoppelt wird.
Fig. 13 zeigt eine Gegensteuerröhre, bei der der Rücldmpplungswiderstand RI.'in den Glaskolben der Röhre eingebaut ist. Die Schaltung entspricht der in Fig. 12 beschriebenen.
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