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Schaltungsanordnung zur automatischen Abstimmung eines elektrischen
Schwingungskreises Es ist eine Schaltungsanordnung zur automatischen Abstimmung
eines im Stromkreise einer Ausgangselektrode einer Röhrenverstärkerstufe liegenden
elektrischen Schwingungskreises auf Resonanz mit der Frequenz einer in dem Strom
dieser Ausgangselektrode enthaltenen Wechselstromkomponente bekannt, in welcher
das Abstimmelement, beispielsweise ein Drehkondensator, von einem Motor über seinen
ganzen Änderungsbereich langsam durchgedreht wird. Beim Durchgang der Abstimmung
durch die Resonanz des Schwingungskreises mit der Frequenz der genannten Wechselstromkomponente
ergibt sich am Kreis ein Spannungsmaximum, welches als Kriterium für das Erreichen
der richtigen Abstimmung benutzt und zur Steuerung des Motors verwendet werden kann.
Vorteilhafterweise wird jedoch der bei der Resonanzstelle eintretende Phasensprung
der am Schwingungskreis stehenden Spannung als Kriterium benutzt. Unter Ausnutzung
des Phasensprunges wird eine Steuerspannung erzeugt, welche der Ablage der tatsächlichen
Abstimmung des Kreises von der Resonanz nach Größe und Richtung entspricht, also
beim Durchgang durch die Resonanzstelle einen -Nulldurchgang aufweist. Von dieser
Regelspannung wird ein polarisiertes Relais gespeist, welches über einen Umschaltekontakt
den Motor in der einen oder anderen Drehrichtung in Betrieb setzt, so daß das Abstimmelement
von dem Motor in der zur Verringerung des Abstimmfehlers geeigneten Richtung bewegt
wird. Ist durch den liotorantrieb schließlich der Zustand der genauen-Abstimmung
erreicht, bei welchem die erzeugte Regelspannung einen Nulldurchgang aufweist, wird
der Motor außer Betrieb gesetzt.
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Fig. 1 zeigt eine nach diesem Prinzip arbeitende bekannte Schaltung,
an welcher zunächst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe erklärt werden soll.
Dargestellt ist eine Röhrenverstärkerstufe, welche beispielsweise einer Senderanordnung
angehören kann und deren Anodenkreis mittels eines durch einen Motor angetriebenen
Drehkondensators automatisch abgestimmt werden soll. Es sei angenommen, daß den
Eingangsleitungen -1 und 2 die zu verstärkende Wechselspannung zugeführt wird. Der
Gitterkreis besteht aus dem Kondensator 3 und der diesem Kondensator parallel geschalteten
Spule 4. Es sei weiter angenommen, daß dieser Gitterkreis bereits richtig abgestimmt
ist. Die der Leitung 1 zugeführte Wechselspannung wird dem Steuergitter der Röhre
5 zugeführt, welche als Pentode dargestellt ist. Der Anodenkreis besteht aus dem
Drehkondensator 6 und der parallel liegenden Spule 7. An den Leitungen 8 und 9 erscheint
die in der Stufe verstärkte Wechselspannung. Der Drehkondensator 6 des Anodenkreises
wird mit Hilfe des Motors 10 eingestellt, der durch eine Regel-Spannung in der einen
oder anderen Richtung in Betrieb gesetzt oder angehalten wird, die von einer besonderen
Diskriminatorschaltung erzeugt wird.
