DE448995C - Kathodenroehrenverstaerkerschaltung unter Verwendung von Transformatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Transformatoren für Kathodenverstärker, und zwar soll die Wahl des Übertrager- bzw. Übersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit von den Koeffizienten der Verstärkerröhre und den Konstanten der angeschlossenen Stromkreise bestimmt werden.

Im übrigen entsprechen die baulichen Ausführungen solcher Transformatoren den bekannten Ausführungsformen der Praxis. Es muß jedoch besonders beachtet werden:

1. daß zwecks Verminderung des Magnetisierungsstromes die Transformatoren ein genügendes Eisenvolumen besitzen, wobei Bleche von hoher Permeabilität (z. B. in Vakuum geglühte) verwendet werden;

2. daß zwecks Verringerung der Eisenverluste Siliciumbleche von geringer Stärke verwendet werden;

3. daß zwecks Verminderung der Streuung oder der magnetischen Verluste die Primärwicklung und die Sekundärwicklung ineinander angeordnet werden;

4. daß die Kapazität der Wicklungen soweit wie möglich herabgesetzt wird und daß zwecks Unterdrückung der schädlichen Wirkung der verteilten Kapazität der Wicklungen bei Sprachstromverstärkung das Produkt von Widerstand und Kapazität für die Längeneinheit des Sekundär- und Primärdrahtes so niedrig als möglich gehalten wird.

Die Erfindung gibt nun vor allen Dingen an, wie für jede Röhre das günstigste Übersetzungsverhältnis zu bestimmen ist.

Ein Röhrenrelais besteht nach den Abb. 1 und 2 aus einem Gefäß 1, in dem eine Anode 2, ein Gitter 3 und ein Faden 4 angeordnet sind, welcher durch eine Batterie 5' geheizt wird. Zwischen die Anode und eine Klemme des Fadens, z.B. die negative, wird die Spannung einer Batterie 6 gelegt, und zwar entweder über einen Widerstand 7 oder über die Primärwicklung eines Transformators 8, dessen Sekundärwicklung über einen Widerstand geschlossen ist (Abb. 2). Anderseits sind Gitter und Faden entweder unmittelbar oder vermittels eines Transformators an die Klemmen der Stromquelle gelegt, welche die zu verstärkende elektromotorische Kraft liefert.

In folgendem werden zuerst die Gleichungen für den Gitter- und Anodenstrom aufgestellt unte,r der Annahme, daß eine unendlich kleine Wechselst,romspannung in den Gitterglühfadenkreis eingeführt wird. Zur rationellen Ausbildung de;r Röhrenverstärker ist es unumgänglich notwendig, diese Gleichungen zu kennen.

Das Potential V deir Anode sowie ν des .Gittqrs werden gegenüber einer Klemme des Glühfadens (z. B. gegenüber dem negativen Pol) bestimmt.

Deir Strom i im Gitter ist von ν und V ab hängig (graphisch gegeben in den bekannten Kennlinien i = f (v), i = f (V). Man hat demnach die Gleichung i ==/ (v, V). In dear Nähe eines Punktes dieser Kennlinien, welcher durch die GleichstrompotentialeVo, V₀ bestimmt ist, denen ein Gleichstirom Z₀ am Gitter entspricht, erhält man durch totale Differentiation:

V=V₀

(V-V₀)-

Die Werte der Ableitungen ersten Grades l — jundl^rj sind durch Versuche leicht bestimmbar, und zwar durch die Gitterstromkucrve in Funktion von ν für ein konstantes Potential V₀ an dar Anode und durch die Gitig teirstromkurve in Funktion von V für ein konstantes Potential V₀ am Gitter. Die reziproken Werte von j~\und [τψ) haben die Dimensionen von Widerständen. Man kann daher schreiben:

l—) =— Die Gleichung 1 kann somit auch wie folgt geschrieben werden:

* — H — — V

Der Anodenstrom / ist gleichfalls abhängig von V, ν (ebenfalls graphisch gegeben in den bekannten Kennlinien /=/ [V], / = / [v]). Man hat also / = / (V, v). Für / gilt das vorhin mit Bezug zu dem Strom i Ausgeführte. In der Nähe eines. Punktes dieser Kennlinien, der durch dieselben Potentiale V₀ und V₀ an Anode und Gitter bestimmt ist und einem Anodenstrom I₀ entspricht, erhält man ebenfalls durch totale Differentiation:

(2)

Die Werte der Ableitungen I ^ψ\ und ( —I

sind mit Hilfe der Anodenstromkurve in ,Funktion von V fiir ein konstantes Potential V₀ am Gitter sowie der Anodenstromkurve in .Funktion von ν fü,r ein konstantes Anodenpotential V₀ bequem feststellbar. Die reziproken Werte dieser Ableitungen haben gleichfalls die Dimensionen von Widerständen, und man. kann daher schreiben:

= — undf—

Die Gleichung 2 kann unter Beriicksichtigung deir letzten Gleichungen wie folgt geschrieben werden:

Für veränderlichen. Betrieb sei angenommen, daß (v—V₀) eine unendüch kleine Wechselspannung ti sei, dann wird i—/₀ ein Wechselstrom/; desgleichen sei V—V₀ eine Wechselspannung U und /—1₀ ein Wechselstrom /.

Die Gleichungen für die Relaislajtnpe können dann wie folgt geschrieben werden:

( . U₁U- -

Eine dritte Gleichung erhält man durch Berücksichtigung des Außenstromkreises von der Anode zum Faden.

Wird in diesen Kreis ein Ohmscher Widerstand R unmittelbar eingeschaltet, so erhält man, wenn mit E die Spannung der Batterie bezeichnet wird:

E — IR — V

oder E-[I-IJR-I₀R = (V-V₀) + F

Ji —1₀ it— V₀-—

Man erhält somit die Gleichung: U-\-JR = 0.

Wird angenommen, daß der Widerstand/? unter Zwischenschaltung eines vollkommenen Transformators angeschlossen ist, d. h. eines Transformators, dessen magnetisierender Strom 0 ist, dessen Wicklungen keine Kapazität besitzen und bei dem keine Streuungso der andere Verluste vorhanden sind, so erhält man eine Gleichung, die sich von der vorhergehenden nur durch die Einführung des Übersetzungsverhältnisses Ιζ in das Glied JR unterscheidet. Fließt nämlich im Sekundärkreis des Transformators ein Wechselstrom J, so ist die Sekundärspannung JR, also die Primärspannung, die i^mal größer ist, K.JR. Man hat infolgedessen die Gleichung:

U+ KJR = O.

Bei Verwendung eines vollkommenen Transformators ist nur der Unterschied vorhanden, daß der Ruhestrom in ihm keinen Spannungsabfall hervorruft und daher die Spannung E der Batterie der Anodenspannung V₀ entspricht.

Wird der Widerstand im Anodenstromkreis ganz allgemein, auch bei Verwendung eines Transformators, mit R bezeichnet, so lauten die Grundgleichungen für diese wie folgt:

(3)

T — ι U +JR = O.

Ist der Widerstand R frei von Induktivität, so befinden sich die Vektoren /, ti, U und Z not-

u j

UJ

Es gibt einen Wert von R, den man als 2?opt. bezeichnet und für den der Maximalwert des Relaiseffektes erzielt wird. Aus der letzten Gleichung kann er abgeleitet werden, wenn man diese nach R differentiiert und den Differentialquotienten gleich Null setzt. Dann wird

d.h. der Verbrauchswiderstand im Anodenstromkreis einer Röhre muß tunlichst diesen Wert haben.

Wird ein Transformator verwendet, so muß das Produkt aus dem Quadrat des Übertragungsverhältnisses }ζ und dem Widerstand R₁ im Sekundärkreis folgender Gleichung _genügen:

Fließt nämlich im Sekundärkreis ein Wechselstrom Z₂, so ist in ihm die Energie Z₂ ², R₁, und im Primärkreis fließt ein Wechselstrom^. Der scheinbare Widerstand des Transformators mit dem Widerstand R₁ im Sekundärkreis werde mit T?¹ bezeichnet, dann ist die Energie im Primärkreis Z₁ ² · T?¹. Da aber ■ R₁ sein muß, so ergibt sich

Z₁ ² · R¹ = Z₂ ²

I = K^-R₁.

wendigerweise in Phase, und die Gleichungen 3 entsprechen den folgenden:

' K W^r₃ +R) \

T

(r, + R)

U (r_a + R)

u.

Als Relaiseffekt wird das Verhältnis zwischen der im Anodenkreis durch den Widerstand R aufgenommenen Energie und der Energie, die vom Gitterkreis geliefert wird und in ihm verbraucht wird;, bezeichnet.

Der Relaiseffekt entspricht dem Verhältnis

UJ

W]

Man findet leicht folgende Gleichung:

Aus der Gleichung 4, 1 kann des weiteren abgeleitet werden, daß der Scheinwiderstand Y = —^ des Gitterkreises durch die fol-

J

gende Gleichung gegeben ist:

Besitzt die Stromquelle, welche die Spannung ti liefert, eine Impedanz Z, so muß diese Impedanz möglichst gleich Y sein, oder es muß zum Speisen des Gitterkreises ein Transformator verwendet werden, dessen Übersetzungsverhältnis so groß ist, daß die nachstehende Gleichung erfüllt ist:

K²Z=Y =

{r_s+R) —

rifa

Schaltungen ohne Transformatoren kann man als Schaltungen mit Transformatoren von dem Übersetzungsverhältnis K= 1 auffassen. Danj? 110 gelten dieselben Gleichungen. =

In dieser Weise wird man aus der Stromquelle die maximale Leistung ziehen.

Bei der Verwendung von Transformatoren muß Bedacht darauf genommen werden, daß die Kapazität der Sekundärwicklung des Transformators für die in Betracht kommende Frequenz einen höheren Scheinwiderstand besitzt als Y, damit sie nicht als Kurzschluß wirkt. In folgendem wird angenommen, daß die Kapazität eine bedeutend höhere Impedanz als Y hat.

Auf "diese Weise sind¹"bestimmte Werte für R und Z oder die Übersetzungsverhältnisse festgelegt worden, welche für die Transformatoren von Röhrenverstärkern in Betracht kommen.

In den Gleichungen 3 wurde zuerst angenommen, daß der Widerstand./? picht induktiv wäre. Man kann aber auch annehmen, daß R ganz allgemein eine Impedanz darstelle, und die Gleichungen lösen, indem u,j, U, J als Vektoren behandelt werden,.die eine gewisse Phasenverschiebung untereinander besitzen. Dieses gilt z. IL für den Fall, daß als Verbrauchsapparat ein Telephon vorgesehen ist.

■" Der Verbrauchswiderstand kann, gleichfalls durch den Gitterstromkreis eines zweiten Rohres gebildet sein, welches über einem Transformator auf den eigentlichen Verbrauchswiderstand ,R₁ arbeitet. Eine entsprechende Schaltung ist in Abb. 3 dargestellt. Man gelangt in diesem Fall zur Verwendung von drei Transformatoren T₁, T₂, T₃. Der erste Transformator wird bestimmt durch die ImpedanzZ der Stromquelle, welche 'die Spannung« liefert, und den ScheinwiderstandY₁ der' ersten Röhre. Der zweite Transformator T₂ hängt von dem Scheinwiderstand Y₂ der zweiten und den Widerstandskoeffizienten der ersten Röhre ab und der dritte Transformator T₃ von dem Widerstand R₁ im Sekundärkreis und den Widerstandskoeffizienten der zweiten Röhre. Jeder Zwischentransformator kann also als Ausgangstransformator betrachtet werden, wenn man unter R₁ den Widerstand in seinem Sekundärkreis versteht. In einer Schaltungsanordnung mit mehreren Verstärkungsstufen kann nicht mehr von einer unendlich kleinen Spannung« die Rede sein, sondern man "hat es mit einer abschätzbaren Spannung zu tun. Der Widerstand zwischen Gitter und Faden kann nicht mehr als ein konstanter Widerstand angesehen werden, der von einem mittleren Wert von ν zwischen (v₀ — ε) und (V₀-J- ε) herstammt. In der Praxis liegen die Verhältnisse so, daß Ix^

Null wird, wenn; ν negativ ist. Man muß dann für den Widerstand einen Mittelwert einführen. Dieser Mittelwert kann bequem festgestellt werden, indem man für einige Punkte der Gitterstromkurve die Differentialquotienten bildet und aus ihnen das Mittel nimmt. Der Widerstand r_t ist dann der reziproke Wert dieses Mittels.

Dieser Wert für }\ ist z. B. dann, wenn man in der Hähe der Spannung V₀ = 0 arbeitet, ungefähr doppelt so groß wie bei einem positiven Wert von V₀. Denn weil I ^- J für ν <C 0 ungefähr 0 ist, ist bei der Bildung der Mittelwerte won j 5— J für V₀ = 0 die Hälfte aller Werte, von denen das Mittel genommen werden soll, gleich 0. Daher ist der Mittelwert für V₀ = 0 nur halb. so groß wie für p> 0, d. h. sein reziproker Wert V₁ ist doppelt so groß.

Nur wenn man auf einem unendlich kleinen Teil der Gitterstromkurve arbeitet, werden die Schwingungen am Gitter getreu verstärkt. Je größer der Bereich ist, in dem man arbeitet, um so .stärker ist die Verzerrung der Schwingungen bei der Verstärkung infolge der Krümmung der Kennlinien. Dan durch könnte eine Verzerrung der Sprache eintreten. Diese kann herabgesetzt werden durch Wahl eines geringeren Übersetzungs^j Verhältnisses für den Transformator T₁. Was die Sprache anbelangt, wird man dadurch an Schärfe gewinnen, was man an Stärke verliert.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kathodenröhrenverstärkefschaltung unter Verwendung von Transformatoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Impedanz (Z) der Stromquelle, welche die Spannung zur Speisung des Gitterstromkreises liefert, und dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses (/<) eines Eingangstransformators einen solchen Wert hat, daß

   ist, und daß das Produkt aus dem Widerstand (R₁) im Sekundärkreis eines Ausgangstransf ormators und dem Quadrat seines Übersetzungsverhältnisses (/Ci): einen solchen Wert hat, daß

   ist, worin r_ls r₂, r₃ und t_l für die erste Gleichung die Widerstandskoeffizienten der folgenden, für die zweite Gleichung der vorhergehenden Röhre und R der Widerstand im Anodenkreis der ersten Röhre sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.