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Siebkette Bekanntlich setzt sich eine elektrische Siebkette aus mehreren
Gliedern zusammen, die an ihren beiden Enden über die sogenannte charakteristische
Impedanz des Kettengliedes geschlossen sind. Diese Größe spielt in der Theorie der
Siebketten eine sehr wichtige Rolle, sei es, daß es sich darum handelt, den Leistungsverbrauch
der Siebkette zu bestimmen, sei es, daß es sich darum handelt, Kettenglieder verschiedener
Type in Reihe zu schalten. Wenn man die Verluste in der Siebkette vernachlässigt,
ist bekanntlich das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsenergie im ganzen Durchlaßbereich
der Siebkette gleich r, vorausgesetzt, daß die Siebkette über die obenerwähnten
charakteristischen Impedanzen geschlossen ist. Wenn man diesen Wellenwiderstand
berechnet, so findet man, daß diese Größe im Durchlaßbereich in weiten Grenzen schwankt.
(Beispielsweise von Still bis unendlich oder von Null bis auf einen endlichen Wert,
um auf Null wieder herabzufallen, oder schließlich von unendlich bis auf einen begrenzten
Wert, um auf unendlich wieder anzusteigen.) Es ist deshalb schwierig, wenn nicht
gar unmöglich, eine Siebkette unter den gewünschten Bedingungen als Kopplungsmittel
zweier vorgegebener Impedanzen arbeiten zu lassen.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Siebkette die einzelnen
Glieder Elektronenröhren enthalten, deren Anodenkreis einen variablen Widerstand
parallel zu der Serienschaltung eines Resonanzkurzschlußgliedes mit einem Schwungradkreis
besitzt, welche beide auf dieselbe Frequenz abgestimmt sind. Die Siebkette gemäß
der Erfindung wirkt zugleich als Verstärkeranordnung und zeichnet sich durch Gleichmäßigkeit
der Verstärkung in dem durchgelassenen Bande, sehr starke Dämpfung außerhalb desselben
aus. Dieses wird dadurch erreicht, daß man den Ausgangskreis einer Verstärkerröhre
über ein verzweigtes System von Impedanzen (das mit dem Namen Filtergruppe bezeichnet
werden soll) an den Gitterkreis einer zweiten Röhre anschließt, und zwar entweder
direkt oder durch einen Kopplungskondensator und einen Ableitewilerstand. Im Prinzip
kann die Anzahl der Stufen unbegrenzt sein, in der Praxis hat sich erwiesen, daß
drei Stufen vollkommen hinreichend sind, besonders wenn die Filtergruppen in den
Anodenkreisen der verschiedenen Röhren verschieden bemessen sind.
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Die Unterschiede der vorliegenden Anordnung von bekannten sind demnach
folgende: r. Die Filtergruppe arbeitet praktisch unbelastet, d. h. sie liefert keine
Energie, denn der Ableitungswiderstand, der mehrere Megohm betragen kann, hat nur
den Zweck, die Gitterspannung der nächstfolgenden Röhre zu bestimmen; infolgedessen
ist das Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsenergie der Gruppe gleich unendlich.
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a. Durch die Parallelschaltung des die Hochspannung an die Anode führenden
regelbaren Widerstandes (s. Abb. r) zu dem inneren
dynamischen
Widerstand der Verstärkerröhre kann die Breite des durchgelassenen Frequenzbandes
in einfachster Weise beeinflußt werden.
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Dieser Widerstand ist aber nicht der charakteristischen Impedanz der
bekannten Filter gleichzusetzen, und zwar aus folgenden Gründen: a) Sein Wert ist
für alle Frequenzen konstant, während der charakteristische Wellenwiderstand eines
Filters sich innerhalb weiter Grenzen mit der Frequenz ändert und in den gedämpften
Bereichen eine rein imaginäre Größe wird.
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b) Während bei den bekannten Siebketten die Größe des Durchlaßgebietes
einzig und allein von den Impedanzen der Kette abhängt und die charakteristische
Impedanz für die gedämpfte Zone keine Rolle spielt, haben bereits kleine Änderungen
in der Einstellung des regelbaren Widerstandes sehr bedeutende Änderungen in der
Breite des durchgehenden Bandes und der Dämpfungskurve für diegedämpfte Zone zur
Folge.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung gestattet es ohne irgendwelchen
Nachteil und ohne irgendwelche Vorsichtsmaßregeln, verschiedene Filtergruppen zu
vereinigen, ohne daß Reflexionen zu befürchten sind.
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung in fünf Abbildungen dargestellt.
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Abb. i zeigt die Anordnung einer Siebkette mit drei Filtergruppen.
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Abb.2 zeigt das elektrische Äquivalent einer einfachen Filtergruppe
(Type I).
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Abb. q. zeigt das elektrische Äquivalent einer Filtergruppe mit Trennfrequenzen
(Type II).
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Abb. 3 und 5 zeigen Dämpfungskurven für die Typen I und II.
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Abb. i.- Die zu verstärkende und zu filternde Spannung wird dem Gitter
der ersten Röhre 2 über einen Widerstand i zugeführt. Die Heizung der Röhren erfolgt
durch die gemeinsame Batterie 3. Die Gitter werden negativ durch q. vorgespannt,
während ihre Anoden von der gemeinsamen Batterie 5 über die Widerstände 6 gespeist
werden. Der Wert dieser Schiebewiderstände 6 bestimmt, wie man später sehen wird,
die Breite des hindurchgehenden Bandes und die Gleichmäßigkeit des Stromes im Durchlaßbereich.
7, 8, 9 und io bilden eine Filtergruppe I der später zu besprechenden Type I ohne
Trennfrequenzen; sie besteht aus einem Kreis (Kapazität 7, Induktanz 8), der auf
das geometrische Mittel der Grenzfrequenzen des hindurchzulassenden Bandes abgestimmt
ist und in Reihe mit einem anderen Kreis (Induktanz 9, Kapazität io) liegt, der
in Stromresonanz geschaltet und gleichfalls auf das geometrische Mittel der Grenzfrequenzen
des Bandes abgestimmt ist. Die Klemmenspannung dieses Kreises wird der Röhre i z
mittels des Kopplungskondensators 12 und des Ableitungswiderstandes 13 zugeführt.
Letzterer muß einen genügend hohen Wert haben (beispielsweise einige ioo ooo Ohm
oder einige Megohm), damit er keinen merkbaren Nebenschluß für- den Kreis 9-7o bildet.
Ebenso bilden die Elemente 7, 8, 9, 10, 14 und 15, die in dem Ausgang der Röhre
i i angeordnet sind, eine Filtergruppe II, und zwar der später zu besprechenden
Type Il mit Trennfrequenzen. In dieser Gruppe Endet man wieder den Kreis 7-8, einen
Schwungradkreis 9-io-i4-i5, wobei 7-8, 9-7o und 7q.-15 auf das geometrische Mittel
der Grenzfrequenzen des hindurchzulassenden Frequenzbandes abgestimmt sind. Die
Klemmenspannung des Parallelkreises 9-1q.-10-15 wird auf die letzte Röhre 16 der
Siebkette übertragen, deren Anodenkreis in gleicher Weise durch eine Filtergruppe
III von Type II gebildet wird. Diese Gruppe setzt sich aus ähnlichen Organen wie
die Gruppe II zusammen, die dieselben Bezugszeichen tragen. Da alle diese Filtergruppen
auf Spannungsverstärkung arbeiten, empfiehlt es sich, noch eine reine Verstärkerstufe
mit einer Röhre 17 derart hinzuzufügen, daß an den Klemmen des Widerstandes 18 die
verstärkte und gefilterte Spannung abzunehmen ist. Der Widerstand 18 ist nicht unumgänglich
notwendig, wenn die Nutzimpedanz den Gleichstrom der Anode abfließen läßt. Die numerischen
Werte können trotz gleicher Bezugszeichen naturgemäß verschieden sein. So hat die
Filtergruppe III zweckmäßig andere Trennfrequenzen als die Gruppe II, und es sind
auch die Werte der Parameter der Kapazitäten und Induktanzen 7, 8, 9,
10, 1¢ und 15 für die drei Stufen verschieden. \ aturgemäß kann sowohl die
Anordnung als auch die Zahl der Stufen geändert werden; man kann beispielsweise
mit einer Filtergruppe anfangen, die Trennfrequenzen enthält. Schließlich können
die Widerstände 6 und 18 durch Drosselspulen ersetzt werden, die man in der Filterzone
als praktisch unendliche Impedanz betrachten kann. Wenn aber die veränderlichen
Widerstände 6 durch Drosselspulen ersetzt werden, muß man die Gitter der Röhren
2, 11 und 16 negativ aufladen, um den Anodenwiderstand auf den notwendigen kritischen
Wert zu bringen. Ferner kann man naturgemäß auch Röhren mit vier Elektroden verwenden.
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Es sollen nunmehr die mathematischen Ableitungen folgen, um die verschiedenen
Parameter festzulegen.
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Zu diesem Zwecke kann die Filtergruppe
Type I schematisch
durch Abb. 2 dargestellt «-erden, wo L und C die Organe 9, io der Abb. i bezeichnen
und
und Ca die Organe i und 8 der Abb. i, wobei a eine Zahl ist. Diese Gruppe
ergibt eine Dämpfungskurve als Funktion der Frequenz (e und I' bezeichnen die Spannungen
am Eingang und Ausgang und f die Frequenz), wie in Abb. 3 dargestellt ist.
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Ebenso kann die Filtergruppe Type 1I schematisch durch Abb. 4. dargestellt
«erden, wo mC und
die Elemente 14 und 15 der Abb. i darstellen (yra ist eine andere Zahl). Diese Gruppe
ergibt eine Dämpfungskurve, deren Verlauf in Abb. 5 dargestellt ist.
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Schliel',lich stellt in den Abb. 2 und 4. R den Widerstand dar, der
sich aus der Parallelschaltung des Regelwiderstandes 6 und des inneren dynamischen
Widerstandes der Verstärkerröhre ergibt. Die angewendeten Bezeichnungen lassen schon
darauf schließen, daß die Irreise 7 -;- 8, 9 + i o, 14 -j- 15 alle auf dieselbe
Frequenz -abgestimmt sind, die mit f, bezeichnet werde.
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Aus Abb. 5, die die Dämpfungskurve im allgemeinsten Fall der Filtergruppe
Type II zeigt, sieht man, daß, ausgehend von f o, wo das Verhältnis
- i ist, dieses Verhältnis sowohl für zunehmende als auch für abnehmende Frequenzen
zuerst wächst, dann durch den Wert i hindurchgellt, dann bei den Trennfrequenzen
auf Null fällt und dann von neuem auf einen beschränkten Wert ansteigt. Unter dem
hindurchgehenden Band 8 f1 versteht man das Frequenzintervall zwischen den äußersten
Punkten, wo
gleich der Einheit ist. Ebenso ist 81p das Intervall, das die beiden Maxima trennt,
ö F das Frequenzintervall, das die beiden Trennfrequenzen trennt, und allgemein
8 f das Frequenzintervall, das zwei symmetrisch zu f, liegende Punkte trennt,
die somit denselben Wert von
haben. Abb. 5 zeigt drei Werte von ö f für verschiedene Bedingungen (zwischen den
beiden Maxima, innerhalb der beiden Trennfrequenzen und außerhalb der Trennfrequenzen).
Im Falle von Abb. 3 ist d F gleich unendlich, und die Kurve verläuft asymptotisch
nach lull für die Frequenzen Null und unendlich. Schließlich kann man mathematisch
nachweisen, daß alle diese Intervalle von zwei Frequenzen begrenzt werden, deren
geometrisches Mittel f,, ist.
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Die mathematische Untersuchung der Filtergruppe Type I führt zu folgenden
Resultaten: Wenn man mit ß die Größe
bezeichnet, d. h. das Verhältnis des Widerstandes R zur Reaktanz L o)" der
Selbstinduktion L bei der Schwingungszahl coo entsprechend der Frequenz f
o, so hängt die Dämpfungskurve der Abb. 3 nur von der Größe ß2 a ab, die mit A bezeichnet
werden soll. A ist also ein Parafneter, der vollständig die Filterkurve definiert,
und zwar als einfache dimensionslose Zahl. Wenn A größer oder gleich 2 ist, besteht
kein hilidurcligehendes Band, für welches
mit zunehmender Entfernung von f, abnimmt. Wenn dagegen, ausgehend von A gleich
2, der Wert von A abnimmt, erscheint ein immer breiter werdendes Band. wobei
die beiden Buckel der Kurve sich voneinander entfernen und gleichzeitig ansteigen,
d. h. die Filterung wird größer und gleichzeitig weniger gut. Der Maximalwert von
ist gegeben durch den Ausdruck
und der Wert des entsprechenden Bandes durch den Ausdruck
worin sich der Einfluß von a und f, zeigt. Trotzdem hängt die allgemeine
Gleichung, die -
verknüpft, nur von A ab und schreibt sich:
welcher Ausdruck auf der rechten Seite nur A und die Variable
enthält. Beispielsweise zeigen die Formeln 1, 2 und 3, daß für A = 1,4
- 1,045 (gemäß Formel 1) und die Amplitude auf o,2 verringert wird für ein Band
cb f - 2,94 b f1 (Formel 3). Für a -- o, i wird das hindurchgehende Band - 0,245.
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Die
für A praktisch zulässigen Werte liegen zwischen o,8 und 2. Für A - o,8 führt die
Formel i zu .
@. 1,25, erreichen die Buckel also schon 25 "f". Bei einer einzigen
Stufe
würde dieser Wert noch annehmbar sein, während er bei mehreren Stufen schon hindernd
wirkt.
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Schließlich ist der Wert von ß durch folgende Gleichung gegeben:
Die Erfindung liefert also die Mittel, um die elektrischen Werte der verschiedenen
Teile zu bestimmen. Die mathematische Untersuchung der Filtergruppe Type II mit
Trennfrequenzen ist natürlich viel verwickelter. Man kann in gleicher Weise in diesem
Fall mit A eine Zahl bezeichnen, die nicht mehr auf dieselbe Art mit den physikalischen
Konstanten verbunden ist, die aber wie zuvor die Filtrierung definiert und praktisch
zwischen o,8 und 2 liegt. Die Kurve der Abb. , ist dann durch die Gleichung gegeben:
dieses ergibt außer der Variablen ö f nur bekannte Frequenzintervalle cb
il und cS F und die Größe A.
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Wenn man mit F= fo+b F. die obere Trennfrequenz entsprechend dem Ende
des Bandes 8 F bezeichnet und wenn ß die frühere Bezeichnung behält, ergibt sich
die Bestimmung der den einzelnen Teilen zu gebenden elektrischen Werte, sobald man
A durch folgende Verhältnisse gewählt hat:
Man erkennt, daß die Formeln 5, 7, 8 den Formeln 3, 2, 4 identisch werden, wenn
d F unendlich wird, d. h. wenn man von der Filtergruppe Type II zur Gruppe Type
I übergeht. Man erkennt auch für die Gruppe Type I, daß bei Verwendung einer Siebkette
gemäß der Erfindung der Wert des Widerstandes R eine sehr kritische Rolle spielt.
u, das durch das Verhältnis der Kapazitäten 7 und 1o bestimmt ist, ist für eine
Siebkette eine Konstante; wenn sich also R ändert, ändert sich auch ß und damit
A, da A --_ ß= a.
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Damit ändert sich aber auch die Breite des hindurchgehenden Bandes
(Formel 2). Wenn man auf das vorher gegebene Beispiel zurückgreift und annimmt,
daß der Wert A - 1,4 für R = 5ooo Ohm erreicht wird, kann man folgende Tabelle aufstellen:
| yr |
| R A ,o e ) Max |
| 598o 2,0 0,00o 1,00o |
| 5660 1,8 0,140 1,0o5 |
| 5340 1,6 0,200 1,020 |
| 5000 1,4 0,245 1045 |
| 4630 1,2 0,273 1,09o |
| 4230 1,o 0,315 1.16o |
| 3800 0,8 0,347 1,250 |
Diese Tabelle läßt die Abhängigkeit zwischen dem Widerstand R und den Filterungscharakteristiken
erkennen.
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Anstatt die Stufen I, II und III, wie bisher angenommen, auf dieselbe
Frequenz abzustimmen, kann man sie in gewissen Fällen auch auf etwas voneinander
verschiedene Frequenzen abstimmen.