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Schaltung zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen mittels mindestens zweier parallel geschalteter, durch Steuergitter gesteuerter Entladungsbahnen, die Kennlinien besitzen, deren Steilheit als Funktion der Steuergitterspannung verschiedenartig verläuft.
An eine Verstärkerschaltung wird im allgemeinen die Anforderung gestellt, dass die Verstärkung über einen grossen Bereich regelbar ist, ohne dass eine Verzerrung auftritt ; ausserdem wird häufig die Anforderung gestellt, dass die Schaltung in ungeregeltem Zustand, somit bei verhältnismässig geringeren Werten der zu verstärkenden Schwingungen, eine sehr grosse Verstärkung liefert.
Diese beiden Bedingungen können in der Praxis nicht gleichzeitig erfüllt werden. Die in den Verstärkerschaltungen angewendeten Entladungsröhren besitzen nämlich entweder eine
Charakteristik mit einer grossen Steilheit und einem kleinen Aussteuerbereich oder eine Charak- teristik mit einer kleinen Steilheit und einem grossen Aussteuerbereich. Mit Röhren der erst- genannten Art kann eine grosse Verstärkung er- zielt werden, abe, die Regelungsmöglichkeiten sind sehr beschränkt, da die betreffende Charak- teristik im unteren Teil z stark gekrümmt ist, was eine erhebliche Verzei n. ng herbeiführt. Mit
Röhren der zweiten Ar'ist eine gute Regelung möglich, ohne dass eine Verzerrung auftritt, aber die höchst erreichbare Verstärkung ist nur gering.
Es ist bei diesen Betrachtungen zu bedenken, dass ein Vergleich der Steilheiten von verschiedenen
Entladungsröhren nur dann Sinn hat, wenn man die Anodenspannung als gegeben annimmt, oder
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malen Anodenstrom festsetzt. Bei Niederfrequenzwiderstandverstärkung hat ein hoher Wert der Steilheit nur dann einen Sinn, wenn er bei einem niedrigen Wert des Anodenstromes erreicht wird, da die Grösse des Anodenstromes die im Anodenwiderstand zu vernichtende Energiemenge bestimmt. Bei Hochfrequenzverstärkung soll gleichfalls ein hoher Wert der Steilheit mit einem niedrigen Wert des Anodenstromes einhergehen, da hier die Grösse des Anoden-
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bedingt.
Die Erfindung schafft nun eine Schulung, die sowohl eine grosse Verstärkung, wie auch einen grossen Regelbereich besitzt.
Gemäss der Erfindung werden mindestens zwei parallel geschaltete, durch Steuergitter gesteuerte Entladungsbahnen angewendet, von denen die eine eine verhältnismässig grosse mittlere Steilheit und einen verhältnismässig kleinen Aussteuerbereich, die andere hingegen eine verhältnismässig kleine mittlere Steilheit und einen verhältnismässig grossen Aussteuerbereich aufweist.
Diese Entladungsbahnen sind so geschaltet, dass die zu verstärkenden Schwingungen zusammen mit einer von der Amplitude dieser Schwingungen abhängigen Regelspannung an den in der Nähe der Kathoden (bzw. der Kathode, wenn die Entladungsbahnen eine gemeinsame Kathode haben) liegenden, unmittelbar mitein-
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mit dem verhältnismässig grossen Aussteuerbereich bei kleinen Amplituden dadurch blockiert ist, dass ein nur in dieser Bahn 3egende Schirmgitter mit einer anderen wenigstens in der Bahn mit dem kleinen Aussteuerbereich liegenden Elektrode, welche über einen Ohm'schen Widerstand an die positive Klemme einer Speisespannungsklemme angeschlossen ist, verbunden ist.
Die zwangsläufige Umschaltung von der einen Entladungsbahn auf die andere wird also dadurch erzielt, dass den Steuergitter eine von der Amplitude der zu verstärkenden Schwingungen abhängige Regelspasnung zugeführt wird, die ausserdem das Potential einer in der letztgenannten Entladungsbahn (d. h der Bahn mit der verhältnismässig kleinen mittleren Steilheit und dem verhältnismässig grossen Aussteuerbereich) liegenden Hilfselektrode auf derartige Weise beeinflusst, dass diese Bahn bei verhältnismässig kleinen Werten der zu verstärkenden Schwingungen gesperrt wird.
Die Entladungsbahn mit der verhältnismässig grossen mittleren Steilheit und dem verhältnis- mässig Meinen Aussteuerbereich wird bei grossen
Werten der Regelspannung durch diese Spannung . selbst gesperrt.
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Die genannte Hilfselektrode wird vorzugsweise über einen Widerstand an die miteinander ver- bundenen Anoden der beiden Entladungsbahnen angeschlossen, während in den gemeinsamen
Anodenkreis der Entladungsbahnen ein hoher
Widerstand geschaltet wird, der derart bemessen ist, dass bei kleiner Amplitude der zu verstärkenden
Schwingungen die Entladungsbahn, in der sich die Hilfselektrode befindet, gesperrt wird.
Der Widerstand, uber den die Hilfselektrode mit den Anoden verbunden ist, wird weiters derart gewählt, dass die resultierende Kennlinie der
Entladungsbahnen einen fliessenden Verlauf zeigt.
Er ist gross in bezug auf den in den Anodenkreis aufgenommenen Widerstand zu machen.
Ferner kann die Hilfselektrode ausserdem über einen vorzugsweise hohen Widerstand an die miteinander verbundenen Kathoden der beiden
Entladungsbahnen angeschlossen werden.
Die Entladungsbahneu weiden vorzugsweise in einem einzigen Kolben untergebracht.
Bei einer besonders wirksamen Ausführungs- form der Erfindung wird die Entladungsbahn, in der sich die genannte Hilfselektrode befindet, von einem Steuergitter gesteuert, dessen Wicklungs- ganghöhe und ! oder dessen Abstand von der Kathode nicht konstant sind. Die andere Entladungsbahn wird vorzugsweise mittels eines Steuergitter gesteuert, dessen Wicklungsganghöhe sowie dessen Abstand von der Kathode konstant sind.
Die Entladungsbahnen können beispielsweise auch beide in einer einzigen Regelpenthode untergebracht sein, in der Weise, dass sie aüt einem aus zwei elektrisch von einander isolierten reiten bestehenden Schirmgitter versehen sind.
Die genannte Hilfselektrode wird durch jenen Teil des Schirmgitters gebildet, der dem Teil des Stcucrgitters gegenüber liegt, dessen Wicklungs- ganghohe und oder dessen Abstand von der
Kathode nicht konstant sind.
Die Schaltung gemäss der Erfindung eignet sich insbesondere zur Niedcifrequenzverstärkung, ist aber auch zur Verstärkung von Hochfrequenz- schwingungen anwendbar.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden
Zeichnung naher erläutert.
In Fig. ! ist eine Ausführungsfbrm der Schaltung l. ur Verstärkung von Niederfrequenzschwin- gungen dargestellt, bei der die zwei Entladung- bahnen in einer Entladungsröhre 1 untergebracht sind. Diese Rohre weist ein aus zwei zusammen- hangenden Teilen bestehendes Steuergitter 2, ein aus zwei getrennten Teilen 3 und 3'mit ge- sonderten Zuführungen bestehendes Schirmgitter, ei : Fanggitter 4, eine Anode 5 und eine Kathode 6 auf, die mit dem Fanggitter 4 verbunden ist. Die obenerwähnte Hilfselektrode wird durch den
Teil 3'des Schirmgitters gebildet. Die Ent- ladungsbahn, in der sich diese Hilfselektrode befindet, wird von einem Teil des Steuergitters gesteuert, der mit ungleichmässiger Wicklungs- ganghöhe ausgeführt ist.
Der in der anderen Ent- ladungsbahn befindliche Steuergitterteil ist mit gteichb) eibender Ganghöhe gewickelt. Die beiden Steuergitterteile sind elektrisch miteinander verbunden. Das Fanggitter 4, die Anode 5 und die Kathode 6 dienen gleichzeitig für die beiden Entladungsbahnen.
Infolge der besonderen Ausbildung des Steuergitters weist die linke Entladungsbahn (in der sich die Hiltse ! ? ktrode J'benndet) eine Kennlinie mit einer verhältnismässig kleinen mittleren Steilheit und einen verhältnismässig grossen Aussteuerbereich und die rechte Entladungsbahn eine Kennlinie mit einer verhältnismässig grossen mittleren Steilheit und einem verhältnismässig kleinen Aussteuerbereich auf. Ein derartiger Unterschied in d ; n Kennlinien lässt sich auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine besondere Ausführungsform der Hilfselektrode 3', erzielen.
Der Schirmgitterteil 3 ist über einen aus zwei Widerständen 7 und 8 bestehenden Spannungsteiler mit dem positiven Pol einer (in der Figur nicht dargestellten) Gleichspannungsquelle und über einen Kondensator 9 mit der Kathode 6 verbunden. Die Hilfselektrode 3'ist über einen hohen Widerstand 10 mit der Anode 5 und über einen Kondensator 11 mit der Kathode 6 verbunden. Ferner liegt im Anodenkreis ein verhältnismässig hoher Widerstand 12. Der Wert des Widerstandes 10 ist in der Regel erheblich grösser als der Wert des Widerstandes 12.
Die zu verstärkenden Schwingungen werden zusammen mit einer von der Amplitude dieser Schwingungen abhängigen Regelspannung dem Steuergitter 2 zugeführt, die verstärkten Schwingungen können über einen Kondensator 13 dem Widerstand 12 entnommen werden.
Die Wirkung der Schaltung lässt sich an Hand der Fig. 2 erklären. In dieser Figur sind drei
Kennlinien dargestellt, d : e den Zusammenhang zwischen dem Anodenstrom (ia) und der Steuer gittergleichspannung tUg,) bei drei voneinander verschiedenen Betriebsfällen darstellen. a Bezieht sich auf den Fall, der durch Aus- schaltung der linken Entladungsbahn erhalten wird ; dies wird dadurch erreicht, dass die Hilfs- elektrode 3'nicht mit der Anode 5, sondern statt dessen unmittelbar mit der Kathode verbunden wird ; b bezieht sich auf die in Fig. 1 dargestellte
Schaltung ; c bezieht sich auf den Betriebsfall, der entsteht, wenn die Hilfselektrode 3'mit dem
Schirmgitter 3 verbunden und die Verbindung der Hilfselektrode 3'mit der Anode 5 unter- brochen wird.
Der Wert des Anodenstromes ist auf der senk-
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ausschliesslich die rechte Entladungsbahn und die Charakteristik a zeigt daher das gewöhnliche Bild einer Penthodencharakteristik ; einen steilen Verlauf und einen kleinen Aussteuerbereich ; die Bahn ist beim Punkt P bereits vollkommen gesperrt.
Eine Entladungbahn mit einer solchen Charakteristik besitzt zwar gute Verstärkereigenschaften, aber die Verstärkung ist nur in sehr beschränktem
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Masse regelbar. Bei Verstärkung in der Nähe des Punktes P tritt eine unzulässig hohe Verzerrung der zu verstärkenden Schwingungen auf.
Der mit c angegebene Betriebsfall entsteht im wesentlichen bei einer Verstärkerschaltung, in der eine Regelpenthode angewendet wird. Diese Charakteristik zeigt einen fliessenden Verlauf der Steilheit und einen sehr grossen Aussteuerbercich ; die grösste Steilheit-bei gegebener Anodenspannung oder bei gegebenem Anodenstrom-und somit die höchst erreichbare Verstärkung sind jedoch verhältnismässig gering.
Es ergibt sich aus dem vorstehenden, dass eine Schaltung mit grosser Maximumverstärkung, deren Verstärkung überdies über einen grossen Bereich ohne Verzerrung regelbar ist, bis dahin nicht erhalten werden konnte.
