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Elektrischer Verstärker
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verstärker, der sich z.B.
in Simulatoren für große elektrische Signale als sehr zweckmäßig erwiesen hat. Für
diesen Verstärker wird eine Schaltung verwendet, die es ermöglicht, kleine und sehr
große Wirkungen bei extrem hohen Wirkungsgraden zu erreichen. Der Verstärker zeichnet
sich dadurch aus, daß mehrere Teilverstärker, die Transistoren oder Vakuumröhren
enthalten, verwendet sind, so daß der Wirkungsgrad mit der Anzahl der Teilverstärker
zunimmt. Das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung und dem Leistungsverbrauch
ist konstant, wenn die Transistoren oder Vakuumröhren in der üblichen Weise geschaltet
sind, bei dem Verstärker gemäß der Erfindung nimmt jedoch die Ausgangsleistung in
Relation zu dem Leistungsverbrauch zu.
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Es ist bekannt, daß Verstärkerelemente (aktive Elemente)wie z.B. Trioden,
Tetroden, Pentoden und Transistoren so vorgespannt und angesteuert werden können,
daß sie als A-, n-, A131-, AD'-, oder C-Verstarker arbeiten.
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Verstärkerelemente, die in diesen Klassen arbeiten,
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sich durch den erzielten Wirkungsgrad und die Linearität aus.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker, bei dem die zuvor
erwähnten aktiven Elemente so vorgespannt und angesteuert sind, daß die Linearität
ebenso wie der Wirkungsgrad sehr hoch sind.
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Charakteristisch für die bisher verwendeten und zuvor erwähnten Arten
von Verstärkern ist, daß die Spannungsamplitude des verstärkten Signals nicht größer
als der Ausgangsspannungsbereich des Verstärkerelements ist.
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Dadurch, daß man den Strom in einem Verstärkerelement nur in einem
Teil des Spannungsbereichs des Elements und die Ausgangsspannung von Null verschieden
macht, können ein sehr hoher Wirkungsgrad und eine sehr hohe Linearität erzielt
werden.
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Die Verstärkung gemäß dem Prinzip der Erfindung kann auf verschiedene
Arten durchgeführt werden, die sich durch verschiedene Wirkungsgrade auszeichnen.
Um einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten, muß die Spannung über dem Verstärkerelement
während der Zeit, wenn es Strom führt, so klein wie möglich sein. Wenn die Spannung
Null ist und der Strom am größten ist (Ohm'sche Belastung), dann sind die Verluste
minimal.
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Es ist zweckmäßig, eine gerade Anzahl von Stufen zu verwenden, um
die Spannung den verschiedenen Teil- oder Elementarverstärkern zuzuführen. Eine
weitere Verbesserung des Wirkungegrades kann dadurch erzielt werden, daß ein Tranaformatorausgang
vorgesehen wird, und daß alle Elementarverstärker gleiche Verluste haben.
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Um alle Elementarverstärker mit dem gleichen großen maximalen Strom
zu belasten, können sie, statt an den
Ein- und Ausgängen direkt
verbunden zu sein, jeweils mit einem gesonderten Abgriff an Transformatoren verbunden
sein, wobei die Windungen der Wicklung so gewählt sind, daß die Lastimpedanz für
jeden Elementarverstärker proportional zu seiner Sperrspannung ist, die auch die
Versorgungs- bzw. Batteriespannung ist.
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Die Elementarverstärker müssen in diesem Falle auch Eingangsspannungen
erhalten, die das Übersetzungsverhältnis des Ausgangstransformators kompensieren.
Dies kann z.B.
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durch Verwendung eines Eingangs transformators mit dem gleichen Übersetzungsverhältnis
wie der Ausgangstransformator geschehen. Die Sperrspannungen können gleichzeitig
so gewählt werden, daß alle Elementarverstärker den gleichen Leistungsverlust haben.
