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Elektronenröhren-Verstärker.
Die Erfindung betrifft Vakuumröhrenstromkreise, wie sie in der Fernmeldetechnik z. B. für
Verstärker oder ähnliche Zwecke verwendet werden, und bezweckt eine besonders naturgetreue Wieder- gabe bzw. grössere Leistung und besseren Wirkungsgrad.
Dies wird dadurch erreicht, dass die auftretenden Harmonischen auf eine noch zu beschreibende
Weise beeinflusst werden, so dass die Ausgangsleistung und die Grundfrequenzkomponenten erhöht werden, während die unerwünschten Harmonischen im Verstärkerausgang unterdrückt werden.
Ein Gegenstand der Erfindung ist, die Harmonischen auf die Weise zu kontrollieren, dass die
Grundfrequenz und die dritte Harmonische sehr gross gemacht werden und dass ihr gegenseitiges Verhältnis im Ausgang beliebig verändert wird.
Ein Erfindungsmerkmal ist ein besonders entworfener Stromkreis in dem Stromweg für die geradzahligen Harmonischen bei Verstärkern in Gegentaktschaltung, über die eine oder mehrere Frequenzen laufen, oder einfache Verstärkerstufen, durch die eine einzelne Frequenz oder ein enges Frequenzband (wie z. B. in einer Telegraphen-oder einer Trägerstromtelegraphenanlage) läuft.
Ein anderes Merkmal der Erfindung beinhaltet die Einschaltung eines eigenen Brückenstromkreises in einer solchen Weise, dass dadurch die Anodenspannung und die Gitterspannung gesteuert werden.
Ein weiteres Erfindungsmerkmal, das bei Gegentaktschaltung angewandt wird, ist ein Umkehrungstransformator, der die Wirkung hat, die Brückenimpedanz negativ zu machen, um die Ver- stärkercharakteristik unterhalb des Nullwertes der mittleren Brückenimpedanz zu verbessern.
Bekanntlich ist der Ausgang eines Vakuumröhrenstromkreises verzerrt, u. zw. enthält der Ausgang eines Verstärkers für eine Sinusfrequenz die Grundfrequenz und deren Harmonische. Einige harmonische Frequenzen sind unerwünscht, insbesondere die Harmonischen der niederen Ordnung, da sie gewöhnlich am stärksten sind und eine unerwünschte Belastung des Verstärkers bedeuten. Wird an den Verstärkereingang eine komplexe Welle gelegt, dann sind im Verstärkerausgang Frequenzen, welche gleich der Summe und der Differenz der ursprünglich aufgedruckten Frequenzen und der Harmonischen sind, und ferner verschiedene Harmonische der ursprünglichen Welle im Eingang enthalten. Für eine naturgetreue Wiedergabe durch einen Verstärker ist es notwendig, dass ein Minimum von Modulationsprodukten vom Verstärker abgegeben wird.
Die Erfindung benutzt die Modulationsprodukte zur Vergrösserung des Ausganges der Grundfrequenz und Verringerung der Verzerrung, wodurch die Wiedergabe verbessert wird. Die Ausgangsleistung der Grundfrequenz wird erhöht, ohne dass, trotz der grösseren Wirksamkeit, der Energieverbrauch erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung zeigt verschiedene Ausführungsarten eines Stromkreises, der geeignet angebrachte Widerstände und Kondensatoren von bestimmten Werten hat, um die geradzahligen Spannungen in den Röhrenanodenstromkreisen zu steuern und diese Spannungen durch die Grundspannung zu modulieren. Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, dass die ungeraden Harmonisehen der Grundfrequenzen im Eingang eines Verstärkers durch Zwischenmodulation der Grundfrequenzen durch die geradzahligen Frequenzen erzeugt oder begrenzt oder unterdrückt werden
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können. Die Spannungen zweiter Ordnung erzeugen, wenn sie mit den Grundspannungen moduliert werden, Komponenten, die aus neuen Grundspannungen und Spannungen dritter Ordnung bestehen, wodurch die sonst auftretenden Grundspannungen und Spannungen dritter Ordnung abgeändert werden.
