DE1009238B

DE1009238B - Magnetischer bzw. dielektrischer Verstaerker

Info

Publication number: DE1009238B
Application number: DEN8650A
Authority: DE
Inventors: Johannes Meyer Cluwen; Simon Duinker
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-03-23
Filing date: 1954-03-20
Publication date: 1957-05-29
Also published as: US2835747A; NL177081B; GB753255A; NL93758C; FR1096155A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen bzw. dielektrischen Verstärker, der eine Speiseschwingungsquelle, mit deren Hilfe ein magnetisches bzw. dielektrisches Material im nichtlinearen Teil der Polarisationskurve gesteuert wird, eine Signalquelle, die ein Signal mit niedrigerer Frequenz als die der Speiseschwingung liefert zum Modulieren des Polarisationsgrades des Materials, und eine Demodulatorschaltung zum Demodulieren der auf diese Weise erhaltenen, modulierten Schwingungen enthält.

Die Verstärkungskennlinie solcher Verstärker, welche die Beziehung zwischen dem Augenblicks wert der Signalschwingung und dem der Demodulatorausgangsschwingung darstellt, ist im allgemeinen nichtlinear. Dies bedeutet, daß, wenn die Signalquelle einen Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung liefert, im Demodulationsprodukt im allgemeinen höhere Harmonische der von der Signalquelle gelieferten Eingangsschwingung erzeugt werden, was mit nichtlinearer Verzerrung bezeichnet wird.

Das Bestreben geht dahin, diese nichtlineare Verzerrung weitgehend zu verringern, indem der Verstärker mit Hilfe einer passend gewählten Einstellpolarisation auf einen möglichst linearen Teil der Verstärkungskennlinie eingestellt und die von der Signalquelle gelieferte Schwingung dieser Einstellpolarisartion überlagert wird. DieseEinstellpolarisation kann bei einem magnetischen Verstärker mittels eines Gleichstroms erhalten werden, der eine am ferromagnetischen Material angebrachte Wicklung durchfließt, oder es kann dazu ein Dauermagnet verwendet, werden; bei einem dielektrischen Verstärker kann sie durch eine Gleichspannung, welche den das dielektrische Material enthaltenden Kapazitäten zugeführt wird oder, bei geeigneten dielektrischen Materialien, durch innere remanente Polarisation im Material erzielt werden.

Abgesehen von der Tatsache, daß das Unterdrücken der höheren Harmonischen naturgemäß nicht vollständig ist, wobei insbesondere die zweite und die dritte Harmonische hinderlich wirken, sind bei diesem Verfahren der Amplitude der von der Signalquelle gelieferten Schwingungen verhältnismäßig scharfe Grenzen gesetzt; denn wenn der Verstärker außerhalb des für die Einstellpolarisation fixierten, als linear betrachteten Teiles der Verstärkungskennlinie gesteuert wird, wird die Verzerrung schnell unzulässig groß sein.

Die Erfindung bezweckt, einen solchen Verstärker mit geringerer nichtlinearer Verzerrung zu schaffen und hat das Merkmal, daß der Polarisationsgrad des Materials außerdem durch eine Hilfsschwingung moduliert wird, deren Frequenz zwischen der der Signalschwingung und der der Speiseschwingung

Magnetischer bzw. dielektrischer
Verstärker

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg I₁ Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 23. März 1953

Johannes Meyer Cluwen und Simon Duinker,

Eindhoven (Niederlande),
sind als Erfinder genannt worden

liegt, daß die erwähnte Demodulatorschaltung ein selektives Netzwerk enthält, an dem eine auf die Hilfsschwingung aufmodulierte Signalschwiragung erzeugt wird und daß mit dem selektiven Netzwerk eine zweite Demodulatorschaltung zum Erzeugen des verstärkten Signals gekoppelt ist.

