DE650274C - Schaltungsanordnung zur Linearisierung einer Elektronenroehre mit nichtlinearem Kennlinienfeld - Google Patents

Description

Es besteht selten ein genaues lineares Verhältnis zwischen dem von einem Widerstand gelieferten Potential im Anodenkreis einer Röhre und der von der vorhergehenden Röhre bzw. dem vorhergehenden Kreis zur Verfügung stehenden Spannung. Diese Nichtlinearität macht sich besonders bemerkbar bei einer großen Aussteuerung der Röhre, oder wenn diese in der sogenannten 5-Verstärkerschaltung benutzt wird, wo der Verstärker im unteren Knick arbeitet. Eine solche Nichtlinearität hat bekanntlich Verzerrungen zur Folge, die auf drei Ursachen zurückzuführen sind: '

i. Änderung des inneren Widerstandes. Der Widerstand nimmt normalerweise für kleine Anodenspannungen große Werte an und nimmt schnell mit zunehmender Anodenspannung ab (bei konstanter Gittervorspannung).

2. Veränderlicher Verstärkungsfaktor. Dieser ist für Trioden nicht von so großer Bedeutung, kann aber für Röhren mit vier und mehr Elektroden von Bedeutung werden.

3. Veränderliche Eingangsimpedanz. Bei gewissen Verstärkern, wo man das Gitter positiv werden läßt, ändert sich die Eingangsimpedanz des Gitter-Kathoden-Kreises mit der Amplitude der aufgedrückten Signale.

Dieses ist eine wesentliche Ursache von Verzerrungen. Linearisierungsschaltungen unter Benutzung von Elektronenröhren als Linearisierungsimpedanz sind bekannt. Solche Elektronenröhren erfordern aber einen zusätzlichen Bedarf an Anodenspannung und Heizleistung, ganz abgesehen davon, daß die Röhren an sich verhältnismäßig empfindliche Schaltelemente sind. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten,dieselmpedanzröhren so zu bemessen, daß sie eine Strom-Spannungs-Charakteristik besitzen, deren Kennlinie dem nichtlinearen Kennlinienfeld der zu linearisierenden Röhre entspricht. Um dies zu erreichen, sind im allgemeinen besondere zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen zu treffen, was den Aufbau der Schaltung weiterhin unübersichtlich und störanfällig macht.

Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden und eine einfache Linearisierungsschaltung dadurch, hergestellt, daß als Belastungswiderstand der zu linearisierenden Elektronenröhre mit nichtlinearem Kennlinienfeld, an Stelle des üblichen rein Ohmschen Widerstandes ein für beide Halbwellen eines Wechselstromes gleich gut durchlässiger Widerstand aus porzellanähnlichem Werkstoff mit geringfügigen Beimischungen von leitenden Stoffen mit nichtlinearer, insbesondere hyperbolischer Strom-Spannungs-Charakteristik vorgesehen ist, dessen Charak-

teristik dem nichtlinearen Kennlinienfeld derart angepaßt ist, daß eine Linearisierung erfolgt. Durch die Benutzung solcher Wider-' stände ist es möglich, mit einfachen Mitteln die Ausnutzung der Röhren bei gleichem An-; öden- und Kathodenenergieverbrauch zu erhöhen, mit anderen Worten: den Wirkungsgrad der Röhren zu vergrößern.

Ein Werkstoff, der die vorerwähnten

ίο Eigenschaften besitzt, ist der in dem amerikanischen Patent ι 822 742 beschriebene Stoff. Er ist von porzellanähnlicher Struktur mit geringfügigen Beimischungen von leitenden Stoffen. Bei geringen Spannungen wirkt er wie ein Isolator. Mit"'zunehmendem Strom wird er ein immer besserer Leiter, in manchen Fällen sogar -im Verhältnis von 10 000 000 : i. Man kann ihn so herstellen, daß zwischen Strom und Widerstand folgende Beziehung gilt:

Hierin ist C eine Konstante, die von dem Material abhängt und die den Widerstandswert für einen bestimmten Strom bestimmt, und a eine andere Konstante, die durch verschiedene Verfahren beim Herstellen des Materials verändert werden kann und die etwa in einem Bereich von ο bis 0,75 liegen kann.

