-
Verfahren zur Verhinderung der Anodenrückwirkung in Röhrenverstärkern
Bei Röhrenverstärkern, insbesondere solchen für Hochfrequenzzwecke, wirken sich,
die Eigenkapazitäten der einzelnen Röhrenteile störend aus. Vakuumröhrenverstärker
müssen, wenn sie wirksam sein sollen, auf Impedanzen von mehreren tausend Ohm arbeiten.
Die Eigenkapazitäten zwischen denRöhrenbestandteilen liegen zu den Impedanzen im
Nebenschluß und vermindern erheblich die wirksame Impedanz, auf welche die Röhre
arbeitet, und damit ihre Verstärkung. Bei Kaskadenverstärkern summieren sich die
Kapazitätswirkungen, so daß bei einem n-stufigen Verstärker der Verlust der hohen
Frequenzen gleich der n-ten Potenz des Verlustes der Einzelstufe ist.
-
Es sind bereits Verstärker für breite Frequenzbänder bekannt, bei
denen zur Verhinderung der Anodenrückkopplung aus dem Anodenkreis an das Steuergitter
der gleichen Röhre eine der Eingangswechselspannung dieser Röhre in Größe und Phase
praktisch gleiche Spannung zugeführt wird. Die Phasengleichheit der an das Steuergitter
zurückgeführten Spannung wird bei dieser bekannten Anordnung durch besondere, die
Schaltung komplizierende Hilfsmittel, wie Transformatoren, Gegentaktschaltungen
u. dgl., erreicht. Die Verwendung eines Transformators im Ausgangskreis ist aber
unerwünscht, da sich dadurch eine Frequenzunabhängigkeit der Schaltung nicht erreichen
läßt. Bei der Verwendung einer Umkehrröhre ist es notwendig, nicht nur den Verstärkungsgrad
einer, sondern zweier Röhren richtig einzustellen, um im Ausgangskreis der zweiten
Röhre den gewünschten Spannungswert zu erhalten. Ferner ist eine Detektorschaltung
bekannt, bei der an einer als Detektor arbeitenden Schirmgitterröhre derartige Betriebsspannungen
angelegt sind, daß der Arbeitspunkt in dem Maximum oder Minimum der Anodenstrom-Anodenspannungscharakteristik
liegt. Eine in Größe und Phase gleiche Spannung wird bei dieser Detektorschaltung
aus dem Anodenkreis an das Steuergitter der gleichen Röhre nicht zurückgeführt.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung der Anodenrückwirkung
in Röhrenverstärkern, bei dem auf einfache Weise aus dem Anodenkreis an das Steuergitter
der gleichen Röhre eine der Eingangswechselspannung dieser Röhre in Größe und Phase
praktisch gleiche Spannung zurückgeführt wird, und besteht darin, daß die Betriebsspannungen
der Röhre so gewählt sind, daß sie als negativer. Widerstand arbeitet, ins= besondere
derart, daß der Arbeitspunkt in dem Minimum der Anodenstrom-Anodenspannungscharakteristik
liegt. Durch die Erfindung kann eine frequenzunabhängige Verstärkung über ein sehr
breites Frequenzband erzielt
werden, und es werden die schädlichen
Röhrenkapazitäten durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeglichen.
-
In der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Fig. i zeigt
beispielsweise einen gemäß der Erfindung ausgeführten Schaltplan für einen Rundfunkempfänger.
In Fig. 2 ist der Verlauf des Wertes der Anodenströme bei Änderung der Anodenspannung
dargestellt. Fig. 3 zeigt die Ersatzschaltung für einen geinäß der Erfindung arbeitenden
Röhrenverstärker.
-
In Fig. i bezeichnet 6 den Verstärker, der im vorliegenden Fall aus
einer Vakuumröhre mit vier Elektroden, einer sog. Schirmgitterröhre, besteht. Diese
Röhre besitzt einen durch die Batterie 8 geheizten Heizfaden 7, der als Kathode
dient. Die anderen Röhrenelektroden umfassen das Gitter 9, die Elektrode i i und
die als Sekundäremissionselektrode wirkende Anode 12. Die Schaltung und Funktion
der Elektrode i z und der Sekundäremissionselektrode 12 können ohne weiteres vertauscht
werden, ohne daß sich andere als quantitative Änderungen zeigen. Eine Spannungsquelle
13 liefert die Energie für den Anodenstrom in der Röhre. Die erforderliche Spannung
hängt von der jeweils gewählten Röhre ab. Bei den handelsüblichen Röhrenarten werden
im allgemeinen Zoo bis 300 V zu wählen sein, bei Sonderröhren kann von diesem
Wert aber auch vollständig abgegangen werden. Der negative Pol der Batterie 13 ist
an die Kathode angeschlossen und der positive Pol an die Elektrode i i. Die Elektrode
12 ist an eine Anzapfstelle 14. der Batterie 13 gelegt, so daß sie ein Potential
zwischen demjenigen der Kathode und demjenigen der Elektrode ii besitzt. Eine Impedanz.
16, die vorzugsweise aus einem Ohmschen Widerstand besteht, liegt zwischen der Elektrode
i2 und der Anzapfstelle 1,4.
-
Wird die Anzapfstelle 14 verschoben, so daß sich das Potential der
Elektrode 12 ändert, so wird sich der durch den Widerstand 16 fließende Strom gemäß
der in Fig. 2 dargestellten Kurve ändern. Wird das Potential der Elektrode 12 über
dasjenige der Kathode? hinaus gesteigert, so steigt der Strom zunächst parabolisch
an wie bei einer gewöhnlichen Audionröhre entsprechend dem Ast 2i der Kurve in Fig.
z. Bei weiterer Potentialsteigerung wird bald eine Stelle 22 erreicht, wo eine «eitere
Spannungserhöhung eine Abnahme des Stromes zur Folge hat, der an der Stelle 23 Null
und im Ast 2d. der Kurve negativ wird. An der Stelle 26 wächst der negative Strom
nicht weiter an, sondern fällt im Ast 27 ab und wird zu Null, sobald die Sekundäremissionselektrode
12 das gleiche Potential erreicht wie die Elektrode i i. Erfindungsgemäß wählt man
die Betriebsspannung der Röhre derart, daß sie als negativer Widerstand arbeitet;
vorzugsweise ist der Arbeitspunkt in dem Minimum der Anodenstrom-Anodenspannungscharakteristik
zu wählen, wodurch besonders stabile Verhältnisse erzielt werden. Durch das Arbeiten
auf dem fallenden Ast der Anodenstrom-Anodenspannungscharakteristik bzw. auf dem
tiefsten Punkt wird erfindungsgemäß der besondere Vorteil erreicht, daß im Anodenkreis
der Röhre bereits eine Spannung auftritt, die mit der Gitterspannung gleichphasig
ist, so daß sich die Anordnung besonderer Hilfsmittel zur Veränderung der Phasenanlage,
wie Transformatoren, Umkehrröhre o. dgl., erübrigt. Bei dem Arbeiten an dem Punkt
26 der Kurve verursachen kleine Änderungen des Potentials der Elektrode 12 keine
Stromänderungen, so daß der Widerstand der Röhre in diesem Falle als unendlich groß
betrachtet werden kann und keine Selbsterregung auftreten kann.
-
Der Strom zwischen Kathode und Anode wird durch das Gitter 9 gesteuert.
Der Anodenstrom fließt über die Impedanz 16; und es wird durch den Spannungsabfall
in der Impedanz 16 eine Stromsteigerung die Sekundäremissionselektrode 12 positiver
und eine Stromverringerung dagegen negativer machen. Das Potential der Elektrode
12 ändert sich daher in dem gleichen Sinne wie das Potential des Gitters 9. Wenn
die Impedanz 16 zu einem rein Ohmschen Widerstand gestaltet wird, so ist das Potential
der Elektrode 12 genau in Phase mit dem Gitterpotential, so daß mit einfachen Mitteln
an das Steuergitter der gleichen Röhre eine der Eingangswechselspannung dieser Röhre
in Größe und Phase praktisch gleiche Spannung zurückgeführt werden kann.
-
Der Eintrittsstromkreis der Röhre 6 umfaßt eine Antenne 31 und eine
Erdung 32, die an je einen Pol eines Kondensators 33 angeschlossen sind. Das Gitter
9 bekommt eine Gitterspannung über einen Gitterwiderstand 34. durch eine Gitterbatterie
36. Das Gitter und die Elektrode 12 sind durch ein Kopplungsglied, im vorliegenden
Beispiel durch einen Kondensator 37, verbunden.
