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Verfahren zum Betrieb von positiv rückgekoppelten Verstärkern Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung positiv rückgekoppelter Verstärker,
insbesondere für Niederfrequenz. Es wurde bereits vorgeschlagen, Verstärker für
Hoch- oder Niederfrequenz zwecks Erhöhung der Röhrengüte rückzukoppeln. Dieser Vorschlag
hat jedoch, insbesondere hinsichtlich der Niederfrequenzverstärker, bisher keinen
Eingang in die Praxis gefunden, weil sich zeigte, daß derart rückgekoppelte Verstärker
zu Instabilitäten neigen.
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Die Überlegungen, welche zur vorliegenden Erfindung führten, knüpfen
an die Tatsache an, daß der innere Widerstand der gebräuchlichen Schirmgitterröhren
in dem vorwiegend benutzten Arbeitsbereich mit steigendem Anodenstrom abfällt. Wenn
man den Zusammenhang zwischen Anodenspannung und Anodenstrom einer Röhre für verschiedene
Werte der jeweils konstant gehaltenen Gitterspannung ermittelt, so erhält man ein
Kennlinienbild von der in Abb. i dargestellten Form; die gezeichneten Kennlinienscharen
wurden mit einer Telefunkenröhre RENS 1374 aufgenommen. Der innere Widerstand R,
an einem bestimmten Punkt des Kennlinienfeldes ist durch den Neigungswinkel der
in diesem Punkte an die betreffende Kennlinie gelegten Tangente charakterisiert
und kann in Form einer Gleichung geschrieben werden:
(wobei Ea, IQ Anodenspannung bzw. -strom und E, die Gitterspannung bedeuten). Wenn
man eine Rückkopplung der Röhre vornimmt und die Aufnahme des nunmehr maßgebenden
Kennlinienfeldes wiederholt, so erhält man beispielsweise die in der Abb. i gestrichelt
eingezeichneten Kurven, aus denen zu ersehen ist, daß die Nichtlinearität der Kennlinie
durch die Rückkopplung vermehrt wurde und daß der innere Widerstand von positiven
Werten über Null zu negativen Werten übergeht. Solange die Summe aus dem Betrag
des negativen Innenwiderstandes der Röhre und dem positiven Belastungswiderstand
größer als Null ist, arbeitet der Verstärker stabil. Aus der Abb. i ersieht man,
daß der Betrag des negativen Innenwiderstahdes der Röhre mit steigendem Anodenstrom
sehr rasch wächst. Wenn man daher zwecks Erzielung der größtmöglichen Verstärkung
den Arbeitspunkt bereits derart festgelegt hat, daß sich die beiden Widerstände
infolge der Rückkopplung nahezu aufheben, so wird eine
geringfügige
Zunahme des Anodenstromes zu Instabilitäten führen. # Wenn man versucht, eine Instabilität
dadurch zu- vermeiden, dal, man die Röhre- nur @ schwach aussteuert un.t' lediglich
den unteren Teil der Kennlinie nutzt, dann hat man überhaupt keinen Nutzvon der
Rückkopplung. Sobald man jedoci'. versucht, in einem Bereich zu arbeiten, in dem
eine merkliche Verbesserung der Röhrengute durch Rückkopplung vorhanden ist, besteht
die Gefahr, daß durch Schwankungen der Betriebsspannungen oder durch größere Wechselströme
derjenige Teil des Kennlinienfeldes erreicht wird, in welchem der Betrag des negativen
Widerstandes der Röhre größer als der Anodenwiderstand wird, d. h. die Röhre sich
selbst erregt.
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Wenn beispielsweise der Widerstand so gewählt wird, daß die Widerstandsgerade
durch einen Punkt geht, der in der Nähe deq Teiles der gestrichelt gezeichneten
Kurven liegt, wo der innere Widerstand Null wird, jedoch dieser Widerstand noch
positiv ist, so besteht die Möglichkeit, daß diese Gerade noch einmal den gestrichelt
gezeichneten Linienzug schneidet, und zwar in einem Punkte, der zu einem negativen
Röhrenwiderstand gehört. Dies bedeutet aber, daß die Röhre instabil wird. Der Arbeitspunkt
verlagert sich sprunghaft so, daß die" Röhre sich selbst erregt.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, die Nichtlinearität der Kennlinien
durch eine amplitudenabhängige Rückkopplung zu beseitigen. Es wäre jedoch ein Irrtum,
zu glauben, daß eine derartige linearisierte Röhre es gestatten würde, die Rückkopplung
darüber hinaus so weit zu steigern, daß eine merkbare Verbesserung der Röhrengüte
erzielt wird. Abgesehen davon, daß eine exakte Linearisierung mit einfachen Mitteln
bei positiver Rückkopplung nicht zu erreichen ist, ist noch zu bedenken, daß die
Linearisie%ung nur für ein ganz bestimmtes Röhrenindividuum und einen bestimmten
Betriebszustand desselben gilt. Sobald sich an diesen Voraussetzungen etwas ändert,
geht die Linearisierung verloren, und damit ist wieder die Möglichkeit des Auftretens
von Instabilitätsbereichen gegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein stabiler Betrieb positiv rückgekoppelter
Verstärker dadurch ermöglicht, daß der Arbeitspunkt an eine Stelle des mit der rückgekoppelten
Röhre aufgenommenen Kennlinienfeldes gelegt wird, wo die den Zusammenhang zwischen
Anodenspannung und Anodenstrom darstellenden Kennlinien Wendetangenten haben. Ein
entsprechender Verlauf des Kennlinienfeldes der rückgekoppelten Röhre kann entweder
durch entsprechende Ausbildung der Röhre selbst, insbesondere durch.geeignete Ausbildung
der Elektroden oder durch Wahl der an diese Elektroden gelegten Potentiale, oder
auch .durch die Ausbildung der Schaltungselemente, durch die die Größe der Rückkopplung
beeingt wird, erzielt werden.
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Eine Reihe von mit verschiedenem Rück-'kopplungsgrad aufgenommenen
Kennlinien, welche erfindungsgemäß - durch das Vorhandensein einer Wendetangente
ausgezeichnet sind, ist in Abb. z dargestellt. Man erkennt, daß der Innenwiderstand
der Röhre am Wendepunkt den kleinsten positiven bzw. größten negativen Wert annimmt,
so daß dieser Punkt durch ein stabiles elektrisches Gleichgewicht ausgezeichnet
ist. Solange die Röhre in diesem Arbeitspunkt noch stabil ist, d. h. nicht schwingt,
wird jeder andere Punkt der Kennlinie infolge der dort im Vergleich zum Wendepunkt
geringeren Verstärkung der Röhre erst recht stabil sein.
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An Hand der Abb. 5 soll die Entstehung der Kennlinien erläutert werden.
Das dargestellte Kennlinienfeld, das die Abhängigkeit des Anodenstromes von der
Anodenspannung für verschiedene Gitterspannungen zeigt, ist an einer Schirmgitterröhre
aufgenommen, die der Telefunkenröhre RENS 1374 ungefähr entspricht. Der nun folgenden
Betrachtung liegt eine Stromrückkopplung zunächst über lineare, dann über nichtlineare
Widerstände zugrunde.
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Die mit I bezeichneten Kurven sind unter der Annahme entstanden, daß
der Rückkopplungsfaktor konstant ist, d. h. also, daß eine dem Anodenstrom direkt
proportionale Spannung in den Gitterkreis zurückgeführt wird (e,. = k -i
Q, wo er die Rückkopplungsspannung, k der Rückkopplungsfaktor und i, der
Anodenstrom ist). Sind beispielsweise die Schaltelemente so bemessen, daß bei einer
Anodenstromänderung von 15 mA die Rückkopplungsspannung gerade q. Volt beträgt,
so erhält man, vom Punkt A ausgehend, die Kennlinie IA. Die Schnittpunkte der Anodenstromänderungen
um jeweils 15 mA mit den aufeinanderfQlgenden, um 4 Volt voneinander verschiedenen
Gitterspannungskennlinien ergeben zu der gesuchten Kurve IA gehörende Punkte. Wenn
dieses Verfahren für mehrere verschiedene Anfangspunkte B, C, D fortgesetzt-
wird, erhält man die mit ausgezogenen Linien dargestellte Kurvenschar IA, I$, IC,
'D-Diese Kurvenschar I, die der in Abb. i gestrichelt dargestellten Kurvenschar
entspricht, ist für die Zwecke des Gegenstandes der Erfindung unbrauchbar, da, wie
bereits vorher erwähnt, der -Betrieb instabil wird.
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Wenn man jetzt einen nichtlinearen stromdurchflossenen Widerstand
wählt, von dem die Rückkopplungsspannung abgegriffen wird, so läßt sich eine Kurvenschar
gemäß der
gestrichelt gezeichneten Kurven II erzielen. In diesem
Falle ist der Rückkopplungsfaktor K nicht mehr linear. Gleiche Rückkopplungsspannungen
werden bei größeren Ausgangsstromstärken von größeren Stromänderungen herbeigeführt.
Aus den eingezeichneten Widerstandsgeraden R", und R"2 ist zu ersehen, daß der Verstärkungsgewinn
unter der Benutzung der Rückkopplung gemäß der Kurven II noch verhältnismäßig gering
ist.
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Wesentlich größer ist jedoch dieser Verstärkungsgewinn bei der Benutzung
von Kennlinien gemäß der Kurvenschar III, die entsprechend der Kurvenschar II hergestellt
ist. Wie aus der Widerstandsgeraden R"3 ersichtlich ist, tritt bei gleicher Gitterspannungsänderung
eine mehr als doppelt so große Änderung der Anodenspannung auf.
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Um der Arbeitskennlinie einen solchen Verlauf zu geben, daß sie im
Arbeitsbereich einen Wendepunkt besitzt, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.
Zunächst kann man Röhren verwenden, deren Kathode durch Sättigungseigenschaften
ausgezeichnet ist. Dies trifft beispielsweise für alle Metallkathoden, z. B. Wolframkathoden,
zu. Unter der Sättigungseigenschaft soll das Auftreten eines Sättigungsstromes verstanden
werden, der als jener Strom definiert ist, welcher zur Anode übergeht, wenn durch
genügend hohe äußere Spannungen die Raumladung überwunden ist, so daß alle Elektronen,
welche aus der Kathode befreit werden können, auch tatsächlich zur Anode gelangen.
Eine Änderung der Anodenspannung bewirkt dann, sofern die sog. Sättigungsspannung
nicht unterschritten wird, keine Änderung des Emissionsstromes. Der Arbeitspunkt
ist bei Verwendung einer Rückkopplung bei derartigen Röhren so zu wählen, daß er
sich zumindest angenähert mit dem Wendepunkt der Kurzschlußcharakteristik der Röhre
deckt. In diesem Falle bleibt unabhängig von der Größe der Rückkopplung diesem Punkte
die Eigenschaft eines Wendepunktes erhalten, so daß an dieser Stelle stets die größte
Verstärkung vorhanden ist. Man kann daher im Arbeitspunkt mit der Verstärkung bis
an die Pfeifgrenze herangehen, ohne daß infolge einer an :einem anderen Punkt vorhandenen,
noch etwa größeren Verstärkung Selbsterregung auftreten kann. Bei den vorerwähnten
Metallkathoden ist der Verlauf der Kennlinien stark von der Heizspannung abhängig.
Es empfiehlt sich daher, die Sättigungseigenschaften des Emissionsvorganges durch
Verwendung einer oder mehrerer der Glühkathoden unmittelbar benachbarter und auf
konstantem positivem Potential gehaltener Elektroden sicherzustellen.
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Bei einem Elektrodensystem nach Abb.3 wird die Glühkathode K von zwei
Gittern G1, G2 umschlossen, welche auf konstantem positivem Potential gehalten werden.
Das weitere Gitter G, dient zur Steuerung des zur Anode A übergehenden Stromes.
Die Aufgabe, welche die beiden inneren Gitter G1 und G2 zu erfüllen haben, besteht
darin, daß durch das erste Gitter G1, dessen positive Vorspannung im Vergleich zum
Gitter G2 niedriger ist, die Zahl der durchgelassenen Elektronen bestimmt wird,
während das Gitter G2 die Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen in den Steuerraum
der Röhre regelt. Wenn die Glühkathode K so stark erhitzt wird, daß sie mehr Elektronen
abgibt, als durch das innere Gitter G1 abgesaugt werden, so ist stets ein Überschuß
an freien Elektronen vorhanden, der zur Folge hat, daß Schwankungen der Heizspannung
sich nicht auf die Menge der der Steuerelektrode zur Verfügung gestellten Elektronen
auswirken. Da es durch geeignete Bemessung der Durchgriffsverhältnisse und insbesondere
des Durchgriffs durch das Austrittsgitter G2 möglich ist, einen Einfluß der Anodenspannung
auf die Zahl der emittierenden Elektronen zu unterbinden, weist eine auf den aus
der Gitterelektrode G., austretenden Strom bezogene Entladungskennlinie ähnliche
Sättigungseigenschaften auf, wie sie an einer Metallkathode beobachtet werden können.
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Eine weitere Möglichkeit, um der Kennlinie der rückgekoppelten Verstärkerröhre
den gewünschten Verlauf zu geben, besteht darin, daß mit der Röhre nichtlineare
Widerstände verbunden werden. Es wurde bereits vorhin erwähnt, daß es bekannt ist,
eine Röhre durch Verwendung einer amplitudenabhängigen Rückkopplung zu linearisieren.
Es steht nichts im Wege, die Amplitudenabhängigkeit so zu gestalten, daß der resultierende
Verlauf der Kennlinie nicht eine Gerade bildet, sondern eine Wendetangente aufweist.
Die auftretenden Verzerrungen werden durch diese Maßnahme in keiner Weise berührt,
insbesondere nicht verschlechtert, da es ja nur darauf ankommt, daß die Kennlinie
im Arbeitsbereich als hinreichend linear aufgefaßt werden kann.
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Eine geeignete Rückkopplungsschaltung ist in Abb.3 enthalten. Es handelt
sich dabei um eine sog. Stromrückkopplung, d. h. eine Schaltung, bei der die Rückkopplung
proportional zum Anodenstrom ist. Der Widerstand Rk, von welchem die an den Gitterkreis
zurückgeführte Spannung abgenommen wird, wird so gewählt, daß seine Stromspannungsbeziehung
eine nichtlineare Funktion ist und derart verläuft, daß die Kennlinie der rÜckgekoppelten
Röhre den gewünschten, durch eine Wendetangente ausgezeichneten Verlauf
annimmt.
Der Rückkopplungswiderstand Rk kann beispielsweise aus einem Kontaktdetektor, einem
Sperrschichtgleichrichter oder einer Entladungsröhre bestehen. Auch kann der Widerstand
Rk zur im Gitterkreis liegenden Sekundärwicklung des Transformators T parallel
geschaltet werden.
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Ein anderer Weg, um deil gewünschten Kennlinienverlauf zu erzielen,
besteht darin, daß zu der Röhre ein nichtlinearer Widerstand parallel geschaltet
wird, von dem die Rückkopplungsspannung abgegriffen werden kann (Spannungsrückkopplung).
Eine derartige Anordnung ist in Abb. q. schematisch dargestellt. Parallel zu der
Röhre V liegt ein aus den Teilwiderständen Rp, Rp zusammengesetzter Spannungsteiler,
der einen nichtlinearen Widerstand, beispielsweise wieder einen Gleichrichter beliebiger
Art, enthält, dessen Charakteristik so gewählt ist, daß die im rückgekoppelten Zustand
aufgenommene Entladungskennlinie die gewünschte Funktion mit einer Wendetangente
darstellt.