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Endstufe hohen Wirkungsgrades für Gleichstromverstärkung mit einer
Röhre Die Erfindung betrifft eine Endstufe hohen Wirkungsgrades für Gleichstromverstärkung
mit einer Röhre, die durch Steuerimpulse konstanter Amplitude und den Momentanwert
des zu verstärkenden Gleichstromes proportionaler Breite voll ausgesteuert wird.
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Bekannte Gleichstromverstärker weisen einen veränderlichen Wirkungsgrad
auf, der von dem augenblicklichen Aussteuerungsgrad abhängt. In einem gewissen Aussteuerungsgebiet
sinkt der Wirkungsgrad dieser Verstärker auf sehr geringe Werte, so daß derartige
Verstärker für verschiedene Anwendungen, bei denen es auf die Leistung ankommt,
nicht geeignet sind. In diesen Fällen ist das Problem der Energiebilanz von Bedeutung
und der geringe Wirkungsgrad des Verstärkers müßte unbedingt zur Verwendung von
großen und für den gegebenen Zweck unwirtschaftlichen Elektronenröhren führen. Bei
bekannten Gleichstromverstärkern wird entweder eine direkte galvanische Kopplung
zwischen den einzelnen Stufen verwendet, oder die Stufen sind über Spannungsstabilisatoren
miteinander verbunden. Diese Schaltungsarten bedingen eine komplizierte Anordnung
der Stromversorgungsquellen und haben lediglich eine begrenzte Stabilität.
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Verstärker, bei denen das Eingangssignal, entweder eine Gleichspannung
oder eine Wechselspannung, deren obere Grenzfrequenz f""" ist, zuerst eine Trägerfrequenzspannung
moduliert. deren Frequenz beträchtlich höher liegt als die Grenzfrequenz fm"" wonach
die derart modulierte Trägerfrequenzspannung in linearen Wechselstromverstärkern
auf den gewünschten Pegel verstärkt und gleichgerichtet wird, weisen ebenfalls den
Nachteil eines geringen Wirkungsgrades auf.
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Es ist ferner ein Niederfrequenzverstärker mit Gegentaktendstufe und
Impulssteuerung bekannt. Hierbei ist die Gegentaktschaltung obligatorisch. Bei dem
bekannten Verstärker sind zwischen den Anoden der Endröhren und dem Ausgangstransformator
je eine Selbstinduktion vorgesehen. Diese beiden Selbstinduktionen sind durch einen
gemeinsamen Eisenkern fest miteinander gekoppelt und wirken als magnetische Energiespeicher.
Dieser Energiespeicher kann sich aber erst durch die Dioden auswirken, die den Verstärkerröhren
so parallel geschaltet sind, daß ihre Stromrichtung der zugeordneten Verstärkerröhre
entgegengesetzt ist. Die Last wird bei dem bekannten Verstärker magnetisch angekoppelt.
Für das Null-Signal muß ein Tastverhältnis, d. h. ein Verhältnis der Impulsintervalle
zur Impulsbreite von 1: 1 vorliegen.
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Bei einem weiteren bekannten Gleichstromverstärker ist hinter die
Verstärkerröhre ein Anodenspeicherkreis geschaltet. Dieser Anodenspeicherkreis ist
derart abgestimmt, daß seine Eigenfrequenz der Grundfrequenz der Eingangswelle entspricht.
Der Anodenspeicherkreis ist praktisch eine Parallelschaltung einer Induktivität
mit einer Kapazität und demzufolge ein Schwingkreis. Der Speicherkreis ist über
eine Diode mit einen Lastspeicherkreis verbunden. Dieser Lastspeicherkreis ist wiederum
ein Schwingkreis. An diesen Lastspeicherkreis ist die Last über einen Kondensator
angekoppelt. Mit dem bekannten Verstärker wird eine hochfrequente Spannung von konstanter
Amplitude verstärkt.
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Die bisher bekannten Niederfrequenzverstärker, die mit hohem Wirkungsgrad
nach dem Prinzip der Impulserregung mittels breitenmodulierten Impulsen arbeiten,
haben den Nachteil. daß diese zur Erzielung der gewünschten Wirkungsweise zwei Induktionen
mit idealer gegenseitiger Kopplung ohne Streufluß haben müßten. was praktisch nicht
realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß werden die Nachteile bekannter Gleichstromverstärker
dadurch beseitigt, daß in der Kathodenzuleitung eine Diode in Sperrichtung liegt,
der über eine Drossel die Last parallel geschaltet ist, die außerdem über einen
Glättungskondensator mit der Speisespannungsquelle in Verbindung steht.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß in der Anodenzuleitung der Röhre
eine Diode in Sperrichtung liegt. der über eine Drossel die Last parallel geschaltet
ist, die außerdem über einen Glättungskondensator mit Masse in Verbindung steht.
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Das Prinzip und die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Gleichstromverstärkers
sollen nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben werden. In Fig. 1 ist das prinzipielle
Schaltbild des Verstärkers dargestellt;
Fig. 2 zeigt die zeitlichen
Verläufe der Ströme und Spannungen an verschiedenen Stellen des Verstärker-Stromkreises,
und in Fig. 3 ist schließlich eine Abänderung der in Fig. 1 gezeigten Verstärkerschaltung
veranschaulicht.
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Der erfindungsgemäße Gleichstromverstärker arbeitet wir folgt: Im
allgemeinen besteht die Eingangspannung aus dem Gleichspannungsglied und aus einer
Reihe von Harmonischen mit der oberen Grenzfrequenz fnu.,. Die Eingangsspannung
wird unter Verwendung irgendeines an sich bekannten Verfahrens in breitenmodulierte
Impulse verwandelt. Die Impulsfolgefrequenz liegt viel höher als die Grenzfrequenz
fm"@. Durch die derart gestalteten Impulse mit veränderlicher Breite wird die Elektronenröhre
1 (Fig. 1) geöffnet. Jedesmal, wenn der ankommende Impuls die Röhre öffnet, steigt
das Kathodenpotential dieser Röhre auf einen Wert, welcher dem Potential des positiven
Pols der Spannungsquelle nahe liegt. Durch die Röhre beginnt dann ein Strom zu fließen,
dessen Anfangswert dem am Ende des vorigen Arbeitszyklus durch die Drosselspule
3 fließenden Stromes gleich ist. Während des Impulses steigt der durch die Elektronenröhre
1 fließende Strom derart. daß die Geschwindigkeit der Stromzunahme dem Spannungsunterschied
zwischen den Punkten 3' und 3" und der Induktivität der Drosselspule 3 entspricht.
Das Potential im Punkt 3" bleibt annähernd konstant, weil der Glättungskondensator
5 mit Rücksicht auf die Impulsfolgefrequenz dimensioniert ist. Nach dem Verlöschen
des Impulses wird die Elektronenröhre 1 wieder gesperrt, und das Potential im Punkt
3' sinkt auf einen kleinen negativen Wert, der gerade dazu genügt, um durch die
Diode 2 einen Strom durchzutreiben, welcher dem durch die Röhre 1 am Ende
des Impulses fließenden Strom gleich ist. Der durch die Diode fließende Strom nimmt
dann während des Intervalls zwischen zwei nacheinanderfolgenden Impulsen ab, wobei
die Abnehmegeschwindigkeitwie vorher dem Potentialunterschied zwischen den Punkten
3" und 3' entspricht. Der stationäre Zustand, der dadurch gekennzeichnet ist. daß
der zeitliche Stromverlauf während aller nacheinanderfolgenden Impulse der gleiche
ist, kann nur dann eintreten, wenn eine eindeutige Beziehung zwischen der Folge
der Steuerungsimpulse und der in dem Punkt 3" existierenden Spannung besteht. Der
absolute Betrat der mittleren Ströme stellt sich automatisch derart ein. daß für
die in Fig. 1 als ein Widerstand 4 dargesteihe Belastungsimpedanz das Ohmsche Gesetz
erfüllt ist.
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1n Fig. _' sind die zeitlichen Verläufe der Spannungen und Ströme
in verschiedenen Punkten des Verstärkers veranschaulicht.
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Die Diagramme 6, 7 und 8 zeigen drei verschiedene Formen der an dem
Steuergitter der Elektronenröhre 1 wirkenden Impulse, wobei jede in dem Diagramm
-ezeigte Impulsfolge einen anderen Breitenmodulationscrad besitzt.
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Die Diagramme 9, 10 und 11 zeigen die entsprechenden zeitlichen Verläufe
der Spannung im Punkt 3' (s. Fig. 1). Die gerade Linie 12 stellt die Null- (Erd-)
Spannung dar, während die Linie 13 der Spannung der Stromquelle entspricht.
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Die Diagramme 14, 15 und 16 beziehen sich auf die entsprechenden Verläufe
der durch die Arbeitsdrosselspule 3 in der Pfeilrichtung fließenden Ströme. Gestrichelt
sind die Mittelwerte der Ströme gezeigt.
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Die Diagramme 17, 18 und 19 veranschaulichen die entsprechende Spannung
im Punkt 3" und somit auch die an der Belastungsimpedanz 4 liegende Spannung. Auch
diese Spannungsverläufe sind relativ zur Null- und Quellenspannung gezeichnet (Linien
12 und 13).
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Die erfindungsgemäße Schaltung besitzt neben dem schon erwähnten hohen
Wirkungsgrad zwei weitere Vorteile, die darin bestehen, daß der Innenwiderstand
außerordentlich niedrig ist und daß für die Ausgangsspannung beinahe die volle von
der Quelle gelieferte Spannung ausgenutzt werden kann.
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Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung erweist sich als besonders vorteilhaft
für die Anodenmodulation der Sender mit schwankender Trägerfrequenz, kann aber wohl
auch auf anderen Gebieten verwendet werden, insbesondere dort, wo eine sehr rasch
regelbare Gleichspannung verlangt wird. In Fällen, wo der Belastungsnullpunkt mit
dem positiven Pol der Quelle verbunden werden darf, kann die in Fig.3 gezeigte Schaltung
verwendet werden. Im Vergleich mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung besitzt
der in Fig. 3 gezeigte Verstärker den Vorteil, daß die Kathode der gesteuerten Elektronenröhre
geerdet ist und daß sich die Aussteuerung der Röhre leichter gestaltet. Die Arbeitsweise
dieses Verstärkers ist ähnlich wie bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung.
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Aus der Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltung geht hervor,
daß in dem Verstärker im Gegensatz zu anderen möglichen Schaltungen praktisch die
gesamte während der Impulsdauer in der Drosselspule 3 gespeicherte Energie in die
aktive. Belastungsimpedanz geliefert wird, was in dem Intervall zwischen zwei nacheinanderfolgenden
Impulsen geschieht. Daraus folgt, daß der Verstärker mit kleinstmöglichen Energieschwankungen
arbeitet.