-
Die Verhinderung der Anodenrückwirkung beim vorliegenden Verfahren
beruht auf dem Grundsatz, daß die wirksame Admittanz eines Kreises von dem Strom
abhängt, der beim Anlegen eines Potentials in den Kreis einfließt. Fließt überhaupt
kein Strom, so ist die Admittanz Null. Fließt Strom, so ist die Admittanz positiv
oder negativ, je nach der Phase des Stromes gegenüber dem aufgedrückten Potential.
-
In Fig.3 ist das Ersatzbild der Röhrenschaltung gezeichnet. Das Potential
für den
Röhrenkreis stammt von einem Generator jo, der aber auch
eine beliebige Spannungsquelle sein könnte. Die von dem Generator gelieferte Spannung
besitzt die Größe e. Wird diese Spannung an die Kathode F und den Steuergitterpol
G angelegt, so entsteht zwischen dem Pol F und dem der Sekundäremissionselektrode
12 entsprechenden Pol D eine Spannung E = p . e, wenn p die wirksame Verstärkung
der Röhre bedeutet. Die Spannung E rührt von dem Spannungsabfall längs des Widerstandes
R des äußeren oder Austrittskreises der Röhre her infolge eines von einem gedachten
Generator 41 gelieferten Stromes. Der innere Widerstand der Röhre ist durch Rd dargestellt.
Die Admittanz y ist diejenige des Eintrittskreises und liegt zwischen F und G. Die
Adtnittanz des zwischen Sekundäremissionselektrode 12 und Steuerelektrode geschalteten
Kopplungsgliedes y' befindet sich in der Ersatzschaltung zwischen den Polen G und
D. Diese Admittanzen lassen sich auch in folgenden Impedanzwerten
ausdrücken, die hintereinander und zu dem Anodenwiderstand R parallel liegen, wobei
angenommen ist, daß die Impedanzsumme Z - Z' so groß ist, daß durch jenen Nebenschluß
keine Wirkung auf Größe oder Phase des Austrittsstroms ausgeübt wird. Z und Z' sind
gleichgeartete Glieder, die sich nur in der Größe, aber nicht in Phasen- und Frequenzeigenschaften
unterscheiden.
-
Vernachlässigt man das Potential e und betrachtet nur das Potential
E, so sieht man, daß sich dieses Potential auf die Impedanzen Z und Z' im Verhältnis
ihrer Größe unterteilt. Der Punkt G nimmt also ein Potential zwischen demjenigen
von D und F an. Durch passende Wahl von Z läßt sich (las Potential von G gleich
e machen. Dies wird dann der Fall sein, wenn
oder, in Admittanzen ausgedrückt, wenn
ist. Ausgedrückt durch (lie w irksameVerstärkungskonstante p der Röhre herrscht
diese Bedingung,wenn
ist.
-
Man sieht, daß, wenn die Gleichung erfüllt ist, kein Strom vom Generator4o
durch die Eintrittsadmittanz y fließt, weil sich seine Pole auf dem gleichen Potential
befinden wie F und G. Die Admittanz y des Röhreneintrittskreises ist daher durch
die aus dein Anodenkreis an das Steuergitter der gleichen Röhre zurückgeführte Spannung
vollständig ausgeglichen worden.
-
Mit dem Austrittskreis der Röhre 6 ist durch einen Kondensator 51
das Gitter 52 einer zweiten Röhre gekoppelt. Diese besitzt in ähnlicher Weise wie
die Röhre 6 eine Elektrode 54 sowie eine Sekundäremissionselektrode 56. Um dem Steuergitter
52 eine Vorspannung zu geben, sind ein Gitterwiderstand 57 und eine Gitterbatterie
58 vorgesehen. Das Gitter 52 und die Elektrode 56 sind durch ein Kopplungsglied
verbunden, das in diesem Falle aus einem Kondensator 59 in Reihe mit einem zweiten.
Kondensator 61 und einem dazu parallelen Widerstand 62 besteht. Der Kondensator
51 ist so groß bemessen,. daß er bei denjenigen Frequenzen, . für welche 'der Verstärker
bestimmt ist, eine zu vernachlässigende Impedanz besitzt.
-
In ähnlicher Weise wie bei der Röhre 6 ist im Anodenkreis ein Widerstand
63 eingeschaltet, der an der gleichen Anzapfung 14 der -Batterie 13 angeschlossen
ist. Der Widerstand 63 ist so gewählt, daß er der Röhre 53 die gewünschte Verstärkerkonstante
verleiht, die aber mit Rücksicht auf Stabilität und bequemen Betrieb gewöhnlich
geringer gemacht werden wird als diejenige der Röhre 6. Das Kopplungsglied zwischen
Anodenkreis und Steuergitter, also der Kondensator 61 und der Widerstand 62, sind
so zu wählen, daß in ähnlicher Weise wie bei der Röhre 6 ein Ausgleich der im Eingangskreise
liegenden Admittanz y vorgenommen wird. Dadurch ist es möglich, den Widerstand 16
ziemlich gering zu halten und dennoch beim Arbeiten der Röhre 53 eine einem hohen
Widerstand entsprechende Verstärkung zu erhalten.
-
Parallel zum- Widerstand 63 liegt ein Abstimmkreis, der aus dem veränderlichen
Kondensator 6.4 und einer dazu parallelen Induktionsspule 66 besteht. Dieser Kreis
ist derart abstimmbar, daß er Resonanzen über dasjenige Frequenzband aufweisen kann,
auf welches der Verstärker ansprechen soll. Bei Frequenzen, die in der Nähe der
Resonanzfrequenz liegen, besitzt der Abstimmkreis eine Impedanz weit über derjenigen
des Widerstandes 63, so daß dieser die Austrittsimpedanz der Röhre bestimmt oder
begrenzt. In diesem Frequenzbereich speist daher die Röhre in die berechnete Austrittsimpedanz,
so daß der gewünschte Ausgleich der Eintrittsadmittanz erzielt wird. Dadurch kommt
die Röhre 6 in die Lage, gleichfalls auf den richtigen Widerstand zu speisen, so
daß der gesamte Kreis mit der gewünschten Verstärkung arbeitet.
-
Bei Frequenzen, die von den Resonanzfrequenzen weit abliegen, bietet
der Abstinunkreis
nur eine geringe Impedanz, so daß die Verstärkung
der Röhre 53 erheblich abfällt. Die Eintrittsadmittanz der Röhre 53 bleibt dann
unausgeglichen, so daß auch die Verstärkung der Röhre 6 vermindert wird und sie
unfähig macht, die Admittanz des Kondensators 33 auszugleichen.
-
Die Niederfrequenzkomponente im Anodenkreis der zugleich -als Anodengleichrichter
wirkenden Röhre 53 wird über einen großen Kondensator 68 zu einer Leistungsröhre
7o geleitet. Ein weiterer Kondensator b7 dient dazu, einen Kurzschluß der Niederfrequenzströme
über die Spule 66 zu verhüten. Die Röhre 70 besitzt ein Steuergitter 69,
das von einer Gitterbatterie 72 über einen Widerstand 71 Vorspannung erhält.
In dem Ausgangskreis liegt in üblicher Weise eine Übertragungsvorrichtung oder ein
Lautsprecher 73.
-
Durch die Erfindung kann also der Vorteil erreicht werden, daß in
Anbetracht der aus. Beglichenen Eingangsimpedanz des Verstärkers auf diese eine
Vorrichtung von sehr großer Impedanz, z. B. einer photoelektrischen Zelle, über
ein breites Frequenzband gleichmäßig arbeiten kann.
-
Durch richtige Wahl der Röhren und des zwischen Anode und Gitter befindlichen
Kopplungsgliedes lassen sich Verstärker bauen, deren Verstärkungscharakteristik
über ein Frequenzband zwischen Null und mehreren Millionen Hertz oder jeden beliebigen
Teil eines solchen Bandes annähernd gleichmäßig ist. Durch diesen Verstärker ist
es auch möglich, die Leistung photoelektrischer Zellen oder ähnlicher Vorrichtungen
zu erhöhen und die Impedanzen zwischen solchen Vorrichtungen und den Verstärkern
derart abzustimmen, daß man eine größtmögliche Leistung erhält.
-
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele,
sondern kann für beliebige Verstärker, also nichtlineare Verstärker, wie Modulationsverstärker
usw., für Sende- und Empfangsbetrieb Anwendung finden.