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Verstärker mit wenigstens zwei in beiden Übertragungsrichtungen gleichzeitig
durchlässigen Elektronenröhren-Vierpolen Das Hauptpatent hat einen in beiden Übertragungs-.
richtengen wirksamen Verstärker zum Gegenstand, der in seiner prinzipiellen Schaltung
durch die Abb. 1 dargestellt ist.
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Schaltungsanordnungen mit einem einzigen Verstärker, die unabhängig
von der Senderichtung und ohne Verwendung von Gabelschaltungen mit künstlichen Leitungsnachbildungen
den -Empfangspegel von Fernmeldeanlagen erhöhen, sind bereits bekannt. Zum Teil
sind derartige Anordnungen keine Verstärkervierpole, sondern Zweipole. Ihre Wirkung
besteht darin, daß unter Verwendung von Rückkopplungsschaltungen eine negative Impedanz
in die Leitung eingefügt wird, die allerdings zur Vermeidung von Selbsterregung
kleiner sein muß als die positive Impedanz des Übertragungsweges. Es ergibt sich
also mit solchen Schaltungen in einem gewissen Frequenzbereich eine Dämpfungsvermindereng.
Derartige Schaltungsanordnungen sind besonders in amerikanischen Veröffentlichungen
eingehend beschrieben, außerdem z. B. in der deutschen Patentschrift 857 649.
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Ein Verstärkervierpol, der ebenfalls zur Verstärkung in beiden Übertragungsrichtungen
dient, ist feiner in der österreichischen Patentschrift 108 772 beschrieben. Auch
seine Wirksamkeit beruht auf der Verwendung eines negativen Widerstandes in Reihenschaltung
mit zwei Übertragern. Der negative Widerstand wird durch eine Elektronenröhre in
Dynatronschaltung dargestellt, bei der bekanntlich der Anodenstrom mit zunehmender
Anodenspannung abnimmt.
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Eine Anordnung mit zwei Elektronenröhren in Kathodenverstärkerschaltung
ist in der deutschen Patentschrift 83904,8 beschrieben. Es handelt sich dabei
aber um eine Vierpolschaltung, die zur Trennung von Impedanzen zweier Netzwerke,
z. B. Fernsprechleitungen, dient. Eine Verstärkung erlaubt diese Schaltung nicht
und ist auch nicht mit ihr bezweckt.
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In der durch das Hauptpatent geschützten Verstärkerschaltung werden
zwei Elektronenröhren-Vierpole benutzt, deren Röhren jeweils zwei positiv vorgespannte,
im Raumladegebiet arbeitende Elektroden besitzen, in deren Stromkreisen die Vierpolabschlußwiderstände
liegen. Jede Röhre erhält eine zusätzliche, leistungslose Steuerung über ein negativ
vorgespanntes Steuergitter, dessen Steuerspannung von dem zugehörigen Vierpol, z.
B. durch den von einem der Elektrodenströme an einem Widerstand erzeugten Spannungsabfall,
geliefert wird.
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Der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Verstärker
ist ebenfalls aufgebaut aus wenigstens zwei Elektronenröhren-Vierpolen, die in beiden
Übertragungsrichtungen gleichzeitig durchlässig sind. Die Erfindung besteht darin,
daß die Steuerspannung zur zusätzlichen leistungslosen Steuerung jedes Vierpols
direkt oder über gegebenenfalls phasendrehende Kopplungselemente jeweils allein
dem Raumladegitterwiderstand des anderen oder eines anderen Vierpols entnommen ist.
Es hat sich ergeben, daß auch mit einer solchen Schaltung eine stabile Verstärkung
in beiden Übertragungsrichtungen möglich ist.
