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Gyrator
Die Erfindung betrifft Verbesserungen eines Gyrators. Gegenwärtig sind einige Verwirklichungen des
Gyrators bekannt, die allerdings entweder nur in einem nicht genügend breitenFrequenzband arbeiten oder kompliziert sind.
Erfindungsgemäss ist ein Gyrator, der aus einem Verstärker, mit einer Verstärkung von 2 und einer gleichen Eingangs- und Ausgangsimpedanz von der Grösse Z und einer negativen Impedanz gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Impedanz - Z in die Serien - oder ParallelrUckkopplungs- schleife des Verstärkers geschaltet ist.
Die Schaltung und Arbeitsweise des erfindungsgemässen Gyrators soll nun an Hand der Zeichnungen näher erklärt werden, wobei die Schaltungen der Fig. 1 - 4, den Stand der Technik angeben und die der
Fig. 5 und'6 (also mit negativer Rilckkopplungsimpedanz) den Erfindungsgegenstand bilden. Die Eigen- schaften des Gyrators, dessen prinzipielles Schaltbild in Fig. 1 veranschaulicht ist, sind durch die Ma- trizen-Gleichung des folgenden Vierpols bestimmt :
EMI1.1
wobei für den allgemeinen Gyrator Zl und Z2 allgemeine Impedanzen bedeuten, die im Falle des idealen Gyrators auf gleiche Ohmsche Widerstände reduziert werden Zl =Zz =R.
Wenn der Gyrator nach Fig. 2 geschaltet ist, d. h. wenn aus den Ausgangsklemmen 2, 2'eine parallele Rückkopplung an die Eingangsklemmen 1, l* eingeführt wird, oder-was dieselbe physikalische Bedeutung hat-wenn parallel zu dem Gyrator ein Vierpol mit Admittanz-Matrix
EMI1.2
geschaltet ist, entsteht ein Vierpol, dessen Eigenschaften durch die Summe der Admittanz-Matrizen des
EMI1.3
EMI1.4
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was aber nichts anderes als die Admittanz-Matrix des Verstärkers bedeutet, dessen Verstärkung V = 2 (siehe Fig. 3) und dessen Eingangs- und Ausgangsimpedanzen gleich Z sind.
Ganz ähnlich verhält sich die Schaltung mit der Reihen-Rückkopplung nach Fig. 4, deren Eigen- schaften sich aus der Summe der Impedanz-Matrizen beider in Reihe geschalteter Vierpole ergeben. Als ! Ergebnis erhält man die Impedanz-Matrix des Ganzen :
EMI2.1
die wieder eine Matrix des Verstärkers nach Fig. 3 bedeutet.
Die eben beschriebene Gyrator-Schaltung, die sich als ein Unilateral-Verstärker verhält, wird bisweilen im Schrifttum als "Isolator" bezeichnet.
Das Wesen der Erfindung liegt nun darin, dass ein Verstärker (gleich welcher Art) verwendet wird, mit einer Verstärkung von 2und gleichen Eingangs- und Ausgangs-Impedanzen von der Grösse Z (siehe Fig. 3), der als ein rückgekoppelter Gyrator (Isolator) betrachtet werden kann (siehe Fig. 2 oder 4), und bei dem in der Serien-oder Parallelrückkopplungsschleife eine negative Impedanz-Z geschaltet ist (siehe Fig. 5 oder 6), die als spannungs- oder als stromabhängiger Zweipol betrachtet werden kann, und die z. B. aus einem Verstärker mit positiver Spannungs-bzw. Stromrückkopplung besteht. Es kann auch ein Verstärker mit viel grösserer Verstärkung verwendet werden, aber die Verstärkung ist in diesem Falle auf die genaue Grösse 2 durch die Gegenkopplung stabilisiert.
Für die Admittanz-Matrix der Schaltung nach Fig. 5 folgt, wenn Z=Z ; =Z wird :
EMI2.2
was die Admittanz-Matrix des Gyrators darstellt.
Ganz ähnlich erhält man für die Impedanz Matrix der in Fig. 6 gezeigten Schaltung :
EMI2.3
Daraus folgt, dass die in Fig. 5 und 6 dargestellten Schaltungen sich als Gyrator verhalten. Der Verstärker, bei welchem sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsimpedanz gleich Z sind und der eine Verstärkung von 2 besitzt, kann ohne Schwierigkeiten verwirklicht werden. Das gleiche gilt für eine strom- oder spannungsgesteuerte negative Impedanz-Z. Daraus folgt, dass ein derartiger Gyrator ohne weiteres leicht realisiert werden kann. Wenn allgemeine Impedanzen benützt werden, entsteht auf die beschriebene Art ein allgemeiner Gyrator. Selbstverständlich ist die Schaltung des Gyrators nicht nur auf elektrische Kreise beschränkt.
Ebensogut kann nach wohlbekannten Analogiesätzen eine mechanische, hydraulische, pneumatische oder ähnliche Einrichtung hergestellt werden, welche die Eigenschaften des Gyrators besitzt. Für elektrische Kreise können als Verstärkerelemente Elektronenröhren- und Transistorverstärker sowie auch magnetische, dielektrische und nach dem Prinzip der rotierenden Maschine (Amplidyn) arbeitende Verstärker verwendet werden. Für hydraulische, pneumatische und mechanische Gyratoren liegt die Verwendung der aus den Servomechanismen und Regelungstechnik bekannten Verstärker auf der Hand.
Das gemeinsame Merkmal aller oben erwähnten erfindungsgemässen Vorrichtungen ist, dass eine negative Impedanz (d. i. z. B. ein Verstärker mit positiver Rückkopplung), in der Rückkopplungsschleife eines Verstärkers geschaltet ist, der einen elektrischen, mechanischen, hydraulischen, pneumatischen oder ähnlichen Charakter aufweist, wobei in jedem Falle die Schaltung des Verstärkers nach den wohlbekannten Analogiesätzen von der elektrischen Schaltung abgeleitet werden kann.
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Bezüglich obiger mathematischer Überlegungen wird auf die Buchwerke R. Feldtkeller : Einführung in die Vierpoltheorie der elektrischen Nachrichtentechnik, Verlag S. Hirzel, B. D. H. Tellegen : The Gyrator, a new electric network element. Philips Research Reports 3 (April 1948) S. 81 - 101, W. Nonnenrnacher, F. Schreiber : Frequenz 8 (1954/7), S. 201 - 204 und B. P. Bogert : Proc. IRE, (July 1955), S 793 - 796, als einschlägige Literatur verwiesen.