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Schaltung zur kontinuierlichen Gradationsänderung eines videofrequenten
Fernsehbildsignals Soll mit Hilfe eines Fernsehübertragungssystems ein Bild in seinen
Grauabstufungen naturgetreu wiedergegeben werden, ist es notwendig, daß der ganze
Übertragungsweg eine lineare Übertragungscharakteristik aufweist. Da aber nach dem
heutigen Stand der Technik ein Teil der Aufnahmeapparaturen sowie die Wiedergabeeinrichtungen
nicht in der Lage sind, vorgegebene Grauabstufungen naturgetreu wiederzugeben, ist
oft eine Gradationskorrektur, d. h. eine Veränderung des Verhältnisses der
Graustufen zueinander, notwendig. Es kommt aber auch vor, daß man zur Erzielung
von besonderen Effekten absichtlich eine Verzerrung der Gradation vornehmen möchte.
Es soll beispielsweise eine bei Nacht spielende Szene übertragen werden; dies bedeutet,
daß in einem solchen Bild nur wenige helle Lichter vorhanden sind, während alle
übrigen Details als sehr dunkle Graustufen bis schwarz erscheinen. Diesen besonderen
Effekt kann man auf verschiedene Art und Weise erzielen: Erstens läßt er sich durch
naturgetreuen Aufbau und Ausleuchtung der Szene erreichen, zweitens ist er aber
auch dadurch erreichbar, daß man die gleiche Szene mit einer dem Tageslicht entsprechenden
Beleuchtung darstellt und auf dem Übertragungswege eine Gradationsverzerrung derart
vornimmt, daß man die in dieser Szene zu hell erscheinenden mittleren Graustufen
durch eine Gradationsregelstufe dem gewollten Effekt entsprechend dunkler macht,
wobei zu beachten ist, daß sich die maximale Signalamplitude nach Möglichkeit nicht
ändern soll. Da die erstere Art, solche Szenen darzustellen, aus bühnen-, beleuchtungs-
und aufnahmetechnischen Gründen sehr schwer realisierbar ist, bietet sich letzterer
Weg an. Da nun einerseits das menschliche Auge die Eigenschaft hat, Leuchtdichteunterschiede
logarithmisch zu bewerten, und sich andererseits aus Gründen der Störunterdrückung
auf einer Fernsehübertragungsstrecke die maximal mögliche Signalamplitude nicht
verändern soll, ist es notwendig, eine Gradationsregelung nach einer logarithmischen
Funktion vorzunehmen.
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Eine solche Funktion ist beispielsweise y = xy, wobei
x :g 1 sein, y jeden beliebigen Wert annehmen kann und ein Maß für
den Grad der Verzerrung darstellt.
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In der Fernsehtechnik sindy-Werte von 0,3 bis 2,5
gebräuchlich,
wobei der Wert y = 1 einem Übertragungsweg mit einer linearen Charakteristik
entspricht, y # 2,5 der Nachtstimmung, d. h. einem »harten
Bild«, wenn man diesen Ausdruck aus der Foto- und Filmtechnik übernehmen will, und
y = 0,3
demzufolge einem »weichen Bild«.
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Nach dem zur Zeit bekannten Stand der Technik weisen solche Gradationsregelstufen
zwei verschiedene Verstärkungskanäle mit unterschiedlicher Gradation auf, z. B.
in dem Kanal 1 ist y = 0,3 und im Kanal 2 ist y = 1. Die Ausgangsspannungen
dieser beiden Kanäle werden dann in einem kontinuierlich veränderbaren Verhältnis
zueinander über zwei Regelpentoden addiert. Diese Gradationsregelstufe arbeitet
nach der Funktion y = a x + b x",
wobei a + b
# 1 sein soll und x :29 1.
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Durch unterschiedliche Kennlinien dieser Pentoden treten bei dieser
Addition Amplitudenänderungen bis zu 100/, auf. In einigen Fernsehbildgebern
besteht auch die Möglichkeit, eine Gradation entsprechend einem y = 2,5 zu
erreichen. Dieses ist nur durch eine Umschaltung möglich, wobei nach der Umschaltung
der y = 1-Kanal ein y von etwa 2,5 aufweist und nun noch nur
mit dem Kanaly < 1 gemischt werden kann. Es ist in diesem Fall nicht mehr
möglich, eine lineare Charakteristik zu erzielen. Diese Tatsache ist ein großer
Nachteil. Es ist in jedem Fall wünschenswert, eine Gradationskorrektur um den Wert
y = 1 herum zu ermöglichen, wobei der Wert 1 selbst auch erreichbar
sein muß.