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In den Verstärkerschaltungen gemäß Abb. 1 und 2 der Zeichnung, von
denen die erste dem im Hauptpatent beschriebenen Beispiel entspricht, werden Raumladegitterröhren
verwendet. Raumladegitter und Anoden der Röhren erhalten durch die angedeuteten
Gleichspannungsquellen gegenüber den Kathoden positive Potentiale, während die Steuergitter
durch weitere Gleichspannungsquellen gegenüber den Kathoden negativ vorgespannt
sind. Es sei zur Vereinfachung der nachfolgenden Erläuterung der Wirkungsweise der
in Abb. 2 dargestellten Schaltung angenommen, daß die Innenwiderstände der Gleichspannungsquellen
vernachlässigbar klein sind. Ferner wird die Richtung der Verstärkung zunächst von
links nach rechts angenommen. Demnach ist - wie in der Zeichnung angedeutet - im
Anodenkreis der linken Röhre der symmetrischen Schaltung eine Signal-EMK wirksam.
Die verstärkte Spannung tritt dann an den Enden des Anodenwiderstandes der rechten
Röhre der Schaltung auf.
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In der nachfolgenden rechnerischen Darstellung bedeuten dIal, dIa,
die jeweiligenÄnderungen derAnodenströme der ersten bzw. zweiten Röhre, dIRGl, dIRCa
die entsprechenden Änderungen der Raumladegitterströme, und dE die Änderung der
Eingangs-EMK.
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Es sei außerdem zur Vereinfachung der rechnerischen Darstellung vorausgesetzt,
daß die Kenndaten beider Röhren gleich sind. Dann bedeutet
das Verhältnis
der Anodenstromänderung zur Raumladegitterspannungsänderung,
a Ua das Verhältnis der Raumladegitterstromänderung zur Anodenspannungsänderung,
Ri den inneren Widerstand der Strecke Anode-Kathode, R;RG den inneren Widerstand
der Strecke Raun-ladegitter-Kathode, SRG die Steilheit des Raumladegitterstromes,
bezogen auf die Steuergitterspannung, S die Steilheit des Anodenstromes, bezogen
auf die Steuergitterspannung.
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Es bedeutet außerdem R den äußeren Anodenwiderstand jeder Röhre, R'
den äußeren Raumladegitterwiderstand jeder Röhre.
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. Die Schaltung ist also in dem vorliegenden Beispiel vollkommen symmetrisch
aufgebaut.
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Der Augenblickswert der in Reihe mit dem Anodenwiderstand an die linke
Röhre gelegten EMK bewirke eine Spannungserhöhung dE an der Anode, womit -beim Fehlen
des Anodenwiderstandes - eine Vergrößerung des Anodenstromes
verbunden wäre. Wegen der Anwesenheit des Anodenwiderstandes und wegen des vom anwachsenden
Anodenstrom verursachten Spannungsabfalls verbleibt eine resultierende Vergrößerung
des Anodenstromes
Der Anodenstrom wird aber außerdem von den Potentialänderungen amRaumladegitter
und am Steuergitter beeinflußt. Eine Zunahme des Raumladegitterstromes setzt wegen
des dabei vergrößerten Spannungsabfalls im Raumladegitterkreis das Potential des
Raumladegitters herab. Als Folge davon nimmt auch der Anodenstrom dieser ersten
Röhre ab, und zwar um den Betrag
Es verbleibt eine resultierende Änderung des Anodenstromes
Unter Berücksichtigung einer Abnahme des Steuergitterpotentials als Folge einer
Zunahme des Raumladegitterstroms der zweiten Röhre ergibt sich schließlich:
oder nach Umgruppierung:
Die Änderung des Raumladegitterstromes der ersten Röhre läßt sich entsprechend berechnen.
Als Folge der Stromverteilung nimmt der Raumladegitterstrom bei einer Zunahme des
Anodenpotentials um dE - R # dIal um den Betrag
ab. Eine Zunahme des Raumladegitterstromes vermindert außerdem das Raumladegitterpotential,
wodurch die Zunahme des Raumladegitterstromes um den Betrag verringert wird. Die
Änderung des Raumladegitterstromes beträgt also zunächst:
Wenn nun außerdem der Raundadegitterstrom der zweiten Röhre zunimmt, so vermindert
sich wegen des Spannungsabfalls das Potential des mit diesem Raumladegitter verbundenen
Steuergitters der ersten Röhre, was zu einer Zunahme des Raumladegitterstromes dieser
Röhre um den Betrag SRG - R' - dIRGZ führt.
