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Gegentaktverstärker in B-Sehaltung.
Bei A-Verstärkern, d. h. Verstärkern, die im gradlinigen Teil der Charakteristik mit einem mittleren Anodenruhestrom arbeiten, der etwas grösser ist als der Scheitelwert des maximal übertragbaren Wechselstromes, ist infolge der Anodenverlustleistungsgrenze der zulässige Anodenspitzenstrom
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des Anodenstromes bei sämtlichen marktgängigen Röhren, die etwa 300 Volt Anodenspannung benötigen, rund 40 nA. Der Abschlusswiderstand, der sieh als Quotient aus der hohen Anodenwechselspannung (etwa 200 Volt) und dem relativ kleinen Anodenweehselstrom ergibt, ist verhältnismässig gross. Er hat bei diesen Röhren, auf die Anodenseite der Röhre bezogen, etwa die Grössenordnung von 5000 Ohm.
Bei B-Verstärkern, die im unteren Knick der Charakteristik mit einem Anodenruhestrom, der praktisch gleich Null ist, arbeiten, bei denen also jede Röhre nur eine halbe Welle des zu übertragenden Wechselstromes verstärkt, ist das Verhältnis der Wechselstromleistung zur Anodenverlustleistung der Röhre wesentlich günstiger als bei den A-Verstärkern. Die Wechselstromleistung kann bei gleicher Anodenverlustleistung unter Umständen etwa 5mal so gross werden wie bei A-Verstärkern. Bei Verwendung der gleichen Anodenspannung wie beim A-Verstärker muss man, um die vorteilhafte Arbeitsweise des B-Verstärkers auszunutzen, dafür sorgen, dass grosse Spitzenströme die Röhre durchfliessen.
Die Praxis hat gezeigt, dass bei gleich grossen Röhren im Gegensatz zu den erwähnten A-Verstärkern der Anodenspitzenstrom etwa 200 mA und darüber betragen kann, ohne dass die zulässige Anodenverlustleistung überschritten wird. Der Abschlusswiderstand wird jetzt entsprechend dem grossen Anodenstrom verhältnismässig klein. Auf die Anodenseite der Röhre bezogen, liegt er in der Grössenordnung von 1000 Ohm. Die Ausgangsleistung eines solchen Verstärkers lässt sich nun gemäss der Erfindung dadurch beträchtlich erhöhen, dass der Durchgriff weit über den heute üblichen maximalen Wert von etwa 25% hinaus vergrössert wird. Bereits bei einem Durchgriff von 60% würde gegenüber einem Durchgriff von 25% die Leistung um das fünf-bis sechsfache steigen.
Diese Leistungssteigerung ist, wie später noch nachgewiesen wird, auf die Vergrösserung der durehsteuerbaren Spannung zurückzuführen.
Ein weiterer Vorteil der Erhöhung des Durehgriffes ist noch die damit Hand in Hand gehende Herabsetzung des Innenwiderstandes unter der Annahme konstanter Steilheit, die bewirkt, dass Lastschwankungen des Verbrauchers die abgegebenen Klemmenspannungen nur noch geringfügig beeinflussen.
Bei Verstärkern, die mit wechselnder Belastung arbeiten, beispielsweise bei Drahtfunkverstärkern, bei denen die Zahl der eingeschalteten Verbraucher sich ständig ändert, muss infolge der Forderung konstanter Klemmspannung am Ausgang des Verstärkers das Verhältnis Innenwiderstand des Verstärkers zum Lautspreeherwiderstand bzw. Netzwiderstand klein sein. Bei den A-Verstärkern ist dies mit Rücksicht auf die Anodenverlustleistung der Fall. Der Abschlusswiderstand ist immer etwa zwei bis zehnmal so gross wie der Innenwiderstand des Verstärkers.
Bei den B-Verstärkern sind hingegen infolge der relativ geringen Anodenverlustleistung völlig andere Anpassungsbedingungen vorhanden. Bei den bisher bekannten marktgängigen Trioden ist der Abschlusswiderstand immer kleiner als der Innenwiderstand der Röhre. Beispielsweise ist bei einer häufig benutzten 20-Watt-B-Verstärkertype der Abschlusswiderstand 1000 Ohm, während der Innen-
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widerstand der Endröhren 5000 Ohm beträgt. Bei einer andern bekannten-B-Verstärkerkonstruktion, - die mit Röhren sehr kleinen Durchgriff arbeitet, beträgt der Innenwiderstand sogar 15 000 Ohm, obgleich der Abschlusswiderstand ebenfalls nur 1000 Ohm gross ist. Diese Verstärker sind daher für Verbraucher mit wechselnder Belastung, wie es z. B. Drahtfunknetze vorstellen, nicht verwendbar.