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Weiterhin ist ein Gradationskorrekturverfahren bekann, das mit der
Addition eines Änderungsanteiles arbeitet. Dieser Änderungsanteil wird durch Vergleich
des bereits verzerrten Signals mit dem Ursprungssignal gewonnen und kann dem Ursprungssignal
über einen Schalter zugeschaltet werden. Dabei muß der Grad der Verzerrung vorher
durch komplizierten Abgleich festgelegt werden. Eine kontinuierliche Regelung ist
nicht möglich.
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Die bekannten Verfahren haben insbesondere den Nachteil, daß sie technisch
sehr aufwendig sind und
immer für den entsprechenden Fall ausgelegt
werden müssen. Außerdem ist bei regelbaren Schaltungen keine konstante Ausgangsamplitude
vorhanden, -und die bekannten Verfahren erfordern komplizierte Abgleichmaßnahmen.
Schließlich sind die bekannten Verfahren nicht fernbedienbar und nicht universell
verwendbar.
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Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen
Nachteile bei einer Schaltung zur kontinuierlichen Gradationsänderung eines videofrequenten
Fernsehbildsignals von y < 1 über y = 1
bis y
> 1 durch Zumischen von Änderungsanteilen zum Ursprungssignal, die sich
aus der gewollten Gradationsänderung durch Abzug des Ursprungssignals ergeben, zu
vermeiden.
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DieseAufgabewird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein linearer
Verstärkungskanal für das Ursprungssignal und zwei weitere Kanäle zur Erzeugung
von zwei Änderungsanteilen vorhanden sind, von denen der eine Anteil eine Korrektur
des Ursprungssignals entsprechend einem Werty < 1 und der andere Anteil
eine Korrektur des Ursprungssignals entsprechend einem Wert y > 1 bewirkt,
und daß die beiden Änderungsanteile in ihrer Amplitude mit Hilfe eines einzigen
Potentiometers einstellbar sind, wobei unabhängig vom Regelgrad die Gesamtamplitude
des Ausgangssignals unverändert bleibt.
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Die Abbildungen erläutern die erfindungsgemäße Schaltung und deren
Wirkungsweise wie folgt: Die A b b. 1 zeigt beispielsweise das Ursprungssignal
mit einem Wert y = 1 (Kurve 1) als sägezahnförmig ansteigende
Spannung, darüber die Kurve II verzerrt entsprechend einem y = 0,3. Subtrahiert.
man von der Kurve II die Kurve 1, so ergibt sich die Kurve IL;
dieses
ist der Änderungsanteil, der für ein y = 0,3 dem Ursprungssignal zugemischt
werden muß. Die Kurve III entspricht einem y = 2,5, und der dazugehörige
Änderungsanteil ist in der Kurve IIIa dargestellt und muß dem Signal I hinzuaddiert
werden, um den Signalverlauf III zu erhalten. Diese Änderungsanteile folgen der
mathematischen Funktion y = xy - x. Die Änderungsanteile 111"
11, und IIIb entsprechen analog, jeweils zum Ursprungssignal hinzuaddiert,
dann einer Gradationsverzerrung entsprechend einem y = 0,5, 0,7
bzw.
1,5.
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Um derartige Änderungsanteile zu erzeugen, benötigt man ein bzw. mehrere
positive und ein bzw. mehrere negative Signale geeigneter Größe, aus denen durch
zweckentsprechende Schaltmittel (z. B. Röhren, Transistoren, Dioden) Teile herausgeschnitten
und anschließend addiert werden, so daß die oben gezeigte Abhängigkeit entsteht.
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Die A b b. 2a zeigt beispielsweise eine Teilschaltung der Gradationsregelstufe
nach der Erfindung.
