DE1058558B - Verfahren und Anordnung zur Verstaerkung einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung sehr niedriger Frequenz oder einer veraenderlichen Gleichspannung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Verstärkung einer veränderlichen Spannung und kann beispielsweise in Steuer- und Servovorrichtungen sowie bei Elektrokardiographen Verwendung finden. Die Erfindung bezweckt insbesondere die verstärkte Übertragung von Wechselspannungen sehr kleiner Frequenz oder von Wechselspannungen mit einer Gleichstromkomponente (wobei der Verstärkungsfaktor größer oder kleiner als 1 sein kann) und soll daher in diesem Zusammenhang näher erläutert werden.

Der Betrieb von sogenannten Gleichstromverstärkern, d. h. Verstärkern, welche sich zur Verstärkung von Wechselspannungen sehr kleiner Frequenz bzw. von Wechselspannungen mit einer Gleichstromkomponente eignen, ist mit gewissen Schwierigkeiten verbunden, da die auf Änderungen z. B. der Betriebsspannungen zurückzuführenden Änderungen des Anodenstromes zu Störungen Anlaß geben. Man hat bereits versucht, diese Störungen durch verschiedene Mittel zu beseitigen, beispielsweise durch Verwendung von abgeglichenen Systemen mit Paaren von Verstärkerröhren im wesentlichen gleicher elektrischer Eigenschaften und Hilfskreisen zum Ausgleich von kleinen Unterschieden in den elektrischen Eigenschaften der Röhren, durch Anwendung negativer Rückkopplung sowie durch genaue Regelung der Betriebsspannungen der Röhren. Durch diese Maßnahmen wurden jedoch die Verstärker sehr verteuert, und der erzielte Effekt war für gewisse Zwecke, beispielsweise für Elektrokardiographen, trotzdem nicht ausreichend.

Zur Beseitigung der Schwierigkeiten galvanisch gekoppelter Röhrenverstärker ist bereits die Verstärkung mittels Hilfsträger bekannt, deren Varianten etwa im Blatt Z 634-10 des »Archivs für technisches Messen« (Januar 1953) zusammengestellt sind. Demnach hat man Spannungen sehr niedriger Frequenz z. B. mittels impulsförmiger Hilfsträger verstärkt. Die Spannung niedriger Frequenz wird dabei in eine Wechselspannung konstanter Frequenz umgewandelt, die in einem selektiven Verstärker verstärkt und anschließend demoduliert und gefiltert wird. Die Spannung niedriger Frequenz kann durch eine Steuerröhre die Breite einer Impulsfrequenz variieren, wonach diese Impulsfrequenz in einer entsprechenden Brücke mit der unveränderten Frequenz verglichen wird.

Die Anordnung nach der Erfindung leistet eine verstärkte (oder gedämpfte) Übertragung, die sowohl Wechselspannungen sehr niedriger Frequenz als auch veränderliche Gleichspannungen umfaßt, wobei bei der Übertragung keine Verzerrungen eingeführt werden.

Verfahren und Anordnung

zur Verstärkung einer Spannung,

insbesondere einer Wechselspannung

5 sehr niedriger Frequenz

oder einer veränderlichen Gleichspannung

Anmelder:

Hazeltine Corporation,

Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Mouths, Patentanwalt, Frankfurt/M., Börsenstr. 17

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 1. September 1955

Charles Joachim Hirsch, Douglaston, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Gemäß der Erfindung wird ein neues Verstärkungsverfahren benutzt, welches darin besteht, daß man durch periodischen Vergleich der zu verstärkenden Spannung mit einer Hilfswechselspannung größerer Amplitude und Frequenz periodisch wiederkehrende Steuerimpulse erzeugt, mit Hilfe dieser Steuerimpulse die in den Augenblicken ihres Auftretens gegebenen Augenblickswerte einer zur ersten Hilfsspannung in vorbestimmtem Amplituden- und Frequenzverhältnis stehenden zweiten Hilfswechselspannung größerer Amplitude abtastet und durch Integrierung dieser Augenblickswerte unter Dämpfung der der zweiten Hilfsfrequenz entsprechenden Spannungskomponente eine der zu verstärkenden Spannung proportionale Spannung gewinnt.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele von Schaltungsanordnungen näher erläutert.

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Fig. 1 und 3 stellen zwei solche Anordnungen dar, geführte Spannung im Anodenkreis dieser Röhre

während einen sehr kurzen Spannungsimpuls erzeugt. Der Ka-

Fig. 2 ein zur Erläuterung ihrer Wirkungsweise thode der Diode 20 wird über die Leitung 11 die zu

dienendes Diagramm ist. verstärkende Spannung A zugeführt, während ihrer

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsan- 5 Anode über den Widerstand 12 und die Leitung 13 Ordnung zur verstärkten Übertragung einer veränder- die erste Hilfsspannung B zugeführt wird.
liehen Spannung, wie sie beispielsweise in Fig. 2 Die Schaltungsanordnung enthält weiterhin einen durch die Kurve A dargestellt ist. Die Übertragung Übertragungsweg mit nichtlinearer Übertragungssoll hierbei unter Verstärkung um den Faktor k er- charakteristik für die zweitgenannte Hilfsspannung kB, folgen, so daß also die Ausgangsspannung der An- io der durch die vom Univibrator erzeugten Steuerordnung die Spannung kA ist. An Stelle der durch die impulse gesteuert wird. Dieser Weg führt über einen Kurve A der Fig. 2 dargestellten Wechselspannung elektronischen Schalter 35 mit zwei Zweigen. Der eine sehr kleiner Frequenz kann beispielsweise auch eine Zweig enthält zwei Dioden 36 und 37, deren Anoden veränderliche Gleichspannung verstärkt werden. miteinander verbunden sind, während der andere

Der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 werden *5 Zweig ebenfalls zwei Dioden 38 und 39 enthält, deren

drei Spannungen zugeführt: erstens die zu verstär- Kathoden miteinander verbunden sind. Die Kathode

kende Spannung A, zweitens eine Hilfswechselspan- der Diode 36 ist mit der Anode der Diode 38 und mit

nung B, deren Amplitude und Frequenz größer ist als der Klemme 17 verbunden, während die Kathode der

Amplitude und Frequenz der Spannung A. und drit- Diode 37 mit der Anode der Diode 39 in Verbindung

tens eine weitere Hilfswechselspannung kB, deren 20 steht. An die Kathoden der Dioden 38 und 39 ist der

Amplitude das k-fache der Amplitude der Spannung B positive Pol einer Vorspannungsquelle 40 angeschlos-

beträgt, während ihre Frequenz zweckmäßig der sen, deren negativer Pol über die Sekundärwicklung

Frequenz der Spannung B gleich ist oder ein ganz- 41 des Transformators 32 mit den Anoden der Dioden

zahliges Mehrfaches von ihr beträgt. Die Hilfsspan- 36 und 37 in Verbindung steht, so daß also normaler-

nungen Z? und kB können die in Fig. 2 dargestellte 25 weise alle vier Diodeu gesperrt sind.

Sinusform haben, sie können aber auch periodische Schließlich enthält der Übertragungsweg für die

Spannungen anderer Art sein, beispielsweise sägezahn- zweite Hilfsspannung kB einen zur Dämpfung dieser

förmige Spannungen. Jedenfalls soll ihre Frequenz Spannung geeigneten Siebkreis 43. Dieser besteht aus

zumindest das Doppelte der Frequenz der zu ver- einer die Anode der Diode 39 mit der nicht geerdeten

stärkenden Spannung A betragen. 30 Ausgangsklemme 45 verbindenden Spule 44 sowie aus

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wird Kondensatoren 46 und 47, welche die beiden Klemmen die zu verstärkende Spannung A den Eingangs- der Spuk 44 mit der geerdeten Ausgangsklemme 45 klemmen IQ zugeführt, während die erste Hilfsspan- der ganzen Anordnung verbinden. Die Elemente 44. nung B aus der den Klemmen 17 zugeführten zweiten 46 und 47 bilden zusammen ein Tiefpaßfilter, das Hilfsspannung kB selber abgeleitet wird, indem die 35 zweckmäßig so bemessen ist, daß seine obere Grenzletztgenannte Spannung über Leitungen 18., 19 zu frequenz zwischen der höchsten Frequenz der zu vereinem Spannungsteiler 14,15 gelangt, dessen beide stärkenden Spannung A und der Frequenz der zweiten Teile im Widerstandsverhältnis k zueinander stehen. Hilfsspannung kB liegt. Beträgt also die höchste Fre-In diesem Fall ist also die Frequenz der zweiten Hilf s- quenz der zu verstärkenden Spannung A beispielsweise spannung kB gleich derjenigen der ersten Hilfsspan- 40 1000 Hertz und ist die Frequenz der Hilfsspannung nung B. kB beispielsweise 2000 Hertz, so soll die obere Grenz-

Die Anordnung enthält einen Steuerkreis zur Ge- frequenz des Tiefpaßfilters 43 einen zwischen diesen winnung von Steuerimpulsen in Abhängigkeit vom beiden Werten liegenden Wert haben.
Vergleich der zu verstärkenden Spannung A und der Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Anersten Hilfsspannung B. Dieser Steuerkreis besteht 45 Ordnung ist wie folgt: In dem Augenblick, in welchem aus einem Gleichrichter 20 und aus einem von zwei die erste Hilfsspannung B während ihrer positiven Trioden 23 und 24 gebildeten Univibrator 22. Die Halhwelle den Augenblickswert der zu verstärkenden Anode der Triode 23 ist über einen Kondensator 25 Spannung A zu übersteigen beginnt, wird die Diode mit dem Steuergitter der Triode 24 verbunden, und 20. durchlässig, und es fließt Strom durch den Widerdie Kathoden der beiden Trioden sind über einen ge- 5° stand 12, wodurch die Spannung an der Anode 20 meinsamen Widerstand 27 geerdet. Das Steuergitter vermindert wird. Dieser Vorgang tritt in den in der Triode 23 ist unmittelbar geerdet, während das Fig. 2 dargestellten Zeitpunkten t_r i₂, t₃, £₄. t₅ und f₆ Steuergitter der Triode 24 über einen Widerstand 28 ein. In jedem dieser Zeitpunkte ergibt sich an der geerdet ist. Die Anode der Triode 23 ist über einen Anode der Diode 20 ein negativer Spannungsimpuls, Kopplungskondensator mit der Anode der Diode 2Q 55 der über den Kondensator 29 zum Univibrator 22 verbunden und erhält ihre Betriebsspannung von der übergeführt wird. Diese Spannungsimpulse werden Spannungsquelle +B über einen Widerstand 30, durch das Kondensator-Widerstands-Netzwerk 29,30 während die Anode der Triode 24 ihre Betriebsspan- differenziert und ergeben auf diese Weise kurze Im-Him von derselben Spannungsquelle über die Primär- pulse, die über den Kondensator 25 zum Steuergitter wicklung 31 eines Transformators 32 erhält. Die 60 der Triode 24 gelangen. Wie erwähnt wurde, ist die Schaltungselemente des Univibrators sind so bemessen. Triode 24 normalerweise durchlässig, während die daß die Triode 24 normalerweise durchlässig ist. Triode 23 normalerweise gesperrt ist. Durch einen während die Triode 23 durch die an der Kathode der jeden der vorerwähnten kurzen negativen Impulse beiden Trioden erzeugte positive Spannung normaler- wird nun die Röhre 24 gesperrt, so daß der Widerweise gesperrt ist. Der Widerstand 30 bildet zusam- 65 stand 27 stromlos wird und infolgedessen die durch men mit dem Kondensator 29 einen Differenzierkreis diesen Widerstand erzeugte sperrende Vorspannung für die dem Univibrator von der Anode der Diode 20 der Triode 23 wegfällt. Nun wird also die Röhre 23 zugeführte Spannung, und die Zeitkonstante des durchlässig, während die Röhre 24 gesperrt ist, und Widerstand-Kondensator-Netzwerkes 28, 25 ist so he- der Univibrator 22 verbleibt in diesem unstabilen messen, daß eine dem Steuergitter der Triode 24 zu- 70 Betriebszustand für eine sehr kurze Zeit, die durch

Claims (11)

die Zeitkonstante des Widerstand-Kondensator-Netzwerkes 28,25 im Steuergitterkreis der Röhre 24 bestimmt wird. Am Ende dieser kurzen Zeitspanne kehrt der Univibrator in seinen stabilen Betriebszustand zurück und verbleibt in diesem bis zur Ankunft des nächsten negativen Spannungsimpulses. In der Zeitspanne, in welcher die Röhre 24 gesperrt ist, nimmt die Spannung an ihrer Anode zu. und infolgedessen ergeben sich in der Sekundärwicklung 41 des Transformators 32 die in Fig. 2 dargestellten positiven Spannungsimpulse C, die den Anoden der Dioden 36 und 37 zugeführt werden. Durch diese kurzen positiven Spannungsimpulse C wird die durch die Spannungsquelle 40 bewirkte Sperrung der Dioden 36 und 37 kurzzeitig aufgehoben, und die Dioden 36 und 37 führen daher die in diesen Zeitpunkten gegebenen Augenblickswerte der den Klemmen 17 zugeführten zweiten Hilfsspannung kB zum Siebkreis 43 über. Auf diese Weise werden also dem Siebkreis 43 die in Fig. 2 dargestellten Spannungsimpulse D zugeführt, deren Amplitude die Amplitude der zu übertragenden Spannung *4 jeweils übersteigen. Die Spannungsimpulse D haben während der positiven Halbwelle A positive Polarität und während der negativen Halbwelle der Spannung^ negative Polarität, weil die erste Hilfsspannung B eine größere Frequenz hat als die zu verstärkende Spannung^, so daß sie sich auch während der negativen Halbwelle der Spannung A mehrmals in positivem Sinne ändert. Wenn man die Wirkung des Tiefpaßfilters 43 im ganzen genommen betrachtet und dabei berücksichtigt, daß das Tiefpaßfilter auf die zweite Hilfsspannung kB stark dämpfend wirkt, so ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Tiefpaßfilter die Impulse D in die sinusförmige Spannung kA umformt, die ein um den Ver-Stärkungsfaktor k vergrößertes Abbild der zugeführten Spannung A darstellt. Diese Reproduktion wird um so teurer, je größer die Frequenz der periodischen Spannungen B und kB im Verhältnis zur Frequenz der zu verstärkenden Spannung^ ist. Um also die Wirkung eines Breitbandverstärkers zu erreichen, soll dieses Frequenzverhältnis möglichst groß gewählt werden. Ein großer Unterschied zwischen den genannten Frequenzen hat auch den Vorteil, daß das Tiefpaßfilter 43 einfacher und billiger wird. Die periodischen Spannungen B und kB brauchen keineswegs dieselbe Frequenz zu haben, vielmehr kann beispielsweise eine dieser Spannungen eine Oberharmonische der anderen sein. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 ist nahezu so identisch mit derjenigen gemäß Fig. 1; der einzige Unterschied besteht darin, daß bei der Anordnung gemäß Fig. 3 die Spannung B nicht aus der Spannung kB abgeleitet ist, vielmehr diese beiden Spannungen über getrennte Klemmen 52,53 und über getrennte Widerstände 50,51 der Anordnung getrennt zugeführt werden. Hierbei sind also diese beiden Spannungen sowohl hinsichtlich ihrer Frequenz als auch hinsichtlich ihrer Größe unabhängig voneinander, und es ist möglich, die Spannung kB beispielsweise kleiner zu wählen als die Spannung B, um auf diese Weise eine gedämpfte Übertragung der Spannung ^! zu erzielen. Patentansprüche: 65

1. Verfahren zur Verstärkung einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung sehr niedriger Frequenz oder einer veränderlichen Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß durch periodischen Vergleich der zu verstärkenden Spannung (A) mit einer Hilfswechselspannung (B) größerer Amplitude und Frequenz periodisch wiederkehrende Steuerimpulse (C) erzeugt werden, daß mit Hilfe dieser Steuerimpulse die in den Augenblicken ihres Auftretens gegebenen Augenblickswerte einer zur ersten Hilfsspannung (5) in vorbestimmtem Frequenzverhältnis stehenden zweiten Hilfswechselspannung (kB) größerer Amplitude abgetastet werden und daß durch Integrierung dieser Augenblickswerte unter Dämpfung der der zweiten Hilfsfrequenz entsprechenden Spannungskomponente eine der zu verstärkenden Spannung (A) proportionale Spannung (kA) gewonnen wird (Fig. 2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz jeder der beiden Hilfsspannungen zumindest das Doppelte der Frequenz der zu verstärkenden Spannung beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (C) in den Augenblicken erzeugt werden, in welchen die Augenblickswerte der zu verstärkenden Spannung (A) und der ersten Hilfsspannung (B) einander gleich sind.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der zweiten Hilfsspannung (kB) gleich derjenigen der ersten Hilfsspannung (B) ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der zweiten Hilfsspannung (kB) ein ganzzahliges Mehrfaches der Frequenz der ersten Hilfsspannung (B) ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenverhältnis zwischen den beiden Hilfswechselspannungen gleich dem gewünschten Verstärkungsfaktor bemessen ist.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Steuerkreis (22) zur Erzeugung der Steuerimpulse in Abhängigkeit vom Vergleich der zu verstärkenden Spannung und der ersten Hilfsspannung, einen durch die Steuerimpulse gesteuerten Übertragungsweg (35) mit nichtlinearer Übertragungscharakteristik für die zweite Hilfsspannung und einen an diesen Zeichenkanal angeschlossenen Siebkreis (43) zur Dämpfung der zweiten Hilfsspannung enthält (Fig. 1).

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (22) aus einem Gleichrichter (20) und einem von diesem gesteuerten Impulsgenerator besteht, wobei der einen Elektrode des Gleichrichters die zu verstärkende Spannung (A) und ihrer anderen Elektrode die erste Hilfswechselspannung (B) zugeführt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator ein Univibrator ist.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsweg für die zweite Hilfsspannung aus einem normalerweise geschlossenen elektronischen Schalter (35) besteht, der durch die Steuerimpulse des Steuerkreises kurzzeitig geöffnet wird.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter aus zwei parallal geschalteten Zweigen besteht, deren