Um die günstigen Eigenschaften des B-Verstärkers, d. h. die hohe Weehselstromleistung im Verhältnis zur Anodenverlustleistung mit der Möglichkeit, diese Verstärker für Musikübertragungs- netze oder sonstige Verbraucher mit wechselnder Belastung verwenden zu können, zu verbinden, wird erstrebt, B-Verstärker mit Röhren kleinen Innenwiderstandes, z. B. bei 20 Watt Ausgangsleistung, mit einem inneren Widerstand 1000 Ohm möglichst noch unter 500 Ohm zu benutzen.
Ein kleiner Innenwiderstand lässt sich dadurch erreichen, dass man die Röhren mit extrem grossem Durchgriff oder mit hoher Steilheit ausbildet. Die Erhöhung der Steilheit. lässt sich im allgemeinen nur mit Erhöhung der Herstellungskosten herbeiführen. Anders liegen aber die Verhältnisse in der Erzielung extrem grosser Durchgriff. Der hohe Durchgriff lässt sich durch geeignete Wahl der Maschenweite des bzw. der Steuergitter erzielen. Es ist möglich, mehrere Gittergleicher oder verschiedener Maschenweite gegeneinander zu schalten. Eine andere Lösung ist, das Gitter so dicht als irgend möglich an die Anode heranzubringen oder sogar ausserhalb der Anode anzuordnen. Der grosse Durchgriff hat ausserdem noch, wie nachstehend gezeigt werden soll, bei B-Verstärkern eine besondere Bedeutung.
Infolge der günstigen Anodenbelastungsverhältnisse ist es, wie bereits erwähnt, bei kleinen Röhren möglich, hohe Anodenströme ohne Überschreitung der zulässigen Anodenverlustleistung zu erreichen. Beispielsweise wird eine Wechselstromausgangsleistung von 20 Watt mit zwei in B-Schaltung betriebenen Röhren erreicht, deren Anodenverlustleistung je Röhre nur etwa 10 Watt und deren Anodenspannung nur 300 Volt beträgt. Der Anodenspitzenstrom wird hiebei 200 mA.
Um nun bei den üblichen kleinen Anodenspannungen derart hohe Anodenströme zu erreichen, werden die Endröhren bei den B-Verstärkern bis weit in den positiven Bereich der Gitterspannung hineingesteuert, unter Umständen sogar fast ausschliesslich in diesem Bereich betrieben. Der Durchgriff der Röhren beträgt im letzten Falle nur einige Prozent. Diese Lösungsmöglichkeit hat ausser dem hinsichtlich des Verbrauchers schwerwiegenden Nachteil des hohen Innenwiderstandes noch den, dass zur Erzeugung des notwendigen Gitterstromes die Leistungsfähigkeit der Vorröhre verhältnismässig gross sein muss, damit die Steuerspannung durch die Belastung mit dem Gitterkreis nicht zusammenbricht. Im allgemeinen benutzt man als Vorröhre eine Röhre gleicher Leistungsfähigkeit wie die Endröhre. Dies verteuert selbstverständlich den Verstärker beträchtlich.
Die maximale Ausgangsleistung des Verstärkers ist proportional dem Produkt aus durchge- steuerter Spannung (Anodenspannung Ea minus Restspannung Er) und Anodenspitzenstrom. Bei dem obengenannten Beispiel des 20-Watt-Verstärkers beträgt der Anodenspitzenstrom der üblichen Röhren etwa 200 mA. Bei dieser Belastung sind die Röhren noch verhältnismässig klein und billig herzustellen. Die die Ausgangsleistung bestimmende Restspannung Er ist gegeben durch
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worin S und D Steilheit und Durchgriff bedeuten. Die Steilheit der Röhre ist vorwiegend abhängig von der Grösse der Kathode, d. h. der Grösse der Röhre. Man erreicht bei den vorerwähnten Röhren Steilheiten bis zu etwa 3 mA pro Volt.
Die bei den Leistungsröhren bis heute verwendeten Durchgriff betragen im Maximum etwa 25%. Setzt man diese Werte in die obengenannte Formel durch die Restspannung ein, so erhält man unter Voraussetzung, dass der Anodenstrom 200 mA bei Aussteuerung
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Man ersieht hieraus, dass die Restspannung mehr als Ve der Anodenspannung ist. Die Leistung des Verstärkers wird in diesem Falle etwa 3-5 Watt betragen.
Während bei diesen kleinen Röhren der Anodenspitzenstrom von etwa 200 mA und die Steilheit, die etwa 3 mA pro Volt beträgt, ohne wesentliche Erhöhung der Herstellungskosten nicht merkbar grösser gemacht werden können, kann gemäss der vorerwähnten Formel die Restspannung durch Vergrösserung des Durchgriffes weit über den heute üblichen maximalen Wert von etwa 25% hinaus be- trächtlich verringert werden und mithin die Ausgangsleistung des Verstärkers vergrössert werden. Bereits bei einem Durchgriff von 60% würde die Restspannung in dem vorerwähnten Beispiel nur etwa 100 Volt betragen und damit die Leistung des Verstärkers auf 20 Watt steigen. Versuche haben gezeigt, dass der Durchgriff der Röhren bei durchaus brauchbaren Kennlinienfeldern bis auf 100% gesteigert werden kann.
Der Leistungszuwachs durch Vergrösserung des Durchgriffes ist bei B-Verstärkern im
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stärkers wesentlich höhere Spitzenströme ausgesteuert werden können als bei A-Verstärkern. Rechnet man die gleichen Arbeitsverhältnisse für einen A-Verstärker aus, so findet man, dass eine Durehgriffserhöhung über die bisher üblichen Werte hinaus nur eine geringfügige Leistungsvergrösserung ergibt,
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jedoch eine beträchtliche Herabsetzung der Verstärkung mit sich bringt. Dies ist auch der Grund, warum Röhren mit grösserem Durchgriff als etwa 25% in der Verstärkertechnik bis heute nicht verwendet werden. Die Vergrösserung des Durchgriffes verspricht nur Erfolge bei der Verwendung von Röhren in B-Verstärkerschaltung.
Ausser der Leistungssteigerung, die durch die Erhöhung des Durchgriffes bedingt wird, bewirkt diese Erhöhung auch noch eine Herabsetzung des inneren Widerstandes unter Annahme konstanter Steilheit, die ja, wie erwähnt, ohne zusätzliche Kosten nicht wesentlich vergrössert werden kann.
Die Verringerung des inneren Widerstandes hat, wie eingangs erörtert worden ist. noch den Vorteil, dass Lastschwankungen des Verbrauchers die abgegebenen Klemmenspannungen nur noch geringfügig beeinflussen. Der hohe Durchgriff löst also zwei verschiedenartige Probleme der Verstärkertechnik mit einem Schlage.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gegentaktverstärker in B-Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass Endröhren mit mehr als 30% Durchgriff des Anodenpotentials durch das Steuergitter benutzt werden.
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Push-pull amplifier in B position.
For A amplifiers, i.e. H. Amplifiers that work in the straight-line part of the characteristic with an average anode quiescent current that is slightly greater than the peak value of the maximum transmittable alternating current, is the permissible anode peak current due to the anode power loss limit
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of the anode current for all commercially available tubes that require around 300 volts anode voltage, around 40 nA. The terminating resistance, which is the quotient of the high alternating anode voltage (about 200 volts) and the relatively small alternating anode current, is relatively large. In the case of these tubes, based on the anode side of the tube, it is about the order of magnitude of 5000 ohms.
In the case of B-amplifiers, which work in the lower bend of the characteristic with an anode quiescent current that is practically zero, in which each tube amplifies only half a wave of the alternating current to be transmitted, the ratio of the alternating current power to the anode power loss of the tube is much more favorable than with the A-amplifiers. With the same anode power loss, the alternating current power can under certain circumstances be about 5 times as large as with A-amplifiers. When using the same anode voltage as with the A amplifier, you have to ensure that large peak currents flow through the tube in order to take advantage of the advantageous mode of operation of the B amplifier.
Practice has shown that with tubes of the same size, in contrast to the A-amplifiers mentioned, the anode peak current can be around 200 mA and more without exceeding the permissible anode power loss. The terminating resistor is now relatively small in accordance with the large anode current. In relation to the anode side of the tube, it is in the order of magnitude of 1000 ohms. The output power of such an amplifier can now be increased considerably according to the invention in that the penetration is increased far beyond the maximum value of about 25% that is customary today. With a penetration rate of 60%, the performance would increase five to six times compared to a penetration rate of 25%.
This increase in performance is, as will be demonstrated later, due to the increase in the controllable voltage.
Another advantage of increasing the grip is the hand in hand reduction of the internal resistance under the assumption of constant steepness, which means that load fluctuations of the consumer only slightly influence the terminal voltages output.
In the case of amplifiers that work with changing loads, for example wire radio amplifiers in which the number of consumers switched on changes constantly, the ratio of the internal resistance of the amplifier to the speaker resistance or network resistance must be small due to the requirement for constant clamping voltage at the output of the amplifier. With the A-amplifiers this is the case with regard to the anode power loss. The terminating resistance is always around two to ten times as large as the internal resistance of the amplifier.
