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Verstärkerschaltung hohen Wirkungsgrades Zum Verstärken elektrischer
Signale, besonders Niederfrequenzschwingungen, benutzt man bekanntlich steuerbare
aktive Bauelemente, beispielsweise gittergesteuerte Elektronenröhren oder Transistoren.
Um dabei in der elektrischen Ausgangsgröße des gesteuerten Bauelementes eine möglichst
analog Wiedergabe der Steuergröße zu erhalten, beschränkt man im allgemeinen die
Aussteuerung der die Ausgangsgröße in Abhängigkeit ve.
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der Steuergröße wiedergebenden Kennlinie auf einem Bereich, in welchem
diese Abhängigkeit im wesentlichen linear ist. Dadurch können unzulässige Verzorrungen
zwar im allgemeinen vermieden werden, Jedoch ergibt sich aus dieser Verwendung der
Nachteil, daß nicht der ganze Aussteuerungsbereich des Bauelementes ausgenutzt werden
kann und daß in dem Bauelement eine erhebliche Verlustleistung verbraucht wird weil
im dem zur Steuerung hauptsächlich benutzten Bereich sowohl ein wesentlicher Strom
durch das Bauele@ t fließt als auch eine erhebliche Spannung an dem Bauelement vorhanden
ist.
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Unter der Bezeichnung C-Verstärker sind auch Verstärkerschaltungen
bekannt,
bei denen durch eine niedrige Einstellung des Ruhestromes im nichtausgesteuerten
Zustand und weitere Durchsteuerung der Kennlinie die Verlustleistung im gesteuerten
Bauelement gegenüber dem Fall der Einstellung auf die Mitte des annähernd linearen
Kennlinienbereiches herabgesetzt int.
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Diese Verstärker ergeben aber bereits merkliche Verzerrungen und können
daher nur in Gegentaktanordnungen benutzt werden.
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Auch ist im Falle der vollen Durchsteuerung die Verlustleistung kaum
gegenüber dem Fall des linearen A-Verstärkers herabgee setzt, weil Ja die Kennlinienteile,
in denen wesentliche Vernur im Bauelement auftreten, in gleicher Weise für die Verstärkung
benutzt werden, so daß ein solches Bauelement stets im Mittel doch überwiegend innerhalb
dieser mit hohen inneren Verlusten verbundenen Kennlinienteile betrieben wird.
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Verzerrungen Wenn innerhalb des verstärkenden gesteuerten Bauelementes
nicht unbedingt vermieden werden müssen, wie bei Hochleistungs-Hochfrequenzverstärkerstufen
mit nachfolgenden Filtern, so kann man auch die Bauelemente in einer schalterähnlichen
Arbeitsweise betreiben, bei welcher die Bauelemente während des größten Teiles einer
Aussteuerungsperiode entweder annähernd gesperrt oder voll durchlässig gesteuert
sind und die Zeit, in der die Bauelemente vom Zustand angenäherter Sperrung ii den
Zustand voller Durchlässigkeit und umgekehrt gesteuert werden, kurz ist gegenüber
der Länge einer Halbperiode einer Steuergröße von sinusförmigen Verlauf. Bei dieser
Betriebsweise
werden die mit großen inneren Verlusten behafteten
Kennlinienteile schnell durchlaufen, so daß in diesen Teilen keine wesentlichen
Verluste entstehen können. Im Zustandangenäherter Sperrung ist der Strom klein,
während im Zustand voller Durchlässigkeit die Spannung an dem gesteuerten Dauelement
bis auf die sogenannte Restspannung herabgesetzt ist.
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Xn diesen beiden über den größter, Teil einer Periodenlänge aufrechterhaltenen
Aussteuerungszuständen sind also die Verluste klein. Qroß sind allerdings die Verzerrungen,
da unabhngig von der Kurvenform der Steuergröße stets in Annäherung eine Rechteckaussteuerung
des Bauelementes mit entsprechendem Verlauf der Ausgangsgröße entsteht. Für Verstärker,
bei denen die Ausgangsgröße eine im wesentlichen analoge Widergabe der Steuergröße
sein soll, war daher diese hinsichtlich der Verlustleistung besonders ökonomische
Betriebsweise nicht anwendbar Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung
anzugeben, in welcher die gesteuerten aktiven Bauelemente im wesentlichen wie Schalter
betrieben wurden, so daß ihre Verlustleistung klein bleibt, in der aber auch die
Verzerrungen der Ausgangsgröße gegenüber der Steuergröße klein gehalten werden.
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Bei einer Verstärkerschaltung hohen Wirkungsgrades mit derartiger
Arbeitspunkteinstellung und Steuerung der verstärkenden
Bauelemente,
daß die Zeit, in der diese vom Zustand angenäherter Sperrung in den Zustand voller
Durchlässigkeit und umgekehrt gesteuert werden, kurz ist gegendber der Länge einer
lialbperiode einer Steuergröße von sinusförmigem Verlauf wird dieses Aufgabe dadurch
gelöst, daß erfindungsgemäß eine Mehrzahl von mit einem gemeinsamen Arbeitawiderstand
zusammenwirkenden gesteuerten Bauelementen mit in vorzugsweise untereinander gleichen
Stufen verschieden und derartig gewählten Spannungen einander entsprechender Anschlüsse
gegillüber dem gmeinsamen Bezugspunkt, beispielsweise Erde oder. Nasse, an den auch
der Arbeitswiderstand angeschlossen ist, vorgesehen ist, daß die Steuerung der Bauelemente
von dem einen in den anderen Zustand bei Änderungen der Steuergröße fUr die einzelnen
Bauelemente in zeitlicher Folge und derartig eintritt, daß die Summe ihrer Ausgangsgrößen
im wesentlichen eine analoge Wiedergabe der Stouergröße ist, und daß im Falle der
Reihenschaltung der gesteuerten Bauelemente und des Arbeitswiderstandes an Spannungsquellen
geringen Innenwiderstandes für die Richtung der Nutzstromes durchlässige Richtleiter
in die Strompfade von den Anschlüssen der Spannungsquellen zu den Verbindungspunkten
zwischen je zwei gesteuerten Bauelementen eingeschaltet sind, während im Falle der
an Stromquellen hohen Innenwiderstandes liegenden, in Parallelschaltung zum Arbeitswiderstand
betriebenen gesteuerten Bauelemente für die Richtung des Nutzstromes durchlässige
Richtleiter in die Stro.-pfade von den Ausgängen der Bauelemente zu dem Anschluß
des
Arbeitswiderstandes eingeschaltet sind.
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Bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Schaltungsanordnung ist
die Wirkungsweise derartig, daß ausgehend von dem angenommenen Anfangszustand der
Sperr@ng sämtlicher gesteuerten Bauelemente beim Anwachsen der Steuergröße in derjenigen
Richtung9 welche eine Freigabe des Stromflusses in den Bauelementen bewirken soll,
zunächst das eine Bauelement durchlässig gesteuert wird, dessen sperrend Vorspannung
gegenüber dem gemeinsamen Bezugspunkt am geringsten ist, welches also in der Kette
derartiger Bauelemente mit seinen Bezugsspannungen dem gemeinsamen Bezugspunkt am
nächsten liegt. Dabei vollzieht sich die Umsteuerung vom Zustand der (angenäherten)
Sperrung zum Zustand der vollen Stromdurchlässigkeit sehr schnell, so daß in der
Übergangsphase nur eine geringe Verlustleistung im Bauelement verbleibt. War im
Zustand der Sperrung der das Bauelement durchfließende Strom annähernd Null, so
ist im Zustand der vollen Durchlässigkeit die am Bauelement liegende Spannung bis
auf einen geringen Wert, die sogenannte Restspannung, vermindert.
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Nachdem das erste der gesteuerten Bauelemente vom Zustand der Sperrung
in den Zustand der Leitfähigkeit übergeführt ist.
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hat die Ausgangsgröße einen entsprechenden endlichen Stufenwert erreicht,
der denjenigen Wart der Steuergröße entspricht,
der zu dieser Umsteuerung
des ersten Bauelemente erforderlich war. Sind die sperrenden Vorspannungen der Bauelemente
gegenüber dem Bezugspunkt gleichmäßig gestuft, so wird für das Umsteuern des zweiten
Bauelementes der dopppelte Wert der Steuergröße benötigt, aem wiederum nach der
Umsteuerung des zweiten Bauelementes der verdoppelte Wert der Ausgangsgröße entspricht.
So ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Jeweils erreichten Stufenwert
der Ausgangsgröße und der dafür eingesetzten Steuergröße. Jedesmal beim Leitendsteuern
eines Bauelementes wird der zu einer größeren Verlustleistung führende Übergangsbereich
schnell überschritten. Durch die Erfindung ist also der Vorzug eines geringen Leistungsverluste
in gesteuerten Bauelement mit der Erfüllung der Forderung nach linearem Zusammenhang
zwischen der Ausgangsgröße und der Struergröße vereinigt.
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Es ist dabei au beachten, daß die Umsteuerung der in einer Schaltung
nach der Erfindung eingesetzten Bauelemente schneller erfolgt als in den eingangs
erwähnten bekannten Schaltungen, in denen jeweils vorwiegend lineare Kennlinienstücke
ausgesteuert werden. Infolgedessen sirnd in einer Schaltung naoh der Erfindung die
Anforderungen größer, welche hinsichtlich der zulässigen oberen Grenzfrequenz an
die Bauelemente gestellt werden müssen. Bei der Verwendung gittergesteuerter Elektronenröhren
treten in dieser Hinsicht keine Schwierigkeiten auf. Für Transistoren sind derartige
Schwierigkeiten
belanglos, soweit Steuergrößen aus deu Bereich der
Tonfrequenz- bzw. Niederfrequenzschwingungen verarbeitet werden sollen. Soll eine
Schaltung nach der Erfindung rar dieVerstärkung von Signalgrößen höherer Frequenz
benutzt werden, so ist zu prüfen, ob die obere Grenzfrequenz der im Schalterbetrieb
zu verwendenden Bauelemente ausreicht. Die Anforderungen in dieser Richtung werden,
wie leicht ersichtlich ist, umso größer, je mehr untereinander gleichartige Bauelemente
in der Mehrzahl von Bauelementen im Sinne der Erfindung zusammengeschaltet werden.
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Die erforderliche obere Grenzfrequenz der als Schalter un verwendenden
Bauelemente bleibt rbor auch dann etwa eine Größenordnung niedriger als bei Pulslängenmodulation,
worin besonders für Transistoren als Schalter ein großer Vorteil der Verstärkerschaltung
nach der Erfindung gegenüber einer mit Pulslängenmodulation arbeitenden Schaltung
besteht.
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Neben der Möglichkeit, die Linearität durch Erhöhung der Stufenzahl
zu verbessern, kann man die weitere Möglichkeit benutzen, die aktiven Bauelemente
von einer Stufe zur nächsten jeweils im wesentlichen mit stetigen Übergängen durchansteuern,
so daß auch mit nur wenigen, z.B. zwei Stufen, eine gute Linearität erzielt wird.
Dabei entsteht die relativ größte Verbesserung des Wirkungsgrades und der Herabsetzung
der Verlustleistung bereits beim Übergang von einer einzigen
auf
zwei oder drei Stufen. Größere Stufenzahlen ergeben weitere Verminderungen der Verlustleistung
in den einzelnen aktiven Bauelementen und sind daher besonders bei der Verwendung
von Transistoren sehr vorteilhaft.
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Für das Zusammenführen der Ausgangsgrößen vom diesen Bauelementen
zum gemeinsamen Arbeitswiderstand ist es erforderlich, das Fließen von Strömen in
falschen Richtungen au unterdrücke@.
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Diesem Zweck dienen die bereits erwähnten für die Richtung des Nutzstromes
durchlässigen Richtleiter, welche in bestimmte Strompfade der Schaltung eingeschaltet
sind. Ihre Wirkungsweise wird in der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der
Schaltung nach der Erfindung noch erörtert werden.
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Grundsätzlich sind für diese Ausführungsformen zwei Arten möglich,
nämlich eine. bei der die gesteuerten Bauelemente und der Arbeitswiderstand an Spannungsquellen
geringen Innenwiderstandes miteinander in Reihe liegen. und eine weitere, bei welcher
die Bauelemente in Parallelschaltung zum Arbeitswiderstand und an Stromquellen hohen
Innenwiderstandes betrieben werden. Im erstgenannten Fall liefern die Betriebsspannungsquellen
im wesentlichen konstante Spannungen und die in Stuten nacheinander leitend gesteuerten
Bauelemente übertragen auf den mit ihnen in Reihe liegenden Arbeitswiderstand entsprechende
stufenweise ansteigende Ströme. Wegen
der Reihenschaltung der Bauelemente
steigt dabei der Stror in dem zuerst leitend gesteuerten Bauelement stufenweise
in dem Maße weiter an, wie weitere Bauelemente der Reihe leitend gesteuert werden.
Obwohl somit der Strom weiter ansteigt, ergibt sich doch keine sehr große innere
Verlustleistung, weil die Spannung an dem zuerst geöffneten Bauelement über die
sogenannte Restspannung hinaus nicht mehr wesentlich ansteigt. Im zweitgenannten
Fall liefern die Stromquellen hohen Innenwiderstandes im wesentlichen konstante
Ströme, die sich auf den gemeinsamen Arbeitswiderstand und die parallelliegenden
gesteuerten Bauelemente verteilen. Die Steuerung der Bauelemente erfolgt in derselben
Weise wie in erstgenannten Fall, jedoch übernehmen sie von den konstanten Quellenströmen
in dem Maße stufenweise anwachsende Teile, in welchem die Bauelemente seitlich nacheinander
leitend gesteuert werden.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Diese enthält folgende Darstellungen: In Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkerschaltung
nach der Erfindung, in welchem die gesteuerten Bauelemente mit dem gemeinsamen Arbeitswiderstand
in Reihe lieSen, in Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkerschaltung nach
der Erfindung, in welchem die gesteuerten
Bauelemente dem gemeinsamen
Arbeitswiderstand parallelgeschaltet sind.
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in Fig. 3: eine der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechende Schaltung,
in welcher anstelle der gittergesteuerten Elektronenröhren Transistoren verwendet
sind.
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In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform einer Verstarkerschaltung
nach der Erfindung sind als gesteuerte Bauele mente 1, 2 und 3 gittergesteuerte
Elektronenröhren verwendet.
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Dargestellt sind Tetroden, welche außer je einem Steuergitter noch
ein auf positivem Potential gegenüber der Kathode gehaltenes Schirmgitter besitzen.
Die Röhren liegen miteinander in Reihe, so daß die Anoden-Kathoden-Ströme aller
Röhren den gemeinsamen Arbeitswiderstand 5 durchfließen. Die Gitteranschlüsse der
Röhren sind über Vorspannungsquellen 6, 7 und 8 mit der Steuerspannungsquelle 4
verbunden. Die Vorspannungen der Röhren 1, 2 und 3, welche von der Vorspannungsquellen
6¢ 7 und 8 geliefert worden, sind o gewählt, daß sie von der Röhre 3 zur Röhre 1
hin, also mit größerem Abstand von dem gemeinsamen Bezugspunkt Erde, stufenweise
größer werden. Die Stufen sind so bemessen, daß beim Anwachsen der Steuerspannung
aus der Quelle 4 in einer Richtung, welche die Röhren 1 bis 3 leitend steuern soll,
zunächst die Röhre 3, dann die Röhre 2 und schließlich die Röhre 2 leitend gesteuert
wlrd.
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Durch die unterbrochenen Verbindungslinien zwischen den Anc schlossen
der Röhre 1 und der Röhre 2 ist angedeutet, daß an dioser Stelle noch eine Anzahl
weiterer Röhrenstufen in derselben Weise angereiht sein könnte. Die Spannungsstufen
der Vorspannungsquellen 6, 7 und 8 sind so bemessen, daß eine dem Bezugspunkt Erde
näher liegende Röhre bereits voll leitfähig gesteuert ist, ehe die nächstfolgende
Röhre aus dem Zustand der völligen Sperrung herausgesteuert wird Es soll also die
Umsteuerung der vorausgehenden Stufe vollendet sein, ohe diese Umsteuerung in der
nächstfolgenden Stufe beginnt.
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Die Anoden-Kathoden-Ströme der Röhrenstufen werden den Spannungsquellen
9, 10 und 11 entnommen, welche einen geringen Innenwiderstand aufweisen sollen.
Wird zunächst die Röhre 3 leitend gesteuert, so fließt Strom von der Spannungsquelle
11 über den Richtleiter 13 zum Anodenanschluß der Röhre 3 und als Entladungsstrom
von der Anode nur Kathode und schließlich über den gemeinsamen Arbeitswiderstand
5. Die Stärke dieses Stromes entspricht dabei der ersten Stufe der Aussteuerung
der Ausgangsgröße. Danach wird die Röhre 2 leitend gesteuert und infolgedessen fließt
Strom aus den Spannungsquellen 11 und 10 über den Richtleiter 12, den Anodenanschluß
der Röhre 2, die Anoden-Kathoden-Strecke der Röhre 2, die Anoden-Kathoden-Strecke
der Röhre 3 und den gemeinsamen Arbeitswiderstand 5.
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Der Strom entspricht nun der zweiten Stufe der Aussteuerung der Ausgangsgröße.
Wie man erkennt, wird die anfänglich nur mit dem Strom der ersten Aussteuerungsstufe
belastete Röhre 3 nun zusätzlich mit dem Strom der Röhre 2 belastet. Die Span nung
an der Röhre 3 bleibt dabei aber ungefähr auf dem Wert der sogenannten Restspannung,
so daß keine große Verlustleistung entsteht.
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Bei der weiteren Aussteuerung der Stufen vollziehen sich diese Vorgänge
in entsprechender Weise, so daß Strom aus den Spannungsquellen 11, 10 und 9 über
die Entladungsstrecke der Röhre 1, die Rohre 2, die Röhre 3 und den gemeinsamen
Arbeitswiderstand 5 fließt. Dabei steigt der Strom auf die dritte Aussteuerungsstufe
an, so daß nun auch die Röhre 3 von dem verdreifachten Stufenstrom durchflossen
wird.
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Die Bedeutung der Richtleiter 12 und 13 besteht darin, daß sie Stromflüsse
in der falschen Richtung vorhindern. Beim dreifachen Stufenstrom würde ja infolge
der nun vordreifachten Spannung am Arbeitswiderstand 5 der Strom von der Kathode
der Röhre 2 einen Kurzschlußweg über die Spannungsquelle 11 finden, wenn der Richtleiter
13 nicht den Stromfluß in dieser Richtung verhindern würde. Durch diesen Richtleiter
13 ist die Möglichkeit gegeben, daß der Verbindungspunkt der Kathode der Röhre 2
mit
der Anode der Röhre 3 auf eine höhere Spannung gegenüber dem Bezugspunkt Erde angehoben
werden kann, als dies dem oberen Anschluß der Spannungsquelle 11 erltspricht, Das
gloiche gilt entsprcchend für die Funktion des Richtleiters 12 zwischen den Röhren
1 und 2. Man erkennt, daß eine einfache Zusammenschaltung der gesteuerten Bauelemente
mit den Spannungsquellen und dem Arbeitswiderstand ohne diese Richtleiter nicht
iQ Sinne der Erfindung funktionieren könnte.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Verstärkerschaltung nach
der Erfindung dargestellt, ir welcher die gittergesteuerten Entladungsröhren 1,
2 und 3 dem gemeinsamen Arbeitswiderstand 5 parallel geschaltet sind. Dabei liegen
die Entlrb dungsröhren an den Stromquellen 9, 10 und 11, für welche in diesem Fall
vorausgesetzt ist, daß sie einen so bemessenen Innenwiderstand haben, daß sie unabhängig
von der Größe des angeschlossenen Verbraucherwiderstandes einen im wesentlichen
konstanten Strom liefern. Solche Stromquellen lassen sich mit Hilfe bekannter Reglerschaltungen
verwirklichen, ohne daß es der Reihenschaltung extrem hoher Widerstände 14 bedarf,
die hier die Innenwidestände vertreten. In Fig. 2 sind Triodenröhren dargestellt.
Auf der Seite der Steuergitter ist die Schaltung nach Fig. 2 derJenigen gemäß Fig.
1 identisch. Die Aussteuerung vollzieht sich also in gleicher Weise in Stufen, nur
fließt im Falle der Sperrung des Stromflusses in sämtlichen
Röhren
der maximale Strom durch den gemeinsamen Arbeitswiderstand 5, und im Falle der stufenweise
Aussteuerung der Röhren 1 bis 3 vermindert sich jeweils der Strom durch den Arbeitswiderstand
5 um eine entsprechende Anzahl von Stufen.
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Weitere Besonderheiten weist die Schaltung nach Fig. 2 gegenuber derjenigen
nach Fig. 1 nicht aul. Einander entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen. Durch die Richtleiter 12, 13 und 18 wird, ähnlich wie in Fig. 1, auch
hier das Fließen von Strömen in falscher Richtung verhindert.
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Durch die Wirkung dieser Richtleiter kann die Spannung der oberen
Anschlußpunktes des Arbeitswiderstandes 5 gegenüber dem Bezugspunkt Erde wesentlich
höher werden als die Anoden-Restspannungen der Röhren 1 und 2, ohne daß der für
den Arbeitswiderstand 4 bestimmte Stromanteil über die Anoden-Kathoden-Strecken
der Röhren 1 und 2 abfließen kann.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltung, welche nach dem Prinzip der Fig. 1 aufgebaut
ist, in welcher aber anstelle von Röhren die Transistoren 15, 16 und 17 verwendet
sind. Die Teile der Spannungsquellen sind wie in Fig. 1 mit 9, 10 und 11 bezeichnet.
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Diese übernehmen hier gleichzeitig die Funktion der Vorspannungsquellen
für die Gitter der Röhren in Fig. 1. Die Transistoren 15, 16 und 17 befinden sich
also auch mit ihren Steueranschlüssen hinsichtlich der Steuerspannungsquelle 4 auf
einer Spannungstrappe und werden nacheinander vom Zustand
der Sperrung
in den Zustand der Leitfähigkeit übergeführt.
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Da die Transistoren am Steusranschluß einen wesentlich niedrigeren
Eingangswiderstand aufweisen als Röhren, sind voneinander getrennte Entkopplungswiderstände
19 in Jeden Basisanschluß eingeschaltet. Die Richtleiter 12 und 13 dienen demselben
Zweck wie in Fig. 1 die Richtleiter 12 und 13. Sie rmöglichen es, daß die Verbindungspunkte
zwischen Je zwei Transistoren auf höhere Potentiale angehoben werden als die emtsprechenden
Abzweigpunkte an der Reihenschaltung der Spannungsquellen. Um Überlastungen der
Transistoren hinsichtlich ihrer Spannungsfestigkeit vorzubeugen, sind die Grenzwertdioden
20 vorgesehen, die für den Fall, daß die Richtleiter 12 und 13 leitend sind (also
für in der richtigen Richtung fließende Ströme), den Basis-Emitter-Strecken parallel
liegen.
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Die Erfindung hat besondere Bedeutung für Niederfrequenzverstärker
hoher Ausgangsleistung, sie sie beispielsweise für die Modulation der Endstufen
von Hochfrequenz-Nachrichtensendern gebraucht werden. In einem solchen Fall ergibt
sich die Möglichkeit, wegen der in Jee. einzelnen gesteuerten Bauelement verringerten
Verlustleistung ait räumlich sehr kleinen Bauelementen hohe Leistungen auszusteuern.
Dieser Vorteil hat wiederum besondere Bedeutung bei der Verwendung von Transistoren
als gesteuerte Bauelemente.