Dieses Widerstandsmaterial wird zweckmäßig in Form von Scheiben benutzt, deren Flächen zum Zwecke der Kontaktherstellung mit einem aufgespritzten Überzug versehen sind. Die Form spielt jedoch keine wesentliehe Rolle. Es ist aber darauf hinzuweisen, daß der Widerstandswert dieses Stoffes sich direkt mit seiner Dicke, aber nicht, umgekehrt, mit der Fläche ändert, wie dieses die Widerstände aus Kohle oder Metall tun, die bisher bei Kopplungsschaltungen verwendet wurden. Auf der Zeichnung zeigt
Abb. ι eine Schar von Strom-Spannungs-Charakteristiken für gewöhnliche Trioden, Abb. 2 die Strom-Spannungs-Charakteristik des obenerwähnten Werkstoffes.

Abb. 3 bis 7 zeigen Schaltungen mit Widerständen aus diesem Werkstoff.

Die Abb. 1 zeigt eine Schar von Strom-Spannungs-Charakteristiken für eine Röhre, bei der sich der Anodenwiderstand ändert, aber der Verstärkungsfaktor konstant bleibt. Die Leistung der Röhre bestimmt sich durch das Ziehen der geraden Linie A, B, die das Verhältnis zwischen Strom und Spannung für einen festen Widerstand angibt. Die Schnittpunkte mit den verschiedenen Gitterspannungslinien E₆ bestimmen die Gitterspannungscharakteristiken, wobei die Spannung an der Röhre durch die Abszissen und die am äußeren Widerstand durch den horizontalen Abstand zwischen der Linie B-C und den Schnittpunkten gegeben wird. Wenn die Gitterspannungslinien für gleiche Zunah- ^:men der Gitterspannung gezeichnet werden, /'dann muß sich, damit man ein lineares Verhält-. ..IiJs zwischen der Spannung am äußeren Wider-' stand und der Gitterspannung erhält, der Abstand zwischen jedem der aufeinanderfolgenden Schnittpunkte und der Linie B-C gegenüber dem vorhergehenden um einen konstan- ten Betrag unterscheiden. Man erkennt, daß dieses in der Abb. 1 nicht der Fall ist. Eine Nachprüfung anderer Röhrencharakteristiken führt zu den gleichen Ergebnissen.

Zu beachten ist ferner, daß der horizontale Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Schnittpunkten am linken Ende der Kurve nahezu derselbe ist. Diesen Abstand nehmend, kann man eine neue Linie A-D ziehen derart, daß alle Schnittpunkte sich um einen konstanten Betrag unterscheiden. Wenn es einen derartigen Widerstand gäbe, daß seine it-J-Kurve dieselbe Form hätte wie die Kurve A-D, wo der Strom wie üblich gemessen wird und die Spannung von irgendeinem Schnittpunkt von A-D mit der O-Stromachse^gemessen wird, dann würden keine nichtlinearen Verzerrungen in dem fraglichen Bereich auftreten. Eine solche' jE-I-Kurve kann man nun mit einem Widerstand aus dem obenerwähnten Werkstoff erhalten, wie weiter unten gezeigt wird.

Die Scharen von Kennlinien, die in Abb. 1 gezeigt sind, beziehen sich auf eine Triode. Röhren mit Mehrelektroden zeigen einen veränderlichen Verstärkungsfaktor und eine Veränderung des Anodenwiderstandes. Es kann jedoch eine Schar von Kurven, ähnlich den in Abb. ι gezeichneten und dasselbe Verfahren für die Bestimmung der ii-I-Kurve, die im äußeren Kreis verlangt wird, befolgt werden. Wenn außer den obigen Verzerrungsarten die dritte Art, nämlich das Geringerwerden des Gitter-Kathoden-Widerstandes die Ursache der Verzerrungen ist, muß eine etwas andere Schar von Kurven gezeichnet werden, um das für die Korrektion erforderliche E-I-Verhältnis zu erhalten. Solange die Eingangsimpedanz der fraglichen Röhre im Vergleich zu dem Speisekreis groß oder konstant ist, ist E₀ äquivalent oder wenigstens proportional der Spannung £,·, die im Ausgangskreis der vorhergehenden Röhre entsteht, wenn als Abschlußwiderstand eine sehr große Impedanz vorgesehen ist.

Es kann deshalb wie in Abb. 1 eine neue Kurvenschar konstruiert werden, bei der E_t statt E₀ verwendet wird. Wenn jedoch die Eingangsimpedanz der fraglichen Röhre im Vergleich zur Ausgangsimpedanz der vorhergehenden Röhre klein wird, bleibt dieses Verhältnis nicht langer bestehen. Dann unter-

scheidet sich die ZiVSchar von der £VSchar, besonders für positive Werte von E_c, wo das Kleinerwerden der Eingangsimpedanz sich bemerkbar macht. Wenn die Ausgangsimpedanz der Röhre und die Impedanz des Speisekreises bekannt sind, können die Wejte von E_c entsprechend irgendeinem Wert von E₁ berechnet und die £_rSchar der Anodenstrom-Anodenspannungs-Kurve gezeichnet werden.

ίο Hierbei ergibt sich, daß die £_rKurven für positive Werte näher beieinander stehen. Unter Verwendung desselben Verfahrens, wie in dem vorhergehenden Falle, kann man eine Kurve E-A-D ziehen, die das E-I-Verhältnis darstellt, das man im Anodenwiderstand innehalten muß, um keine nichtlinearen Verzerrungen zu erhalten. Diese Kurve unterscheidet sich von der für die ersten beiden Arten erforderlichen Verzerrungskurve dadurch, daß der Widerstand sowohl für hohe als auch für niedrige Strom werte zunehmen muß. Man kann eine Schaltung mit Widerständen aus den vorerwähnten Werkstoffen herstellen, die diese Bedingungen erfüllt, wie weiter unten beschrieben wird.

Die nichtlinearen Strom-Spannungs-Charakteristiken dieses Werkstoffes sind in Abb. 2 dargestellt. Man erkennt, daß zwar einerseits der Spannungsabfall an solchen Widerständen mit zunehmendem Strom zunimmt, daß aber andererseits das Maß.dieser Spannungszunahme mit zunehmendem Strom abnimmt. Man erkennt ferner aus dieser Kurve, daß die Wirkung dieses Stoffes umkehrbar ist,

d. h. daß es dieselben Kennlinien ergilbt, gleichgültig, wie die Richtung des Stromfiusses ist.

Man kann nun Widerstände aus solchen Werstoffeni an Stelle der Widerstände in den üblichen widerstandsgekoppelten Verstärkern setzen, wie Abb. 3 zeigt. Zwei Röhren ι und 3, die eine gemeinsame Kathodenverbindung 5 haben, sind durch den nichtlinearen Widerstand 7 gekoppelt. Ein solcher Verstärker kann bei der Benutzung der bisher üblichen Widerstände keine verzerrungsfreie Verstärkung ergeben, wenn die Gitterspannungen so sind, daß die Röhre auf nichtlinearen Teilen der Kennlinie arbeitet. Bei Verwendung von nichtlinearen Widerständen, jedoch mit den richtigen Konstanzen, nimmt der Widerstandswert mit zunehmendem Anodenstrom ab, wodurch die Nichtlinearität kompensiert wird.

Unter gewissen Bedingungen kann es erwünscht sein, denjenigen Teil der /-U-Kurve zu benutzen, der links vom o-Punkt liegt, wie in Abb. 2 gezeigt. In diesem Falle wird dem Widerstand von vornherein eine der durch die Linien B-B oder C-C angegebenen Spannungen als Vorspannung zugeführt.

Da das Material sowohl für negative als auch für positive Ströme eine symmetrische Kennlinie hat, kann durch Wahl geeigneter, vorher "bestimmbarer Gleichvorspannungen eine große Mannigfaltigkeit der Kennlinien erhalten werden. Beispiele hierfür zeigen die Abb. 4 und 5. Bei der Anordnung nach Abb. 4 wird der Widerstand 7 aus dem nichtlinear wirkenden Werkstoff in der üblichen Art verwendet, indem der ganze Anodenstrom durch ihn geschickt wird. In Abb. 5 ist mit dem Widerstand 9 aus dem gleichen Stoff ein großer Kondensator in Reihe geschaltet. Diesem ist ein Ohmscher Widerstand parallel geschaltet, dessen Wert größer ist als die vom Widerstand 9 maximal angenommenen Werte bzw. dem ein Wert gegeben werden kann, der das Maß begrenzt, auf das der Gesamtwiderstand dieses Kreises anwachsen kann. Wenn kein Wechselstrom durch die Röhre fließt, ist im äußeren Kreis ein bestimmter Abfall und eine bestimmte Spannung vorhanden. Die Widerstandsspannungskurve des Widerstands 7 bestimmt sich durch den Gleichstrom und die des Widerstandes 9 durch den Wechselstrom. . Wenn ein Wechselstrom dem Eingangskreis der Röhre zugeführt wird, nimmt der Widerstand 9 sowohl bei einer Zunahme als auch bei einer Abnahme des Gleichstromes im Anodenkreis ab.

Zusätzlich kann eine bestimmte Spannung dem Widerstand 9 von einer äußeren Stromquelle 11 aus oder durch eine Neben-Schlußverbindung von der regulären Anodenbatterie aus zugeführt werden, wodurch man entsprechende Veränderungen der Gesamtkennlinie Widerstand—Spannung erzielen kann. Mit einer solchen Schaltung kann man eine große Mannigfaltigkeit der Charakteristiken erhalten.

Abb. 6 zeigt mehrere in Reihe geschaltete nichtlineare Widerstände 7 und 13, die von einer gemeinsamen Stromquelle 15 entgegengesetzt vorgespannt werden.

Bei der Schaltung gemäß Abb. 7 ist der nichtlineare Widerstand 17 im Nebenschluß zu der Sekundärwicklung eines Kopplungstransformators 19 geschaltet. Erforderlichen- no falls kann er durch die Stromquelle 21 vergespannt werden. Gegebenenfalls kann ein weiterer strombegrenzender Widerstand 23 in Reihe dazugeschaltet werden.

Wegen der einfachen Darstellungsweise sind in den Ausführungsbeispielen, in den Abb. 3 bis 6, Schaltungen mit Widerätandskopplung gezeigt worden. Da jedoch die Verwendung eines Transformators nur die Widerstandscharakteristiken des Sekundärkreises auf die Primärseite überträgt, können , offenbar alle Ergebnisse, die man für Schal-

tungen. mit Widerstandskopplungen erhält, durch Verwendung eines Transformators mit solchen nichtlinearen Widerständen im Sekundärkreis und einer geeigneten Vorspannungsbatterie erzielt werden.

Aus dem Vorstehenden erkennt man, daß die Schaltungen gemäß der Erfindung eine Reihe von Vorteilen besitzen. Man kann mit ihnen eine größere unverzerrte Leistung als ίο bisher erzielen und durch richtige Wahl der Vorspannungen und der Zusammenschaltungen der einzelnen Elemente alle Unregelmäßigkeiten der Charakteristiken kompensieren.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Linearisierung einer Elektronenröhre mit nichtlinearem Kennlinienfeld, dadurch gekennzeichnet, daß als Belastungswiderstand der Röhre an Stelle des üblichen rein Ohmschen Widerstandes ein für beide Halbwellen eines Wechselstromes gleich gut durchlässiger Widerstand aus porzellanähnlichem Material mit geringfügigen Beimischungen von leitenden Stoffen mit nichtlinearer, insbesondere hyperbolischer Stromchärakteristik vorgesehen ist, dessen Charakteristik dem nichtlinearen Kennlinienfeld derart angepaßt ist, daß eine Linearisierung erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Verwendung von Widerständen, deren Widerstandswert innerhalb eines wesentlichen Bereiches proportional zu CI-" ist,, wo C eine Konstante ist, die den Widerstandswert bei dem Stromwert 1 bestimmt, und α eine Konstante ist, die von der physikalischen Struktur des. Widerstandselementes abhängt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand eine Gleichvorspannung erhält.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem nichtlinearen Widerstand ein Ohmscher Widerstand in Reihen- oder Parallelschaltung zugeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nichtlineare Widerstände in fReihe geschaltet sind und daß einer dieser Widerstände eine zusätzliche Gleichvorspannung erhält.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Widerstände . mit entgegengesetzter Vorspannung versehen werden.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch ι oder S, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nichtlineare Widerstände über eine verhältnismäßig große Kapazität in Reihe geschaltet sind und daß die Reihenschaltung von Kapazität und Widerstand durch einen Ohmschen Widerstand überbrückt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen