DE1614806C3 - Schirmgitterrohre mit koaxial ausgebildeten Elektrodenzuleitungen - Google Patents

Description

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Es ist bekannt, daß bei Verstärkerstufen in Kathodenbasisschaltung durch die Wirkung der Zuleitungsinduktivität der Kathode, die sowohl im Stcuergitterkreis als auch im Anodenkreis liegt, eine zusätzliche Dämpfung des Eingangskreises auftritt. Man kann die Größe des Wirkleitwertes G_pl oder des Wirkwiderstandes R_pl angeben, der durch diese Wirkung im Eingangskreis parallel zu den Anschlüssen des Eingangskreises auftritt. Diese Wirkung beruht auf einer Kopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang der Röhre durch diese Zuleitungsinduktivität. Die Kopplung wächst mit zunehmender Frequenz.

Das dadurch bedingte Auftreten eines zusätzlichen Wirkleitwertes parallel zu den Eingangsklemmen führt zu einer entsprechend stärkeren Belastung der der betrachteten Verstärkerstufe vorausgehenden Treiberstufe und kann daher dazu zwingen, diese Treiberstufe entsprechend leistungsstärker zu bemessen. Bei Kettenverstärkern ist diese Erscheinung besonders störend, weil die durch sie bedingte zusätzliche Dämpfung des Gitter-Kettenleitcrs einen Spannungsabfall bewirkt, der zur Folge hat, daß die nachfolgenden Röhren weniger Gitterspannung erhalten. Diese Erscheinung führt zu einer schlechten Röhrenausnutzung in den nachfolgenden Röhren oder — bei Einstellung auf Leistungsausnulzung der nachfolgenden Röhren —zur Übersteuerung der vorausgehenden Röhren.

Unter anderem durch die britische Patentschrift 6 44 295 ist es bekannt, daß man unerwünschte Dämpfungen im Eingangskreis einer Verstärkerschaltung durch Rückkopplung ausgleichen kann. Bei der Schaltungseinrichtung gemäß der genannten britischen Patentschrift geschieht dies dadurch, daß eine Rückkopplungsspannung an einem Resonanzkreis abgenommen wird, der zwischen zwei Gitterelcktroden eingeschaltet ist und beim Durchgang von Elektronen zwischen diesen beiden Elektroden zu Schwingungen erregt wird. Die abgenommene Spannung wird in geeigneter Phase und Amplitude der Impedanz zwischen der Kathode und dem ersten Gitter zugeführt.

Diese und ähnliche Schaltungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß ihre Einstellung auf die Kompensation eines vorgegebenen Dämpfungswiderstandes durch einen mittels Rückkopplung übertragenen negativen Widerstand in starkem Maße frequenzabhängig ist und sie daher nur für eine feste Arbeitsfrequenz angewendet werden können. Außerdem sind sie auch steilheiisabhängig, so daß sie bei Aussteuerung der Röhrenkennlinie über Gebiete wechselnder Steilheit entweder die gewünschte Entdämpfung nicht in vollem Maße erreichen oder in bestimmten Teilbereichen unstabil werden.

In einem älteren Vorschlag (DT-PS 12 69 684) wird bereits eine Verstärkerstufe in Kathodenbasisschaltung mit einem durch die Wirkung der Zuleitungsinduktivität der Kathode im Eingangskreis zwischen Steuergitter und Kathode erscheinenden Wirkwiderstand der Größe R_1n und mit einem zwischen der Anode und der Kathode eingeschalteten, aus einer auf der Anodenseite liegenden Kapazität und einem auf der Kathodenseite liegenden ohmschen Widerstand bestehenden Spannungsteiler behandelt, an dessen Abgriff das Steuergitter über einen Verbindungskondensator angeschlossen ist, welche durch derartige Bemessung der Kapazität C. und oder des ohmschen Widerstandes R. im Spannungsteiler und/oder der Kapazität C_n des Verbindungskondensators gekennzeichnet ist. daß ein durch die Spannungsrückführung über den Verbindungskondensator im Eingangskreis zwischen Stcuergitter und Kathode erscheinender negativer Wirkwiderstand der Größe R_n-, dem Betrage nach wenigstens annähernd gleich dem Wirkwiderstand der Größe R_pl ist.

Die Verstärkerstufe nach dem erwähnten älteren Vorschlag ergab bereits eine frequenzunabhängige und steilheitsunabhängige Kompensation des durch die Wirkung der Zuleitungsinduktivität der Kathode im Eingangskreis erscheinenden Wirkwiderstandes. Wie bei den erwähnten bekannten Rückkopplungsschaltungen war jedoch die Anwendung bestimmter schallungstechnischer Maßnahmen, wie der Bemessung eines als Bauelement in der Schaltung eingesetzten ohmschen Widerstandes, für die Erreichung des angestrebten Zweckes erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gleiche Wirkung einer frequenzunabhängigen und steilheitsunabhängigen Kompensation des erscheinenden Wirkwiderstandes ohne schaltungstechnische Maßnahmen, also nur durch die Bemessung von Konstruktionselemente!! der Röhre, zu erreichen.

Die Erfindung geht aus von einer Schirmgitterröhre mit in Gestalt zueinander koaxialer zylindrischer Leiter ausgebildeten Elektrodcnzuleitungcn, welche in der Reihenfolge von innen nach außen mit der Kathode, dem Steucrgilter und dem Schirmgitter verbunden sind. Bei einer solchen Röhre wird die zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch derartige Bemessung der Wellenwiderständc Z,_/U und Z₉₁₉₂ der durch die Steuergitter- und die Kathodenzulcilung sowie durch die Steuergitter- und die Schirmgilterzuleitung gebildeten Koaxialleilungsstücke, daß

das Verhältnis der Wellcnwiderstände -_F ^aJ-'- wenig- ^; stens annähernd gleich oder etwas kleiner ist als das Verhältnis --f-^¹ . in welchem C„,₉₂ und C„_u die j reinen Elektrodenkapazitäten zwischen dem Steuer-

gitter und dem Schirmgitter sowie dem Steuergitter und der Kathode sind.

Bei bekannten Hochleistungs-Schirmgitterröhren ist das Verhältnis dieser Wellenwiderstände wesentlich größer als das angegebene Verhältnis der Elektrodenkapazitäten bemessen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der die F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch das Elektrodensystem und die Elektrodenzuführungen einer Hochleistungs-Schirmgitterröhre (Tetrode) darstellt, in welchem die Stromläufe der für die nachfolgende Rechnung in Betracht zu ziehenden Ströme mit verschieden signierten Pfeilen angedeutet sind. F i g. 2 stellt ein Stück zweier ineinandergeschachtelter koaxialer Leitungen dar und dient zur Erläuterung des Auftretens induzierter Ströme auf den einzelnen Teilen der koaxialen Leiteranordnung der F i g. 1. F i g. 3 ist ein Schaltbild für eine Schirmgitterröhre nach der Erfindung, welches der Aufstellung der Grundgleichungen für die nachfolgende Rechnung zugrunde gelegt ist.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte axiale Schnitt durch das Elektrodensystem einer Hochleistungs-Tetrode zeigt von innen nach außen die zylindrische Kathode 5, das diese Kathode umgebende zylindrische Steuergitter 6 sowie das zwischen dem Steuergitter und der Anode liegende Schirmgitter 7 und schließlich die außen liegende Anode 8. Diese Elektroden sind auch der Reihe nach mit den Buchstaben K, G₁, G₂ und A bezeichnet, die den durch kleine Buchstaben gebildeten Indizes der entsprechenden Elektrodenströme, Elektrodenkapazitäten und Zuleitungsinduktivitäten der später benutzten Bezeichnungen entsprechen. Die Zuleitungen der drei inneren Elektroden werden durch die koaxial ineinanderliegenden zylindrischen Leiter 1 und 18 (für die Kathode K), 2 (für das Steuergitter G₁) und 3 (für das Schirmgitter G₂) gebildet.

Der Heizstrom wird der Kathode K von der Anschlußklemme 19 über die Drossel und den zylindrischen Leiter 18 sowie von der Anschlußklemme 20 über den zylindrischen Leiter 1 zugeführt. Dem Heizstrom-Eingang der beiden zylindrischen Leiter sind die dargestellten Widerstände parallel geschaltet. Die von der Kathode zum Erd- bzw. Massenanschluß gehenden Hochfrequenzströme fließen nur über die Außenseite des zylindrischen Leiters 1, so daß der zylindrische Leiter 18 von diesen Strömen frei bleibt. Dieser ist daher für die späteren Betrachtungen ohne Bedeutung, die sich auf die Wirkungen der Hochfrequenzströme beziehen.

Die Anode A ist bei einer Hochleistungsröhre von außen zugänglich; daher braucht in der Zuleitungsanordnung kein besonderer Leiter für die Anode vorgesehen zu werden, was außerdem wegen der an dieser Elektrode liegenden hohen Betriebsspannung zu konstruktiven Schwierigkeiten führen würde.

Um die Wirkungsweise der dargestellten Anordnung erklären zu können, ist angenommen, daß das Steuergitter G₁ von der Steuerspannungsquelle 4 eine Eingangsspannung U₁ erhält. Im Kreis der Anode A liegt im allgemeinen Benutzungsausfall der Wirkanteil 9 des Außenwiderstandes, der mit R₁, bezeichnet sei. Ihm parallel liegt der im allgemeinen induktive Blindanteil des Außenwiderstandes, der mit 10 bezeichnet ist.

Versuche und Rechnung haben übereinstimmend ergeben, daß bei einer Schirmgitterröhre mit einem Elektrodensystem nach dem Schema der F i g. 1 die erwähnte störende Wirkung der Zuleitungsinduktivität der Kathode K weitgehend oder gänzlich kompensiert werden kann, wenn die angegebene Bemessungsregel nach der Erfindung befolgt wird. Nach dieser soll das Verhältnis der Wellen widerstände durch den Kathoden-Zuleitungszylinder 1 und den Steuergitter-Zuleitungszylinder 2 sowie der durch den Steuergitter-Zuleitungszylinder 2 und den Schirmgitter-Zuleitungszylinder 3 gebildeten Koaxialleitungsstücke in derselben Größe gewählt werden wie das Verhältnis der reinen Elektrodenkapazität zwischen dem Steuergitter G₁ und dem Schirmgitter G₂ zu der reinen Elektrodenkapazität zwischen dem

[5 Steuergitter G₁ und der Kathode K. Die nachfolgenden Ausführungen sollen erläutern, wie diese Wirkung zustandekommt.

Dazu sei zunächst vorausgesetzt, daß die Wandstärke der Stromzuführungszylinder 1, 2 und 3 groß *ist gegenüber der Eindringtiefe des Stromes bei dem in Betracht kommenden Frequenzgebiet. Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, sind die Stromwege der auf den voneinander abgekehrten Oberflächen der zylindrischen Leiter kreisenden Ströme vollständig voneinander getrennt. Für die Betrachtung dieser Stromwege sind zur Vereinfachung alle die Gleichspannungsund Gleichstromversorgung der Röhre betreffenden Bauelemente weggelassen. Es ist dem Fachmann ohnehin klar, in welcher Weise eine solche Röhre mit den erforderlichen Gleichströmen und Gleichspannungen versorgt wird. Es ist lediglich angenommen, daß die Stromkreise der Kathode K und des Schirmgitters G₂ am äußeren Ende der Zuführungszylinder 1 und 3 durch große Kondensatoren mit Masse bzw. Erde verbunden sind.

Der mit einer unterbrochenen Schaftlinie und einer Spitze gezeichnete Pfeil zeigt den Weg des Anodenwirkstromes /„ in einem beliebigen Augenblick. Dieser Strom tritt aus der Anode A aus und geht durch die öffnungen des Schirmgitters G₂ und des Steuergitters G₁ hindurch zur Kathode K, von dieser über den Zuleitungszylinder 1 über die Erd- bzw. Masseleitung und den Wirk widerstand 9 zur Anode A zurück. Durch das Feld, welches dieser Strom am Ort der zylindrischen Leiter 2 und 3 erzeugt, werden im wesentlichen gleich große influenzierte Ströme hervorgerufen, welche den Zuführungszylinder 2 für das Steuergitter und den Zuführungszylinder 3 für das Schirmgitter in entgegengesetztem Sinne umkreisen.

F i g. 2 soll das Entstehen der induzierten Ströme auf den Zuführungszylindern 2 und 3 veranschaulichen. Es ist ein Stück einer koaxialen Hochfrequenzleitung mit dem Innenleiter 11 und dem Außenleiter 12 dargestellt. Im Leitungszwischenraum liegt der leitende Zylinder 13, dessen Dicke d groß gegenüber der Eindringtiefe des Hochfrequenzstromes, aber klein gegenüber dem Abstand zwischen den Leitern 11 und 12 sein soll.

Denkt man sich zunächst den Zylinder 13 bis zu dem die Leiter 11 und 12 miteinander verbindenden Deckel hochgezogen und mit diesem ringsherum leitend verbunden, dann muß der auf der inneren Oberfläche des äußeren Leiters 12 nach oben gehende Strom / auf der Außenseite des mittleren Zylinders 13 wieder abwärts fließen, dann um die untere Kante herum und auf der Innenseite des mittleren Zylinders wieder nach oben, dann zur Außenseite des inneren Leiters 11 und auf diesem nach unten zurück zur

Spannungsquelle 14 fließen. Die Anordnung besteht somit aus zwei in Reihe geschalteten Leitungen der Wellen widerstände Z₂ und Z₁. Läßt man zwischen dem mittleren Zylinder 13 und dem Deckelteil einen Abstand, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, so ist in dem nicht von dem Leiter 13 aufgeteilten Leitungsstück der Wellenwiderstand gleich Z₁ + Z₂. Man sieht anschaulich, daß in diesem Fall in dem eine Äquipotentialebene bildenden Mittelzylinder der gleiche Strom fließen muß wie auch vorher bei dem oberen leitenden Anschluß.

Damit ist im Hinblick auf F i g. 1 erklärt, daß die zylindrischen Zuführungsleiter 2 und 3 von den induzierten Strömen umkreist werden, die mit einer unterbrochenen Schaftlinie und einer Pfeilspitze angedeutet sind. Die Gitterspannungsquelle 4 der F i g. 1 liefert einen über die Elektrodenkapazität C_{91 k} zwischen dem Steuergitter und der Kathode fließenden Blindstrom I₁, dessen Weg durch einen mit durchgezogener Schaftlinie und einer Spitze versehenen Pfeil angedeutet ist. Der Strom fließt auf der Innenseite des Zuleitungszylinders 2 nach oben und auf der Außenseite des zur Kathode K gehörenden Zuleitungszylinders 1 wieder nach unten. In diesem Raum fließen also dieser Strom /, und I₁₁ gleichsinnig. Es ist bekannt und geht auch aus der nachstehenden kurzen Ableitung hervor, daß diese gleichsinnige Superposition des über die Gitter-Kathoden-Kapazität fließenden Blindstromes und des Anodenwirkstromes l_a eine zusätzliche Bedämpfung der Steuerspannungsquelle ergibt.

Auf der Außenseite des Zuleitungszylinders 2 für das Steuergitter fließt von der Steuerspannungsquelle 4 ein Blindstrom J₂ über die Elektrodenkapazität C₉₁₉₂ zwischen dem Steuergitter G₁ und dem Schirmgitter G₂. Sein Weg ist in F i g. 1 durch einen mit nicht unterbrochener Schaftlinie und zwei Spitzen gezeichneten Pfeil dargestellt. Der Strom kommt auf der Innenseite des Zuleitungszylinders 3 für das Schirmgitter wieder nach unten zurück. Man sieht, daß in diesem Raum der Blindstrom über die Elektrodenkapazität G₁—G₂ und der Anodenkreis-Wirkstrom gegenphasig verlaufen, was einer Entdämpfung entspricht. Auf dieser Tatsache beruht die Kompensationswirkung, welche durch die Bemessung nach der Erfindung erreicht wird.

F i g. 3 zeigt nun die Schaltung der Röhre nach F i g. 1 in einer übersichtlichen, auf die wesentlichen Elemente beschränkten Form. Die Röhre 17 enthält wie in F i g. 1 die Kathode K, das Steuergitter G₁, das Schirmgitter G₂ und die Anode A. An den Klemmen 15 und 16 wird die Spannung Lf₁ der Steuerspannungsquelle 4 zugeführt. Im Anodenkreis liegt der Ausgangswiderstand R_a. Der Kondensator C_glk stellt die reine Elektrodenkapazität zwischen dem Steuergitter G₁ und der Kathode K dar. Sein Blindwiderstand ist mit X_cl bezeichnet. Entsprechend versinnbildlicht die Kapazität C₉₁₉₂ die reine Elektrodenkapazität zwischen dem Steuergitter G₁ und dem Schirmgitter G₂. Ihr Blindwiderstand bei der Arbeitsfrequenz ist mit X_c2 bezeichnet. Die in der Zuleitung zwischen der Kathode K und dem Massepunkt erscheinende Zuleitungsinduktivität trägt entsprechend der gewählten Systematik die Bezeichnung L_{91 k}; sie ist in der nachfolgenden Rechnung mit L₁ bezeichnet. Entsprechend trägt die Zuleitungsinduktivität zwisehen dem Schirmgitter G₂ und dem Massepunkt in der Zeichnung die Bezeichnung L₉Ig₂, in der Rechnung aber die Bezeichnung L₂-In F i g. 3 sind die Wege der Ströme I₁,1₂ und /„ entsprechend den aus F i g. 1 gewonnenen Erkenntnissen eingezeichnet.

Ist der Anodenkreis in Resonanz mit der Arbeitsfrequenz und somit der resultierende Außenwiderstand R_a der Röhre reell, so ist die Anodenwechselspannung U _a gegenüber der Eingangsspannung CZ₁ um 180° phasenverschoben. Dies ist durch die gegeneinander gerichteten Pfeile für die Spannungen in F i g. 3 angedeutet.

Unter der Voraussetzung, daß der Spannungsabfall in den Elektrodenzuleitungen klein ist gegenüber dem Spannungsabfall an der eigentlichen Elektrodenstrecke, ist

I a =

U₁ .

Ausgehend von der Steuerspannung U₁ sei zunächst der Weg über C_glk und die Zuleitungsinduktivität L_glk betrachtet. Für diesen gilt

U₁ =(~j-X_cl +J-Xu)-Il +J-Xu-Ia-

Hierin ist X_Ll der Blindwiderstand der Induktivität L₁. Es ergibt sich

U₁ = ~j ■ (Xn - Xu) -I₁+J-Xu-S-U₁,
IZ₁(I -J-SX_n) = -J-I₁(Xa -Xu)-

Die Admittanz dieses Teils der Eingangsseite ist demnach

U₁ -j(X_cl - Χ_ΙΛ)

1 1

S ■ Χ_ΙΛ

ΊΑ)

Daraus folgt unmittelbar für den Wirkwiderstand R_pl und den Blindwiderstand X_pl parallel zu den Eingangsklemmen

X X. y- _ γ γ

■> ^Λρ1 — ^Acl ~ ^Λ Ll · .

"pi CV ' P¹

^ύ ■ ^ALl

Es sei nun der von den Eingangsanschlüssen, also von U₁, über die Kapazität C₉₁₉₂ gehende Weg des Blindstromes I₂ betrachtet. In diesem Weg liegt die dem Wellenwiderstand Z₂ der F i g. 2 entsprechende Induktivität L₉₁₉₂ bzw. L₂. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die in F i g. 3 eingezeichnete Induktivität nicht von dem über die Anoden-Schirmgitter-Kapazität fließenden verhältnismäßig großen Anoden-Blindstrom durchflossen wird, denn dieser fließt nach F i g. 1 nur auf der Außenseite des Zuleitungszylinders 3 des Schirmgitters, wo er als Pfeil mit nicht unterbrochener Schaftlinie und drei Spitzen eingezeichnet ist. Sein Stromweg ist also gegenüber den Räumen zwischen den Zuleitungszylindern 3-2 und 2-1 entkoppelt.

Für den über das Schirmgitter G₂ gehenden Weg gilt Tj / ; γ _i_;.y\.r i.v . ϊ

^Ul—\—J X-C₂ + J X-LI) I₂-J X-L₂ ¹O-

Hierin ist X_L2 der Blindwiderstand der Induktivität L₂. Es ergibt sich

U₁ = -J(

- Xl2)

SU₁,

+J-S-Xu)= -j(X_c2- XL₂)

Damit wird die Admittanz dieses Teils der Eingangsseite

■i+j-s-x

Ll

u,

Y Y i IY Y

^Ac2~ ^AL1 ~J\^Ac2~ ^A L2

S- X

Ll

Der Wirkwiderstand R_p2 und der Blindwiderstand

X_p2 sind also

γ γ

f? — ^cl ι-² γ—γ

ρ² ~ c~v ' ρ² ~ ^Λα~

, ₂

Da der Wirkwiderstand sich als negativer Wider-·* stand ergibt, findet eine Entdämpfung des Eingangskreises statt, die zur Kompensation des durch die Wirkung der Zuleitungsinduktivität der Kathode am Eingang erscheinenden positiven Wirkwiderstandes R_pl benutzt werden kann. Eine vollständige Kompensation ergibt sich, wenn

^cI ~ %Ll _ Xel ~ X 1.2

' Xu

' X 1.2

Daraus ergibt sich unmittelbar

el

Ll

Da die Induktivitäten der Zuleitungsstücke den Wellenwiderständen der entsprechenden Koaxiallei-

tungsstücke proportional sind, gilt entsprechend

'gi a 2
5

Da in dieser Kompensationsbedingung keine frequenzabhängigen Glieder vorhanden sind und die Steilheit S darin nicht auftritt, ist die Kompensation von der Frequenz und der Steilheit unabhängig. Sie ίο wird zudem nur durch eine Bemessung von Konstruktionsteilen der Röhre bewirkt und erfordert keine besonderen Maßnahmen im Schaltungsaufbau. Die Einhaltung der Gleichheit des Verhältnisses

mit dem Verhältnis der Elektrodenkapazitäten

ergibt eine Kompensation der Wirkung von L_glk der F i g. 3 nur insoweit, als diese Induktivität auch innerhalb des koaxialen Zuführungsleiters 1 der F i g. 1 liegt. Da aber die Verbindung der Kathode K zum Masse- bzw. Erdanschluß auch einen Induktivitätsanteil enthalten kann, der außerhalb der koaxialen Leiteranordnung liegt und daher keine influenzierten Ströme auf den übrigen Koaxialleitern erzeugt, bliebe in diesem Fall ein in derselben Weise störender Induktivitätsanteil unberücksichtigt. Dieser Anteil wurde in gleicher Weise, wie es für den Induktivitätsanteil der koaxialen Zuführungen erläutert wurde, das Auftreten einer zusätzlichen Belastung der Steuerspannungsquelle 4 zur Folge haben. Man kann durch

die Bemessung des Verhältnisses
als das Verhältnis -i

etwas kleiner

diesen Anteil berücksichtigen

und ihn ganz oder zum Teil in die Kompensation einbeziehen, so daß die gewünschte Wirkung erreicht wird, daß die von der gesamten Zuleitungsinduktivität der Kathode herrührende zusätzliche Bedämpfung des Eingangskreises praktisch aufgehoben wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

509 517/15!

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schirmgitterröhre mit in Gestalt zueinander koaxialer zylindrischer Leiter ausgebildeten Elektrodenzuleitungen, welche in der Reihenfolge von innen nach außen mit der Kathode, dem Steuergitter und dem Schirmgitter verbunden sind, gekennzeichnet durch derartige Bemessung der Wellenwiderstände Z_gIt und Z₉₁₉₂ der durch die Steuergitter- und die Kathodenzuleitung (2 und 1) sowie durch die Steuergitter- und die Schirmgitterzuleitung (2 und 3) gebildeten Koaxialleitungsstücke, daß das Verhältnis der Wellenwiderstände -TT^- wenigstens annähernd gleich '⁵ oder etwas kleiner ist als das Verhältnis

   in welchem C₉₁₉₂ und C_glk die reinen Elektrodcnkapazitäten zwischen dem Steuergitter (6) und dem Schirmgitter (7) sowie dem Steuergitlcr*(6) und der Kathode (5) sind.