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Schaltung zur Verstärkung eines elektrischen Signals
Es ist bekannt, Kondensatoren mit einem Dielektrikum, dessen Eigenschaften, insbesondere dessen Dielektrizitätskonstante und Verlustwinkel von der angelegten Spannung abhängig sind, für Zwecke der Frequenzmodulation zu benützen (s. z. B. Wireless World, Dezember 1945,
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Die vorliegende Erfindung benützt einen derartigen Modulationseffekt in einer Schaltung zur Verstärkung eines elektrischen Signals in der Weise, dass das zu verstärkende elektrische Signal gemeinsam mit einer Hilfsschwingung einem Schwingungskreis zugeführt wird, der einen Kondensator mit spannungs-bzw. stromabhängigem Dielektrikum enthält. Die Abstimmung des Schwingungskreises schwankt bei der erfindungsgemässen Schaltung im Rhythmus des zu verstärkenden Signals, infolgedessen wird die Hilfsschwingung mit dem Signal amplitudenmoduliert. Hiebei ist es wesentlich, dass die Frequenz der Hilfsschwingung so gewählt wird, dass sie im Bereiche einer der Flanken der Resonanzkurve des Schwingungskreises liegt, so dass sich der Arbeitspunkt entlang einer solchen Flanke bewegt, wenn der Kapazitätswert des spannungsempfindlichen Kondensators sich ändert.
Im allgemeinen soll die mittlere Abstimmfrequenz des Schwingungskreises von der Trägerwellenfrequenz der modulierten
Schwingung nicht mehr als höchstens um einen
Faktor 3 abweichen.
Bei einer zweckdienlichen Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltung wird ausserdem das verstärkte Signal ganz oder teilweise im positiven oder negativen Sinne auf den Modulator- teil der Schaltung rückgekoppelt. Das verstärkte
Signal wird der modulierten Hilfsschwingung durch Demodulation entnommen.
Als Dielektrikum für den Kondensator können
Seignettesalz oder KHPO und einige mit ihm isomorphe Verbindungen verwendet werden.
Günstige Ergebnisse werden gleichfalls mit an sich bekannten Stoffen erzielt, die im wesent- lichen aus Vertretern des ternären Systems BaTiO-SrTiOg-PbTiOa bestehen. Es ist-in diesem Falle nicht erforderlich, dass alle drei
Bestandteile vorhanden sind.
Sehr günstige Ergebnisse werden mit an sich bekannten Dielektrika erzielt, die im wesentlichen aus BaTiOg oder aus Vertretern des binären
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Schaltung bei Zimmertemperatur angewendet wird, ist es empfehlenswert, den Prozentsatz SrTiOa zwischen 15 und 30 zu wählen. Die verschiedenen binären und ternären Mischprodukte bilden homogene Mischkristalle.
Als Kondensatoren mit einem spannungsabhängigem Kapazitätswert können auch Sperrschichtgleichrichter angewendet werden.
Nicht alle Eigenschaften des Dielektrikums brauchen spannungs-bzw. stromabhängig zu sein ; in der Regel zeigt die Dielektrizitätskonstante, häufig der Verlustwinkel und manchmal zeigen beide diese Abhängigkeit.
Die zu erreichende Verstärkung hängt von der Amplitude der Hilfsschwingung, somit von den Eigenschaften des Kondensators ab, u. zw. wird sie um so höher sein, je kleiner der Verlustwinkel des Kondensators in dem betreffenden Augenblick ist.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der mehrere Ausführung- beispiele dargestellt sind.
In Fig. l bezeichnet 1 die Quelle, die das zu verstärkende Signal Ue, z. B. ein Nieder- frequenzsignal oder eine Gleichspannung, liefert.