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Der gleiche Leistungsverlust kann erreicht werden, selbst wenn die
Forderung nach gleichem großen Maximalstrom nicht erfüllt wird. Wenn alle Windungen
der Wicklung gleich und insbesondere gleich der Anzahl der Windungen der Sekundärwicklungen
(Übersetzungsverhältnis = 1) gewählt werden, können die Transformatoren weggelassen
und die Sperrspannungen entsprechend dem Verlustleistungsbedarf gewählt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, alle Sperrspannungen gleich zu wählen und
die Anzahl der Windungen der Wicklung so zu wählen, daß der Verlustleistungsbedarf
erfüllt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 8 beispielsweise
beschrieben. Es zeigt: Figur 1 ein Diagramm, aus dem das Verhältnis zwischen der
Ausgangsleistung PoUt und der Verlustleistung Pd hervorgeht, wenn man einerseits
n Verstärkerelemente (Transistoren oder Vakuumröhren in bekannter Weise (gestrichelte
Linie)
und andererseits n Elementarverstärker gemäß der Erfindung
(durchgehende Linie) zusammenschaltet, Figur 2 das Schaltbild eines transistorisierten
Elementarverstärkers, Figur 2a und 2b die Eingangsspanung bzw. den Ausgangsstrom
entsprechend dem verstärkten Intervall zwischen den Grenzspannungen Vt und V2, Figur
3 eine Schaltungsanordnung mit vier Elementarverstärken, Figur 4 eine Abwandlung
eines transistorisierten Elementarverstärkers, Figur 5 ein Beispiel, wie drei Elementarverstärker
zusammengeschaltet und wie die Gitterspannungen erzeugt werden können, wenn Elektronenröhren
verwendet werden, Figur 6 eine Abwandlung eines Elementarverstärkers, der mit hlektronenröhren
aufgebaut ist, Figur 6a die Röhrenkennlinie, aus der die Spannung Uc abgeleitet
werden kann, Figur 7 eine Verstärkerschaltung, bei der alle Elementarverstärker
zwischen die Abgriffe von Transformatoren geschaltet sind, und Figur 8 eine Verstärkerschaltung,
die auf eine Blindlast arbeitet.
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Das Diagramm in Fig. 1 zeigt das Verhältnis Pout/P zwischen der Ausgangsleistung
und der Verlustleistung auf der Ordinate als Funktion der Anzahl n von Verstärkerelementen
bzw.
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Elementarverstärkern. Es ist ersichtlich, daß bei Anordnung gemäß
der Erfindung das Verhältnis zunimmt (durchgehende Linie), während das Verhältnis
bei den bekannten Schaltungen im wesentlichen konstant bleibt (unterbrochene Linie).
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Der in Fig. 2 gezeigte Elementarverstärker besteht aus einem NPN-Transistors
1, der als Verstärkerelement wirkt, und zwei Spannungstoren, von denen eines aus
einem PNP-Transistor 2 besteht, dessen Emitter die in Fig. 2a gezeigte Eingangsspantung
und dessen Basis die untere Grenzspannung V1 über eine Diode 3 und einen Widerstand
4 in Reihe zu der Diode 3 erhält, währen der Kollektor mit der Basis des Verstärkerelements
1 verbunden sind.
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Das zweite Tor besteht aus einer Diode 5, die zwischen den Kollektor
des Verstärkerelements 1 und den Anschluß für die obere Grenzspannung V2 geschaltet
ist, während der Emitter des Verstärkerelements mit dem Ausgangsanschluß 7 des Verstärkerelements
und einer Last 8 verbunden ist.
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Der Verstärker erzeugt in der Last einen Strom I, wenn die Eingangsepannung
zwischen der oberen und der unteren Spannungsgrenze liegt, die in Fig. 2b gezeigt
sind. Unter der Annahme, daß V0 < V1 < V2 < U ist, kann die Arbeitsweise
leicht aus dem Schaltbild abgeleitet werden.