Diese neuen Komponenten werden verwendet, um den Ausgang der Grundfrequenzen zu erhöhen und den Ausgang der dritten Harmonischen auf eine noch zu beschreibende Art zu verringern.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen einer einzelnen Stufe in einem Verstärker nach der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 zeigt charakteristische Kurven bei Einschaltung eines Brückenstromkreises nach Fig. 1 und 2. Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, welche die Anwendung von Elementen des Brückenstromkreises für mehrere Anwendungszwecke zeigt. Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer einfachen Anordnung zur Übertragung entweder einer Einzelfrequenz oder eines
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formators als Rückkopplungsvorriehtung, damit der Widerstand einen negativen Wert erhält, um die Verstärkereigensehaften in einem andern Arbeitsbereich zu verbessern.
Der Steuerstromkreis für die geradzahligen Harmonischen nach der vorliegenden Erfindung hat geeignete Widerstände und Kondensatorelemente für jede besondere Ausführungsform, um die geradzahligen Modulationsprodukte in dem Vakuumröhrenanodenstromkreis zu steuern und diese geradzahligen Komponenten mit den ungeraden Komponenten zu modulieren, die nicht auf den Brückenstromkreis aufgedruckt werden. Die Erfindung benutzt die Tatsache, dass die ungeradzahligen Harmonischen (hauptsächlich die dritten) der Grundfrequenzen im Eingang durch Zwischenmodulation der Grundfrequenzen mit den geradzahligen Frequenzen erzeugt oder begrenzt oder unterdrückt werden können.
In einem Artikel von Peterson und Evans"Modulation in Vakuumröhren, die als Verstärker benutzt werden", veröffentlicht im Bell System Technical Journal, Juli 1927, ist gezeigt, dass der Koeffizient, der die Stromkomponenten dritter Ordnung bestimmt
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ist, wobei die b-Faktoren Derivate der statischen Röhreneharakteristik im Wirkungspunkt :
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Hierin sind Cy der Stromkoeffizient erster, O2 derjenige zweiter Ordnung und R der Belastungswiderstand in dem Anodenstromkreis der in Frage stehenden Vakuumröhre.
In einem Gegentaktverstärker ist nun der Belastungswiderstand nicht für alle Modulations- komponenten gleich. Bekanntlich entstehen in einem sole. hen Verstärker Spannungen der zweiten
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heben, jedoch im Anodenbrückenstromkreis in Phase fliessen. Der Belastungswiderstand für die Komponenten zweiter Ordnung jeder Röhre ist daher doppelt so gross wie die Brückenstromkreis- impedanz (wobei der Widerstand des Ausgangstransformators vernachlässigt wird).
In einem Gegen- taktverstärker kann nun der Koeffizient 03 dritter Ordnung für jede Röhre so geschrieben werden, dass er die Belastungsimpedanz für jede Stromkomponente enthält, u. zw. :
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Die ersten vier Ausdrücke dieser Gleichung enthalten Grundfrequenzspannungen und Ströme und werden daher nicht durch die mittleren Anodenstromimpedanzen beeinflusst. Der fünfte Ausdruck
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Frequenz fünfter und dritter Ordnung und der Grundfrequenz, der Ausdruck vierter Ordnung Ausdrücke der Frequenz vierter, zweiter und der Gleichstromordnung. In ähnlicher Weise enthält der Ausdruck dritter Ordnung Ausdrücke der Frequenz dritter Ordnung und der Grundfrequenz.
