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Gegentaktverstärker mit konstanter Gittervorspannung.
Seit einigen Jahren besteht in der Verstärkertechnik das Bestreben, die Röhren besser aus- zunutzen, was zur Entwicklung des D-Verstärkers geführt hat. Da der B-Verstärker bei kleineren Amplituden einen grösseren Klirrfaktor hat als der A-Verstärker, sind Verstärker geschaffen worden, die die Nachteile des B-Verstärkers, den erwähnten grösseren Klirrfaktor bei kleineren Aussteuerungen, vermeiden, ohne auf den Vorteil der besseren Ausnutzung der Röhren zu verzichten. Die Röhren werden auf einen Ruhestrom eingestellt, der etwa der Hälfte der zulässigen Anodenverlustleistung bei A-Betrieb entspricht.
Bis zu einem Wechselstrom, dessen Scheitelwert gleich dem Ruhestrom ist, arbeitet die Röhre als A-Verstärker, darüber hinaus durch amplitudenabhängige Verschiebung der Gitterspannung als B-Verstärker. Diese Verstärker werden als A-B-Verstärker bezeichnet.
Die Erfindung betrifft dagegen einen Verstärker, bei dem wie bei dem bekannten A-Verstärker der Arbeitspunkt der Röhren auf die maximal oder annähernd maximal zulässige Anodenverlustleistung eingestellt ist und welcher (im Gegensatz zu dem erwähnten -B-Verstärker) mit konstanter Gitterspannung auch bei den grössten Amplituden arbeitet.
Nach der Erfindung wird bei einem derart eingestellten Verstärker der Abschlusswiderstand so bemessen, dass die einzelnen Röhren unsymmetrisch ausgesteuert werden, insbesondere derart unsymmetrisch, dass in jeder einzelnen Röhre die der positiven Gitterspannungshalbwelle entsprechende Anodenstromhalbwelle bei maximaler Aussteuerung mehr als doppelt so gross wird als die der negativen Gitterspannungshc Ibwelle entsprechende Anodenstromhalbwelle, jedoch maximal derart unsymmetrisch, dass die Anodenverlustleistung bei verschiedenen Aussteuerungen praktisch konstant bleibt.
Durch diese unsymmetrische Aussteuerung wird bereits bei mittleren Gitterwechselspannungen in den einzelnen Röhren der Anodenstrom Null erreicht. Unter unsymmetrischer Aussteuerung" ist verstanden, dass im Gegensatz zu dem bekannten A- Verstärker durch die positive Gitterspannungshalbwelle bei maximaler Aussteuerung die entsprechende Anodenstromhalbwelle wesentlich grösser, insbesondere mehr als doppelt so gross wird als bei der negativen Gitterspannungshalbwelle. Dies war bisher nur bei solchen Verstärkern bekannt, bei denen der Arbeitspunkt am unteren Knick der Gitter- spannungs-Anodenstromkennlinie liegt und bei dem also der Arbeitspunkt nicht wie bei dem erfindungsgemässen Verstärker auf die maximal zulässige Anodenverlustleistung eingestellt ist.
Bei einem derartigen Verstärker wäre die Einstellung des Arbeitspunktes auf die maximal zulässige Anodenverlustleistung mit den heutigen Röhren gar nicht möglich, weil entsprechend dem niedrigen Anodenstrom die Anodenspannung unzulässig hoch sein musste. Bisher hat man also eine unsymmetrische Aussteuerung nicht gleichzeitig mit der Ausnutzung der maximal zulässigen Anodenverlustleistung angewendet.
Durch die Anwendung der Erfindung wird bei vergrösserter Leistung der Klirrfaktor kleiner als der des bekannten A-Verstärkers, bei dem die gleichen Röhren benutzt sind.
Die genaue Auswertung der kombinierten Kennlinienfelder für Gegentaktschaltungen hat ergeben, dass infolge der Verringerung des Innenwiderstandes der Röhren bei grossen Anodenströmen eine beträchtliche Leistungserhöhung des A-Verstärkers möglich wird, wenn der Verstärker bei Anwendung der Erfindung mit einem wesentlich kleineren Abschlusswiderstand betrieben wird, als er sich nach der zur Zeit üblichen Berechnung bei den heutigen Eingitterendröhren ergibt.
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Gegenüber dem bekannten A-Gegentaktverstärker werden zwar die einzelnen Röhren bei höherer Leistung, für sich betrachtet, stark unsymmetrisch ausgesteuert, jedoch zeigen die Messungen, dass der Klirrfaktor nicht entsprechend hoch ist, wie man bisher geglaubt hat, sondern das zulässige Mass nicht überschreitet.
Die Wahl des günstigsten Arbeitspunktes und des Absehlusswiderstandes ergibt sich durch folgende Bedingungen :
1. Der durch die Übersteuerung auftretende Zuwachs an Gleichstromleistung darf die gelieferte Wechselstromleistung nicht übersteigen. Dann übersehreitet die Anodenverlustleistung der Röhre trotz der beträchtlichen Übersteuerung, die das Mehrfache des Anodenruhestromes ausmacht, den zulässigen Wert nicht, da der Zuwachs an Gleichstromleistung infolge der Übersteuerung zur Deckung der vergrösserten Wechselstromleistung dient. Die Anodenverlustleistung kann also im Gegensatz zu dem A- und B-Verstärker auch bei verschiedenen Aussteuerungen praktisch konstant bleiben und besitzt bereits bei verschwindender Gitterwechselspssnnung, d. h. im Ruhepunkt, den maximalen Wert.
2. Die Anodengleichspannung, die Gittervorspannung und der Abschlusswiderstand des Verstärkers sind so zu wählen, dass die Arbeitskennlinie bei kleinen, mittleren und grossen Amplituden möglichst geradlinig verläuft (bei grösstmöglicher Leistung). Diese Beziehungen sind an Hand der kombinierten Kennlinienfelder graphisch in einfacher Weise zu ermitteln. Durch Gegenkopplung können etwa auftretende Verzerrungen noch weiter herabgesetzt werden. Da, wie erwähnt, aus kleineren Röhren grössere Leistungen erzielt werden sollen, muss bei den heutigen Röhren das Gitter bis weit in den positiven Bereich der Gitterspannungen gesteuert werden, wenn eine besonders hohe Leistung erzielt werden soll. Die durch den Gitterstrom bedingten nichtlinearen Verzerrungen können dann
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verringert werden.
An Hand des Diagrammes gemäss der Fig. 1 soll das übliche Berechnungsverfahren erläutert werden. Auf der Abszisse sind die Anodenspannungen, auf der Ordinate die Anodenströme aufgetragen. Ferner ist noch die Kennlinie für die Gitterspannung Ei. = 0 sowie noch eine positive Gitterspannungskennlinie eingezeichnet. Der Arbeitspunkt ist mit P bezeichnet. Dieser Arbeitspunkt liegt auf der gestrichelt dargestellten Hyperbel, die die Anodenverlustleistung o, d. h. also die zulässige Röhrenbelastung kennzeichnet. Diesem Arbeitspunkt ist ein Anodenruhestrom Io und eine Anodenruhespannung Eb zugeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an eine Röhre mit 15 Watt Anodenverlustleistung gedacht. Die Widerstandsgerade ist mit Ra bezeichnet.
In diesem Beispiel wird die Anodenspannung um ¯200 Volt um die Ruhespannung 300 Volt herum ausgesteuert. Es ergeben sich dabei Stromänderungen von zirka 45 mA. Die Anodenspannung wird also im vorliegenden Beispiel zu 66% ausgesteuert, d. h.
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Anodenstrom folgende Beziehung
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Der Faktor j liegt nahe bei 1. Er beträgt im allgemeinen etwa 0-95 oder darüber. Es soll der Einfachheit wegen nachstehend dieser Faktor mit 1 eingesetzt werden.
Die Anodenverlustleistung ist
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Der Abschlusswiderstand ist
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Durch Umformen der Gleichung 2 unter Zuhilfenahme der Gleichung 1 ergibt sich
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Im Mittel ist also
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In dem veranschaulichten Beispiel ist nun Eb = 300 Volt,. Ao gleich 15 Watt, daraus ergibt sich ein Abschlusswiderstand von 4200 Ohm. Nimmt man noch zur Erhöhung der Leistung den Bereich positiver Gitterspannungen mit hinzu, so wird, wie man in Fig. 1 an der strichpunktierten Arbeits-
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kennlinie für. Ra' erkennt, der optimale Abschlusswiderstand grösser, d. h. es gelten dann in Formel 1 die Faktoren h in der Nähe von 0#8.
Im Gegensatz zu dem vorerwähnten üblichen 1-Verstärker arbeitet der A-Verstärker gemäss der Erfindung bei Anwendung auf die heutigen Eingitterröhren mit einem wesentlich geringeren Abschlusswiderstand, u. zw. mit einem Widerstand, der nur 1/4 bis dz des sich aus der Rechnung ergebenden optimalen Widerstandes beträgt. Die Arbeitsweise dieses Verstärkers veranschaulicht die gestrichelte Widerstandsgerade ss, dise einem Widerstand von 1000 Ohm entspricht. Bei dieser Betriebsweise werden zwar die negativen Halbwellen durch die Abszissenachse stark beschnitten ; da jedoch dann die zweite Gegentaktröhre zu arbeiten beginnt, kann sich dieser Umstand nicht störend auswirken.
Die bei der Aussteuerung in Positive auftretenden Gitterstromverzerrungen können durch an sich bekannte
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Verringerung des Absehlusswiderst : ndes bei gleichzeitiger Zunahme des positiven Bereiches der Gitterspannungen, im Gegensatz zu der heute bekannten Bemessung, bei der durch Hinzunahme des positiven Gitterspannungsbereiches der Widerstand Ra zur Vermeidung der Übersteuerung grösser werden muss (vgl. die strichpunktierte Gerade Ra'in Fig. 1). Der Anodengleichstrom bleibt bei der neuen Betriebsart auch bei mittleren Amplituden nicht mehr konstant, sondern steigt wesentlich an, bei grossen Amplituden kann er den doppelten Wert erreichen. Die Bemessung des Ausgangsübertragers und der Vorstufe, unter Umständen auch die Wahl der Betriebsspannungen, weicht von den üblichen Bemessungen wesentlich ab.
Dagegen stimmt der neue Verstärker mit dem J-Ver- stärker insofern überein, pis die maximale Anodenverlustleistung bereits bei der Gitterweehselspannung Null vorhanden ist. Während jedoch bei dem A-Verstärker die Anodenverlustleistung mit wachsender Aussteuerung der Röhre fällt, bleibt sie bei dem Verstärker gemäss der Erfindung praktisch konstant.
Der Unterschied gegenüber dem. 1-B-Vel'stärker besteht darin, dass auch bei maximaler Aussteuerung niemals im reinen B-Betrieb gearbeitet wird. Die beim A-B-Verstärker erforderliche Gitterspannungsverlagerung in Abhängigkeit von dem Mittelwert der Amplituden ist nicht vorhanden.
Man erhält bei dieser Betriebsweise einen Verstärker, der nur die geringen Verzerrungen des A-Verstärkers in Gegentaktschaltung besitzt, dabei aber eine wesentlich höhere Leistung abgeben kann.
Die Nachteile des B-Verstärkers, nämlich die grösseren Verzerrungen bei kleinen Amplituden, und die Nachteile des A-B-Verstärkers, nämlich das Auftreten von Verzerrungen infolge der Unmöglichkeit, die Gitterspannung im richtigen Mass verschieben zu können, sind vermieden.
Messungen an einer Telefunkenröhre von der Type A D 1 (300 Volt Anodenspannung, 15 Watt Anodenverlustleistung) zeigten, dass zwei Röhren in Gegentaktschaltung als i-Verstärker bei einem Klirrfaktor von etwa 5% etwa 10 Watt abgeben können, während bei der neuen Betriebsart bei 5 Klirrfaktor eine Leistung von etwa 30 Watt, also das Dreifache erzielbar ist, ohne dass die für die Röhrenbeanspruchung massgebende Anodenverlustleistung überschritten wird. Bei 10 Watt beträgt der Klirrfaktor nur etwa 2%. Er fällt bei kleineren Leistungen noch weiter ab.
Die Fig. 2 zeigt für dieses Beispiel die Abhängigkeit des Klirrfaktors von der abgegebenen Leistung. Die Kurve I gilt für den üblichen A-Verstärker, dessen Absehlusswiderstand (bezogen auf eine Einzelröhre)
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ist, während die Kurve II die Verhältnisse bei dem neuen Li-Verstärker mit einem Abschlusswiderstand von etwa 1000 Ohm veranschaulicht (ebenfalls bezogen auf eine Einzelröhre, entsprechend 500 Ohm, bezogen auf die halbe, oder 2000 Ohm, bezogen auf die ganze Primärwicklung des Ausgangsübertragers).
Für zwei Telefunkenröhren der Type RE 604 erhält man nach der neuen Bemessung eine Leistung von etwa 20 Watt, während bei der heute üblichen Bemessung bekanntlich nur eine Leistung von etwa 5 bis 6 Watt erreichbar ist. Dieses Ergebnis wurde durch Messungen bestätigt, wobei in beiden Fällen sowohl die maximalen Anodenverlustleistungen als auch die Anodengleichspannungen gleich waren.
Da bei der neuen Betriebsart ausserordentlich weit in das positive Gitterspannungsgebiet gesteuert wird, treten beträchtliche Gitterströme auf und es wird auch der Gitterwiderstand verhältnismässig klein. Dies muss bei der Bemessung des inneren Widerstandes der Steuerröhre berücksichtigt werden. Es lässt sieh nun folgende einfache Beziehung für diese Bemessung angeben. Unter der
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widerstand der Endröhre werden. Je grösser dieses Verhältnis wird, umso geringer wird das Mass der durch den inneren Widerstand der Steuerröhre bedingten Verzerrungen.
Da eine stossweise Leistungsentnahme vorliegt, kann man die Gittervorspannung nicht in der üblichen Weise von einem im Anoden-Kathodenkreise liegenden, also vom Anodenstrom durchflossenen Widerstand abgreifen. Es ist eine besondere Gitterspannungsquelle erforderlich oder es müssen zusätzliche Mittel vorgesehen sein, um auch bei dem stark sehwankenden Anodenstrom eine praktisch konstante Gittervorspannung zu erhalten. Auch die Anodenspannungsquelle muss den neuen Betriebsbedingungen entsprechend ausgebildet werden. Da beträchtliche Anodenströme fliessen, muss der innere Widerstand der Gleiehspannungsquelle möglichst klein sein.
Dies lässt sich bei weehselstromgespeisten Verstärkern erreichen durch Benutzung eines Gasgleiel1richters oder auch durch Einschaltung von an sich bekannten Stabilisierungsmitteln, wie Drosselspulen mit in Abhängigkeit von der Gleichstrombelastung sich ändernden Scheinwiderstand od. dgl.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gegentaktleistungsstufe mit unabhängig von der Aussteuerung konstanter Gittervorspannung und Einstellung des Arbeitspunktes der Röhren auf die praktisch höchst zulässige Anodenverlustleistung, also auf den höchst zulässigen Anodenstrom bei gegebener Anodenspannung, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Aussenwiderstand so bemessen ist, dass die einzelnen Röhren derart stark unsymmetrisch ausgesteuert werden, dass in jeder einzelnen Röhre die der positiven Gitterspannungshalbwelle entsprechend Anodenstromhalbwelle bei maximaler Aussteuerung mehr als doppelt so gross wird als die der negativen Gitterspannungshalbwelle entsprechende Anodenstromhalbwelle, jedoch maximal derart unsymmetrisch, dass die Anodenverlustleistung,
also die Differenz zwischen aufgewendeter Gleichstromleistung und abgegebener Wechselstromleistung, bei verschiedenen grossen Aussteuerungen praktisch konstant bleibt.