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Fig. 3 zeigt eine Verstärkerschaltung, bestehend aus zwei Elementarverstärkern
der in Fig. 2 gezeigten Art, und zwei zu diesen Verstärkern komplementären Elementarverstärker.
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Sie sind so geschaltet, daß sie einen gemeinsamen Eingang IN bzw.
Ausgang OUT haben. Die Spannungsgrenzen für die beiden ersten Elementarverstärker
sind mit V1 und V2 bzw.
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V und V4 bezeichnet und die komplementären Spannungs-V4 grenzen sind
mit -V1 und -V2 bzw. -V3 und -V4 bezeichnet.
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Diese Art der Verstärkerschaltung wird verwendet, wenn sich die Polarität
der Eingangsspannung, die verstärkt werden soll, ändert, so daß wenigstens vier
Elementarverstärker verwendet werden.
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Fig. 4 zeigt eine Abwandlung eines transistorisierten Elementarverstärkers,
bei dem ein Transistor T1 die Spannung Uin zu Transistoren T3 und T4 durchläßt,
wenn die Spannung UTN überschritten wird, jedoch die Spannung UBN nicht erreicht.
Die Sperrung der Spannung UTN in dem Transistor T1 wird mittels einer Diode D1 und
eines Widerstandes R1 erreicht. Durch die Spannung UBN erreicht man das Sperren
des Transistors T1 durch einen Transistor T2, eine Diode D2 und einen Widerstand
R2 durch Sperren über D1 und R1. Ein Beispiel, wie der Verstärker aufgebaut sein
kann, wenn Elektronenröhren verwendet werden, zeigt Fig. 5.
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Als Leistungsverstärkerelement werden dann Trioden verwendet, deren
Kathoden mit dem Ausgang verbunden sind, und deren Anoden jeweils eine eigene Anodenspannung
UAn (wobei n eine fortlaufende Zahl ist) erhält. Die Anodenspannungen können außer
Gleich- auch Wechselspannungen sein, z.B. Dreiphasen-Sinusspannungen, so daß jede
Triode in der Leistungsstufe durch zwei weitere Trioden vervollständigt wird, deren
Gitter bzw. Kathoden parallel geschaltet sind und deren Anoden die jeweilige Phasenspannung
erhalten. Man kann auch eine zweiphasige Rechteckspannung verwenden, bei der der
positive Spannungsimpuls etwas kleiner und von längerer Dauer als der negative ist
und in diesem Falle die Anoden der beiden Trioden speisen.
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Die Gitter der Trioden werden mit der Eingangsspannung U über Gitterwiderstände
R gespeist. Die Kathoden der in n beiden Dioden D ln und D sind mit jedem Gitter
der Trioun den verbunden. Eine Diode D eines jeden Diodenpaare ist un über ein Potentiometer
mit einem invertierenden Spannung.
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verstärker verbunden, der um eine Pentode P1 aufgebaut ist und mit
der Eingangs spannung Urin versorgt wird und die obere Torspannung Uun erzeugt.
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Die zweite Diode D ln jedes Diodenpaars ist über ein Potentiometer
mit einem nicht invertierenden Gleichspannungsverstärker verbunden, der die Verstärkung
in der Pentode P1 und einer Pentode P2 verwendet und die unteren Torspannungen U
Uln erzeugt.
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Die unteren Torspannungen Uln werden mittels der Potentiometer so
eingestellt, daß bei einer zunehmenden Eingangsspannung Uin die Dioden D für die
unteren Torspannungen in der richtigen Reihenfolge stromlos werden.
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Die oberen Torspannungen U werden mittels ihrer Potentioun meter so
eingestellt, daß für die gleiche zunehmende Eingangsspannung Uin die Dioden D für
die oberen Stromspanun nungen in ihrer richtigen Reihenfolge stromlos werden, Jedoch
derart, daß für jedes Diodenpaar die Diode für die obere Torspannung später stromführend
wird, als die Diode für die untere Torspannung stromlos wird.
