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Anordnung zur Erzeugung eines sägezahnförmigen Stromverlaufes.
Bei dem Problem der Erzeugung sägezahnartiger Kurvenformen, die insbesondere für die Ablenkung von Kathodenstrahlen in Kathodenstrahl-und Fernsehrohren notwendig sind, hat man zu unterscheiden, ob eine sägezahnförmige Spannung hergestellt werden muss, d. h. ob es sich um eine
Kathodenstrahlröhre mit Ablenkplatten handelt oder ob ein sägezahnförmiger Strom gewünscht wird, wie er für den Betrieb einer Kathodenstrahlröhre mit Spulenablenkung notwendig ist.
Die Erzeugung sägezahnförmiger Spannungskurven bereitet keine besonderen Schwierigkeiten.
Man pflegt zu diesem Zwecke einen Kondensator, beispielsweise über einen Widerstand, aus einer konstanten Spannungsquelle langsam zu laden und diesen Kondensator dann über eine Glimmlampe, eine gasgefüllte Verstärkerröhre od. dgl. schnell wieder zu entladen. Viel schwieriger ist es jedoch, in einer Ablenkspule einen sägezahnförmigen Strom zu erzeugen, insbesondere wenn die Linearität der schwach geneigten Sägezahnflanke so gut, die Rücklaufzeit so klein und die Frequenz des Sägezahnstromes so hoch sein soll, wie dies beispielsweise für Fernsehzwecke heute notwendig ist. Man hat zu diesem Zweck der Verstärkerröhre, in deren Anodenkreis die Ablenkspulen liegen, bereits eine Sägezahnspannung sowie einen aus einzelnen Impulsen bestehenden Spannungsverlauf zugeführt, welche beide zusammen einen sägezahnförmigen Strom durch die Ablenkspule hervorrufen.
Die hiezu erforderliche Schaltungsanordnung ist verhältnismässig kompliziert, da zur Erzeugung der Impulsspannung eine besondere Rohre notwendig ist. Es besteht auch die Möglichkeit, Kippschwingungen von annähernd sägezahnförmigem Verlauf mittels eines Dynatrons zu erzeugen, d. h. mittels einer Röhre, deren Stromspannungscharakteristik infolge der innerhalb der Röhre auftretenden Sekundärelektronenemission einen Bereich negativen Widerstandes aufweist. Jedoch lassen sich derartige Röhren nicht mit genügend gleichmässigen Sekundäremissionseigenschaften fabrizieren um alle praktischen Anforderungen zu befriedigen. Ferner ist die Steilheit des Astes a-b in Fig. 1, welche die Stromspannungscharakteristik des Dynatrons zeigt, nicht so gross, dass man eine ausreichende Linearität des Sägezahnes bei nicht allzu hoher Anodenspannung erhält.
Man könnte daran denken, zur Vermeidung dieses Nachteiles an Stelle des Dynatrons eine Triode mit Spannungsriickkopplung zu setzen. Jedoch besitzt die Stromspannungscharakteristik einer solchen Röhre mit Spannungsrückkopplung ebenfalls nicht einen genügend steilen Ast a-b, weil die Stromspannungskennlinien bei einer Triode anfänglich sehr flach verlaufen, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist. Der Parameter der einzelnen Kurven in Fig. 2 ist die Gitterspannung, die in der Richtung des Pfeiles p immer negativer wird. Es ist auch bekannt, eine Mehrgitterröhre mit Spannungsrüekkopplung zu verwenden, jedoch nur in der Form, dass eine Raumladegitterröhre benutzt wird, auch in diesem Falle ist der erste Ast der Stromspannungscharakteristik etwa ebenso flach wie bei einem Dynatron oder einer rückgekoppelten Triode.
Gemäss der Erfindung wird deshalb eine Mehrgitterröhre mit Spannungsrückkopplung verwendet, bei welcher zwischen dem rückgekoppelten Gitter und der Anode ein Gitter auf gegenüber Kathode positivem Potential liegt. Die Stromspannungskennlinie einer solchen Mehrgitterröhre mit Spannungsrückkopplung besitzt im Gegensatz zu der Kennlinie nach Fig. 1 und der Kennlinie einer Triode sowie einer Raumladegitterröhre einen steil ansteigenden Ast im Gebiet kleinerAnodenspannungen, wie es die Fig. 3 erkennen lässt, welcher einem Widerstand von 400 Ohm oder weniger und selbst in ungünstigsten Fällen noch einen Widerstand von etwa 800 Ohm entspricht.
Dies hängt damit zusammen,
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dass die Stromspannungskennlinien von Penthoden für eine konstante Sehirmgitterspannung den in Fig. 4 angedeuteten Verlauf mit steiler Anfangstangente besitzen. Der Parameter dieser Kurven ist ebenfalls die Spannung am Steuergitter, welche in der Richtung des Pfeiles p'negativer wird. An Stelle des Astes c-d in Fig. 1 bei einem reinen Dynatron tritt ein sehr flacher abfallender oder ein sehr flacher ansteigender Ast, der in der Fig. 3 mit g-/bzw. e-/bezeichnet ist. Der Ast -/in Fig. 3 ist ebenso bei einer spannungsrückgekoppelten Triode vorhanden, da durch die Rückkopplung der Anodenstrom rechts von der Linie Va in Fig. 3 stets nur kleiner werden kann.
Wenn man auch den Ohmschen Widerstand der Spule berücksichtigt, kann bei der Triode sowohl wie bei der Mehrgitter röhre gemäss der Erfindung der Ast e-/gelten.
Unter Verwendung einer spannungsrückgekoppelten Mehrgitterröhre gemäss der Erfindung ergibt sich nun ein sägezahnformiger Strom, wie unter gleichzeitiger Zuhilfenahme der Fig. 5, welche die entsprechende Schaltung enthält, erläutert werden soll. Die Anodenspannungsquelle Va möge den in Fig. 3 eingezeichneten Betrag besitzen. Wenn nun der Strom in der Röhre Null ist und die
Schaltung so wie in Fig. 5, in welcher die Spule L im Anodenkreis der Röhre liegt, besteht, steigt der Spulenstrom zunächst mit annähernd konstanter Tangente langsam an, da in jedem Punkte zwischen dem Koordinatenursprungspunkt und dem Punkte b in Fig. 3 die Spannung V zwischen der Anode und der Kathode der Mehrgitterröhre auftritt, während die Spannung VL an der Ablenkspule liegt.
Da zwischen dem Koordinatenursprungspunkt und dem Punkte b die Spannung F stets annähernd gleich gross ist, ist die Tangente des Stromanstiegs annähernd konstant. Im Punkte b will nun der Röhrenstrom wieder abnehmen, was zu einer Vergrösserung der an der Ablenkspule L liegenden Spannung infolge der elektromotorischen Kraft der Selbstinduktion führt. Die Spulenspannung steigt dabei ohne Stromabnahme sprunghaft so stark an, bis wieder ein stabiler Zustand erreicht wird, d. h. bis zum Punkte e auf dem flach ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie (der Ast g-/der Strom- spannungskennlinie in Fig. 3, der sich von dem Ast e-i nur durch einen verschiedenen Grad der Rückkopplung unterscheidet, soll vorläufig ausser Betracht bleiben).
Im Punkte e besitzt nun die Spannung an der Spule L das umgekehrte Vorzeichen wie vor Erreichung des Punktes b, da nämlich die Summe der Anodenspannung und der Spulenspannung wieder den Betrag Va der Anodenspannungsbatterie ergeben muss. Für jeden Punkt auf dem Aste e-i der Stronispannungskennlinie hat die Spannung zwischen Kathode und Anode der Röhre den Wert V'R und die Spulenspannung den Wert F'. Dieser letztere Wert ist viel grösser als der Wert Fz, und der Strom in der Spule muss sich daher viel schneller ändern als während der Zeit, in welcher der Kurvenast bis zum Punkte b durchlaufen wird.
Da die Spannung V'L ausserdem, wie bereits erwähnt, das umgekehrte Vorzeichen besitzt wie die Spannung Vu, mués die Stromänderung in der Spule in der umgekehrten Richtung vor sich gehen wie bis zum Punkte b, d. h. der Spulenstrom muss schnell abnehmen, während er bis zum Punkte b langsam zugenommen hat. Im Punkte 1 will der Röhrenstrom wieder zunehmen und die an der Spule entstehende Spannung der Selbstinduktion ändert sich sprunghaft, bis wieder der Punkt a auf dem steil ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie erreicht ist, worauf der beschriebene Vorgang sich wiederholt.
Der horizontale Verlauf der sogenannten Sprunggeraden b-e und j-a bedeutet eine starke Spannungsbeanspruchung der Mehrgitterröhre, da nämlich, wie bereits auseinandergesetzt, die Spannung V'R wenigstens in der Nähe des Punktes e sehr viel grösser ist als die Spannung Va. Um die Spannungsbeanspruchung der Röhre zu vermindern, kann man parallel zur Spule noch einen Widerstand W schalten, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ändert sich hiedurch in der Weise, dass statt der horizontalen Sprunggeraden schräg geneigte Sprunggeraden b'-e'und j'-a'erscheinen.
Durch den Widerstand W fliesst nämlich bei jedem Werte der Spannung e der in Fig. 7 durch die Ordinaten der Geraden G gegebene Strom und da der Spulenstrom sich beim Sprung von b'nach e'nicht ändert, der Strom durch den Widerstand W jedoch wegen der Spannungsumkehr seine Richtung umkehren muss, muss vom Punkte b'aus ein Sprung bis zu einer solchen Spannung ausgeführt werden, bei welcher der Röhrenstrom zusammen mit dem Strom durch den Widerstand gleich dem Spulenstrom ist. Die Sprunggerade muss daher parallel zu der Geraden G verlaufen, d. h. so liegen, wie es in Fig. 7 eingezeichnet ist. Ebenso muss die Sprunggerade von l'nach A' parallel zur Geraden G verlaufen.
Durch die Grösse des Widerstandes W kann man nun erreichen, dass der Punkt e'bei grösserer oder kleinerer Spannung liegt, d. h. dass die Spannungsbeanspruchung der Mehrgitterröhre unterhalb des zulässigen Maximums bleibt.
Die Verhältnisse, welche an Hand der Fig. 6 und 7 erläutert sind, werden nicht wesentlich geändert, wenn die Stromspannungscharakteristik der Röhre statt des ansteigenden Astes e-i in Fig. 3 den dort ebenfalls gezeichneten abfallenden Ast/- besitzt. Es bedarf lediglich einer andern Dimensionierung des Widerstandes W um die Spannungsbeanspruchung der Mehrgitterröhre unterhalb des zulässigen Maximums zu halten.
Im folgenden soll nun der Einfluss der Eigenkapazität der Spule L untersucht werden. Zu diesem Zweck soll, um die Betrachtung zu erleichtern, angenommen werden, dass der Ast/-g der Stromspannungskennlinie so nahe der waagrechten Achse des Koordinatensystems verlaufen möge, dass man die Stromspannungskennlinie durch die in Fig. 8 dargestellte Kurve annähern kann, welche
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im Punkte P auf der Abzissenachse mündet. Bis zum Punkte b'und längs des ersten Teiles der geneigten Sprunggeraden geht der Vorgang dann in derselben Weise vor sich wie oben beschrieben.
Sobald die durch den Punkt P gelegte vertikale Gerade überschritten und etwa der Punkt Q erreicht ist, ist die Mehrgitterröhre stromlos und die Schaltung besteht dann, wie es aus Fig. 9 ersichtlich ist, praktisch nur aus der Spule L, deren Eigenkapazität als parallel zur Spule L liegende Kondensator C gezeichnet ist und dem ebenfalls zur Spule parallel liegenden Widerstand W. Dies ist aber nichts anderes wie ein gedämpfter Schwingungskreis, in dessen Spule ein gewisser Strom fliesst (Ordinate des Punktes Q) und an dessen Kondensator eine gewisse Spannung besteht (Abzisse des Punktes Q). Ein solcher Schwingungskreis führt wegen der Dämpfung durch den Widerstand W Schwingungen mit allmählich abnehmender Amplitude aus, die sieh im Stromspannungsdiagramm als eine einrollende Spirale, die im Punkte Va der Abzissenachse endet, darstellen.
In diesem Punkte besteht nämlich in der Spule der Strom Null und gleichzeitig am Kondensator die Spannung Null. Die Spirale verläuft vom Punkte Q ab zunächst etwa so wie es durch die Kurve S dargestellt ist, da bis zur Erreichung der vertikalen Linie durch den Punkt P die Röhre voraussetzungsgemäss stromlos ist. Nach Überschreitung dieser Linie kann kein genau spiralförmiger Verlauf mehr stattfinden, da nun ein Parallelstromzweig zum Schwingungskreis, nämlich durch die Röhre hindurch besteht, welcher den Verlauf der abklingenden Schwingungen beeinflusst, u. zw. in einer Weise, die hier nicht näher untersucht zu werden braucht.
Man kann den Wert des Widerstandes TV nun so wählen, dass die Kurve S in der Nähe des Koordinatenursprungspunktes den steil ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie schneidet, worauf bis zum Punkte b'wieder der langsam ansteigende Teil der Sägezahnknrve durchlaufen wird. Die Dauer des Stromverlaufes vom Punkte Q bis zur Wiedereinmündung in den steil ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie wird durch die Grössen von L und 0 bestimmt. Um diese Rücklaufzeit möglichst kurz zu machen, empfiehlt es sich, die Grösse 0 möglichst klein zu wählen, d. h. die Ablenkspule nach irgendeiner bekannten Methode möglichst kapazitätsarm zu wickeln.
Der Widerstand W, d. h. die Dämpfung des Schwingungskreises L, C in Fig. 9, wird zweckmässig kleiner gewählt als es dem aperiodischen Grenzfall entspricht, d. h. der Widerstand wird so bemessen, dass die Spirale 8 erst nach mehreren vollen Umläufen den Punkt Va erreichen würde. Man erreicht hiedurch, dass nach etwa drei Vierteln eines vollen Umlaufes, wie in Fig. 8 dargestellt, wieder der steil ansteigende Ast der Stromspannungskennlinie durchschnitten wird, d. h. dass der flach ansteigende Teil der Sägezahnkurve wieder beginnt.
Der Verlauf der spiralförmigen Kurve S kann auch noch dadurch beeinflusst werden, dass die Eigenkapazität der im Gitterkreis liegenden Wicklung bzw. die Grösse eines dieser Wicklung parallel zu schaltenden Kondensators, der in Fig. 10 mit X'bezeichnet ist, so gewählt wird, dass die Eigenschwingzeit des Gitterkreises gleich oder grösser ist als die des Anodenkreises. Dann ist nämlich die Röhre auch noch nach Überschreitung der durch den Punkt P in Fig. 8 hindurchgehenden vertikalen Geraden noch gesperrt, so dass unter Umständen bis zur Einmündung in den steil ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie ein spiralförmiger Verlauf stattfinden kann. Eine geeignete Dämpfung für den in der Gitterleitung liegenden Schwingungskreis kann man mittels des Widerstandes R einstellen.
Es empfiehlt sich, die Betriebsspannungen der Mehrgitterröhre so zu wählen, dass der Schirmgittergleichstrom mindestens gleich und möglichst grösser als der Anodengleichstrom ist. Man erreicht hiedurch einen steilen Anstieg des ersten Astes der Stromspannungskennlinie, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Spannung der Anodenbatterie Va während des langsamen Anstieges der Sägezahnkurve nahezu vollständig an der Spule liegt, d. h. dass die Spannung an der Spule möglichst unabhängig von dem bereits fliessenden Strom ist.
Um den Stromsägezahngenerator gemäss der Erfindung möglichst genau auf die erforderliche Ablenkfrequenz einstellen zu können, empfiehlt es sich, eine Anodenspannungsquelle zu verwenden, deren Spannungshöhe veränderlich ist. Man kann hiedurch gleichzeitig den durch die Röhrenabweichungen erzeugten Einfluss auf die Frequenz des erzeugten Sägezahnstromes kompensieren. Sofern man den Sägezahngenerator synchronisieren will, kann die entsprechende Synchronisierungsspannung in den Gitterkreis eingeschaltet werden.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Anordnung zur Erzeugung eines sägezahnartigen Stromverlaufes, insbesondere für die magnetische Ablenkung von Kathodenstrahlen für Oszillographen-und Fernsehzweeke, bei welcher eine Mehrgitterröhre mit Spannungsrückkopplung mit einer Induktivität, vorzugsweise der Ablenkspule selbst in Serie liegt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem rückgekoppelten Gitter und der Anode der Röhre ein Gitter auf positivem Potential gegenüber Kathode liegt.