Es ist im allgemeinen erwünscht, dass das Signal den Charakter einer Gleichspannung hat. Es kann z. B. aus der Überlagerung einer Wechsel- spannung und einer Gleichspannung bestehen, in der Weise, dass das kombinierte Signal stets die gleiche Polarität aufweist. In dem die
Quelle 1 enthaltenden Schwingungskreis liegen ausserdem noch der Kondensator 2 mit einem spannungsabhängigen Dielektrikum 3, die
Sekundärwicklung 5 eines Transformators 4 sowie die Primärwicklung eines Transfor- mators 15.
Der Primärwicklung des Transformators 4 wird eine Wechselspannung Uh zugeführt. Infolgedessen wird über die Sekundärwicklung 5 in dem Schwingungskreis eine Wechselspannung induziert, die in ihm als Hilfsschwingung wirksam ist.
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Bei der Verstärkung von Niederfrequenzsignalen, wozu sich die Schaltung besonders gut eignet, muss die Frequenz der Hilfsschwingung Uh höher, vorzugsweise wesentlich höher sein, als die höchste, in den zu verstärkenden Signalen Ue vorkommende Frequenz.
Als Dielektrikum 3 ist ein Stoff gewählt, dessen Eigenschaften von der über den Kondensator 2 auftretenden Spannung und/oder von dem diesen Kondensator durchfliessenden Strom abhängig sind, z. B. Seignettesalz oder eines der vorerwähnten Titanate. Diese Abhängigkeit ist häufig verwickelt, da die erwähnten Eigenschaften in der Regel nicht nur von der Signalspannung, sondern auch von der Hilfsspannung abhängen.
Falls, wie im vorstehenden bereits erwähnt wurde, die kombinierte Signalspannung den Charakter einer Gleichspannung hat, deren Polarität dauernd die gleiche ist und die Hilts- spannung einen gleichbleibenden Wert aufweist, ergibt sich, dass die Dielektrizitätskonstante der genannten Dielektrika im allgemeinen bei steigender Signalspannung abnimmt. Bei den Titanaten findet man jedoch auch Gebiete, in denen gerade das Umgekehrte stattfindet.
Bei der praktischen Anwendung der erwähnten Dielektrika ist dies zu berücksichtigen.
Infolge der nichtlinearen Eigenschaften des Kondensators 2 wird, wie erwähnt, die Hilfsschwingung mit dem Signal amplitudenmoduliert. Die Entnahme des verstärkten Signals erfolgt mittels einer Diode 12 in Vereinigung mit der Parallelschaltung eines Widerstandes 13 und eines Kondensators 14. Das verstärkte Signal Va kann dem Widerstand 13 entnommen werden.
Der Kondensator 2, die Primärwicklung des
Transformators 15 und die Sekundärwicklung 5 des Transformators 4 bilden einen Schwingungs- kreis, der so bemessen ist, dass beim Fehlen emes Eingangssignals Ue die Frequenz der
Hilfsschwingung Uh einem Punkt auf einer der Flanken der Resonanzkurve des Schwingungs- kreises entspricht.
Um die erforderliche Selbstinduktion im Kreis zu erhalten, ist es in der Regel erforderlich, eine zusätzliche (in der Figur nicht dargestellte)
Spule vorzusehen. Die Wirkungsweise der
Schaltung ist nun folgende :
Die von der Signalspannung hervorgerufenen
Kapazitätsänderungen des Kondensators 2 ver- ursachen Schwankungen in der Abstimmung des Schwingungskreises, so dass der Resonanz- punkt des Schwingungskreises der Frequenz der Hilfsschwingung bald näher rückt, bald sich von ihr entfernt.
Angenommen, dass bei steigender Signalspannung die Dielektrizitäts- konstante, somit die Kapazität des Kondensators abnimmt, und dass die Frequenz der Hilfs- schwingung kleiner als die Abstimmfrequenz des genannten Schwingungskreises ist, so wird bei steigender Signalspannung der Schwingungs- kreis mehr aus der Resonanz für die Hilfs- schwingung geraten und der Strom der Hilfs- schwingung im Kreis stark abnehmen, so dass die dem Demodulator übertragene Spannung abnimmt. In ähnlicher Weise nimmt bei abnehmender Signalspannung der Strom der Hilfsschwingung stark zu ; das Signal kann darauf durch Demodulation der modulierten Hilfsschwingung entnommen werden.
Es ist zu bemerken, dass die im Kreis auftretende Erscheinung noch etwas verwickelter ist, da im geschilderten Fall sich auch die Hilfsspannung über den Kondensator 2 ändert, da infolge der sich ändernden Impedanz des Kondensators die Hilfsspannung über den Kondensator abnimmt.
Da im allgemeinen eine Abnahme der Hilfsspannung über den Kondensator eine Abnahme der Kapazität des Kondensators zur Folge hat, ist das Ergebnis noch günstiger, als man auf Grund des vorstehenden erwarten dürfte. Würde jedoch im vorliegenden Falle die Frequenz der Hilfsschwingung grösser als die Resonanzfrequenz des Schwingungskreises gewählt werden, so beeinträchtigt die letztgenannte Wirkung das ursprünglich zu erwartende Ergebnis.
Fig. 2 stellt eine Schaltung dar, in der ausserdem das verstärkte Signal Ua auf den Modulatorteil der Schaltung rückgekoppelt ist.
Zu diesem Zwecke ist in den Kreis ein Widerstand 8 eingeschaltet, über den eine Spannung des verstärkten Signals auftritt. Dieser Widerstand kann die Funktion des Widerstandes 13 aus Fig. 1 erfüllen ; es ist jedoch auch möglich, in den Demodulatorkreis noch einen weiteren, in der Figur nicht dargestellten und durch einen Kondensator zu überbrückenden Widerstand einzuschalten. In diesem Falle wird nur ein Teil der verstärkten Signalspannung für die Rückkopplung verwendet. Bei der Schaltung nach Fig. 2 sind die Polarität der Signalspannung Uh und die über den Widerstand 8 auftretende Spannung derart gewählt, dass eine positive Rückkopplung entsteht.
Durch Umschaltung der Quelle 1 (Ue) oder der Diode 12 entsteht eine negative Rückkopplung. Die positive Rückkopplung ergibt eine grössere Verstärkung und eine negative Rückkopplung ergibt eine mehr lineare Verstärkung und eine grössere Stabilität der Schaltung.
Zur leichteren Einstellung der Resonanzfrequenz des Schwingungskreises ist parallel zur Primärwicklung des Transformators 15 ein veränderlicher Kondensator 16 geschaltet.
Mit dieser Schaltung und unter Verwendung von Seignettesalz als Dielektrikum wurde ein
Signal von 30 Volt, lAmp. bis auf 200 Volt,
400 Amp. verstärkt.
Um den den Transformator 15 durchfliessenden
Strom von der Frequenz der Hilfsschwingung möglichst niedrig zu halten, ist die Schaltung in Gegentakt ausgebildet, was dadurch erreicht worden ist, dass parallel zur Reihenschaltung der Sekundärwicklung 5 und des Kondensators 2 eine zweite Reihenschaltung vorgesehen wurde, die durch eine andere Sekundärwicklung 6 des
Transformators 4 und einen veränderlichen
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Kondensator 9 mit einem spannungsunabhängigen Dielektrikum, z. B. mit Luft als Dielektrikum, gebildet wird. Der Kondensator wird so eingestellt, dass beim Nichtvorhandensein eines
Signals kein oder nahezu kein Strom von der Frequenz der Hilfsschwingung in denjenigen
Zweig der. Schaltung fliesst, in dem die Primärwicklung des Transformators 15 liegt.
Diese Einstellung kann noch dadurch verbessert werden, dass, wie bereits in der Figur dargestellt, parallel zum Kondensator 9 eine aus einem veränderlichen
Kondensator 10 und einem Widerstand 11 be- stehende Reihenschaltung geschaltet wird.
Durch geeignete Einstellung des Konden- sators 10 und des Widerstandes 11 können die
Verluste des Kondensators 2 nachgebildet werden, so dass ein nahezu vollständiger Ausgleich des
Stromes der Hilfsschwingung erzielt werden kann.
Ein noch etwas besserer Ausgleich kann dadurch erhalten werden, dass der veränderliche Konden- sator 9 und die Reihenschaltung des Wider- standes 11 und des veränderlichen Konden- sators 10 durch einen in der Figur nicht dar- gestellten Kondensator mit einem Dielektrikum der gleichen Art wie der Kondensator 2 ersetzt werden und dass in Reihe mit jedem der Konden- satoren eine Gleichspannungsquelle angebracht wird, die über die entsprechenden Konden- satoren Vorspannungen erzeugen, welche die
Signalspannung übersteigen und für beide Kon- densatoren das entgegengesetzte Vorzeichen haben.
Infolgedessen nimmt der absolute Wert der
Spannung in dem einen Zweig der Schaltung bei ansteigendem Wert des Signals zu, während er im anderen Zweig abnimmt.
Die Schaltung wird derart eingestellt, dass, wenn die Spannung der Quelle 1 gleich Null ist, die Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren einander gleich sind.
Diese Schaltung weist den Vorteil auf, dass
Temperaturänderungen keinen Einfluss auf den
Ausgleich haben.
Wie im vorstehenden bereits erwähnt wurde, ist es in der Regel erwünscht, eine zusätzliche
Spule in den Kreis einzuschalten, um die er- forderliche Selbstinduktion in den Kreis einzu- führen. Dies ist notwendig, wenn keine Trans- formatoren 4 und 15 verwendet werden, wenn somit die Hilfsschwingung auf andere Weise dem Kreise zugeführt wird und der Demodulator auf andere Weise mit dem Kreis verbunden ist.
Wenn die zusätzliche Spule und der Konden- sator parallel zu einander geschaltet sind, erübrigt sich in der Regel eine Gegentaktschaltung, wie oben erwähnt.
Die beschriebenen Schaltungen eignen sich nicht nur zur Verstärkung von Niederfrequenzsignalen und Gleichspannungen, sondern auch zur Verstärkung von auf eine Trägerwelle modulierten Signalen und sind z. B. in Radioempfängem anwendbar.
Es ist nicht erforderlich, die Signalquelle, die Hilfsschwingungsquelle den Kondensator und die Ausgangsimpedanz oder den Demodulator alle in Reihe in den elektrischen Kreis einzuschalten. Es ist auch möglich, eine Anzahl dieser Elemente parallel zu schalten, wenn nur das Auftreten von unerwünschten Kurzschlüssen für die im Kreis wirksamen Schwingungen vermieden wird.
Es ist grundsätzlich möglich, die Einstellung des Kreises derart durchzuführen, dass die Schaltung labil wird und Schwingungen im Kreis erzeugt werden. Falls es erwünscht ist, sinusförmige Schwingungen zu erzeugen, so ist in den Kreis ein geeigneter Schwingungskreis einzufügen.
Zur Verbesserung der Spannungsverstärkung können in den Kreis mehrere Kondensatoren mit einem spannungs-und/oder stromabhängigen Dielektrikum eingeschaltet werden, die z. B. von der Signalquelle in Parallel-und von der Hilfsspannungsquelle in Reihenschaltung gespeist werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltung zur Verstärkung eines elektrischen
Signals, dadurch gekennzeichnet, dass in einem
Kreise, der einen Kondensator (2) mit einem
Dielektrikum (3) enthält, dessen Eigenschaften spannungs-bzw. stromabhängig sind, ein Ein- gangsignal (UeJ und eine von aussen zugeführte
EMI3.1
schwingung durch Demodulation entnommen wird, wobei die Abstimmfrequenz des Schwingungskreises und die Hilfsschwingung so gewählt sind, dass die Hilfsschwingung im Bereiche einer der Flanken der Resonanzkurve des Schwingungskreises liegt.