In the case of the B amplifiers, however, completely different adaptation conditions exist due to the relatively low anode power loss. In the previously known triodes on the market, the terminating resistance is always smaller than the internal resistance of the tube. For example, in the case of a frequently used 20 watt B amplifier type, the terminating resistor is 1000 ohms, while the internal
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resistance of the power tubes is 5000 ohms. In another known B-amplifier construction, which works with tubes with very small penetration, the internal resistance is as much as 15,000 ohms, although the terminating resistance is also only 1,000 ohms. These amplifiers are therefore for consumers with changing loads, such as. B. Imagine wireless networks, not usable.
In order to take advantage of the favorable properties of the B amplifier, i. H. The aim is to combine the high alternating current output in relation to the anode power loss with the possibility of using these amplifiers for music transmission networks or other loads with changing loads, B amplifiers with tubes of low internal resistance, e.g. B. at an output power of 20 watts, with an internal resistance of 1000 ohms if possible still below 500 ohms.
A small internal resistance can be achieved by designing the tubes with an extremely large penetration or with a high steepness. Increasing the steepness. can generally only be brought about by increasing the production costs. However, the situation is different when it comes to achieving extremely large penetration. The high penetration can be achieved by a suitable choice of the mesh size of the control grid (s). It is possible to switch several grids of the same or different mesh size against each other. Another solution is to bring the grid as close as possible to the anode or even to arrange it outside the anode. In addition, as will be shown below, the large penetration is of particular importance for B amplifiers.
As a result of the favorable anode load conditions, it is, as already mentioned, possible with small tubes to achieve high anode currents without exceeding the permissible anode power loss. For example, an alternating current output power of 20 watts is achieved with two tubes operated in B connection, the anode power loss of which per tube is only about 10 watts and whose anode voltage is only 300 volts. The anode peak current becomes 200 mA.
In order to achieve such high anode currents with the usual low anode voltages, the output tubes of the B amplifiers are controlled far into the positive range of the grid voltage, and in some cases even operated almost exclusively in this range. In the latter case, the penetration of the tubes is only a few percent. In addition to the serious disadvantage of the high internal resistance with regard to the consumer, this possible solution also has the fact that the performance of the pre-tube must be relatively high in order to generate the necessary grid current so that the control voltage does not collapse due to the load with the grid circle. In general, a tube of the same capacity as the end tube is used as the pre-tube. This of course makes the amplifier considerably more expensive.
The maximum output power of the amplifier is proportional to the product of the controlled voltage (anode voltage Ea minus residual voltage Er) and anode peak current. In the above example of the 20 watt amplifier, the peak anode current of the conventional tubes is about 200 mA. With this load, the tubes are still relatively small and cheap to manufacture. The residual voltage Er, which determines the output power, is given by
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where S and D mean slope and penetration. The steepness of the tube is mainly dependent on the size of the cathode, i. H. the size of the tube. With the tubes mentioned above, slopes of up to about 3 mA per volt are achieved.
The penetration used in the power tubes to date is a maximum of around 25%. If you insert these values into the above formula through the residual voltage, then under the prerequisite that the anode current is 200 mA at modulation
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It can be seen from this that the residual voltage is more than Ve of the anode voltage. The power of the amplifier in this case will be around 3-5 watts.
While the anode peak current of around 200 mA and the steepness, which is around 3 mA per volt, cannot be made noticeably larger with these small tubes without a significant increase in production costs, the residual voltage can be increased by increasing the penetration far above today, according to the aforementioned formula The usual maximum value of about 25% can be reduced considerably and consequently the output power of the amplifier can be increased. Even with a penetration of 60%, the residual voltage in the above-mentioned example would only be about 100 volts, thus increasing the power of the amplifier to 20 watts. Tests have shown that the penetration of the tubes can be increased up to 100% in the case of very useful characteristic fields.
The increase in performance by increasing the penetration is in the case of B amplifiers
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much higher peak currents can be controlled than with A amplifiers. If one calculates the same working conditions for an A-amplifier, one finds that an increase in the grip beyond the previously usual values results in only a slight increase in performance,
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however, it entails a considerable reduction in gain. This is also the reason why tubes with a penetration greater than about 25% are not used in amplifier technology to this day. The enlargement of the penetration only promises success when using tubes in B-amplifier circuit.
In addition to the increase in performance, which is caused by the increase in penetration, this increase also reduces the internal resistance, assuming constant steepness, which, as mentioned, cannot be significantly increased without additional costs.
The reduction in internal resistance has, as was discussed at the beginning. Another advantage is that load fluctuations of the consumer only have a slight effect on the terminal voltages output. The high penetration solves two different problems in amplifier technology at one stroke.
PATENT CLAIMS:
1. Push-pull amplifier in B-circuit, characterized in that output tubes with more than 30% penetration of the anode potential through the control grid are used.