Die Schaltung gemäss der Erfindung entspricht jedoch diesen beiden Anforderungen. Die rechte Entladungsbahn wirkt dabei auf nahezu gleiche Weise wie bei der zur Kurve a gehörenden Schaltung.
Wenn diese Entladungsbahn zu funktionieren anfängt (beim Punkt P), nimmt die Wirkung der linken Entladungsbahn zwangsläufig stets mehr ab und nahezu unmittelbar darauf wird sie vollkommen gesperrt. Diese Sperrung geht folgender- massen vor sich. Bei kleiner Amplitude der zu verstärkenden Schwingungen und somit bei kleiner Regelspannung nimmt der Anodenstrom immer mehr zu, was zur Folge hat, dass der Span- nungsabfall am Widerstand 12 gleichfalls zunimmt.
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der Hilfselektrode 3'nehmen infolgedessen stark ab. Die Spannung der Hilfselektrode sinkt in- folgedessen unter den Mindestwert, der zum
Aufrechterhalten des Entladungsstromes er- forderlichen ist, und die Entladungsbahn wird gesperrt. Die Lage des Punktes, in dem die
Sperrung anfängt, wird im wesentlichen durch den Wert des Widerstandes 12 bedingt.
Bei grosser Amplitude der zu verstärkenden
Schwingungen und somit bei grosser Regel- Spannung betmdet sich die rechte Entladungs- bahts in einem Zustand, der in der Charakteristik durch einen Punkt links vom Punkt P gekenn- zeichnet wird, d. h. dass die rechte Entladungs- bahn in diesem Falle gesperrt ist. Auf diese Weise wird also, je nach dem Wert der Regelspannung, zwangsläufig von der einen auf die andere Ent- ladungsbahn umgeschaltet.
Die Wirkung der Schaltung gemäss der Erfin- dung wird durch die Kennlinie b angegeben und zeigt sowohl sehr gute Rege-igenschaften wie auch eine hohe Maximumverstärkung bei einem ! niedrigen Wert des Anodenstromes.
In dem am stärksten gekrümmten Teil der
Kurve funktionieren die beiden Entladungs- bahnen gleichzeitig. Durch eine richtige Wahl der angewendeten Widerstände, insbesondere des ;) Widerstandes 10, und durch geeignete Bemessung der Entladungsbahnen kann der Charakteristik ein fliessender Verlauf gegeben werden, so dass eine etwaige Verzerrung jedenfalls innerhalb der
Grenzen des Zulässigen bleibt.
Bei der Schaltung gemäss der Erfindung kann I beispielsweise eine 500 fache Maximalverstärkung erzielt werden, wobei die Verstärkung in einem Verhältnis von 1 : 1000 regelbar ist (d. h. dass bei sehr grosser Amplitude die eintreffenden Schwingungen in einem Verhältnis von I : 2 ab- geschwächt werden). Die Verzerrung bleibt dabei kleiner als 1% und der Maximumanodenstrom beträgt weniger als I mA.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich von der Aus- führungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass die Hilfselektrode 3'über einen Widerstand 14 mit der Kathode verbunden ist und dass die Spannung des Schirmgitters unmittelbar über einen Widerstand 8 der Anodengleichspannungsquelle entnommen wird. Bei dieser Schaltung lässt sich eine nahezu exponentielle Regelung der Verstärkung erzielen. Eine solche Regelung ist besonders wichtig bei Mikrophonverstärkern, bei denen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Wert der Regelspannung und dem Wert der in dB ausgedrückten Verstärkung gewünscht wird.
Durch Änderung des Wertes des Widerstandes 14 lässt sich die Steilheit der Charakteristik, die den Zusammenhang zwischen lem Logarith- mus der Steilheit und der Steuergitterspannung darstellt, ändern.
Falls Hochfrequenzschwingungen zu ver- stärken sind, wird vorzugsweise ein auf diese
Schwingungen abgestimmter Kreis in Reihe mit dem Widerstand 12 geschaltet, während dieser
Widerstand selbst mittels eines Kondensators für die Hochfrequenzschwir.-ungen überbrückt wird.
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