Aus der schweizerischen Patentschrift 244 197 ist ein magnetischer Verstärker bekannt, bei dem ebenfalls eine Hilfsschwingung benutzt wird, deren

'4° Frequenz aber größer ist als die der Signalschwingung und die der Speiseschwingung. Bei dem bekannten magnetischen Verstärker wird das zu verstärkende Signal auf diese Hilfsschwingung aufmoduliert, während gemäß der Erfindung das zu ver-

stärkende Signal mit einer Hilfsschwingung additiv zusammengesetzt und dem Verstärker zugeführt wird. Hieraus ergibt sich, daß bei der bekannten Verstärkerano'rdnung zusätzlich noch ein Modulator benötigt wird. Der Verstärker nach der Erfindung weist daher den Vorteil eines geringeren Aufwandes auf.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung des magnetischen Typs nach der Erfindung,

709 546/313

Fig. 2 eine bei einer solchen Einrichtung auftretende Kennlinie,

Fig. 3 eine Einrichtung des dielektrischen Typs nach der Erfindung und

Fig". 4 eine Einrichtung nach der Erfindung, bei der die Hilfssehwingung spontan erzeugt wird.

In Fig. 1 bezeichnet M den Modulatorteil eines magnetischen Verstärkers. Im dargestellten Fall ist M aus zwei Transformatoren zusammengebaut, deren Kerne eine niehtlineare Polarisationskennlinie aufweisen. Die Primärwicklungen sind in Reihe geschaltet, die Sekundärwicklungen in Reihe in entgegengesetzter Richtung. - G bezeichnet einen Spei.segenerator, der die ferromagnetischen Kerne bis in. den nichtlinearen Teil ihrer Polarisationskennlinie steuert. *5 Wird den Primärwicklungen ein Gleichstrom g zugeführt, so ändert sich die Amplitude r der zwischen den Punkten yi und B auftretenden Schwingung als Funktion dieses Gleichstroms g, wie es in Fig. 2 angedeutet ist; diese Amplitude r kann mit Hilfe einer ao Demodulatorschaltung demoduliert werden.

Bei den üblichen magnetischen Verstärkern wird mittels eines Gleichstroms g₀ oder mittels eines Dauermagneten auf einen solchen Punkt der r-g-Kennlinie eingestellt, daß in der Nähe dieses Punktes die Beziehung zwischen r und g weitgehend linear ist. Wird den Primärwicklungen ein Signal 6" zugeführt, als Überlagerung der Einstellpolarisation ^₀, so wird am Ausgang der Demodulatorschaltung ein verstärktes, aber verzerrtes Signal erzeugt, da die erwähnte r-g-Kennlinie im wesentlichen nichtlinear ist. Außerdem sind der Amplitude des Eingangssignals verhältnismäßig scharfe Grenzen gesetzt, da diese den als linear betrachteten Teil a-b der r-g--Kennlinie nicht überschreiten darf, wenn diese Verzerrung nicht unzulässig groß werden soll.

Bei der Verzerrung infolge der höheren Harmonischen des Signals wirken besonders, die zweite und die dritte hinderlich, da diese im allgemeinen am intensivsten sind und sich außerdem schwer durch Filter unterdrücken lassen.

Wenn gemäß der Erfindung anstatt einer Einstellpolarisation g₀ der Polarisationsgrad des Materials nicht nur mit dem Signal S, sondern auch mit einer Hilfssehwingung H moduliert wird, deren Frequenz zwischen der des Signals S und der der Speiseschwingung G liegt, und wenn die Demodulatorschaltung ein selektives Netzwerk N enthält, das auf die Frequenz der Hilfsschwingung H abgestimmt ist, so ergibt es sich, daß an diesem Netzwerk N eine Schwingung erzeugt wird, die nach Demodulation das verstärkte Signal S liefert, ohne daß es durch gleichzahlige Harmonische, insbesondere durch die zweite Harmonische verzerrt ist, wobei bei bestimmter Wahl der Amplitude der Hilfsschwingung H außerdem die dritte Harmonische im verstärkten Signal unterdrückt werden kann, ohne daß es dazu erforderlich ist, daß die r-g--Kennlinie Teile haben soll, die wenigstens annähernd als linear betrachtet werden können. Dies wird einleuchten bei Betrachtung der in Fig. 2 dargestellten r-g-Kennliriie. I^m Hinblick auf die Symmetrie dieser Kennlinie in bezug auf die r-Achse kann man für die funktionelle Beziehung zwischen r und g angeben:

frequenz m_h zwischen der des Signals und der der Speiseschwingung. Diese Hilfsschwingung kann durch

H — h cos OJh t (2)

angegeben werden. Dies bedeutet, daß g sich gemäß

g = h cos ω/, t + S

ändert.

Gemäß der Erfindung enthält die Demodulatorschaltung, die die Demodulatorausgangsschwingung r liefert, außerdem ein selektives Netzwerk N, das auf die Frequenz der Hilfsschwingung H abgestimmt ist. An diesem Netzwerk treten also diejenigen Komponenten von r auf, die cos ω/, ί enthalten.

Nach Einfügung des Ausdrucks (3) in den Ausdruck (1) und Ersatz von cos² ω/, t durch ¹It + ¹Ji cos 2 CU/, t usw. findet man für die Komponente mit cos α)/, t:

r(co_h) = cos ω _hi \S \2a₂h + 3a₄A³ H «₆A⁶ + .

I V 4

Dies ist also eine modulierte Schwingung mit unterdrückter Trägerwelle. Führt man einer geeigneten Demodulatorschaltung D sowohl r (co^ als auch die Hilfsschwingung H zu, so tritt am Ausgang U dieser Schaltung ein Signal S₁₁ auf, das proportional dem Ausdruck zwischen den großen Klammern in r (cu_h) ist:

wobei A eine Proportionalitätskonstante ist und

C₁= 2«₂ä + 3«

C₂= (4^h + 15 a_eh³ + ...)

-1 A₆A⁶ + ... j·

C₃=

Gemäß der Erfindung führt man nun dem Verstärker nicht nur das zu verstärkende Signal 5" zu, sondern auch eine Hilfsschwingung H mit einer Kreis-Das endgültige Demodulationseirgebnis enthält also keine gleichzähligen Harmonischen der ursprünglich dem Verstärker zugeführten Signalschwingung; besonders das Fehlen der zweiten Harmonischen ist dabei von Bedeutung.

Es ist jedoch auch möglich, die dritte Harmonische, die außer der zweiten im allgemeinen am hinderlichsten wirkt, im endgültigen Demodulationsergebnis wesentlich zu unterdrücken, d. h. indem der vorerwähnte Koeffizient C₃ auf Null herabgesetzt wird. Die Amplitude h der Hilfsschwingung H kann nun so gewählt werden, daß c₃ tatsächlich Null wird. Bedingung d^[azu ist, daß mindestens einer der Koeffizienten a₄, O₈... negativ ist. Aus der Tatsache jedoch, daß die Kurve r = f (g) sowohl für positive als auch für negative Werte von g mindestens eine Krümmung besitzt, folgt, daß dies tatsächlich der Fall ist.

Fig. 3 zeigt gemäß der Erfindung ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkers des dielektrischen Typs. C₁ und C₉ bezeichnen dabei Kapazitäten mit einem dielektrischen Werkstoff mit einer nichtlinearen PoIarisationskennliinie; T_x und T₂ bezeichnen Trenntransformatoren. G bezeichnet den Speisegenerator, der die dielektrischen Werkstoffe bis in den nichtlinearen Teil ihrer Polarisationskennlinie steuert. H bezeichnet die Hilfsschwingungsquelle und S die Signalquelle. Die an den Klemmen A und B auftretende Schwin-

gung wird über die Gleichrichterschaltung R dem selektiven Netzwerk N zugeführt; R und N bilden also gemeinsam die DemodulatoTschaltung mit einem selektiven Netzwerk N, das auf die Frequenz der Hilfsschwingung H abgestimmt ist. Die Ausgangsschwingung dieses Demodulators R-N wird gemeinsam mit der von H stammenden Hilfsschwingung dem Demodulator D zugeführt, dessen Ausgang U das verstärkte Signal entnommen werden kann.

Bei den in den Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Hilfsschwingung H in die Kreiise durch eine geeignete Schwingungsquelle eingeführt. Es ist jedoch auch möglich, diese Hilfsschwingung// auf an sich bekannte Weise spontan im Verstärker zu erzeugen. Fig. 4 zeigt ein Aus- *5 führungsbeispiel eines solchen magnetischen Verstärkers. L bezeichnet darin einen Transformator mit einem ferromagnetischen Kern, dessen Polarisationskennlinie nichtlinear ist, G eine Speiseschwingungsquelle, die diesen ferromagnetisch«! Kern bis in den a° nichtlinearen Teil seiner Polarisationskennlinie steuert. L₁, C₁, R₁ und L₂, C₂, R₂ sind zwei Kreise, von denen der eine auf eine Frequenz Z₁ und der andere auf eine Frequenz Z₂ abgestimmt ist, die z. B. derart gewählt sind, daß Z₁ + f₂ = 2f ist, wobei f die Frequenz der Speiseschwingung bezeichnet. Es ergibt sich, daß bei einer solchen Schaltung Schwingungen mit Frequenzen f₁ und f₂ spontan erzeugt werden, wenn die Resonanzimpedanz der Kreise L₁, C₁, R₁ und L₂, C₂, R₂ hinreichend groß ist. Man kann Z₁ derart wählen, daß Z₁ zwischen der Frequenz des zu verstärkenden Signals und der Frequenz f der Speiseschwingung liegt. Wenn im Kreis außerdem die Signalquelle S wirksam ist, so entsteht am Netzwerk N des aus dem Gleichrichternetzwerk R und dem Netzwerk N bestehenden Demodulators eine Schwingung r (ω/,), wie vorstehend angegeben, wobei m_h = 2nf₁ ist. r (ω_Λ) wird gemeinsam mit einer Schwingung der Frequenz Z₁, die über einen Transformator T₃ dem Kreis L₁, C₁, R₁ entnommen wird, einem Demodulator D zugeführt, an dessen Ausgang U das Signal S₁₁ auftritt.

Naturgemäß kann man auch bei dem dielektrischen Verstärker nach der Erfindung die Hilfsschwingung spontan entstehen lassen, indem ähnliche Maßnahmen getroffen werden.

Es wird einleuchten, daß die Erfindung sich nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es können z. B. die Modulatorteile der Verstärker einfach oder in Gegentakt eingerichtet sein, der als Graetzsdhaltung ausgebildete Gleichrichter R kann durch eine beliebige andere Gleichrichterschaltung ersetzt werden, usw.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetischer bzw. dielektrischer Verstärker mit einer Speiseschwingungsquelle, mit deren Hilfe ein magnetisches bzw. dielektrisches Material im nichtlinearen Teil seiner Polarisationskennlinie gesteuert wird, mit einer Signal quelle, die ein Signal mit niedrigerer Frequenz als die Frequenz der Speiseschwingung zur Modulation des Polarisationsgrades des Materials liefert, und mit einer Demodulatorschaltung zum Demodulieren der auf diese Weise erzielten, modulierten Schwingung, dadurch gekennzeichnet, daß der Polariisationsgrad des Materials außerdem durch eine Hilfsschwingung· H moduliert wird, deren Frequenz zwischen der der Signalschwingung· S und der der Speiseschwingung B liegt, daß die erwähnte Demodulatorschaltung R ein selektives Netzwerk N enthält, an dem eine auf die Hilfsschwingung aufmodulierte Signalschwingung erzeugt wird und daß mit dem selektiven Netzwerk ./V eine zweite Demodulatorschaltung D zum Erzeugen des verstärkten Signals gekoppelt ist.

2. Verstärker nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschwingung H vom Verstärker selbst erzeugt wird.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Hilfsschwingung H auf einen Wert eingestellt ist, bei dem die dritte harmonische Verzerrung der Verstärkerkennlinie praktisch unterdrückt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 244 197.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen