DE603006C

DE603006C - Durch piezoelektrischen Kristallresonator erregter Oszillator

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Publication number: DE603006C
Application number: DEH134700D
Authority: DE
Original assignee: KURT HEEGNER DR
Current assignee: KURT HEEGNER DR
Priority date: 1933-01-05
Filing date: 1933-01-05
Publication date: 1934-09-20

Description

Biblioiheek * Ind. Eigendom 17 OCT. 1934

AUSGEGEBEN AM 20.8EPTEMBER1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Dr. Kurt Heegner in Berlin-Steglitz
Durch piezoelektrischen Kristallresonator erregter Oszillator

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Januar 1933 ab

Bekannt ist die Erregung von piezoelektrischen Kristallresonatoren durch Elektronenröhren zwecks Konstanthaltung der Frequenz eines Oszillators. Bei den üblichen Schaltungen hängt aber die Frequenz von den Elektrodenkapazitäten der Röhre und anderen elektrischen Schaltgrößen ab. Es besteht daher die Aufgabe, den piezoelektrischen Resonator in einer definierten Eigenfrequenz anzuregen. Eine solche bietet sich dar, wenn die Elektroden des Kristallresonators kurzgeschlossen werden. Verschiedene Näherungslösungen der Aufgabe, die Kurzschlußfrequenz \ . anzuregen, sind bereits bekannt. Eine "solche ist nach Abb. ι dadurch gegeben, daß der Kristall Kr in die Anodenleitung einer Röhre gelegt wird und durch eine vorgeschaltete SpUIeL₀ mit einem in der Gitterleitung der Röhre gelegenen .elektrischen Kreis L₁, C_g gekoppelt wird, der auf die Kurzschlußfrequenz des Kristalls abgestimmt wird. Der Kristallkreis ist über einen dem inneren Widerstand des Kristalles angepaßten Ohmschen Widerstand R₁₁ zu schließen. Bedeutet <5_fc die Dämpfungdes Kristallkreises Kr, L₁₁, R_a, ferner S₁, die Dämpfung des elektrischen Kreises und Δ eo_Ä die Abweichung der Eigenfrequenz desselben von der Kristallfrequenz, so berechnet sich die Abweichung Δ ω von der Kristallfrequenz ω₀ aus der Gleichung

Δω : Δω_χ = δ^ : δ_Β.

Ist δ/. : Og= ΐο~² und soll Δω : ω₀ den Wert ro—° erreichen, so ist der elektrische Kreis •mit einer Genauigkeit Δω_ε Iw₀=IO-⁴ einzustellen. Dies ist mit einem guten Anodeninstrument A auch ausführbar, aber der mit dem Gitter der Röhre festgekoppelte Kreis hält über längere Zeit mit dieser Genauigkeit die Eigenfrequenz nicht aufrecht. Erteilt man dem elektrischen Kreis eine größere Dämpfung, so wird zwar die erforderliche Einstellgertauigkeit für den elektrischen Kreis geringer, aber die Rückkopplung nimmt entsprechend ab, so daß zur Aufrechterhaltung der Schwingungen Röhren entsprechend.größerer Steilheit benötigt werden.

Erfindungsgemäß wird die Schwierigkeit dadurch behoben, daß der elektrische Kreis durch dasjenige Schaltelement gedämpft wird, welches die Kopplung mit dem Kristallkreis vermittelt. Sodann hat eine Vermehrung der Dämpfung ein Anwachsen der Rückkopplung zur Folge. Um bei solchen Kopplungen die richtige Phase zu erhalten, sind jedoch im allgemeinen zwei abstimmfähige elektrische Kreise erforderlich, die mit dem Kristallkreis unmittelbar oder durch Röhren gekoppelt werden können. Die abstimmfähigen Kreise werden entweder aus Schaltelementen nach Abb. 2 gebildet, die vom zugeführten Strom i aus gesehen einen Parallelkreis L, C mit einer in den Kreis gelegten Koppelimpedanz Z darstellen, oder auch aus Schaltelementen nach Abh. 3, die einen Serienkreis C, L mit paralleler Koppelimpedanz Z darstellen. In diesen Elementen kann auch L und C miteinander vertauscht werden. Auch läßt sich L

durch einen Transformator ersetzen. Die Theorie der Schaltelemente ist folgende. In beiden Schaltungen ist der zugeführte Strom i mit der. Spannung e durch die Gleichung verbunden

J/—ι = el ι -f-

ίο Wird nunmehr der Kreis L, C auf die Frequenz ω abgestimmt, so vereinfacht sich die Beziehung zu

iLco γ—ι = e,

so daß zwischen i und e eine von Z unabhängige Beziehung besteht. Insbesondere eilt die Spannung e dem Strom i um einen Phasenwinkel von 90⁰ voraus. Diese Beziehung setzt voraus, daß Leo und Z groß gegen den Spulenwiderstand sind. Ist Z rein ohmisch, so wird · indessen auch bei kleinem Z der Phasenwinkel 90⁰ erhalten.

Mit diesen Elementen wird der Kristallkreis nach Abb. 4, der aus einem Kristall Kr und zwei in Serie gelegten Koppelimpedanzen Z₁' und Z₂' besteht, unmittelbar oder über Elektronenröhren in geschlossener Folge gekoppelt. Ausführungsbeispiele zeigen Abb. 5, 6, 7. In Abb. 5 ist in die Anodenleitung einer Elektronenröhre ein Parallelkreis L₁, C₁ nach Abb. 2 geschaltet. Durch die in den Kreis gelegte Koppelimpedanz Z₁ ist der Kristallkreis Z₁, Kr, Z₂ angekoppelt und durch die Koppelimpedanz Z₂ der Serien- __ kreis L₂, C₂ nach Abb.-ß. Die Spannung an der SpuleL₂ wird auf das Gitter der Röhre gegeben. In Abb. 6 ist in die Anodenleitung der oberen Röhre der Ohmsche Widerstand R_a gelegt (welcher einem der beiden Impedanzen in- Abb. 4 gleichzusetzen ist) und an diesen der Kristallkreis R_a, Kr, Z₁ gekoppelt, an Z_L der Serienkreis L₁, C₁. Die Spannung an -C_x ist auf das Gitter der unteren Röhre gegeben. Diese enthält in der Anodenleitung den Parallelkreis L₂, C₂, und die Spannung an der in den Kreis geschalteten Impedanz Z₂ ist auf das" Gitter der oberen Röhre gegeben. Die Zweiröhrenanordnung läßt bereits wesentlich " verschiedene Lösungen zu. So kann an Stelle des Parallelkreises L₂, C₂ ein Serienkreis nach Abb. 3 treten. Abb. 7 zeigt noch eine Dreiröhrenanordnung, in der jeder Kreis mit dem folgenden durch eine Röhre gekoppelt ist.

Die Koppelimpedanzen Z₁ und Z₂ sind mögliehst groß zu wählen und sollen eine vorwiegend Ohmsche Komponente besitzen, damit diese in der beabsichtigten Weise die elektrischen Kreise dämpfen. Die Impedanzen sind überdies in der Weise zu bemessen, daß Störwellen, die durch die Elektrodenkapazität des Kristalls verursacht werden können, unterdrückt werden. In der Einröhrenanordnung von Abb. 5 läßt sich eine der Impedanzen entbehren, wenn die andere kleiner bemessen wird. Auch können beide Impedanzen in Fortfall kommen, wenn dem Kristall ein Widerstand parallel geschaltet wird. Desgleichen ist in der Zweiröhrenanordnung von. Abb. 6 die Impedanz Z₁ zu entbehren, wenn Z₂ klein gewählt wird oder dem Kristall ein Widerstand paiallel gelegt wird. Andererseits sind die Koppelimpedanzen, da sie auch Blindkomponenten besitzen dürfen, zur Ankopplung an höhere Energiestufen geeignet. So kann in Abb. 5 die Impedanz Z₁ und in Abb. 6 die Impedanz Z₂ in den Gitterkreis der nachfolgenden Verstärkerstufe des Senders gelegt werden.

Die genauere Abstimmung der elektrischen Kreise auf die Kristallfrequenz läßt sich bei der Einröhrenanordnung in Abb. 5 etwa folgendermaßen ausführen. Die Impedanz Z₂ wird durch einen Ohmschen Widerstand ersetzt, der in der Größenordnung des Spulenwiderstandes von L₂ liegt. Wenn die Schwingungen hierbei aussetzen, ist dem Kristall ein geeigneter Widerstand parallel zu schalten. Die Abstimmung des Seriengliedes C₂, L₂ läßt sich sodann an dem Anodenstrom der Röhre erkennen. Sodann wird der Kristallkreis Z₁, Kr, Z₂ durch einen niederohmigen Koppelwiderstand ersetzt und der Kreis L₁, C₁ auf den Kreis L₂, C₂ abgestimmt. In ähnlicher _;: Weise ist bei anderen Schaltungen zu verfahren.

In der Einröhrenanordnung von Abb. 5 ist die Verwendung einer Schirmgitterröhre zweckmäßig, damit der innere Widerstand der . Röhre groß ist gegen den Scheinwiderstand L₁ ω. Dasselbe gilt für die untere Röhre in Abb. 6. Bei hohen Frequenzen werden allgemein Schirmgitterröhren notwendig, damit durch Abschätzungen die Gitter-Anoden-Kapazität der Röhren auf ein Minimum reduziert wird. Eine besondere Abschätzung wird für die Einröhrenanordnung notwendig, die in Abb. 8 angegeben ist. Das von der Impedanz Z₂ zum Kristall oder zum Kondensator C₂ führende Leitungsstück hat nach Abstimmung des Kreises L₂, C₂ auf die Kristallfrequenz no eine geringe Spannung gegen Kathode. Daher ist es zweckmäßig, dieses Leitungsstück durch die abschützende Wand zu führen.

Eine besondere Eigenschaf t der Zweiröhrenanordnung in Abb. 6 ist die, daß die Phasenfehler, welche einerseits durch den Ohmschen Widerstand der Spule L₂ und andererseits durch die Ableitung der Kapazität C₁ verur- ._ sacht werden, sich subtrahieren und bei geeigneter Bemessung der Ohmschen Komponenten sich aufheben. Die Rückkopplung ist durch den Anodenwiderstand R₁₁ leicht regu-

lierbar. Die diesem Widerstand parallele Elektroden- und 'Leitungskapazität bewirkt ebenfalls einen Phasenfehler. Der Widerstand ist daher klein zu halten, oder diesem ist eine kleine geeignet bemessene Spule vorzuschalten. Zu der Anordnung in Abb. 8 ist noch zu bemerken, daß die Blockkondensatoren sich- in der Weise bemessen lassen, daß die Induktivitäten im Gitter- und Anodenkreis kompensiert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Durch piezoelektrischen Kristallresonator erregter Oszillator, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erregung der Kurzschlußfrequenz des Kristalls zwei abstimmfähige elektrische Kreise, die entweder aus einem Parallelkreis mit einer in

ao den Kreis geschalteten Koppelimpedanz oder aus einem Serienkreis mit einer dem Kreise parallel geschalteten Koppeümpe-.

■ danz bestehen, unmittelbar oder durch Elektronenröhren in einer in sich geschlossenen Folge mit einem Kristallkreis gekoppelt sind, der aus einem Kristall und zwei in Serie gelegten Koppelimpedanzen besteht.

2. Einröhrenanordnung nach Anspruch 1, 30. dadurch" gekennzeichnet, daß mit dem Anodenkreis der Röhre ein. Parallelkreis gekoppelt ist, mit dem Parallelkreis der Kristallkreis und mit diesem ein Serienkreis gekoppelt ist, dessen Spannung auf das Gitter der Röhre gegeben wird.

3. Zweiröhrenanordnung nach An- / spruch Ij dadurch gekennzeichnet, daß in den Anodenkreis der einen Röhre ein Widerstand geschaltet ist, mit diesem der

♦o · Kristallkreis gekoppelt ist und mit diesem ein Serienkreis, dessen Spannung an das Gitter der zweiten Röhre gelegt ist und bei welcher die zweite Röhre mit der ersten entweder durch einen Parallelkreis

♦5 oder durch einen Serienkreis gekoppelt ist.

4. Dreiröhrenanordnung nach- Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreis mit dem folgenden durch eine Röhre gekoppelt ist.

.. 5. Einröhrenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Koppelimpedanzen in Fortfall kommt oder daß eine oder beide Impedanzen durch einen dem Kristall parallel geschalteten Widerstand ersetzt sind.

6. Zweiröhrenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz, welche den Kristallkreis mit dem Serienkreis koppelt, durch einen dem Kristall parallel geschalteten Widerstand ersetzt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Koppelimpedanzen in den Gitterkreis der nachfolgenden Verstärkerstufe des Senders gelegt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kristall ein Widerstand parallel geschaltet ist.

. 9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kreise vermittels eines Anodenstrominstrumentes, welches in dem Anodenkreis der amplitudenbegrenzenden Röhre liegt, auf die Kristallfrequenz abgestimmt werden.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schirmgitterröhren Verwendung finden.

11. Anordnung nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß Abschätzungen in der Weise vorgenommen werden, daß die Gitter-Anoden-Kapazitäten auf ein Minimum reduziert sind.

12. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenfehler, die die Ohmschen Komponenten der in den Gitterkreisen gelegenen Spulen und Kapazitäten verursachen, durch Wahl der Werte dieser Komponenten sich gegenseitig aufheben.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelimpedanzen veränderlich ausgebildet sind.

14. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Koppel-

' impedanzen passend gewählte Spulen vor-. geschaltet sind, so daß die durch Leitungskapazität bedingten Phasenfehler kompensiert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen