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Regelschaltung für einen Verstärker Regelschaltungen für Verstärker
sind bekannt, wobei meistens das zu verstärkende oder das bereits verstärkte, gegebenenfalls
demodulierte Signal mindestens einem Verstärkerelement mit nicht linearer Charakteristik,
beispielsweise einer Röhre mit variabler Steilheit, zugeführt wird. Bei Verstärkern
für Tonwiedergabe ist jedoch diese Art der Regelung mit erheblichen Nachteilen verbunden.
Es ist schwierig, einen genügenden Regelbereich zu erhalten, es treten Verzerrungen
auf und bei kurzzeitigen starken Unterschieden des Signals macht sich die Wirkung
derRegulierung unangenehm bemerkbar.
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Um gewisse dieser Nachteile auszuschalten, sind bereits Regelschaltungen
für Verstärker vorgeschlagen worden, die mindestens ein variables, z. B. licht-
oder wärmeempfindliches, lineares Schaltelement, z. B. einen Widerstand aufweisen,
der durch eine in Abhängigkeit von dem zu verstärkenden Signal gespeiste Licht-
bzw. Wärmequelle od. dgl. beeinflußt wird. Dieses variable, lineare Schaltelement,
beispielsweise ein Photowiderstand, ein Thermistor od. dgl. ist als Teil eines Spannungsteilers
oder als Dämpfungswiderstand an geeigneter Stelle in den Verstärkungskanal eingeschaltet.
Dank der völlig linearen Charakteristik des variablen Schaltelementes werden zum
mindesten nichtlineare Verzerrungen vermieden.
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Bei einer bekannten Schaltung wird ein lichtempfindlicher Widerstand
von einer mit dem Verstärkerausgang verbundenen Glimmlampe beeinflußt, die die Eigenschaft
hat, erst beim Erreichen eines bestimmten Wertes der Ausgangsspannung des Verstärkers
aufzuleuchten, womit erreicht wird, daß die Regelung, die sich bei Tonverstärkern
meistens als Kompression auswirken soll, erst beim Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes
des zu verstärkenden Signals einsetzt. Die Schaltung hat jedoch den wesentlichen
Nachteil, daß die Zeitkonstanten für eine gute Regelung viel zu gering sind.
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In einem andern Falle wurde die Verwendung eines wärmeempfindlichen
Widerstandes vorgeschlagen, der von einem mit dem Verstärkerausgang verbundenen
Heizfaden beeinflußt wird. Dieses System weist jedoch eine zu große Trägheit auf.
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Es ist das Ziel der Erfindung, ausgehend von den zuletzt erwähnten
Regelschaltungen mit mindestens einem variablen licht- oder wärmeempfindlichen linearen
Schaltelement, auch die Nachteile der bekannten, mit solchen Elementen ausgerüsteten
Schaltungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Regelschaltung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Licht- oder Wärmequelle od. dgl. mit dem Ausgang eines Schwellwertschalters,
z. B. eines Schmitt-Triggers od. dgL, verbunden ist, dessen Eingang von dem zu verstärkenden
bzw. dem verstärkten Signal gesteuert wird, und welche sich in zwei verschiedenen
Zuständen befindet, je nachdem das Signal über oder unter einem bestimmten Schwellenwert
liegt.
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Diese Schaltung hat die folgenden wesentlichen Vorteile: Die Zeitkonstanten
bzw. die Ansprechverzögerungen des Schwellwertschalters können eingestellt werden,
wobei die Zeitkonstante sowohl am Anfang als auch am Ende jedes Regelvorganges b=-stimmt
werden kann. Der Schwellenwert beispielsweise eines Schmitt-Triggers kann eingestellt
werden und ist dann eindeutig bestimmt. Der Schmitt-Trigger spricht einerseits an
auf die Spitzenspannung eines langen Signals und in geringerem Maße auch auf kurze
Impulse geringer Energie, was für die Regelung von Tonverstärkern sehr erwünscht
ist.
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Es ist möglich, die Zeitkonstanten der Regelvorgänge am Anfang und
Ende derselben noch dadurch idealer zu gestalten, daß an Stelle eines einzigen variablen
Schaltelementes ein von einer Lampe beeinflußter Photowiderstand und ein von einem
Heizelement, gegebenenfalls der soeben erwähnten Lampe, beeinflußter wärmeempfindlicher
Widerstand parallel geschaltet werden. Durch diese Schaltung ergeben sich sehr kurze
Einsatzzeitkonstanten, die im wesentlichen durch de Ansprechgeschwindigkeit der
bistabilen Schaltung bestimmt sind, während die Zeitkonstante am Ende des Regelvorganges
durch das langsame Ansprechen des Thermistors bestimmt ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Fig.
1 zeigt ein Blockschema der Schaltung, und Fig. 2 zeigt ein vollständiges Schema
einer erfindungsgemäßen Transistorschaltung.
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Fig.1 zeigt einen zur Verstärkung irgendeines Signals, beispielsweise
des Signals eines Mikrophons zur Aufnahme von Gesprächen oder Musik auf Magnettonbänder
geeigneten Verstärker 1. Der Ausgang des Verstärkers 1 ist in nicht dargestellter
Weise z. B. mit dem Aufnahmekopf eines Magnettongerätes verbunden. Das Ausgangssignal
des Verstärkers 1 wird außerdem über einen schematisch dargestellten Demodulator
2 beispielsweise einem Schmitt-Trigger 3 zugeführt. Dieser ist so eingestellt, daß
er sich im einen oder andern Zustand befindet, je nachdem das demodulierte Signal
über oder unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Eine mit dem Ausgang des Schwellwertschalters
3 verbundene Glühlampe 4 wird entsprechend aufleuchten, wenn sich das demodulierte
Ausgangssignal des Verstärkers 1 über dem Schwellenwert befindet, und wird erlöschen,
wenn sich das demodulierte Ausgangssignal unter dem erwähnten Schwellenwert befindet.
Der Glühlampe 4 liegt ein lichtempfindlicher Widerstand oder Photowiderstand 5 gegenüber,
dessen Widerstandswert von der Intensität des von der Lampe 4 abgegebenen Lichtes
abhängt. Der Widerstand 5 kann in an sich bekannter Weise, beispielsweise als Teil
eines Spannungsteiles oder vorzugsweise in einen Gegenkopplungspfad des Verstärkers
1 derart eigneschaltet sein, daß der Verstärkungsgrad absinkt, wenn die Lampe 4
leuchtet.
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Die Arbeitsweise der Schaltung ist sehr einfach. Wenn das durch den
Verstärker 1 zu verstärkende Signal einen gewissen Schwellenwert übersteigt, so
schaltet der Schwellwertschalter 3, und die Lampe 4 leuchtet auf. Damit wird auch
der Wert des Widerstandes 5 verändert, so daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers
1 herabgesetzt wird. Dadurch kann das Ausgangssignal des Verstärkers 1 von
einem bestimmten Schwellenwert an praktisch konstant gehalten werden. Da der Widerstand
5 ein passives, absolut lineares Schaltelement ist, werden keine Verzerrungen auftreten.
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In der Schaltung nach Fig. 2 weist der Verstärker 1 zwei Transistoren
6 und 7 auf. Ein Gegenkupplungskreis mit einem Kondensator 8, einem festen Widerstand
9 und dem variablen Widerstand 5 ist zwischen Kollektorkreis des Transistors 7 und
den Senderkreis des Transistors 6 geschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers
wird über einem Kondensator 10 und einen Gleichrichter 11 dem Basiskreis des ersten
Transistors 12 eines die Transistoren 12 und 13 umfassenden Schmitt-Triggers zugeführt.
Der Ausgang des Schmitt-Triggers wirkt direkt auf die Basis eines Transistors 14,
der mit der Glühlampe 4 in Serie geschaltet ist.
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Die Schaltung nach Fig.2 arbeitet grundsätzlich gleich wie die an
Hand der Fig. 1 beschriebene Schaltung. Bei verhältnismäßig schwachen Signalen sind
die Transistoren 12 und 14 gesperrt, während der Transistor 13 leitend ist. Nimmt
das durch die Transistoren 6 und 7 verstärkte Signal zu, so wird über den Demodulator
eine zunehmende negative Spannung an der Basis des Transistors 12 erzeugt, so daß
dieser Transistor beim Erreichen einer bestimmten demodulierten Spannung leitend
wird, wodurch der Transistor 13 gesperrt und der Transistor 14 leitend wird. Die
Lampe 4 leuchtet auf, wodurch der Wert des Widerstandes 5 herabgesetzt wird. Dadurch
wird die Gegenkopplung in dem die Transistoren 6 und 7 enthaltenden Verstärker erhöht,
so daß der Verstärkungsgrad auf einen Wert absinkt, für welchen das verstärkte Signal
ohne Verzerrungen auf ein Magnettonband aufgenommen werden kann.
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Die dargestellte Schaltung weist im wesentlichen folgende Vorteile
auf: 1. Der Kompressionsbereich ist sehr breit und beträgt 40 db und mehr.
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2. Kompression setzt bei einem scharf bestimmten Niveau ein, und der
Schwellwert nimmt sodann sehr wenig zu (ein Zwanzigstel) bei einer ausgeführten
Schaltung.
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3. Die Verzerrungen nehmen mit zunehmender Kompression ab, indem die
Gegenkopplung verstärkt wird. Abgesehen von den ohnehin durch den Verstärker gegebenen
Grenzwerten wirkt die Regelung unabhängig von der Frequenz.
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4. Transistorische Vorgänge werden sehr vorteilhaft geregelt. Der
Schmitt-Trigger spricht nämlich nicht nur auf Spitzenwerte des Signals an, sondern
auch auf die Häufigkeit solcher Spitzenwerte. So wird beispielsweise ein einziger
kurzer Spitzenwert in einem unter dem Schwellenwert liegenden mittleren Niveau die
Regelung nicht zum Ansprechen bringen, während eine Reihe aufeinanderfolgender Spitzenwerte
die Regelung wirksam machen und die Verstärkung auf das richtige Niveau zurückführen.
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5. Die Schaltung kann leicht mit Transistoren ausgeführt werden, was
beispielsweise für transportable Tonbandgeräte für Reportage und andere Anwendungsgebiete
von besonderem Interesse ist.
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Selbstverständlich ist der die Elemente 4, 5 und 11 bis 14 aufweisende
Regelteil der Schaltung mit einer gewissen Trägheit behaftet, d. h., die Regelung
setzt mit einer gewissen Verzögerung ein, und die einmal wirksame Regelung setzt
auch mit einer gewissen Verzögerung wieder aus. Es wurde festgestellt, daß diese
Verzögerungen sehr vorteilhaft sind, besonders weil sie die Stabilität des Regelsystems
sicherstellen. Die Verzögerung kann mittels elektrischer Mittel, beispielsweise
durch Einschaltung eines in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angedeuteten Kondensators
15 erhöht werden. Es ist aber auch möglich, außer der Glühlampe 4 und dem Photowiderstand
5 noch einen wärmeempfindlichen Widerstand, beispielsweise einen Thermistor vorzusehen,
der durch eine besonders der Lampe 4 parallel geschaltete Wärmequelle oder aber
gegebenenfalls durch die von der Lampe 4 abgegebene Wärme beeinflußt wird. Dieser
wärmeempfindliche Widerstand würde je nach seiner Charakteristik zum Widerstand
5 parallel oder in Serie geschaltet. Dadurch würde die Regelung verhältnismäßig
rasch einsetzen, indem die Elemente 4 und 5 praktisch ohne Trägheit arbeiten. während
das Abklingen der Regelung durch den erheblich größere Trägheit aufweisenden wärmeempfindlichen
Widerstand erheblich verzögert wäre. Ein weiterer wesentlicher Vorteil einer solchen
abgeänderten Schaltung kann darin bestehen, daß bei kurzen Regelvorgängen praktisch
nur die Lampe 4 und der Widerstand 5 wirksam werden und somit
eine
verhältnismäßig geringe Regelwirkung eintritt, während bei lange andauernden, über
dem Schwellenwert liegenden Signalen auch der wärmeempfindliche Widerstand wirksam
wird und dann zusammen mit dem Widerstand 5 eine etwas höhere Regelwirkung ergibt.
Da es bei Zusammenschaltung von wärme-und lichtempfindlichen Regelelementen möglich
ist, durch geeignete Kombination und Wahl der Werte, insbesondere der thermischen
Trägheit des Systems verschiedenartige Regelcharakteristiken zu erhalten, kann unter
Umständen die zuletzt erwähnte Schaltung mit zwei oder sogar mehr verschiedenartig
wirkenden Regelwiderständen ohne Schwellwertschalter verwendet werden. Das wärmeempfindliche
Schaltelement könnte auch ein- und ausschaltbar sein.
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Natürlich sind weitere Änderungen und Ergänzungen der dargestellten
Schaltungen möglich, besonders wenn diese Schaltungen für Spezialzwecke eingesetzt
werden sollen. Es ist beispielsweise möglich, an Stelle der beschriebenen Kompression
eine entsprechende Expansion des Verstärkungsgrades zu erreichen, indem der Widerstand
5 nicht in einen Gegenkopplungspfad, sondern in einen Rückkopplungspfad eingeschaltet
wird. An Stelle eines licht-oder wärmeempfindlichen Widerstandes kann natürlich
jedes andere lineare Schaltelement verwendet werden, das durch Licht, Wärme oder
direkt elektrische Energie beeinflußt werden kann. Es sind beispielsweise Kondensatoren
bekannt, deren Wert unter dem Einfluß verschiedener Gleichspannungen veränderbar
ist. Solche Kondensatoren könnten an Stelle des Widerstandes 5 verwendet werden.
Allerdings sind solche spannungsabhängige Kondensatoren und übrigens auch die obenerwähnten
Thermistoren insofern nicht besonders geeignet, als ihr Regelbereich verhältnismäßig
gering ist. Alle genannten Elemente können auch als Teil eines Spannungsteilers
oder einer Brücke verwendet werden. Das lineare variable Schaltelement kann auch
zur Beeinflussung eines zweiten eigentlichen Regelelementes, beispielsweise einer
Röhre mit variabler Steilheit verwendet werden.
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An Stelle eines einzigen veränderbaren Schaltelementes könnte man
natürlich auch zwei oder mehrere entweder in verschiedenen Stufen des Verstärkers
oder in verschiedenen Verstärkungskanälen benutzen. Es können beispielsweise zwei
Kanäle mit verschiedenem Verstärkungsgrad parallel geschaltet werden, wobei der
eine oder andere dieser Kanäle geöffnet bzw. geschlossen wird, je nachdem das zu
verstärkende Signal bzw. das verstärkte Signal über oder unter einem bestimmten
Schwellenwert liegt. Eine solche Anordnung könnte, ohne Verzerrungen zu verursachen,
rein elektronisch ohne Verwendung einer anderen Energieform wie Licht oder Wärme
gesteuert werden. In vielen Fällen ist es angezeigt, zur Steuerung der bistabilen
Schaltung nicht die Ausgangsspannung des geregelten Verstärkers 1 zu benutzen, sondern
diesem geregelten Verstärker 1 einen besonderen nicht regelbaren Verstärker parallel
zu schalten, der ausschließlich zur Steuerung der bistabilen Schaltung dient.
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Wie bereits angedeutet, eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung
in besonderer Weise für Tonbandgeräte für Reportagezwecke. Es ist dem Reporter nicht
zuzumuten, daß er von Fall zu Fall den Verstärkungsgrad dem gerade herrschenden
allgemeinen Geräuschpegel anpaßt. Die erfindungsgemäße Schaltung regelt den Verstärkungsgrad
automatisch herunter, wenn der Pegel ein. bestimmtes Niveau erreicht. Der Einsatz
der Regelung soll jedoch etwas verzögert sein, damit nicht kurze Geräuschspitzen,
wie z. B. Knall, verlorengehen oder wesentlich abgeschwächt werden. Dagegen soll
vermieden werden, daß z. B. ein Gespräch, das mit zu nahe beim Sprechenden gehaltenen
Mikrophon aufgenommen wird, als ganzes verzerrt wird und kaum verständlich registriert
wird. Tritt aber dabei eine kurze Gesprächspause ein, so soll die Regelung nicht
sogleich aussetzen. Die erfindungsgemäße Schaltung gestattet, diesen Bedingungen
weitgehend Rechnung zu tragen, weil verschiedene Mittel zur Verfügung stehen, um
die wesentlichen Zeitkonstanten einzustellen. Es ist dabei vor allem möglich, auch
für den Laien benutzbare Einstellmöglichkeiten mindestens für bestimmte typische
Anwendungszwecke des mit der Schaltung ausgerüsteten Gerätes vorzusehen. Diese Einstellungen
können z. B. vor Beginn der Reportage vorgenommen werden, so daß während der eigentlichen
Aufnahme die volle Aufmerksamkeit dem Festhalten aller wesentlichen Vorgänge gewidmet
werden kann.