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Die unteren Torspannungen Uln müssen nicht die Anodenspannung Uvn
der jeweiligen Triode erreichen. Wenn die oberen Torspannungen U die Anodenspannungen
überschreiun ten, arbeiten die Trioden als obere Tore, wenn die Gitterspannungen
UGn die Anodenspannung UAn überschreiten.
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Eingangs- und Ausgangstransformatoren können in der gleichen Weise
wie in Fig. 7 verwendet werden.
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Figur 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform mit Spannungsverstärkung
und mit Zusammenschaltung der Anoden.
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Dies zeigt, daß es viele Arten von Teil- oder Elementarverstärkern
gibt, die das Prinzip der Erfindung verwirklichen. Fig. 6a zeigt eine Röhrenkennlinie
für Dioden, aus der der Wert U0 in einer aus der Figur ersichtlichen Weise bestimmt
werden kann. Die Spannung Uc bildet einen Teil des Ausdruckes a U1n - UB + 2 Uc,
der die angenäherte
Spannung am Gitter ist, wobei uhr UB die Versorgungs-
bzw.
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Batteriespannung und UKn die Spannung der Kathode ist.
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R gibt Widerstände an, die zwischen die Anode und das Citter bzw.
die Kathode und das Gitter geschaltet sind.
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r gibt einen Widerstand zwischen dem Gitter und der mit einem Kondensator
in Reihe geschalteten Eingangsspannung an.
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Der Verstärker kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Röhren
auf verschiedene Arten arbeiten. Eine Betriebsart besteht darin, Ukl = O, Uk2 =
u13/4, Uk3 Um/2 und die Anodenlast gleich dem Innenwiderstand der Röhre 3 zu wählen.
Die Röhre 2 muß die gleichen Eigenschaften wie zwei parallele Röhren 3 und die Röhre
1 die gleichen Eigenschaften wie drei parallele Röhren 3 haben.
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Wenn die Gittervorspannungen schließlich so eingestellt werden, daß
die Röhre 2 beginnt, Strom zu führen, wenn das Gitter der Röhre 3 beginnt, Strom
zu führen (und damit die Gitterspannung nicht ansteigen kann) und die Röhre 1 beginnt,
Strom zu führen, wenn das Gitter der Röhre 2 beginnt, Strom zu führen, erhält man
ein nahezu lineares Verhältnis zwischen Uin und U t. Die Rückkopplung, die aufgrund
der Widerstände zwischen der Anode und dem Gitter jeder Röhre entsteht, verbessert
die Linearität.
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In der gleichen Weise wie in dem Verstärker der Fig. 5 können Tordioden
und Torverstärker als Alternative die Stromänderungen zwischen den Röhren steuern.
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Fig. 7 zeigt eine Schaltung mit mehreren Teil- bzw.
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Elementarverstärkern EAn, die zwischen Abgriffe der Sekundärwicklung
eines Eingangs transformators Tin und die Primärwicklung eines Ausgangs transformators
Tout geschaltet sind, wobei jeder dieser Teilverstärker sein eigenes Spannungsintervall
verstärkt. Die Windungen der Wicklung Nn verschiedener Elementarverstärker sind
so
gewählt, daß die Lastimpedanz jedes Elementarverstärkers EA
n proportional zu seiner Sperrspannung V zunimmt. V kann n n gleichzeitig so gewählt
werden, daß alle Elementarverstärker die gleiche Verlustleistung haben.
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Die zuvor beschriebenen Schaltungen beziehen sich hauptsächlich auf
Ohm'sche Lasten. Wenn eine Blindlast vorhanden ist, kann dies bewirken, daß der
Ausgangsstrom umgekehrt wird, und V t größer als V. wird. Gemäß der Er-ou in findung
können die Teilverstärker durch weitere Tore ergänzt werden, so daß der Verstärker
insgesamt auch für diesen Belastungsfall ohne Zunahme der Verluste geeignet ist.
Als Beispiel zeigt Fig. 8 ein Schaltbild mit zwei benachbarten Elementarverstärkern,
aus denen der Verstärker insgesamt aufgebaut ist.
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Die Schaltung gemäß Fig. 8 unterscheidet sich von Fig. 4 im wesentlichen
darin, daß eine Diode D4 zwischen den Emitter des Transistors T4 und den Verbindungspunkt
von D2 und R2 geschaltet ist. Ein zusätzlicher Transistor T5.ist mit seinem Kollektor
und seinem Emitter mit dem Kollektor und dem Emitter des Transistors T2 und mit
seiner Basis über eine Diode D3 und einen Widerstand R3 mit einer dritten Torspannung
V4 verbunden. Der Transistor T3 ist weggelassen und der Kollektor des Transistors
T4 ist mit seiner eigenen Batteriespannung V3 verbunden, so daß die Möglichkeit
besteht, eine ausreichende Wirkung zu erzielen und die Anschlußspannung auch für
Ströme beizubehalten, die nicht in der Entladerichtung fließen.
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V1 und R1 entsprechen UTN und R1 in Fig. 4. V2 entspricht UBN in Fig.
4. Zusätzlich ist ein weiterer Teilverstärker eingeführt, bei dem die Elemente mit
um 10 erhöhten Indizes bezeichnet sind.
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Für die Spannungsquellen kann V1 < V2 < V3 < V4 gelten und,
daß sie eine bestimmte Beziehung zu den Spannungsquellen
der anderen
Elementarverstärker einhalten, so daß stets wenigstens ein Elementarverstärker arbeitet.
Die Bedingung für ein gutes Funktionieren besteht darin, daß V etwas kleiner als
V2, und V13 etwas kleiner als V4 sein sollte. Außerdem muß V12 größer als V3 sein.
Es gelten somit 3 die Beziehungen V1 2 V11 4 V2 ( V3 ( V12 < 13 <V4 < V14.
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Wenn Vin V1 überschreitet, leitet T1 und Strom fließt von V3 über
T4 durch die Lastimpedanz Zb, so daß Vout V in wird, verringert um den Spannungsabfall
in T1 und T4. Wenn Vin V2 überschreitet, leitet T2 und sperrt die Basisspannung
von T1, so daß der Strom durch T4 unterbrochen wird. Bevor dies eintritt, wird angenommen,
daß der nächste Elementarverstärker zu arbeiten begonnen hat, und es wird nun angenommen,
daß Zb solch eine Blindlast ist, daß der Ausgangsstrom sich umdreht und Volt Vin
überschreitet.
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Wenn Volt t Vin überschreitet, z.B. aufgrund einer Blindlast, und
Vin größer ist als V2, wird das Sperren der Eingangsspannung über die Diode D4 unterbrochen,
so daß T1 leitet. Wenn Vin und Vout größer als V3 sind, leitet T1 über die Basis-Kollektor-Diode
von T4, und es fließt Strom von der Last Zb über T4 zu der Spannungsquelle V3.
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Wenn Vin V4 überschreitet, wird T1 schließlich über R D und T5 gesperrt
und der Strom zu oder von Z b wird 3 T5 von einem anderen Elementarverstärker übernommen.
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Wenn T4 in der umgekehrten Richtung stromführend ist, ist die Kollektorspannung
niedrig, so daß die Spannungsdifferenz V in - V3 zum größten Teil über T1 liegt.
Die 3 Spannungsdifferenz Vout ~ V3 liegt dann zum größten Teil zwischen dem Emitter
und der Basis von T4. Die Spannungen werden durch die innere Rückkopplung in der
Schleife D D2, T2, D1, T1 und T4 ausgeglichen.