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Die sägezahnförmige Spannung - das Ursprungssignal
1 - gelangt in der gezeichneten positiven Polarität über den Kondensator
1 an das Gitter der Röhre 2. An deren Anodenwiderstand 3 entsteht
eine Spannung U4 mit negativer Polarität, welche über einen Koppelkondensator
dem Gitter der Röhre 5 zugeleitet wird. Am Kathodenwiderstand 4 der Röhre
2 entsteht ein Signal UB positiver Polarität, welches über einen Kondensator
dem Gitter der Röhre 6 zugeführt wird. Vermittels der Diode 7 wird
das Signal U_4 am Gitter der Röhre 5 schwarzgesteuert. Die Gittervorspannung
der Röhre 5 wird nun mit den Spannungsteilerwiderständen 8 und
9 so eingestellt, daß die Spitze der Sägezahnspannung U.A an der Kennlinie
der Röhre 5 abgeschnitten wird.. In A b b. 2 b ist dieser Vorgang
noch einmal an Hand der Kennlinie gezeigt. Die Spannung U,1 ist hier mit
negativer Polarität ausgezogen gezeichnet. Ug, ist das für diesen Fall am Spannungsteiler
8 und 9 einzustellende Potential des Gitters der Röhre 5. Bei
diesen Werten ergibt sich der ebenfalls ausgezogen gezeichnete Stromverlauf la durch
die Röhre 5 und somit auch durch deren Anodenwiderstand 13. Das Potential
am Gitter der Röhre 6, Ug 6,
wird über die Schwarzsteuerdiode
10 durch die Spannungsteilerwiderstände 11 und 12 ebenfalls, wie in
A b b. 2b gezeigt, eingestellt. Von der gestrichelt gezeichneten Spannung
UB wird dadurch an der Kennlinie der Röhre 6 der untere Teil abgeschnitten,
und es ergibt sich der ebenfalls gestrichelt gezeichnete Stromverlauf la durch die
Röhre 6 und ebenfalls durch den den Röhren 5 und 6 gemeinsamen
Anodenwiderstand 13. Hier findet nun eine Addition der durch die Röhren
5 und 6 erzeugten Teilspannungen des Ursprungssignales zum Änderungsanteil
Uc statt (s. A b b. 2 a). Diese Spannung Uc hat angenähert die in
A b b. 1 gezeigte Abhängigkeit y = xy -
x für den gewünschten Endwert des -y-Reglers. Die Größen der Spannungen UA und
UB sowie die Lage der Arbeitspunkte Ug5 und Ug" richten sich ebenfalls nach
dem gewünschten Endwert der Gradationsänderung. Das Änderungssignal Uc gelangt dann
über den Kondensator 14 auf das Gitter der Röhre 15. Die Gittervorspannung
der Röhre 15 ist mit dem Regler 18 einstellbar. Die Widerstände
19 und 20- sind so eingestellt, daß am oberen Anschlag des Reglers
18 die Röhre 15
ihre maximale Verstärkung hat, während am unteren Anschlag
des Reglers 18 die Röhre 15 gesperrt ist. Steht der Regler
18 an seinem unteren Anschlag, so ist also die Röhre 15 gesperrt,
und es erscheint das Ursprungssignal durch die Röhre 16 verstärkt und in
seiner Polarität umgekehrt unverändert an dem den Röhren 16 und
15 gemeinsamen Anodenwiderstand 17.
Beim Verstellen des Reglers
18 zum oberen Anschlag hin wird nun dem Ursprungssignal am Widerstand
17
in zunehmendem Maße der über die Röhre 15 verstärkte und umgekehrte
Änderungsanteil Ue hinzugemischt, bis am oberen Anschlag des Reglers 18 der
gewünschte Endwert der Gradationsänderung erreicht wird. Diese Gradationsregelstufe
gehorcht annähernd der Funktion y = x + a (x"
- x),
wobei a _:5- 1 und x :-5 1 sein können.
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Da mit dem Regler 18 eine reine Gleichspannungsregelung erfolgt,
ist auch die Möglichkeit einer Fernbedienung gegeben. Mit dieser Schaltung ist es
möglich, ein Fernsehsignal in seiner Gradation von einem y < 1
bis zu einem y = 1 kontinuierlich und fernbedienbar zu verändern. Diese Anordnung
entspricht dem im Blockschaltbild A b b. 3 oberhalb der Schnittlinie
A -A gezeigten Teil.
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Durch geringfügige Änderungen der in A b b. 2 a gezeigten Schaltung
- die Röhre 16 wird mit der am Widerstand 3 stehenden Spannung
angesteuert, so daß sich das Ursprungssignal am Widerstanä 17 in seiner Polarität
ändert, und die Spannungen U-4 und UB
sowie die Arbeitspunkte der Röhren
5 und 6 werden geändert - erhält man eine entsprechende Gradationsregelstufe,
welche von einem y = 1 bis zu einem y > 1
veränderbar ist. Diese Schaltung
entspricht dann dem im Blockschaltbild A b b. 3 unterhalb der Schnittlinie
B-B gezeichneten Teil.
Gemäß der Erfindung werden nur diese beiden
Schaltungsanordnungen kombiniert, so daß sich eine dem gesamten Blockschaltbild
A b b. 3 entsprechende Gradationsregelstufe ergibt, mit der man ein Fernsehsignal
von einem y < 1 über ein 1 bis zu einem > 1 verändern
kann.
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Die A b b. 4 und 5 zeigen beispielsweise eine weitere
Schaltung für eine Gradationsregelstufe entsprechend dem gesamten Blockschaltbild
A b b. 3 und deren Wirkungsweise.
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Das Signal 1 (Ursprungssignal) gelangt über einen Koppelkondensator
an das Gitter der Röhre 21. Über die Schwarzsteuerdiode 22 und den Regler
23 ist der Ruhearbeitspunkt der Röhre 21 einstellbar. Das am kombinierten
Anodenwiderstand 24 und 25 der Röhre 21 entstehende positive Signal U.5
(A b b. 5) wird über den Kondensator 39 dem Gitter der Röhre
27 zugeführt. Analog zur Röhre 21 ist bei dieser Röhre 27 der Ruhearbeitspunkt
über die Schwarzsteuerdiode 28 und den Regler 29 einstellbar. Die
Arbeitspunkte der Röhren 21 und 27 werden so eingestellt, daß die maximal
auftretenden positivsten Spannungswerte an den Kathoden und die maximal auftretenden
negativsten Spannungswerte an den Anoden der beiden Röhren 21 und 27 jeweils
identisch sind. Mit anderen Worten heißt das, daß die beim maximalen Strom durch
die Röhre 21 an deren Kathode auftretende Spannung gleich der Spannung an der Kathode
der Röhre 27
bei deren maximalem Strom sein muß. Das gleiche muß für die an
den Anoden der Röhren 21 und 27 auftretenden Spannungen beim jeweilig maximalen
Anodenstrom der Fall sein. Wie aus dem Schaltbild zu ersehen ist, ist der maximale
Anodenstrom der Röhre 21 beim 00/0-Wert des Ursprungssignals erreicht, während dasselbe
bei der Röhre 27 beim 100 0/,-Wert des Signals der Fall ist. Es decken
sich also der 0 0/,-Wert der Spannung U5 an den Widerständen 24 und
25 mit dem 100 0/0-Wert der Spannung U8 an den Widerständen
30
und 31 sowie der 00/,-Wert der Spannung U, an den Widerständen
32 und 33 und der 100 0/,-Wert der Spannung U4 an den Widerständen
34, 35 und der Zenerdiode 36. Da die Spannung U, sehr viel
größer ist als die Spannung U4, wie aus A b b. 5 gut ersichtlich ist, ist
zur Anhebung des Gleichspannungswertes an der Kathode der Röhre 27 die Einführung
der Zenerdiode 36 notwendig. Weiterhin ist erforderlich, daß von einem bestimmten
Momentwert der Spannung U, an die am Teilkathodenwiderstand 33 abgegriffene
Spannungs U, positiver wird als die Spannung U, Das wird dadurch erreicht,
daß der Gleichstromwert der Spannung U2 durch die Widerstände 37 und
38 angehoben wird. Da der Widerstand 38 sehr viel größer als der Widerstand
37 ist, erscheint in der Anode der Diode 51 der Wechselspannungsanteil
der Spannung U2
nahezu unverändert, während der Gleichstromwert auf dem aus
der A b b. 5 ersichtlichen Relativwert zur Spannung U, angehoben wird. Das
gleiche wird durch die Widerstände 40 und 41 für die Spannung U3 erreicht. Durch
die Widerstände 42 und 43 für die Spannung U, und die Widerstände 44 und 45 für
die Spannung U7 werden zum gleichen Zweck die Gleichspannungswerte abgesenkt.
Die Lage der einzelnen relativen Spannungswerte zueinander ist aus der
A b b. 5 ersichtlich. Desgleichen ist aus der A b b. 5
auch die Lage
der Abschneidpotentiale Ua,##,.., Sowie Ual,#ln. , ersichtlich, welche durch
die Spannungsteilerwiderstände 46, 47 und 48 eingestellt werden. Da der Arbeitswiderstand
49 für die Dioden 50
bis 54 groß ist gegen den Generatorwiderstand der Spannungen
U, bis U, steht an dem Widerstand 49 das der jeweils geöffneten Diode zugeordnete
Signal. Geöffnet ist aber immer nur die Diode, an deren Anode der jeweils positivste
Momentanwert auftritt. Der Mechanismus -dieser Schaltung ist am besten aus der
A b b. 5 ersichtlich. Die jeweils positivste Teilspannung der Ursprungssignale
U, bis U, tritt also am Widerstand 49 auf und addiert sich zu den anderen Teilstücken.
Es entsteht dadurch das Änderungssignal II". Betrachtet man das ganze über die momentanen
Amplitudenwerte des Ursprungssignals von 0 bis 100 0/"
so öffnen und
schließen sich die Dioden 50 bis 54 nacheinander, wie auch aus
A b b. 5 ersichtlich.
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In der an den Anodenwiderständen der Röhren 21 und 27 befindlichen
Diodenschaltung findet der gleiche Vorgang statt, nur mit dem Unterschied, daß hier
die jeweils negativsten Momentanwerte der Ursprungsspannungen U5 bis
U8 am Widerstand 54 addiert werden. Hier entsteht also das Änderungssignal
III". Dieses Änderungssignal, welches in diesem Beispiel für die Gradationsverzerrung
von einem y > 1 bis zu einem y = 2,5 benötigt wird, gelangt
über einen Koppelkondensator auf das Gitter der Röhre 55. Das Änderungssignal
M, für einy < 1 bis zu einem y = 0,3
gelangt auf das
Gitter der Röhre 56. Die Gittervorspannungen der beiden Röhren
56 und 55 sind durch den Regler 57 einstellbar. Die von den
Fußpunkten des Reglers 57 zu einer negativen Gleichspannung führenden Widerstände
58 und 59 sind so abgeglichen, daß bei einem gewünschten Verdrehungswinkel
des Reglers 57 - beispielsweise von 50 0/0 des maximalen Winkels
= Mittelstellung des Potentiometers 57,
welches in der Praxis zweckmäßigerweise
mit einer Raststellung versehen ist - die beiden Röhren 56
und
55 gerade gesperrt sind. Verdreht man den Regler 57 nun beispielsweise
zum linken Anschlag hin, so wird über den Gitterableitwiderstand 60 die Gittervorspannung
der Röhre 56 immer positiver, und die Verstärkung dieser Röhre nimmt zu.
Dadurch wird der am Gitter derselben liegende Änderungsanteil II" mehr und mehr
dem vorher unverändert über die Röhre 61 verstärkt am Widerstand
62 liegenden Ursprungssignal 1 hinzuaddiert. Es entsteht eine Gradationsverzerrung
von einem y < 1 bis zu einem y = 0,3.
Genauso wird für den
Fall, daß der Regler 57 von der Mittelstellung, in welcher ja beide Röhren
56 und 55
den Verstärkungsfaktor 0 haben und somit das Ursprungssignal
unverändert am Widerstand 62 steht, entsprechend y = 1, nach der rechten
Seite verdreht wird, über den Gitterableitwiderstand 63 die Röhre
55
mehr und mehr geöffnet und durch das an diesem Gitter liegende Änderungssignal
IlIa eine Verzerrung des Ursprungssignals entsprechend einem y > 1
bis zu eineray = 2,5 erreicht.
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Der Gradationsregler dieser Schaltung, der sich dadurch auszeichnet,
daß er 1. nur aus einem Potentiometer besteht, 2. auch fernbedienbar anzuordnen
ist, da er nur Gleichspannungen regelt, und 3. ohne Umschaltung eine kontinuierliche
Gradationsregelung von y < 1 über y = 1 bis zu einem
y > 1 gestattet, ist in A b b. 6 nach einmal extra herausgezeichnet.
Durch die Anordnung von zwei getrennten Gittervorspannungsreglern der Röhren
55 und 56 ist außerdem
noch die Möglichkeit gegeben,
zur Erzielung von besonderen Effekten die beiden Änderungsanteile unabhängig voneinander
dem Ursprungssignal zuzumischen. Das würde z. B. bei voller Zumischung beider Änderungsanteile
II" und III" zu einer S-förmigen Signalverzerrung führen, d. h., die Gradation
wird in den unteren Graustufen von 0 bis etwa 50 0/0 entsprechend
einem y < 1 verändert, in den oberen dagegen einem y > 1.
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Da bei der Gradationsregelung eines Fernsehsignals immer die Verstärkung
für bestimmte Amplitudenbereiche vergrößert wird, wachsen naturgemäß auch die Amplituden
der in diesen Bereichen liegenden Störfrequenzen; der Störabstand wird schlechter.
Andererseits erscheint eine Gradationsregelung an sich nur für große Flächen sinnvoll,
d. h. mit anderen Worten nur für die tiefen Frequenzanteile innerhalb des
Fernsehsignals. Deshalb sind Versuche unternommen worden, die Gradationsregelung
frequenzabhängig nur für tiefe Frequenzen wirksam werden zu lassen, damit die sehr
störrenden höheren Frequenzen des Störspektrums, vor allen Dingen das Rauschen,
nicht zusätzlich verstärkt werden. Schaltungen, die diesen Zweck erreichen, waren
in Verbindung mit den bekannten Mehrkanalschaltungen zur Gradationsregelung sehr
kompliziert und aufwendig. Mit der hier beschriebenen erfindungsgemäß arbeitenden
Schaltung läßt sich dieser Zweck sehr einfach durch Einfügung eines Tiefpaßfilters
64 mit der gewünschten Grenzfrequenz (in A b b. 4 gestrichelt gezeichnet)
erreichen.
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Genauso läßt sich ei derartiges Filter, sofern es nur für den Bereich
y < 1 gewünscht wird, auch vor dem Gitter der Röhre 56 anordnen.
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Die wesentlichen Vorteile dieser erfindungsgemäß arbeitenden Gradationsregelstufe
sind folgende: 1. kontinuierliche Gradationsveränderung von einem
,y < 1 über y = 1 zu einem y > 1 ohne Umschaltung
möglich; 2. praktisch keine Amplitudenänderungen; 3. universelle Anwendbarkeit,
verschiedenen Anforderungen entsprechend; 4. geringerer Aufwand an Röhren und Schaltmitteln
gegenüber der bisher bekannten Schaltung; 5. größere Betriebssicherheit,
da in der gesamten Schaltung nur der Ausfall einer Röhre einen Totalausfall zur
Folge haben würde, während Ausfälle der anderen Röhren nicht zu einem Totalausfall
führen. In den bisher bekannten Schaltungen führen im geringsten Falle drei Röhren
zum vollständigen Ausfall; 6. Fernbedienbarkeit ist gewährleistet;
7. die Bewältigung verschiedener fernsehtechnischer Aufgaben läßt sich durch
Einbau einer solchen Gradationsregelstufe vereinfachen; 8. diese Gradationsregelstufe
läßt sich ohne großen Aufwand in eine frequenzabhängig arbeitende Regelstufe umwandeln.