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Widerstandsverstärkerschaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine
Spannungsverstärkerschaltung von Elektronenröhren von beliebiger, an sich bekannter
Art und betrifft die Dimensionierung der in der Schaltung zu vereinigenden Schaltungselemente,
insbesondere eine Dimensionierung der Röhren bzw. Elektrodensysteme im Hinblick,
auf die Größe der Anodenspannungsquele und der äußeren (Anoden-) Widerstände.
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Im Laufe der letzten Jahre sind grundsätzliche Fortschritte in der
Verwendung der Widerstandsverstärker erzielt worden, indem man bei Benutzung von
normaler Anodenspannung zu kleineren Durchgriffen, als früher üblich war, hinunterging
und gleichzeitig die Anodenwiderstände gegenüber den früher üblichen erheblich vergrößerte.
Dabei ist die Ansicht entstanden, daß bei weiterer Verkleinerung des Durchgriffs
eine beliebig weite Vergrößerung der Verstärkung erzielbar sei. Diese Ansicht wird
durch den Sprachgebrauch insofern gestützt, als man den reziproken Wert des Durchgriffs
als Verstärkungsfaktor zu bezeichnen pflegt und man danach leicht zu der Auffassung
kommen konnte, daß mit Vergrößerung des Verstärkungsfaktors auch der Verstärkungsgrad
(die Verstärkungszahl) sich vergrößert; zwar war bekannt, daß die Verstärkungszahl
nie gleich, sondern stets kleiner als der Verstärkungsfaktor ist, da der Verstärkungsfaktor
nur eine obere Grenze des Verstärkungsgrades angibt, die höchstens in der Grenze
für sehr große Anodenwiderstände nahezu erreicht werden kann.
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Wohl lassen sich mit Verkleinerung des Durchgriffs dadurch große Verstärkungszahlen
erreichen, daß man den Widerstand im Anodenkreis und die Spannung der Anodenbatterie
möglichst groß wählt.
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Wenn man aber nur diejenigen Schaltungen miteinander vergleicht, bei
denen die Anodenspannungsquelle nicht größer ist als ein bestimmt vorgegebener Wert
Eb und bei denen der Anodenwiderstand nicht größer ist als ein bestimmter Wert R,
und wenn man ferner solche Röhren miteinander vergleicht, deren Kathoden gleiche
Emissionen aufweisen, d. h. 'gleiche Anodenstromsteuerspannungscharakteristik, so
kommt man zu dem überraschenden Ergebnis, daß sich der Verstärkungsgrad nicht über
einen bestimmten Wert erheben läßt, wenn man auch den Durchgriff des Elektrodensystems
noch so stark verkleinert; es zeigt sich nämlich, daß es einen solchen (optimalen)
Durchgriff gibt, für den der Verstärkungsgrad ein Maximum ist, während bei weiterer
Verkleinerung des Durchgriffs (unter Konstanz der Anodenbatteriespannung und des
Anodenwiderstandes sowie der Emission der Kathode) in bemerkenswerter Weise wiederum
eine Verkleinerung des Verstärkungsgrades eintritt.
Die Exfiladung
. nutzt.. .diesen neuartigen Effekt für den Bau von Widerstandsverstärkern. Erfindungsgemäß
-werden in einer gegebenen Widerstandsverstärkerschaltung bei gegebenen Schaltelementen
(Anodenwiderstand, Anodenbatteriespannung bzw. sonstige Anodenspannungsquelle und
evtl. Gittervorspannung) solche Elektrodensysteme verwen-. det, die für die betreffenden
Schaltungen einen optimalen Durchgriff besitzen. Damit bei diesem optiühalen Durchgriff
die Verstärkung auf alle Fälle größer ist als bei den bisher bekannten Anordnungen,
sind die Schaltelemente derart zu wählen, daß dieser optimale Durchgriff unter 2010,
möglichst sogar unter 111, liegt.
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Die Tatsache, daß ein derartiges Optimum existiert, kann an Hand der
bekannten Formel kurz erläutert werden, die den Verstärkungsgrad V einer Spannungsverstärkeranordnung
als Funktion des Durchgriffs D, des inneren Widerstandes Rl und des Anodenwiderstandes
R angibt:
Auf Grund der bekannten inneren Röhrenformel D-R;-S-i, (2) in der S die Steilheit
der Anodenstromcharakteristik bezeichnet, ergibt sich aus (i) die Gleichung
Solange D groß ist gegenüber dem zweiten Teil des Nenners, wird eine Verkleinerung
von D eine Verkleinerung des Nenners bewirken, solange bewirkt also eine Verkleinerung
des Durchgriffs eine Vergrößerung des Verstärkungsgrades. Wenn dagegen D unter eine
bestimmte Grenze gelangt ist, wird der zweite Teil des Nenners überwiegen. Mit Verkleinerung
des Durchgriffs bewegt sich der Arbeitspunkt auf der - Kennlinie nach links, d.
h. im allgemeinen zu Punkten kleinerer Steilheit S, bei konstantem R wird daher
der zweite Teil des Nenners in Gleichung (3) sich vergrößern. Wenn der Durchgriff
unter einen bestimmten Wert gesunken ist, wird also eine weitere Verkleinerung des
Durchgriffs keine Vergrößerung des Verstärkungsgrades ergeben. Es existiert danach
ein solcher optimaler.DurchgriffDO, bei dem der Verstärkungsgrad h ein Maximum ist,
wenn der äußere Widerstand R, die Anodenbatteriespannung Eb und die Anodenstromsteuerspannungskennlinie
dieselben bleiben. Dieser Durchgriff Do ist nicht zu verwechseln mit dem in der
Literatur bekanntgewordenen günstigsten Durchgriff (vgl. H. G. M ö 11 e r , Elektronenröhren,
2. Aufs. 1922, S.4off.: »Bemerkungen über die günstigste Wahl von D«). Diese bisherigen
Untersuchungen beziehen sich auf die Wahl eines Durchgriffs, wenn unter bestimmten
Voraussetzungen die Güte der Röhren ein Maximum ist, und können beispielsweise Berücksichtigung
bei Dimensionierung einer Leistungsverstärkerstufe finden im Gegensatz zu den vorliegenden
Überlegungen, die sich auf eire Maximum des Verstärkungsgrades beziehen und daher
insbesondere bei den Spannungsverstärkerstufen von Interesse sind.
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In dem Buch von M ö 11 e r wird (S.42 Tabelle i) eine Zusammenstellung
gewisser Durchgriffe angegeben, die im Sinne der dortigen Überlegungen für verschiedene
Werte des Anodenwiderstandes optimal sind. Der kleinste -Wert des- Durchgriffs
ist ein solcher von 20J0, der einem Anodenwiderstand von i Million Ohm entspricht.
Daß es sich hierbei nicht um Widerstandsverstärker handelt, geht aus der weiteren
Bemerkung (S. 43, 44) hervor, wonach ein den Forderungen jener Tabelle entsprechender
Transformator etwa i Million Ohm Wirkwiderstand haben müßte. Zu gleicher Zeit dürfte
jedoch der Gleichstromwiderstand etwa io ooo Ohm nicht übersteigen, damit der Spannungsabfall
infolge des Anodengleichstromes nicht zu groß wird.
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Herr W. L o e s t greift in einer Arbeit in dem »Radioamateur« von
1926, Heft i9 und 2o, insbesondere S.403, auf die Möllersche Formel für den optimalen
Durchgriff zurück. Er dehnt die Tabelle bis auf Widerstände von 3 Millionen Ohin
aus, für die er als optimalen Durchgriff 4301, angibt. In dem Aufsatz wird nicht
darauf Bezug genommen, daß die Möllersche Formel nicht für Ohmsche Anodenwiderstände
berechnet ist und daß bei so hohen Ohmschen Anodenwiderständen der die Anodenrückwirkung
bewirkende Spannungsabfall im Anodenwiderstand einen beträchtlichen Teil der Anodenbatteriespannung
ausmacht. Daher zeigte sich eine hinreichende Übereinstimmung zwischen den zum Vergleich
mit den erwähnten Rechnungen gemachten Versuchen nur bei Röhren mit Durchgriff von
3010 und darüber. Seit jener Zeit waren 3010 Durchgriff im wesentlichen die untere
Grenze bei Spannungsverstärkerröhren.
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Die frühere Theorie ging von dem günstigsten Durchgriff aus, den man
bei Konstanthaltung der effektiven (dynamischen) Anodenspannung, der Spannung zwischen
Anode und Kathode, erhält, nicht aber bei Konstanthaltung
der Spannung
der Anodenspannungsquelle (Anodenbatteriespannung). Diese beiden optimalen Durchgriffe
sind, wie der Erfinder gezeigt hat, durchaus verschieden.
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In den genannten Veröffentlichungen wird mit einer Gittervorspannung
von - i Volt gerechnet, während dieser gegenüber im Sinne der Erfindung eine absolut
genommen kleinere Gittervorspannung (evtl. Gittervorspannung Null) zweckmäßig ist.
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Bei der Erfindung zeigt sich im Gegensatz zu den früher vertretenen
Anschauungen, daß durch den erheblichen Spannungsabfall am Anodenwiderstand bei
kleinem Durchgriff eine günstige Verstärkung nicht an den steilsten Stellen der
Charakteristik aufzutreten braucht, sondern in vielen Fällen an sehr tief liegenden
Punkten der Anodenstromsteuerspannungskennlinie, bei denen diese durchaus nicht
mehr als geradlinig anzusehen ist und bei denen der innere Widerstand bereits von
der Größenordnung des Anodenwiderstandes sein kann.
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Nachdem aus Formel (3) ersichtlich gemacht wurde, daß tatsächlich
ein bestimmtes Do existiert, für das der Verstärkungsgrad ein Maximum aufweist,
hängt die Bestimmung des betreffenden D, von weiteren Einzelheiten ab, insbesondere
von dem Verlauf der Kennlinie Td=f (Et). (4)
In vielen Fällen wird die Charakteristik
mit guter Näherung durch ein Potenzgesetz wiedergegeben, etwa durch die Annahme,
daß der Anodenstrom proportional dem Quadrat der dynamischen Steuerspannung ist
c2 - r' Hat . J zum Beispiel mit
Bei einem derartigen quadratischen Emissionsgesetz ergibt sich eine Verstärkung
wenn dem Gitter so kleine Spannungsschwankungen aufgedrückt werden, daß der Gleichrichtereffekt
dem Verstärkungseffekt gegenüber außer acht gelassen werden kann. Dabei bedeutet
EO - Eg + DEO (8)
die maximale Steuerspannung.
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Aus (7) ist ersichtlich: Wenn die Gitterspannung Eg - o ist,
so ergibt sich ein größerer Wert des Verstärkungsgrades Vo als bei negativer Gitterspannung.
Das maximale Optimum D, muß also für Eg-o erreicht werden, solange positive-
Gitterspannung nicht berücksichtigt werden soll.
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Unter dieser Annahme erhält man als optimalen Durchgriff
Bei Verwendung von Röhren mit diesem Durchgriff D, ergibt sich aus (7) eine Verstärkungszahl
Die Verstärkungszahl ist also in diesem Falle etwa gleich einem Drittel des Verstärkungsfaktors.
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DieErfindung mag an einemAusführungsbeispiel näher erläutert werden,
das eine an sich bekannte Schaltung zugrunde legt, die in der Abbildung dargestellt
ist. Die Elektronenröhre-i möge bestehen aus der Anode 2, dem Gitter 3 und der Äquipotentialkathode
4, die durch den Glühdraht 5 mit Heizbatterie 6 zum Glühen gebracht werde. Die evtl.
zu verwendende Gitterspannungsbatterie Eg ist gestrichelt angedeutet. Die Verwendung
einer Äquipotentialkathode empfiehlt sich im vorliegenden Falle ganz besonders,
um gut bestimmte Verhältnisse für die verschiedenen Spannungsdifferenzen zu besitzen.
Zwischen Kathode 4 und Anode 2 befindet sich eine beliebige Quelle für die Anodenspannung,
sei es eine Batterie, sei es ein Netzanschlußgerät. Die Spannung an dieser Spannungsquelle
sei Eb. Ihr negativer Pol ist mit Kathode 4 und ihr positiver Pol über einen Anodenwiderstand
R mit der Anode 2 verbunden.
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Verwendet man beispielsweise eine Kathode, deren Emission, gemessen
an der in Höhe des Gitters liegenden dynamischen Steuerspannung, durch Formel (5)
und (6) gegeben ist, ferner eine Anodenbatterie von Eb = 64 Volt und einen
Anodenwiderstand von R - 3,2 Megohm, ergibt sich auf Grund von (9) der optimale
Durchgriff Do =1 0/0, auf Grund von (io) ein Verstärkungsgrad von etwa 38 (vorausgesetzt,
daß kapazitive Einflüsse, die wegen ihrer Frequenzabhängigkeit hier nicht berücksichtigt
werden sollen, vernachlässigt werden).
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- In diesem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung würde man
also bei einer Batteriespannung von 64 Volt zu einem Anodenwiderstand von 3,2 Megohm
eine Röhre von i % Durchgriff verwenden. Da die Berechnung unter der Annahme
gemacht worden
ist, daß dieGlühfadenemission (alsFunktion der Steuerspannung)
konstant bleibt, würde man zweckmäßig eine Röhre mit solchem optimalen Durchgriff
in der Weise herstellen, daß .man von solchen Elektrodensystemen ausgeht, bei denen
die Kathode so ausgebildet ist wie bei den Spannungsverstärkerstufen, deren Emission
dem Beispiel (6) zugrunde gelegt wurde, und daß auch der mittlere Gitterabstand
im wesentlichen derselbe bleibt wie bei diesem System, daß jedoch der Durchgriff,
sei es durch entsprechende Verkleinerung der Gittermaschenabstände, sei es durch
entsprechende Vergrößerung des Anodenradius, verkleinert wird.
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Daß in dieser Weise Gitterentfernung und Glühdrahtemissionsfähigkeit
als konstant angenommen worden sind und die dem Konstrukteur vorzulegende Aufgabe
nur darin besteht, solche Systeme zu Röhren mit bestimmtem kleinem Durchgriff zu
ergänzen, hat noch den besonderen Vorteil, daß dabei die Herstellung von Röhren
mit kleinem Durchgriff keine grundsätzlichen Schwierigkeiten bereitet, während in
dem umgekehrten Falle, daß etwa bei gegebenem Durchmesser des Anodenzylinders der
Durchgriff klein gemacht werden müßte, durchaus konstruktive Schwierigkeiten, wie
etwa eine sehr geringe Entfernung zwischen Gitter und Glühdraht, auftreten könnten.
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Wenn es aus bestimmten Gründen nicht tunlich ist, mit der Gittervorspannung
Eg=o zu arbeiten, ergibt sich ein anderer optimaler Durchgriff, der von Fall zu
Fall ermittelt werden kann, im allgemeinen wird jedoch der erfindungsgemäß zu verwendende
Durchgriff unter der Grenze
liegen, jedoch kaum kleiner sein als etwa ein Fünftel dieser Größe.
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Andererseits empfiehlt es sich in diesem Zusammenhange, gegebenenfalls
kleinere Gitterpotentialdifferenzen zu verwenden, als man im allgemeinen mit Hilfe
von elektrolytischen Batterien erhält, beispielsweise durch Verwendung eines Potentiometers.
Man wähle allgemein die eventuelle negative Gittervorspannung Eg so klein wie möglich,
denn während zwar geringe Gittervorspannungen häufig die nachteilige Folge des Gitterstromes
mit sich bringen, verringert zu große Gittervorspannung gerade bei kleinem Durchgriff
der- Verstärkungsgrad sehr erheblich. Wenn man jedoch ohne negative Gittervorspannung
nicht auskommen kann, ist nach dem weiteren Gegenstand der Erfindung zu berücksichtigen,
daß dadurch sich auch der optimale Durchgriff ändert. Es zeigt sich, daß im allgemeinen
der optimale Durchgriff 'bei negativer Gittervorspannung größer ist als ohne Gittervorspannung.
Hieraus folgt andererseits wiederum, daß die Verwendung einer negativen Gittervorspannung
den optimalen Verstärkungsgrad erheblich herabsetzt (einmal, weil bei größeren Durchgriffen,
selbst bei verschwindender Gittervorspannung der Verstärkungsgrad sinkt, ferner,
weil- obendrein bei gleichem Durchgriff und negativer Gittervorspannung der Verstärkungsgrad
noch weiter sinkt). Um auf alle Fälle, ob nun eine kleine Gittervorspannung vorhanden
ist oder nicht, gleichmäßiges Anodenpotential zu erhalten, eignen sich ganz besonders
Äquipotentialkathoden. Wenn solche in an sich bekannter Weise für direkte Heizung
von einer unberuhigten oder nicht vollkommen beruhigten Stromquelle benutzt werden
(z: B. vom Netz), können sie bei der Erfindung einen doppelten Zweck erfüllen: außer
der Erzielung einer ruhigen Emission den der Erzielung einer gleichmäßig geringen
Spannungsdifferenz gegenüber dem Gitter infolge Festlegung eines konstanten Spannungsniveaus.
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An sich sind Röhren mit Durchgriff unter 1010 bekannt, nämlich für
die Zwecke der Hochfrequenzverstärkung Schirmgitterröhren mit D .- o,2
... 0,4°/0. Ferner sind, ebenfalls für Hochfrequenzverstärkung, Doppelgitterröhren
mit Durchgriff von o,6°/, und darunter bekanntgeworden. Zur Durchführung der Erfindung
bieten jedoch demgegenüber Eingitterröhren mancherlei Vorteile: so. den Vorteil
der größeren Übersichtlichkeit,* der in einer deutlicheren Ausprägung der Optima
zum Ausdruck kommt. Die bekannten Röhren weisen solchen für die Erfindung ausgebildeten
Spezialeingittersystemen gegenüber sehr hohe innere Widerstände auf und benötigen
ferner besondere Spannungsquellen für Raumladungen bzw.Schirmgitter und entsprechend
größeren Betriebsstrom.
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Bei Benutzung von Verstärkersystemen mit mehr als drei Elektroden
kann der optimale Durchgriff in ähnlicher Weise bestimmt werden. Mit Rücksicht darauf,
daß man Verstärkerröhren mit mehreren Gittern mit besonders einfachen Mitteln mit
sehr kleinem Durchgriff ausbilden kann, empfiehlt sich bei solchen die Verwendung
solcher Widerstände und Batteriespannungen, bei denen der optimale Durchgriff unter
o,z °/o liegt.
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Der optimale Durchgriff wurde bei der bisherigen Beschreibung des
Erfindungsgedankens in derWeise ermittelt, daß von bestimmten Werten des Anodenwiderstandes,
der Batteriespannung und der Emission ausgegangen wurde und für diese Schaltungselemente
eine im Sinne der Erfindung bestens
geeignete Röhre verwendet wurde.
Wenn jedoch einzelne dieser Größen, beispielsweise die Anodenbatteriespannung, in
bestimmten Grenzen schwanken, so empfiehlt es sich, denjenigen optimalen Durchgriff
zu verwenden, der der kleinsten Anodenbatteriespannung bzw. dem kleinsten Koeffizienten
c der Emissionsfähigkeit (falls diese z. B. infolge veränderlicher Heizung schwankt)
entspricht. Auf diese Weise erhält man eine verhältnismäßig gleichmäßige Verstärkung:
Für den kleinsten Wert der betreffenden Größe erhält man die optimale Verstärkung,
weil man den hierzu optimalen Durchgriff benutzt. Für die anderen Größen würde man
zwar nicht die optimale Verstärkung erhalten, trotzdem aber eine Verstärkung, die
höher liegt als diejenige bei dem kleinen Wert der betreffenden Größe. Ein Beispiel,
das an das frühere Beispiel anknüpft, möge dies erläutern: Wenn beispielsweise die
Anodenbatteriespannung Eb zwischen dem früher angenommenen Wert von 64 Volt und
dem Vierfachen davon, d. h. 256 Volt, schwankt, so würde in einem Falle der optimale
Durchgriff D, - 1010
sein, im anderen Fall 1/2 %. Verwendet man nun, wie oben
vorgeschlagen, auch in. solchem Falle den Durchgriff von 101, so ergibt sich
bei kleiner Anodenspannung der Verstärkungsgrad V, == 38. Bei großer Anodenspannung
ergibt sich auf Grund von (7) der Verstärkungsgrad V:= 64. Die größte Anodenbatteriespannung
ergibt also auch in diesem Falle eine größere Verstärkung. Wenn man jedoch das Vorhandensein
der großen Anodenbatteriespannung besonders ausnutzen will auf die Gefahr, damit
eine sehr ungleichmäßige Verstärkung zu erhalten, so wird man denjenigen optimalen
Durchgriff Do =1/2 ojo wählen, der der höheren Anodenspannung entspricht, und erhält
dann für diese -den Verstärkungsgrad Tja - 76, für die kleine Anodenspannung dagegen
nur den Verstärkungsgrad V - 33. Der Verstärkungsgrad liegt also im einen
Falle bei einem Durchgriff von 1010 zwischen 38 und 64, im anderen Falle bei einem
Durchgriff von 1/2°/o zwischen 33 und 76. Im ersten Falle ist die Gleichmäßigkeit
der Verstärkung größer, im zweiten Falle schwankt die Verstärkung zwischen größeren
Grenzen, von denen die eine, 33, kleiner ist als die kleinere, 38, des ersten Falles,
während die größere, 76, größer ist als die größere, 64, des ersten Falles. Diese
Verstärkungszahl 76 ist also überhaupt größer, als bei irgendeiner Spannung und
bei den betreffenden Widerständen bei 101, erreicht werden kann.
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Die Erfindung läßt sich, wie an sich bekannt, in üblicher Weise auf
Mehrfachschaltungen, insbesondere Kaskadenschaltungen mehrerer Spannungsverstärker,
anwenden. Falls kapazitive Einflüsse keine Rolle spielen, bezieht sich die Erfindung
allgemein auf Verstärkung für beliebige Frequenzen, normale Tonfrequenz sowohl wie
höhere und hohe Frequenzen.