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Dazu wird ein sogenannter Phasendiskriminator verwendet, der eine
Regelspannung erzeugt, die von dem Phasenunterschied zwischen zwei an der Schaltung
auftretenden Wechselstromgrößen abhängt. Über den Wandler 11 wird der Diskriminatorschaltung
eine aus dem Gitterkreis entnommene Wechselspannung derartig zugeführt, daß an den
beiden dargestellten Gleichrichterelementen gegenphasige Spannungen auftreten. Ferner
wird der Diskriminatorschaltung eine aus dem Anodenkreis über den Spannungsteiler
aus den Kondensatoren 12 und 13 abgezweigte Wechselspannung an ihrer elektrischen
Mitte zugeführt. Als Kriterium wird dabei die Tatsache ausgenutzt, daß die Anodenwechselspannung
im Falle der richtigen Abstimmung des Anodenschwingungskreises mit der Gitterwechselspannung
gegenphasig ist. Beim Durchdrehen des Drehkondensators 6 aus seiner Anfangs- in
seine Endlage steigt bei der Annäherung an die Resonanzstelle die Anodenwechselspannung
zunächst entsprechend der Resonanzkurve an und fällt auf der anderen Seite der Resonanzkurve
wieder ab. Bei dem Maximum der Anodenwechselspannung, also bei der Resonanzstelle,
ergibt sich der schon erwähnte Durchgang der Phase durch die ohmsche Lage, der mittels
der dargestellten Diskriminatorschaltung für die Steuerung des Motorantriebes ausgenutzt
wird. Der kapazitive Spannungsteiler mit den Kondensatoren 12 und 13 erzeugt eine
der Anodenwechselspannung proportionale und mit dieser phasengleiche Teilspannung.
Zu dieser Spannung wird eine mittels des Wandlers 11 aus dem induktiven Zweig des
Gitterschwingungskreises gewonnene Spannung addiert und subtrahiert.
Die
Spannung, die auf der Sekundärseite des Wandlers 11 an den beiden Belastungswiderständen
entsteht, ist in Phase mit diesem Strom. Ihr Vektor steht also senkrecht auf dem
Vektor der Gitterwechselspannung. Diese Phasenverhältnisse sind in Fig. 2 dargestellt.
lt" bezeichnet die zur Anodenwechselspannung proportionale und phasengleiche Teilspannung,
welche an dem kapazitiven Spannungsteiler abgegriffen wird. Zu dieser addiert und
subtrahiert sich die aus dem induktiven Zweig des Gitterkreises gewonnene Spannung
lt,. deren Vektor senkrecht auf dem Vektor der Gitterwechselspannung steht. Bei
der in Fig.2 dargestellten Phasenlage sind die Summenspannung und die Differenzspannung
lt, und lt, dem Betrage nach gleich. In diesem Fall ist also die Gitterwechselspannung
in Gegenphase mit der Anodenwechselspannung. Wird der Anodenkreis von dieser Einstellung
aus in der einen oder anderen Richtung verstimmt, so ändert sich zunächst der Phasenwinkel
von lt, gegenüber dein Phasenwinkel der Anodenspannung « ohne wesentliche
Betragsänderung der Anodenwechselspamiung. Dadurch werden lt, und 11, in
dem einen oder anderen Sinne ungleich. 11, und IL, werden mittels der beiden Gleichrichter
in entsprechende Gleichspannungen umgesetzt, die sich über die eingezeichneten Belastungswiderstände
schließen. Dem Relais 14 wird die Differenz der beiden erzeugten Gleichspannungen
zugeführt. Entsteht an dem Relais also eine positive Spannung bei Abweichung der
Abstimmung von der Resonanz. in der einen Richtung und eine negative Spannung bei
einer Abweichung in der anderen Richtung, so wird das Relais in dem einen Falle
seinen Anker in die eine Stellung, im anderen Falle in die andere Stellung umlegen.
Über den zu-#@eordneteii Umschaltekontakt 15 wird daher von den Batterieanschlußklemmen
16 und 17 aus der Motor 10 in der für die Herbeiführung der richtigen Abstimmung
des Anodenkreises geeigneten Richtung in Betrieb gesetzt oder beim Erreichen der
richtigen Abstimmung angehalten. Im letzteren Falle befindet sich der Anker des
Relais 14 in seiner neutralen Mittelstellung.
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Derartige Schaltungen, welche mit der Ausnutzung des Phasenkriteriums
arbeiten, haben eine verbreitete Anwendung gefunden. Es gibt aber Fälle, in denen
ihre Anwendung nicht möglich ist, weil Punkte mit eindeutig dem Abstimmungszustand
zugeordneten Phasenverhältnissen nicht vorhanden oder aber innerhalb der Schaltung
nicht zugänglich sind. In solchen Fällen muß man andere Abstimmkriterien für die
Feststellung der richtigen Einstellung anwenden. Als solche kommen Maxima bzw. Minima
der Ströme oder Spannungen an den abzustimmenden Kreisen in Betracht. Die Steuerung
einer automatischen Abstimmung nach derartigen Extremwerten ist jedoch nicht ohne
Schwierigkeiten durchführbar, weil ein solcher Extremwert nicht ohne weiteres als
solcher erkennbar ist. Die Ableitung des Schaltvorganges lediglich von der Amplitude
der Spannung oder des Stromes am Schwingungskreis ist aus dein Grunde nicht ohne
weiteres möglich, weil diese Amplitude nicht nur von der Abstimmung des Kreises,
sondern auch von anderen Einflüssen, beispielsweise von der Verstärkung innerhalb
der Stufe, Pegeländerungen usw. abhängt. Wenn man die Steuerung der Abstimmeng also
von der Beobachtung eines Extremwertes ableiten will, so muß man besondere Mittel
anwenden, um das Maximum bzw. Minimum als solches erkennbar zu machen. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Durchführung dieses Gedankens geeignete
Schaltungsanordnung anzugeben.
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Es sei erwähnt, daß es für einen Schwingungskreis in einem Hochfrequenzgerät,
beispielsweise in einem Empfänger, bereits bekannt ist, das in Abhängigkeit von
der Abstimmung eines Schwingungskreises eintretende Maximum des Stromes oder der
Spannung für die Steuerung einer automatischen Abstimmvorrichtung auszunutzen. Um
dieses Maximum als solches erkennbar zu machen, wird die Abstimmung des Kreises
periodischen Änderungen unterworfen und synchron hierzu ein gegenüber der Frequenz
dieser periodischen Änderungen träges, mit einem Abstimmelement verbundenes Regelorgan
derart beeinflußt, daß es unter der gemeinsamen Wirkung dieses Einflusses und eines
von der Empfangsintensität in Abhängigkeit gebrachten Stromes die Abstimmung so
lange ändert, bis die durch die periodische Abstimmungsänderung verursachten Schwankungen
dieses Stromes gleiche Wirkung im entgegengesetzten Sinne auf das Regelorgan ausüben,
in welchem Falle die Resonanzlage erreicht ist (deutsche Patentschrift 669 377).
Für eine ähnliche Anordnung zur Scharfabstimmung eines Kreises innerhalb eines Empfängers
ist es auch bekannt, durch die Hilfseinrichtung denjenigen Bestandteil des Kreises
periodisch zu verändern, der bei der eigentlichen Abstimmung dieses Kreises nicht
verändert wird.
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Die erwähnten bekannten Vorschläge bezogen sich auf Schwingungskreise,
denen nicht in wesentlichem Maße Leistung entzogen wurde, also auf schwach gedämpfte
Schwingungskreise, wie sie in Empfängern oder verwandten Einrichtungen, beispielsweise
Wellenmessern u. dgl., vorkommen. Die dort zugrunde gelegten Verhältnisse und die
Grundlagen für die Anwendung der bekannten Vorschläge ändern sich jedoch ganz wesentlich,
wenn vorausgesetzt werden muß, daß einer der beiden Zweige des Schwingungskreises,
also entweder der kapazitive oder der induktive Zweig, einen Lastwiderstand enthält.
Dieser Fall liegt im allgemeinen bei Leistungsverstärkerstufen vor und tritt besonders
bei Senderanordnungen auf. Der Erfindung liegt nun die spezielle Aufgabenstellung
zugrunde, die Anwendung der bekannten Schaltungen in derartigen Fällen, in denen
der Schwingungskreis einen Lastwiderstand enthält, zu ermöglichen.
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Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur automatischen Abstimmung
eines im Stromkreis einer Ausgangselektrode einer Röhrenverstärkerstufe liegenden,
aus der Parallelschaltung eines kapazitiven Zweiges mit einem induktiven Zweige
gebildeten elektrischen Schwingungskreises auf Resonanz mit der Frequenz einer in
dem Strom dieser Ausgangselektrode enthaltenen Wechselstromkomponente, vorzugsweise
eines Schwingungskreises in einer Hochfrequenz-Leistungsverstärkerstufe, mit Hilfe
eines auf ein Einstellmittel für die Größe eines Blindwiderstandes einwirkenden
Motorantriebes sowie eines auf die Fehlabstimmung nach Größe und Richtung ansprechenden
Diskriminators, welcher eine Regelgröße liefert, durch die der Motorantrieb in der
zur Verringerung der Fehlabstimmung geeigneten Richtung in Bewegung gesetzt und
bei Erreichen der Resonanzabstimmung stillgesetzt wird, sieht die Erfindung zur
Lösung der genannten Aufgabe vor, daß in dieser Schaltung bei Verwendung eines auf
die Größe der Reaktanz des den Lastwiderstand enthaltenden (gedämpften) Zweiges
des Schwingungskreises einwirkenden Motorantriebes eine Hilfseinrichtung an sich
bekannter Art zur periodischen Änderung der Abstimmung des
Kreises
um einen kleinen Betrag mit einer im Vergleich zur Abstimmfrequenz niedrigen Wobbelfrequenz
vorgesehen ist, und daß diese Hilfseinrichtung auf die Größe der Reaktanz des den
Lastwiderstand nicht enthaltenden (ungedämpften) Zweiges einwirkt, während der Diskriminator
auf die Änderungen des Stromes der genannten Ausgangselektrode in Abhängigkeit von
der Wobbelung und von der Größe der Fehlabstimmung anspricht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach
der Erfindung wirkt der Motorantrieb auf die Größe der Induktivität des Schwingungskreises
ein. Dies bedeutet, daß dann die Hilfseinrichtung auf die Größe der Kapazität des
gleichen Schwingungskreises einwirken muß. Im allgemeinen läßt man die Hilfseinrichtung
auf die Größe einer Teilkapazität des Schwingungskreises einwirken, vorzugsweise
mit Hilfe eines Wechselstrommotors, der ein selbstanlaufender Synchronmotor sein
kann und der den die Teilkapazität bildenden Drehkondensator mit solcher Drehzahl
durchdreht, daß die Wobbelfrequenz gleich der Frequenz des den Wechselstrommotor
antreibenden Stromes ist. In einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
nach der Erfindung wird ein Diskriminator verwendet, dem zwei Spannungen zugeführt
werden. Als die eine seiner beiden Spannungsquellen enthält der Diskriminator einen
an die Zuleitung der genannten Ausgangselektrode angekoppelten Wandler, an dessen
Klemmen je ein Gleichrichter mit derselben Durchlaßrichtung in bezug auf die zugehörige
Klemme angeschlossen ist. Als zweite Spannungsquelle ist eine Wechselspannungsquelle
mit der einen der genannten Klemmen des Wandlers verbunden, welche eine Spannung
der Wobbelfrequenz von einer mit der Spannung der ersten Spannungsquelle vergleichbaren
Größe liefert. Das den Motorantrieb schaltende Organ ist schließlich mit den von
den Wandlerklemmen abgewendeten Anschlüssen der beiden Gleichrichter verbunden.
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In Fig. 3 ist durch die Kurve I" dargestellt, wie sich der Anodengleichstrom
IQ bei einer Schaltung gemäß Fig. 1 ändert, wenn man die Kapazität 6 des Abstimmdrehkondensators
ändert. Als Abstimmkriterium kann hier das Minimum des Anodengleichstromes 1Q, vorzugsweise
unter Anwendung einer der bekannten Schaltungen zum Kenntlichmachen dieses Minimums,
benutzt werden.
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In Fig. 4 ist die Schaltung einer entsprechend der Erfindung ausgebildeten
Anordnung dargestellt. Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 4 mit
den gleichen Bezugsziffern versehen worden. In Fig. 4 enthält der Anodenschwingungskreis
6, 7 in Reihenschaltung mit der Induktivität 7 den Lastwiderstand 25. Die in diesem
Falle als Triode dargestellte Röhre 5 erhält ihre Anodenspannung von der Klemme
26 über die Drosselspule 24. Die Abstimmung des Kreises 6, 7 wird in Fig. 4 mit
Hilfe eines auf die Größe der Induktivität 7 einwirkenden Motors 18 bewirkt. Es
handelt sich bei diesem Beispiel also um eine sogenannte induktive Abstimmung im
gedämpften Zweig. Bei dieser Schaltung entspricht nun das Minimum der Anodengleichstromaufnahme.
gemäß Fig. 3 nicht mehr dem Zustand der exakten Abstimmung, denn bei jeder Änderung
der Einstellung des Variometers 7 ändert sich nicht nur die Blindbelastung des Anodenkreises,
sondern gleichzeitig auch der Strom im Lastwiderstand 25, der durch den eingetragenen
ohmschen Widerstand ersatzweise angedeutet ist. Das Minimum der Anodengleichstromaufnahme
ist also nicht mehr als Kriterium für das Eintreten der richtigen Abstimmung verwendbar.
Würde man dagegen die Abstimmung des Kreises 6, 7 in Fig. 4 durch Änderung des Kondensators
6 bewirken, so wäre das Minimum der Anodengleichstromaufnahme wieder als Kriterium
für die richtige Abstimmung brauchbar, denn in diesem Falle würde die Abstimmung
im ungedämpften Zweige vollzogen, bei welcher die Leistung im Lastwiderstand durch
den Abstimmvorgang nicht unmittelbar beeinflußt wird. Auch die bei der richtigen
Abstimmung vorhandene Phasenopposition der Anodenwechselspannung zu der bei der
hier dargestellten Gitterbasisschaltung in Betracht kommenden Kathodenwechselspannung
könnte als Kriterium für die richtige Abstimmung dienen. Bei der Ausnutzung dieses
Kriteriums ergibt sich aber die Schwierigkeit, daß die Kathodenwechselspannung nur
innerhalb der Röhre zugänglich wäre und von außen nicht zugänglich ist, da zwischen
dem äußeren Schaltungspunkt und der Kathode selbst immer unvermeidliche Induktivitäten
liegen, welche von dem starken Anodenstrom durchflossen werden, so daß sich außerhalb
der Röhre ganz andere Phasenverhältnisse einstellen, als sie an der wirksamen Stelle
innerhalb der Röhre vorhanden sind. Ein Phasenkriterium für die richtige Abstimmung
ist infolgedessen nicht anwendbar.
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Entsprechend der durch die Erfindung gegebenen Lehre wird nun der
für die Hauptabstimmung nicht benutzte, im ungedämpften Zweig des Schwingungskreises
liegende Kondensator 6 periodisch, beispielsweise mit 50 Hz, um einen geringen Betrag
geändert und dadurch die Abstimmung durch eine Einwirkung auf den ungedämpften Zweig
um einen kleinen Betrag gewobbelt. Dies kann praktisch beispielsweise dadurch bewirkt
werden, daß der Kondensator 6 aus einer festen Kapazität und einer mit der Wobbelfrequenz
geänderten Kapazität zusammengesetzt wird. Beispielsweise kann der veränderliche
Kapazitätsanteil durch einen kleinen Durchdrehkondensator gebildet werden. Auf der
I" -Kurve in Fig. 3 wird dabei ein kleiner Betrag in Richtung der Abszissenachse
durchlaufen, wobei sich 1" entsprechend ändert. Liegt die jeweilige Abstimmfrequenz
links vom 1ä Minimum, so hat die Änderung die eine Phasenlage, liegt die jeweilige
Abstimmung rechts von diesem Minimum, so hat sie die entgegengesetzte Phasenlage.
Es entsteht also im Anodengleichstrom eine der Wohbelung entsprechende Wechselstromkomponente,
welche mit Hilfe des Wandlers 11 aus dem Anodengleichstromkreis ausgekoppelt und
den Enden des Belastungswiderstandes 21 zugeführt wird, von wo die Spannung den
beiden Gleichrichterelementen 22 und 23 zugeführt wird. Beim Nulldurchgang dieser
vom Wandler 11 abgegebenen Wechselspannung ist der Zustand der exakten Abstimmung
erreicht. Bei dieser Einstellung soll demnach der Motor 18, der die Veränderung
des Variometers 7 bewirkt, stillgesetzt werden. Die Änderung der Kapazität im ungedämpften
Zweig ist hier lediglich als Hilfsmittel zur Herleitung des Abstimmkriteriums gedacht.
Der Verlauf der sich ergebenden Regelspannung ist durch die Kurve I" in Fig. 3 angedeutet.
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In Fig. 4 wird über den Transformator 19 aus dem Wechselstromnetz
eine Wechselspannung abgenommen, welche den Wobbelmotor 20 beispielsweise mit 3000
Umläufen pro Minute antreibt. Die im Anodenstrom der Röhre 5 auftretende, der Wobbelung
entsprechende Wechselkomponente hat infolgedessen eine Frequenz von 50 Hz. Sie erzeugt
auf der Sekundärseite des Wandlers 11 eine Spannung an dein den
Wandler
belastenden Widerstand 21, welcher sich die von dem Transformator 19 gelieferte
Spannung mit der Wirkung einer Addition oder Subtraktion überlagert. Für die von
dem Wandler 11 abgegebene Spannung sind nämlich je nach dem Richtungssinn der Ablage
der Abstimmung von der exakten Resonanzlage zwei Phasenlagen möglich, die sich nach
der Kurve I", in Fig. 3 um 180° voneinander unterscheiden. Beim Nulldurchgang der
Kurve I" in Fig. 3 sind die beiden Spannungen an den angeschlossenen Gleichrichtern
22 und 23 gleich, so daß sich ihre Wirkungen kompensieren. Oberhalb und unterhalb
des Nulldurchganges ist jedoch die Spannung des unteren Gleichrichters größer oder
kleiner als die Spannung des direkt am Transformator 19 liegenden oberen Gleichrichters,
so daß eine Differenzgleichspannung in der einen oder anderen Richtung übrigbleibt,
welche dem Relais 14 zugeführt wird. Mit Hilfe des Relais 14 wird dann der Motor
18 in der gleichen Weise gesteuert wie der Motor 10 in Fig. 1.
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Wenn auch im behandelten Beispiel vorausgesetzt wurde, daß die Hauptabstimmung
auf die Einstellung des Variometers 7 einwirkt, so könnte nach dem Prinzip der Erfindung
auch eine Schaltung verwirklicht werden, in welcher die Hauptabstimmung auf den
Kondensator 6 einwirkt. Als Voraussetzung bliebe jedoch bestehen, daß der durch
die Hauptabstimmung beeinflußte Zweig des Kreises auch den Lastwiderstand 25 enthält.
Läßt man in der angegebenen Weise die Hauptabstimmung auf den Kondensator 6 einwirken,
mit dem der Lastwiderstand in Reihe geschaltet wäre, so müßte entsprechend der Lehre
der Erfindung die Wobbelung auf das Variometer 7 zur Wirkung gebracht werden. Auch
in diesem Falle könnte inan das Minimum der Anodengleichstromaufnahtne der Röhre
5 als Kriterium für das Vorliegen der richtigen Abstimmung benutzen.