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Die resultierende Änderung des Raumladegitterstromes der ersten Röhre
wird also zu:
oder umgeformt
Für die Änderung des Raumladegitterstromes der zweiten Röhre ergibt sich naturgemäß
eine entsprechende Formel, in der lediglich die Indizes 1 und 2 vertauscht sind
und der mit der Anodenspannungsänderung dE verknüpfte Summand wegfällt
Die Formel für den Anodenstrom der zweiten Röhre entspricht ebenfalls der bereits
vorher für die erste Röhre gefundenen bei Vertauschung der Indizes und Wegfall des
dE-Gliedes:
Aus den so erhaltenen vier Gleichungen läßt sich nachstehende Determinante aufstellen:
Aus ihr lassen sich die einzelnen Ströme errechnen. Zur Ermittlung der Verstärkung
genügt die Berechnung des Anodenstromes der zweiten Röhre. Es ist: dIa2
=
Zur Vereinfachung der Formel möge durch entsprechende Dimensionierung des Raumladegitterwiderstandes
gesetzt werden:
Es wird dann
oder nach weiterer Vereinfachung:
Die Spannungsänderung am Anodenwiderstand ist gleich R - dIa2, woraus für
die Verstärkung folgt:
Umeine tatsächliche Verstärkung zu erhalten, muB sein
Anders ausgedrückt: der Nenner dieses Bruches muB der Bedingung
genügen. Diese Bedingung ist erfüllbar, wenn
Die Kenndaten üblicher Raumladegitterröhren entsprechen im allgemeinen dieser Umgleichung.
Bei einer als Raumladegitterröhre geschalteten Sechspolröhre wurden z. B. die nachstehend
aufgeführten Kenndaten gemessen
Für eine zwanzigfache Verstärkung errechnet sich dafür die Größe
des Anodenwiderstandes »R« aus
und es ergibt sich
Dabei wurde entsprechend Spalte 6 dieser Beschreibung vorausgesetzt, daß
Damit ist die Größe des Raumladegitterwiderstandes bestimmt zu:
Bei einer solchen Dimensionierung tritt also am Anodenwiderstand im Kreise der rechts
angeordneten Röhre eine gegenüber der Eingangs-EMK 20fach verstärkte Spannung auf.
Eine hier nicht durchgeführte Rechnung ergibt, daß am Gitter der Röhre des rechten
Schaltungsteiles noch keine nennenswert verstärkte Spannung vorhanden ist. Die hier
feststellbare Verstärkung ist vielmehr in der Größenordnung von Eins. In jeder Übertragungsrichtung
wird also die Gesamtverstärkung im wesentlichen in der zweiten Stufe erzielt. Die
erste Stufe hat praktisch die Funktion eines Übertragers mit dem Spannungsübertragungsmaß
Eins. In der umgekehrten Übertragungsrichtung vertauschen die beiden Stufen ihre
Funktionen. Es ist also genau so eine Verstärkung in der entgegengesetzten Richtung
möglich. Eine Selbsterregungsgefahr besteht nur, wenn durch zu weitgehende Verkleinerung
des Nenners die Verstärkung sich theoretisch dem Wert oo nähert. Die Zusammenschaltung
der beiden Verstärkerteile ist auf verschiedene Arten möglich, z. B. über Kopplungskapazitäten,
transformatorisch oder auch galvanisch usw. Je nach den gewünschten Verstärkereigenschaften
können mehrere Elektronenröhren-Vierpole oder auch -Vierpolpaare zusammengeschaltet
werden, was für die Ankopplung der Steuergitter entsprechende Variationsmöglichkeiten
ergibt. Wenn die Verstärkereigenschaften in beiden Übertragungsrichtungen gleich
sein sollen, wird - gleiche Röhren vorausgesetzt - die Vierpolzahl geradzahlig sein.