Es hängt jedoch der Ausdruck für die Frequenz dritter Ordnung vollständig von der Grösse Cg ab, während der Beitrag dritter Ordnung zur Grundfrequenz nur ein Teil der Gesamtgrundenergie ist. Die Grösse von R, kann daher so gewählt werden, dass das Glied der dritten Harmonischen bei einem bestimmten Wert ein Minimum erreicht (wie in Fig. 3 gezeigt, Kurve A und B), während der Beitrag der Grundfrequenz einen bestimmten Wert hat. Wird R2 von dem kritischen Wert für ein Minimum der Komponente dritter Ordnung ausgehend, verkleinert oder vergrössert, so wächst damit das Glied der Frequenz dritter
Ordnung. Das Glied der Grundfrequenz wächst, wenn R2 in der einen Richtung geändert wird, und wird kleiner bei einer Änderung von J in der entgegengesetzten Richtung.
So können durch eine entsprechende Einstellung des Brückengliedes folgende Arbeitsfälle erreicht werden :
1. Die dritte Harmonische und die Grundfrequenz sind beide im Ausgang gross ;
2. die dritte Harmonische wird ein Minimum und die Grundwelle nimmt einen mittleren Wert an ;
3. die dritte Harmonische ist sehr gross, und die Grundfrequenz nimmt einen Mindestwert an.
Es ist zu bemerken, dass bei Verwendung eines Umkehrtransformators, über welchen ein Teil des Spannungsabfalles der zweiten Harmonischen im Brückenzweig als Rückkopplung an das Gitter gebracht wird, einen negativen Wert annahmen kann, so dass er auch unterhalb des in Fig. 3 angegebenen Nullpunktes wirkt, dass ferner bei Verwendung von verschiedenen Arten von Vakuumröhren das Vorzeichen des b-Koeffizienten-in der oben angeschriebenen Gleichung-entweder + oder-sein kann, das Vorzeichen von Cg damit umgekehrt wird und das Maximum der Grundwellenausgangsleistung bei grossem R, erhalten wird, also tritt der umgekehrte Fall ein, wie er in Fig. 3 dargestellt ist.
Der Eingang 6, 7 des Transformators 8 nimmt das Signal auf, das etwa von der Leitung oder einer vorhergehenden Verstärkerstufe kommt. Die Sekundärwindung des Transformators 8 liegt an den Gittern der Röhren 10 und 11. Der Gegentaktausgangskreis der Röhren 10 und 11 enthält die Primärwindung 14 des Transformators 15 und eine geeignete Anschlussmöglichkeit für die Last - etwa ein Lautsprecher oder ein Empfangsgerät. Die Leistung für den Betrieb dieser Verstärkerstufe wird einer Wechselstromquelle entnommen, welche an der Primärwindung 20 des Netztransformators liegt. Die Sekundärwindungen 21, 22 des Netztransformators werden für die Wechselstromheizung der Röhren verwendet, während die Sekundärwicklung 23 über die Gleichrichterröhre 25 die Anodenspannung liefert.
Die Anodenspannung wird nach dem Gleichrichter 25 durch die im Kreise liegende Drossel L1 und den Kondensator C", zu dem der Widerstand R3 parallel liegt, gesiebt. Der negative Pol der Anodenspannungsquelle des Gegentaktkreises wird an den Heizfaden der Röhre über den Brückenkreis, welcher die Spannungen der geradzahligen Harmonischen, wie vorher erwähnt, steuert, gelegt. Dieser Kreis enthält den Filterwiderstand R2 und die Kapazität 011 mit den Gittervorspannungswiderständen B, und Rus, wobei der Kondensator 012 parallel zu dem Widerstand Rs liegt.
Die Weglassung des Kondensators 011 in dieser Anordnung würde eine Rückkopplung an das Gitter über den Brückenzweig ergeben, wodurch Arbeitskennlinien entstehen, welche von den in Fig. 3 gezeigten Kurven verschieden sind.
Für Versuchszwecke wurde der Kreis von Fig. 1, so wie Fig. 2 zeigt, so aufgebaut, dass der Kondensator Cis an eine variable Abzapfung zwischen die Widerstände Rs und ssa gelegt werden kann. Die Kurven der Fig. 3 zeigen die Unterdrückung der Harmonischen und die Ausgangsleistung bei der Änderung der Werte des Kreises von Fig. 2. Die Schaltung von Fig. 2 verwendet an Stelle der Anodenspannungsversorgung über ein Filter aus einem Gleichrichter wie in Fig. 1 eineAnodenspannungsbatterie28 Ein günstigster Wert für ein Minimum der dritten Harmonischen findet sich aus Kurve A in Fig. 3 für eine Einstellung, bei der der Widerstand jss im Brückenzweig ungefähr 35 Ohm wird.
Bei diesem Wert des Brüekenzweigwiderstandes war bei einer Anordnung ohne Brüekenzweigrückkopplung die Ausgangsleistung nahezu ein Maximum (Kurve C). Bei einer Brückenzweigrückkopplung findet man, dass die Ausgangsleistung grösser wird, wenn R, kleiner ist (Kurve D).
Fig. 4 zeigt eine kleine Änderung der Anordnung der Elemente des Gegentaktausgangskreises, wobei gewisse Elemente des Brückenzweiges in eine Stellung gesetzt werden, in der sie eine bessere Glättung der Anodenspannung bewirken. Hier hat der Brückenzweig die Funktion, die geradzahligen Harmonischen der Gittervorspannung zu steuern und die Anodenspannung zu glätten. In dieser Schaltung bilden die Kondensatoren 010 und 012 mit der Induktion L1 und dem Widerstand ein Filter im Anodenspannungskreis. Sie geben auch einen Weg niedriger Impedanz vom Mittelpunkt der Primärwicklung des Ausgangstransformators zum Widerstand R2 und X.
Die Schaltung nach Fig. 5 ist für die Übertragung einer einzelnen Frequenz to eingerichtet. An den Anschlüssen 31 und 32 liegt eine Überlagerungstelegraphieleitung oder ein Verstärker und steuert über den Transformator 33 das Gitter der einen Röhre 34. An dem Anodenausgangskreis des Rohres 34 liegt über den Transformator 36 die Last 36. Der Kreis, welcher die geradzahligen Harmonischen aufnimmt, wird abgestimmt auf 2/o, d. i. die zweite Harmonische der dem Verstärker aufgedrückten Eingangsirequenz/,. Dieser Stromkreis besteht aus einer Induktion 38, einem Kondensator 39 und
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einem Widerstand 40, welche Elemente zum Zwecke der Einstellung variabel sein mögen.
Da in diesem besonderen Fall keine Rückkopplung vorhanden ist, sind die Kurven aus Fig. 3, welche für eine
Brückenkreisrückkopplung gelten, nicht anwendbar. Jedoch sind die Vorteile, welche diese Schaltung gibt, ähnlich denen, die aus den Kurven ohne Rückkopplung in Fig. 3 zu ersehen sind. Der Neben- schluss für die zweiten Harmonischen ermöglicht es, die zweiten Harmonsichen ihrer Grösse nach zu regeln, und damit wird eine Regelung der dritten Harmonischen und der Grundwelle erreicht. Dadurch, dass der Nebenschluss eine Impedanz bekommt, die für die zweite Harmonische sehr klein ist, wird die Erzeugung dieser Komponente begünstigt, welche dann mit einem grossen Betrag für die Zwischenmodulation der Grundwelle-in der früher erklärten Weise-im Rohr zur Verfügung steht.
In Abhängigkeit von der Einstellung dieses Nebenschlusses im Verhältnis zu andern Teilen des Kreises kann die Ausgangsleistung an Grundwelle erhöht, die dritte Harmonische verringert oder entweder das eine, beides oder das Gegenteil erreicht werden.
Die Kreise in Fig. 6 entsprechen denen in Fig. 1 und 2. Die Teile wurden nur so umgestellt, dass ein Umkehrtransformator 42 eingefügt werden kann, welcher Rückkopplung zulässt, die eine grössere Ausgangsleistung durch eine tatsächliche Umkehrung des Vorzeichens des Widerstandes ermöglicht, wobei die Grösse der Spannung, die dem Gitter vom Brüekenkreis aufgedrückt wird, dem Widerstand ss, umgekehrt proportional ist. Ein Sperrkondensator 43 in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators 42 verhindert, dass einer der Gittervorspannungswiderstände 0-entsprechend ss in Fig. l-durch diese Wicklung direkt überbrückt wird. Der Brückenzweigwiderstand Rso, welcher auch als Gittervorspannungswiderstand dient, hat eine ähnliche Aufgabe wie Es im Schaltschema Fig. 1.
Die Vorteile der Erfindung werden in den Kurven der Fig. 3 gezeigt, welche aus Messungen an Verstärkern dieser Ausführung, vorzüglich an solchen, wie in Fig. 1 gezeigt, gewonnen wurden. Die Versuche wurden mit nur einer einzigen dem Verstärker zugeführten Frequenz ausgeführt. Die horizontale Achse für alle Kurven gibt die Ohmwerte des Brückenkreiswiderstandes an. Die senkrechte Achse für die untere Kurvengruppe 0 und D gibt die Ausgangsleistung in Watt an, welche zwischen 11 und 14 Watt für die zwei Arbeitsbedingungen mit oder ohne Rückkopplung liegt. Bei der Verwendung eines Umkehrtransformators 42 und der Brückenkreisrüekkopplung findet sich die Ausgangsleistung in Watt auf der strichlierten Verlängerung der Kurve D, welche 14 Watt übersteigt.
Die mittlere Kurvengruppe A, B gibt die dritte Harmonische in Dezibel unter der Grundwelle an.
Diese Kurven fallen von etwa 22 Dezibel unter der Grundwelle bis auf ungefähr 57 Dezibel unter der Grundwelle bei Minimum, welches für den Fall ohne Brückenkreisrückkopplung bei einem Widerstandswert von = 35 Ohm auftritt. Die Brückenkreisrückkopplung mit ihren Vorteilen wird bei einem positiven Wert von RII durch die Weglassung des Kondensators C'u und für einen negativen Wert von Rus dutch die Anwendung des Umkehrtransformators 42-so wie Fig. 6 zeigt-erreicht. Das Minimum an dritten Harmonischen bei Zwischenkreisrückkopplung wird theoretisch dann erreicht,
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Werten des Widerstandes R6 über den Brückenstromkreis fliesst, aufgetragen.
Die Kurven bewegen sich in einem Bereiche von 8-30mA bei Kreisen nach Fig. 1 und in einem grösseren Bereich bei Brückenkreisrückkopplung mit Umkehrtransformator 42.
Es gibt eine ideale Einstellung, bei der der Strom der dritten Harmonischen ein Minimum wird ; hier tritt eine wesentliche Verbesserung der Abgabe des Verstärkers ein. Durch sorgfältige Auslegung der Kurven kann die gewünschte Einstellung gewählt werden. Wenn keine Rückkopplung verwendet oder wenn nur mit dem Kondensator On ohne Umkehrtransformator 42 gearbeitet wird, dann ist die Ausgangsleistung von einem Widerstand von 250 Ohm für an fast unverändert. Die Theorie, welche das Vorhandensein dieses flachen Teiles erklärt, ist etwas zweifelhaft. Der Strom der zweiten Har-
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Brückenkreisrückkopplung fällt der Strom der zweiten Harmonischen im Brückenkreis viel raseher bei der Vergrösserung von sse.
Das Fallen soll (1 + u.) mal grösser sein als im Falle ohne Rückkopplung.
R6 ist theoretisch (1 + ) mal so wirksam bei Brückenkreisrückkopplung als ohne Brückenkreisrückkopplung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektronenröhrenverstärker, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, so dass Spannungen zweiter Ordnung in dem Anodenstromkreis oder-kreisen in solcher Weise auftreten, dass ihre Zwischenmodulation mit Wellen der Grundfrequenz neue Modulationsprodukte ergibt.